第四章_食品无损检测：光学特性检测.ppt

第四章 光学特性检测,潘磊庆 南京农业大学食品科技学院,logo, 4352 11 9,2,南京农业大学食品科技学院,第一节 物理光学基础,一、光的本性 在电磁波谱中: 紫外光：波长200-400 nm; 可见光：波长400-780 nm; 红外光：波长0.78-1000um。 0.78-2.5 um 2.5-40 um 40-1000 um 近红外区 中红外区 远红外区, 4352 11 9,3,南京农业大学食品科技学院,1光的单色性 单色光：具有单一波长的光。 颜色：在可见光区域，不同波长的单色光通过人的视觉器官反映。 紫外光和红外光由于不在人眼觉察范围内，无颜色可言。 从长段波长开始分别为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。,二、光的单色性、偏振性与相关性, 4352 11 9,4,南京农业大学食品科技学院,人眼对同样功率辐射的可见光的敏感程度不同； 在特别情况下(能量加大)，人眼的感受范围可扩大到近红外线(1150nm)和紫外线部分(312.5nm)。, 4352 11 9,5,南京农业大学食品科技学院,cie推荐： 明视觉光谱光效率曲线 (555nm)； 暗视觉光谱光效率曲线 (510nm) 用算术坐标表示形成为两条近似对称的圆滑钟形曲线。, 4352 11 9,6,南京农业大学食品科技学院,分离单色光： 可以从复合光的光谱中将单色光分离出来。 常用的方法有棱镜、平面光栅、干涉滤光片、干涉光图等方法。, 4352 11 9,7,南京农业大学食品科技学院,偏振光的振动方向和传播方向所形成的面称为振动面； 和振动方向相垂直而包含传播方向的面称为偏振面。,2.光的偏振性 光是横波，光矢量e和光的传播方向相垂直。 如果光矢量正在一个固定平面内只沿着一个固定方向作振动，这种光称作线偏振光或面偏振光(简称为偏振光)。, 4352 11 9,8,南京农业大学食品科技学院,自然光是非偏振的，在所有可能的方向上，e的振幅都可看作完全相等。如图4-4所示。 在光学实验中，常采用某些装置移去自然光中的一部分振动而获得偏振光。 至于纵波，由于振动方向就是传播方向，纵波是没有偏振性可言的。 （声波）, 4352 11 9,9,南京农业大学食品科技学院,3光的相干性 波动是具有叠加性的。光是一种波动，所以两束单色自然光在空间相遇处的e振动，将是各自的e振动的矢量和。 相干波必须同频率、同振动方向、同周相或有恒定周相差等条件。 只有从同一部分发出的光通过某些装置后，才能获得符合相干条件的两束光。, 4352 11 9,10,南京农业大学食品科技学院,水滴肥皂泡干涉条纹),杨氏干涉条纹,薄膜的等厚干涉,薄膜的等厚干涉, 4352 11 9,11,南京农业大学食品科技学院,4光源 发光的物体称为光源。 热光源：利用热能激发的光源。 例如：白炽灯；, 4352 11 9,12,南京农业大学食品科技学院,冷光源： 利用化学能、电能或光能激发的 光源。 例如： 萤火虫的光就是化学发光的现象 ； 稀薄气体在通电时发出的辉光， 就是常见的电致发光； 某些物质如碱土金属的氧化物和 硫化物等，在可见光或紫外线照射 下被激发而发光就是光致发光。, 4352 11 9,13,南京农业大学食品科技学院,三、光在介质表面的反射、折射及光的吸收 1光的反射定律 如图4-5所示，一束平行光沿ba方向照射在垂直表面de一部分光从表面沿af方向反射出来；一部分光透过表面改变方向沿ac发生光的折射现象。与ad表面垂直的nn称为法线。 反射定律指出，入射光线与反射光线及法线在同一平面内，并且入射角i与反射角相等。, 4352 11 9,14,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,15,南京农业大学食品科技学院,2光的折射定律 一束平行光由一介质进入另一介质时，将改变其行进方向，这种现象称作光的折射。 原因是由于光在不同介质中的传播速度不等。, 4352 11 9,16,南京农业大学食品科技学院,3光的吸收定律 对大多数介质，当光在介质中经过一段距离后，部分光能转化为热能、电能或化学能形式。即：光已被物质吸收。,朗伯(lamber)能量定律给出了光在均匀物质中通过一距离时，到达该处的光能中将有同样比例的能量被该层物质所吸收，数学表达式为:,即：, 4352 11 9,17,南京农业大学食品科技学院,四、光与食(农产)品物料的相互作用特点 食品与农产品物料的光学特性：指物料对投射到其表面上的光产生反射、吸收、透射、漫射或受光照后激发出其他波长的光等的的性质等。 体反射：当一束光射向物料时，大约只有4的光由物料表面直接反射，其余光入射到物料表层，遇到内部网络结构而变为向四面八方散射的光。大部分散射光重新折射到物料表面，在入射点附近射出物料，这种反射称之为“体反射”。, 4352 11 9,18,南京农业大学食品科技学院,原理： 小部分散射光较深地扩散到内部，一部分被物料所吸收 ，一部分穿透果实。被吸收的多少与物料的性质、光的波长 、传播路径长度等因素有关。对某些物料来说，部分吸收光 转化成荧光、延迟发射光等。 离开物料表面的光就由如下几种组成：直接反射光、体 反射光、透射光和发射光。, 4352 11 9,19,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,20,南京农业大学食品科技学院,光密度： ododlg(i0ir) 表示入射光能对透射光能 的比值大小。 物料的光透过度越低，则光密 度越高。,light: nondestructive, 4352 11 9,21,南京农业大学食品科技学院,对于某种食品物料，一束平行的入射光i0投射到物料上产生的反射光ip、透射光ir、吸收光ia和发射光ie的频谱分布和强弱与物料的种类和结构等性质有密切关系，具有强烈的选择性。 利用这一原理可用来识别物质。, 4352 11 9,22,南京农业大学食品科技学院,五、光学特性常用检测模式 光学特性检测的模式主要有透射光谱检测和反射光谱检测。 透射光谱检测：把待测样品置于光源和探测器之间，探测器所 检测的是透过样品的光； 反射光谱检测：把探测器与光源置于待测样品的同一侧，探测 器所检测的是被样品以各种方式反射回来的光。, 4352 11 9,23,南京农业大学食品科技学院,1透射法测定 透射光谱检测模式如图4-10和图4-11所示。 主要适于清澈透明试样，吸收光程由试样池的透光长度决定，透光能量与试样浓度之间符合朗伯比尔(lambere-beer)定律：, 4352 11 9,24,南京农业大学食品科技学院,2.反射法测定 按试样表面状态和结构不同有规则反射、漫反射和透入漫反射三种不同情况。可适用于粗糙表面试样、粉末试样等。, 4352 11 9,25,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,26,南京农业大学食品科技学院,六、食品与农产品的光特性应用 (1)缺陷检测 缺陷是涉及缺少关于完整性必需的东西，或是出现了有损于完整性的某些东西。 如挑剔米粒中的石子和黄黑米粒等。 (2)成分分析 水分、脂肪、蛋白质、氨基酸、糖分、酸度等化学成分的含量，用于品质的监督和控制。 如：近红外光谱分析技术。, 4352 11 9,27,南京农业大学食品科技学院,(3)成熟度与新鲜度分析 果蔬产品成熟度和新鲜度检测，成熟阶段总是与某种物质的含量有密切关系，并表现出表面或内部颜色的不同。 综合而言： 光学特性检测技术的应用是为了测定品质指标，最终目的是对食品物料进行自动化分级、分类和分选，获得总体质量等级的提高。 即从合格物料中剔除缺陷品； 按物料中某种成分含量进行分类； 把成熟度不同的产品进行分类，以便分别贮藏和销售。, 4352 11 9,28,南京农业大学食品科技学院,第二节 可见光检测 可见光检测：最常用的物理方法之一。 必要性：食品含有异种异色颗粒、变霉变质粒、机械损伤等 传统：人工分选/ 生产率低、劳动力费用高、容易受主观因素的干扰、精确度低。, 4352 11 9,29,南京农业大学食品科技学院,优势： 既能检测表面品质，又能检测内部品质，而且检测为非接触性的，非破坏性的，经过检测和分选的产品可以直接出售或进行后续工序的处理； 排除了主观因素的影响，对产品进行全数(100)检测，保证了分选的精确和可靠性； 劳动强度低，自动化程度高，生产费用降低，便于实现在线检测； 机械的适应能力强，通过调节背景光或比色板，即可以处理不同的物料，生产能力大，适应了日益发展的商品市场的需要和工厂化加工的要求。 常用的方法主要有折射法、反射法、透射法和延时发光法等。, 4352 11 9,30,南京农业大学食品科技学院,(1)颜色的分类和特性 颜色可分为非彩色和彩色两大类。 颜色是非彩色和彩色的总称。 非彩色是白色、黑色和各种深浅不同的灰色。它们可以排列成一个系列，由白色渐渐到浅灰，到中灰，再到深灰，直到黑色，该系列叫做白黑系列。,1色度学基础知识, 4352 11 9,31,南京农业大学食品科技学院,纯白是理想的完全反射的物体，其光反射率等于1； 纯黑是理想的无反射的物体，其光反射率等于0。 在现实生活中，并没有纯白和纯黑的物体。 氧化镁只能接近纯白，黑绒的颜色接近纯黑。 白黑系列代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明度的变化。愈接近白色，明度愈高；反之，愈接近黑色，明度愈低。, 4352 11 9,32,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,33,南京农业大学食品科技学院,彩色是指白黑系列以外的各种颜色。 彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。 明度 彩色光的亮度愈高，人眼就愈觉得明亮，或者说有较高的明度。 彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。, 4352 11 9,34,南京农业大学食品科技学院, 色调 色调是彩色彼此相互区分的特性。 可见光不同波长的辐射视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、蓝等。 光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。 物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射(透射 )的各种波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。, 4352 11 9,35,南京农业大学食品科技学院,饱和度 饱和度是指彩色的纯洁性。 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。 当光谱色掺人白光成分愈多时，就愈不饱和。当光谱色掺人白光成分达到很大比例时，在眼睛看来，它就不再成为一个彩色光，而成为白光了。, 4352 11 9,36,南京农业大学食品科技学院,物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱的选择程度。 物体对光谱某一窄波段的反射率很高，而对其他波长的反 射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，仅一颜色 的饱和度就高。 非彩色只有明度的差异，而没有色调和饱和度这两种特性 ., 4352 11 9,37,南京农业大学食品科技学院,(2)颜色方程 1854年格拉斯曼(hgrassman)将颜色混合现象总结成颜色混合定律。 人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。 在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续变化。 由这一定律导出两个定律。, 4352 11 9,38,南京农业大学食品科技学院,a补色律 每一种颜色都有一个相应的补色。 如果某一颜色与其补色以适当的比例混合，便产生白色 或灰色；如果二者按其他比例混合，便产生近似比重大的颜 色成分的非饱和色。 例如:黄与蓝，红与蓝绿即为互补色。在混合时，如果比例不对则成为不饱和的彩色，色调偏于过多的一色。, 4352 11 9,39,南京农业大学食品科技学院,b中间色律 任何两个非补色相混合，便产生中间色 ，其色调决定于两颜色的相对数量，其饱和 度决定于二者在色调顺序上的远近。 例如: 红与绿混合产生橙色,蓝与红混合产生紫 色。 中间色的色调偏于较多的一色，饱和度 决定于二色在光谱轨迹中的位置，越近则越 饱和。, 4352 11 9,40,南京农业大学食品科技学院,颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。即：凡在视觉上相同的颜色都是等效的。 由这一定律导出颜色的代替律: 颜色方程： (c)r(r)+g(g)+b(b)（“”号表示匹配，即视觉上相等） (c)代表被混合的颜色； (r)，(g)，(b)分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色； r，g，b分别代表红、绿、蓝三原色的数量(三刺激值)；, 4352 11 9,41,南京农业大学食品科技学院,(3)三原色定律 实验证明，用红、绿、蓝三种基本颜色可以混合出其他各种颜色。 组成各种颜色的三个基本色称为三原色。, 4352 11 9,42,南京农业大学食品科技学院,增色三原色:电视机上的基色,颜料三原色（减色三原色)： c(青绿cyan) ，m(品红magenta)，y(黄 yellow), 4352 11 9,43,南京农业大学食品科技学院,(1)光电分选机 光电分选机可以看成是按尺寸大小进行选别的装置,一、反射法检测, 4352 11 9,44,南京农业大学食品科技学院,(2)色选机 利用物料的光学特性将颜色不正常、表面有缺陷或内部变质的 疵品及杂质物料自动分选剔除的食品机械。 用于在合格品与疵品因粒度或密度十分接近，无法用传统的筛选或比重分选机械分离的场合。 方法： 水果表皮的颜色可以利用光反射特性来鉴别，将一定波长的光照射水果，根据反射光的强弱可以判别其表面颜色。, 4352 11 9,45,南京农业大学食品科技学院,果皮颜色分选装置, 4352 11 9,46,南京农业大学食品科技学院,光电色选机系统的工作原理, 4352 11 9,47,南京农业大学食品科技学院,(3)茶鲜叶的叶绿素检测 茶鲜叶反射光谱特性的检测系统:, 4352 11 9,48,南京农业大学食品科技学院,青花菜采后颜色模型的建立, 4352 11 9,50,南京农业大学食品科技学院,概述,青花菜(brassica oleracea, cv. italica) 抗癌物质芥子油 ，葡萄糖异硫氰酸盐 美国产量占其蔬菜总量18% 我国种植面积14万公顷 ，99以鲜菜形式销售 呼吸强度大，极易衰老 ，20下 2天失水萎蔫、黄化和开花 主要运输方式：冷藏，冰藏, 4352 11 9,51,南京农业大学食品科技学院,国内外研究动态,我国目前行业分级标准，暂无国标,花蕾黄化分级标准（李长缨等1999年）, 4352 11 9,53,南京农业大学食品科技学院,【目的】建立采后青花菜颜色变化模型 挑选与人工分级指标相关联的颜色参数并给出参数阈值 【材料】青花菜 (品种：海芝) 【处理方法】试验组分为0、5、10下分别在包装与不包装 两种情况下进行贮藏。, 4352 11 9,54,南京农业大学食品科技学院,二、透射法检测技术 理论基础： 朗伯比尔定律（吸收光谱） 主要应用： 定性分析 纯度检查 结构测定 定量分析, 4352 11 9,55,南京农业大学食品科技学院,1定性分析 透射法(多为液体物质) (1) 与标准物、标准图谱对照 (2) 比较最大吸收波长和吸收系数的一致性, 4352 11 9,56,南京农业大学食品科技学院,2纯度检测 可见或紫外吸收光谱能测定化合物中含有的具有可见或 紫外吸收的杂质。 如果化合物在可见或紫外光区没有明显的吸收峰，而它 的杂质在可见或紫外光区有较强的吸收峰，就可检测出化合物 中所含的杂质。 如：乙醇中含有杂质苯，苯的最大吸收峰为256nm而乙醇 在此波长处无吸收。, 4352 11 9,57,南京农业大学食品科技学院,3结构测定 属于分析化学中物质鉴定的范畴，不作详细讨论。 4定量分析 采用工作曲线法需要事先把样品中的待测的纯物质分别配置一系列已知浓度的标准试样，分别测出它们在选定分析波长处的吸光度值，然后将浓度和吸光度分别作为横坐标和纵坐标画出ac之间的关系曲线即工作曲线。, 4352 11 9,58,南京农业大学食品科技学院,三、延时发光法检测技术 所有的光合作用生物都能发生一种“后发光”，这种后发光 叫做“延时发光”，也叫滞后发光。 例如：植物被光照一段时间后放到暗处，能继续发出微弱的红光。 延时发光是一种荧光发光现象，它与农产品的诸多生命活动密切相关，如氧化代谢、细胞分裂、细胞凋亡、生长调节、光合作用等。, 4352 11 9,59,南京农业大学食品科技学院,叶片与叶绿体之间发光光谱的一致性说明：叶片的延时发光主要来自叶绿体。, 4352 11 9,60,南京农业大学食品科技学院,图4-29(a)是白菜叶片； 图4-29(b)是叶绿体的延时发光光谱随时间的变化情况。 试验的过程如下： 样品经过60w白炽灯照射2min后放人样品室，暗置20s后开始记录。 从图中可以看出，叶片与叶绿体的延时发光光谱很相似，二者在485nm、580nm、590nm、650nm、685nm、725-735nm附近都有较强的峰，发光强度随时间很快衰减，但光谱分布基本保持不变。, 4352 11 9,61,南京农业大学食品科技学院,紫外光（ultraviolet light）：波长在200400nm范围内的光称为紫外光。紫外光波长比可见光短，但比x射线长的电磁辐射。 紫外光用途： 功能一： 杀菌 功能二 ：鉴定与透视 功能三 ：健康与医疗 功能四 ：为昆虫指路,第三节 紫外光的检测技术, 4352 11 9,62,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,63,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,64,南京农业大学食品科技学院,方法： 折射检测方法 透射检测方法 反射检测方法 原理： 将高能量的紫外光作为激励光源，通过光学系统照射到待检测的物料上， 由于某些化学成分和某些微生物(或霉菌)在紫外光的激励下会发出荧光(或磷 光)； 物体发出的荧光(或磷光)的波长及强度与物体的构成、某些成分的含量 以及激励紫外光的频率(波长)与强度(振幅)等外界因素有关。, 4352 11 9,65,南京农业大学食品科技学院,任何能发出荧光的物质都具有两种特征光谱： 激发光谱 荧光光谱。 激发光谱： 用不同波长的单色光激发荧光物质使之发光，然后测定每一波长的激发光所产生的荧光强度； 以激发光波长为横坐标，荧光强度i为纵坐标作图，便可得到荧光物质的激发光谱。, 4352 11 9,66,南京农业大学食品科技学院,发射光谱： 固定激发光波长和强度，而让物质所发射的荧光通过单色器 分光，以测定不同波长时的荧光强度，以荧光的波长为横坐 标，荧光强度i为纵坐标作图，便得到荧光光谱，又称荧光发射 光谱。 荧光光谱表示该物质所产生的荧光中各种不同波长的组 分所占的相对强度，荧光光谱的形状与激发光波长无关。 一般地讲： 气态、蒸气态的荧光物质的荧光表现为线状光谱； 液态和固态的荧光物质表现为带状光谱。, 4352 11 9,67,南京农业大学食品科技学院,二、紫外光的检测技术应用 1荧光检测花生的黄曲霉素,334-365nm,在目镜处观察到的是蓝色荧光，该蓝光是黄曲霉素b1发出的荧光., 4352 11 9,68,南京农业大学食品科技学院,从两幅图可以得出如下结论： 随着花生仁变色变质程度的发展，表面荧光强度明显增强。 三类花生仁的最佳激发波长，即产生荧光最强的波长约为300nm。 （但要得到此激发光较难，特别是在实际生产中现场检测，而普通高压汞灯很容易产生波长365nm的激发光） 在此条件下的荧光峰值在430480nm之间，即呈现的荧光颜色为蓝光。正常仁的荧光强度低于霉变严重仁(类)和霉变较轻仁(类)，而峰值波长基本相同。, 4352 11 9,69,南京农业大学食品科技学院,问题： 在常用白色日光灯下，目视可检出受损伤的柑橘； ccd摄像机摄取的图像有时很难清晰地区别正常部位和损伤部位，这是受损柑橘的正常部位和损伤部位的颜色差别不大的缘故； 紫外光源下可利用图像检测。, 4352 11 9,70,南京农业大学食品科技学院,原理： 在柑橘果皮的细胞里含有被称为精油的物质； 当该物质从破损的细胞中漏出果皮表面受到紫外光照射时，在波长560nm处发出很强的荧光，而正常部位的荧光强度很弱； 就产生了正常部位与损伤部位的辉度差，利用正常部位与损伤部位的荧光发光强度的不同，通过计算机进行数据处理后即可以进行柑橘的分级。, 4352 11 9,71,南京农业大学食品科技学院,波长560nm, 4352 11 9,72,南京农业大学食品科技学院,柑橘的正常部位和损伤部位之间的荧光强度差是进行损伤果检测的重要参数 该荧光强度差越大越容易区分。 在波长500-600nm范围内，损伤部位比正常部位的荧光强度起伏大，平均值高于正常部位，特别是在550-570nm间更为明显。,220nm/365nm, 4352 11 9,73,南京农业大学食品科技学院,柑橘的成熟度评价: 成熟果的表面颜色是全橙红色； 半成熟果的表面颜色为橙红色和绿色各一半； 未成熟果的表面颜色为全绿色。, 4352 11 9,74,南京农业大学食品科技学院,柑橘发出的荧光强度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次减弱，且峰值波长逐渐变小。 原因：可以被认为随着柑橘的成熟，精油逐渐增多，果皮一旦破损，露出表面的也多，荧光也随之变强。 另外：成熟度不同，峰值波长也随之变化，反映出光的颜色也在变化。, 4352 11 9,75,南京农业大学食品科技学院,近红外光(nir, near infrared spectroscopy): 指波长在7802526nm范围内的电磁波，近红外0.75m-2.5m、中红外2.5m-25m、远红外25m-1000m）。 近红外光谱主要是反映c-h、o-h、n-h、s-h等化学键的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。, 4352 11 9,76,南京农业大学食品科技学院,石化领域：油品的辛烷值、族组成、十六烷值、闪点、冰 点、凝固点、含量等； 农业领域：谷物的蛋白质、糖、脂肪、纤维、水分含量等； 医药领域：药品中有效成分，组成和含量； 样品的种类鉴别：酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分 检等。, 4352 11 9,77,南京农业大学食品科技学院,一、近红外光谱分析原理,主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级 跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团x-h（x=c、n、o）振动的 倍频和合频吸收。 不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化 学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，nir光谱具有 丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性 质的测量。, 4352 11 9,78,南京农业大学食品科技学院,1. 透射光谱法,2. 反射光谱法,常规分析方法, 4352 11 9,79,南京农业大学食品科技学院,1. 透射光谱法,透射光谱法就是把待测样品置于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。 若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中经过的路程一定，透射光的强度与样品组分浓度由比耳定律决定。, 4352 11 9,80,南京农业大学食品科技学院,2. 反射光谱法,反射光谱分析时，检测器与光源置于待测样品的同一侧，检测器检测到的分析光是光源发出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。 规则反射光：指在物体表面按入射角等于反射角的反射定律发生的反射。 漫反射：是光投向漫反射体（颗粒或粉末）后，在物体表面或内部发生的方向不定的反射。, 4352 11 9,81,南京农业大学食品科技学院,1. 定性分析,2. 定量分析,分析类型：, 4352 11 9,82,南京农业大学食品科技学院,1. 定性分析,定性分析利用模式识别与聚类的一些算法，主要用于鉴定。 模式识别运算：需要有一组用于计算机“学习”的样品集，通过计算机运算，得出学习样品在数学空间的范围，对未知样品运算后，若也在此范围内，则该样品属于学习样品集类型，反之则否定。 聚类运算：不需学习样品集，它通过待分析样品的光谱特征，根据光谱近似程度进行分类。, 4352 11 9,83,南京农业大学食品科技学院,2. 定量分析,近红外光谱作常规光谱定量分析时，需要建立光谱参数与样品含量间的关系（标准曲线）。 但对复杂样品作近红外光谱定量分析时，为了解决近红外谱区重叠与谱图测定不稳定的问题，必须充分应用全光谱的信息。, 4352 11 9,84,南京农业大学食品科技学院,按分光系统分类：,固定波长滤光片型,光栅色散型,快速傅立叶变换型,声光可调滤光器,阵列检测型,近红外光谱分析仪器, 4352 11 9,85,南京农业大学食品科技学院,傅立叶近红外分析仪器,德国布鲁克公司在 2001 年推出的 真正非接触式在线傅立叶近红外分析仪器： matrix-e, 4352 11 9,86,南京农业大学食品科技学院,（1）快速。通常30秒内就可给出分析结果，可进行在线分析； （2）制样简单； （3）信息量大，可同时测定多组分； （4）环保。经定标建模后，无须用其他常规化学分析手段，不 使用有毒有机试剂，无污染； （5）非破坏性分析。可实现产品的无损质量检测； （6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。,近红外光谱分析技术的优点, 4352 11 9,87,南京农业大学食品科技学院,（1）建模很关键。建立模型需要大量有代表性且化学值已知 的样品； （2）模型需要不断的维护改进 ； （3）近红外测定精度与参比分析精度直接相关，在参比方法精 度不够的情况下，无法得到满意结果。,缺点, 4352 11 9,88,南京农业大学食品科技学院,近红外光谱定量分析的流程与步骤,近红外分析技术在农业与食品领域 中的应用, 4352 11 9,90,南京农业大学食品科技学院,内容,应用近红外技术提高检测效率、降低检测成本，实现农副产品、食品加工生产过程的中间体及成品的快速、无损、无污染检测, 4352 11 9,91,南京农业大学食品科技学院,发展历史,近红外是人类发现的第一个非可见光区 1800年， w.hershel，天文学家,frederick william herschel (1738-1822), 4352 11 9,92,南京农业大学食品科技学院,发展历史,近红外最早的应用领域：农业 19世纪60年代 karl norris，美国农业部 （usda）的工程师，不是光谱学者近红外之父 开发了近红外分析仪 结合数学计算方法，测定粮食的水分、蛋白质和油含量等 不需样品制备、速度快、多组分同时测定的优点, 4352 11 9,93,南京农业大学食品科技学院,发展历史,90年代以后，广泛应用，“苏醒” 得益于计算机技术的发展 促进化学计量学技术的发展 促进傅立叶变换红外光谱学的发展, 4352 11 9,94,南京农业大学食品科技学院,发展历史,当前应用领域： 制药、化学、农业、食品、烟草、酿酒、造纸、石化、环境等 欧美国家： 制药、高分子、农业食品 日本： 基础工业细致，尤其是农业领域 水果分类技术在日本普及 超市里水果按质论价 两位专家：iwamoto和ozaki都曾在karl norris实验室工作过 1989年第三届国际近红外大会 韩国： 在线检测 赵来光教授，曾在日本国家食品研究所学习 2001年第十届国际近红外大会 泰国： 世界的“厨房” 农产品领域活跃 甘蔗收购领域为官方强制方法 亚洲近红外光谱学会支持泰国举办2009年第十四届国际近红外光谱大会, 4352 11 9,95,南京农业大学食品科技学院,发展历史,20世纪80年代，世行贷款引进了一批nir仪器，但应用效果不好 对近红外的理解不够深入 仪器和模型质量受限 中国农业大学 严衍录、韩东海教授做了大量工作 从1978年开始注视着该技术在农业中的应用发展, 1983年开始引进傅里叶变换红外光谱仪 目前，中国农业大学拥有两台antaris ft-nir仪器, 4352 11 9,96,南京农业大学食品科技学院,近红外分析基本原理,元素,外观,组分分析,功能团分析,2500nm,12000cm-1,4000cm-1, 4352 11 9,97,南京农业大学食品科技学院,nir光谱特点,nir获得容易，穿透能力强，通过普通玻璃； nir可用光纤传递； 光谱测量方式：透射，反射，漫反射； 测量光程：1mm100mm； 直接测量，无需样品前处理； 光谱对人无伤害，安全环保。, 4352 11 9,98,南京农业大学食品科技学院,nir擅长解决,直接测定固体、液体和半固体等各种状态样品 无损测定 快速分析 在线分析 常量、大规模样品的测定, 4352 11 9,99,南京农业大学食品科技学院,nir分析技术较传统分析技术优点,方便 无需对样品进行预处理，可直接分析 可使用光纤进行现场或在线分析 快速 一般每个样品不超过一分钟 多组分同时分析 无损 不破坏样品，节省样品 绿色 不使用有机溶剂，无废弃物产生 低成本,化学法：滴定等 色谱法：hplc、gc等 光谱法：紫外 物理方法：密度计 ,优点 均为经典方法 意义明确,缺点 速度慢、效率低 预处理复杂 样品不可循环使用 大都需要使用有毒溶剂 无法适应于现场快速检验, 4352 11 9,100,南京农业大学食品科技学院,关于模型转移,原因 分析模型是近红外分析的基础 建立分析模型是成本最高的阶段 期望： 分析模型能够共享 结果： 系统间硬件差异 导致同一样品在不同仪器上采集到的数据存在差异 解决办法： 数学处理 交叉建模,分析模型, 4352 11 9,101,南京农业大学食品科技学院,关于模型转移,仪器系统间的硬件重现性是“模型转移的根源”, 4352 11 9,102,南京农业大学食品科技学院,近红外分析仪,滤光片型 低分辨率 速度慢 应用非常有限 色散型 移动部件复杂 低分辨率 波数准确性差 傅立叶变换型 高分辨率 高精度 高信噪比 快速 应用广泛, 4352 11 9,103,南京农业大学食品科技学院,方法局限，不是我不努力！ 不堪重负，实在满足不了生产 对分析的快速要求！,传统化验室分析现状,分析任务多 分析仪器种类多 分析过程复杂 分析周期长 操作人员多 分析环境差 分析成本高, 4352 11 9,104,南京农业大学食品科技学院,农业领域 粮食（大麦，小麦，豆类，水稻，甘薯，面粉，及其它谷类 ）：脂肪，蛋白质，水分，纤维量，淀 粉，产地、产季鉴别，品质等级，谷 物成熟度，病虫害 饲料：干物质，粗蛋白，粗纤维，消化能，代谢 能，氨基酸，植酸磷，添加剂中哇乙醇含 量，预混料中维生素a, 4352 11 9,105,南京农业大学食品科技学院,烟草：尼古丁，水分，总糖，还原糖，多酚类，总氯，添加 物，产地鉴别，等级分类 咖啡：咖啡因，水分，绿原酸，种类、产地鉴别，品质分级 水果，蔬菜：糖分，酸度，维生素，水分，纤维素，品质分 级，成熟度，硬度 茶叶：老嫩度，氨基酸、茶多酚、咖啡碱，水分，总氮，品 质分级，真假识别，品种鉴定。 土壤：水分、有机质和总氮含量，土壤分类, 4352 11 9,106,南京农业大学食品科技学院,第五节 光学特性检测的常用仪器与设备 光学特性检测系统：光源(辐射源部分)、光学光路、光电检测单元、电子电路、数据采集单元、数模转换单元、数据处理单元、计算机控制、数据输出和存储单元等组成。 光源、分光部件和探测器都是不可缺少的三个最主要的单元。, 4352 11 9,107,南京农业大学食品科技学院,一、光源(辐射源) 热辐射光源。由物体温度升高而发光的光源，如太阳、黑体、白炽灯和卤钨灯等； 气体放电光源。电流通过气体(包括金属蒸气)而发光的光源，如荧光灯、汞灯、氙灯等； 固体发光光源. 如场致发光灯，半导体发光二极管等； 激光器。, 4352 11 9,108,南京农业大学食品科技学院,1热辐射源 热辐射源主要是靠物体加热(主要用电能加热)到白炽状态而发光，只要物体的温度高于绝对零度，它就能发射热辐射。 物体:t 550发射出少量波长较长的暗红光，随着物体 温度的继续升高，还会发射出橙红光和橙黄光； t 1500波长更短的绿蓝光及小部分紫外光开始发 射，物体将呈白色。, 4352 11 9,109,南京农业大学食品科技学院,(1)太阳 太阳辐射从大气外向地球表面传输时受到各种因素的衰减，主要有臭氧的吸收、分子的瑞利散射以及氧气和二氧化碳等物质的吸收。, 4352 11 9,110,南京农业大学食品科技学院,(2)白炽灯,白炽灯是由灯丝和抽成真空或充有惰性气体的玻璃泡组成的。 光辐射通量通常是由电加热的钨丝发出的，工作时的分布温度 在20003000k范围内，钨丝的熔点约为3600k。 白炽灯的发光效率很低，约为10-20 lm/w，发射效率在50以下。, 4352 11 9,111,南京农业大学食品科技学院,(3)卤钨灯,卤钨循环原理：当灯处于工作状态时，在靠近玻璃泡的低温区 域，卤族原子与钨原子化合形成无色的挥发 性卤化钨，随着灯内气体的对流，卤化钨扩 散到炽热区的灯丝附近，卤族元素与钨受热 分解成卤族原子和钨原子，而钨重新沉积到 灯丝，结果蒸发出来的钨又被送回到灯丝上。 卤族原子再被气流带到玻璃泡的低温区，并 与蒸发出来的钨化合。卤素和钨的这类反应 是循环进行的，即化合一分解一化合。, 4352 11 9,112,南京农业大学食品科技学院,一般充入灯泡内的是卤族元素的化合物，如溴化氢等。 卤钨循环是有条件的，玻璃泡温度必须在250左右，这样高的灯泡温度一般玻璃受不住，因此常改用石英玻璃做灯泡。, 4352 11 9,113,南京农业大学食品科技学院, 4352 11 9,114,南京农业大学食品科技学院,2气体放电光源 气体放电原理：在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电 体。当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场 中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时， 会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些 内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受 激发原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫 外、红外辐射。, 4352 11 9,115,南京农业大学食品科技学院,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。 制作时在灯中充入发光用的气体，也可以是液体或固体，但在高温时也将变成气态。, 4352 11 9,116,南京农业大学食品科技学院,特点： 发光效率高、节能：该光源比同瓦数的白炽灯发光效率高2- 10倍。 结构紧凑：该光源由于没有灯丝，电极可以做得牢固紧凑， 耐震，抗冲击。 寿命长：该光源比白炽灯寿命长210倍。 光色适应性强：该光源的光色可以在很大范围内变动。 常用的气体放电灯： (1)汞灯 汞灯按汞蒸气压的不同可分低压、高压和超高压三种。, 4352 11 9,117,南京农业大学食品科技学院,低压汞灯：汞在低压放电时主要发射两条共振辐射线， 253.7nm和185.0nm。 高压汞灯：汞在高压放电时，主要发射可见光区的4条谱线 (404.7nm、435.8nm、546.1n