光声联用光谱法的食品药品组分含量快速检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及食品药品质量检测领域，具体为一种光声联用光谱法的食品药品组分和含量快速检测装置。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高和对健康的重视，食品和药品质量问题日益成为社会关注的热点。近来有关食品和药品质量问题屡有曝光，比如镉大米”事件、“毒奶粉”事件、“三聚氰胺”事件、“毒胶囊”事件等等，类似的事件严重影响了社会稳定，引起了人们对相关生产厂家以及监督部门的信任危机。
[0003]食品和药品安全是关系国计民生的大事，目前检疫部门常采用的检测方法主要是靠视觉主观判断、化学试剂法以及仪器检测法。由于视觉主观判断受到经验水平和主观意思的影响，检测误差相对较大；化学试剂法由于对被测成分的不可知性，使得这种方法的检测过程漫长，消耗较多的人力、物力和财力，并且由于化学试剂成分的干扰，会给检测的准确度带来影响；对于仪器检测法，目前常用的检测仪器主要是高效液相、气相色谱仪或质谱联用等仪器，由于该类仪器操作复杂，需要繁琐的前处理，并且需要专业人员才能进行检测操作，且价格相对昂贵，使得该类仪器的使用率和普及性不高。
[0004]近来，无损检测手段越来越受青睐，其原因是该方法具有无损、快速、便携和可操作性强等特点，其中具有代表性的有光学无损检测法，如；紫外光谱法、红外光谱法、拉曼光谱法等。虽然光谱法具有绿色、快速和无损等特点，但是由于被测物质组分多样性，会造成多组分光谱的干扰，同时由于光谱法在特征光谱范围固有的光谱重叠效应，使得光谱检测法的精度和稳定性受到影响。而光声无损检测技术不同于光谱检测方法，该技术是利用光致超声技术，即:利用脉冲激光辐射被测物质，由于对特征波长激光能量的吸收使得被测物质局部产生快速的热膨胀，从而产生超声机械波，通过捕获光致超声波并利用信号分析技术就可以反演出被测物质的成分和含量等信息。由于得到的是超声信号，所以可以极大地克服光谱法带来的散射光干扰，使得检测稳定性和准确度得到提高。但是利用光声技术检测时，无法通过实时的光声时域信号来判断其组分和含量，而需要通过得到某些特征波长下的光声值来分析。但是由于事先并不知道被测组分的特征波长，所以需要对每个波长的光声信号进行采集，然后从中找出特征波长，使得检测过程耗时较长，并且特征波长选择的正确与否直接影响了被测组分检测的可靠性和准确度。因此，需要寻求一种提高光声无损检测的效率和准确度的方法。
【发明内容】
[0005]为了克服上述不足本发明提供一种既提高检测效率，又保证检测结果准确度的光声联用光谱法的食品药品组分和含量快速检测装置。
[0006]为解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现:
[0007]一种光声联用光谱法的食品药品组分和含量快速检测装置，包括光源辐射单元、检测室单元和信号显示单元，还包括光谱分光单元、光声探测单元、信号处理单元和信号控制单元，所述光源辐射单元、检测室单元和光谱分光单元沿光传播方向依次设置，所述检测室单元的光声信号输出端与光声探测单元的光声信号输入端相连，所述分光单元及光声探测单元的电信号输出端均与信号处理单元的电信号输入端相连，所述信号控制单元的信号输入端与信号处理单元的信号输出端相连，所述信号显示单元及光源辐射单元的控制信号输入端均与信号控制单元的控制信号输出端相连。
[0008]本发明具有以下有益效果:
[0009]由于采用光声法和光谱法联用技术，使得该检测装置和检测方法兼具了光声检测和光谱检测的优点，一方面，利用光谱法寻找特征波长方便快速的特点，大大节省和方便了光声检测法中特征波长的选择，使得检测效率大大提高；另一方面，利用光声技术来对被测物质进行定性和定量检测，避免了光谱法中被测物质中多组分散射光带来的干扰，使得检测准确度大大提高。与传统方法相比，该方法具有无损、快速、可操作性更强、准确度更高等特点，这也使得该装置和检测方法具有更好的实用性和适用性。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的原理示意图。
[0011 ] 图2为平面反射式光栅分光示意图。
[0012]图3为凹面反射式光栅分光不意图。
[0013]图4为体全息透射式光栅分光示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图及实施例进一步说明本发明。
[0015]一种光声联用光谱法快速检测食品药品组分和含量的装置及方法，其中，检测装置，如图1所述，具体包括:光源辐射单元100、检测室单元200、光谱分光单元300、光声探测单元400、信号处理单元500、信号控制单元600和信号显示单元700，其特征在于所述的光源福射单元100用于向检测室单元200发射一定波长和能量的光；所述的光谱分光单元300的输入端与检测室单元200的输出端相连，用于将检测室单元200透射的光进行分光衍射成光谱，再利用光谱探测器305进行光谱探测接收并转换成相对应强度的电信号；所述的光声探测单元400的输入端也与检测室单元200的输出端相连，用于探测检测室单元200中被测物质的光声信号，并转换成对应光声强度的电信号；所述的信号处理单元500的输入端与光谱分光单元300的输出端和光声探测单元400的输出端相连，用于将传输的反映光谱强度的电信号和反映光声强度的电信号进行信号处理；所述的信号控制单元600的输入端与信号处理单元500的输出端相连，其作用是对信号处理单元500处理后的信号进行分析处理，并通过信号控制单元600发出控制指令，分别控制光源辐射单元100和信号处理单元500的操作；所述的信号显示单元700的输入端与信号控制单元600的输出端相连，用于将信号控制单元600分析处理后的信号进行实时显示，并给出被测物质类型和含量等信息。
[0016]进一步的，所述的光源辐射单元100沿光传播方向依次包括光源101、准直透镜102和聚焦透镜103。所述的光源101为脉冲激光器或者为卤素灯加斩波器构成。
[0017]光源101优选一，所述光源101为波长可调谐脉冲激光器，其波长输出范围可为紫外到红外波段。所述脉冲激光器为光学参量振荡器脉冲激光器；其规格为532nm泵浦源调Q Nd:YAG ;激光输出波长为680?2500nm，并在波长范围内可以以l_20nm间隔可调；整个波段内能量小于或等于10mJ，秒冲持续时间为1ns ;重复频率为l_20Hz可调；输出能量为0-100%内可调；在有效波长范围内。
[0018]光源101优选二，所述的光源101为波长范围从紫外到红外波段的连续光谱光源，如^素灯(飞利浦，MR11/12V 35W)，另外还需配置由步进电机驱动转动的斩波器，用于产生一定调制频率的脉冲光源。
[0019]进一步的，所述的检测室单元200为石英或玻璃材质的比色皿。
[0020]进一步的，所述的光谱分光单元300为平面或凹面反射式光栅分光系统或体全息透射式光栅分光系统。其中，平面反射式光栅分光系统，如图2所示，沿光传播方向依次由入射狭缝301、准直镜302、平面反射式光栅、聚焦镜304和光谱探测器305构成；凹面反射式光栅分光系统，如图3所示，沿光传播方向依次由入射狭缝301、凹面反射式光栅和光谱探测器305构成；体全息透射式光栅分光系统，如图4所示，沿光传播方向依次由入射狭缝301、准直镜302、体全息透射式光栅、聚焦镜304和光谱探测器305构成。
[0021]所述的入射狭缝301，优选为50-1000 μ m可调节宽度狭缝或针孔。
[0022]所述的平面反射式光栅优选为600线/400nm的平面闪耀光栅；凹面反射式光栅优选为宁波源禄光电有限公司生产的平场全息凹面光栅S81-35，该光栅线为600线，通光孔径约为29.5mm，衍射角约20.9度，分光范围约为340_850nm。体全息透射式光栅303优选为光栅线为1200线/mm，闪耀波长550nm，在波长340和750nm处的衍射效率约为80%。
[0023]所述的光谱探测器305优选采用日本东芝公司生产的线阵(XDCTCD1251UD)，有效像元数为2700，相邻像元中心距为11 μm，光敏区总长为:29.70mm,工作频率为2MHz，光电转换效率大于92%。
[0024]进一步的，所述的光声探测单元400由超声探测器构成，所述的超声探测器为聚焦型或非聚焦型超声探测器。所述的超声探测器优选为广州多普勒电子科技有限公司生产的I1P10NF40型超声探测器，超声探测器的中心响应频率分别约为10.0MHzο
[0025]进一步的，所述的超声探测器与检测室单元200之间均匀涂抹医用超声耦合液，并且探测器探测头需与检测室单元200的外壁面保持平行。
[0026]进一步的，所述的光谱分光单元300与光声探测单元400的位置为空间正交结构，其正交角度为90度。
[0027]进一步的，所述的信号处理单元500由信号放大器501、信号滤波器502和信号采集器503依次电气连接构成；所述的信号采集器503用于将光谱电信号和光声电信号按照一定的采集频率进行采样、量化和编码，并转换成对应强度信息的数字信号；所述的信号放大器501、信号滤波器502和信号采集器503均为多通道器件，通道数不少于2，所述的信号放大器501为增益可调电压放大器；所述的信号滤波器502为有源低通滤波器；所述的信号采集卡503为NI公司的数据采集卡PXI/PC1-5105。
[0028]进一步的，所述的信号控制单元600由计算机601、同步时序电路602、光源福射控制器603、信号存储器604和分析软件605构成。所述的光源福射控制器603的输出端与光源辐射单元100的光源101相连，用于接收计算机601及控制软件605发出的激光器参数控制信号。所述的同步时序电路602的输出端与信号处理单元中500的信号放大器501、信号滤波器502、信号采集器503和光源辐射控制器603相连，用于给上述器件发送同步信号从而触发这些器件保持同步工作。所述的信号存储器604用于将信号采集器503采集的光谱数字信号和光声数字信号进行存储。
[0029]进一步的，所述的分析软件605包括计算机操作系统、光源控制软件、基于LabVIEff的信号采集控制软件和基于MATLAB的数据分析软件。
[0030]优选的，本实施例中，所述光源辐射单元控制软件为OPPTEK V1.2.18型激光器驱动软件；负责开启脉冲激光器，并对脉冲激光器的基本参数(如:激光器输出能量、脉冲频率和波长等)进行设置；
[0031]优选的，本实施例中，所述的数据采集控制软件为虚拟仪器控制软件LabVIEW，通过图形化编程来控制数据采集卡的采集，以及光声信号的实时显示及数据存储等操作；
[0032]优