CN105044062B - 黄曲霉毒素在线检测装置及采用该装置的物料分选设备 - Google Patents

Abstract

一种黄曲霉毒素在线检测装置，包括分布于物料轨迹的两侧的复数个光源发射及信号接收集成单元和上位机，其中的照明系统包括紫外光源及反射紫外光源从而产生一条沿物料垂直方向的线光源的旋转反射镜，信号接收集成单元接收同一物料表面同一位置的反射光的多个荧光波长的信号，并将其转换成电信号，上位机选取其中的任意三路信号合成一幅彩色图像，光信号接收装置中的传感器为单点光电探测器。本发明还公开了一种采用该检测装置的物料分选设备。本发明的有益效果是：有效的检测到物料表面的微弱荧光信号，每个被测物料点只被单点光电探测器探测一次，不存在信号叠加，消除了物料翻滚、跳料等的影响，有效的区分黄曲霉污染物料与正常物料。

Description

黄曲霉毒素在线检测装置及采用该装置的物料分选设备

技术领域

本专利申请技术方案属于食品加工技术领域，尤其是检测霉变物料中的黄曲霉毒素的分选装置。

背景技术

黄曲霉毒素(Aflatxoni，AF)是一种剧毒的强致癌分子真菌毒素，是迄今发现的各种真菌毒素中化学结构最稳定的一种。1993年黄曲霉毒素被世界卫生组织的癌症研究机构划定为已知最强致癌化学物质之一，其毒性比氰化钾大10倍，比砒霜大68倍。研究表明，黄曲霉毒素最易污染花生、玉米、棉籽、禽蛋、肉、奶及奶制品等。因此，检测并剔除出黄曲霉污染食品可大大减小黄曲霉毒素对人体的危害，具有重要的现实意义。

目前已有的黄曲霉毒素分选装置专利基于以下方式实施：

EP2270475A1‘automated system for detecting aflatoxin in food’(检测食品中黄曲霉毒素的自动化系统)中采用高灵敏度高分辨率光谱检测装置(超光谱仪)获取物料荧光图像，能够有效识别黄曲霉污染颗粒，并对破皮物料的识别有了很大的提升，能够做到准确的识别，但超光谱装置价格十分昂贵(2倍)，且输出数据量大，数据冗余，在线识别时难以做到快速，导致产量低，无法满足实际需求。

中国专利申请CN103234945A公开了一种黄曲霉毒素检测及分选装置，方案中采用365nm紫外灯或者紫外LED作为照明光源，采用TDI传感器来提高微弱荧光信号的探测能力，对物料中的黄曲霉毒素进行检测及分选，但采用该种结构有其较大的缺陷，TDI传感器的信号增强是通过多行叠加得到的，见专利的附图3，当物料出现翻滚等情况时，每行需要相加的信号并不是来源于物料的同一个部位，得到的图像信号将不准确，因此，检测精度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有黄曲霉毒素分选设备荧光信号弱，下料过程中翻滚等导致的识别率变差及所选荧光波长特征性不强的问题，提供一种检测精度高的黄曲霉毒素检测及分选装置。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种黄曲霉毒素在线检测装置，包括分布于物料轨迹的两侧的复数个光源发射及信号接收集成单元和上位机，每个光源发射及信号接收集成单元包括照明系统以及光源信号接收单元，照明系统包括紫外光源以及反射紫外光源从而产生一条沿物料垂直方向的线光源的旋转反射镜，信号接收集成单元接收同一物料表面同一位置的反射入射光的多个荧光波长的信号，并将其转换成电信号，通过上位机选取其中的任意三路信号合成一幅彩色图像。

经过研究及实验验证，发现固体物料表面黄曲霉毒素发出的荧光信号太弱，传统的CCD探测器由于信噪比不够高而难以做到在线检测，导致识别率降低，而高灵敏度的TDI传感器是由多行叠加来增强信号的，当物料翻滚时，TDI传感器任意一行看到的信号和其它行看到的信号不是从物料同一个部位发出的荧光，即最终得到的信号是物料多个部位叠加的结果，如此会导致信号混乱，识别也会变差；另外由于TDI传感器现有产品的限制，常规的是基于三基色响应的传感器，要定制检测特定波段的传感器价格将非常昂贵，基于这一研究得出的结论，本申请人进一步研究得出，所述的光信号接收装置中的传感器为高灵敏度单点光电探测器。

作为优化的技术方案，所述复数个光源发射及信号接收集成单元可以对称或不对称的分布于物料轨迹的两侧，也即物料轨迹的两侧的光源发射及信号接收集成单元的数量可以相等，也可以不相等。

作为第一种具体的方案,所述的光信号接收装置为采用单个成像透镜对物料上的一点产生的荧光成像聚焦，经过多个分光滤光片分光后被分成多个波段的光信号，到达对应的多个光电探测器的接收区域，在光电探测器的前端加特征荧光波段滤光片，得到多路荧光波长的信号，通过上位机任意选取三路信号合成一幅彩色图像。

作为第一种实施方案的优选方式，所述的分光滤光片为二向色镜或半透半反滤光片或立方体分光棱镜。

作为第二种具体的方案，所述的光信号接收装置为采用多个分光滤光片先分光，然后采用多个成像镜头收光，产生的荧光直接被多个位于不同位置的成像镜头接收，成像镜头的像面放置在光电探测器的光敏面上，在成像镜头和光敏面之间放置特征荧光波段滤光片，得到物料面同一位置的多个特征波长的信号，通过上位机任意选取三路信号可以合成一幅彩色图像。

作为第三种具体的方案，所述的光信号接收装置为直接采用多个成像镜头收光，产生的荧光直接被多个位于不同位置的成像镜头接收，成像镜头的像面放置在光电探测器的光敏面上，在成像镜头和光敏面之间放置特征荧光波段滤光片，得到物料面同一位置的多个特征波长的信号，通过上位机任意选取三路信号可以合成一幅彩色图像。

作为上述几个实施方案的优选方式，所述的单点光电探测器为光电倍增管或者雪崩管。

作为上述几个实施方案的进一步优化，所述的背景装置放置在照明系统和光接收装置的外面，为特殊结构制作背景装置，避免了背景荧光的干扰，且连续清灰不易破坏表面颜色。

进一步的，所述的特殊结构的背景装置为截面圆形结构，中心为烤漆金属杆，烤漆金属杆外套有高分子材料管。

进一步的，所述的高分子材料管比烤漆金属杆短，两者通过两端胶粘或者螺孔固定。

本发明还提供一种应用上述任一方案的物料分选设备，包括下料装置、物料输送单元、所述黄曲霉毒素在线检测装置、剔除装置，物料自下料装置进入物料输送单元后，被输送到相同结构的光源发射及信号接收集成单元的检测区域，上位机控制剔除装置将含有黄曲霉毒素的物料剔除。

本发明的有益效果是：能够在线获取物料的彩色荧光图片，通过设置合适的黄曲霉毒素荧光特征滤光片，方便的区分出发蓝色、绿色、黄色荧光的黄曲霉污染物料，提高了黄曲霉毒素污染物料的在线识别率。光源可以采用紫外激光器或经过准直的紫外LED；荧光探测器采用高灵敏度的单点光电探测器，可以是光电倍增管或雪崩管，能够有效的检测到物料表面的微弱荧光信号，每个被测物料点只被单点光电探测器探测一次，不存在信号叠加，当物料出现翻滚时，单点光电探测器仍然能瞬时探测到物料点的荧光，消除了物料翻滚、跳料等的影响。从而可以有效的区分黄曲霉污染物料与正常物料。可广泛应用于粮食加工领域，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明黄曲霉毒素检测装置的第一种实施方式原理图；

图2为第一种实施例的光信号激发和收集装置结构原理图；

图3为本发明的线光源产生原理图；

图4为本发明黄曲霉毒素检测装置的第二种实施方式原理图；

图5为本发明实施例二的一种光信号收集装置结构图；

图6为图5的一种光信号收集装置中的限光孔结构图；

图7为本发明黄曲霉毒素检测装置的第三种实施方式原理图；

图8为实施例中的背景装置的一种具体结构图。

图中主要部件名称：1：紫外光源；2：带孔反射镜；3：旋转反射镜；4：物料；6：下料装置；7：物料输送单元；8：光电探测器的外壳；9：光电探测器感光元件；11～17：分光滤光片；31～34、90～96：特征荧光波段滤光片；21～24、 81～86：单点光电探测器；51～52：光源发射及信号接收集成单元；71～72：照明系统；100：限光孔；110：光电探测器的感光区域；131～137：成像镜头；141～146：背景装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

第一实施例

请参照图1，本实施例的黄曲霉毒素在线检测装置包括对称或不对称的分布于物料4轨迹的两侧的两个光源发射及信号接收集成单元51、52。物料4自下料装置6进入物料输送单元7后被输送到相同结构的光源发射及信号接收集成单元51、52的检测区域。

请同时参阅图2所示，每个光源发射及信号接收集成单元包括紫外光源1、带孔反射镜2、旋转反射镜3、成像镜头4、分光滤光片11、12、13、单点光电探测器21、22、23。

每组光源发射及信号接收集成单元中的紫外光源1和单点光电探测器21、 22、23分别对立设置在物料4的轨迹的两侧。

根据本发明的基本原理，所述紫外光源1通常为点光源，如本实施例中给出的紫外激光器，紫外激光器的波长可以选择范围在350～380nm之间的任意值，更优的，通常选择355nm紫外激光器。

上述的所述紫外光源1还可以是经过准直光路准直的大功率的紫外LED，功率可以选择3W以上。

所述紫外光源1发出的准直点光源穿过带孔反射镜2的中心孔，到达旋转反射镜3的反射面上，反射面将入射光反射到物料4的面上，随着旋转反射镜3 的转动，入射光将反射到物料面120的不同的点上，如图3所示，当旋转反射镜3的指定点位于位置a时，反射光的路径为a’，当旋转反射镜3的指定点位于位置b时，反射光的路径为b’，当旋转反射镜3的指定点位于位置c时，反射光的路径为c’。连续的转动将在物料4所处的物料面120上形成一条一定宽度的扫描线。

针对不同的扫描频率要求，可以选用不同面数和转速的旋转反射镜，例如在本发明的所有示例中都采用的是六面反射镜。

上述的反射镜还可以是其它多面反射镜，如10面反射镜或12面反射镜。

上述的反射镜扫描速度通常大于10000转/分钟。

物料4表面产生的荧光信号部分被旋转反射镜3表面反射，到达带孔反射镜2的反射面，再次反射进入成像镜头137，在成像镜头137的上方光路上设置分光滤光片11、12、13，经过分光滤光片11反射的光被单点光电探测器21接收，经过分光滤光片11透射的光进入分光滤光片12，被分光滤光片12反射的光进入分光滤光片13，经过分光滤光片13反射和透射的光分别进入单点光电探测器23和22，经过分光滤光片12透射的光进入单点光电探测器24。

通常在单点光电探测器21～24和分光滤光片11～13之间增加特征荧光波段滤光片31～34。具体的，在单点光电探测器21和分光滤光片11之间增加特征荧光波段滤光片31，在单点光电探测器22和分光滤光片13之间增加特征荧光波段滤光片32，在单点光电探测器23和分光滤光片13之间增加特征荧光波段滤光片33，在单点光电探测器24和分光滤光片12之间增加特征荧光波段滤光片 34。

以花生黄曲霉毒素的检测为例，通常需要设置三个波段的荧光，即要选用三种特征荧光波段滤光片，特征荧光波段滤光片31为波长范围是350～380nm的紫外滤光片，特征荧光波段滤光片32为波长范围是400～430nm的蓝光带通滤光片，特征荧光波段滤光片34为530～560nm的绿光带通滤光片。

光电探测器21～24将采集到的光信号转换成电信号，随着旋转反射镜3的连续转动，可采集同一物料4的λ1,λ2,λ3，λ4四路光信号，任选三路信号可合成一幅彩色图像至上位机，进而进行物料荧光分辨，从而识别出黄曲霉毒素污染的物料。

第二实施例

本专利申请也可按另一种实施方式的结构原理图设计出另一种结构的黄曲霉毒素在线检测装置，其与第一实施例的区别在于，光源发射及信号接收集成单元中的信号接收方式是采用分光滤光片先进行分光，安装多个成像镜头加对应的多个单点光电探测器的方式实现。

请参阅图4，本实施例中物料4一侧的光源发射及信号接收集成单元包括照明系统71、分光滤光片14、15、成像镜头131、132、133、单点光电探测器81、 82、83。物料4另一侧的光源发射及信号接收集成单元结构包括照明系统72、分光滤光片16、17、成像镜头134、135、136、单点光电探测器84、85、86。

通常需在成像镜头131～136和对应的单点光电探测器81～86之间加荧光特征滤光片91～96。

照明系统71、72由紫外光源1和旋转反射镜3构成，紫外光源1发出的紫外光照射到物料4表面激发出物料的荧光，经左侧的分光滤光片14、15分光后被成像镜头131～133成像到单点光电探测器81～83，同样物料4另一侧的荧光经分光滤光片16、17分光后被成像镜头134～136成像到单点光电探测器84～86上。

成像镜头131～136、单点光电探测器81～86以及分光滤光片91～96之间的安装方式及成像原理如图5所示，所有的成像镜头131～136以成像镜头130代表，所有的荧光特征滤光片91～96以荧光特征滤光片90代表。

成像镜头130与光电探测器的外壳8之间通过螺纹的方式连接，在成像镜头螺纹尽头安装荧光特征滤光片90以及限光孔100，限光孔100设置在荧光特征滤光片90与单点光电探测器之间，限光孔100的一种具体结构如图6所示，为中心开孔的细狭缝。荧光特征滤光片90和限光孔100可以通过胶粘的方式或者密封圈挤压方式固定在光电探测器外壳8上。物料面120上的物料4在位置 41时，通过成像镜头130成像到单点光电探测器的感光元件9的感光区域110 上，具体的是成像到感光区域的位置41’，当扫描产生的线光源照射到物料面120 上的同一物料4的位置42上时，具体将成像到感光区域110的位置42’，单点光电探测器将光学转换成电信号。

不同波长配置的单点光电探测器81～86将得到物料4不同波段的荧光信号，将单侧的3路信号合成即可得到一幅包含荧光特征的彩色图像。

第三实施例

本专利申请也可按另一种实施方式的结构原理图(图7)设计出另一种结构的黄曲霉毒素在线检测装置，其信号接收方式和第二实施例的区别在于没有分光滤光片，直接采用多个成像镜头加对应的多个单点光电探测器的方式实现。

请参阅图7，本实施例中物料4一侧的光源发射及信号接收集成单元包括照明系统71、成像镜头131、132、133、单点光电探测器81、82、83。物料4另一侧的光源发射及信号接收集成单元结构包括照明系统72、成像镜头134、135、 136、单点光电探测器84、85、86。

通常需在成像镜头131～136和对应的单点光电探测器81～86之间加荧光特征滤光片91～96。

照明系统71、72由紫外光源1和旋转反射镜3构成，发出的紫外光照射到物料4表面激发出物料的荧光，被左侧的成像镜头131～133成像到单点光电探测器81～83上，同样物料4另一侧的荧光被成像镜头134～136成像到单点光电探测器84～86上。

单点光电探测器81～86将接收的光信号转换成电信号，采用上位机将三路信号合成即可得到一幅彩色图像。

上述三种实施例的在线检测装置均应用于物料分选设备中。

所述物料分选设备还包括至少一个背景装置，如图1、4、7所示，在物料面120上没有物料4通过时，紫外光源1将照射到背景装置141～146上。

所述的背景装置的一种具体结构如图8所示，为截面圆形结构，中心为烤漆金属杆150，烤漆金属杆150外套有高分子材料管160。

所述的烤漆的金属杆150和高分子材料管160可以是任意的颜色，如红色、白色、黑色、透明色等。两者之间通过两头胶粘或螺孔的方式连接。

所述的背景装置还可以是截面矩形、三角形等其它形状。

以上所述，仅是本发明的一种较佳实施实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种黄曲霉毒素在线检测装置，包括分布于物料轨迹的两侧的复数个光源发射及信号接收单元和上位机，每个光源发射及信号接收单元包括照明系统以及光源信号接收单元，照明系统包括紫外光源，信号接收单元接收同一物料表面同一位置的反射光的多个荧光波长的信号，并将其转换成电信号，通过上位机选取其中的任意三路信号合成一幅彩色图像，其特征在于：所述紫外光源为点光源，照明系统还包括反射紫外光源从而产生一条沿物料垂直方向的线光源的旋转反射镜，所述光源信号接收单元中的传感器为单点光电探测器，所述的单点光电探测器为光电倍增管或者雪崩管,所述紫外光源发出的准直点光源到达旋转反射镜的反射面上，反射面将入射光反射到物料的面上，随着旋转反射镜的转动，入射光将反射到物料面的不同的点上，连续的转动将在物料所处的物料面上形成一条一定宽度的扫描线。

2.根据权利要求1所述的黄曲霉毒素在线检测装置，其特征在于：所述复数个光源发射及信号接收单元对称或不对称的分布于物料轨迹的两侧。

3.根据权利要求1所述的黄曲霉毒素在线检测装置，其特征在于：所述的光源信号接收单元为采用单个成像透镜对物料上的一点产生的荧光成像聚焦，经过多个分光滤光片分光后被分成多个波段的光信号，到达对应的多个光电探测器的接收区域，在光电探测器的前端加特征荧光波段滤光片，得到多路荧光波长的信号，通过上位机任意选取三路信号合成一幅彩色图像。

4.根据权利要求3所述的黄曲霉毒素在线检测装置，其特征在于：所述的分光滤光片为二向色镜或半透半反滤光片或立方体分光棱镜。

5.根据权利要求1所述的黄曲霉毒素在线检测装置，其特征在于：所述的光源信号接收单元为采用多个分光滤光片先分光，然后采用多个成像镜头收光，产生的荧光直接被多个位于不同位置的成像镜头接收，成像镜头的像面放置在光电探测器的光敏面上，在成像镜头和光敏面之间放置特征荧光波段滤光片，得到物料面同一位置的多个特征波长的信号，通过上位机任意选取三路信号合成一幅彩色图像。

6.根据权利要求1所述的黄曲霉毒素在线检测装置，其特征在于：所述的光源信号接收单元为直接采用多个成像镜头收光，产生的荧光直接被多个位于不同位置的成像镜头接收，成像镜头的像面放置在光电探测器的光敏面上，在成像镜头和光敏面之间放置特征荧光波段滤光片，得到物料面同一位置的多个特征波长的信号，通过上位机任意选取三路信号合成一幅彩色图像。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的黄曲霉毒素在线检测装置的物料分选设备，其特征在于：包括下料装置、物料输送单元、所述黄曲霉毒素在线检测装置、剔除装置，物料自下料装置进入物料输送单元后，被输送到相同结构的光源发射及信号接收单元的检测区域，上位机控制剔除装置将含有黄曲霉毒素的物料剔除。

8.根据权利要求7所述的物料分选设备，其特征在于：还包括背景装置，所述的背景装置放置在照明系统和光源信号接收单元的外面，在物料面上没有物料通过时，紫外光源将照射到背景装置上。

9.根据权利要求8所述的物料分选设备，其特征在于：所述背景装置为截面圆形结构，中心为烤漆金属杆，烤漆金属杆外套有高分子材料管。