CN109507156A - 一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及鸡蛋检测技术领域，公开了一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法，包括底架、样品保持架以及光屏蔽盖，底架的顶部设有样品保持架，样品保持架上放置有被光屏蔽盖罩住的待检测样品，待检测样品的下方为设置在底架顶部开口的石英玻璃窗，石英玻璃窗的下方垂直设有光源发射头以及倾斜设有光接收探头，光源发射头通过发射光纤连接于光源系统，光接收探头通过接收光纤连接于光传感器，光源系统和光传感器均连接在控制器上，控制器连接于计算机。本发明过程快速、无污染、能够实现鸡蛋新鲜度的无损测量，低成本，便于操作，检测的质量和精度高，具有实时在线检测应用的潜力。

Description

一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及鸡蛋检测技术领域，特别涉及一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法。

背景技术

鸡蛋中含有大量的维生素、胆固醇、钙、蛋白质等，鸡蛋中含有人体几乎所有营养物质，鸡蛋在市场超市很容易选购，是大众日常生活必须品。新鲜鸡蛋营养丰富，过期鸡蛋其营养成分容易流失与变质。辨别鸡蛋是否新鲜成为食物安全的重要一环。消费者通常把新鲜度下降作为鸡蛋品质下降的主要标志。我国每年收购的鸡蛋由于变质所造成的损失占总量的10％以上。但长期以来，鸡蛋新鲜度的无损检测一直是个难题，国内各中小企业大多采用人工照蛋、称重等物理方法检测鸡蛋的品质，其结果受主观因素影响较大，且检测效率低，并且一些中小企业采用的设备由于存在油污，容易对鸡蛋造成污染，且检测的精度和质量普遍不高。

发明内容

发明的目的在于提供一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法，本发明过程快速、无污染、能够实现鸡蛋新鲜度的无损测量，低成本，便于操作，检测的质量和精度高，具有实时在线检测应用的潜力，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，包括底架、样品保持架以及光屏蔽盖，所述底架的顶部设有样品保持架，样品保持架上放置有被光屏蔽盖罩住的待检测样品，待检测样品的下方为设置在底架顶部开口的石英玻璃窗，所述石英玻璃窗的下方垂直设有光源发射头以及倾斜设有光接收探头，所述光源发射头通过发射光纤连接于光源系统，光接收探头通过接收光纤连接于光传感器，所述光源系统和光传感器均连接在控制器上，所述控制器连接于计算机。

进一步地，所述样品保持架为采用橡胶制成的环形结构。

进一步地，所述光接收探头与石英玻璃窗构成45°夹角。

进一步地，所述光源系统的激发波长260-800nm，发射波长范围260-800nm，激发波长和发射波长带宽1-20nm范围内可调节，发射波长扫描间隔1nm，扫描速度6000nm/min。

本发明提供另一种技术方案：一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测方法，包括如下步骤：

S1：将完整的待检测样品置于检测装置上部，获取样本同步荧光光谱；

S2：测定鸡蛋新鲜度；

S3：在同步荧光光谱图像上选择有效激发-发射荧光信号区域，提取激发-发射光谱；

S4：最佳激发-发射荧光信号组合的获取，使用逐步回归判别法，从提取的激发-发射光谱中选择能够表征待测样品参数的最佳激发-发射波长处荧光信号组合；

S5：样品新鲜度检测，利用最佳激发-发射波长的荧光信号建立多元线性回归数学模型，检测待测样品中新鲜度参数。

进一步地，步骤1中，同步荧光光谱获取后，测量时，使用光屏蔽盖(3)遮盖在检测装置外部，无损获取待测鸡蛋样品表面的同步荧光光谱图像。

进一步地，步骤4中，使用最佳激发-发射波长处荧光信号建立的多元线性回归模型为：

F＝f₀+f₁a₁+f₂a₂+...+f_ia_i

其中F待检测样本新鲜度，i＝1，2，3，.....n，n所选择的激发-发射波长数量，a₁，a₂，....a_i为每一个激发-发射波长处荧光信号强度值f₀，f₁，f₂，....f_i为模型的系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法，光源系统通过发射光纤向光源发射头发送光线由光源发射头垂直射向石英玻璃窗上的待检测样品，可连续发出单色波长光照射待测样品，激发出样品内部荧光，在待检测样品表面形成以直径约20mm的圆形光斑，激发光与内部具有荧光特性的物质作用激发出荧光光谱，光接收探头通过接收光纤连接于光传感器，荧光光谱信号由45°角布置的光接收探头接收，由接收光纤传导至光传感器，转化为可接受的电信号，由信号接收器接收转换为荧光光谱信号，光源系统和光传感器通过控制器，由计算机控制采集完整鸡蛋的同步荧光光谱并进行处理，得到检测鸡蛋新鲜度的预测模型，因此，过程快速、无污染、能够实现鸡蛋新鲜度的无损测量，低成本，便于操作，检测的质量和精度高，具有实时在线检测应用的潜力。

附图说明

图1为本发明的检测装置简图；

图2为本发明的获取的同步荧光光谱图；

图3为本发明的典型样本的同步荧光等高图；

图4为本发明的激发-发射荧光光谱提取图；

图5为本发明的样本的激发-发射荧光光谱图；

图6为本发明的MLR预测模型的校正和验证结果图。

图中：1、底架；2、样品保持架；3、光屏蔽盖；4、待检测样品；5、石英玻璃窗；6、光源发射头；7、光接收探头；8、发射光纤；9、光源系统；10、接收光纤；11、光传感器；12、控制器；13、计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，包括底架1、样品保持架2以及光屏蔽盖3，橡胶环形的底架1的顶部设有样品保持架2，样品保持架2上放置有被光屏蔽盖3罩住的待检测样品4，光屏蔽盖3罩住待检测样品4可以避免外界光干扰，测量时，使用光屏蔽盖3遮盖在检测装置外部，待检测样品4的下方为设置在底架1顶部开口的石英玻璃窗5，石英玻璃窗5可以用于穿过光线，石英玻璃窗5的下方垂直设有光源发射头6以及倾斜设有光接收探头7，光源发射头6通过发射光纤8连接于光源系统9，光源系统9通过发射光纤8向光源发射头6发送光线由光源发射头6垂直射向石英玻璃窗5上的待检测样品4，可连续发出单色波长光照射待测样品，激发出样品内部荧光，在待检测样品4表面形成以直径约20mm的圆形光斑，激发光与内部具有荧光特性的物质作用激发出荧光光谱(发射光谱)，激发波长260-800nm，发射波长范围260-800nm，发射波长扫描间隔1nm，激发波长和发射波长带宽1-20nm范围内可调节，扫描速度6000nm/min，光接收探头7通过接收光纤10连接于光传感器11，光接收探头7与石英玻璃窗5构成45°夹角，荧光光谱信号由45°角布置的光接收探头7接收，由接收光纤10传导至光传感器11，转化为可接受的电信号，由信号接收器接收转换为荧光光谱信号，光源系统9和光传感器11均连接在控制器12上，控制器12连接于计算机13，光源系统9和光传感器11通过控制器12，由计算机13控制采集完整鸡蛋的同步荧光光谱并进行处理，得到检测鸡蛋新鲜度的预测模型。

基于上述的同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，本发明提出一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测方法，包括如下步骤：

步骤1：将完整的待检测样品4置于检测装置上部，获取样本同步荧光光谱；

步骤2：测定鸡蛋新鲜度；

步骤3：在同步荧光光谱图像上选择有效激发-发射荧光信号区域，提取激发-发射光谱；同步荧光光谱获取后，测量时，使用光屏蔽盖3遮盖在检测装置外部，无损获取待测鸡蛋样品表面的同步荧光光谱图像，过程快速、无污染、能够实现鸡蛋新鲜度的无损测量，低成本，便于操作；

步骤4：最佳激发-发射荧光信号组合的获取，使用逐步回归判别法，从提取的激发-发射光谱中选择能够表征待测样品参数的最佳激发-发射波长处荧光信号组合；使用最佳激发-发射波长处荧光信号建立的多元线性回归模型为：

F＝f₀+f₁a₁+f₂a₂+...+f_ia_i

其中F待检测样本新鲜度(哈弗单位)，i＝1，2，3，.....n，n所选择的激发-发射波长数量，a₁，a₂，....a_i为每一个激发-发射波长处荧光信号强度值f₀，f₁，f₂，....f_i为模型的系数；

步骤5：样品新鲜度检测，利用最佳激发-发射波长的荧光信号建立多元线性回归数学模型，检测待测样品中新鲜度参数。

鸡蛋新鲜度的测量：使用哈弗单位方法破坏性测量鸡蛋样本的新鲜度，一共收集72个不同新鲜度样本，将样本随机分为2组，其中一组占总数3/4，称为校正组，用于模型校正，另一组占总数1/4，用来验证模型，分组结果如下表：

Table 1样本新鲜度测量结果(哈弗单位，HU)

有效荧光信号区域的确定：图2所示为获取的同步荧光光谱图，由于测量过程中拉曼散射和瑞利散射、以及光源自身的影响，在图像中存在一些无效的、对建立模型无用的信号，需要辨别这些无用信号，确定有效荧光信号区域。其中，A1和A2区域为一级和二级拉曼散射引起的分别位于λ_Ex＝λ_Em和λ_Em＝2λ_Ex两条线周围；根据斯托克法则，激发光的能量低于发射光，因此，图像的左上三角区是无效的信号；此外在右上角对称分布在λ_Ex＝λ_Em的C1和C2区域信号由系统光源引起的散射也不包含样本的信息；以上区域对于建立模型没有用处，所以在分析中不予考虑。有效荧光区域在A1和A2区域之间的D区域。

在有效区域中选择感兴趣区域：图3为典型样本的同步荧光等高图，可以看出在激发波长范围380-570nm，对应发射波长610-735nm波段范围内，存在多个显著的荧光峰，可认为是样本的特征荧光峰，所以确定激发波长范围380-570nm、对应发射波长610-735nm波段范围的区域为感兴趣区域。

在感兴趣区域内提取激发-发射荧光光谱：感兴趣区域需要进行降维将其转化为一维激发-发射光谱数据，以便于进一步使用化学计量法进行分析，图4a为感兴趣区域的三维立体图像，这个区域共包含20个激发波长(380-570nm，波长间距为10nm)，每个激发波长所激发的发射光谱在610-735nm之间，波长间隔为1nm，126个波长信号，因此，感兴趣区域共有20×126＝2520个激发-发射荧光信号，将2520个激发-发射信号依次排列成一个一维向量，如图4b所示，得到从感兴趣区域提取的激发-发射光谱。

使用逐步回归法选择激发-发射荧光光谱组合：图5为样本的激发-发射荧光光谱，针对激发-发射荧光光谱，只用逐步回归法从2520个激发-发射光谱变量中选择优化组合，使用有进有出的逐步回归方法，进如样本的置信度为0.95，如果置信度低于0.90，则将变量排除。激发-发射荧光光谱变量的选择结果如表2所示：

表2.逐步回归法确定的激发-发射波长组合

鸡蛋新鲜度预测模型的建立和验证：使用优选的激发-发射波长组合的荧光信号强度值建立MLR预测模型，使用验证集验证模型的预测效果。结果如图所示：图6a为使用验证集样本建立MLR模型的新鲜度检测校正结果，校正决定系数为0.90，校正残差为5.78；图6b为检测模型对验证集样本新鲜度的预测结果，预测决定系数为0.89，预测残差为6.28；对新鲜度的预测结果表明该装置和方法可有效用于鸡蛋新鲜度的快速无损检测。

综上所述，本发明提出的基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置及检测方法，光源系统9通过发射光纤8向光源发射头6发送光线由光源发射头6垂直射向石英玻璃窗5上的待检测样品4，可连续发出单色波长光照射待测样品，激发出样品内部荧光，在待检测样品4表面形成以直径约20mm的圆形光斑，激发光与内部具有荧光特性的物质作用激发出荧光光谱(发射光谱)，光接收探头7通过接收光纤10连接于光传感器11，荧光光谱信号由45°角布置的光接收探头7接收，由接收光纤10传导至光传感器11，转化为可接受的电信号，由信号接收器接收转换为荧光光谱信号，光源系统9和光传感器11通过控制器12，由计算机13控制采集完整鸡蛋的同步荧光光谱并进行处理，得到检测鸡蛋新鲜度的预测模型，因此，过程快速、无污染、能够实现鸡蛋新鲜度的无损测量，低成本，便于操作，检测的质量和精度高，具有实时在线检测应用的潜力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，其特征在于，包括底架(1)、样品保持架(2)以及光屏蔽盖(3)，所述底架(1)的顶部设有样品保持架(2)，样品保持架(2)上放置有被光屏蔽盖(3)罩住的待检测样品(4)，待检测样品(4)的下方为设置在底架(1)顶部开口的石英玻璃窗(5)，所述石英玻璃窗(5)的下方垂直设有光源发射头(6)以及倾斜设有光接收探头(7)，所述光源发射头(6)通过发射光纤(8)连接于光源系统(9)，光接收探头(7)通过接收光纤(10)连接于光传感器(11)，所述光源系统(9)和光传感器(11)均连接在控制器(12)上，所述控制器(12)连接于计算机(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，其特征在于，所述样品保持架(2)为采用橡胶制成的环形结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，其特征在于，所述光接收探头(7)与石英玻璃窗(5)构成45°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测装置，其特征在于，所述光源系统(9)的激发波长范围260-800nm，发射波长范围260-800nm，发射波长扫描间隔1nm，激发波长和发射波长带宽1-20nm范围内可调节，扫描速度6000nm/min。

5.一种根据权利要求1所述的基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将完整的待检测样品(4)置于检测装置上部，获取样本同步荧光光谱；

S2：测定鸡蛋新鲜度；

S3：在同步荧光光谱图像上选择有效激发-发射荧光信号区域，提取激发-发射光谱；

S4：最佳激发-发射荧光信号组合的获取，使用逐步回归判别法，从提取的激发-发射光谱中选择能够表征待测样品参数的最佳激发-发射波长处荧光信号组合；

S5：样品新鲜度检测，利用最佳激发-发射波长的荧光信号建立多元线性回归数学模型，检测待测样品中新鲜度参数。

6.根据权利要求1所述的一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测方法，其特征在于，步骤1中，同步荧光光谱获取后，测量时，使用光屏蔽盖(3)遮盖在检测装置外部，无损获取待测鸡蛋样品表面的同步荧光光谱图像。

7.根据权利要求1所述的一种基于同步荧光鸡蛋新鲜度检测方法，其特征在于，步骤4中，使用最佳激发-发射波长处荧光信号建立的多元线性回归模型为：

F＝f₀+f₁a₁+f₂a₂+...+f_ia_i

其中F待检测样本新鲜度，i＝1，2，3，.....n，n所选择的激发-发射波长数量，a₁，a₂，....a_i为每一个激发-发射波长处荧光信号强度值f₀，f₁，f₂，....f_i为模型的系数。