Applicability of handheld Raman spectrometer for plant health monitoring

Abstract

In this study, Basil plants are monitored with a handheld Raman spectrometer. The objective is to find out if a handheld Raman spectrometer can be used as a monitoring tool for plant pollution and suggest a methodology to treat the spectra for maximum information gain. For monitoring plant health, the experimental part is designed to observe different quantities of pollution by performing quantitative tests, qualitative tests, and evolution tests. The Basil plants are polluted with four different pollutants, sulfate salts of Zn, Co, Fe, and Cu, metals that represent either micronutrients found in fertilizers or metals found in mining wastewater. The effects of sulfate salts were able to be detected visually already after 24 hours of exposing the samples to the pollutants. The differences could also be seen from the spectrum making the handheld Raman spectrometer a great tool for monitoring plant health and for detecting possible plant diseases early on. From spectral effects, the samples polluted with CuSO₄ differ the most from the healthy plant, based on the captured variation of the first two principal components in the control model. The observed intensities of FeSO₄ were found to be higher than the intensities observed from the healthy plants. However, the plant was least affected when polluted with ZnSO₄. The visual observations and PCA analysis support the conclusion. This study proposes that the best methodology to separate the effects of the pollutants from the healthy plants is by removing the background from the spectra by using statistical methods and then applying multivariate analysis to visualize the differences.

Tässä tutkimuksessa seurataan muutoksia basilikassa Raman spektrometrillä. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, kuinka muutokset näkyvät mitatussa spektrissä ja ehdottaa menetelmä niiden käsittelemiseksi. Kokeellinen osa on suunniteltu havainnoimaan spektrin eri muutoksia käyttämällä kvantitatiivisia testejä, kvalitatiivisia testejä ja evoluutiotestejä. Kokeellista osaa varten basilika altistettiin neljän eri metallin Zn, Co, Fe ja Cu sulfaattisuoloille, jotka edustavat joko lannoitteiden hivenravinteita tai kaivosjätevesien metalleja. Sulfaattisuolojen vaikutukset pystyttiin havaitsemaan visuaalisesti jo 24 tunnin kuluttua siitä, kun näytteet oli altistettu niille. Erot näkyivät myös spektristä, jonka perusteella kädessä pidettävää Raman-spektrometriä voidaan pitää varteenotettavana työkaluna kasvien terveydentilan seurantaan ja mahdollisten kasvitautien varhaiseen havaitsemiseen. Vertaillessa sulfiittisuolojen vaikutuksia basilikan spektriin, CuSO₄:lla saastuneet näytteet eroavat eniten terveestä kasvista. FeSO₄:lla saastutettujen näytteiden havaitut Raman-sironta intensiteetit olivat korkeammat kuin terveistä kasveista havaitut intensiteetit. Silti kasvi kesti parhaiten ZnSO₄ altistamisen. Suoritettu PCA-analyysi ja visuaaliset havainnot vahvistavat johtopäätöksen. Kasvin spektri muutosten erottamiseen tämä tutkimus pitää parhaana menetelmänä tapaa, jossa kasvin spektristä poistetaan ensin ylimääräinen taustan vaikutus käyttämällä tilastollisia menetelmiä, jonka jälkeen kasvin spektrien erot visualisoidaan pääkomponentti analyysillä niiden erottamiseksi.