（光学工程专业论文）牛奶中蛋白质含量的近红外在线检测技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着人民生活水平的提高，人们已经不再只满足于食品的丰富和充足， 而更关心食品的营养价值。化学计量学作为一门新兴的学科得到了极大的 发展，近红外光谱分析技术作为一种重要的化学计量手段，在成分分析领 域也得到了蓬勃发展，本文就人们生活中的主要饮品一牛奶中的蛋白含量 进行了在线检测分析。 本文在对国内外乳品检测技术现状及发展趋势进行分析与综合的基础 上，提出了采用光谱技术与光纤技术相结合实现在线检测的新思想。系统 以物质具有对光选择性吸收的物理特性为理论基础，采用滤波片分光和光 纤技术以及单片机技术实现了牛奶中蛋白含量的在线检测。 研究内容主要包括： ( 1 ) 研究采用近红外光谱技术实现在线检测的可行性。 ( 2 ) 研究不同蛋白含量的牛奶样品在近红外区的光谱特性，确立与蛋白 含量相关性较好的特征波长，确定数据处理方法，建立数学模型。 ( 3 1 设计系统光路，通过采用滤波片分光和光纤束导光，有效降低了光 路的复杂性；设计主控电路，通过采用光源调制技术、数字滤波技术、单 片机技术实现整个系统的控制以及光谱数据的采集、处理和显示。 f 4 ) 对系统进行试验，通过试验结果证明采用近红外光谱技术能够实现 牛奶中蛋白含量的在线检测。 本课题把近红外光谱技术和光纤技术用于牛奶生产的过程分析中，采 用光传感和光传输与微机测控技术相结合，构成了光机电一体化在线检测 装置，对于分析仪器的开发工作具有一定参考价值。 关键词近红外；在线检测；滤光片；牛奶；光纤 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es t a n d a r do f l i v i n g ，n om o r eh a v ep e o p l eb e e n s a t i s f i e do ft h ea b u n d a n c ea n d a m p l i t u d e o f f o o d ，a n d a r em u c hm o r e c o n c e r n e da b o u tn u t r i t i o no ff o o d a san e ws u b j e c t ，c h e m o m e t r i c si s d e v e l o p e dg r e a t l y a sa ni m p o r t a n tm e a n s i nc h e m o m e t r i c s ，n i ri sa d v a n c e d e n o r m o u s l ya c c o r d i n g l y i nt h i sp a p e r ，t h ep r o t e i ni nt h em i l kw h i c hi so n eo f t h ep e o p l e s m a i nd r i n k si sm e a s u r e do n l i n e b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i so fp r e s e n tm i l km e a s u r e m e n ta n di t s d e v e l o p i n gt e n d e n c y , t h i sp a p e rp r o p o s e s an e wi d e at h a t t h eo n l i n e m e a s u r e m e n to fm i l kc a l lb er e a l i z e d b yt h ec o m b i n a t i o no fs p e c t r o s c o p i c a n a l y s i s a n dt h ef i b e r t e c h n o l o g y t h i ss y s t e m st h e o r y i sa p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e l i g h t i sa b s o r b e d s e l e c t i v e l yb y m a t t e r t h eo n l i n e m e a s u r e m e n ti ss u c c e e d e db yu s i n gm c u t e c h n o l o g ya n dt h et e c h n o l o g yo f o p t i c a lf i l t e ra n df i b e r t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l eo fn i ra n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mu s i n gn i ra r e r e s e a r c h e d ( 2 ) t h e c h a r a c t e r i s t i co fm i l k s s p e c t r u m i s a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c w a v e sa r es e l e c t e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ( 3 ) t h eo p t i c a ls y s t e m i sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t h o r d i n a r ys p e c t r o m e t e r , t h e c o m p l i c a t i o no f t h eo p t i c a ls y s t e mi sr e d u c e d e f f e c t i v e l yb yu t i l i z i n gf i k e rf o r c h r o m a t i cd i s p e r s i o na n db e a m so ff i b e rf o rt r a n s m i t t i n gl i g h t t h ec i r c u i to f t h es y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e m sc o n t r o l ，d a t a p r o c e s s i n ga n dd i s p l a ya r e r e a l i z e d b yu s i n gm o d u l a t i n gl i g h t s o u r c e ，t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n ga n d t h et e c h n o l o g yo fm c u ( 4 ) t h es y s t e mi st e s t e da n dt h er e s u l ts h o w st h a tu s i n gn i rc a l lm e a s u r et h e p r o t e i no f m i l ko n l i n e i nt h i s s u b j e c t ，n i ra n dt h ef i b e rt e c h n o l o g ya r eu t i l i z e di nt h ep r o c e s s i i a b s n t a c t a n a l y s i so f m i l kp r o d u c t i o n t h eo n l i n em e a s u r e m e n ti sd e s i g n e db yu s i n gt h e t e c h n o l o g yo ff i b e ra n dm c u i ti s ar e f e r e n c et ot h e d e s i g no fa n a l y s i s a p p a r a t u s 。 k e y w o r d sn i r ；o n l i n em e a s u r e ；o p f i c mf i l t e r ；m i l k ；o p t i cf i b e r l l l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着中国经济的发展，人民生活水平的提高，老百姓对食品的要求越 来越高，不仅要求色、香、味，更追求食品的营养，卫生和保健。牛奶及 其制品一各种酸奶与奶粉，具有人体容易吸收的蛋白质( 氨基酸) ，脂肪、 维生素和碳水化合物，成为人们重要的营养来源之一。世界卫生组织把人 均乳品消费量列为衡量一个国家人们生活水平的重要指标。 牛奶营养丰富，含有人体生长发育和新陈代谢所必需的营养物质，而 且易被人体消化、吸收。表1 1 是成年人一天所需的营养成分含量和1 l 牛奶中营养成分含量比较表。 表1 - 1 牛奶中的营养价值【1 1 t a b l e1 - 1n u t r i t i o n a lv a l u eo f m i l k 所占比例 营养成分l l 牛奶中的含量 7 0 蚝成年人日需量 蛋白质 3 65 66 4 g 能量 2 9 0 01 13 0 02 6 k j 钙 l2 70 。s o1 5 9 g 磷 09 508 01 1 9 g 铁 2 1 01 0 0 02 1 r a g v c 1 6 94 53 5 m g 尼克酸 0 8 51 847 m g v b 15 9 16 9 9 m g 从表中可以看出，1 升牛奶中的大部分营养成分含量都满足人体的需 要。牛奶以其丰富的营养价值日益成为老百姓生活的必需食品，人们对牛 奶的需求量也日益增大，这些都大大刺激了乳制品行业的发展。同时乳制 l 燕山大学t 学硕十学位论文 品行业的快速发展，对牛奶的收购和生产管理过程中质量的控制即过程分 析提出了更快，更准确的要求。准确、快速的检测牛奶中主要成分的含量， 不仅可以为牛奶品质分析和生产过程的质量控制提供参考依据，对于动物 优良品种的培育也i 可以提供科学的指导。 1 2 过程分析 c a l l i s 等【2 】将过程分析分为5 种类型，即离线分析( o f f - l i n e ) 、现场分 析( a t 1 i n e ) 、侧线在线分析( o n 1 i n e ) 、定位实时在线分析( i n 1 i n e ) 和非接触性 分析( n o n i n v a s i v e ) 。 所谓离线分析是指由人工从确定的采样点取样，然后将样品送回中心 实验室按确定的方法进行分析的过程。其优点是分析过程严格按照有关分 析标准执行，针对待定样品，数据可靠性高。其缺点主要表现为报告结果 不及时和对一些稳定性差的样品分析结果可能不准确。 现场分析与离线分析的差别是将分析仪器安装在生产线附近，由人工 从生产线匕采样后立即测定。由于现场的环境的复杂性，所以要求现场分 析仪器与实验是分析仪器相比，抗环境干扰能力必须大大增强。现场分析 可以缩短从取样到检测的时间，提高了对生产过程的指导性。现场分析仪 器大多为一些专项指标所设计，相对比较简单，操作也比较容易。 与离线分析和现场分析相对的是在线分析。在线分析技术又可以分为 侧线在线分析和定位实时在线分析。侧线在线分析方式是从反应装置或管 线将样品引出，在通过自动取样系统将样品引入仪器进行测量的过程。侧 线在线分析又有两种类型：一种是间歇取样；另一种是连续取样。在线分 析消除了人工取样的过程，这对一些恶劣、危险环境中无法人工取样的生 产过程是非常重要的。与离线和现场分析相比，在线分析进一步提高了分 析数据的反馈速度，解决了生产装置闭路控制中样品分析问题，同时，也 避免了样品脱离反应器或装置可能导致的样品变异问题。这类在线分析的 缺点是需要将样品通过侧线引出取样，并需使样品的温度、压力适应分析 仪器的需要。 定位实时在线分析就是将适当的传感器或测样探头直接插入确定的测 2 第1 苹绪论 样部位测量所需要的组成或性质数据。由于不存在样品的运送或侧线传输 问题，定位分析可以实现真正意义上的实时分析，但传感器或测样探头能 否抵御测样环境中各种因素的影响，对具体的分析过程是值得考虑的问题。 在非接触性分析中，一般不需接触和破坏样品，通过光的探测或微波 遥感即可获得样品的有关信息而实现过程控制。近红外光谱技术是这类分 析的重要部分，他们在过程分析中的许多应用都属于这一类。如在漫反射 和透射分析中光作用于样品，然后将光所携带的信息由光探测器检出，从 检测的光信号中提取样品的组成或性质信息。 1 3 牛奶成分分析技术发展 牛奶中营养成分主要为蛋白质、脂肪和乳糖。对牛奶的检测主要是在 原料奶的收购过程中和牛奶生产过程中的质量控制。牛奶检测方法也经历 了从早期的依靠纯化学方法的年代发展到采用化学方法和借助一定的化学 分析仪器相结合检测的时期。 1 3 1化学检测方法 目前，在食品分析领域主要是采用离线分析，许多国家也将离线分析 分析方法确定的标准检验方法。离线分析的优缺点上一节已经介绍了。在 分析牛奶时，对于蛋白质的含量检测主要采用凯氏定氮法【3 】。蛋白质含有 一定比例的氮，而蛋白质以外的其他主要成分不含有氮，因此，只要对总 氮进行定量，将总氮量乘上一定的系数就能计算出蛋白质量，这是食品中 蛋白质定量的常用方法。牛奶中所含的氮绝大部分是以蛋白质形式存在的， 其余的以非蛋白质形式存在，含量甚微。因此，可以通过总氮定量折算出 蛋白质含量。下面简单介绍下凯氏定氮法，首先配置分解促进剂和混合 指示剂；然后取适量待测样品放入凯氏分解烧瓶中，加入适量分解促进剂 和适量浓硫酸，加热直到反应结束，冷却后加脱离子水，沸腾石和氢氧化 钠溶液蒸馏，取适量蒸馏液加入混合指示剂，用一定浓度的硫酸标准溶液 滴定，记下滴定用量，然后将样品用蔗糖代替，重复以上步骤，记下滴定 用量，通过经验公式计算，确定蛋白质含量。通过这种方法计算的结果比 1 ， 燕山大学：r 学硕士学位论文 较准确，但耗时太长。 1 3 2 化学方法和分析仪器相结合时期 这个时期的主要采用的检测方法是根据物质的化学特性结合分析仪 器来进行分析。具体有色谱分析、光谱分析和核磁共振谱分析，而主要是 采用近红外光谱技术。近红外光谱主要是由于分子振动的菲谐振性使分子 振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的是分子中单个化学键的基频振 动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团x h ( x = c 、n 、o ) 的倍频和合 频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团x h 振动的倍频和合频吸收。当近红外区某一波长的光子能量与有机化合物中 的某基团特定振动方式所需的能量相同时，该波长的光就会被吸收，从而 在光谱图中出现相应的吸收谱带，这个波长也叫做特征吸收波长。不同的 有机化合物，不同化学基团，有不同的特征吸收波长【4 】。因此物质的近红 外光谱与物质组成以及组成成分含量存在着内在联系。 近些年，随着计算机技术和化学计量学的发展，近红外光谱技术得到 较快的发展，并开始应用到牛奶成分分析领域。1 9 9 5 年英国i c r i c h m o n d 利用光纤的远程传输特性，采用自行设计的光纤探头，对牛奶生产线上的 样品采样，然后将携带有样品信息的光传回近红外光谱仪进行分析，实现 了对牛奶中蛋白质、脂肪等含量的实时在线监测i 5j 。2 0 0 0 年以色列z e e v s c h m i l o v i c i t c h 等采用近红外光谱技术分析了牛奶的非均匀状态对其成分 含量测定的影响，提出了在非均匀状态下进行定量分析的方案，采用分层 近似方法建立了该状态下的数学模型并对其进行了仿真和实验，试验结果 比较理想，为其他类似液态样品进行定量分析提供了参考【“。2 0 0 1 年同本 k w a n s e i g a k u i n 大学s s a s i c 等在8 0 0 1 1 0 0n m 短波近红外区，采用二维 相关光谱仪对原料奶进行了分析【训。随着科学技术的发展，近年来国外出 现微型分光系统。2 0 0 1 年希腊gk o n s t a n t i n o s 等利用6 0 0 d i c k e y j o h n 近 红外光谱仪，对羊乳酪生产过程中多点采样，实现对羊乳酪的蛋白质、脂 肪、水分的多成分监测博】，2 0 0 2 年日本国家食品研究所w o oy o u n g a h 等 采用透射光谱技术制成的专用乳品光谱仪，可实现对原料奶乳糖、脂肪、 4 第1 苹绪论 蛋白质等的快速测量【9 】。2 0 0 4 年爱尔兰c o r k 大学国家微电子研究中心 d e s m o n db r e n n a n 等人采用了微型分光系统，同时利用光纤技术，实现r 牛奶制品的在线监测1 1 0 。 相对而言，国内在利用近红外光谱技术进行牛奶检测的方面进展比较 缓慢。2 0 0 4 年哈尔滨理工大学王丽杰等利用近红外漫反射光谱法，在 1 l o o 1 7 0 0n m 区域采用偏最小二乘法实现了牛奶中蛋白质、脂肪和乳糖的 快速测量【“】。在乳品的在线和现场分析方面，这方面的报道比较少，天津 大学在这方面作了很多工作。2 0 0 2 年，天津大学精密仪器国家重点实验室 李庆波等利用他们自行研制的以声光可调谐滤光器为核心器件的牛奶成分 自动检测仪器，采集牛奶样品近红外光谱，采用数字滤波预处理光谱，选用 遗传算法优选波段，利用偏最小二乘法建立校正模型，测定了牛奶中脂肪、 蛋白质、乳糖等成分含量，测量值与参考值具有良好的相关性，测量的重 复性变异系数优于o 0 2 ，表明近红外光谱测量方法可以满足牛奶主要成分 的实际测量要求，为食品的无损快速检提供了一种新的参考【l “。 1 4 近红外光谱技术在其他方面的应用 近红外光谱技术作为一种快速检测方法在很多分析领域得到广泛的应 用。在粮食加工和科研中，s t e f a n i s 曾采用1 1 0 个小麦粉样品来比较近红外 测定结果与常规方法测定的结果的差异，发现二者相关性很高，水分含量 的相关系数，= o 9 5 ，蛋白质含量的相关系数，= o 。9 8 ，于面筋的相关系数为 ，= o 9 2 ，最后，他认为，近红外技术是一种快捷、准确、无损的测定小麦 蛋白质、水分、及干面筋含量的方法【13 1 。j i n h w a n h o n g 在荞麦方面也得到 出了类似的结论【l “。除了蛋白质含量、水分、和干面筋外，m w e h r l e 还 比较了近红外测定小麦角质率，矿物质含量、降落值和粘度的结果与常规 测定结果的差异，发现二者的相关性也很好，且近红外方法费用低，完全 适合面粉生产过程中的原料与产品的品质评价及质量控制【l ”。m c h i b a 还 就近红外技术在面粉定级中的应用进行了研究口“。c r i d g w a y 在1 9 9 6 年 研究了近红外技术测定粮库虫害方面的应用，原理是利用近红外技术测定 虫害发生期间水分的变化、虫类新陈代谢物、蛋白质和甲壳质含量，来判 s 燕山大学：亡学硕士学位论文 断虫害发生程度m j 。 很多研究表明，近红外技术可以快速可靠的测定果蔬类可溶性固型物 含量。d s l a u g h t e r 研究利用近红外技术检测新鲜马铃薯中可溶性固型物含 量，结果发现其吸收光谱在4 0 0 11 0 0n m 之间，并且相关性很高【l 。近红 外技术还可以进一步测定出果蔬中单糖核酸的含量，且不会对果蔬造成损 伤。近红外技术还能根据果蔬成熟过程中固型物的含量，酸度和硬度的变 化来决定果蔬的成熟程度，以适应不同加工的需要。m t a n a k 甚至研究了 在日本的梨树上安装近红外装置，研究成熟过程中各种单糖的含量的变化， 来决定梨的成熟期和采摘期【1 。近红外技术在果品加工及成品检测中也有 较大的应用，t f u j i w a r a 发现近红外技术可以用来测定草莓汁中总糖含量 和固型物含量，且不受温度的影响【2 0 】。 近红外技术越来越得到广泛的应用，在肉制品加工1 2 1 ，2 2 1 、污染物探测 和定位、火灾预警【2 4 1 、生物医掣2 5 1 等领域都有很好应用。 1 9 9 5 年以来，国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合 国内需要的近红外光谱分析技术并且做了大量技术知识的普及工作，为我 国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了崭新的局面。2 0 0 0 年 陈斌利用近红外光谱法快速测定食醋中总酸和还原糖的浓度【2 “。2 0 0 0 年潘 纯华介绍了近红外全衰减反射法( a t r ) 在高分予材料表面成分分析中的应 用【2 “。2 0 0 1 年王丹东等应用傅立叶近红外漫反射光谱仪对具有代表性的 3 0 0 个烟草样品建立了近红外光谱与总糖、还原糖、尼古丁、总氮4 种主 要成分含量之间的关系模型，实现了烟草化学成分的快速定量分析【2 8 1 。 2 0 0 2 年陈文杰等利用傅立叶红变换近红外光谱仪漫反射技术对完整的油 菜籽中脂肪酸、总氮、含油量等指标进行了非破坏性测定分析研究f 2 吼。2 0 0 2 年郭萍等利用傅立叶变换红外光谱法定性分析了不同乌头的组成，实现了 对乌头的质量控制与毒性分析 3 0 1 。2 0 0 2 年吉林大学郑咏梅等利用近红外漫 反射光谱法对小麦粉进行了蛋白质浓度定量分析，测量效果表现良好口”。 2 0 0 2 年孟兆芳等应用近红外光谱技术，以豆粕为试材建立豆粕粗蛋白快速 分析检测模型，结果表明，近红外光谱分析法的预测值与化学方法分析值 有显著的相关性【3 ”。2 0 0 4 年，浙江大学刘燕德等采用傅立叶变换光谱仪和 6 第1 苹绪论 光纤技术，利用漫反射技术实现了对苹果中糖分的快速测量，并建立测量 系统田1 。 1 5 本课题的技术方案 本课题的基本原理是近红外光谱技术，要实现的基本功能是实现生产 过程中牛奶主要营养成分蛋白质的在线检测。 蛋白质的组成元素主要有c 、h 、o 、n 和少量的s 。简单讲，蛋白质 是由天然氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子。牛奶中所含的氮主要是 以蛋白质形式存在的。所以，牛奶的近红外吸收光谱中n h 振动的倍频 和合频吸收主要为其中蛋白质的含氮基圃的吸收。因此，可以通过对n 。h 的测量实现对牛奶中蛋白质含量的测量。 系统设计方案的主要思想是：主要采用脉冲调制技术、光电转换原理 和单片机数据处理技术来实现牛奶中蛋白质在线自动检测。被测量为n - h 特征吸收波长和参考波长的光强，通过光电转换，变成电信号，用脉冲信 号作为载波，调制后的信号经过放大，滤波等处理后，经过模数转换芯片 转换成数字信号，数字信号送入单片机中作数据处理，最后以十进制小数 的形式显示出来。 7 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章近红外光谱技术测量原理 2 1 近红外光谱技术的发展 现代数学和计算机技术在分析化学中的应用，使得化学计量学这门新 兴学科逐渐形成。近红外光谱( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，缩写为n i r ) 定 量分析技术是化学计量学在光谱学中应用的结果。从5 0 年代起，化学计量 学和光谱分析的结合揭开了分析技术史上崭新的一页。首先，在1 9 6 5 年， 美国n o r r i s 发表了关于近红外光谱技术分析的应用论文，运用了多波长多 元线性回归方法来分析谷物样品中的水分、蛋白的含量，随后这种技术在 数十类农业、生物样品上，测过几百种项目，测量精度满足农业研究的要 求。 n i r 最早的商业应用侧重于测定谷物的蛋白和水分含量。因为近红外 光谱分析技术具有无污染、低消耗、非破坏性，可以实现多组分同时测定 及分析速度快等优点，所以，经过近五十年的发展，近红外光谱分析技术 己广泛应用在食品和农业、生物化学研究、分析测试研究、药品、化妆品、 纺织、多聚物、有机物生产、无机矿物测试和工业流程的在线检测和质量 控制等方面，并取得了很大的进展【3 4 】。 2 2 近红外光谱技术理论基础 物质的近红外光谱是其各种化合物基团的振动的倍频吸收和合频吸收 的综合表现。下面从理论上分析如何产生红外吸收光谱的。 最简单的分子一两个质量分别为m ，、m ，的原子所组成的双原子分子， 可模拟为由弹簧联在一起的两个小球组成的弹簧振子，由经典力学虎克定 律知道。这种系统的振动属于简谐振动，因此称为谐振子( h a r m o n i c o s c i l l a t o r ) 。谐振子机械振动( m e c h a n i cv i b r a t i o n ) 的频率为 1 瓜 2 石1 i ( 2 - 1 ) 8 第2 章近红外光谱技术测量原理 式中k 为力常数；为双原子分子的折合质量。若k 以毫达因a 为单位 ( 1 达因= 1 0 母牛) ，取原子量单位，则双原予分子机械振动的波数为v 。 游去詹拦 p z ， h 2 磊、万。1 川叫万 若分子是极性分子，则分子在机械振动的同时产生电磁场的振动f 即交变电 场) ，其频率v e 与机械振动频率相同，所以有 品_ _ m = 1 3 0 7 拦 ( 2 - 3 ) 由于与外界电磁场发生共振吸收，这样分子可能吸收频率相同的( 即等 于v 一) 电磁波。上述由经典力学所得的结论与量子力学所得结论是相同的。 由量子力学可得谐振子的能级公式为 e v = h c v e ( v + ) ( 2 - 4 ) 式中振动粒子数v = 0 ，1 ，2 ，3 。e 为y 能级的能量值，h 普朗克常量，c 为 光速。谐振子在不同能级间跃迂时的选择定则为a v = l ，即跃迁只能在 相邻能级间发生。每次跃迁吸收光子的能量e 为h c v r 。 按照p o l t z m a n n 方程可算得在室温条件下分子绝大部分处于振动基态 ( v = 0o 由振动基态到振动第一激发态( v = 1 ) 之间的跃迁称为基频跃迁。 这种跃迁所产生对辐射的吸收为基频吸收。因为有机物中不同键伸缩振动 的力常数世约为4 0 1 8 0 毫达 n m ，弯曲振动的足值更小。因此按( 2 2 ) 式计算得有机物基频吸收的波数范围约在中红外区。 实际的分子振动不完全符合简谐振动，由分子化学键的位能曲线所得 分子属非线性谐振子( a n h a r m o n i co s c i l l a t o r ) 。其能级公式的近似表达式为 e ：h c - 【( 矿+ = 1 ) 一x ( v + ：1 ) 2 】( 2 - 5 ) 即相邻的v 和v 一1 能级间的能量差为 a e = h c v ( 1 2 v x )( 2 - 6 ) 燕山大学工学硕士学位论文 式中x 为非谐性常数( a n h a r m o n i cc o n s t a n t s ) ，x 常为很小的正数。 非线性谐振子跃迁的选择定则是a v = 1 ，2 即除了基频跃迁外 也可能发生从基态到第二或更高激发态( v 2 , 3 ) 之间的跃迁。这种跃 迁称为二倍频或多倍频跃迁，产生的吸收谱带为二倍频或多倍频吸收，总 称为倍频吸收。 多原子分子的振动比较复杂，但可把它们看作是许多种简单的独立的 振动组合而成。因为各种振动不是严格简谐的，它们之间可能发生相互作 用，因此若电磁波光子的能量恰好等于某两个基频跃迁所需能量之和，而 这两种基频振动又具有相同的对称性，这时该能量的一个光子可能同时激 发这两种基团跃迁。在光谱中出现的吸收频率等于这两种基频振动波数( 或 频率1 之和，这种吸收叫合频吸收p 5 1 。 要产生红外吸收，分子必须同时满足以下两个条件： ( 1 ) 分子振动时，必须伴随有瞬时偶极距的变化。一个分子有多种振动 方式，只有使分子偶极距发生变化的振动方式，才会吸收特定频率的红外 辐射，这种振动方式称为具有红外活性。 ( 2 ) 只有当照射分子的红外辐射的频率与分子某种振动方式的频率相 同时，分子才能吸收能量，从基态振动能级跃迁较高能量的振动能级，从 而在光谱图上出现相应的吸收带。这种特定频率或者特定波长我们称之为 该物质的特征频率或者特征波长。 不同的有机化合物，不同化学基团，有不同的特征吸收波长。因此物 质的近红外光谱与物质组成以及组成成分含量存在着内在联系。获得近红 外光谱主要有两种技术：透射光谱技术和反射光谱技术。 2 2 1 近红外透射光谱技术 透射光谱是指将待测样品置于光源与光探测器之间，光通过样品后携 带了样品内部结构和组成的信息，投射到探测器上。对于液体样品，通常 采用透射分析方法，对真溶液体系，仪器所测定的吸光度与光程及样品的 浓度之问符合朗伯一比尔定律。 当一束平行单色光照射到均匀、非散射的介质( 固体、液体或气体) 时， 1 0 第2 章近红外光谱技术测量原理 假设是溶液，入射光的一部分被器皿的表面反射，一部分被溶液吸收，剩 余部分通过溶液。假定入射光的强度为j 。，吸收光强度为，透射光的强 度为，反射光强度为，则 o = ，吸+ ，。+ ，( 2 - 7 ) 由于实际测定时，均是采用同样材料的比色肌，反射光的强度基本上是不 变的，其影响可以相互抵消，故上式可简化为 1 0 = 1 + 1 ， ( 2 - 8 ) 当入射光强度，。一定，若k 越大，则，越小，溶液对光的吸收程度就越大。 实验证明，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度、液层的厚度以及入射 光的波长和强度等因素有关。若入射光的波长和强度保持不变，溶液对光 的吸收程度则与溶液的浓度、液层的厚度有关。郎伯和比尔分别于1 7 6 0 年和1 8 5 2 年阐明了光的吸收与溶液浓度以及液层吸收定量关系，两者合起 来即朗伯一比尔定律。 当一束强度为，。的平行单色光垂直照射到厚度为b 的液层时，其示意 图见图2 - 1 ，因为溶液中个吸光质点( 分子或离子) 的吸收，通过溶液后光 d b 图2 - 1 光吸收示意图 f i g 2 - 1s k e t c hm a po f a b s o r b i n gl i g h t 的强度减弱为，。如果将液层细分成厚度为无限小的相等薄层，设薄层厚 度为动，截面积为s ，并设该液层溶液中吸光度质点数d n ，照射到薄层 溶液上的光强度为，6 ，光通过薄层溶液后，强度减弱d i ，则d l 与d 和，。 成正比，即 一d i = k i i b d n( 2 - 9 ) 负号表示光强度减弱，k 为比例常数。 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 设c 为溶液吸收质点的浓度，则上述薄层溶液中的吸光质点数柳为 d n = k 2 c s d b l 2 - 1 0 ) 式中k ：与所取浓度、面积及长度的单位有关；d b 为薄层厚度；s 为光通 过的横截面积，在光度计中s 由夹缝确定，对一定仪器来说，是个常数。 将( 2 - 1 0 ) 式代入( 2 9 ) 式中，合并常数项即得到 一甜= 3 ，6 c d bl 2 - 1 1 ) 将( 2 1 1 ) 式积分，则得 f 1 棚= 一r k 3 ，b c d b ( 2 - 1 2 ) 简化后得到 l n = 一巧c b( 2 - 1 3 ) 0 将式( 2 - 1 3 ) 化为常用对数形式 - s 争= 嘉舡k c a ( 2 - 1 4 ) 在光度法中，通常将透过光的强度，用，表示，所以将式( 2 1 4 ) 改为 l g 萼= k c b( 2 1 5 ) 式中比例常数k 与吸光质点的性质、入射光波长及溶液的温度、折射率、 溶剂性质等因素有关。 式( 2 - 1 5 ) 中l g 粤称为吸光度a ( a b s o r b a n c e ) ，也称消光e ( e x t i n c t i o n ) 或光密度d ( o p t i c a ld e n s i t y ) 。 因此式( 2 1 5 ) x 百j 写为 一= l g 导= k c b( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 日n 朗伯一比尔定律。它表明：当一束平行的单色光通过均匀、 非散射的溶液时，溶液的吸光度与吸光质点的浓度及吸收层的厚度成正比。 朗伯一比尔定律是采用透射光谱分析技术进行定量分析的理论依据 3 6 】。 第2 章近红外光谱技术测量原理 2 2 2 近红外反射光谱技术 反制光谱技术是指将待测样品和光探测器置于同一侧，探测器所探测 到的是被样品以各种方式返回来的光。光的反射有两种，一种是镜面反射， 另一种是漫反射。所谓镜面反射，就是光线照射到光滑物体表面上被有规 则的反射出来的现象，它未与样品内部相互作用，没有携带入射光与样品 相互作用的信息。所谓漫反射，就是光线照射到粗糙物体表面被无规则反 射的现象。当光线照射到有一定厚度颗粒物质组成的样品层时，一部分被 吸收，一部分被样品内部各层次反射、吸收、折射后最后反射出来。反射 出来的光反映了样品内部特性，携带了样品的信息。通常所说的反射光谱 是指漫反射光谱，严格的讲，反射近红外光谱法应该是漫反射近红外光谱 法。在近红外光谱分析中，对固体、半固体一般采用漫反射方式测量其光 谱。图2 2 为漫反射分析示意图。采用漫反射近红外光谱分析技术进行定 量分析的理论依据是k u b e l k a m u n k 函数p “。 样品 样品池架 图2 - 2 漫反射分析示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a p o f d i f f u s er e f l e c t i o n 先介绍几个漫反射光谱参数。芷为漫反射体的吸光系数，主要取决于 化学组成：s 为散射系数；r 为漫反射率，反映出射光与入射光的比率。r s 与k 间满足以下关系式 月洲+ 善一t 2 + 2 c 和( 2 - 1 7 ， 式中r 。为样品厚度无穷大时的绝对漫反射率。 由于r 。不易测定，实际应用中测定相对漫反射率。即以一个在近红 外区域不吸光的材料作为参比，参比的材料的r 。；1 ，k z0 ，可得到待 l3 燕山大学t 学硕士学位论文 测样品厚度无穷大时的相对漫反射率r 。 耻等小扣争z c p ，s ， 在漫反射分析中，只有在一定的浓度范围内吸光系数k 才与组分浓度 呈线性关系，而r 。与组分浓度则不成线性关系。与组分浓度呈线性关系的 反射函数有两个：反射吸光度爿和k u l e l k a - m u n k 函数。a 的定义式5 5 川。s 套= - l o g ”扣争z c 和 陋 由式( 2 一1 9 ) 可知，反射吸光度a 与k s 的关系为一对数关系，如图2 - 3 示。 0 6 型 喜o 4 02 05 k s 图2 - 3 漫反射吸光度与k s 关系图 f i g 2 - 3r e l a t i o no f k sa n dt h ea b s o r b a n c eo f d i f f u s er e f l e c t i o n 图中线1 、线2 、线3 分别代表不同区域的近似情况，在一定的k s 范围内， a 与k s 问近似5 5 直线，可用犯2 0 ) 表示。 4 = b e s ( 2 - 2 0 ) 由于k 与c 在一定的浓度范围内具有线性关系，当散射系数s 不变时， 漫反射吸光度爿与样品的浓度g 关系可表示为 a = a + bc ( 2 - 2 1 1 将( 2 一1 7 ) 式变形，得熹与民间关系有 等：学( 2 - 2 2 )i2 百 第2 章近红外光谱技术测量原理 将式( 2 2 2 ) 右侧定义为一个函数见式( 2 2 3 ) ，这个函数就称为k m 函数。 刚小学= ； ( 2 - 2 3 ) 由f 2 - 2 3 ) 式可以看出，当样品的散射系数s 为一个常数时，k m 函数 与吸光系数k 成正比，亦即与样品浓度成正比，则k m 函数可表示为 f ( r 。) = 詈= b c ( 2 2 4 ) b 除与摩尔吸光系数及光程有关外，还与样品的散射系数有关；c 为浓度。 2 3近红外光谱技术的物理实现 上一节中介绍了近红外光谱技术主要是物质中各种化学基团倍频和合 频吸收，确定物质的吸收频率的位置是进行定性和定量分析的关键。对于 一一个具体的近红外分析系统，其分辨率越高或者说是细分波长的能力越强， 则确定吸收频率的位置越准确，分析结果也准确。所以近红外分析技术的 核心技术是分光技术，分光系统是近红外光谱分析仪器的核心部件。根据 分光原理不同，现在近红外光谱仪器中的分光器件主要有滤光片、光栅、 干涉仪和声光调制器四种类型。 2 _ 3 1 滤光片分光 滤光片分光形式可分为为固定滤光片分光和可调滤光片分光两种形 式。固定滤光片分光是近红外光谱仪器的最早设计形式，这种仪器首先要 根据测定样品的光谱特征选择适当波长的滤光片，光源发出的光经滤光片 得到一定带宽的单色光，通过测样器件与样品作用后由检测器检测，记录 光能量的变化。固定滤光片型光谱仪器的特点是设计简单、成本低、光通 量大、信号记录快、坚固耐用，主要应用在专用近红外光谱分析仪器上。 图2 - 4 为一个典型的滤光片分光光路。 可调滤光片分光主要采用的形式为滤光片轮的形式。将多个滤光片安 装在一个轮子上构成一一个滤光轮，这个滤光轮可以根据需要比较方便地在 一个或几个波长下进行测定。对于滤光片型近红外光谱仪器，其选择的测 15 燕山大学工学硕士学位论文 定波长一般在长波近红外区域，定量方法则根据选择的检测波长来确定 可采用元或多元线性回归。 光源 q 器 图2 4 救光束式滤光片近红外光度计光路示意图 f i g 2 - 4s k e t c hm a p o f n i r p h o t o m e t e rw i t ht w ob e a m so fl i g h t 2 3 2 光栅分光 作分光用的光栅一般采用闪耀光栅作为色散元件。其剖面图如图2 5 所示。图中i 为入射角，p 为衍射角，0 为闪耀角，b 为光栅线程。闪耀光 栅每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度，因此每个狭缝衍射作用不同。 图2 - 5 闪耀光栅的剖面图 f i g 2 - 5c u t a w a yv i e wo f r e f l e c t i n gg r a t i n g 闪耀光栅主极大位置即v = 删r = 0 ，l ，2 ，) ，服从光栅方程式 m 2 = b ( s i n i + s i ne p )( 2 2 5 ) 其光强分布公式为 ，= ，o 孚焉篙 陋z s ， 第2 章近红外光谱技术测量原理 其中s i n2 “1 u 。2 为每个缝c 边所产生的衍射花样，它决定光谱线的强度， 而( s i n 2 n v ) ( n 2 s i n 2 矿) 是缝与缝的衍射光相互干涉的结果，它决定光谱线 的位置。 “：军( s i n 甜+ s i n ) ，l 口= 0 i ，卢= 一0 ，0 是“划线”平面法线和光栅“平面”法线j v z 间的夹角。在进行分光时，通过控制光栅的转动，使单色光按波长大小依 次通过测样器件，与样品作用后，进入检测器检测。 狭缝是光栅型单色器中相当精密的部分。从外观上看，它是一对具有 刀刃的平行金属板。其作用是截取足够的辐射能以实现辐射的单色化。为 了保障辐射的单色性，狭缝不宜开得过大，其宽度从0 1i n t o 变至1f i l m 。 2 3 3 傅立叶变换分光 傅立叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测 量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的技 术。与传统的色散型光谱仪相比，傅立叶变换光谱仪能同时测量、记录所 有波长的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，具有更高的信 噪比和分辨率。 傅立叶变换分光采用双光路结构。一路为参比光路，一路为测样光路。 整个仪器系统由光源、干涉计、样品池、检测器、计算机和光纤测样附件 等构成，计算机负责对光谱仪的控制及光谱数据处理。干涉计是这种分光 方式的核心部件。干涉计中的核心是两个双折射石英晶体棱镜，两个棱镜 呈直角排列，见图2 - 6 。 双折射棱镜 图2 - 6双折射石英棱镜干涉计结构示意图 f i g 2 - 6s t r u c t u r em a po f i n t e r f e r o m e t e rm a d eo f q u a r t zp r i s m 1 7 掴 二一能匪 村 二一一屠 燕山人学工学硕十学位论文 当起偏光穿过石英晶体时，光束发生裂分，两束光仍在一个方向传播， 但一束为常规光束。另一束为异常光束，它们在石英棱镜中的传播速度不 同；当离开棱镜平面时，两束光出现相差。当另一棱镜运动时，光轴方向 的分量就发生变化。当光再通过第二个偏光镜时，光的传播模式与常规所 熟悉的m i c h e l s o n 干涉计相似。这种结构干涉计的最大优点是消除了普通 干涉计中复杂的机械水平装置，仪器的抗震性能大大提高。 2 3 4 声光可调滤光器分光 声光可调滤光器( a c o u s t oo p t i ct u n a b l ef i l t e r ，缩写为a o t f ) 是根据各 向异性的双折射衍射原理，采用具有较高声光品质因素和较低声衰减的双 折射晶体制成的分光器件。a o t f 有三部分组成：声光介质、换能器和吸 声体。当射频信号加到换能器上时，换能器激励出声波并耦合到声光介质。 透过声光介质的声波被吸声体吸收。当复色光以一定角度入射到声光介质 后，经声光相作用，对应某个声频率入射光被衍射为两束成正交偏振的单 色光，如图2 7 所示，分别位于零级光两侧。对于某一固定声频只有满足 i d ( e 衍射光) i ，( 透射光) i d ( 。衍射光) 图2 7a o t f 原理图 f i g 2 - 7t h ep r i n c i p l es k e t c hm a po f a o t f 下列动量匹配条件的光才能被衍射 k d = k ，+ k( 2 2 7