滤光片型漫反射近红外光谱仪的研制

滤光片型漫反射近红外光谱仪的研制

1近红外光谱分析技术的应用近年来，作为一门快速发展的光谱分析技术，近红外光谱在分析领域引起了越来越多的关注。由于近红外光谱用于样品分析时,基本不需要对样品进行处理,且不破坏和消耗样品,又无环境污染,所以堪称是绿色分析的典型代表。因此,近红外光谱分析技术作为一种无损、快速检测技术正越来越多地被大家认同。近红外技术具有应用领域广泛、市场容量大等特点,目前我国市场上的近红外商品仪器中,国内产品还不多,特别是高档近红外分析仪器,大部分是国外公司的产品;此外,我国尚未建立近红外光谱分析仪器与应用技术的相关标准。因此,国内的大量研究工作集中在以下两个方面:一是使用进口的近红外光谱仪,分析不同样品、不同成分含量,扩展近红外光谱的应用范围;二是对样品的光谱数据进行分析,对化学计量算法、仪器设计、仪器性能的研究相对较少。在这种情况下,本课题组一直致力于近红外光谱仪器的研制和推广工作。本文主要介绍一种自制的滤光片型双探测器结构的近红外漫反射光谱仪,并应用该光谱仪检测了奶粉、牛奶和酱油相关成分的含量。2近红外光谱仪的结构设计一台近红外漫反射光谱仪一般包括6大部分:光源、分光部分、装样部分、检测器部分、信号处理和结果显示部分。虽然在结构安排上不同仪器略有不同,但是基本的漫反射结构都如图1所示。尽管目前衍射光栅型光谱仪以其波长范围宽、分辨率高等特点更为专家们所推崇,本文仍然选择干涉滤光片作为分光器件,其原因在于仪器的结构简单、光谱重复性容易实现,在探测器上可以获得比光栅分光高得多的光能量,从而简化探测器的信号放大和噪声抑制工作,实现光电信号的高稳定性输出。本文以较为简单的结构验证了双探测器光谱仪的可行性,该结构利于降低仪器成本,容易实现专用化。本文研制的近红外光谱仪结构如图2所示。12个干涉滤光片的中心波长分别是1722nm、1759、1820、1940、2050、2100、2140、2180、2230、2270、2310和2350nm。滤光片的半波宽度(FWHM)是中心波长的1%,大约为20nm左右,这种滤光片可以用于检测谷物的蛋白质、脂肪和水的含量的近红外光谱仪中。一般近红外光谱仪测量漫反射光谱时,多采用一块标准漫反射板作参考,以获得样品的漫反射吸光度。该类仪器经常采用交替测量结构(如图1),这种结构在B.G.Osborne书中称为样品-参考-样品(SRS)检测模式,用于消除仪器由于光学和电子学系统的热噪声所带来的漂移。本文的双探测器系统设计也是出于此目的提出的。从图1和图2的比较不难看出两者的差异所在。在图2中,分光系统出射的单色光束被分光镜分成两束光,一束光直接被参考探测器接收,这束光的能量仅有分光系统出射的单色光能量的4%左右。另一束光辐射通过积分球后照射到样品上,积分球收集样品的漫散射光信息,并由安装在积分球上的主接收器接收。主接收器在积分球上是按照0°～45°入射接收位置安装的。系统的控制模块使用89C51单片机,硫化铅探测器在模拟电子线路上采用了锁相放大器,即在一定时间内进行相关积分处理,以时间换取信噪比来检出光谱。参考探测器获取的信号值与积分球上主探测器获取的信号值进行比较,比值用一套标准漫反射板进行标定,以获取正确的漫反射率。3测量实验和结果3.1仪器的地高质量和准确度自制近红外光谱仪是用于采集样品的漫反射光谱的,因此漫反射率是一个非常重要的技术指标。光谱仪用于分析数据,其基本要求是数据准确可靠,这在很大程度上取决于仪器的漫反射率是否准确可靠。漫反射率的一般检测方法是用光谱仪检测已知漫反射率的标准板,从测试结果分析光谱仪的测定准确度。为了检验自制光谱仪的测定准确度,对这种特殊结构的光谱仪的漫反射率进行了测定。测定方法是检测一套漫反射标准板(中科院安徽光机所,漫反射率分别为100%、80%、60%、40%、20%和10%)的漫反射率,比较测量值与标称值(购买时的标定漫反射率)的误差。表1中列出了自制仪器各个波长漫反射率的测量值和标称值之间的相关系数R和标准偏差SD。从表1中可以看出,测量值和标称值之间的相关系数平均达到0.995,标准偏差平均为0.01,可以认为该双探测器结构的漫反射光谱仪可以获得准确的漫反射率。为了进一步验证自制仪器的可靠性,在检测仪器漫反射率准确度的同时,检测了仪器的光度重复性。使用漫反射率80%的漫反射标准板,在仪器冷态开机1h后,连续10次测量漫反射标准板的漫反射吸光度,计算各波长处吸光度最大值与最小值之差。12个波长中,最大差值是0.0008Abs,即光度重复性优于0.001Abs。为了近一步检验仪器的性能,应用该仪器检测了奶粉、牛奶和酱油3种样品的光谱并分析了光谱与一些成分的相关性。3.2化学计量方法奶粉的质量对于婴幼儿是非常重要的。近红外光谱分析方法可以快速检测奶粉中的蛋白质和脂肪含量,从而确定奶粉的质量。正因为如此,从超市中购买45种不同种类不同品牌的奶粉,应用化学方法检验了奶粉中的蛋白质和脂肪含量。结合上述自制仪器和NicoletNexus5700傅里叶变换光谱仪检测了奶粉的光谱。使用傅里叶变换光谱仪检测奶粉光谱时,光谱分辨率为32cm-1,铟镓砷(InGaAs)探测器,光谱扫描范围是4000～10000cm-1,校正模型的化学计量方法选择的是偏最小二乘法(PLS),主因子数是5。对于自制仪器的校正模型选择的是逐步多元线性回归方法(SMLR),最终使用的波长点是:蛋白质,1759、1940、2100、2180、2230、2270nm;脂肪,1722、1759、1820、1940、2050、2270nm。用45个奶粉的光谱及化学成分建立了校正模型(所用软件是NicoletNexus5700随机带的TQAnalyst),并进行了交叉校验,两台仪器的定标相关系数和交叉校验标准差在图3和图4中列出。从图中可以看出两种仪器的定标相关系数都较高,而且测量结果也比较接近。从而点证明了自制的双探测器结构的近红外光谱仪是适宜进行近红外光谱检测的。另外对于成分含量较高的样品(如奶粉蛋白质、脂肪含量),滤光片型光谱仪的结果并没有因为滤光片数量少而与傅里叶变换光谱仪有很大的差别,因此相对于成本较高的连续光谱仪器,低成本的滤光片型近红外光谱仪在质控和质检的现场检测中拥有更为广阔的市场。图中还显示两种仪器的交叉校验标准差(RMSECV)偏大,原因是由于45种奶粉的品牌各不相同,而不同厂家的奶粉生产过程以及原材料各不相同,要得到好的定标结果,应该是根据厂家及种类分别建立定标模型,而不能简单地建立一个校正模型。3.3发酵组分的测定收集酱油样品共63个,因混杂及成分含量相同等原因,一些样品被剔除,最后选择52个样品用于定标和预测。所有的样品都是吉林省生产的。湿化学分析(按照国标GB18186-2000高盐稀态、低盐固态检验)获得样品的总酸、全氮、可溶性无盐固形物、氨基酸态氮等成分的含量,并作为标准结果。32个样品用于定标,20个样品用于预测。全氮成分大约0.08%～1.8%,总酸成分是0.1%～2.5%,氨基酸态氮成分是0.01%～1.24%,可溶固形物成分是0.91%～26.67%。应用自制的近红外光谱仪检测酱油的近红外光谱,对近红外分析结果与化学测量结果进行了相关性及误差分析,结果如表2所示,表中R是定标相关系数,SEC是定标标准差,SEP是预测标准差。从分析结果可以看出,除了氨基酸态氮的相关系数稍低外,其它3种成分的相关性都较好。在原奶的检测过程中,以FOSS公司的红外乳品分析仪的分析结果作为标准结果。由于牛奶不易保存,只收集了33个原奶(直接收购未经加工)样品,全部用于定标并进行交叉检验,定标的相关系数和交叉校验结果如表3所示,表中SECV是交叉校验标准差。3.4仪器测量的吸光度和检测波长从奶粉、牛奶和酱油的定标预测结果看,所有定标相关系数都在0.8以上,说明仪器检测的近红外光谱与样品的蛋白质、脂肪等成分是相关的,这也说明这种结构的仪器是适合于近红外光谱检测与分析的。由于每种样品的各个品种的样品数量相对较少,虽然能够说明仪器的近红外光谱与样品的相应成分相关,但所建校正模型尚不足以用于实际样品成分的分析。从样品的形态上看,奶粉是固体粉末,酱油和牛奶是液体,不同形态的样品并不影响光谱采集;从颜色上看,奶粉呈黄白色,牛奶是白色,酱油呈黑色,颜色虽然不影响近红外光谱的采集,但深颜色的样品吸光度值较高;从吸光度上看,奶粉的吸光度<1Abs,牛奶的最大吸光度是1.4Abs,酱油的最大吸光度≥1.5Abs;从成分含量的大小看,奶粉蛋白质脂肪含量较高,一般都在10%以上,牛奶的相关成分含量都在1%～10%之间,酱油的成分除了可溶固形物较高外,其他成分都在0.01%～2%之间;从相关性上看,奶粉光谱与奶粉成分之间的相关性最好,牛奶次之,酱油最差。从上面的比较可以看出,奶粉的吸光度在仪器校正吸光度范围内(100%～10%漫反射率对应吸光度范围是0～1Abs),在这个吸光度范围,仪器测量的吸光度与真实吸光度之间是线性的,仪器测量没有非线性的影响,首先保证了吸光度的真实性。也就是说,自制仪器的吸光度范围更适合于奶粉成分分析。由于校正仪器的漫反射标准板最大吸光度只有1Abs,对于>1Abs的吸光度未经校正,因此不能保证1Abs以上的吸光度的线性。另外,如果仪器测量的吸光度范围较宽,就存在测量的非线性问题。因此,一台仪器在检测样品之前,首先需要了解它的检测范围,否则将影响分析结果。对于牛奶和酱油的光谱,漫反射吸光度的跨度较大,要得到好的分析结果,可以采用减小样品厚度及采集透射光谱的途径,从而降低吸光度的跨度,保证仪器测量的吸收光谱在线性测量范围内。由此可见仪器的现有配置:12个波长及仪器的结构,更适合于奶粉蛋白质脂肪成分的分析;对于酱油和牛奶等液态样品,在波长的选择、样品池的结构及光谱采集方式等方面仍然需要进一步研究和探讨。要分析并获得奶粉、牛奶和酱油等食品成分较为准确的含量,仍然需要大量的定标建模工作。4双阅读器结构的滤光片型近红外光谱仪的应用自制的近红外光谱仪区别于其它仪器的特点在于它的双接收器结构。仪器在漫反射标准板的检测中,测量值与标称值的相