CN103712949A - 一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法及装置，该检测方法利用激光在食用油中激发产生光热效应，通过对不同激发波长下所产生的光热效应进行检测，来获得不同品质下食用油的吸收光谱，从而实现对食用油的品质的检测鉴别。本发明还提供一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置。与其它光谱分析方法相比，本发明消除了散射对测量结果的影响，测量结果更加可靠；本发明对光吸收率的检测灵敏度极高，在食用油中杂质成分极少的情况下也能够实现检测。

Description

一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法及装置

技术领域

本发明涉及油品检测鉴别技术领域，具体是一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法及装置。

 

背景技术

食品安全，关系每一个人的生命健康，是重中之重。因而对各类食品安全的检测鉴别技术的需求也非常迫切。各类食用油，是人们日常生活必不可少的必需品。但是，近年来，一些不法经营者为了谋取暴利，使用地沟油等劣质油来冒充合格的食用油。地沟油中含有大量的有害物质，严重危害了人们的健康。因此，能够快速、有效地进行食用油品质的检测鉴别，就有着非常重要的意义。

因为普通食用油和掺假的食用油在成分上有所不同，掺假的食用油里面，往往重金属、毒素（比如丙烯醛、黄曲酶毒素等）严重超标，这也使得普通食用油和掺假食用油相比，一些物理参数也有所不同，如光学吸收率、折射率等。常用的油品检测技术有色谱分析和光谱分析法。在色谱分析方法中，需要对待测的样品进行一定的处理，检测过程比较复杂，也不满足快速检测的要求。并且该方法改变了样品的构成，检测后样品无法再利用。常见的光谱分析方法有分光光度法、拉曼光谱法等，但是这些方法都有不足。分光光度法中通常是直接测量透过样品的光的强度的变化，再根据朗伯比尔（Lambert-Beer）定律来获得样品的吸收率以及吸收光谱。这种方法在对弱吸收样品进行检测时，会产生比较大的误差，主要的误差来源是样品表面及样品内部对光的散射，比如劣质食用油内所含的杂质等。因为这部分散射所造成的光强变化往往会被计算在吸收之内，当样品吸收很弱时，这会造成比较大的检测误差。拉曼光谱法是通过对样品分子引起的拉曼散射效应进行检测，从而获得有关样品分子的结构特征。不同的分子结构对应不同的拉曼特征谱线。但是拉曼散射本身的效率很低，散射光也很弱，这样在样品中杂质成分比较小的时候，检测的灵敏度也会收到很大的限制。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量结果可靠、检测灵敏度高的基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法及装置，通过该检测方法及装置实现对食用油的品质进行检测鉴别。 

本发明的技术方案为：

一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，包括以下步骤：

（1）对泵浦光源输出的泵浦光束的光强进行调制，并将经过调制的泵浦光束聚焦后照射到被测食用油样品上,食用油样品因为吸收泵浦光能量而引起局部温度升高；

（2）将探测光源输出的探测光束聚焦后也照射到被测食用油样品上，与泵浦光束的照射区域重合；

（3）采用光电探测器对从被测食用油样品出射的探测光束进行探测，光电探测器将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置进行检测，获得探测光束的传播特性在经过被测食用油样品时的变化量；

（4）根据探测光束的传播特性在经过被测食用油样品时的变化量，得到被测食用油样品对泵浦光的吸收特性；

（5）改变泵浦光的波长，重复上述步骤，得到被测食用油样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测食用油样品的吸收光谱。

所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，所述步骤（3）中，从被测食用油样品出射的探测光束经由探测光会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器后，再进入光电探测器。

所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，所述步骤（3）中，所述交流弱信号检测装置选用锁相放大器。

一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，包括分别与食用油样品池通过合束装置光路连接的泵浦光源和探测光源以及分别与食用油样品池通过分束装置光路连接的泵浦光吸收装置和光电探测器，所述泵浦光源与合束装置之间依次设有泵浦光调制装置和泵浦光会聚装置，所述探测光源与合束装置之间设有探测光第一会聚装置，所述分束装置与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器；所述光电探测器的输出端与交流弱信号检测装置的输入端连接。

所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，所述探测光第一会聚装置与合束装置之间设有探测光角度调整装置。

所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，所述泵浦光调制装置与泵浦光会聚装置之间设有泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。

所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，所述探测光滤光装置与空间滤波器之间设有探测光分光装置，所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。

本发明利用光热效应来测量食用油样品的光热吸收光谱，泵浦光诱导产生的食用油样品的特性发生变化，只是由于食用油样品吸收泵浦光能量而引起的，因此，光电探测器所测得的信号只反映食用油样品的吸收特性，食用油样品表面及内部的散射对测量结果不产生影响。与其它光谱分析方法相比，本发明消除了散射对测量结果的影响，测量结果更加可靠；本发明对光吸收率的检测灵敏度极高，可以达到10^-8，大大优于采用分光光度法所达到的10^-5～10^-6的检测灵敏度，在食用油中杂质成分极少的情况下也能够实现检测。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

本发明利用光热吸收光谱进行食用油检测的理论依据如下：常见食用油多为植物油，主要成分是棕榈酸、硬脂酸、油酸等脂肪酸。不同品质的植物油其脂肪酸的组成和含量也有所不同，因此其吸收光谱也各不相同，例如，在紫外波段，葵花籽油有280.4nm、269.6nm、259.4nm和230.6nm四个吸收峰，花生油有279.8nm、269.2nm两个吸收峰，其它品质的食用油的吸收峰的位置也各不相同；再有，在红外波段，不同种类、不同品质的食用油，虽然其吸收峰的位置基本相同，但是因为其中各类脂肪酸的含量不同，因此其吸收峰的大小各不相同。另外，常见的地沟油主要来源于：下水道漂浮的油腻物或宾馆酒楼的泔水，劣质货带有病菌的动物的脂肪，经过简单提炼加工，地沟油中会含有大量的重金属、毒素和动物蛋白等。这些物质的光学吸收特性也各不相同，例如，重金属元素铅在217nm和283.3nm有显著的吸收特征，镉在228.8nm和326.2nm处有显著的吸收特征。因此，不同品质下食用油的吸收光谱也各不相同。通过对不同食用油的吸收光谱进行测量比对，就可以实现食用油品质的检测鉴别。  

如图1所示，一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，包括泵浦光源1、泵浦光调制装置2、泵浦光分光装置3、泵浦光功率探测装置4、泵浦光会聚装置5、合束装置６、被测食用油样品池７、泵浦光吸收装置８、探测光源９、探测光第一会聚装置10、探测光角度调整装置11、分束装置12、探测光第二会聚装置13、探测光滤光装置14、探测光分光装置15、探测光功率探测装置16、空间滤波器17、光电探测器18和交流弱信号检测装置19。

泵浦光调制装置2可采用光调制器或者斩波器，泵浦光分光装置3和探测光分光装置15可采用分光片或者分光棱镜，泵浦光功率探测装置4和探测光功率探测装置16可采用功率计或者功率探测器，泵浦光会聚装置5、探测光第一会聚装置10和探测光第二会聚装置13可采用聚焦透镜，合束装置６可采用双色镜或者分光片，探测光角度调整装置11可采用高反射镜，分束装置12可采用分光片或者分光棱镜，探测光滤光装置14可采用滤光片，交流弱信号检测装置19可采用锁相放大器。

由泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光调制装置2后，其光强受到调制，调制后的泵浦光束经过泵浦光分光装置3被分为两束，其中一束进入到泵浦光功率探测装置4，用于对泵浦光的功率进行监测，另一束则由泵浦光会聚装置5聚焦并经过合束装置6后照射到被测食用油样品池7内，用于激发光热效应，经过被测食用油样品池7的剩余的泵浦光束由泵浦光吸收装置8吸收。

由探测光源9发出的探测光束依次经过探测光第一会聚装置10、探测光角度调整装置11和合束装置6后，也照射到被测食用油样品池7内，与泵浦光照射的区域重合，透过被测食用油样品池7的探测光束依次经过分束装置12、探测光第二会聚装置13，再经过探测光滤光装置14滤掉除探测光以外的其它波段的杂散光，经过探测光滤光装置14的探测光束由探测光分光装置15分为两束，其中一束进入到探测光功率探测装置16，用于对探测光的功率进行监测，另一束则经过空间滤波器17后由光电探测器18进行探测，光电探测器18将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置19进行检测，再经过后续的数据分析处理，得到被测食用油样品的吸收光谱。

本发明的工作原理：

将一束较强的泵浦光经过调制后照射到被测食用油样品池7内与被测食用油样品相互作用，被测食用油样品由于吸收泵浦光能量而导致局部温度升高，从而引起被测食用油样品的局部物理特性发生改变，这种现象也称为光热效应。光热效应与被测食用油样品的光吸收率的大小是相关的，吸收越大，光热效应也就越显著。再将一束较弱的探测光经过被测食用油样品中泵浦光的照射区域，由于泵浦光在该区域激发产生的光热效应，经过该区域的探测光束的传播特性会发生变化，产生新增的会聚或发散效应。探测光束传播特性的变化可以通过设置在从被测食用油样品池7出射的探测光路上的空间滤波器17和光电探测器18来检测得到。空间滤波器17允许部分探测光能量进入光电探测器18，由于光热效应引起探测光产生新增的会聚或发散，这样经过空间滤波器17进入到光电探测器18的探测光能量就会发生相应的变化，由于探测光束传播特性的变化量往往比较小，甚至小于探测光束本身的噪声波动，因此一般需要利用交流弱信号检测装置来进行检测，常用的交流弱信号检测装置有锁相放大器等，采用锁相放大器进行检测时，将对泵浦激光光束进行光强调制的调制信号频率作为锁相放大器的参考信号频率， 这样可以大大抑制探测光束本身的噪声以及外部环境噪声等对测量结果的影响，达到很高的检测灵敏度；调制信号的频率不宜过高，这样可以消除被测食用油样品本身热物理特性对检测结果的影响。

在检测条件不变的情况下，光电探测器18所检测到的探测光信号只与被测食用油样品本身在泵浦光波段的吸收特性有关，因此，光电探测器18所检测到的探测光信号的大小直接反映被测食用油样品的光吸收率的大小。光电探测器18输出的电信号比较微弱，利用锁相检测技术将其进行放大，再经过适当定标处理后就可以转化成被测食用油样品的光吸收率信息。改变泵浦光的波长，重复以上的检测过程，就可以获得被测食用油样品在不同波长下的光吸收率的大小，从而获得被测食用油样品的光热吸收光谱。因为不同品质的食用油的成分及含量不一样，因此它们的光热吸收光谱也各不相同，通过对被测食用油样品的光热吸收光谱进行测量比对，可以对它们进行分类鉴别。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对泵浦光源输出的泵浦光束的光强进行调制，并将经过调制的泵浦光束聚焦后照射到被测食用油样品上,食用油样品因为吸收泵浦光能量而引起局部温度升高；

（2）将探测光源输出的探测光束聚焦后也照射到被测食用油样品上，与泵浦光束的照射区域重合；

（3）采用光电探测器对从被测食用油样品出射的探测光束进行探测，光电探测器将探测的光信号转化成电信号，输入交流弱信号检测装置进行检测，获得探测光束的传播特性在经过被测食用油样品时的变化量；

（4）根据探测光束的传播特性在经过被测食用油样品时的变化量，得到被测食用油样品对泵浦光的吸收特性；

（5）改变泵浦光的波长，重复上述步骤，得到被测食用油样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测食用油样品的吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，其特征在于,所述步骤（3）中，从被测食用油样品出射的探测光束经由探测光会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器后，再进入光电探测器。

3.根据权利要求1所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测方法，其特征在于,所述步骤（3）中，所述交流弱信号检测装置选用锁相放大器。

4.一种基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，其特征在于：包括分别与被测食用油样品池通过合束装置光路连接的泵浦光源和探测光源以及分别与被测食用油样品池通过分束装置光路连接的泵浦光吸收装置和光电探测器，所述泵浦光源与合束装置之间依次设有泵浦光调制装置和泵浦光会聚装置，所述探测光源与合束装置之间设有探测光第一会聚装置，所述分束装置与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光滤光装置和空间滤波器；所述光电探测器的输出端与交流弱信号检测装置的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，其特征在于：所述探测光第一会聚装置与合束装置之间设有探测光角度调整装置。

6.根据权利要求4所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，其特征在于：所述泵浦光调制装置与泵浦光会聚装置之间设有泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。

7.根据权利要求4所述的基于光热吸收光谱技术的食用油检测装置，其特征在于：所述探测光滤光装置与空间滤波器之间设有探测光分光装置，所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。