果蔬表皮的光學(xué)層析成像實(shí)驗(yàn)研究

年方磊+許世軍+范卉+張雪赟

摘 要：果蔬的安全衛(wèi)生和營養(yǎng)受到全社會的關(guān)注。在光學(xué)相干層析系統(tǒng)中，對圣女果、洋蔥、卷心菜的表皮，利用光學(xué)相干層析對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2D層析圖像顯示未污染圣女果、卷心菜表皮厚度約為0.15mm，洋蔥表皮厚度為0.09mm，形狀規(guī)則，分層明顯，有助于對果蔬成份及安全性的綜合研究。

關(guān)鍵詞：食品安全；果蔬表皮；光學(xué)相干層析

果蔬是指食用的水果和蔬菜，相對于肉食，是食物的一個(gè)類別。果蔬是我們必不可少的食物，主要成分是人體所必需的一些維生素、無機(jī)鹽、生物酶及植物纖維，果蔬中蛋白質(zhì)和脂肪的含量較少[1]，因此，果蔬的衛(wèi)生狀況有極高的社會關(guān)注度。從物理學(xué)、生物學(xué)原理角度分析，果蔬表皮中的有害物和不同的營養(yǎng)成份對于表皮的層析結(jié)構(gòu)有重要影響。本文主要運(yùn)用光學(xué)相干層析技術(shù)對常見果蔬表皮的成份、有害物質(zhì)的層析結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得比較精細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 OCT原理

光學(xué)相干層析成像[2]（optical coherence tomography， OCT），是利用寬帶光源的低相干性，通過測量樣品后向散射光的干涉信號，對樣品的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率層析成像的技術(shù)。OCT基于低相干干涉原理獲得深度方向的層析能力，通過掃描可以重構(gòu)出生物組織或材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維或三維圖像[3]，其信號對比度源于生物組織或材料內(nèi)部光學(xué)反射（散射）特性的空間變化。

OCT系統(tǒng)的典型原理框圖如圖1所示，它的核心結(jié)構(gòu)是邁克爾遜干涉儀。從低相干寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分為兩束，一束為參考光，由反射鏡反射后按原路返回并透射到分束鏡后到達(dá)探測器；另一束為信號探測光，通過聚焦透鏡聚焦后照射到樣本，其后向散射光按原路返回經(jīng)分光鏡反射后到達(dá)探測器，并與參考臂到達(dá)探測器的參考光發(fā)生干涉，并由探測器接收。通過改變參考臂的縱向掃描，以及信號臂沿光軸垂直方向的橫向掃描，就可以得到樣品的二維或三維層析圖像。

1.2 材料的制備與實(shí)驗(yàn)方法

該研究中采用CALLISITO型設(shè)備，的核心部件包括寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光電探測器，其軸向分辨率取決于寬帶光源的相干長度，一般可以達(dá)到1-10μm，而徑向分辨率與普通光學(xué)顯微鏡類似，決定于樣品內(nèi)部聚焦光斑的尺寸，一般也在微米量級[4]。OCT具有非接觸、非侵入、成像速度快（實(shí)時(shí)動態(tài)成像）、探測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，OCT技術(shù)已經(jīng)在臨床診療與科學(xué)研究中獲得了廣泛的應(yīng)用。

在光源下方放置不同的果蔬表皮樣品，在2D的模式下，OCT 只沿著一個(gè)線的方向進(jìn)行掃描，得到該測量線下的深度信息。

圣女果、卷心菜、洋蔥未污染，購自于超市后，對表皮進(jìn)行簡單的預(yù)處理（清洗、剝皮）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2、3、4分別表示圣女果、洋蔥、卷心菜的表皮（膜）的層析圖像，其中的厚度參數(shù)（多點(diǎn)取值）已經(jīng)標(biāo)注。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，三種果蔬樣品的厚度分布在0.09mm-0.17mm范圍內(nèi)。其中圣女果和卷心菜表皮層厚度較為接近，均在0.15mm左右，而洋蔥的表皮厚度則在0.09mm左右；而按表皮厚度的分布情況分析，洋蔥和圣女果表皮形狀都較為均勻規(guī)則。其多點(diǎn)取值測量誤差均在0.01mm以內(nèi)。卷心菜的表皮厚度分布則表現(xiàn)為不均勻分布。

OCT儀器的正常成像是上深下淺，上面深色部分為空氣層，下面淺色部分為果蔬果肉，中間深色部分為表皮層。而上面距表皮層附近則為表皮附粘物。其中圖像呈現(xiàn)三種樣品的表皮附粘物均有空氣到表皮顏色逐漸加深，可得知表皮附粘物逐漸增多，而圣女果白表皮附粘物為點(diǎn)狀分布，洋蔥為片狀分布，卷心菜為層狀分布。

3 結(jié)論

OCT儀器的2D 模式可以清晰的反映果蔬樣品（圣女果、洋蔥、卷心菜）的表皮層析結(jié)構(gòu)圖像，多點(diǎn)取值測量誤差也較大。此處考慮為卷心菜樣品的葉莖和葉脈的影響，還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步測量確認(rèn)。該結(jié)果有助于對果蔬成份及安全性的綜合研究。

參考文獻(xiàn)

[1]李江華.新鮮蔬菜和水果知識問答[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011，7.

[2]徐可欣，高峰，趙會娟.生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011，7.

[3]張鎮(zhèn)西.生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)新技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008，5.

[4]王凱.譜域光學(xué)相干層析成像方法與系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2010，6.