Espectroscopia da refletância

A refletância é um fenômeno óptico clássico que ocorre devido a dois fenômenos bá-sicos da interação entre a luz e a matéria: a absorção e o espalhamento. A absorção é a propri-edade que indica a capacidade de uma molécula absorver energia em sua estrutura eletrônica na forma de fótons ou de onda mecânica. O espalhamento representa a capacidade da molécu-la em mudar o caminho óptico do fóton quando este interage com o dipolo elétrico constituído na estrutura de partículas da molécula. A combinação destes fenômenos faz com que a maté-ria tenha a propriedade de absorver, transmitir ou refletir uma onda de luz incidente. A refle-tância é a quantidade de luz que é devolvida pela amostra ao ambiente, ela pode informar cla-ramente sobre as condições da superfície da matéria, como no caso da rugosidade que é detec-tada através da refletância especular e da difusa, ou das condições internas do material, onde a absorção e o espalhamento da matéria variam com a profundidade (13,33).

A refletância na superfície dos materiais é a responsável pelas cores que observamos.

No estudo científico das plantas sua principal utilidade é informar sobre as mudanças que ocorrem na concentração dos pigmentos da planta, uma vez que cada pigmento absorve luz em uma região específica. Em geral o conteúdo de pigmentos informa sobre o status da plan-ta. Como exemplo, temos as clorofilas, que absorvem luz na região espectral do azul e do vermelho e apresentam coloração verde. O conteúdo das clorofilas pode ser relacionado com

a concentração de nutrientes, eficiência fotossintética ou com estresses. Uma vez que as cloro-filas são os pigmentos mais abundantes das folhas, estas também seguem a sua coloração.

Sendo assim, a mudança de cor representa mudanças bioquímicas que ocorrem nas folhas para defender o organismo dos estresses do ambiente. Outros exemplos de pigmentos são:

carotenóides (coloração amarela), cianinas (vermelho), flavonóides (amarelo), FAD (azulado) (17,56).

A refletância começou a ser aplicada a culturas agrícolas em 1964 para detecção de umidade em grãos; sua viabilidade permitiu o contínuo estudo sobre o conteúdo de água, pro-teínas e gordura em produtos agrícolas. Nos dias atuas a refletância pode ser estudada através de valores pontuais, espectros ou imagens e as aplicações são diversas. A espectroscopia da refletância foi aplicada em estudos de plantas e matéria seca, além de propriedades da micro-estrutura das plantas e vegetais, como a rigidez e os danos internos (26,53). Nas frutas, a es-pectroscopia da refletância foi usada para verificar a qualidade de culturas como abacaxi, manga, maçãs, melão, kiwi, entre tantas outras (53). Um trabalho de destaque foi o realizado por Balasundaram e colaboradores (2009) que estudou a luz visível e infravermelha refletida por toranjas para discriminar o cancro cítrico de outras doenças contidas na casca do fruto com a intenção de selecionar as amostras contaminadas com cancro cítrico antes de transpor-tá-las para o mercado de consumo (6). Neste estudo o autor conseguiu discriminar todas as toranjas (citrino híbrido derivado da laranja) contaminadas por cancro cítrico das demais.

Imagens da refletância de uma amostra estão diretamente associadas às suas caracterís-ticas visuais, que são detectadas e interpretadas pelo o sistema visual humano explorando as cores e intensidades presentes no campo visual. Considerando o registro das imagens por ins-trumentos, as imagens da refletância foram inicialmente utilizadas desde o início do século XX quando as fotografias eram empregadas no registro de fungos. Até o final do século XX as fotografias eram largamente exploradas em diversas aplicações em culturas agrícolas, des-de os estudos científicos da anatomia das plantas por microscopia à fotografia aérea des-de plan-tações utilizando mini-aeronaves ou satélites (55). A limitação da fotografia estava na neces-sidade de filmes específicos para detecção na região visível ou no infravermelho e na proprie-dade das câmeras de compor imagens policromáticas (várias cores na mesma imagem), dessa forma apenas as cores mais intensas eram registradas.

No final do século XX as imagens passaram a ser armazenadas em formato digital com maior freqüência e os sistemas possibilitaram imagens monocromáticas, assim era possí-vel aplicar processamentos nas imagens e estudar a intensidade e/ou a cor refletida.

Atual-mente, as imagens espectrais da refletância no visível e/ou no infravermelho têm sido princi-palmente aplicadas na detecção de defeitos em frutas colhidas e de sintomas de estresses em folhas (2,19,43).

Em especial destacamos os trabalhos desenvolvidos para detecção de contaminantes fecais e defeitos em maçãs (11,19,38,40-41,67) e detecção de defeitos em frutas cítricas (2,9-10,57). Esses trabalhos apresentam instrumentação e processamento de imagens que exploram a coloração da casca das frutas, refletância no infravermelho ou ainda outras propriedades como a forma geométrica da fruta e dos defeitos estudados para propor algoritmos computa-cionais de seleção das frutas defeituosas. Tais instrumentos são importantes para seleção de frutas de consumo “in natura”. A qualidade ou a detecção de defeitos também já foi estudada em outras culturas, como mamão papaya, uvas verdes e maduras, kiwi, entre outras (43).

Ainda na citricultura destacamos os trabalhos de Qin e colaboradores (2008) que estu-daram os sintomas do cancro cítrico e de outras doenças na casca de toranjas através de ima-gens. O objetivo dos pesquisadores era discriminar as lesões de cancro das demais, o qual foi possível através da análise das imagens espectrais da refletância no visível (553 nm, 667 nm) e no infravermelho (718 nm, 818 nm). A análise dos componentes principais 3-D foi aplicada às imagens; os melhores resultados revelaram uma taxa de acertos de 92% na discriminação do cancro cítrico (59). Na continuação do trabalho os pesquisadores aplicaram o método de divergência da informação espectral para classificar o cancro. Neste a taxa de precisão na classificação subiu para 96% (58).

Imagens da refletância utilizando espectrógrafos também têm sido amplamente utili-zadas em associação com aeronaves e satélites em estudos de sensoriamento remoto do meio ambiente, deficiências de minerais em plantações agrícolas e no solo (20,32,35-36). Nestes casos a técnica utiliza o movimento do meio de transporte como sistema de varredura sobre a área de interesse; uma vez que o meio de transporte está distante do objeto, é o poder de am-plificação das lentes usadas no sistema que determinam a resolução espacial do seu campo de visão.

A desvantagem da refletância é a falta de especificidade dos compostos que contribu-em com medida, uma vez que a mudança na concentração de alguns pigmentos pode levar ao mesmo sintoma visual. É por esse motivo que doenças distintas causadas por agentes diferen-tes induzem sintomas semelhandiferen-tes, como no caso de algumas doenças cítricas (31).