海产品的光谱法表征的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料表征和鉴别，特别是海产品的光谱法表征。
【背景技术】
[0002] 于近期公布的一则关于目前为止所进行的最大的海产品假冒情况调查之一的 报告显示，在美国各城市的餐馆及杂货店购买的海产品品类中有三分之一是标签错误的 (mislabeled)。该项研究由Oceana，一家非盈利性的国际海洋环保倡议组织历时两年时间 (2010 - 2012)实施完成，调查期间，该组织从美国21个州674家零售店中抽取了超过1200 份样本（K. Warner, W. Timme, B. Lowell 和 M. Hirshfield, "Oceana 研究显不了存在全国范围 的海产品假冒（Oceana Study Reveals Seafood Fraud Nationwide)"，2013年 2 月报告）。 其对于鱼类样本进行了 DNA测试，以准确鉴别鱼类品种并发现标签错误。此前的美国国会 研究服务部的关于打击海产品市场的假冒和欺诈行为的报告也得出过类似结论（给国会 的国会研究报告（Congressional Research Service Report for Congress) ,7-5700, WWW. crs. gov, RL-34124(2010)) 〇
[0003] 用低成本的品种替代更为昂贵的鱼类是违法的，违法者受金钱利益的驱使，导致 了经济、健康和环境方面的消极后果。消费者和诚实的海产品供应商受到欺骗，花费很高的 价格却购买了低成本、不理想的替代品。其中一种最常见被替代的较昂贵的鱼类是红绸鱼， 其经常被罗非鱼冒充。此外，某些鱼类替代品对健康造成危害。例如，上述Oceana研究确 定，90%以上以白金枪鱼为名宣传的实际上是玉梭鱼，其属于蛇鲭科类，含有已知可引起肠 胃反应的毒素。最后，某些被假冒的鱼类可能是过度捕捞或濒危品种。其中一种所述鱼类 为大西洋鳕鱼，在同一研究中发现，其由太平洋鳕鱼替代。
[0004] "从渔船到餐盘"的供应链复杂而又不规范，这使得此种违法活动难以追踪。打击 鱼类假冒需要贯穿整个供应链的鱼类供应具有可追溯性，还要提高检测手段。DNA测试法用 于上述检测耗时长而且只能在抽样基础上进行。DNA测试需要将鱼样本送到实验室然后等 待结果，该过程可耗费数天方能完成。
[0005] Wong在美国专利5, 539, 207中公布了一种用傅里叶转换红外（FT - IR)光谱鉴别 人体或动物组织的方法。其测量存疑组织的中红外光谱，然后与已知组织的红外光谱库进 行比对，以找到最相近的匹配。视觉比较或者模式识别算法可以用于匹配红外光谱。这样， 各种组织样本，甚至正常的或是恶性的（例如癌变的）组织均可以被鉴别。
[0006] Wong的方法不利之处是，其很难用于在现场条件下进行海产品鉴别的目的。FT - IR光谱仪是一种复杂而且体积很大的光学装置。其核心模块，扫描迈克尔逊干涉仪，采用高 精度可移动的大型光学反射镜来执行波长扫描。为了保持镜面稳定，其采用了笨重的光具 座。由于诸多精确的光学和机械部件，FT - IR光谱仪要求实验室级的环境，并且需要由训 练有素的专业人员经常重新校准和重新对准。FT - IR光谱仪的使用受以下因素影响，即红 外指纹的基本振动频率处于电磁波谱的2. 5微米一 5微米区域。上述振动频带为高分辨率 和高吸收率级别，显示窄谱带的强吸收能力。
[0007] Monro在美国专利7, 750, 299中公布了一种用于活性生物波谱的系统，其中特定 生物体的DNA膜经由频率可调的毫米波无线电发射器辐照，并且对已发射且被DNA膜散射 的无线电波进行探测。Monro在文中教导了不同DNA膜的无线电波散射波谱是各不相同的。 因此，被发射或散射的无线电波谱可以检测不同的DNA膜，此法可以与不同鱼类关联。这 样，即可以鉴别鱼样本的品类。
[0008] Monro的方法不利之处是，其不适用于鱼样本本身，因为来自非DNA组织的信号会 覆盖掉该DNA信号。鉴于此原因，必须先要提取鱼样本的DNA并形成膜才行。上述样本制 备耗时较长，而且只能在实验室条件下完成。
[0009] Cole等人在美国专利7, 728, 296中公布了一种使用太赫（THz)辐射检测爆炸性 材料的装置和方法。THz辐射占用红外线和毫米无线电波之间的频带。许多爆炸性材料在 THz频域中具有独特的光谱特征，从而可以对爆炸物进行高灵敏度的无侵入、远程检测。但 缺点是，THz辐射源体积巨大而且昂贵，这就限制了其当前在安全重点领域的应用，诸如机 场安检。
[0010] 现有技术的方法和装置看上去并不适合于在现场条件下进行海产品品类鉴别的 目标。尚需一种方法和系统，能让食品和药品管理局（FDA)官员执行快速的、当场的海产品 品类鉴别和表征，从而帮助该官员决定是否需要采取执法行动。普通人，诸如餐馆厨师、寿 司店主顾及鱼市顾客，也可以受益于这种可能快速鉴别所购海产品品类的方法和系统。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种用于海产品的现场光谱表征的方法和装置。
[0012] 从技术立场出发，优选在易于电磁辐射生成、波长分离和检测电磁辐射的波段执 行光谱测量。一种近红外（NIR)波段，例如0.7和2. 5微米之间，即满足上述条件。宽带发 光二极管以及甚至是小型白炽光源都可以用于在此波段中生成NIR光。多种光谱选择性元 件（例如薄膜干涉滤光器）可用于波长分离。光电二极管阵列可用于NIR光的检测。
[0013] 尽管在光谱的NIR部分工作便利，但现有技术却主要聚焦在波长更长而技术友好 性较差的波段，因为大多数有机化合物的特征分子键的主振动频率对应于大于2. 5微米 (2500nm)的波长，从而需要使用笨重且体积巨大的设备以在上述较长波长处生成、波长分 散及检测电磁辐射。本发明人认识到，多重振动频率，或所谓的泛频，确实落入了技术便利 的NIR波段内，因而生物物质鉴别信息存在于NIR光谱中，虽然该信息因泛频的相对较低振 幅和多重频率而被隐藏。
[0014] 当来自光谱的光谱分析信息不方便使用或无法视觉识别时，先进的数据处理以及 特征或模式提取和建模技术，诸如主成分分析（PCA)、软独立建模分类法（SHCA)、偏最小 二乘法判别分析（PLS - DA)和支持向量机（SVM)，可以用于提取所需信息。因此，多变量模 式识别和数据回归分析使得能够采用轻便且小体积的NIR光谱仪来进行海产品品类的鉴 别和表征。
[0015] 根据本发明，提供一种用于海产品样本的现场鉴定的方法，其包括：
[0016] (a)提供便携式NIR光谱仪；
[0017] (b)使用步骤（a)中所述的NIR光谱仪来获取该海产品样本的反射光谱；
[0018] (C)对步骤（b)中获取的海产品样本的反射光谱执行多变量模式识别分析，以通 过将该反射光谱和与不同的海产品品类相对应的已知品类光谱库进行比对，确定具有最相 似光谱模式的匹配光谱；并且
[0019] (d)基于在步骤（C)中所确定的具有最相似光谱模式的匹配光谱来识别该海产品 样本。
[0020] 上述模式识别算法也可以生成该鉴别结果的可能性的置信度量或概率估算。
[0021] 根据本发明，还提供一种用于海产品样本的鲜度的现场测定的方法，其包括：
[0022] (a)提供便携式NIR光谱仪；
[0023] (b)使用步骤（a)中所述的NIR光谱仪来获取该海产品样本的反射光谱；
[0024] (c)对在步骤（b)中获取的海产品样本的反射光谱执行多变量模式识别分析，以 通过将该反射光谱与海产品样本鲜度相对应的已知品类光谱库比对，确定具有最相似光谱 模式的匹配光谱，从而给出该海产品样本的鲜度的数量测度。
[0025] 该反射光谱可以从海产品样本上的多个位置获取，以减少该海产品样本的表面质 地的影响。多变量回归分析可以包括例如偏最小二乘法（PLS)和支持向量回归（SVR)。
[0026] 根据本发明，进一步提供一种用于海产品样本的现场鉴定的装置，其包括：
[0027] 便携式NIR光谱仪，其用于获取海产品样本的NIR反射光谱，以及
[0028] 分析器，其被可操作地耦合到该光谱仪，并被配置以执行对该海产品样本的反射 光谱的多变量模式识别分析，以通过将该反射光谱和与不同的海产品品类相对应的已知品 类光谱库进行比对，确定具有最相似光谱模式的匹配光谱，并基于该具有最相似光谱模式 的匹配光谱来识别该海产品样本。
[0029] 便携式NIR光谱仪可以包括耦合到光电二极管阵列的光谱横向可变光学透射滤 光器，这导致其具有特别小巧且轻便的结构。移动通信设备可以被配置成与该NIR光谱仪 进行通信，并且执行对该便携式NIR光谱仪所获取的反射光谱的多变量分析。此外，至少某 些数据分析和光谱模式建模活动可以通过在与该移动设备进行通信的远程服务器处执行。
[0030] 根据本发明的另一方面，进一步提供一种非暂时性的存储介质，其被设置在该移 动通信设备中，并且所述存储介质具有在其上编码的已知品类光谱库。
【附图说明】
[0031] 以下将结合附图对示例性实施例予以描述，其中：
[0032] 图1是如本发明所述的用于海产品样本的现场鉴定的装置的三维示意图，图中叠 加了由该装置测量的NIR反射光谱；
[0033] 图2是图1所示装置的便携手持式NIR光谱仪的侧截面视图；
[0034] 图3A是图2所示便携式NIR光谱仪的光检测子组件的侧截面视图；
[0035] 图3B是在图3A所示光检测子组件中所采用的波长分散元件的侧截面视图；
[0036] 图3C是图3B所示波长分散元件的透射光谱；
[0037] 图3D是图2所示便携手持式NIR光谱仪的三维视图；
[0038] 图4A是根据本发明的用于海产品样本的现场鉴定方法的流程图；
[0039] 图4B是根据本发明的NIR光谱的示例性多变量分