劉 鵬，彭云發(fā)（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上?！钇謪^(qū)200092）

便攜式近紅外光譜儀在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

劉 鵬，彭云發(fā)
（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海楊浦區(qū)200092）

文中詳細(xì)介紹了便攜式近紅外光譜儀的系統(tǒng)組成，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)比分析了幾種國(guó)內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀，介紹了便攜式近紅外光譜儀在新疆地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

近紅外光譜儀；便攜式；分析儀器；農(nóng)產(chǎn)品

0　引言

近紅外光是介于可見(jiàn)光與中紅外之間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍為700～2 500 nm（14 286～4 000 cm-1）。近紅外光譜主要是分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，主要反映含氫基團(tuán)C-H、O-H、N-H、S-H等振動(dòng)的合頻和倍頻吸收，不同基團(tuán)或同一基團(tuán)不同化學(xué)環(huán)境的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，其包含了豐富的樣品結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的信息，所以分析范圍幾乎覆蓋了所有的有機(jī)化合物和混合物。近紅外光譜應(yīng)的用領(lǐng)域非常廣闊，在許多行業(yè)中都能發(fā)揮重要作用，包括石化、煙草、農(nóng)業(yè)、制藥、食品、醫(yī)學(xué)、質(zhì)量監(jiān)督等領(lǐng)域。

近紅外光譜技術(shù)被喻為“分析的巨人”，它是近年來(lái)發(fā)展最為迅速的一種高新分析技術(shù)［1］。在近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，近紅外光譜儀的研究起到了很大的推動(dòng)作用。近紅外光譜分析技術(shù)由近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件、產(chǎn)品模型三者構(gòu)成，其中近紅外光譜儀是其基礎(chǔ)和前提。近年來(lái)，科研人員對(duì)近紅外光譜儀的研究越來(lái)越深入，研究范圍也在不斷拓展，在各個(gè)方面的研究都取得了一定成果，尤其是近紅外光譜儀不斷向小型化、固態(tài)化、模塊化和快速實(shí)時(shí)方向發(fā)展，所以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)便攜式近紅外光譜儀已經(jīng)成為現(xiàn)代分析儀器中的研制熱點(diǎn)。

1　便攜式近紅外光譜儀系統(tǒng)組成

便攜式近紅外光譜儀由兩部分組成，即硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。儀器性能的穩(wěn)定性由硬件系統(tǒng)決定，預(yù)測(cè)樣本的準(zhǔn)確性由軟件系統(tǒng)保證。

1.1硬件系統(tǒng)

便攜式近紅外光譜儀硬件系統(tǒng)包括光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)器、光纖探頭、信號(hào)放大系統(tǒng)以和顯示器等。

光源多采用鹵鎢燈和發(fā)光二級(jí)管（LED），鹵鎢燈的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、價(jià)格比較低，缺點(diǎn)是發(fā)熱大需要散熱裝置；發(fā)光二級(jí)管（LED）的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)定波長(zhǎng)范圍、線性度好、節(jié)能、無(wú)需散熱裝置，其缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴。檢測(cè)器用于檢測(cè)攜帶被測(cè)樣品信息的光信號(hào)，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)形式輸出，便攜式近紅外光譜儀大多采用硅基檢測(cè)器。光纖探頭一般有兩種，一種是漫反射探頭，用來(lái)檢測(cè)固體樣品，另一種是透射探頭用來(lái)檢測(cè)液體樣品，結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，應(yīng)用不同類型的光纖探頭可以實(shí)現(xiàn)各種采樣方式。

1.2軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是便攜式近紅外光譜儀的重要組成部分，包括化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和儀器控制軟件。

化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件的功能主要包括光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、定量（定性）校正模型的建立和預(yù)測(cè)分析等。定量（定性）校正模型的建立通常包括光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、波長(zhǎng)變量和其他參數(shù)的選擇以及模型的驗(yàn)證。樣品預(yù)測(cè)分析是的定量（定性）校正模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)調(diào)用模型文件中的控制參數(shù)和定量（定性）校正模型對(duì)未知樣品光譜進(jìn)行計(jì)算分析，得到樣品性質(zhì)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

光譜儀控制軟件主要包括光譜實(shí)時(shí)采集模塊、光譜儀器性能自我診斷模塊以及數(shù)據(jù)分析等。實(shí)時(shí)事件主要是處理對(duì)定時(shí)精度要求不高的定時(shí)任務(wù)，主要任務(wù)包括溫度采集控制、電池檢測(cè)、儀器狀態(tài)、定時(shí)暗電流采集等。通訊協(xié)議處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行解析。數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要實(shí)現(xiàn)暗電流采集、參比光譜采集和測(cè)量光譜采集，并計(jì)算吸光度。

2　國(guó)內(nèi)外便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

2.1國(guó)外便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

國(guó)外便攜式近紅外光譜的研制工作開(kāi)展的較早，技術(shù)也比較成熟。70年代以后，隨著高靈敏性的CCD檢測(cè)系統(tǒng)、體積小且功率大的二極管激光光源、信號(hào)過(guò)濾整合的光纖探頭、微弱信號(hào)檢測(cè)、嵌入式設(shè)計(jì)應(yīng)用等技術(shù)的出現(xiàn)和提升，極大地推動(dòng)了小型化、智能化、信息化便攜式近紅外光譜儀的迅速發(fā)展。相比于專用型儀器，便攜式近紅外光譜儀的體積更小、重量更輕，對(duì)環(huán)境溫度、濕度及抗震的適用范圍更寬。目前，國(guó)外研制和生產(chǎn)的便攜式近紅外光譜儀憑借其優(yōu)良的性能在中國(guó)市場(chǎng)上占有壟斷性地位。其中典型的有美國(guó)的Polychromix公司、美國(guó)ASD公司、日本的Kubota等公司。

2.2國(guó)內(nèi)便攜式近紅外光譜儀現(xiàn)狀

我國(guó)便攜式近紅外光譜儀研制起步晚，國(guó)土資源部現(xiàn)代地球物理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室研制出了光柵掃描式便攜NIR分析系統(tǒng)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出以LED為光源的便攜式NIR整粒小麥成分測(cè)量?jī)x和NIR玉米品質(zhì)，國(guó)內(nèi)聚光科技經(jīng)過(guò)10多年的研究推出SUP-NIR1000系列便攜式水果無(wú)損檢測(cè)儀，該儀器是光譜測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)與基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)有機(jī)結(jié)合的近紅外光譜分析技術(shù)新產(chǎn)品，能夠?qū)Ω鞣N水果進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并能過(guò)對(duì)水果的糖度、酸度進(jìn)行快速測(cè)定。最近四川中浪科技有限公司推出TOP-5000系列便攜式水果糖度無(wú)損檢測(cè)分析儀，其波長(zhǎng)范圍：500～2 500 nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確性5 nm，波長(zhǎng)重復(fù)性5 nm，光譜分辨率10 nm，雜散光小于1%，重量4.5 kg。2014年，四川威斯派克科技有限公司牽頭的“便攜式傅里葉近紅外光譜儀開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”入圍“國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)”，該專項(xiàng)獲得國(guó)家的支撐力度非常大，相信此舉必會(huì)對(duì)國(guó)產(chǎn)便攜式近紅外光譜儀器技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

3　便攜式近紅外光譜儀在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

王加華等采用日本Kubota株式會(huì)社的便攜式近紅外光譜儀（K-B A100R型）測(cè)定洋梨硬度，結(jié)果表明建立多品種洋梨硬度全局模型是可行的［2～3］，便攜式儀器可用于洋梨硬度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，隨后又用該儀器對(duì)蘋(píng)果糖度模型溫度修正，溫度修正模型可以有效提高預(yù)測(cè)精度；李曉云、韓東海等利用SupNIR-1100型（聚光科技）便攜式近紅外光譜儀檢測(cè)牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)及干物質(zhì)含量（2011年），模型相關(guān)系數(shù)分別為0.98，0.95和0.98［4］。楊帆、李雅婷等用便攜式近紅外光譜儀測(cè)定蘋(píng)果酸度和抗壞血酸，酸度相關(guān)系數(shù)為0.9799，抗壞血酸相關(guān)系數(shù)為0.9272［5］。

新疆是我國(guó)最主要的水果生產(chǎn)基地，如哈密哈密瓜、阿克蘇冰糖心蘋(píng)果、和田玉棗、庫(kù)爾勒香梨等，現(xiàn)階段新疆水果品質(zhì)檢測(cè)還停留在外部品質(zhì)的檢測(cè)，如對(duì)其大小、顏色、缺陷和紋理等，對(duì)內(nèi)部品質(zhì)如水分、糖度、VC和總酸等還沒(méi)有涉及。水分是水果的一個(gè)重要指標(biāo)，水果的口感有其含水率決定，只有準(zhǔn)確測(cè)定含水率才能合理評(píng)價(jià)其口感，優(yōu)化選擇貯藏條件和加工方式，提高水果質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。糖度含量是水果成熟度分級(jí)檢測(cè)的重要指標(biāo)。按照目前國(guó)際市場(chǎng)慣例，標(biāo)識(shí)出糖度的水果可以獲得更高銷售價(jià)格，所以對(duì)新疆水果內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)不僅可以增加水果的出口數(shù)量，而且通過(guò)對(duì)新疆水果進(jìn)行分級(jí)管理，也可以完善對(duì)新疆水果資源的綜合利用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。便攜式近紅外光譜儀體積小、方便攜帶、價(jià)格低廉在新疆水果市場(chǎng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

塔里木大學(xué)羅華平教授針對(duì)阿克蘇、和田地區(qū)的紅棗運(yùn)用supNIR1520（聚光科技，杭州）便攜式近紅外光譜儀來(lái)檢測(cè)總糖［6］、總酸［7］和水分［8］含量，目前已經(jīng)在新疆南疆地區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。石河子大學(xué)馬本學(xué)教授對(duì)哈密瓜的糖度［9］，堅(jiān)實(shí)度［10］、和成熟度［11］進(jìn)行了近紅外無(wú)損檢測(cè)的研究。便攜式近紅外光譜儀除了在應(yīng)用的紅棗上和哈密瓜上，在蘋(píng)果、葡萄、香梨等水果上也將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

在其他農(nóng)產(chǎn)品方面，新疆地區(qū)近紅外技術(shù)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。如新疆農(nóng)科院核生所王成利用傅里葉變換近紅外光譜儀測(cè)定了40個(gè)大麥樣品，并建立了粗蛋白模型，并利用未知樣本驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)近紅外法能簡(jiǎn)便、有效的測(cè)定大麥籽粒中的粗蛋白［12］。新疆大學(xué)廖享等人利用傅里葉變換近紅外光譜儀建立了薰衣草精油主要成分預(yù)測(cè)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)OSC 和FiPLS預(yù)處理建立的PLS-NIR定量模型對(duì)精油中l(wèi)inalool和linalyl ccetate含量具有良好的預(yù)測(cè)能力［13］。與其他應(yīng)用成熟地區(qū)相比，新疆地區(qū)便攜式近紅外光譜儀在糧食品質(zhì)及育種、中藥材原料真假鑒別、飼料原料品質(zhì)分析等方面還有較大的提升空間。

4　便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展趨勢(shì)

便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展趨勢(shì)主要包括這幾個(gè)方面：

（1）體積小，重量輕，使用短焦距的光學(xué)器件以減小便攜式光譜儀體積；

（2）功耗小，低成本，便攜式近紅外光譜儀大多進(jìn)行野外作業(yè)，故功耗要低；

（3）抗干擾性好，信噪比高，不斷完善軟件中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，提高從復(fù)雜、重疊的近紅外光譜中提取有效信息的效率，提高信噪比；

（4）模型的標(biāo)準(zhǔn)化合通用化，可以實(shí)現(xiàn)模型傳遞，使在一臺(tái)儀器上建立的定量（定性）較正模型能夠可靠的傳遞到其他相同或類似的儀器上使用。

5　小結(jié)

便攜式近紅外光譜儀不僅具有傳統(tǒng)光譜儀的檢測(cè)簡(jiǎn)單、快捷、無(wú)損和可同時(shí)測(cè)定多項(xiàng)指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，而且其價(jià)格便宜、攜帶方便，可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的快速分析。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品資源豐富的新疆地區(qū)，便攜式近紅外光譜儀具有較好的應(yīng)用前景，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，分級(jí)管理方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前便攜式近紅外光譜儀的概念產(chǎn)品很多，但是實(shí)際投入生產(chǎn)應(yīng)用的還不是很多，所以企業(yè)和科研院所間更加應(yīng)該加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，以開(kāi)發(fā)出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品服務(wù)于市場(chǎng)。

［1］陸婉珍，袁洪福，徐廣通等.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù).中國(guó)石化出版社［M］，2000.

［2］王加華，陳卓，李振茹等.洋梨硬度的便攜式可見(jiàn)/近紅外漫透射檢測(cè)技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（11）：129～133.

［3］王加華，戚淑葉，湯智輝等.便攜式近紅外光譜儀的蘋(píng)果糖度模型溫度修正［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012，（05）：1431～1434.

［4］李曉云，王加華，黃亞偉等.便攜式近紅外儀檢測(cè)牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)及干物質(zhì)含量［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2011（03）：665～668.

［5］楊帆，李雅婷，顧軒等.便攜式近紅外光譜儀測(cè)定蘋(píng)果酸度和抗壞血酸的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2011（09）：2386-2389.

［6］詹映，彭云發(fā)，彭海根等.近紅外光譜在南疆紅棗糖度無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014（06）：179～183.

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［9］馬本學(xué)，肖文東，祁想想等.基于漫反射高光譜成像技術(shù)的哈密瓜糖度無(wú)損檢測(cè)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012 （11）：3093～3097.

［10］李鋒霞，馬本學(xué)，何青海等.哈密瓜堅(jiān)實(shí)度的高光譜無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［J］.光子學(xué)報(bào)，2013（05）：592～595.

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［13］廖享，王青，符繼紅等.近紅外光譜法快速測(cè)定新疆薰衣草精油主要組分［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2015，35（9）：2526～2529.

Application of Portable Near Infrared Spectrometer in Agro-product Processing

LIU Peng，PENG Yun-fa
（Shanghai Microvision Technology Ltd，Yangpu，Shanghai，200092，China）

System composition of portable near infrared spectrometer was introduced detailed，the current situation of development and application was summarized.Several domestic and foreign portable near infrared spectrometers was compared and analyzed.Application in Agro-product processing of portable near infrared spectrometer in Xinjiang was introduced，and the expectation wasput forward.

Portable；Near infrared spectrometer；Analytical instrument；Agro-product

1007-7782（2015）06-0021-03

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.008

TN362

A

2016-01-06