一种用于食品添加剂成分的检测装置制造方法
【专利摘要】一种用于食品添加剂成分的检测装置，包含激光激发单元、样品测试单元、探测单元和信号处理单元。其中激光激发单元由激光器、第一光阑、滤光片、第一聚焦透镜、第二光阑、准直透镜和第二聚焦透镜构成；样品测试单元由样品托架和样品池构成；探测单元为一超声探测器；信号处理单元由前置电压放大器、数字示波器、GPIB-USBI/O卡和计算机构成。该装置利用光致超声原理，充分将光学检测与超声检测技术相融合，并极大的消除了被测组织光散射带来的干扰，提高了检测精度。与近红外光谱等检测装置相比，本发明装置具有检测精度高、适用性强等特点。
【专利说明】—种用于食品添加剂成分的检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及食品安全检测领域，具体涉及一种用于食品添加剂成分的检测装置。【背景技术】
[0002]随着经济的发展，科学技术的进步，人类生活条件的改善，无公害、绿色、有机食品备受消费者的青睐。同时，人们也逐渐增强了安全和保健意识，食品安全问题越来越受到人们的关注。食品安全是一个遍及全球的公共卫生问题，不仅直接关系人类的健康生存，而且还严重影响着经济和社会的发展。但是随着经济和科技的发展，食品安全却并未得到相应的保证，依然有很多食品添加剂存在于我们日常必需的食品中，并且有相当一部分非法添加剂含量严重超标，甚至出现一些添加剂无法进行检测的尴尬局面。食品添加剂是食品工业中不可缺少的辅料，它可以改善风味、调节营养成分、防止食品变质，从而提高质量，使加工食品丰富多彩，满足消费者的各种需求，但有某些不法商贩为了使产品达到价格低廉、色香味俱全滥用、超量使用各种食品添加剂。近年来由于食品添加剂的违规使用引发的食品安全问题层出不穷，使得添加剂的使用和食品安全成为了政府监管机构、新闻媒体和老百姓关注的焦点。目前，测定添加剂的方法有高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱法、毛细管电泳法等。这些传统的方法虽然取得了一定的效果，但它们都是对食品进行破坏性检测，而且需要复杂的样品预处理，导致检测稳定性不高、成本昂贵，且需要具备一定的化学检验知识的人员才能正确操作完成。一些传统的无损检测方法也逐渐应用于食品安全检测，代表性的方法有:近、中红外吸收光谱法、拉曼光谱法和超声检测法等。虽然能实现无损快速检测，但是对于近、中红外吸收光谱法而言，由于被测食品对入射光容易产生光散射，这点对于粉状和颗粒状食品显得更加突出，这些散射光极大的制约了与食品添加剂含量相关的光谱信息测量，使得测量准确度、稳定度不高；对于拉曼光谱法而言，拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响，同时被测物体本身的组分对拉曼光谱的影响也较大；而对于超声检测法而言，其空间分辨率受到限制而无法得到有效提高。
【发明内容】
[0003]为了克服上述检测方法的不足，本发明专利提出了一种用于食品添加剂成分的检
测装置。
[0004]本发明装置包括激光激发单元、样品测试单元、探测单元、信号处理单元。
[0005]所述的激光激发单元沿光传播方向依次由激光器、第一光阑、滤光片、第一聚焦透镜、第二光阑、准直透镜和第二聚焦透镜构成。
[0006]所述的激光器由波长可调脉冲激光器构成。所述滤光片由近红外高通或带通滤光片构成。
[0007]所述的样品测试单元由下至上依次由样品托架和样品池构成。
[0008]所述的样品托架为升降台，可以手动进行上下和水平位置移动；所述的样品池为石英或玻璃材料制成的比色皿容器，比色皿的底座固定于样品托架上。[0009]样品处理:
对于液态的食品，比如:各种液态饮品，无需对这种类型的待测样品进行预处理，直接可以放入样品池进行测试。
[0010]而对于固体状食品，比如:饼干、巧克力和各种糖果类食品，只需要对测试样品进行简单的预处理，先需要将这些食品先进行碾磨粉碎，取一定量的粉末用一定容量和温度的蒸馏水进行充分搅拌并加热，待粉末食品充分溶解后，再将悬浮物和其他颗粒状杂质进行充分过滤，将过滤后内含添加剂成分的溶液装入样品池进行测试；而对于非亲水性和非溶水性添加剂成分而言，再取溶解过滤后的部分样品，用常规化学试剂(如:乙醚、醋酸乙酯、二氯甲烷、氯仿、苯)进行溶解萃取，萃取后的溶液再装入样品池内进行测试。
[0011 ] 所述的探测单元为聚焦超声探测器。
[0012]所述的信号处理单元由前置电压放大器(4-1)、数字示波器(4-2)、GPIB-USB I/O卡(4-3)、计算机(4-4)依次电气连接构成。
[0013]本发明的一种用于食品添加剂成分的检测装置，使用前，为了消除激光器能量不稳定因素，激光器先提前开机预热约I小时。激光器完成预热后，将被测样品滴入样品池中，再将激光器脉冲重复频率设为20Hz，能量输出先调至约50%，输出波长范围调至1000-2500nm。光束从激光器发出，经过第一光阑消除光源高频散射光，再经过滤光片滤除近红外以外的可见光，滤波后的光经第一聚焦透镜、第二光阑和准直透镜构成的光学4F系统，将激光器发出的光形成一标准的平行窄带光束，最后经过第二聚焦透镜，将入射激光的光斑聚焦至样品池的被测样品内，由于被测食品对入射光的吸收，使得局部能量沉积，并产生体积膨胀进而产生超声机械波向四周扩散出去，置于样品池外壁的聚焦探测器捕获这些向外弛豫的超声波信号后，转换成对应超声强度大小的电压信号，经前置电压放大器放大后，由数据示波器将放大的信号采集并转换成数字信号，由GPIB I/O数字卡经GPIB-USB总线送入计算机进行数据存储以及数据分析软件进行编程处理。
[0014]本发明的一种用于食品添加剂成分的检测装置，与其他技术相比，具有以下有益的效果:
(I)由于本发明采用光声检测技术，兼具了纯光学检测技术高分辨率和纯超声检测技术高对比度的优点，使得检测精度更高。
[0015](2)由于本发明探测的是食品的光致超声信号，虽然入射的是激光，但是探测的却是超声信号，故极大的克服了食品内部组分光散射带来的干扰，能极大的提高测量的准确度和稳定性。
[0016](3)由于本发明采用波长可调的脉冲激光器作为激发光源，通过波长扫描，可以找到不同食品的不同特征吸收波长，极大的避免了单一波长下，不同食品检测的适用性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明总体结构原理俯视示意图。
[0018]图2为本发明测试单元的原理示意图。
[0019]图3为本发明探测单元方案二示意图。
【具体实施方式】[0020]实施例1本发明的装置
图1为本实施例的装置结构图。图中所示各元器件的名称为:激光发生器(1-1)、第一光阑(1-2)、滤光片(1-3)、第一聚焦透镜(1-4)、第二光阑(1-5)、准直透镜(1-6)、第二聚焦透镜(1-7)、样品托架(2-1)和样品池(2-2)、超声探测器(3)、前置电压放大器(4-1)、数字示波器(4-2)、GPIB-USB I/O卡(4-3)、计算机(4-4)。本发明由激光激发单元(I)、样品测试单元(2)、探测单元(3)和信号处理单元(4)构成。如图1所示，其中激光激发单元(I)沿光路传播方向，依次由以下兀器件构成，即:激光器(1-1)、第一光阑(1-2)、滤光片(1-3)、第一聚焦透镜(1-4)、第二光阑(1-5)、准直透镜(1-6)、第二聚焦透镜(1-7)。样品测试单元
(2)由样品托架(2-1)和样品池(2-2)构成。探测单元(3)为超声探测器。信号处理单元(4)由前置电压放大器(4-1)、数字示波器(4-2)、GPIB-USB I/O卡(4-3)、计算机(4-4)依次电气连接构成。
[0021]样品处理:对于液态的食品，比如:各种液态饮品，无需对这种类型的待测样品进行预处理，直接可以放入样品池进行测试。而对于固体状食品，比如:饼干、巧克力和各种糖果类食品，只需要对测试样品进行简单的预处理，先需要将这些食品先进行碾磨粉碎，取一定量的粉末用一定容量和温度的蒸馏水进行充分搅拌并加热，待粉末食品充分溶解后，再将悬浮物和其他颗粒状杂质进行充分过滤，将过滤后内含添加剂成分的溶液装入样品池进行测试；而对于非亲水性和非溶水性添加剂成分而言，再取溶解过滤后的部分样品，用常规化学试剂(如:乙醚、醋酸乙酯、二氯甲烷、氯仿、苯)进行溶解萃取，萃取后的溶液再装入样品池内进行测试。
[0022]本发明装置使用前，为了消除激光器能量不稳定因素，激光器(1-1)先提前开机预热约I小时。激光器(1-1)完成预热后，将被测样品滴入样品池(2-2)中，再将激光器(1-1)的脉冲重复频率设为20Hz，能量输出先调至约50%，输出波长范围调至1000-2400nm。光束从激光器(1-1)发出，经过第一光阑(1-2)消除光源高频散射光，再经过滤光片(1-3)滤除近红外以外的可见光，滤波后的光经第一聚焦透镜(1-4)、第二光阑(1-5)和准直透镜(1-6)构成的光学4F系统，将激光器(1-1)发出的光形成一标准的平行窄带光束，最后经过第二聚焦透镜(1-7)，将入射激光的光斑聚焦至样品池(2-2)的被测样品内，由于被测食品对入射光的吸收，使得局部能量沉积，并产生体积膨胀进而产生超声机械波向四周扩散出去，置于样品池(2-2)外壁的超声探测器3捕获这些向外弛豫的超声波信号后(如图2所示)，转换成对应超声强度大小的电流信号，经前置电压放大器(4-1)放大后，由数字示波器(4-2)将放大的信号采集并转换成数字信号，再由GPIB-USB I/O卡(4_3)经GPIB-USB总线送入计算机(4-4)进行数据存储以及数据分析软件进行编程处理。
[0023]激光器(1-1)为532nm泵浦源调Q Nd:YAG的光学参量振荡器(OpticalParametric Oscillator, ΟΡΟ)脉冲激光器(OpoletteTM, 532 II , Opotek Inc., CA),其激光输出输出波长为680-2400nm可调，整个波段内能量不大于10毫焦，脉冲持续时间10纳秒，重复频率为1-20HZ可调，输出能量0-100%可调，且在有效波长范围内，激光可以以l-20nm可调扫描输出。滤光片(1_3)为长波通型近红外滤光片(IPGC-720)，它将可见光反射，而将近红外光透射。第一聚焦透镜(1-4)、第二光阑(1-5)和准直透镜(1-6)构成的光学4F系统，光阑(1-5)位于第一聚焦透镜(1-4)后焦面和准直透镜(1-6)的前焦面处，第一聚焦透镜(1-4)和准直透镜的焦距均约为10厘米。第二聚焦透镜(1-7)的焦距约为2厘米。[0024]样品池(2-2)为石英比色皿，光程长约为10mm。超声探测器(3)为压电陶瓷材料聚焦超声探测器(I1P10NF40，Doppler, China)，该超声探测器中心响应频率9.52MHz,相对回波灵敏度为-29.32db，焦距范围在34-46mm之间，阻尼50 Ω。前置电压放大器(4-1)为日本奥林巴斯5678，该放大器的放大增益为40dB，带宽为50k-40MHz。数字示波器(4-2)为双通道数字示波器(54642D，Agilent, USA)，它用于触发单点或连续采集光声电信号，该示波器带宽500MHz，最高采样速率为2GSa/s。GPIB-USB I/O卡(4_3)为I/O数字卡(GPIB-USB-HS，National Instruments, USA)，它用于连接数字示波器(4-2)和计算机(4-4)，用于采样数据的高速传输。数据分析软件为LabVIEW (Version.8.0，NationalInstruments, USA)，它用于编程软件触发示波器的数据采集、峰峰值参数测量和数据自动存储等操作。
[0025]实施例2
如图1所示，本发明激光激发单元(I)发出的脉冲激光入射至样品池(2-2)中的被测样品时，产生光声源，并持续不断的向四周发出超声信号波，为了减小因样品池壁反射的超声回波叠加或混频对超声探测的干扰，超声探测器(3)的探头用医用超声耦合液涂抹紧贴于样品池外壁表面，同时位于激光激发单兀(I)发出激光方向的对立面。
[0026]其余同实施例1。
[0027]实施例3
当激光器(1-1)能量太大，使得发出的脉冲激光穿透样品池，有部分入射激光直接照射到超声探测器(3)的表面上，从而使得超声信号测量不准确，为了避免上述问题，如图3所示，将超声探测器(3)的探头表面置于样品池侧面，超声探测器(3)探头的轴向方向与激光激发单元(I)发出的入射激光光轴相互正交。
[0028]其余同实施例1。
【权利要求】
1.一种用于食品添加剂成分的检测装置，包括激光激发单元(I)、样品测试单元(2)、探测单元(3)和信号处理单元(4)，其特征在于，激光激发单元(I)沿光传播的方向依次由激光器(1_1)、第一光阑(1-2)、滤光片(1-3)、第一聚焦透镜(1-4)、第二光阑(1-5)、准直透镜(1-6)、第二聚焦透镜(1-7)构成；样品测试单元(2)由样品托架(2-1)和样品池(2-2)构成；信号处理单元(4)由前置电压放大器(4-1)、数字示波器(4-2)、GPIB-USB I/O卡(4-3)、计算机(4-4)依次电气连接构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于食品添加剂成分的检测装置，其特征在于:所述的激光器(1-1)为短脉冲激光器，其输出波长和重复频率可调。
3.根据权利要求1所述的一种用于食品添加剂成分的检测装置，其特征在于:所述滤光片(1-3)由近红外高通或带通滤光片。
4.根据权利要求1所述的一种用于食品添加剂成分的检测装置，其特征在于:所述的样品池(2-2)为石英或玻璃材质比色皿。
5.根据权利要求1所述的一种用于食品添加剂成分的检测装置，其特征在于:所述的探测单元(3)为一聚焦超声探测器，使用时，将聚焦超声探测器探头紧贴样品池外壁，且聚焦超声探测器探头和样品池外壁间均匀涂抹医用超声耦合液。
【文档编号】G01N21/39GK103472029SQ201310441436
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】任重, 刘国栋 申请人:江西科技师范大学