一种非侵入式植物挥发物检测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非侵入式植物挥发物检测系统，包括一封闭气室，内置目标植物；至少一微型泵，与封闭气室连接；电子鼻系统，电子鼻系统包括至少一个传感器，根据目标植物挥发时的有机化合物，生成目标植物的VOC光谱信息后，将VOC光谱信息转换为数字信号；至少一个信号调理模块，对数字信号进行预处理以产生脉宽调制信号；数据控制模块，接收脉宽调制信号，得到目标植物在健康状态与天敌侵染状态的实时生长数据。通过开发基于优化传感器阵列的便携式电子鼻系统，使得本发明专利技术可以测定树木和植物VOC生物标记物，以及特定天敌侵染的植株的VOC生物标记物；从而诊断植株中的天敌侵染和其他外界环境的变化。界环境的变化。界环境的变化。

【技术实现步骤摘要】
一种非侵入式植物挥发物检测系统和方法


[0001]本专利技术涉及植物挥发物检测
，具体为一种非侵入式植物挥发物检测系统和方法。

技术介绍

[0002]植物会向周围环境释放大量挥发性有机化合物(VOCs)，从而传递对其生长、防御和健康做出反应的功能信息。
[0003]例如，挥发性有机化合物的成分随着环境的变化而不断变化，例如病原体感染、食草动物取食和机械损伤。换句话说，植物释放的挥发性有机物可以实时显示其生理健康状态，因此，它们可以被用作疾病诊断的生物信息。
[0004]最近，利用植物挥发性有机化合物谱控制昆虫的方法受到了广泛关注。利用挥发性有机化合物指纹作为植物的独特信息已成为食品质量评估、昆虫管理和食品安全的一个新兴领域，受益于其良好的非侵入性优势。
[0005]而目前使用GC
‑
MS分析挥发性有机化合物分布已成为一种广泛使用的技术，用于从目标物体中识别单个挥发性有机化合物。但是，这种技术既昂贵又耗时，而且需要专业知识。此外，GC
‑
MS检测是一种基于实验室的离线检测，这就限制其在温室和露天场地中的应用。
[0006]有鉴于此，急需设计开发一种经济、快速、准确的VOC谱检测技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种非侵入式植物挥发物检测系统和方法，通过电子鼻系统模仿哺乳动物的嗅觉系统，组件不同类型的传感器阵列，并与模拟嗅球和大脑角色的模式识别算法相结合的方式，从而使得植物的挥发性有机化合物在应对虫害、真菌感染和其他损害方面发挥作用，解决了现有技术中的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种非侵入式植物挥发物检测系统，包括：一封闭气室，内置目标植物；
[0009]至少一微型泵，与所述封闭气室连接；以及
[0010]电子鼻系统，对目标植物进行定性分类，其中，所述电子鼻系统包括
[0011]至少一个传感器，根据目标植物挥发时的有机化合物，生成目标植物的VOC光谱信息后，将所述VOC光谱信息转换为数字信号；
[0012]至少一个信号调理模块，对所述数字信号进行预处理以产生脉宽调制信号；
[0013]数据控制模块，接收所述脉宽调制信号，以对目标植物挥发时的有机化合物进行定性分析分类，得到目标植物在健康状态与天敌侵染状态的实时生长数据；
[0014]所述数据控制模块电性连接微型泵，用于提供目标植物检测时的稳定闭环环境。
[0015]作为对本专利技术一种非侵入式植物挥发物检测系统的改进，还包括循环风机，所述循环风机电性连接数据控制模块，且与所述封闭气室相通，用于在数据控制模块的输出指
令下维持所述检测系统内部温度一致。
[0016]作为对本专利技术一种非侵入式植物挥发物检测系统的改进，还包括至少一UPS电源，所述UPS电源连接所述数据控制模块，用于对所述检测系统内部提供12VDC工作电压。
[0017]作为对本专利技术一种非侵入式植物挥发物检测系统的改进，所述传感器包括MQ
‑
3气体传感器、MQ
‑
138气敏传感器、TGS2602空气质量传感器以及MQ
‑
135空气污染气体传感器，其中，
[0018]MQ
‑
3气体传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的醇类气体；
[0019]MQ
‑
138气敏传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的醛类、醇类、酮类以及芳香化合物气体；
[0020]TGS2602空气质量传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的挥发性有机化合物；
[0021]MQ
‑
135空气污染气体传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的苯类和醇类气体；
[0022]所述数据控制模块基于PCA主成分分析以及HCA层次聚类分析模式识别算法对目标植物挥发时的有机化合物进行定性分析分类。
[0023]作为本专利技术的第二方面，提出一种非侵入式植物挥发物检测方法，包括以下步骤：
[0024]第一步，构建目标植物检测时的稳定闭环环境
[0025]S1
‑
1、将目标植物在聚四氟乙烯袋中覆盖30min～60min，产生顶空空气后，基于微型泵将目标植物的顶空空气排放至开发的电子鼻系统内；
[0026]S1
‑
2、基于微型泵将空气持续泵入电子鼻系统10min，提供目标植物检测时的稳定闭环环境；
[0027]第二步，基于电子鼻系统对目标植物进行挥发性有机化合物测试
[0028]S2
‑
1、使用SPME固相微萃取收集挥发性有机化合物中的芬多精成分；
[0029]S2
‑
2、对于芬多精成分采用GC
‑
MS系统测试，得到目标植物的VOC光谱数据；
[0030]S2
‑
3、将所述目标植物的VOC光谱数据与国家标准质谱库的公开指数数据进行比较，确定目标植物的VOC光谱数据中的挥发性有机化合物种类；
[0031]S2
‑
4、计算所述挥发性有机化合物的保留指数；
[0032]第三步，基于PCA主成分分析以及HCA层次聚类分析模式识别算法对取得保留指数的所述挥发性有机化合物进行定性分类，得到目标植物在健康状态与天敌侵染状态的实时生长数据，其中，
[0033]PCA主成分分析模式识别算法对取得保留指数的所述挥发性有机化合物进行定性分类的具体方式为:
[0034]首先，基于网络代谢组学分析平台MetaboAnalyst 4.0，应用p值小于0.05的Kruskal
‑
Wallis多重比较检验来确定所述挥发性有机化合物显著变量；
[0035]其次，基于统计分析工具SPSS v.25.0建立数据矩阵，以测量变量数据集样本的采样充分性和数据缩减的适用性；
[0036]再次，基于网络代谢组学分析平台MetaboAnalyst 4.0对数据矩阵进行对数变换和帕累托缩放，以减少变量数据的偏斜和主要变量的影响；
[0037]最后，利用物理化学性质和挥发性化合物数据进行主成分分析，以获得样品之间
变化模式、趋势和聚类的概述，进而建立PCA主成分分析模式识别算法模型方程：
[0038][0039]式中，X是变量矩阵；X
‑
是平均向量，T是汇总X变量的得分矩阵，P'是荷载矩阵，上标T是矩阵转置，E是残差矩阵；
[0040]HCA层次聚类分析模式识别算法对取得保留指数的所述挥发性有机化合物进行定性分类时:
[0041]基于欧氏距离和平均链接年龄方法进行HCA层次聚类分析，以显示变量对根据其各自的健康状态与天敌侵染状态种类聚类样本的贡献，且所述HCA层次聚类分析结果以树状图和热图显示。
[0042]作为对本专利技术一种非侵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非侵入式植物挥发物检测系统，其特征在于，包括：一封闭气室，内置目标植物；至少一微型泵，与所述封闭气室连接；以及电子鼻系统，对目标植物进行定性分类，其中，所述电子鼻系统包括至少一个传感器，根据目标植物挥发时的有机化合物，收集目标植物的VOC光谱信息后，将所述VOC光谱信息转换为数字信号；至少一个信号调理模块，对所述数字信号进行预处理以产生脉宽调制信号；数据控制模块，接收所述脉宽调制信号，以对目标植物挥发时的有机化合物进行定性分析分类，得到目标植物在健康状态与天敌侵染状态的实时生长数据；所述数据控制模块电性连接微型泵，用于提供目标植物检测时的稳定闭环环境。2.根据权利要求1所述的一种非侵入式植物挥发物检测系统，其特征在于，还包括循环风机，所述循环风机电性连接数据控制模块，且与所述封闭气室相通，用于在数据控制模块的输出指令下维持所述检测系统内部温度一致。3.根据权利要求1所述的一种非侵入式植物挥发物检测系统，其特征在于，还包括至少一UPS电源，所述UPS电源连接所述数据控制模块，用于对所述检测系统内部提供12VDC工作电压。4.根据权利要求1所述的一种非侵入式植物挥发物检测系统，其特征在于，所述传感器包括MQ
‑
3气体传感器、MQ
‑
138气敏传感器、TGS2602空气质量传感器以及MQ
‑
135空气污染气体传感器，其中，MQ
‑
3气体传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的醇类气体；MQ
‑
138气敏传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的醛类、醇类、酮类以及芳香化合物；TGS2602空气质量传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的挥发性有机化合物；MQ
‑
135空气污染气体传感器连接数据控制模块，用于采集目标植物挥发时产生的苯类和醇类气体；所述数据控制模块基于PCA主成分分析以及HCA层次聚类分析模式识别算法对目标植物挥发时的有机化合物进行定性分析分类。5.一种非侵入式植物挥发物检测方法，基于权利要求1
‑
4所述的检测系统，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构建目标植物检测时的稳定闭环环境S1
‑
1、将目标植物在聚四氟乙烯袋中覆盖30min～60min，待目标植物产生顶空空气后，基于微型泵将目标植物的顶空空气排放至开发的电子鼻系统内；S1
‑
2、基于微型泵将空气持续泵入电子鼻系统5min～10min，提供目标植物检测时的稳定闭环环境；第二步，基于电子鼻系统对目标植物进行挥发性有机化合物测试S2
‑
1、使用SPME固相微萃取收集挥发性有机化合物中的芬多精成分；S2
‑
2、对于芬多精成分采用GC
‑
MS系统测试，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾红松，郑晓英，
申请(专利权)人：台州艾智卫科技有限公司，
类型：发明
国别省市：