（光学工程专业论文）牛奶中营养物质含量的近红外检测技术的研究.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进行了检测分 析。研究内容主要包括： ( 1 ) 对国内外乳品检测技术现状及发展趋势进行分析与综述，在此基础 上，提出了近红外光谱技术与光纤相结合，使得近红外光谱分析技术应用 于在线检测中。 ( 2 ) 基于近红外光谱分析的基本原理，分析牛奶中营养成分的光谱图。 ( 3 ) 建立校正模型、进行数字滤波预处理方法以及利用遗传算法优选波 段；对比了p l s 校正模型和改进的f n 非线性校正模型。 ( 4 ) 设计了光纤近红外测量系统。进行了光纤和光电探测器的选择、光 源驱动的设计、光纤系统的高效耦合，微弱信号的检测，建立了全光纤检 测系统的数学模型。 ( 5 ) 分析了光纤近红外测量系统的噪声来源及抑制方法，探讨提高系统 稳定性和可靠性的保证措施。 关键词近红外光谱；化学计量；成分分析；微弱信号检测；遗传算法 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 f t h es t a n d a r do fl i v i n g n om o r eh a v ep e o p l eb e e n s a r i s f l e do ft h ea b u n d a n c ea n da m p l i t u d eo ff o o d ，a n da 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 e 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 si 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 em i l kw h i c hi so n eo ft h ep e o p l e s m a i nd r i n ki sm e a s u r e do n l i n e t h ei d a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 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 f p r e s e n tn l i l km e a s u r e m e n ta n d i t s d e v e l o p i n gt e n d e n c y , t h ep a p e rp r o p o s e dt h a ta p p l y i n gn e a ri n f r a r e d s p e c t r u mt e c h n i q u ea n do p t i c a lf i b e rt oo n - l i n em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo ft h e n u t r i t i o ni nm i l k ( 2 ) b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fn i rs p e c t r u ma n a l y s i s t h e s p e c t r a ls i g n a t u r eo f t h en u t r i t i o ni n 1 i l ki sr e s e a r c h e d ( 3 ) s t a r t i n gf r o mt h ed i g i t a lf o u r i e rf i k e r i n gp r e t r e a t m e u ta n dw a v e l e n g t h s e l e c t i o nb yg e n e t i ca l g o r i t h m si nr e g r e s s i o nm o d e l sw e r ed i s c u s s e d ( 4 ) s e c o n d l y t h er e s e a r c ha n a l y z e dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ef i b e r - o p t i c n i rm e a s u r i n gs y s t e m ，s t u d i e dt h es p e c t r u mp r o p e r t yo fl i g h ts o u r c e ，t h e t r a n s m i s s i o np r o p e r t yo ff i b e r - o p t i c ，t h e s p e c t r u mr e s p o n s ep r o p e r t yo f p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o ra n dt h ep r e c i s ec o u p l i n gm e t h o do fl i g h ts o u r c ew i t h o p t i c a lf i b e r ，b u i l tt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ea l lf m e rd e t e c t i o ns y s t e m , s e l e c t e dt h eo p t i m a lw a v e l e n g t hf o rm i l kd e t e c t i o n ( 5 ) a tl a s t ，t h er e s e a r c ho fn o i s er e s o u r c ea n dn o i s ec o n 打o lm e t h o df o r t h en i rd e t e c t i o ns y s t e ma n di m p r o v e m e n to ft h es y s t e m s t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y t h ee x p e r i m e n t ss h o w nt h a tt h es y s t e mh a sm a n ym e r i t s s u c ha sh i g h s t a b i l i t y , i n s u s c e p t i b l eb ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，h i g hs p e e da n dh i g hd e g r e eo f a b s l r a c t a c c u r a c y , i tc a r lm e a s u r em u l t i - c o m p o n e n t k e y w o r d sn i r ；c h e m i c a lm e a s u r e ；c o m p o n e n ta n a l y s i s ；w e a ks i g n a l d e t e c t i o n ；g e n e t i c a l g o r i t h m s 1 1 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 近红外光谱分析技术的历史与现状 近红外区域按a s t m 定义是指波长在7 8 0 - 2 5 2 6n r n 范围内的电磁波， 是人们最早发现的非可见光区域，距今已有近2 0 0 年的历史。本世纪初， 人们采用摄谱的方法首次获得了有机化合物的近红外光谱，并对有关基团 的光谱特征进行了解释，预示着近红外光谱( n c a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ， n i 黔有可能作为分析技术的一种手段得到应用1 1 】。由于缺乏仪器基础，5 0 年代以前，近红外光谱的研究只限于为数不多的几个实验室中，且没有得 到实际应用。5 0 年代中后期，随着简易型近红外光谱仪器的出现及n o r r i s 等人在近红外光谱漫反射技术上所做的大量工作，掀起了近红外光谱应用 的一个高潮，近红外光谱在测定农副产品( 包括谷物、饲料、水果、蔬菜、 肉、蛋、奶等) 的品质( 如水分、蛋白、油脂含量等) 方面得到广泛使用。由 于这些应用都基于传统的光谱定量方法，当样品的背景、颗粒度、基体等 发生变化时，测量结果往往产生较大的误差【2 。在此后约2 0 年的时间里， 除在农副产品领域的传统应用之外，近红外光谱技术几乎处于徘徊不前的 状态，以致被人们称其为光谱技术中的沉睡者。 进入8 0 年代后期，近红外光谱才真正为人们所注意，这在很大程度上 应归功于化学计量学方法的应用，再加上过去中红外光谱积累的经验，使 近红外光谱分析技术迅速得到推广，成为一门独立的分析技术，有关近红 外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长p 】。1 9 8 3 年以后，近红外光谱仪 器的生产厂商就开始每年召开一次近红外光谱的国际会议，但会议内容较 着重于其生产仪器的改进及应用。 1 9 8 8 年，国际近红外光谱协会( c n i r s ) 成立，该协会北美分会对1 9 0 5 至1 9 9 0 年有关近红外光谱的文献做了全面汇编( c b i b l ) 【4 l 。关于近红外光 谱研究及应用的专业期刊j o u r n a ln e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 和n e a r i n f r a r e dn e w s 先后于9 0 年代初创刊。1 9 8 7 年举办第一届近红外光谱研究 与应用的国际会议，至今己举办了9 届。每次会议都出版了相应的文集， 燕山大学工学硕士学位论文 刊登了大量涉及近红外光谱仪器、计量学方法、新技术发展及各种新应用 的文章【5 】。同时，在其它涉及分析与光谱的杂志，如a p p l i e ds p e c t r o s c o p y , a n a l y t i c a lc h e m i s t r y 上也刊登了大量近红外光谱基础研究及应用的文章。 近年来，有很多与近红外光谱技术有关的专利在各国的专利排行榜中。目 前从事近红外光谱仪器生产的厂商己不下几十家。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，但1 9 9 5 年以来己受到 了多方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取 得了可喜的成果。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，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0 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。 1 1 1 近红外光谱仪器的发展 最早的近红外光谱仪器是一台摄谱仪，所得的谱图能作出某些化合物 可以在近红外区吸收的判断，可以用于定性分析很难用于定量分析。直到 第二次世界大战结束时，近红外光谱仍不被人们所重视，因为在这区域 内谱带重叠严重，再加上样品中如有水分则更会因为氢键的变化而使谱图 不能稳定。近红外光谱的低吸收系数又使对仪器的噪音要求十分苛刻f 6 】。 因此，在5 0 年代以前，人们对紫外、可见及中红外光谱仪已经做了大量的 工作，而对近红外光谱只是偶然作为紫外可见光谱仪的一个延伸，并没有 过分重视这一波段的应用。最早的透射式近红外光谱仪器是k a y 等人于 1 9 5 0 年制作的m 。 k a r ln o r r i s 在5 0 年代后期最先将近红外光谱技术用于农副产品分析 的。由于当时商品仪器的噪音较大不能适用，故n o r r i s 自己设计了一台仪 器，其中也包括了消除天然产品光谱的干扰及定量计算方法上的考虑【8 】。 所有近红外光谱仪，从一开始就配有计算设备，只是初期计算机的运算速 2 第l 苹绪论 度和内存都无法与现在的计算机相比【9 】。美国依利诺州农业部门开始招标 测定大豆中蛋白、油及水分的仪器。d i e k e y j o l r n 公司生产了第一台商用近 红外光谱仪，其中有1 个卤钨光源，6 个高精度的干涉型滤光片及1 个硫 化铅检测器。测量样品必须预先于燥，使其水分含量小于1 5 ，然后样品 经粉碎使其粒径小于1r a i n ，装入一个带有石英窗的样品池中【1 0 1 。在此之 后，n e o t e c 公司设计了一台带有旋转滤光片的仪器用于谷物分析。 7 0 年代中期，t e c h n i c o n 公司与d i c k e y j o h n 公司合作生产了一台近红 外光谱分析仪( a n a l y z 啦5 ) ，其中增加了防尘和仪器内部的温度控制设备， 因而使仪器的稳定性，尤其是波长的稳定性得以提高；同时采用积分球测 量参考物质及样品的积分信号，是仪器的性能有很大提高。这样使他们从 国家谷物检测中- 1 5 ( ( f g i s ) 得到了大量订单。可以看出，近红外光谱仪器的 早期发展也是在竞争中实现的【】”。在1 9 8 5 年以前，许多专用的近红外光 谱仪一直使用滤光片作为分光器件，光栅扫描或傅立叶变换的仪器则主要 用于研究，如通过光谱扫描确定使用的波长位置，再选定滤光片。也有人 选用发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，缩写为l e d ) 这种窄带光源，但l e d 产生的光强在不同波长处不是线性的，会对后续的校正带来一定的困难。 到1 9 8 4 年，已有4 - 5 家制造厂商在欧洲和美国生产各种形式的仪器，大部 分用于近红外漫反射分析。 目前，用于在线分析的近红外光谱仪器也己有很多公司生产，且大部 分仪器都是基于光纤传输的。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 年日本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 r l l 短波 近红外区，采用二维相关光谱仪对原料奶进行了分析【1 2 】。 2 0 0 1 年希腊的gk o n s t a n t i n o s 等利用6 0 0 一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 种成分监测【i ”。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、蛋白质等的快 速测量【1 4 1 。2 0 0 4 年爱尔兰c o r k 大学国家微电子研究中, t ：, 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，实现了牛奶制品的在线监 测【1 5 】，取得了良好的效果。 燕山大掌工学硕士学位论文 1 1 2 计算技术在光谱分析中的应用 由于近红外吸收及漫反射光谱谱带都很宽且重叠严重，在早期限制了 近红外光谱技术的应用。最早，n o r r i s 对谷物的分析是采用单波长线性回 归或多波长多元线性回归的方法得到定量结果的，但使用的波长数受到滤 光片个数的限制，在有些测定中仍会出现较大的偏差【1 。在近红外光谱技 术发展的同时，欧洲的w o l d 与美国的k o w a l s k i 教授于7 0 年代开始了化学 计量学( c h e m o m e t r i o s ) 的研究，尤其是k o w a l s k i 教授在华盛顿大学领导的 过程分析化学中一t j , ( c p a c ) 着重研究了分析仪器与化学过程自动化的联系。 他们综合使用数学、统计学和计算机科学知识，研究从测定数据中提取信 息，其中最重要的发展是因子分析技术的使用，也就是将大量的数据进行 坐标转换以达到降维的目的l ”1 。即消除众多信息共存中相互重叠的信息， 典型的应用如主成分分析，光谱数据经主成分分析，再与变量回归求出校 正系数f 矩阵) 。目前，偏最小二乘法( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 是近红外 光谱分析中应用最广的计算方法，很多商品化软件中都包含这种建模方式。 但当校正集样本中出现奇异点，或个别样品的性质范围己超出校正集样本 的范围时，则可能出现较大的偏差，因此人们开始寻找更可靠的模型建立 方法，如稳健p l s 方法在克服奇异点影响上有良好的效果【1 8 】。由于有些变 量与光谱间的非线性关系。9 0 年代中期以来，非线性校正技术在光谱分析 中的应用日渐增多，人工神经网络在多元非线性校正技术中占有重要的地 位，该技术在不少领域的应用中已取得了良好效果【1 9 l 。 近红外光谱分析技术是伴随着计算技术的发展而发展的，各种线性或 非线性关联方法几乎在此都得到应用，但最佳计算方法的选择将由分析对 象及所处的环境决定。 1 1 3 应用领域 近红外光谱技术的发展是从在农产品中的应用开始的。1 0 0 多年来， 人们注意到了农产品的营养价值，因此发展了很多分析方法来确定其中营 养物质的含量，但均耗时较长且费用较高。近红外光谱技术可以快速提供 低成本的分析结果，不断增加的分析工作得到了较高效的解决【2 0 】。最早的 4 第1 章绪论 应用是农副产品中水分的测定，以后又用于谷物及饲料中的蛋白、水分、 纤维、糖份及脂肪等项目的分析，且都取得了较满意的结果。到1 9 8 5 年， 在美国农业部的领导下，对农产品所做的工作进行了总结，并出版了一本 农业手册。其中一节专门写了近红外光谱的应用。在农产品应用中大多 采用漫反射光谱，因为农产品都是固体，近红外光经漫反射出来，可以有 选择地被吸收一部分，进而获得被测物质中分子结构的信息f 2 l 】。为了得到 准确的结果，农业部门的研究人员做了大量的标准物质。同时，近红外光 谱分析也用于牲畜对饲料反应的研究。为了使己有的光谱数据用于以后的 计算，专业人员编制了样品及谱图档案，并设法做到将同一个样品集用于 世界各地。因此，在样品的选择、制备及数据的传递等方面做了大量的工 作。1 9 7 7 年c h t i o u i 首先发表了第一篇采用n i r 测定烟草中尼古丁含量的 论文，以后又陆续发表了有关烟草中的糖、水分、甲醇及总氮含量等的n i r 测定结果。 n i r 在羊毛分析中的应用开展较晚，1 9 7 8 年s c o t t 等人发表了用n i r 测定羊毛上脂类论文，至1 9 8 2 年才出现结果与标准方法的相关指数【2 3 】。 n i r 在纺织业中可以用来研究原料及加工过的纺织品，所用的方法也都是 近红外漫反射技术。n i r 在制药工业中的应用亦开展较晚，1 9 8 2 年，r o s e 提出很多结构相近似的青霉素型药品可以用n i r 区分开来，并得到定性结 果，那时所采用的仪器已是光栅扫描型光谱仪( 不是滤光片光谱仪) 。目前， n i r 在制药工业中的应用已十分成熟，并正在等待n i r 作为标准化方法的 实现【2 4 】。高分子领域长期应用中红外光谱进行结构分析，至1 9 7 7 年c r a n d a l 才提出n i r 在分析聚合酸时十分有用。c a l l i s 等人在短波近红外区域采用 偏最小二乘法测定汽油的辛烷值，其后，石油产品的各种性质的测定都有 报道。其它领域如食品工业( 尤其是奶制品及饮料、酒类等) 、木材加工、 生命科学以至天体科学研究，也都是在8 0 年代中期以后才不断得到人们的 重视及应用的1 25 1 。 近红外光谱分析也和其它分析技术一样，先是早期的基础工作，如各 种基团在近红外区的吸收测定，然后是在某一个领域得到突破，并广泛使 用。这进一步引起了仪器制造厂商的重视，经不断完善推广，逐步进入新 燕山大学工学硕士学位论文 的领域。随着应用的推广又进一步促进基础研究工作及仪器水平的提高， 各种分析技术最终都可能成为官方确认的标准方法。目前，除了农产品外， 官方确认的应用近红外光谱分析的标准方法尚在酝酿中。但人们( 尤其是在 医药行业) 正在做各种准备，如实验室间结果的比较，验证仪器及方法的标 准物质等，以便在必要时提出标准方法，及早为官方确认。 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钡t t 2 。2 0 0 0 年以色列z e e v s c h m i l o v i c i t e 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 7 1 。 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 1 0 0 - 1 7 0 0n i t l 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 快速测量阱】。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。 1 2 课题研究的目的与意义 传统的牛奶成分含量的测量大都基于分析化学方法。分析过程破坏样 品、费时费力。实时、快速、准确的牛奶成分检测对实现乳业生产过程的 自动化管理以及提高牛奶质量等具有重要的现实指导意义。目前，就世界 范围的牛奶成分检验而言，化学分析方法仍占主导地位。作为标准检验方 法，化学分析方法的结果准确度高，但是时间长，在实验中需要配备一定 数量的化学分析试剂，并要经过一系列复杂冗长的化学反应过程才能实现。 这很难适应短时间内获取大量样品成分质量浓度的工作需要，而且在采样 和获取分析结果之间有较多的时间拖延，会严重影响数据分析结果【2 9 1 。 第1 章绪论 近年来，随着光学仪器设计、制造水平的提高以及计算机技术的发展 和化学计量学方法研究的深入，近红外m i r ) 光谱分析技术在过程分析和工 业控制领域快速崛起。近红外光谱分析技术是利用光谱方法分析物质的成 分和结构，具有高效、快速、成本低、不破坏样品化学性质和绿色环保等 优点，因此将其用于牛乳成分在线实时检测具有传统测量方法不可比拟的 优点。由于近红外光谱的样品谱带重叠严重，以致在样品光谱中看不到组 分的特征吸收。因此，科学地从原始光谱数据中提取对应于待测组分的有 用信号、滤除噪音干扰是近红外光谱分析中获得最佳校正模型的关键技术 之- - 1 30 1 。 1 3 研究方案 利用近红外( n i r ) 透射光谱( 8 0 0 1 7 0 0r i m ) 快速测量牛奶中脂肪、蛋白质 和乳糖的含量：采用偏最小二乘法( p l s ) 回归，建立了测量光谱与牛奶主要 成分浓度之间的校正模型，并对其预测重复性进行了研究：进而探讨了非 线性校正方法径向基函数网络( r b f n ) 的可行性，并与p l s 线性校正模型进 行了对比；探讨了如何提高p l s 校正模型预测精度的相关问题。 论文进行了光纤和光电探测器的选择、光源驱动、光纤系统的高效耦 合和微弱信号的检测等模块的设计，建立了全光纤检测系统的数学模型。 分析了光纤近红外测量系统的噪声来源及抑制方法，探讨提高系统稳定性 和可靠性的保证措施。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章测量牛奶营养含量的基本原理 2 1 近红外光谱分析的基础 近红外光谱分析方法由两个部分组成，一是准确、稳定地测定样品的 吸收或漫反射光谱谱图的硬件技术( 即光谱仪器) ，这一硬件技术的主要要 求就是必须保持长时间的稳定性；另一个是利用多元校正方法计算测定结 果的软件技术。 近红外光谱的早期应用大都是对一定样品的特定组分的定量，如谷物 中的水分含量测定，以后才逐渐用于定性或判别分析，其依据是同类样品 在不同波长下具有相同的光谱。但如前已述，近红外光谱的分辨率远不如 中红外光谱，因此其定性分析也必须借助于多元校正方法( 其中最常用的方 法如主成分分析，马氏距离和归一化距离等) ，以使各种样品进行聚类识别。 各类化合物的定性则可用己知的样品作判据。近年来近红外光谱聚类( 定性) 分析的应用也在日益推广，如各种纺织物或聚合物的快速定性，常在后续 处理过程中起着重要作用口”。 2 2 近红外光谱技术的原理基础 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 v m = 去拦( 2 一- 1 ，v m 。i 、f i 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，则双原子分子机械振动的波数为v 。 第2 章测量牛奶营养含量的基本原理 珏去居，s 昕在 陋z ， 2 磊1 i 。1 川7 、百 u ) 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) ，其频率诌与机械振动频率相同，所以有 v e = v 。= 1 3 0 7 ，兰 ( 2 - 3 ) v 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( u p 等 于v s ) 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 一 1 e v = h c v e ( v + )( 2 - 4 ) z 式中振动粒子数v = 0 , 1 ，2 ，3 。e 为v 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迁时的选择定则为a v = - + 1 ，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 。【3 2 】。 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( 矿= 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k 约为4 0 1 8 0 毫达因n m ，弯曲振动的置值更小。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p 3 1 。 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 一 11 e = h c v ( v + ) 一片( 矿+ 去) 2 ( 2 - 5 ) 即相邻的v 和v 一1 能级间的能量差为 a e = 赫( 1 2 v x )( 2 6 ) 式中z 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。 9 燕山大学工学硕士学位论文 非线性谐振子跃迁的选择定则是2 x v = - 4 - l ，4 - 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) 之和，这种吸收叫合频吸收 3 4 】。 要产生红外吸收，分子必须同时满足以下两个条件： ( 1 ) 瞬时偶极距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 ) 特征频率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【3 5 l 。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 浓度之间符合朗伯比尔定律【3 6 。 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， 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 1 0 第2 章测量牛奶营养含量的基本原理 余部分通过溶液。假定入射光的强度为l ，吸收光强度为k ，透射光的强 度为，反射光强度为j ，则 j o = ，嗳+ + ， ( 2 7 ) 由于实际测定时，均是采用同样材料的比色皿，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 = 如+ ( 2 - 8 ) 当入射光强度厶一定，若k 越大，则t 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【3 7 】。 当一束强度为1 0 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 一l ，因为浴液中个吸光质点( 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l r 。如果将液层细分成厚度为无限小的相等薄层，设薄层厚 度为拍，截面积为s ，并设该液层溶液中吸光度质点数d ，照射到薄层 溶液上的光强度为l ，光通过薄层溶液后，强度减弱o l l ，则d l 与d 和，。 成正比，即 一d i = k l i b d n ( 2 - 9 ) 负号表示光强度减弱，墨为比例常数。 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d n 燕山大学工学硕士学位论文 为 d n = 墨c s d b ( 2 - 1 0 ) 式中k ，与所取浓度、面积及长度的单位有关；仍为薄层厚度；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，是一个常数。 将( 2 - 1 0 ) 式代入( 2 - 9 ) 式中，合并常数项即得到 一d l = k 3 1 6 c d b( 2 1 1 ) 将( 2 1 1 ) 式积分，则得 ! i ：d i 一k 3 ibcdb(2-12) 简化后得到 h 专一即a 将式( 2 - 1 3 ) 化为常用对数形式 l g 量：旦曲：砌 i 2 3 0 在光度法中，通常将透过光的强度，用，表示 - g 争= 肠a ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 所以将式( 2 - 1 4 ) 改为 ( 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 ) d pl g 萼称为吸光度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 15 ) 又可写为 ， a = l g 萼= k c b( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) r 日朗伯一比尔定律。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 8 】。 第2 章测量牛奶营养含量的基本原理 2 2 2 近红外反射光谱技术 反射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，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。 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 po fd 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。k 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；尺为漫反射率，反映出射光与入射光的比率。r s 与k 间满足以下关系式 r 一+ 善一c 2 + 2 倒( 2 - 1 7 ) 式中胄。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 “0 ，可得到待 壅些_ 大茎三兰堡圭兰竺堡垄 测样品厚度无穷大时的相对漫反射率r 。 耻瓮m 菩一c 2 + z 陋，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，而咒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：反射吸光度一和k u l e l k a m u n k 函数。 4 的定义式为 川。s 专一一- 唧+ 等一c 2 喇和 p 聊 4 与k s 间近似为直线，可用式( 2 - 2 0 ) 表示。 一训6 等( 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a 与样品的浓度c 关系可表示为 a = 口+ b c ( 2 - 2 1 ) 将式( 2 1 7 ) 3 e 形，得冬与r 。间关系有 墨：!二垦!(2-22)s2 r 一 _ 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。 耻扣警= 菩 ( 2 2 3 ) 由式( 2 - 2 3 ) 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。 k - m 函数 f ( r 。) ：i 。c ：6 c ( 2 - 2 4 ) b 除与摩尔吸光系数及光程有关外，还与样品散射系数有关；c 为浓度i 捌。 1 4 第2 苹测量牛奶营养含量的基本原理 2 3 近红外光谱技术的特点 近红外光谱技术之所以能在短短的1 0 多年内，在众多领域得到应用， 进而在数据处理及仪器制造方面有如此迅速的发展，主要因为它在有机化 合物的分析测定中有以下独特的优越性。 ( 1 ) 吸收系数小、过程简单作为分子振动能级跃迁产生的吸收光谱， 近红外区域的倍频或合频吸收系数很小，一般较红外基频吸收低1 3 个数 量级，故样品无需用溶剂稀释即可以直接测定，便于生产过程的实时测定。 中红外区常在1n l l r l 以下，近红外区域根据所使用的谱带和测试物含量的 高低，光程可以是1 1 0 0r n m ，长样品池使清洗过程变得非常方便。虽然 吸光系数小会妨碍样品中微量杂质的测定，但也保证了微量杂质或在近红 外吸收弱的组分不至于干扰测定。 ( 2 ) 适用于漫反射技术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。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。在短波近红外区域( 7 0 0 1 1 0 0r i m ) ，对固体样品的穿透深度 可达几厘米，而被吸收的光强很小。大部分固体样品的在线检测都使用漫 反射技术。 ( 3 ) 穿透能力强近红外区的波长短，因而不被玻璃或石英介质所吸 收。所用的样品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，价格较低，使用也 方便。有时可以直接在玻璃容器中进行测定，而无需打开密封的容器，避 免样品的转移手续及不必要的污染【40 1 。近红外光的这一特性，更重要的是 使一般玻璃或石英光纤可以用于近红外光谱技术，光导纤维的引进使传统 的近红外光谱技术扩展到了过程分析及有毒材料或恶劣环境中样品的远程 分析，同时也使光谱仪的设计得以更多用，且小型化。 ( 4 ) 样品的定性分析采用多元校正方法及一组己知的同类样品所建 立的定量模型，可以快速得到相对误差小于0 5 的测量结果 4 1 1 。例如，汽 油辛烷值的测定重复性可以达到0 3 单位，其中苯含量测定的相对误差可 以小于0 5 。定性分析采用识别分析程序，先取得一组已知样品的吸光度 分布模型，再测得待定性样品在不同波长下的吸光度分布，用聚类原理确 燕山大学工学硕士学位论文 定样品是否属于己有的模型，即这一类己知的样品。如果已知样品有好几 类，则可以从几种模型中选出最接近的一类以定性【4 2 】。例如，在石油化工 中，可以用定性的方法指出某一个样品汽油是属于直馏、催化裂化还是重 整工艺的产品。在织物的分类中，可以区别毛纺、棉纺、涤纶及棍纺等不 同的纤维类型。 ( 5 ) 无环境污染近红外光谱分析中只是取得样品的光谱信号，有时甚 至可以在原容器中进行测定，因此不需要其它试剂，样品测定后一般可以 送回原生产地或容器，因此测试过程中不破坏样品，不用试剂，故不污染 环境。 ( 6 ) n 定速度极快近红外光谱的信息必须由计算机进行数据处理及 统计分析，一般一个样品取得光谱数据后可以立刻得到定性或定量分析结 果，整个过程可以在不到2 分钟内完成。近红外光谱技术的另一个特点是 通过样品的光谱可以计算出样品的各种组成或性质数据，这种快速分析是 建立在已有模型基础上的，也就是说必须事先对这类样品的光谱及各种性 质的关联作好前期工作。已有一些商品模型可以购买，以节省很多建模的 费用及时间【4 ”。 ( 7 ) 不适合于痕量分析及分散性样品的分析前已经说明，建立近红外 光谱方法之前，必须投入一定的人力、物力和财力才能得到一个准确的校 正模型。因此，对于经常性的质量控制是十分经济且快速的，但对于偶然 做一二次的分析或分散性样品则不太适用。 2 4 牛奶采用近红外测量的可行性 近红外光谱是分子振动光谱的倍频和合频吸收光谱，主要是x - h 键( x 为c ，o ，n ，s 等) 的吸收，不同基团产生的光谱在吸收峰位置和强度上有所 不同，根据朗伯一比耳吸收定律( l a m b e r t b e e rl a w ) ，随着样品成分含量的 变化，其光谱特征也将发生变化。这是近红外光谱分析方法的理论基础。 牛奶成分中脂肪、蛋白质、乳糖等成分对近红外光具有吸收作用，因此从 理论上讲，近红外光谱技术可应用于牛奶成分测定。 由于物质近红外吸收峰的重叠，所以很难由单一波长对其成分含量进 第2 章测量牛奶营养含量的基本原理 行直接测定。一般地讲，近红外光谱分析技术是一种间接测量技术，即通 过对已知品质参数样品的光谱和其品质参数的关联建立校正模型，然后通 过校正模型和未知品质参数样品的光谱来预测样品。 2 5 本章小结 本章介绍了近红外光谱技术的分析基础，详述了近红外光谱的技术特 点，并且详细介绍了近红外光谱的技术原理。对于这项技术应用于牛奶的 检测作了可行性分析。证明近红外检测技术应用于牛奶的快速检测是一种 简便、快捷、实用、准确地技术。 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章校正模型的建立 3 1 牛奶的吸收光谱 型 采 管 星墨奏墨曩詈量鎏墨蕊基聱暑尊孽量景 波长( n ) 图3 - 1 牛奶近红外光谱图 f i g ，3 - 1n i rs p e c t r o g r a mo f m i l k 图3 。1 为一组样品成分含量已知的牛奶所测量得到的近红外光谱图， 实验中我们取样品光程为5i t n n ，光谱仪设置为每隔5n l n 采集数据一次， 扫描光谱范围为7 8 0 1 5 7 5n r n ；表3 - 1 为样品的光谱数据值。 表3 - 1