CN102507491B - 一种水飞蓟籽品质的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水飞蓟籽品质的检测装置，涉及中药原料药品质无损检测技术领域。包括光谱信号采集系统和与该光谱信号采集系统电连接的微处理器；所述光谱信号采集系统用于对待测水飞蓟籽进行光谱扫描，采集待测水飞蓟籽漫反射近红外信号并传输到所述微处理器中。本发明还公开了一种水飞蓟籽品质的检测方法。本发明将基于近红外的光学检测手段应用于中药原材料品质的无损检测过程中，具有检测精度高、结果一致性好和自动化程度强等优点，本发明完成一次检测耗时不超过1分钟，在初级中药原材料的现场品质检测中能方便的应用，能快速且全面的评价水飞蓟籽的品质。

Description

一种水飞蓟籽品质的检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及中药原料药品质无损检测技术领域，特别涉及一种基于近红外光谱技术的水飞蓟籽品质快速无损检测装置和方法。

背景技术

水飞蓟别名水飞雉、奶蓟、老鼠勒、乳蓟子，属菊科，药用草本植物。原产于地中海沿岸，现广泛分布于欧洲、北美洲、亚洲、非洲等地，我国陕西、黑龙江、辽宁、江苏、湖北等地均有栽培。水飞蓟籽是水飞蓟的种子，长扁卵形，瘦果，长约7mm，宽约3mm，厚约1-2mm，顶端突出，一侧稍凸，有黑褐色、黑灰色和白色3种。

水飞蓟素是水飞蓟籽的药用有效成分的总提取物，主要分布于种壳中，种仁中含量极微，其主要成分为水飞蓟宾、异水飞蓟宾、水飞蓟宁、水飞蓟亭和水飞蓟醇，其中以水飞蓟宾的含量相对最高，抗肝炎活性最强，市场需求量很大。水飞蓟籽含油率一般为20％-30％左右，其中不饱和脂肪酸高达80％以上。国外一些国家很早就食用水飞蓟油。水飞蓟油还可用作抗皱护肤品的填料，并可防治动脉粥样硬化、高血压。水飞蓟油主要含在水飞蓟籽的胚即种仁中，壳中基本不含。水飞蓟种仁中蛋白质含量(20％)高于一般谷物，研究证明，水飞蓟籽仁中蛋白质含量较高，氨基酸种类齐全，水飞蓟蛋白是一种优质蛋白，其效价在大豆蛋白和小麦蛋白之间。

目前国内外制药公司已经不仅仅是简单利用水飞蓟籽提取水飞蓟宾，而是期望在水飞蓟籽壳仁分离的基础上，在同一条工艺路线中同时获得水飞蓟籽仁中的油、蛋白的以及高纯度的水飞蓟素。这就需要在原料收购时，能够获得高品质的水飞蓟籽，需要对原料中的水飞蓟素、蛋白含量、脂肪酸含量及水分等等进行检测。但是按照中国《化学药品地标升国家药品标准第七册WS-10001-(HD-0600)-2002》的标准，仅有通过干燥失重法检测水分，HPLC(High Performance LiquidChromatography，高效液相色谱法)检测水飞蓟总素含量，以及灰分、重金属、农残等等检测，具有下列不足：(1)属于常规理化分析方法，虽然具有较高的准确度和可靠性，但是，其属于破坏性检测，检测时间长，不适合原料药品质的快速检测。(2)耗时，在原料大量上市收购的时候，由于检测的时间太长，会影响整个收购及生产环节；(3)检测项目不全面，缺少水飞蓟油和蛋白的检测，不能对水飞蓟籽原料品质进行全面的评价。《GB/T 5512-2008粮食中粗脂肪含量测定》和《GBT 5511-2008谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法》虽可分别检测脂肪和蛋白含量，但需要对样品进行破坏，耗时、消耗化学试剂。然而由于水飞蓟籽的品质(含量和水分)受到不同生长地区的气候和环境的影响较大，在选择水飞蓟籽的过程中，常常因为不能快速取得水飞蓟籽的品质数据，而延误购买的最佳价格点和品质点，因此迫切需要开发能快速且能全面评价原料品质的无损检测水飞蓟籽的方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种水飞蓟籽品质的检测装置和检测方法，能快速且全面的评价水飞蓟籽的品质。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种水飞蓟籽品质的检测装置(以下简称“检测装置”)，包括光谱信号采集系统、微处理器和显示装置；其中光谱信号采集系统，用于对积分球内的待测水飞蓟籽进行光谱扫描，采集待测水飞蓟籽漫反射近红外光谱信号并传输到微处理器中；微处理器通过外围电路为各个光源提供驱动电流，控制积分球上多个单色光源的轮流点亮顺序和时间，同时将接收到的经过外部电路调理的漫反射光谱信号储存在存储区，存储并引用调入的模型参数，对光谱数据进行分析，计算出被检测水飞蓟籽的品质指标值，通过USB接口完成与上位机之间的数据通信等；显示装置用于将微处理器计算出来的品质指标值显示出来。

所述光谱信号采集系统可为积分球式光谱信号采集系统，包括入射光源、积分球外壳、样品杯和检测器，其中取消了分光系统，光源系统由全波长光源变为多个单色光源，多个单色光源由一系列能发出特定波长的光学器件构成，如半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(LD)；从而有序发出不同波长的光，通过积分球壁反射均匀照射在样品上，检测器获得不同波长的吸光度，得到水飞蓟籽的吸收光谱，针对不同的水飞蓟籽的品质指标，选用不同的单波长半导体近红外光源，用于将光照射在一定量的待测水飞蓟籽表面；为实现对多种组分的测量，对多个单波长半导体光源采取轮流点亮的方式，根据不同的水飞蓟籽品质检测需要和专用及通用仪器的要求，选用不同的光源组合方式、光源个数和轮流点亮顺序，点亮持续时间和间隔时间根据测量要求可以调整。

所述积分球，用于集成入射光源、样品杯和检测器，根据光源的发光功率和待测样品的相应指标含量的不同，选用不同规格的积分球。积分球内壁涂有对近红外光高反射率的金属涂层。积分球内表面使得漫反射光均匀一致，积分球结构便于集成多个入射光源和单个检测器。

所述样品杯，采用低羟基石英玻璃制作，由积分球外插入到积分球内部，可以位于积分球的中心轴位置或偏离中心轴位置；实现样品的体吸收，根据水飞蓟籽的结构特点对应于不同直径的样品杯规格和一定偏离积分球中心轴的偏心量测量水飞蓟籽的近红外光谱信息参数。

所述积分球可在入射光源和样品杯之间设置光源入射柔光挡板，避免由光源发出的准单色光直接射向样品杯，形成在样品杯表面的镜面反射，干扰由于样品吸收光源后的体漫反射光的信息，达到凸显体漫反射光的信息量的作用。

所述积分球在入射光源和样品杯中设置光源入射柔光挡板的同时，为了避免由光源发出的准单色光直接射向样品杯，形成在样品杯表面的镜面反射，还可以采用样品杯的放置位置偏离积分球的中心轴，即样品杯轴与积分球中心轴之间存在一个错位，从而达到改变准单色光与样品杯的空间位置关系，避免产生样品杯的镜面反射现象。

所述检测器可以是半导体检测器，用于接收均布于积分球内壁的水飞蓟籽漫反射光谱信号，并把这些携带有样品信息的近红外光信号转变为电信号，通过A/D转换器转变为数字信号输入微处理器。检测器不间断地进行扫描，并将不同光源的扫描结果分别存储。

本发明还公开了一种水飞蓟籽品质的检测方法，该方法分建模和快速检测两个阶段，建模阶段是一个一次性关联和局部调整的过程，而快速检测则是仪器的应用过程。在建模阶段，检测器将接收到的光谱信号传入微处理器中，微处理器通过USB接口与上位机相连，导出测得的数据到上位机的模型建立软件中，建立水飞蓟籽的含水率、脂肪和蛋白含量等品质指标与对应的光谱信号之间的关联模型，上位机建模之后，将获得的模型参数下传到微处理器的相应存储区，为实现快速检测做准备。在快速检测阶段，检测器将接收到的光谱信号传入微处理器中，微处理器调用相应品质的模型参数进行计算，得到被检测水飞蓟籽的含水率、脂肪和蛋白含量的品质指标，以实现水飞蓟籽品质的无损检测，同时通过结果显示装置显示品质指标值。

一种水飞蓟籽品质的检测方法的建模具体步骤如下：(1)先取不同水分、脂肪、水飞蓟总素含量和蛋白的水飞蓟籽样品若干份(120份左右)，一部分作为校正集(50～80份)，另一部分作为预测集(20份左右)，其余部分作为待测样品，采用《化学药品地标升国家药品标准第七册WS-10001-(HD-0600)-2002》中规定的检测方法测定校正集样品和预测集样品的含水量和水飞蓟总素含量，其中水飞蓟总素含量以水飞蓟宾计，采用《GB/T 5512-2008粮食中粗脂肪含量测定》测定校正集样品和预测集样品的脂肪含量，采用《GBT 5511-2008谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法》测定校正集样品和预测集样品的蛋白含量作为实测值；(2)再用本发明的光谱信号采集系统采集校正集样品、预测集样品以及待测样品的漫反射光谱信息，用校正集的光谱数据与其含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量实测值间的关系建立校正模型；(3)将预测集的光谱数据代入到校正模型中进行预测，获取预测集的含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量的预测结果并分析与其实测值的差异，选取预测精度达到要求的校正模型；(4)最后将模型参数导入到微处理器中。所述校正模型可为先采用全波段的傅立叶变换型近红外光谱仪得到水飞蓟籽的全波段近红外光谱，在此基础上采用遗传算法寻找出能反映表征水飞蓟籽品质指标的特征波长点，对找出的特点波长点处的光谱信息进行主成分分析等多种方法的加权信息表达方法，再结合仿生算法中的诸如采用人工神经网络等方法建立的非线性模型。

所述微处理器中装有近红外水飞蓟籽品质检测程序和对应于不同样品的模型参数与品质指标计算程序，主要控制多光源的轮流点亮，采集光谱数据并计算出水飞蓟籽品质指标值。

检测装置的工作过程：工作时，首先接通电源，设置光谱仪，选择要测量的样品所对应的检测模型。开始进行信号检测，把检测器得到的光谱信号值存入存储区，同时代入模型，计算得到待测样品水飞蓟籽的每个品质指标，显示在界面上。

待测样品的测试操作如下：

1、首先打开电源，对检测装置各部件的参数进行设置，如设置光源强度、波长、点光源组合模式和轮流点亮时间间隔等。

2、测定中药材原料时，将待测水飞蓟籽置入样品室中，装满样品室，启动入射光源和检测器。入射光源发出的光照射到待测水飞蓟籽表面，并在其内部形成漫反射，漫反射出来的光在积分球壁被检测器接收后转换成数字信号，并存入微处理器中，选取已经建立的模型对光谱信号进行计算，将计算得到的待测水飞蓟籽的某项品质指标值通过显示装置显示出来。

3、将测试后的样品取出，清扫样品室，做下一次测试准备。

有益效果：本发明为水飞蓟籽收购现场的品质评定和合理定价提供了技术保障，与目前的理化分析方法及人工方法对中药原材料品质的评定和定价方法相比，客观性、重复性更强。本发明完成一次检测耗时不超过1分钟，在初级中药原材料的现场品质检测中能方便的应用。本发明将基于近红外的光学检测手段应用于中药原材料品质的无损检测过程中，具有检测精度高、结果一致性好和自动化程度强等优点，既为初级中药材原料的收购过程提供了监测依据，又进一步为以品质为依据的中药材原料标准化分级创造了条件。本发明将样品杯插入到积分球内部，充分利用积分球的结构特点，将入射光源、样品杯和检测器集成在一个积分球外壳上，同时在积分球采用多个单色光源代替连续光源，省去分光系统，从而使仪器结构更加紧凑和小型化。

附图说明

图1为水飞蓟籽品质的检测装置结构示意图；

图2为积分球式光谱信号采集系统的第一种结构示意图；

图3为积分球式光谱信号采集系统的第二种结构示意图；

图4为水飞蓟籽品质的检测装置的系统总体框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明对中药材原料品质的无损检测具有通用性，但由于中药材原料种类很多，因此本发明只举一个用于水飞蓟籽含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量实检测的实施实例，其他中药材原料的检测可参照该实施实例的方法，具体针对所测的中药材原料品质的某项指标，建立一个新的模型，就可以对该类中药材原料进行测试了。

本发明一种水飞蓟籽品质的检测装置和检测方法，结合附图和实施例说明如下：

先取不同水分、水飞蓟总素含量、脂肪和蛋白的水飞蓟籽样品若干份(120份左右)，一部分作为校正集(50～80份)，另一部分作为预测集(20份左右)，其余部分作为待测样品，采用《化学药品地标升国家药品标准第七册WS-10001-(HD-0600)-2002》中规定的检测方法测定校正集样品和预测集样品的含水量和水飞蓟总素含量，其中水飞蓟总素含量以水飞蓟宾计，采用《GB/T 5512-2008粮食中粗脂肪含量测定》测定校正集样品和预测集样品的脂肪含量，采用《GBT5511-2008谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法》测定校正集样品和预测集样品的蛋白含量作为实测值；用检测装置对水飞蓟籽进行光谱扫描，把检测器4得到的光谱信号值保存在微处理器中。然后通过USB通信接口6将数据导入到上位机中，先采用遗传算法计算最佳波数段及信息权重量，再采用人工神经网络建立的非线性模型，建立光谱信号值与水飞蓟籽水分含量、水飞蓟总素含量、脂肪和蛋白含量值之间的关联模型。将得到的模型参数通过USB通信接口6写入到光谱仪的微处理器7中。

接下来就可以对未知水飞蓟籽进行快速测定。打开电源开关，通过控制面板与显示屏5选择光源模式为品质检测；用待测水飞蓟籽将样品室2装满，加盖，开始检测；按照事先设定的程序，开始轮流点亮入射光源组3中被选中的光源组合，光源发出的光经过光源入射柔光挡板8后照射到待测水飞蓟籽上，形成漫反射，漫反射出来的光被检测器4接收；检测器4将携带样品信息的近红外光信号转变为电信号，再通过A/D转变为数字信号输入微处理器7中；微处理器7接受此光谱信号值并把光谱信号值代入模型计算，在控制面板与显示屏5上即可显示该水飞蓟籽的水分含量、水飞蓟总素含量、脂肪和蛋白含量值，至此水飞蓟籽品质测试结束。上述近红外检测方法可以实现仪器的建模，模型建立后，实现品质指标的快速检测和显示。

本发明采用国家标准法测定脂肪和蛋白含量作为实测值；由于国家标准中没有专门针对水飞蓟籽测定脂肪和蛋白含量的方法，因此参照《GB/T 5512-2008粮食中粗脂肪含量测定》测定水飞蓟籽中脂肪含量，参照《GBT 5511-2008谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法》测定水飞蓟籽中蛋白含量。

图1为水飞蓟籽品质的检测装置结构示意图，该装置用于实现近红外光学检测仪的建模和水飞蓟籽品质的快速检测。该装置包括积分球式光谱信号采集系统、控制面板与显示屏5、USB通信接口6和微处理器与外围电路7；其中控制面板与显示屏5位于积分球式光谱信号采集系统右侧上部，微处理器与外围电路7位于仪器外壳的底板上，通过仪器外壳右侧的USB通信接口6实现与外部的通信，其中控制面板与显示屏5作为仪器的操作界面，用来完成对仪器的各种操作；USB通信接口6用来实现微处理器7与上位机之间的数据通信，数据通信包括从微处理器上将光谱信息上传至上位机和从上位机上将建立好的样品检测模型下载到微处理器中；微处理器与外围电路7，通过外围电路为各个光源提供驱动电流，控制积分球上多个单色光源的轮流点亮顺序和时间，同时将接收到的经过外部电路调理的漫反射光谱信号储存在存储区，存储并引用调入的模型参数，对光谱数据进行分析，计算出被检测水飞蓟籽品质指标值，通过USB接口完成与上位机之间的数据通信等。

图2为积分球式光谱信号采集系统结构示意图，该系统包括球形外壳1、样品杯2、入射光源组3和检测器4；其中积分球包括具有球形外壳1的中空积分球体，在过球形外壳1围成球形空间的球心的平面上，以上述球心为圆心，在球形外壳1上开有4个通孔，其中三个通孔作为入射光源组3的安装口，以10度为间隔均匀分布，另外一个通孔在与以上三个通孔的位置的中轴垂直的角度，用于安装检测器4。在过圆心，与过以上3个通孔的大圆面垂直的方向上，还有一个通孔，用来安装样品杯2，样品杯2插入到积分球内部；同时在入射光源组3和样品杯2之间设置光源入射柔光挡板8，避免由光源发出的准单色光直接射向样品杯，形成在样品杯表面的镜面反射，干扰由于样品吸收光源后的体漫反射光的信息，达到凸显体漫反射光的信息量的作用。

积分球在入射光源组3和样品杯2之间设置光源入射柔光挡板8的同时，为了避免由光源发出的准单色光直接射向样品杯2，形成在样品杯2表面的镜面反射，还可以采用样品杯2的放置位置偏离积分球的中心轴(如图3所示)，即形成样品杯2轴与积分球中心轴之间存在一个错位，从而达到改变准单色光与样品杯的空间位置关系，避免产生样品杯的镜面反射现象；

本发明中入射光源组3为半导体发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD)光源。

本发明中优选入射光源组3、检测器4和样品杯2处的通孔的开口面积均匀一致，当然，通孔的形状和面积不局限于设置成一致的一种情形，可以根据需要作出适当修改；插入样品杯2的通孔的开口直径要大于样品杯2的外径；球形外壳1的内壁涂有对近红外光具有高反射率(99％)的金属涂层，以保证其光学属性；在插入样品杯2的通孔外侧装有固定装置(图中未示出)，便于样品杯2的放置和定位。

使用上述积分球的检测装置，可以实现三个入射光源，单个检测器的近红外光学测量。

图4为本发明水飞蓟籽品质的检测装置系统总体框图，LD光源经过驱动电路后发出固定波长的单色光，轮流工作，工作时间和工作顺序由单片机设置。光电探测器检测出携带样品信息的光，并将其转换成电信号，经过前置放大和滤波电路后，通过A/D转换成数字信号，然后经单片机处理通过USB接口上传至计算机或显示器显示，再由计算机对所得数据进行分析处理，建立模型，再将其导入单片机的存储模块，以便于可以直接对该物料的某种成分含量进行直接测量。当然其中的LD光源也可以换成LED光源。

Claims (9)

1.一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）取不同含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量的水飞蓟籽样品若干份，其中一部分作为校正集，另一部分作为预测集，其余部分作为待测样品，采用中国国家标准规定的检测方法测定校正集样品和预测集样品的含水量、水飞蓟总素含量、校正集样品和预测集样品的脂肪和蛋白含量作为实测值；

（2）用水飞蓟籽品质的检测装置采集校正集样品、预测集样品以及待测样品的漫反射光谱信息，然后用校正集的光谱数据与其含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量实测值间的关系建立校正模型；所述水飞蓟籽品质的检测装置包括光谱信号采集系统和与该光谱信号采集系统电连接的微处理器；所述光谱信号采集系统用于对待测水飞蓟籽进行光谱扫描，采集待测水飞蓟籽漫反射近红外信号并传输到所述微处理器中；

（3）将预测集的光谱数据代入到校正模型中进行预测，获取预测集的含水量、水飞蓟总素含量、脂肪含量和蛋白含量的预测结果并分析与其实测值的差异，选取预测精度达到要求的校正模型；

（4）将模型参数导入到微处理器中；

（5）对所述水飞蓟籽品质的检测装置各部件的参数进行设置；

（6）将未知水飞蓟籽置入光谱信号采集系统中，启动光谱信号采集系统，将检测得到的光谱信号值代入校正模型进行计算。

2.根据权利要求1所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述校正模型的建立方法为：先采用遗传算法寻找出能反映表征水飞蓟籽品质指标的特征波长点，然后对找出的特征波长点处的光谱信息进行加权信息表达，再结合仿生算法建立非线性模型。

3.根据权利要求1所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述水飞蓟籽样品的总数为120份，所述校正集样品的数量为50至80份，预测集样品的数量为20份，待测样品的数量为50至20份。

4.根据权利要求1所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述光谱信号采集系统为积分球式光谱信号采集系统，该积分球式光谱信号采集系统包括入射光源、积分球外壳、样品杯和检测器，所述积分球外壳设有多个通孔，所述入射光源固定在第一通孔中，所述样品杯通过第二通孔伸入积分球内部，所述检测器固定在第三通孔中。

5.根据权利要求1所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：还包括与所述微处理器电连接的显示装置。

6.根据权利要求4所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：还包括设在所述入射光源和样品杯之间的光源入射柔光挡板。

7.根据权利要求4所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述样品杯的位置偏离所述积分球的中心轴；所述入射光源为3个单色光源，所述第一通孔的数量为3个；所述多个通孔的开口面积相等。

8.根据权利要求4所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述积分球外壳的内壁涂有对近红外光具有高反射率的金属涂层。

9.根据权利要求4所述一种水飞蓟籽品质的检测方法，其特征在于：所述样品杯的材料为低羟基石英玻璃。

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