基于松木叶绿素太赫兹指纹谱的松材线虫病监测研究

The technology based on hyperspectral remote sensing in the detection of pine wilt disease (PWD) study the difference of spectral features from visible light to near-infrared band,further to determine the rough diseased process. However, this detection method doesn't provide a direct and exclusive criterion to detect PWD. We propose the investigation of detection of PWD based on terahertz fingerprints of pine wood chlorophyll, extending the working band to mid-infrared to terahertz region. By adopting wide band Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and narrow band terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS), we study the spectral feature differences of the pine leaves during different sick period, and characterize the correlation of chlorophyll fingerprints with sick period. We study the variation of frequency and intensity of chlorophyll fingerprint by applying density functional theory (DFT) and Gaussian03 software, and establish the corresponding theory of molecule structure and vibration mode. The study will provide a new method for the detection of plant parasitic nematodes.

以高光谱遥感技术为基础的松材线虫病检测方法，通过研究可见光至近红外波段感病松木的光谱特征强度差异，确定松木感病的大致时间，但对于松木的感病程度特别是早期感病松木缺乏直观简明的唯一判据。针对此，本申请项目将测试波段延长到中红外至太赫兹波段，提出基于松木叶绿素太赫兹指纹谱的松材线虫病监测研究。运用宽带傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）及窄带太赫兹时域光谱仪（THz-TDS），研究健康及不同感病时期的松木针叶的光谱特征差异，表征叶绿素分子指纹峰频率与感病时间之间的相关性，在此基础上应用密度泛函理论DFT及Gaussian03软件分析感病松木针叶的叶绿素分子的指纹峰频率偏移及强度的变化，建立分子结构、集体振动模式变化的理论依据。该项研究将为植物线虫病监测提供新的方案。

1、.研究背景.从事松材线虫病防治的研究人员普遍认为松木感染松材线虫病后，其体内存在的毒素导致一些生化参数变性，如毒素与松木针叶（松针）叶绿素作用后，可能导致叶绿素分子结构发生变化，从而引起针叶颜色的改变，使针叶变红，这种颜色变化是与由其他病害引起针叶发灰有明显区别的。由于缺乏合适的研究手段，对于叶绿素变化的研究涉及很少。本课题组在国家自然基金课题《基于松木叶绿素太赫兹指纹谱的松材线虫病监测研究》的资助下，与国内外研究团组合作开展了松材线虫病诊断的太赫兹指纹研究。.2、研究内容及重要结果.（1）运用太赫兹时域光谱技术，研究了松针在健康、感病初期、中期、后期不同阶段的光谱特征变化，研究发现松木针叶的太赫兹光谱吸收率随着松材线虫病感病程度加深而增加，折射率则相应减小，此项研究成果为追踪松材线虫病的发展提供了重要的参考意义；.（2）应用傅里叶变换红外光谱仪研究了松针叶绿素的指纹峰与感病时间的相关性。萃取了健康和感病松针的叶绿素，并用提纯的标准样叶绿素a及b的光谱特征作为参考，在2.86THz频段，几种样品均出现吸收峰，经分析发现该频率点的吸收峰来自于叶绿素结构里的核心部分卟啉环和叶绿醇分子的振动和转动。由于感病后松针叶绿素含量急剧降低，测试的吸收峰频率未呈现出与感病时间的相关性；.（3）应用密度泛函理论（DFT）及Gaussian03软件，确定松木针叶的叶绿素分子的振动模式及分子间的弱相互作用，获取其分子构象。研究发现在以2.86 THz为中心频率、宽约0.8 THz的频段范围内，计算的叶绿素a和b光谱呈现吸收峰，吸收峰位置和测试结果较为吻合，但是强度和形状存在差异，这表明分子间的作用力、范德华力及氢键对太赫兹光谱特性有重要的影响；.（4）叶绿素指纹峰与环境温度的相关性研究。在温度逐渐降低的过程中，原有吸收峰强度逐渐加强，当温度降至100K左右时，强度基本保持不变。温度继续降低，吸收峰位置和强度均不变，没有新的吸收峰出现。