农作物的组分分析

农作物的组分分析在作物品种以及农药和化肥的研发中起到极其重要的作用。阐明农作物中所含的化学组分及其生理功能，有望推动品种改良、农药和肥料的开发以及施用条件优化等领域的研究与发展，从而有助于提高农作物的产量和品质。为此，人们采用了多种分析方法，包括光谱法和质谱。除了分析仪器的开发外，提取和分离等样品制备流程近年来也日益精进，从而能够对痕量组分进行高灵敏度的检测和定量分析。

农作物研究中成像分析的必要性

在提取和分离等制备过程中，化学组分的空间信息通常会丢失。因此，成像分析在可视化这些信息方面的重要性正日益增加。在包括农作物在内的植物研究中，了解所含组分“存在于何处”以及“以何种状态存在”，是阐明其生理功能和作用机制的关键基础。这有望推动品种改良、农药和肥料的开发以及施用条件优化等领域的研究与发展，从而有助于提高农作物的产量和品质。特别是基于质谱技术的质谱成像 (MSI)，近年来备受瞩目。作为一种免标记成像技术，它在充分发挥高灵敏度优势的同时，还能实现不同分子种类空间分布的同步可视化。

草莓组分成像（MSI 图像）

农药分析方法比较

对农药相关组分的分析，对于农作物的安全性评估以及新农药的研发至关重要。在此，我们以农药组分分析为例，对常用分析方法与质谱成像技术的各自特性进行比较。

色谱-质谱法

(LC/MS、GC/MS 等)

液相色谱-质谱法 (LC/MS) 和气相色谱-质谱法 (GC/MS) 是高灵敏度的分析方法，能够同时对农药及其代谢物等多种组分进行分析。首先，使用各种色谱方法对组分进行分离。随后，将分离出的化合物进行离子化处理，并采用串联质谱仪等仪器进行高灵敏度检测，这类仪器非常适合用于痕量分析。虽然这种方法非常适合监测农药残留，但由于在提取和纯化过程中需要对样品进行均质化处理，因此无法获得空间信息。

放射性同位素成像

（RI 成像）

放射性同位素成像（RI 成像）是一种分析化合物在植物体内的迁移途径和分布的方法，其原理是将标记有放射性同位素的物质施用于植物，然后利用放射自显影、PETIS 和 RRIS 等仪器来追踪由该同位素发出的辐射。这种方法能够实现高灵敏度的检测，并且根据具体方法的不同，还可以实时观察到变化。另一方面，该方法在实际应用中也存在一些局限性，例如无法区分农药活性成分与其代谢物的这一固有缺陷、同位素标记试剂的成本高昂，以及因使用放射性物质而产生的专用设施的安全管理和维护问题。

质谱成像

(MSI)

质谱成像 (MSI) 是一种能够获取与被测样品空间信息相关联的质谱数据的技术，从而可直观呈现组分的分布情况。该方法无需标记即可进行检测，并且能够同时分析多种组分，例如农药及其代谢物。另一方面，需要注意的是，由于样品制备条件的变化以及分析区域内杂质的分布情况，定量分析面临着诸多挑战。此外，MSI 测量需要使用经过薄切片处理的样品。

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比较项目	LC/MS、GC/MS	RI 成像	MS 成像
主要用途	痕量与定量分析、定性分析	标记分子的追踪	多组分分布分析
批量分析/成像	批量分析	成像	成像
标记/未标记	未标记	标记	未标记
破坏性/非破坏性	破坏性	非破坏性	破坏性
优点	既定方案	提供实时成像	未标记分子的可视化
挑战	缺乏空间信息	RI 设施的管理	薄切片制备法不适合某些农作物样品。

MSI 在农作物组分分析中面临的挑战

进行 MSI 时，冷冻样品必须预先切片，厚度需控制在几十微米。对于水分含量高或叶片表面弯曲的农产品，样品在薄切片制备时常常会发生塌陷，这使得薄切片制备操作本身变得极其困难。这种依赖薄切片的 MSI 样品制备要求，被认为是限制 MSI 在该领域广泛普及的因素之一。

滨松光子学株式会社一直专注于应对这一挑战，并致力于开发能够替代薄切片制备方法的技术。

什么是 Poropare^™ 转移板？

Poropare 转移板是滨松光子学株式会社利用其专有技术开发的一种用于 MSI 的样品制备辅助工具。作为薄切片制备技术（该技术对农业样品而言颇具挑战性）的替代方案，它实现了一种称为“转移采样”的方法，即将样品组分转移至载板上。这使得 MSI 能够应用于许多此前因无法进行薄切片制备而难以分析的农作物样品。

Poropare 具有极高的吸水性，即使对于含水量较高的样品，也能在将组分转移至载板上的同时，最大限度地减少分析物的位移。而且，其坚固的板体使得即便是叶片等较硬的样品，也能通过将其按压到载板上进行取样。此外，由于整个过程只需将样品表面按压到载板上即可完成操作，因此无论操作人员的技术水平如何，都能实现稳定的样品制备。

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Poropare^™ A15551 系列转移板

案例研究 1：对草莓组分进行成像

将一颗 50 mm 草莓的横截面按压到 Poropare 上，无需制备薄切片样品即可转移其组分。转移完成后，无需任何额外处理，即可在 Poropare 上进行 MSI 分析。传统的 MSI 需要将样品切成几十微米厚的薄片，这不仅依赖于操作者的技能水平，还需要专用设备，从而为 MSI 的实施带来了重大障碍。Poropare 无需进行这种复杂的样品制备，只需轻轻按压样品的横截面，即可实现保留空间信息的转移采样。

Poropare 清晰地展示了草莓内部糖分和有机酸的分布情况。Poropare 的一个关键优势在于，它能够对果皮、果肉及维管束等特定区域间的差异进行分析，而这些差异难以通过传统的整体分析方法捕捉，因为后者只能提供整个水果的平均信息；同时，该技术仍能以接近直接肉眼观察的尺度实现对整个水果的可视化。

测量程序

1. 露出测量表面

2. 按压并转移

3. 获取测量结果

案例研究 2：叶片中农药渗透与转运的评估

由于叶片薄且弯曲，难以进行切片，因此人们一直认为难以应用 MSI 来获取叶片表面组分的分布情况。即使采用将样品直接放入仪器中进行测量的方法，叶片表面的不平整和弯曲形态依然令人担忧，因为这可能会影响分析结果以及仪器本身。在本案例研究中，为了解决这些问题，将整片叶片（其局部曾喷洒过农药）在 Poropare 上压碎，以进行转移采样。转移完成后，无需任何额外处理，即可在 Poropare 上进行 MSI 分析。

利用 Poropare 进行 MSI，实现了对整个叶片表面农药分布情况的可视化，从而有助于评估农药的渗透和转运情况。研究证实，即使在压力可能导致分布受到破坏的情况下，由于 Poropare 具有吸水性，局部分布在转移过程中仍能得到保留。这表明，对于传统方法难以实现的叶片表面组分成像，现在可以更简单、更稳定地进行。

与传统的 RI 成像方法相比，这种方法无需标记，因此不受 RI 标记相关的限制，从而降低了分析门槛。此外，由于 RI 成像的原理是检测标记物衍生的信号，因此难以区分农药活性成分及其代谢物；而使用无需标记的质谱成像 (MSI) 则可以克服这一难题，因为 MSI 能够同时检测多种组分。

测量程序

1. 喷洒农药，然后等待几天

2. 压碎叶片表面

*图片仅供示意参考。

3. 获取测量结果

测量结果由日产化学株式会社提供

点击此处查看其他转移采样的示例

通过质谱成像展望农作物分析的未来

1. 面向品种改良与栽培研究领域的分析支持

MSI 是一种能够对农作物中所含的各种组分进行同步、无标记分析的方法。通过减少单独测量每个组分所需的工作量，并从农作物样品中获取广泛的内部信息，该技术为品种改良和栽培研究提供了新的视角。使用 Poropare 进行转移采样，既简化了 MSI 的样品采集流程，又减少了对专门样品制备流程的依赖。例如，通过简化在偏远地区或栽培现场的样品采集流程，并减轻分析设施内样品制备的负担，这使得 MSI 在研究和评估中更易于应用。

2. 识别农作物内部变化的线索

利用 MSI，我们能够确定农药、其代谢物以及有益组分在农作物中的分布位置。这样一来，更容易识别出仅凭组分平均水平无法察觉的差异，以及多种组分之间的相互关系，从而加深对农作物样品内部发生的变化的理解。Poropare 技术简化了以往采用传统 MSI 难以处理的样品操作，使人们能够更便捷地获取各类农作物的相关信息。因此，预计该技术有望支持旨在提高农作物附加值的研究，例如了解各品种的特性以及探索功能性组分。

3. 助力做出更优的农业决策

MSI 提供的多组分成像信息，为植物功能的基础研究、农药作用机制与代谢分析以及栽培条件的优化提供了新的见解。该方法不仅揭示整个作物群的平均值，还揭示各组分的空间分布，从而实现更具针对性的比较与评估。使用 Poropare 可以更轻松地处理多种多样的样品，从而有助于积累可比性数据。因此，这些新数据有助于减少农药对环境的影响，并加强栽培管理。此外，这些评估数据有望被用作智慧农业决策的依据之一，并与其他技术产生协同效应。

Poropare 购买指南

Poropare 是一款专为使用配备 MALDI 和 DESI 离子源的质谱仪进行测量而设计的产品。

Poropare 目前可从以下公司购买。

购买信息

*Poropare 是滨松光子学株式会社的注册商标。

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