CN112414984A - 便携式奶粉蛋白质含量检测盒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式奶粉蛋白质含量检测盒，包括盒体以及可抽动的待测奶粉样品室，盒体内包括有对称的光源模块、检测模块、样品模块、控制模块、数据采集存储模块、WIFI通信模块等。盒体外部设置有电源开关按钮。盒体的材质为不透明硬质塑料。利用基于紫外光激发的荧光探测技术，分别检测奶粉的荧光光谱、荧光强度以及荧光寿命信息，从而通过准确检测色氨酸含量实现奶粉中蛋白质含量的表征。测量过程快速准确、检测设备体积小、成本低，可作为家用仪器而被广泛使用。

Description

便携式奶粉蛋白质含量检测盒
技术领域
本发明涉及光谱检测领域，更具体地涉及一种奶粉中蛋白质含量的检测。
背景技术
奶粉中含有丰富的蛋白质，是人们日常生活中补充蛋白含量不可缺少的来源，并且它的水分含量低，使得它比其他奶制品具有更好地被运输和储存能力。但近几年奶粉安全事件时有发生。一些不法商贩为了谋利，常向奶粉中添加一些含氮量高的非蛋白质物质来假冒高蛋白奶粉，这些物质极有可能会对人体造成伤害，如三聚氰胺等。因此，快速、准确地测定奶粉中蛋白质的含量至关重要。
已有的专利多是检测奶粉中是否含有三聚氰胺，或是检测蛋白质中的N元素含量，较少的专利用于检测奶粉中蛋白质的含量。本专利主要特点是基于紫外激发的荧光探测技术检测色氨酸含量从而来表征奶粉中蛋白质的含量及成分，测量过程快速准确，设备体积微小、成本低，可作为家用仪器而被广泛使用。
奶粉中含有的蛋白质是由多种氨基酸通过肽键缩合而成的高分子化合物，组成蛋白质的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸是所有天然氨基酸中具备发荧光基团的氨基酸，这是蛋白质内源荧光的来源。这三者由于其侧链生色基团的不同而有不同的荧光光谱。其中色氨酸的荧光强度最大，而苯丙氨酸的荧光强度很低，因此蛋白质的内源荧光主要是由色氨酸和酪氨酸残基形成的。同时在含有色氨酸和酪氨酸残的蛋白质中，由于其分子发生了从酪氨酸残基到色氨酸残基的能量转移,从而导致酪氨酸残基的荧光猝灭和色氨酸残基的荧光增加，因而色氨酸最常被用作内源探针来研究蛋白质的性质。因此，可以通过检测色氨酸的荧光光谱、强度和荧光寿命来表征奶粉中蛋白质的含量和成分。而像脂肪等物质是不会产生荧光的，从而保证了本专利检测的准确性。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种便携式奶粉蛋白质含量检测盒。
优选的，所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒包括盒体以及可抽动的待测奶粉样品室，所述盒体内包括有对称的光源模块，检测模块，样品模块，控制模块，数据采集存储模块，WIFI通信模块等。盒体外部设置有电源开关按钮。盒体的材质为不透明硬质塑料。利用基于紫外光激发的荧光探测技术，通过对奶粉荧光光谱、荧光强度以及荧光寿命的检测，实现对其中蛋白质含量的表征。
优选的，所述光源模块采用紫外波段LED，光源包括脉冲式连续式两种发光模式。光源尺寸小，适用于便携小型化产品。
优选的，所述检测模块由截止滤光片、窄带滤光片阵列、硅光电二极管阵列以及硅光电倍增器(SiPM)组合而成。
优选的，所述的检测模块其特征在于：所述截止滤光片用于滤除一定波段范围内的紫外激发光、背景杂散光。所述窄带滤光片阵列用于分别透过不同波段的荧光信号。
优选的，所述硅基光电二极管阵列，通过与截止滤光片和窄带滤光片阵列耦合来探测不同波段的荧光强度，从而完成被测奶粉样品荧光光谱、荧光强度的检测。所述检测荧光寿命的探测器采用SiPM，具备单光子灵敏度和皮秒量级的时间分辨率，可通过检测奶粉样品所发出荧光信号强度随时间的衰减趋势来实现对其荧光寿命的探测。
优选的，所述样品模块分为标准样品室及待测样品室，标准样品室所用奶粉的蛋白质含量是符合国家规定标准的，做成标准比对样品，并进行封装。待测样品室为可拉伸的抽屉式检测室，检测前先将检测室拉出并将待测奶粉置于检测室中。
优选的，所述控制模块控制光源模块与检测模块的工作模式，以及检测数据的存储和传输。
优选的，所述检测盒后端处理包括数据采集存储模块及WIFI通信模块。数据采集存储模块将检测模块所得荧光光谱、荧光光强以及荧光寿命的原始数据数据进行采集处理与存储。WIFI通信模块用于和智能用户端连接和通信，将数据采集存储模块存储的数据传输至智能用户端。
优选的，所述便携式奶粉蛋白质含量、成分的检测方法包括，荧光光谱、荧光强度以及荧光寿命的检测。
奶粉检测方法包括以下步骤：所述荧光光强、荧光光谱的检测为第一次检测，所述荧光寿命的检测为第二次检测。利用样品的荧光光谱和荧光寿命信息对奶粉中蛋白质等荧光物质的成分进行判别；利用荧光光强信息对奶粉中蛋白质的含量进行评估。
第一次检测时用户开启检测盒并将待检测的奶粉置于待测样品室内，控制模块驱动触发参考路检测，光源模块为连续式发光模式。标准奶粉样品被照射后发出的荧光信号经检测模块中截止滤光片及窄带滤光片阵列滤除背景杂散光后由硅光电二极管阵列接收，并转换为光电流值存储在数据采集存储模块中，经WIFI通讯模块传输至用户端处理。由不同波段的荧光强度分布可以得到标准奶粉样品的荧光光谱以及荧光光强信息。所得荧光信息主要由奶粉样品中蛋白质所含的色氨酸产生，相应荧光强度越高，表示奶粉中蛋白质的含量也越高。检测路与参考路检测过程相同，被测对象换为待检测奶粉样品。通过与标准奶粉样品的荧光信息进行对比，可实现被测奶粉中蛋白质的成分判别与含量表征。
第二次检测采用时间相关单光子计数法进行荧光寿命检测，在控制模块驱动下，分别实现对参考路中标准奶粉样品与检测路中被测奶粉样品的检测。光源模块转换为脉冲式发光模式，并在高重复频率下激发奶粉样品分子。检测模块中采用SiPM。控制模块使光源每次发光时，驱动数据采集模块开始计时，当检测模块完成荧光光子探测时，驱动数据采集模块结束计时，得到荧光光子产生时刻t。通过控制光源强度，使每一个激发脉冲周期内基本只有一个荧光光子被探测。通过大量的采样统计，即可得到荧光光子产生时刻的分布信息，并存储在数据采集存储模块中，经WIFI通讯模块传输至用户端处理。此分布等价于荧光强度随时间的变化规律，由此便可在用户端经过相应算法处理得到奶粉样品的荧光寿命信息。通过对比被测奶粉的荧光寿命与标准奶粉的荧光寿命，实现对被测奶粉样品中蛋白质的成分判别。
本发明具有如下有益效果。
1、本发明的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，体积小而轻便，成本低廉，检测快速，适用于一般家用。
2、本发明利用基于紫外激发的荧光探测技术，通过检测奶粉中蛋白质所含色氨酸来表征奶粉中蛋白质的成分与含量。利用样品的荧光光谱和荧光寿命信息对奶粉中蛋白质等荧光物质的成分进行判别；利用荧光光强信息对奶粉中蛋白质的含量进行评估。这种检测方法相比目前只检测奶粉中氮(N)元素的方法，具有更高的准确度。
附图说明
图1是本发明便携式奶粉蛋白质含量检测盒的结构示意图。
图2是检测模块构成示意图。
图3是工作原理框图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，奶粉中含有丰富的蛋白质，是人们日常生活中补充蛋白含量不可缺少的来源，并且它的水分含量低，使得它比其他奶制品具有更好地被运输和储存能力。但近几年奶粉安全事件时有发生。一些不法商贩为了谋利，常向奶粉中添加一些含氮量高的非蛋白质物质来假冒高蛋白奶粉，这些物质极有可能会对人体造成伤害，如三聚氰胺等。因而，快速、准确地测定奶粉中蛋白质的含量至关重要。因此本发明提出了一种基于紫外激发的荧光探测技术的便携式奶粉蛋白质含量检测盒。具体实施方案如下。
首先用户开启检测盒进行第一次检测，光源模块以连续式发光模式工作。标准样品被照射后发出的荧光信号经检测模块中截止滤光片及窄带滤光片阵列滤除背景杂散光后由硅光电二极管阵列接收，并转换为光电流值存储在数据采集存储模块中，经WIFI通讯模块传输至用户端处理。由不同波段的荧光强度分布可以得到标准奶粉样品的荧光光谱以及荧光光强信息。控制模块将参考路转换为检测路，检测对象转换为待测样品，进行相应荧光光谱和荧光光强信息的检测。
之后，用户开启检测盒选择进行荧光寿命检测，在控制模块驱动下，分别实现对参考路中标准奶粉样品与检测路中被测奶粉样品的检测。光源模块转换为脉冲式并在高重复频率下激发奶粉样品，检测模块中的SiPM采用单光子计数法工作。控制模块使光源每次发光时，驱动数据采集模块开始计时，当检测模块完成荧光光子探测时，驱动数据采集模块结束计时，得到荧光光子产生时刻t。通过控制光源强度，使每一个激发脉冲周期内基本只有一个荧光光子被探测。通过大量的采样统计，即可得到荧光光子产生时刻的分布信息，并存储在数据采集存储模块中，经所述的WIFI通讯模块传输至用户端处理。用户端经过相应算法处理得到奶粉样品的荧光寿命信息。
两种检测方式由控制模块控制分开进行，既通过检测荧光强度的方式验证了待测奶粉样品中蛋白质含量是否达标，也通过检测荧光寿命、荧光光谱的方式实现了对奶粉中蛋白质等荧光物质的成分判别，提高了检测精确度。
下面将结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但不以此限制本发明的保护范围。
参见图1所示的检测盒的结构示意图，本发明的便携式奶粉蛋白质含量检测盒包括盒体1。其中，该检测盒主体1包括1-9 280nm LED光源1以及1-4 280nm LED光源2、1-7控制模块、1-8检测模块、1-5数据采集存储模块、1-6WIFI通信模块、1-1可抽出的待测样品室、1-2封装好的标准样品室、1-3开关按钮。所述盒体结构，盒体的材质为不透明塑料。待测样品室和标准样品室中间设置有两块挡板，两边的光谱检测不同时进行。总体积较小、携带轻便。所述280nm的LED光源，在盒体的两侧分别安装，光谱范围在270nm-285nm，光谱范围小但是光功率较大，体积小适用于小型仪器，可在连续式和脉冲式两种发光模式下工作。所述检测模块由光电二极管、SiPM、截止滤光片以及窄带滤光片组合而成。所述可抽出的待测样品室，当用户使用检测盒时，将检测室从盒体中抽出，放入待检测的奶粉样品后推进盒体内，等待检测盒的左侧工作进行检测。所述标准样品室包括有蛋白质含量符合国家规定标准的奶粉5g，并用光学紫外胶密封于标准样品室内，以防潮防氧化并镶嵌于标准样品室内。所述控制模块位于检测模块左上方，控制光源模块与检测模块的工作模式，以及检测数据的存储和传输。所述数据采集存储模块、WIFI通信模块与控制模块对称放置，以便检测数据的存储和传输。所述开关按钮位于盒体的右侧，控制检测盒的开启与关闭。图1中有两路光路左侧为参考光路，右侧为标准光路。两光路不能同时工作。
参见图2所示为检测模块包括四块硅光电二极管2-1、SiPM 2-2、对应硅光电二极管的四块窄带滤光片阵列2-3以及截止滤光片2-4，截止滤光片能从复合光中滤掉波长小于300nm的光子，包含280nm的激发光源信号，从而允许波长大于300nm的光子全部通过。窄带滤光片用于透过特定波段的荧光，对应检测的四个波段为330nm、350nm、370nm、390nm。四块光电二极管采用滨松公司型号为S1087的硅光电二极管拼接而成，用于荧光光强和荧光光谱的检测。SiPM具备单光子灵敏度以及皮秒量级的时间分辨率，用于荧光寿命的检测。两种探测器在控制模块的控制下完成第一次检测和第二次检测，不同时工作。
请参见图3所示的工作原理框图，包括光源模块3-1、样品模块中待测样品3-2、样品模块中标准样品3-3、控制模块3-4、检测模块3-5、数据采集存储模块3-6、WIFI通信模块3-7。控制模块控制光源模块与检测模块的工作模式，以及检测数据的存储和传输。第一次检测得到的奶粉样品的荧光光谱以及荧光光强信息以及第二次检测的奶粉荧光寿命信息都存储在数据采集存储模块中，再经所述的WIFI通讯模块传输至用户端处理。用户端经过相应算法处理得到奶粉样品的光谱信息即蛋白质含量是否达标、蛋白质中的成分是否为有效成分，并显示于用户端。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在后技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.便携式奶粉蛋白质含量检测盒，用于奶粉中蛋白质含量的检测，所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒包括盒体以及可抽动的待测奶粉样品室，所述盒体内包括有对称的光源模块，检测模块，样品模块，控制模块，数据采集存储模块，WIFI通信模块等，盒体外部设置有电源开关按钮，盒体的材质为不透明硬质塑料，利用基于紫外光激发的荧光探测技术，通过对奶粉荧光光谱、荧光强度以及荧光寿命的检测，实现对其中蛋白质含量的表征。
2.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述光源模块采用紫外波段LED，光源包括脉冲式连续式两种发光模式，光源尺寸小，适用于便携小型化产品。
3.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述检测模块由截止滤光片、窄带滤光片阵列、硅光电二极管阵列以及硅光电倍增器(SiPM)组合而成。
4.如权利要求3所述的检测模块，其特征在于：所述截止滤光片用于滤除一定波段范围内的紫外激发光、背景杂散光，所述窄带滤光片阵列用于分别透过不同波段的荧光信号。
5.如权利要求3所述的检测模块，所述硅基光电二极管阵列，通过与截止滤光片和窄带滤光片阵列耦合来探测不同波段的荧光强度，从而完成被测奶粉样品荧光光谱、荧光强度的检测，所述检测荧光寿命的探测器采用SiPM，具备单光子灵敏度和皮秒量级的时间分辨率，可通过检测奶粉样品所发出荧光信号强度随时间的衰减趋势来实现对其荧光寿命的探测。
6.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述样品模块分为标准样品室及待测样品室，标准样品室所用奶粉的蛋白质含量是符合国家规定标准的，做成标准比对样品，并进行封装，待测样品室为可拉伸的抽屉式检测室，检测前先将检测室拉出并将待测奶粉置于检测室中。
7.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述控制模块控制光源模块与检测模块的工作模式，以及控制检测数据的存储和传输。
8.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述的数据采集存储模块可实现对检测模块输出信号的采集处理与数据存储。
9.如权利要求1所述的便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述的WIFI通信模块用于和智能用户端连接和通信，将数据采集存储模块存储的数据传输至智能用户端。
10.应用于权利要求1-9任一项便携式奶粉蛋白质含量检测盒，其特征在于：所述奶粉蛋白质含量、成分的检测方法包括荧光光谱、荧光强度以及荧光寿命检测。
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