CN101275907A - 基于光盘的食品安全监测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于光盘的食品安全监测仪，其包括光源、样品池、探测部分、作为分光元件的光盘、线阵CCD探测器或CMOS探测器；所述样品池设置在光源与光盘之间，光源发出的光，经过样品池，通过探测部分，入射到光盘上，在光盘的光衍射线路上设置线阵CCD探测器、CMOS探测器或使用多个光电二极管构成的多通道探测阵列，获得各种波长的光强，实现被检测样品光谱的监测。该监测仪价格低廉、体积小、重量轻、使用方便、安装简单，容易实现快速在线监测。

Description

基于光盘的食品安全监测仪

技术领域

本发明涉及一种食品安全监测仪；更具体的说，本发明涉及一种价格低廉的基于光盘的光谱仪器，该仪器可用于食品安全监测、环境监测、水质监测、大气污染监测等领域。

背景技术

近年来食品安全问题日益突出，越来越引起社会关注。我国作为经济转型的发展中国家，加之地域辽阔，农业生产的分散、个体、小规模甚至超小规模生产，使得农产品质量安全问题日益突出。为此，针对影响食品安全最关键的监测技术，相关监测方法和设备的课题是目前研究的一个热点，具有时代紧迫性、战略性，有着重大的科学意义和潜在的应用价值，且具有非常巨大的市场前景和特有的技术优势。因此，以食品安全监测技术为突破口，以建立健全符合我国国情的食品监测系统为主要目标，进行食品安全监测仪研究，进而开发拥有自主知识产权的食品安全监测方法和设备，对提高产品竞争力，满足人民的健康需要，提升我国的食品安全形象等具有重要的现实意义。

目前针对食品安全监测的仪器大部分采用光谱分析仪器。光谱分析仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备，广泛应用于化学分析、农业生产、环境监测、临床检验、工业检测以及航空航天遥感等领域。现有的光谱仪主要包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶型、声光调谐等，但都有各自优缺点。

滤光片型：结构简单、成本低、光通量大、坚固耐用，但灵活性差，分辨率很低，检测对象单一，仅适于特殊的用途。

光栅扫描型：仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过样品进入检测器检测。这种分光技术发展成熟，应用广泛。但也存在扫描速度慢，波长重现性差，内部移动部件多，难以在线监测和微小型化的缺点。

傅立叶变换光谱技术：能同时测量、记录所有波长的信号，光通量大，分辨率和信噪比高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线长久可靠性受到限制，另外对仪器的使用和放置环境也有严格的要求。价格昂贵、体积庞大，目前仅限于实验室使用。

声光调谐：是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的调谐技术。程序化的波长控制使其应用更佳灵活。但分辨率相对较低，价格高。

还有非扫描固定光路多通道近红外光谱仪器，其色散系统采用平面光栅或全息光栅，无可移动部件，速度快，适合作为现场或在线分析仪器使用。缺点是在近红外探测阵列极其昂贵，属于高档检测仪器，用户范围小，难以普及。

目前，随着MEMS技术的发展，光谱分析仪向微型化、速度快、低成本、高精度发展是必然之路，而且十分迫切。利用MEMS技术制作微型光谱仪是食品安全监测仪器的重点和热点。

国外具有代表性的是：①美国德州仪器公司的Ronald E.Stafford等人提出使用DMA(Digital Mirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，仪器成本低，检测速度高；但是其采用三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低，价格昂贵。②美国Polychromix公司，Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组的Stephen Senturia教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪，该谱仪可测波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动而可能带来的误差。在近红外光谱监测技术领域是真正意义上从实验室检测仪器发展到了现场检测仪，目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监测。但是，其使用三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高，国内很难加工，价格昂贵，同时受到国外专利保护及技术垄断。③德国的F.Zimmer等人提出的一种基于MEMS技术的扫描光栅光谱仪，复色光入射到可旋转的光栅上，通过调制光栅，使不同波长的衍射光入射到单个InGaAs探测器。可测范围0.9um～2um。但是，该光栅光谱仪中使用了机械扫描结构，同时所使用的衍射光栅加工复杂。此外，德国Hamburg-Harburg大学、瑞士Neuchatel大学、美国斯坦福大学、芬兰学者MarttiBlomberg等都进行了光谱仪方面研究。

国内具有代表性的是：重庆大学开发的基于微镜的红外光谱仪器和集成微型近红外光谱仪。该微型近红外光谱仪采用MEMS扫描微镜，使用集成化技术，仪器体积大大减小，是国内科研机构最早研制出来的微型近红外光谱仪。但是由于国内工艺很难有效解决扫描镜面积(入光能量)和驱动电压这两个关键参数的匹配，目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外光谱仪的研究。另外重庆大学也研制了基于线阵探测器件的微型近红外光谱仪。但是，由于使用昂贵的InGaAs探测线阵，仪器成本比较昂贵。此外，天津大学、中国科学院长春精密机械及物理研究所、复旦大学等都进行了光谱仪器的研究，华中农业大学、石油化工科学研究院等进行了基于光谱分析的食品安全监测研究，并取得了一定的成绩。

但是，以上的这些光谱监测方法存在以下问题：

(1)除了滤波片型光谱仪，均只能进行少样本定点抽查检验或者实验室使用，而且费用昂贵；而滤波片型的检测对象又过分单一，造成了我国食品安全监测力度弱的现状。

(2)国外技术受专利垄断，不利于国内推广应用。

(3)作为光谱分析仪器中的关键器件——衍射光栅/调制器，上述光谱分析仪器用到的此类器件，其MEMS工艺制作较复杂。

(4)近红外光谱的线阵探测器价格昂贵，不利于整套监测系统的低成本，难以提高监测仪器的普及率。

鉴于目前食品安全监测设备以上的缺点，加之我国属于农业大国，农田面积广，种植点分散，污染严重，监控面窄，监测仪器数量少，检查程序烦琐等特点，只有提高监测仪器的普及率，从食物的源头进行质量把关，才能从根本上提高我国的食品监测力度，提高人民生活水平和对外出口经济效益。

发明内容

本发明的目的是针对目前我国食品安全领域缺乏快速监测手段和设备的需要，提供的一种价格低廉、监测速度快、体积小、重量轻、使用方便、容易实现快速在线监测的基于光盘的食品安全监测仪。欠发达国家同样需要此类食品安全监测仪器。

本发明的技术方案如下：

一种基于光盘的食品安全监测仪，光源、样品池、探测部分、作为分光元件的光盘、线阵CCD探测器或CMOS探测器；所述样品池设置在光源与光盘之间，光源发出的光，经过样品池，通过探测部分，入射到光盘上，在光盘的光衍射线路上设置线阵CCD探测器、CMOS探测器或使用多个光电二极管构成的多通道探测阵列，获得各种波长的光强，实现被检测样品光谱的监测。

光源发出的光，经过样品池入射到光盘上(光盘作为分光元件)，由于光盘的周期数小于2微米，具有很高的分辨本领，不同波长的光衍射角度不同，安置在探测面上的线阵CCD探测器或CMOS探测器获得各种波长的光强，实现光谱的监测。

光源与光盘之间设计样品池，其探测方式可以是反射式，也可以是透射式，从而实现对样品的监测。样品信息采集也可以使用光学探针，从而满足特殊场合探测要求，应用领域更为广泛。

该系统还可以针对具体特定检测对象，使用多个光电二极管构成多通道探测阵列，仅对感兴趣波长的光强进行探测，集成为专用检测仪，能进一步降低成本。

该系统可以应用于食品安全监测、生化分析、水质监测、环境污染监测等领域。

本发明具有如下的优点：

本发明使用的光盘作为分光元件，如CD、DVD等，CD、DVD的道间距分别为1.6um、0.74um，可以看作周期分别为上述值的光栅，具有很大的色散能力，很高的分辨本领；且容易制作，市场上容易买到，价格极其便宜，几乎为“零成本”，极大地减少了整个光谱监测系统的成本。

本发明采用的元件少，价格低廉、体积小、重量轻、使用方便、安装简单，容易实现快速在线监测。

本发明通过设计探测方式，可利用反射式/透射式实现对样品的监测，可广泛应用于食品安全监测、环境监测、水质监测、大气污染监测等领域。

附图说明

图1：基于光盘和线阵探测器的光谱监测光学系统结构示意图

图2：探测方式示意图

图2a：反射式探头示意图

图2b：透射式探头(带光纤)

图3：光盘表面示意图(光盘类似于光栅，周期为d，宽度为a)

图4：光盘光谱

其中：21为光源；22装有待监测样品的样品池；23为狭缝；24为光盘；25为线阵CCD探测器；26待监测样品；27入射光纤；28出射光纤；29入射光纤；30出射光纤。

具体实施方式

如图1所示，光源21出射的光经过样品池22(探测部分可采用反射式，也可采用透射式)，通过狭缝23照射到光盘24上，由于光盘24的分光作用，将不同波长的入射光衍射到不同的角度，衍射光被线阵CCD探测器25探测，达到食品安全监测的目的。

本监测仪除采用图1的狭缝做透射式探头外，还可采用不同探头对监测样品进行信息获取。如图2所示，图2a为采用光纤的反射式探头，入射光纤27和出射光纤28设置在样品池22的同侧，入射光纤27携带光源信息照射到样品池22的待监测样品26上，经过样品后的光进入出射光纤28，再到达后续设置的光盘24。图2b为采用光纤的透射式探头，入射光纤29和出射光纤30设置在样品池22的两相对面，如果待监测样品26为透光体，构成透射型测量方式，入射光纤29携带光源信息照射到样品池22内的待监测样品上，经过待监测样品后的透射光进入出射光纤30，再到达后续设置的光盘24上。

光盘4类似一个相位光栅，如图3所示，周期为d，具有光栅的衍射作用。当用多色光照射时，不同波长的同一级主极大，除零级外，均不重合，即发生“色散”现象。因此，经过透镜后，将得到该多色光所有波长的各级亮线，即光盘光谱线，如图4所示。

光盘的色散满足普通的光栅方程，即

d(sini±sinθ)＝mλ                                             (1)

其中i为入射角，θ为衍射角，m为衍射级次，λ为入射光波的波长，(+)号表示衍射光和入射光在光栅法线的同一侧，(-)号表示他们各在法线的一侧。

通常用角色散或者线色散表示不同波长谱线分开的程度。波长相差1埃的两条谱线之间的角距离，成为角色散，表示为

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{m}{d\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

线色散是焦平面上波长相差1埃的两条谱线之间的距离，表示为

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{\mathrm{fm}}{d\cos \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

f为透镜的焦距。

从式(2)、(3)可以看出，光谱仪器的色散越大，就越容易将两条靠近的谱线分开，由于光盘的光栅常数d很小，所以光盘具有很大的色散本领。这一特性，使得基于光盘的光谱监测系统成为一种优良的光谱仪器。

图4中示出波长分别为λ1，λi的两种光波的光谱线，可见两种波长的零级谱线重合，而其他级次的谱线彼此分开，分开的程度随级次增高而增大。

通常把波长λ与在该波长附近能被分辨的最小波长差δλ的比值作为分辨本领的量度，因此，光栅的分辨本领可表示为

$A=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\δ\λ}}=\mathrm{mN}---\left(4\right)$

光栅的分辨本领等于光谱的级次m与光栅缝数N的乘积。光盘缝数一般大于1000，可见，光盘具有很高的分辨本领。

Claims (5)

1、一种基于光盘的食品安全监测仪，其特征在于它包括：光源、样品池、探测部分、作为分光元件的光盘、线阵CCD探测器或CMOS探测器；所述样品池设置在光源与光盘之间，光源发出的光，经过样品池，通过探测部分，入射到光盘上，在光盘的光衍射线路上设置线阵CCD探测器、CMOS探测器或使用多个光电二极管构成的多通道探测阵列，获得各种波长的光强，实现被检测样品光谱的监测。

2、根据权利要求1所述的基于光盘的食品安全监测仪，其特征在于：所述作为分光元件的光盘采用VCD或DVD。

3、根据权利要求1所述的基于光盘的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用反射式探头，即通过将入射光纤和出射光纤设置在样品池同侧而构成，入射光纤携带光源信息照射到样品池内的待监测样品上，经过待监测样品后的光反射进入出射光纤，再达到后续设置的光盘上。

4、根据权利要求1所述的基于光盘的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用透射式探头，即通过将入射光纤和出射光纤设置在样品池两相对的两侧而构成，入射光纤携带光源信息照射到样品池内的待监测样品上，经过待监测样品后的透射光进入出射光纤，再到达后续设置的光盘上。

5、根据权利要求1所述的基于光盘的食品安全监测仪，其特征在于：所述探测部分采用投射式探头，即在样品池与光盘之间设置狭缝，光源发出的光透射过样品池内的待监测样品，经过狭缝，再到达后续设置的光盘上。

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