（物理电子学专业论文）近红外光源用于食品药品光谱分析的研究.pdf

顿要大学 摘要 本研究以食品( 食醋和酱油) 和药品为研究对象进行近红外光谱分析的研究， 从近红外所用光源卤钨灯的稳定性设计到多通道近红外光谱仪器的研制， 本文都进行了大量的实验设计和测量，并对实验室自行研制的多通道近红外光 谱仪进行了系统性能测试，包括波长的定标和杂散光的测量。对于被测样品食 醋和酱油，以其所含主要成分总酸和氨基态氮进行定量分析研究，共收集2 0 个 食醋样品和2 0 个酱油样品，其中，对食醋中的总酸含量和酱油中的总酸、氨基 态氮含量分别进行了化学检测和近红外光谱检测。采用偏最小二乘法结合交互 验证法进行训练集的校验，建立模型，并分别对各个样品进行预测，预测结果 比较理想。本论文还讨论了将近红外光谱分析技术应用于中药材的鉴别分析。 共选择8 个中药样品包括黄樟油、桂叶油、桉叶油、松油醇、丁香叶油及三个 不同来源的艾叶油用多通道近红外光谱仪器进行快速( 数秒钟) 吸收光谱测试。 测试光谱范围0 7 0 l - 7 u m 的透射光谱( 吸光度) ，结果显示8 个样品的光谱差异 较大。对此近红外光谱进行聚类分析，并选择不同的聚类方法进行优化，得到 相似系数为0 9 7 4 2 ，表明该聚类分析可行。在聚类分析产生的聚类树中，8 个 样品的聚类性质与其实际特性相符良好，特别是3 种艾叶油被归为最近的类中， 因此该聚类分析结果合理。以上对近红外光谱技术在食品和药品中的实验基础 研究，为未来近红外光谱技术在食品药品检测和监测方面提供了基础。 1 关键词：近红外食品药品多通道聚类 中图分类号：0 6 5 7 3 黪梗乒又謦附l 酊托盘坍b q 酊琏恩 a b s t r a c t t h ep a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fn e a r - i n f r a r e d ( n i r l s p e c t r at ot h e d e t e c t i o no fv i n e g a r sa n ds o ys a u c e sq u a n t i t a t i v e l ya n dm e d i c i n e sq u a l i t a t i v e l y d u r i n gt h ec o u r s eo fi n s t a b i l i t yd e s i g no fh a l o g e nt u n g s t e nl a m p s ，w h i c ha r e u s e d t o p r o d u c et h en i rs p e c t r u m a n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i c h a n n e l n i r s p e c t r u mi n s t r u m e n t ，al a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t sa r ed e v i s e di no r d e rt ot e s t t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gt h ew a v e l e n g t hc a l i b r a t i o na n ds t r a yl i g h t m e a s u r e m e n t f o rt h ev i n e g a r sa n ds o ys a u c e st ob ei n s p e c t e dt h em a i n c o m p o s i t i o n st o t a la c i da n da m i n oa c i dn i t r o g e n ，t w e n t ys a m p l e sw e r ec o l l e c t e d i n d i v i d u a l l y ，w i t hc h e m i c a ld e t e c t i o na n dn i rs p e c t r u mw e r ec a r r i e do u t r e s p e c t i v e l y t h e n t h e a l g o r i t h mp a r t i a l l e a s t s q u a r e c o m b i n e dw i t h l e a v e o n e - o u tw a sa p p l i e dt ob u i l du pat r a i n i n gs e ta n dm o d e l ，w h i c ha i m e dt o p r e d i c tt h eu n k n o w ns a m p l e s ，a n dt h ep r e d i c t i o nr e s u l t ss h o w e dp l e a s a n t t h i s p a p e ra l s od i s c u s s e st h ec l u s t e r i n ga n a l y s i su s e di nt h en e a r - i n f r a r e d ( n i r 、 s p e c t r o s c o p yt e c h n i q u ef o rc h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e s s a m p l e ss e l e c t e d p u r p o s e l yi no u rr e s e a r c ht om e a s u r et h e i ra b s o r p t i o ns p e c t r ai ns e c o n d sb ya m u l t i c h a n n e ln i r s p e c t r o m e t e rw e r es a f r o l e 、e u c a l y p to i l 、l a u r e lo i l 、t u r p e n t i n e 、 c l o v eo i la n dt h r e es a m p l e so fc o s t m a r yo i lf r o md i f f e r e n ts u p p l i e r s t h es p e c t r a i nt h er a n g eo f0 7 0 - 1 7 u r nw e r em e a s u r e da n dr e s u l ui n d i c a t e dt h a tt h e ya r e q u i t ed i s t i n c t c l u s t e ra n a l y s i sb a s e do nt h es p e c t r aw a sc a r r i e do u tt h r o u g h d i f f e r e n t c l u s t e r i n g m e t h o d sf o ro p t i m i z a t i o n ，a n dc a m eo u tt h ec l u s t e r c o r r e l a t i o ne o e f f i c i e n to f0 9 7 4 2i no u rr e s e a r c h t h i si n d i c a t e dt h a tc l u s t e r a n a l y s i so nt h eg r o u po fs a m p l e si sp r a c t i c a b l e a l s oi ti sr e a s o n a b l et og e tr e s u l t t h a tt h ec a l c u l a t e dc l a s s i f i c a t i o no f8s a m p l e sw a sq u i t ea c c o r d e dw i t ht h e i r c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yt h et h r e es a m p l e so fc o s t m a r yo i lw e r ei n t h ec l o s e s t c l a s s i f i c a t i o no ft h ec l u s t e ra n a l y s i s t h ea b o v ee x p e r i m e n t sp r o v i d eaf o u n d a t i o n f o rt h en i r s p e c t r u mt e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ef o o da n dm e d i c i n ed e t e c t i o na n d i n s p e c t i o ni nt h en e a rf u t u r e k e yw o r d s ：n e a r - i n f r a r e d f o o dm e d i c i n em u l t i c h a n n e lc l u s t e r i n g 仫星戈謦 1 1 近红外光谱技术发展历史 自h e r s c h e l 发现近红外光谱( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，简称n i r s ) 区至今 已有2 0 0 年的历史。早在2 0 世纪5 0 年代，n o r r i s 等人就应用n i r 测定了农副产 品的水分，油脂及蛋白质含量。但是分子在n i r 区的倍频和合频吸收弱、谱带 复杂、重叠多，当时的技术水平和实验条件无法将n i r 区的信息充分提取出来， 因此n i r 的应用受到了限制。6 0 年代后，近红外光谱区分析在一些复杂物质的 快速成分分析方面取得了极大的进展。近1 0 余年来，由于光谱技术、电子技术 与计算机硬件技术和软件技术的发展，使分析科学中弱信号处理的理论和技术越 来越成熟，它们也被用于解决n i r 光谱吸收弱及n i r 谱区重叠的困难。n i r 分 析的应用领域也由传统的农副产品分析扩展到了食品，药品，烟草，石化等领域， 形成巨大的商品市场。在欧美等发达国家n i r s 已成为食品等分析的重要手段。 随着多通道光电传感器( 成象耦合器件简称c c d ，光电二极管阵列简称s p d ) 的出现，包括近红外多通道光电传感器，n i r 光谱技术出现了另一分支多通 道n i r 光谱技术，它以快速测试为特点，即整个波段( 或分多个波段) 的光谱 一次扫描完成，时间很短。这个特点在许多应用场合如要求快速完成光谱扫描( 被 测样品不稳定) 或被测样品不允许被长期照射的情况下，成为不可或缺的技术。 与传统的化学分析方法比，它具有无需将样品进行预处理，测试非常快，对样品 的影响小等优点。在国际市场上，涌现了许多的多通道n i r 光谱仪产品，包括： l a b s p e c p r o 便携式光谱分析仪，p e r t e n 公司的d 7 0 0 0 二极管阵列可见，近 红外光谱分析系统，h a l d r u p 公司的农用现场n i r 光谱仪，j o b i ny v o n 公司 的i g a 3 0 0 0 系列小型n i r 光谱仪，n o v a c h e m 近红外在线分析仪，澳大利亚n i r 技术公司的n i t 分析仪等。 我国在n i r 技术的研究及应用方面起步较晚。国内光谱仪生产及研究主要 是紫外可见波段。也有生产傅立叶变换红外光谱仪( 偏于中红外) 。多通道n i r 光谱仪器在国内已有研究，但形成商品的甚少。有报道，石油科学研究院的研究 人员把多通道n i r 技术应用在石油产品的分析测试上( 7 0 0 n m l l o o n m ) ，但在食 品药品分析应用上的研究报道较少。国内自行研制多通道n i r 光谱仪器并用于 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 顿箩火孥 食品药品分析的报道更少，特别是用于中药的鉴别和品质分析方面的的多通道 n i r 分析仪器，国内尚未见研究的报导及相关的产品及专利。 1 2 近红外光谱产生与光谱特征 图1 电磁波谱图 1 2 1 分子与光谱 分子是由原子组成的，而原子是由原子核和围绕它的电子所构成。原子中的 电子有一定的运动状态，每种运动状态都有相应的能级。不同结构的原子具有不 同的原子能级图，因而当与电磁波作用时均可产生其特征的原子光谱。原子光谱 主要是由原子外层的电子能级跃迁而产生的辐射或吸收，它的表现形式为线状光 谱。分子光谱主要是由分子中电子能级和振动转动能级的跃迁而产生辐射和吸 收，它的表现形式为带状光谱。分子从外界吸收光量子的能量后，就能引起分子 能级的跃迁，即从较低的能级被激发到较高的能级。原子或分子能级跃迁时吸收 光量子的频率可用波尔方程来描述： e ”一e j = h v 其中，e 是初始态能级，e ”是激发态能级，v 是吸收或发射的光频率。从该式中 可以看出，两能级间能量差与吸收或发射的光频率成正比。而分子能级间的跃迁， 并非任意两能级间都能进行，它必须满足所谓的量子化条件方能发生，也就是说 只有当光量子的能量恰好等于分子运动两能级之差时，这个光量子的能量才会被 分子吸收。分子运动类型相应的能级差各不相同，因此需要吸收不同频率光量子 能量使它们跃迁，由此产生不同的波谱吸收。分子各运动类型对应能级差及波谱 吸收参见下表： 近红外光源用于食品药品光谱分祈的研究复旦大学硕士学位论文 2 顿曼戈謦 能缴产生机理 能级差光谱范围 电子能级分子轨道上的价电子由成 1 2 0 e v 紫外光 键轨道向反键轨道跃迁可见光 振动能级组成分子的原子作内部振 0 0 5 l e v 近红外光谱 动产生的不同能级之间的 中红外光谱 跃迁 转动能级分子围绕它重心的三个惯 o o ol 0 0 5 e v 远红外光谱 性轴作转动产生的不同能微波 级之间的跃迁 核的z e e m a n 磁性的核受外磁场的作用 5 + 1 0 一1 0 。o e v 无线电波 能级发生能级分裂，产生的不 核磁共振谱 同能级 由于获得电子光谱( 紫外可见光谱) 所需的能量远较振动光谱大，当电子能级 跃迁时，亦伴随振一转能级的改变，因而实际测得的电子光谱包括分子振一转光 谱。而振动光谱也包括转动光谱，这种现象的结果是紫外可见光谱的吸收谱带最 宽，红外的吸收谱带较宽，而转动光谱的吸收谱带较锐。因此我们通常所说的分 子红外吸收光谱是分子的振一转光谱，是起源于分子的振动转动能级跃迁而引起 的吸收。 1 2 2 近红外光谱的产生与特征 近红外光谱的产生，主要是分子振动的非谐振性，使分子振动从基态向高能 级的跃迁成为可能。分子的非谐振性将出现倍频振动和合频振动，其频率大致为 ( 但不等于) 基频频率的整数倍。正是分子的倍频振动和合频振动形成了分子的 n i r 光谱。从基频到第一倍频，谱带吸收程度减- j q o 倍以上，更高级倍频带的强 度更加微弱。这意味着实际上只有2 5 5 u m 范围内的基频带才能在n i r 区形成有 适当强度的倍频带。根据实际分子基频谱带的分布又可推知只有与氢相关的功能 团，主要是0 一h 、c h 、n h 才能在n i r 区形成有适当强度可测的倍频振动谱带。 因此，几乎所有的有机物的一些主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找 到特征信号。在计算机的配合下，可以通过近红外光谱之间的细微差异，从多组 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论又 一 仫算大擎晰鳓占，鼢鬯 分的反射或透射吸收的重叠和交叉中找出有益于分析用的吸收波长。经过一系列 的数学处理，最后完成该成分的分析测定。由于食品药品的主要成分为有机物， 而有机物大都是由这些基团组成的，所以根据这些基团的近红外吸收频谱出现的 位置、吸收强度等信息特征，可以对这些成分作定性定量分析。 1 3 近红外光谱分析理论基础与特点 1 _ 3 ，1 近红外光谱分析理论基础 特征吸收谱带的强度是分子数的函数，由于分子红外光谱的吸收谱带的数目 较多，且具有对分子结构的敏感性，因而不仅可以利用红外光谱对单组分进行定 量分析，同时也可对多组分进行定量分析。其分析原理基于朗伯一比尔定律。 当光通过有吸光性质的某一均匀介质时，其光强就被减弱，而被吸收的分子 数目只取决于光程中所存在的分子数，与入射光的强度无关，若强度为p 的平行 单色光通过一极薄层d l ，由于吸收其能量减少一d p ，而一d p 的大小是与该点的光 强度和层厚成正比，数学表达式为：d p = k p d l ，其中，k 为比例常数，是一个 与入射光波长和分子吸收性质有关的量。如果通过层厚为l ，那么积分就可以得 到：l g ( p 0 p ) = k l ，其中，k 为吸光或消光系数，p o 为入射光强度，p 为出射光 强度，l 为样品光程。该式就是朗伯一比尔定律的数学描述。 朗伯一比尔定律同样适用于多成分体系的定量分析。因为分子的红外光受周 围分子的影响甚小，混合物的光谱可以看成是各成分的简单加权和，即把混合物 看成其中每种成分都有独立的吸收光，只是每种吸收光的程度不同而已。 1 3 2 近红外光谱分析特点 1 分析速度快。一般光谱的测量可在一分钟之内完成，通过建立的数学模型可 迅速测定出样品的组成和性质。 2 分析效率高。通过校正集样品的定标和校正模型，可同时对样品的多个组分 或性质进行测定。在工业分析中，可实现由单项目操作向车间化多指标同时 分析的飞跃。 3 分析成本低。近红外光谱在分析过程中消耗样品量少，并且所用的光学材料 便宜，一般石英或玻璃即可满足要求。 近红外光碌用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 糯只大謦懒储棚珩忸 4 样品测量一般不需要进行预处理。由于近红外光有较强的穿透能力和散射效 应，根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射或漫反射采样方式，不需对 样品进行稀释或预处理。 5 典型的无损和绿色分析技术。光谱测量过程中不消耗样品，并在测量过程中 不会改变样品的内在组分，无污染和不产生对环境有害的物质，基于这一点， 该技术正逐步渗透入医药临床领域。 6 便于实现在线分析。利用光纤可实现在线分析或遥测，极适于生产过程控制 和恶劣环境下的样品分析。 7 近红外也有其固有缺点。一是由于测定的是分子倍频和合频吸收，灵敏度较 差，一般不适用于痕量元素的测定。二是近红外光谱法是一种间接的测试方 法，需通过将未知样品测得的光谱通过训练集样品得到的校正模型来预测其 组成成分，并且前期工作量较大，需搜集范围尽可能广的样品集。 1 4 本课题研究的内容和意义 对于酱油、食醋等食品中成分的检测和中药品的鉴别，传统的化学分析方法 时间长，操作繁杂，效率低下，而且滞后于生产，难以及时地起到监测和指导生 产的作用，整个实验的仪器设备投资较大，实验试剂的耗费也很大。因此，用一 种新的分析方法来代替目前的常规的理化分析方法，可以降低劳动强度，减少分 析成本，提高分析效率和监测的实时性，而近红外光谱检测技术的特点正好满足 以上要求。本课题就是在实验室自行研制光谱仪的基础上，以酱油、食醋和中药 为研究对象，进行近红外光谱分析在食品和药品质量检测中应用的基础性研究。 本课题研究的主要内容如下： 1 近红外光源稳定性的实现 2 近红外光谱仪器的设计 3 收集生产过程中各种成分含量分布广泛、数量足够的被测样品；获得被 测样品可靠的近红外吸收光谱和准确的化学指标值 4 从收集到的样品中选择部分样品作为校正集，运用主成分回归和偏最小 二乘法建立数学模型 5 分析数学模型的预测精度 近红外光源用于食品药品光普分析的研究复旦大学硕士学位论文 顿舅大孥 二近红外光源稳定性设计 近红外光谱仪器测量中，光源的一点点变化都可能影响测试的精度，所以光 源输出能量是否稳定对于近红外仪器的测试精度是非常关键的，有必要对该问题 进行细致的研究。为保证连续测量的需要，在所需时间内光源的辐射功率应当稳 定，否则测试结果会前后不一致，导致测试结果不够准确。 近红外技术中一般选用价格比较便宜的卤钨灯白光光源，卤钨灯具有体小量 轻、可制成点或线光源、亮度高且易于集光、高光效、长寿命以及3 0 0 0 3 4 0 0 k 色温的优点。它是测试系统主要使用的光源，波长范围比较宽( 3 6 0 n m 一2 1 u n ) ，是 光谱仪器中最常使用的光源之一。 l 立 蹬i 塾s 10 6 “0 4 o 。 毒 浚长，曩l i i 图2 卤钨灯光谱能量分布 2 1 光源稳定性的实现 影响光强稳定的因素有光源电压或电流的波动、电路元件的老化、外界杂光、 环境温度以及光源自身老化等。对于光源光功率的控制，目前国内普遍采用“恒 流源+ 温控”方案，通过精密恒流源提供电流，同时用制冷器进行温控，从而稳 定光源输出光功率，该方案控制精度低、响应速度慢、灵活性差、长期稳定性差。 我们采用直接控制光功率的方法使光源稳定，采用光功率负反馈控制系统。 控制的思想是把一切因素引起的光功率不稳定转化为通过改变光源的端电压使 光功率保持稳定。为光源提供一恒流电源而控制其两端电压。控制的关键是使光 源的端电压随着光强的增大而减小，随着光强的减小而增大。控制电路的框图如 下图所示，光源通过光电转换，放大，再通过反馈系统反馈信息到电源，电源通 过调节输出电压可以使光强保持稳定。 近红外光滑用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 6 顿要戈挚 匡t 至k 茎h 兰习 电路原理图如图3 所示。电源芯片采用集成开关调整电源芯片( i s r i n t e g r a t e d s w i t c h i n gr e g u l a t o r ) 。该电源芯片是恒压源，但是通过芯片调整端加外电路可以 输出恒定的电流，做恒流源用。光电检测电路采用光电二极管，光反馈电路采用 运放加电阻网络组成，在本系统中采用带光电二极管的运算放大器芯片，再加上 外部电阻实现光电检测和光反馈。该芯片可以将光源的光强信号变为电流信号， 通过外部电阻r l 转换为电压信号输出。光电二极管的输出电流i 和光强能保持 很好的线性，输出电流达到1 0 0i t a 时非线性也能控制在o 0 1 以下。 r r 2 5 v 图3 电路原理图 i s r 的调整端( 图3 中的a d j 端) 可以输出稳定的1 2 5 v ，这样我们通过i s r 内部调整和外部反馈电路的调节，使得i s r 的电压调整端电压v 劬保持在1 2 5 v , 就可使得光源的光功率保持稳定。当灯光强增大，光电二极管输出电流增大，使 得运放输出电压增大，v 砷增大将大于1 2 5 v ，i s r 会降低其输出电压v o 从而使 近红外光舜用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 t 棋鬟戈謦 灯光强下降。反之如果灯光强减小，i s r 的调整端输出电压v 础将会减小，这时 i s r 会增大其输出电压v 0 从而使灯光强增大，这样通过调节灯的端电压使得i s r 调整端电压v 础保持在1 2 5 v ，从而使灯光强保持稳定。为了消除光电二极管的 暗电流，外部加上调零电路，如图3 所示，外部加一个恒流源，当灯没有光输出 时候，通过电阻r 4 和电位器r 5 分流，调节r 5 可以抵消光电二极管输出的暗电 流。可以使得没有光输出时输出电压为零。 2 2 实验结果 系统设计完成后，将卤钨灯放在暗室里面进行实验，对光源的稳定性及重复 性进行了测试，实验结果比较理想。 ( 1 ) 实验条件 在室温下，将控制器及光源放在全封闭的暗箱里面，使其不受外界自然光的 影响，每隔5 1 0 分钟记录一下光强，连续测量3 天，实验装霄如图4 所示。用 一个外部全涂黑不透光的暗箱，将光源及控制器固定放在里面，边上开- d , 1 3 将 照度计固定其上，并在外面记录数据。 灯 ) 冈 图4 实验装置示意图 ( 2 ) 实验设备 一只精密四位半光度计，一个全封闭不透光暗箱。 ( 3 ) 实验内容 测试内容主要分为两个方面：一方面对光源的工作时间段进行研究，确定什 么时间段对测试结果来说是比较稳定的；另一方面是研究光源的打开和关闭对测 试结果的影响，也就是说灯泡在测试后休息( 关闭) - - n 试结果会比较稳定、还是 灯泡不休息连续工作一测试结果会比较稳定。也即是测试光源的稳定性和重复 近红外光挥用于食品药品光谱分析的研究 复旦大学硕士学位论x 舷舅戈挚 性，光源的稳定性是指光源持续点l o 小时以上测量光强的变化，光源的重复性 是指关闭电源重新打开跟上次测试结果的之间的误差。 ( 4 ) 实验数据根据连续两次开关电源测试数据测试光强变化趋势如下图5 所示 图5 光强随时间变化关系图 2 3 实验结论 从实验数据可以看出，刚丌始上电随着时间增长光强数据的变化呈渐缓趋 势，约1 5 分钟后，测试结果丌始变得较为稳定，稳定后1 0 分钟以内光强波动只有 大约0 1 ，两次开机稳定以后数据也能保持比较好的一致性。 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究 复旦大学硕士学位论文 9 顿里火挚 三近红外光谱仪器介绍与设计 3 1 近红外光谱实验技术 3 1 1 基本采样方式 近红外光谱的采样分析技术大体与紫外可见谱类似，可以分为两大类：即透 射光谱技术和反射光谱技术。 透射光谱法( 波长一般在7 0 0 一1 1 0 0 n m 范围内) 是把待测样品置于( 光源发 出的光) 作用光与检测器之间。检测器所检测到的分析光是作用光通过样品体与 样品分子相互作用后的光( 因而装载了样品的结构与组成信息) 。若样品是透明 的真溶液，则分析光在样品中经过的路程( 光程) 一定，透射光强度与样品中组 分浓度的关系可以由b e e r 定律决定。若样品是混浊的，样品中有对光产生散射 的颗粒，则由于光散射的原因，光在样品中经过的路程不确定，透射光的强度与 样品浓度间的关系不符合b e e r 定律，则采用漫透射分析测定法。 反射光谱( 波长一般在1 1 0 0 - - - 2 5 0 0 n m 范围内) 分析时，检测器与光源置于 待分析样品的同一侧，检测器所检测到的分析光是光源发生的作用光投射到物体 后，以各种方式反射回来的光。物体对光的反射分为规则反射光( 镜面反射) 与 漫反射；规则反射就是指镜面反射，而漫反射是光投向漫反射体( 常是粉末或其 它颗粒组成的物体) 后，在物体表面或内部发生方向不定的反射。应用漫反射光 进行的分析测定称为漫反射分析测定。 图6 反射分析图7 透射分析 通常情况下，对于透明液体样品，一般采用透射测量方式，但在一些特殊情 况下，也可通过在样品池底部放置如陶瓷的表面漫反射体进行漫反射分析；对半 近红外光琢用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 l o 顿舅大季 透明样品，则要根掘样品的具体情况，视样品对光的作用是以透射为主还是以漫 反射为主而定；而对于不透明样品，则通常选择漫反射方式，在这种情况下要注 意样品池厚度的选择。 近红外区内光散射效应大，且穿透深度大，使得近红外光谱技术可以用漫反 射技术对样品直接测定。特别对于近红外短波区域( 7 0 0 1 1 0 0 ) 吸光系数非常小， 在固体样品中的穿透深度可达几厘米，因而可以用透射模式直接分析固体样品。 但是在进行固体样品的分析时，由于难于制作定量的粉末混合物或k b r 压片( 压 片法的缺点是分散剂易吸湿，样品和分散剂的粉碎耗时较长，未知样品与分散剂 的比例难以正确估计，物料加装技术需凭经验且不易掌握。因此压片常因样品浓 度不合适或因片子不透明等问题需要一再返工，这是缺少经验的操作者最感困难 之处) ，因此应用透射分析技术就比较困难。现在大部分固体样品的在线检测都 使用漫反射技术。固体样品可以是任何形状，如水果，谷物或固体药丸都可以直 接测定，便于检查各部位或每一颗粒的质量。 3 1 2 漫透射分析技术 漫透射是一种将透射与漫反射相结合的新型测量技术。这种技术已经应用于 近红外光谱分析，并且取得好的结果。漫透射设备得结构图如下： 图8 漫透射分析 当入射光进入样品池后，样品粒子会使部分辐射发生散射，部分辐射则被样 品吸收，大部分则被液体池底的漫反射板反射。来自样品的反射和漫反射光由积 分球收集。平均光程大致在液体池厚度的2 3 倍之间，这取决于积分球的收集效 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 ， 仫舅大擎 脚一艘 率和样品池厚度。 漫透射池有两个主要用途，即使配备有积分球的光谱仪也可以简便地分析液 体样品和分析粘稠液体及含量有悬浮物的样品( 如牛奶或油漆) 。漫透射测量会 收集各个方向上的漫反射光，因此它不能像透射技术测定简单液体样品那么准 确。然而，漫透射技术在定量测量含有粒子的液体样品中优于透射分析技术。当 入射光碰到样品粒子时，这些颗粒会漫反射入射光。漫反射光包括有关于粒子组 成的信息。透射分析则不可能收集漫反射光，因此也就无法获得关于溶液中粒子 的信息。 3 2 近红外仪器概述 3 2 i 近红外光谱仪器的基本结构 图9 近红外光谱仪结构图 近红外光谱仪器由上图6 所示，一般由光源、分光系统、测样器件、检测器、 数掘处理和计算机等6 大部分构成。 1 光源 近红外光谱仪器的光源，其基本要求是在所测量光谱区域内能发射足够强度 的光辐射，并具有良好的稳定性。一般说来，光源的亮度不成问题，要获得稳定 近红外光滑用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论大 - 顿里大莩 的光谱主要是解决光源的稳定性，光源的稳定性主要通过高性能的光源能量监控 和可靠电路系统来实现，这在论文的第二部分已经阐述。目前，在近红外光谱仪 器中最常见的光源为溴钨灯，在其近红外区域内，各波长下光源所辐射出的能量 并非一致。为避免低波长的辐射光对样品吸收近红外光的影响，在光源和分光系 统间常加有滤光片，以便将大部分可见光滤掉而不致影响近红外范围的光谱，并 可减少杂散光的影响。 2 分光系统 分光系统的作用是将多色光转化为单色光，是近红外光谱仪器的核心部件。 根据分光原理的不同，现在近红外光谱仪器的分光器件主要有滤光片、光栅、干 涉仪、声光调制滤光器等4 种类型。 3 测样器件 测样器件是指承载样品或与样品作用的器件。由于近红外光及样品近红外光 谱的特点，近红外光谱仪器的测样器件随测样方式的不同有较大的差异。就实验 室常规分析而言，液体样品根据选定使用的光谱区域可采用不同尺寸的玻璃或石 英样品池；固体样品可采用积分球或特定的漫反射载样器件。 4 检测器 检测器由光敏元件构成，其作用是检测近红外光与样品作用后携带样品信息 的光信号，将光信号转变为电信号，并通过模数转换器以数字信号形式输出。检 测器有单通道和多通道两种检测方式。前者是经过光谱扫描，逐一接受每个波长 下的光信号，后者则是同时接受指定光谱范围内的光信号。 5 数据处理分析系统 现代近红外光谱仪器的控制及数据处理分析系统是仪器的重要组成部分。一 般由仪器控制、采谱和光谱处理分析两个软件系统和相应的硬件设备构成。前者 主要功能是控制仪器各部分的工作状态，设定光谱采集的有关参数，如光谱测量 方式、扫描次数、设定光谱的扫描范围等，设定检测器的工作状态并接受检测器 检测的光谱信号。光谱处理分析软件主要对检测器所采集的光谱进行处理，实现 定性或定量分析。对特定的样品体系，近红外光谱特征峰的差别并不明显，需要 通过光谱的处理减少以至消除各方面因素对光谱信息的于扰，再从差别甚微的光 谱信息中提取样品的定性或定量信息。 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 橇算大擎 6 计算机 记录或打印样品的光谱或定性、定量分析结果。 3 2 2 近红外光谱仪器主要类型 从仪器的分光器件看，可分为4 种主要类型：滤光片、光栅分光、傅立叶变 换和声光调制滤光器。从检测器对分析光的响应看，有单通道和多通道两种类型， 多通道又有采用电荷耦合器件和二极管阵列器件作检测器的近红外光谱仪。 1 滤光片型近红外光谱仪器 滤光片型近红外光谱仪器可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式。光源发 出的光经过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。 2 色散型近红外光谱仪器 色散型近红外光谱仪器中单色器一般采用扩展的光栅或棱镜系统，并且由步 进电机与光谱同步切换检测器。另一种仪器是以现代二极管阵列技术为基础。在 这种技术中，来自光源的白光，首先进入样品室，与样品发生相互作用，再进入 单色器产生单色光，经色散的光进入二极管阵列检测器，得到样品的吸收光谱。 在以现代二极管阵列检测器为检测元件的光谱仪器中，单色器的谱带宽度与二极 管阵列中二极管间距有关，每个谱带内只能得到一个数据，因此光谱的分辨率取 决于二极管阵列中二极管数目。这种设计的最大优点是扫描速度快，整个光谱的 扫描时间不到2 s 。 3 傅立叶变换近红外光谱仪器 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 高的效率采集柬自光源的辐射能量，具有更高的信噪比和分辨率。 4 声光可调滤光器近红外光谱仪器 用声光可调滤光器( a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i i t e r ) 作为分光系统，被认为 是9 0 年代近红外光谱仪器最突出的进展。a o t f 是利用超声波与特定的晶体作用而 产生分光的光电器件。a o t f 与通常的单色器相比，采用声光调制产生单色光，即 近红外光耀用于食品药品光漕分析的研究复旦大学硕士学位论文 糍算爻謦 通过超声射频的变换实现光谱扫描。光学系统无移动部件，波长切换快，重现性 好，程序化的波长控制使这类仪器的应用具有更大的灵活性。 5 多通道近红外光谱仪器 多通道近红外光谱仪器是因为仪器的检测器采用多通道光敏器件而得名。这 类仪器的色散系统一般采用平面光栅或全息光栅，与光栅扫描型仪器相比，光栅 不需要转动即可实现确定波长范围的扫描。这类仪器的最大特点是仪器内部无可 移动部件，仪器的稳定性和抗干扰性能好；另外一个特点是扫描速度快，一般单 张光谱的扫描速度只有几十毫秒。这两个特点的结合，使该类仪器特别适合作为 现场或在线分析仪器使用。 3 3 近红外仪器设计 3 3 1 光学设计 光谱仪器有多种基本结构形式，根据我们的设计要求，两波段的光谱仪器 我们均采用非对称型的c z e n n y t u r r m e r 结构，使结构紧凑，又能获得较好的像 差性能。 探测器 图l o 光学设计光路图 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 反射镜i ， 仫譬大学 光经过多色仪色散后，在出射准直镜的焦平面上形成按波长排列的光谱面。 一般来说此光谱面是弯曲的，而接收器件c c d s p d 为线阵探测器，所有象元平 行排列且位于同一平面上，当用c c d s p d 接收光谱面光强度时，大部分接收象 元实际上是离焦的。因此，我们设计了设计合理的分光系统，使此光谱面接近平 面，即“平场光谱面”设计。 ( 1 ) 狭缝 光谱仪器中，狭缝的宽度与出射光谱的带宽直接相关。由于采用多色仪器设 计，只有入射狭缝，无出射狭缝。采用光学设计软件模拟计算结果，两台光谱仪 器的狭缝宽度分别为1 0 0 u m 及8 0 u m 。 ( 2 ) 滤光片 为消除二级光谱，采用短波截止滤光片。同时，在光学系统中，要考虑此 滤光片的折射影响。 ( 3 ) 反光镜m i 、m 2 ，光栅g 入射狭缝经m i 准直为平行光，入射于光栅g 上，色散后被m 2 聚焦于探测 器d 上。 ( 4 ) 探测器d 采用h a m a m a t s u 公司的光电二极管阵列。其光谱响应见图： 一、- - 6 1 ， r | j 0 jo 1 52 0 帅， fl 产 、 ， f 、 v 一 ， k 图1 1 探测器光谱响应曲线 ( 5 ) 样品池光路设计 采用小型卤钨光源，均匀照明设计平行光照射样品池，样品池的输出光被汇 聚于y 型光纤的入口，如下： 近缸外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论趸 顿旦大学 图1 2 样品池光路图 ( 6 ) 光纤 按照总体设计，采用y 型光纤，样品池的输出光经过此光纤传给两台光谱 仪器。普通石英光纤有吸收水峰，必须光纤采用特种石英光纤。其光谱透过率如 下： 图1 3 石英光纤光谱透过率 3 _ 3 2 采用多通道光电传感技术 传统的光谱仪器采用光栅或棱镜分光，通过机械扫描获得不同波长的光谱。 由于测试时间长达1 0 多分钟，且机械扫描零件磨损的存在，仪器寿命受影响。 电荷耦合器件( c c d ) 光谱测试技术是近年来发展的现代光谱测试技术， 无机械扫描，光谱测试快，但相应的仪器价格较高。目前国内自主研发的近红外 光谱仪器基本上是传统的机械扫描式的。有报道石油科学研究院研究用于石油分 析的近红外光谱仪器，采用单波段，大尺寸光学设计。仪器较大且光谱测试范围 近红外光源用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 顿舅大孥 较窄。本课题采用自扫描光电二极管阵列( s p d ) 光谱测试技术设计光谱仪，采 用多通道技术，波长范围从0 7 微米到1 7 微米。 3 3 3 采用两波段双光谱仪器技术 现有光电探测器件按光谱响应波长可分为可见紫外探测器、近红外探测器、 中远红外探测器等。在可见区域常用硅材料的探测器，而在近红外波段，目前有 p b s ，i n g a a s 等探测器。鉴于硅材料探测器的光谱响应在o 2 - - - 1 1 微米，p b s 的光 谱响应在l 5 微米，i n g a a s 光谱响应在0 9 1 7 ( 改进型2 5 ) 微米，同时考虑暗电 流、噪音等性能，我们决定选用两波段双光谱仪器技术，即光谱仪是将o 7 1 7 微米波段分为o 7 1 1 微米与1 0 5 1 7 微米两个波段的方法，通过分叉光纤将两 波段的光谱仪器连在一起。两波段的光谱仪器都是微型分光器件中的电荷耦合器 件后连接运算放大器，之后连接a d 转换器，转换器后连接微处理器采集数字 信号，微处理器通过串行接口与台式计算机相连。 光纤将被测光耦合到全密封微型分光器件，经其中的狭缝，光栅等分光成 光谱面照射在c c d 感光元上，每个c c d 象元对应一特定波长的光谱。c c d 内 部的移位寄存器使象元的光电流依次输出。此光电流经信号放大，a d 转换等后 被微处理器采集，获得光谱原始数掘。两个波段对应的微处理器分别通过r s 2 3 2 串口连接到台式计算机。经过扣除暗电流及定标系数修正后耦合为0 7 - 1 7 微米 的完整光谱。 光谱仪结构图如图7 所示。其中l 是被测光源，2 是光纤，3 ( 1 0 ) 是微型分光 器件，4 ( 1 1 ) 是c c d ，5 ( 1 2 ) 光电信号处理电路，6 ( 1 3 ) 是a d 转换器，7 ( 1 4 ) 是 微处理器。8 ( 1 5 ) 是c c d 控制电路，9 ( 1 6 ) 是静态随机存储器，1 7 是串行接 图1 4 仪器结构图 近红外光源用于食品药品光谱分祈的研究复旦大学硕士学位论文 舷舅火謦 四光谱采集及软件设计 4 1 光谱采集软件 光谱采集软件包含主软件及辅助软件若干。 主软件包括： 1 主微处理器软件两套 主微处理器软件功能包括以下几个模块： ( 1 ) 数据采集和缓存功能。 微处理器首先寻找s p d 器件的同步时序信号，通过判断自定义的同步信号特 征量化同步时间机制。在捕捉到同步信号之后，处理器向1 6 位a d 发出启动 转换信号。软件通过宏展丌等手段利用空间换时f 日j 的技巧加快了a d 采集数 据流的速度，并将高速采集到的模拟信号的量化值暂存到片上的r a m 中去以 等待下一步的数据传送。为了提高r a m 中数据的访问方便性和存储空间的利 用率，将数据按页在r a m 中存放。 ( 2 ) 数据发送和命令解释 与仪器相连的p c 机软件将向主微处理器发送各种控制命令字符串，包括s p d 积分时间的设定，s p d 的信号采集同步与起始，光谱模拟信号的离散量化值 数据的传送，以其逻辑地址的设定和判别等命令。这些命令采用r s 2 3 2 串行 通讯的标准协议方式实现。通过软件优化，处理器能实现每秒11 5 2 k 的数 据通讯速度。 ( 3 ) 与辅微处理器的通讯 主微处理器与辅微处理器的通讯采用自定义的异步通讯协议格式，通过时钟 信号的同步，异步传输代表积分时间的数据流，以实现即时改变系统积分时 间的功能。 ( 4 ) 初始化和调度模块 系统冷启动时采用片内预设的低速振荡器工作，在初始化处理器的所需端口 和片上外设后启动片外高速晶振，当片外晶振稳定工作后系统切换到外部晶 振。外部高速晶振在满足系统高性能需求的同时也为微处理器的串行通讯的 准确性提供了必要的保证。 近红外光哥用于食品药品光谱分析的研究复旦大学硕士学位论文 9 顿要大謦 图1 5 光谱采集流程图 2 辅助微处理器软件两套 辅助微处理器主要完成产生s p d 驱动信号的任务，由于s p d 的输出信号与 驱动信号中所谓的积分时间成正比。因而可以通过改变有关驱动信号的波形而 控制输出信号的强度。改变的方法是p c 机发适当信号给主微处理器，再由主微 处理器发信号给辅助微处理器， 辅助微处理器改变驱动信号的积分时间。 长、短波段的两台光谱仪器由于s p d 不同，因而驱动信号也不同，相应的 软件也不同。s p d 的所有象元信号是依次输出的，全部象元的输出时间的总和即 为扫描时间，它略小于s p d 的积分时间。本课题的两台光谱仪器的最小积分时间