生物物料品质无损检测技术

1、成绩1.试探讨农产品质地曲线（模拟人的咀嚼）所形成的工作过程与特点，并对各特性参数进行定义与分析。10%答：Szczeniak对进食咀嚼曲线进行解析，对质地多面剖析法机械特性中的硬度、凝聚性和附着性给以量化的评价。图1显示牙齿在二次咀嚼过程中时间和力的变化规律。 图1 牙齿在二次咀嚼过程中时间和力的变化规律TPA质构测试又称两次咀嚼测试主要是通过模拟人口腔的咀嚼运动，对样品进行两次压缩，测试与微机相连，通过界面输出质地测试曲线，从中分析质构特性参数如：硬度、脆性、粘性、内聚性、弹性、胶黏性、耐咀性、回复性。图2 TPA质构曲线Malcolm Bourne博士1在其所书Food Texture

2、& Viscosity中对TPA质构特性参数进行具体的定义。硬度：在第一次下压过程中的最大峰值，多数食品的硬度值出现在最大变形处，有些食品压缩到最大变形除并不出现应力峰。脆度：下压过程中并不一定都产生破裂，在第一次压缩过程中若是产生破裂现象，曲线中出现一个明显的峰，此峰值就定义脆度。在TPA质构曲线中第一次压缩中若是出现两个峰，第一为脆度，第二个为硬度；若是只有一个峰值，则定义为硬度，无脆度。黏着性：第一次压缩曲线达到零点到第二次压缩曲线开始之间的曲线的负面积（图2中的Area3），反映的是由于测试样品的黏着作用探头所消耗的功。凝聚性：表示测试样品经过第一次压缩变形后所表现出来的对第二

3、次压缩的相对抵抗能力，在曲线上表现为两次压缩所做正功之比（Area2/Area1）。弹性：样品经过第一次压缩以后能够再恢复的程度。恢复的高度是在第二次压缩过程中测得长度t2.弹性用第二次压缩中所检测到的样品恢复高度t2和第一次的压缩变形量t1之比来表示。胶黏性：只用于描述半固态的测试样品的黏性特性，数值上等于硬度和凝聚性的乘积表示。耐咀性：只用于描述固态的测试样品，数值上用胶黏性和弹性的乘积表示。回复性：表示样品在第一次压缩过程中回弹的能力，是第一次压缩循环过程中返回时的样品所释放的弹性能与压缩时的探头耗能之比，用Area5与Area4之比来表示。2.请说明电子鼻仪器的基本组成与分类，分析不同

4、类型电子鼻的特性和适用对象；举2-3例探讨电子鼻的检测原理与方法。15%答：1） 基本组成2：电子鼻是以模拟人的嗅觉为基本原理，用来对食品中复杂嗅味和挥发性成分进行分析、识别和检测仪器，由气体传感器、信号处理和模式识别系统等组成。图3电子鼻的基本组成2） 分类3：在电子鼻系统中，气体传感器阵列是关键因素。电子鼻传感器的主要类型还有导电型传感器、压电类传感器、场效应传感器、光纤传感器等。所以可以按此来分类。图4气体传感器阵列图5压电类传感器图6 金属氧化硅场效应管传感器3） 特性和适用对象3：导电性传感器的基本特点是，其置于挥发性化合物(VOC)时的响应形式是电阻值发生变化。导电性传感器又分为金

5、属氧化物传感器和聚合物传感器两大类。金属氧化物传感器在电子鼻系统中应用更广泛，此类传感器中与VOC相接触的活性材料是锡、锌、钛、钨或铱的氧化物，衬底材料一般是硅、玻璃、塑料，发生接触反应需满足200400的温度条件，因此在底部设置了加热器。氧化物材料中用铂、钯等贵重金属搀杂形成两条金属接触电极。与VOC的相互作用改变了活性材料的导电性，使两电极之间的电阻发生变化，这种电阻变化可用单臂电桥或其它电路来测量。事实上，一个传感器的活性材料总是设计得对某些特定气味响应最灵敏。该传感器的灵敏度范围为550ppm。金属氧化物传感器的缺点是：(1)工作温度较高；(2)经长时间工作之后，响应基准值易发生漂移，

6、需要利用信号处理运算来克服；(3)对气体混合物中出现的硫化物呈“中毒”反应。但是，它有很宽的适用范围和相对低的成本，故依然成为当今广泛应用的气体传感器。导电聚合物传感器中，与VOC接触的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分构成的导电聚合物，当气体分子与上述聚合物材料接触时会发生电离或共价作用，这种相互作用影响了电子沿聚合物链的传输，即改变了导电性。在聚合物材料中，利用显微组构技术形成两条间隔1020m的电极，通过在两电极之间施加交变电压来使聚合物电聚合化，改变电压扫描速率，并应用一系列聚合物前体就可产生各种各样的活性材料，使不同的材料分别对不同的气体呈特定响应。导电聚合物传感器在一般环境温度

7、下工作而无需加热，因此更容易制造，其电子界面更为直接，从而在便携式仪器应用中有更大优势。这种传感器探测气味的灵敏度可达到0.1ppm，比金属氧化物传感器更高，但一般在10100ppm范围之内。目前导电聚合物传感器的主要缺陷是：(1)活性材料电聚合过程较为困难和费时；(2)与VOC接触响应存在随时间发生飘移的现象；(3)对湿度极为敏感，这种敏感性易掩盖和干扰对VOC的正常响应。另外，某些气体会穿透聚合物材料整体，从而减慢了将VOC从聚合物中去除的过程，即延缓了传感器的恢复时间。压电类传感器的基本特点是，与VOC的接触响应形式体现为频率的变化。它又分为石英晶体微量天平(QCM)传感器和声表面波(S

8、AW)传感器两种。压电类传感器既可以测量温度和质量的变化，又可测量压力、力和加速度等参数，但在电子鼻系统中，它们一般只作为质变量传感探测器使用。QCM传感器是一个几毫米直径的谐振盘，盘面敷有聚合物材料，每面有一个与导线相连的金属电极，结构如图所示。当该传感器受振荡信号激励时，便谐振于特征频率(10Hz30MHz)，而一旦气体分子被吸收到聚合物涂层表面，就增加了该盘的质量，因此降低了谐振频率，谐振频率的高低与所吸收的气体分子质量成反比。QCM传感器对不同气体的响应、选择性可通过调整谐振盘聚合物涂层来改变，而减小石英晶体的尺寸和质量，并减小聚合物涂层的厚度，则可进一步缩短传感器的响应时间和恢复时间

9、。声表面波(SAW)传感器与QCM传感器的主要区别为：(1)瑞利波是经SAW的表面运行，不是像QCM一样通过其体内；(2)SAW传感器工作频率更高，因此可产生更大的频率变化。QCM的典型工作频率仅是10MHz，而SAW器件则在几百MHz；(4)由于SAW是平面器件，所以可用微电子工业普遍采用的光刻技术来制造，而不像QCM那样需要微电子机械系统(MEMS)进行三维处理，因此批量生产的成本更低。但是，SAW传感器的信噪比逊于QCM传感器，因此在许多情况下，前者的灵敏度要低于后者。电子鼻传感器的第三大类是金属氧化硅场效应管传感器(MOSFET)。其工作原理是：VOC与催化金属材料相接触所生成的反应产

10、物(如氢)会扩散通过MOSFET的控制极来改变器件的导电物性。典型的MOSFET结构有一个P型衬底和在衬底上扩散的两个掺杂浓度很高的N型区，两个N区的金属触点分别称为源极和漏极。器件的灵敏度和选择性可通过改变金属接触剂的类型和厚度以及改变工作温度来改变。MOSFET的优点之一是可依托IC制造工艺，批量生产、质量稳定，主要问题是接触反应产物(如氢)必须渗入催化金属涂层来影响沟道中的电荷，这就对芯片的密闭封装方式提出了更苛刻的要求。MOSFET与导电性传感器一样，也存在基准值漂移问题。第四类实用的气味传感器是光纤传感器。它对气体化合物的响应形式是光谱色彩发生变化。这种传感器的主干部分是玻璃纤维，在

11、玻璃纤维的各面敷有很薄的化学活性材料涂层。化学活性材料涂层是固定在有机聚合物矩阵中的荧光染料，当与VOC接触时，来自外部光源的单频或窄频带光脉冲沿光纤传播并激励活性材料，使其与VOC相互作用反应。这种反应改变了染料的极性，从而改变了荧光发射光谱。只要对许多敷有不同染料混合物的光纤器件构成的传感器阵列产生的光谱变化进行检测分析，就可以确定对应的气体化合物成分。光纤传感器有很强的抗噪能力和极高的灵敏度，其灵敏度单位以ppb(十亿分率)计，这是其它电子鼻传感器类型所远不及的。目前光纤传感器的主要缺点是：(1)其设备控制系统较复杂，成本较高，(2)荧光染料受白光化作用影响，使用寿命有限。4） 举例说明

12、电子鼻的检测原理和方法3例1：利用表面声波频率变化检测气体（资料来源：清华大学奈米工程与微系统研究所）电子鼻的主要感测组件是表面声波感测芯片（SAW chip），其由具有两组状如手指交叉的指叉换能器（IDT）压晶体管，以及一层高分子薄膜所组成（见图7）。压晶体管具有压电特性，输入电压时会产生形变（机械能），输入机械能则转换成电讯号输出。侦测气体时，震荡线路会施加一交流信号至起始端的指叉换能器，透过换能器把电能转成机械能，传至压晶体管上，并激发出表面声波（机械能）。当高分子薄膜表面吸附待测气体分子时，质量增加，会使表面声波频率下降，不同气体分子造成表面声波频率下降情形各不相同。最后，利用末端的指

13、叉换能器将机械能转换成电讯号输出至混合型电路进行运算分析。侦测时，传感器暴露于目标感测气体中，让感测区上的高分子薄膜进行物理吸附或化学吸附。同时，输入一电讯号至压晶体管上的指叉换能器，把电能转成机械能，直接在压电芯片上激发出表面声波。表面声波传递至高分子薄膜时，会随着薄膜质量的增加而导致声波频率下降，最后再经末端的指叉换能器将机械能转成电讯号输出。藉由频率变化、相位变化或能量损失，即可推测目标感测气体的种类及浓度。图7表面声波感测芯片表1指特定气体吸附于不同高分子薄膜后的频率变化。表格中的数据是将高分子薄膜吸附气体后的表面声波频率减去吸附前的频率。表1特定气体吸附于不同高分子薄膜后的频率变化例

14、2基于PCA与Wilks准则的电子鼻酒类鉴别方法研究4该研究选用3种不同品牌的酒（河南仰韶产的仰韶精品酒、河南汝阳产的杜康酒、北京产的红星二锅头酒），气敏传感器阵列由日本费加罗公司生产的TGS-813,TGS-800, TGS-812, TGS-822, TGS-824, TGS-825六个二氧化硅型气敏传感器组成电路图如8所示。选用每个传感器一个特征值、温度和湿度组建1个8维向量。而每个品种的酒采集30个样本，在采用主成分分析进行降维，选用前两个特征值作为主轴，但是从其散点图无法进行分类，主要原因是主成分分析在试验样本数据阵的协方差矩阵的计算过程中消除各变量间的相关性造成的。故引入多元统计分

15、析中的Wiks准则。实验结果如图9所示。图8 传感器阵列测试电路示意图图9 基于PCA和Wiks的鉴别结果3.试设计农产品水分的电学特性检测装置，并说明检测原理与方法。（请用图说明基本组成和检测方法）。15%答：单片机LCD显示器数字温度传感器键盘输入C/V变换器水分传感器图10 农产品水分检测装置数字温度传感器接入单片机的输入端，水分传感器的输出端接入C/V转换器的输入端。C/V转换器输出接入单片机的A/D输入端，单片机输出端接LCD显示器的输入端，键盘输入接入单片机的输入端，控制物料水分的检测。整个装置原理是把水分传感器检测所得电容信号通过C/V转换器转变为单片机内A/D电压输入信号的范围

16、，之后单片机进行处理和运算。4.请叙述核磁共振在水产品品质检测中的原理与方法，并说明优缺点。10%答：1） 原理和方法置于磁场中的氢原子在一定的射频脉冲作用下就会产生共振。当磁场强度和所加的射频脉冲频率匹配时，质子就会吸收和释放射频脉冲的能量，通过检测释放的能量，测量强度就可以知道样品中共振质子的数量。许多质量控制应用中感兴趣的要素都包含质子（如：水、脂肪、油），为了能定量测量，我们可以采用测量已知含量的样品的共振信号来做校正标定。NMR的一个重要特征是所释放的共振信号的弛豫时间很大程度上取决于含氢质子材料的物相。方法主要包括核磁共振波谱法和核磁共振成像技术。2） 优缺点NMR作为一种无损检测

17、水产品内部品质检测方法，有广泛的适用性。可考察水产品组织中水的形态、质子的浓度等，从而对组织进行检测盒分析，获得生理状态和结构方面的信息。Udagawa运用NMR技术还可以测定鱼油脂中脂肪酸对质子吸收的变化，从而确定油脂的氧化稳定性。但是NMR技术也存在仪器造价昂贵和讯号分析具有专门性与复杂性等缺点，虽然已经开发一些便携式检测油脂、水分等仪器，如图11所示，但是将NMR技术应用在在线检测系统至今还未见。图11 基于NMR便携式食品检测仪5.请设计一个利用免疫生物传感器技术检测果蔬农药残留快速测系统，阐述检测原理和检测流程。10%答：显示器传感器图12 果蔬农药残留快速检测系统图13果蔬农药残留

18、快速检测系统的流程图6.请设计一个利用超声波技术检测果汁成份的检测系统，请分析设计难点，说明检测原理和检测流程。15%答：1）检测系统流程图：5-7脉冲信号发生器时间计数器发送探头样品池（果汁）接受探头d2）原理：脉冲信号发生器发送一定振幅和频率的脉冲电子波，在传至发送探头的同时，也发送时间计数器，记录时间为t1。电子波在发送探头被转化成相同频率的超声机械波，通过果汁池后，被接受探头并再次转化为电信号，然后送至时间计数器记录停止时间t2。由于样品池的长度d是事先确定的，则通过样品池的波速为d/（t2-t1）。由事先波速与果汁内部成分之间的关系，再可获取果汁成分。3） 设计难点：其一：上述中是假定果汁各成分分布是均匀的理想模型，实际中果汁有可溶性固形物等，一般可认为果汁底部密度应该大于上部密度。也存在同一高度各部分的果汁密度不一样。必然存在超声波衰减不均匀。其二：应通过大量实验建立果汁中水、可溶性固形物等关联模型的有效方法，可通过当果汁溶度一定时，波速与水、可溶性固形物之间的关系曲面是一定的，或者声波衰减是有规律的。7.请设计一个便携式水果可见/近红外光谱检测系统，并说明工作原理。10%答：近红外光源苹果托盘光谱仪与显示屏光纤