CN203519497U - 一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置 - Google Patents

Abstract

一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，包含激光激发单元、样品测试单元、探测单元和信号处理单元。其中激光激发单元由激光器、第一光阑、滤光片、第一聚焦透镜、第二光阑、准直透镜和第二聚焦透镜构成；样品测试单元由样品托架和样品池构成；探测单元为一超声探测器；信号处理单元由前置电压放大器、数字示波器、GPIB-USBI/O卡和计算机构成。该装置利用光致超声原理，充分将光学检测与超声检测技术相融合，并极大的消除了被测组织光散射带来的干扰，提高了检测精度。与近红外光谱等检测装置相比，本实用新型装置具有检测精度高、适用性强等特点。

Description

一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置

技术领域

本实用新型涉及食品安全检测领域，具体涉及一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置。

背景技术

随着经济的发展，科学技术的进步，人类生活条件的改善，无公害、绿色、有机食品备受消费者的青睐。同时，人们也逐渐增强了安全和保健意识，食品安全问题越来越受到人们的关注。食品安全是一个遍及全球的公共卫生问题，不仅直接关系人类的健康生存，而且还严重影响着经济和社会的发展。但是随着经济和科技的发展，食品安全却并未得到相应的保证，依然有很多食品添加剂存在于我们日常必需的食品中，并且有相当一部分非法添加剂含量严重超标，甚至出现一些添加剂无法进行检测的尴尬局面。食品添加剂是食品工业中不可缺少的辅料，它可以改善风味、调节营养成分、防止食品变质，从而提高质量，使加工食品丰富多彩，满足消费者的各种需求，但有某些不法商贩为了使产品达到价格低廉、色香味俱全滥用、超量使用各种食品添加剂。近年来由于食品添加剂的违规使用引发的食品安全问题层出不穷，使得添加剂的使用和食品安全成为了政府监管机构、新闻媒体和老百姓关注的焦点。目前，测定添加剂的方法有高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱法、毛细管电泳法等。这些传统的方法虽然取得了一定的效果，但它们都是对食品进行破坏性检测，而且需要复杂的样品预处理，导致检测稳定性不高、成本昂贵，且需要具备一定的化学检验知识的人员才能正确操作完成。一些传统的无损检测方法也逐渐应用于食品安全检测，代表性的方法有：近、中红外吸收光谱法、拉曼光谱法和超声检测法等。虽然能实现无损快速检测，但是对于近、中红外吸收光谱法而言，由于被测食品对入射光容易产生光散射，这点对于粉状和颗粒状食品显得更加突出，这些散射光极大的制约了与食品添加剂含量相关的光谱信息测量，使得测量准确度、稳定度不高；对于拉曼光谱法而言，拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响，同时被测物体本身的组分对拉曼光谱的影响也较大；而对于超声检测法而言，其空间分辨率受到限制而无法得到有效提高。

发明内容

为了克服上述检测方法的不足，本实用新型专利提出了一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置。

本实用新型装置包括激光激发单元、样品测试单元、探测单元、信号处理单元。

所述的激光激发单元沿光传播方向依次由激光器、第一光阑、滤光片、第一聚焦透镜、第二光阑、准直透镜和第二聚焦透镜构成。

所述的激光器由波长可调脉冲激光器构成。所述滤光片由近红外高通或带通滤光片构成。

所述的样品测试单元由下至上依次由样品托架和样品池构成。

所述的样品托架为升降台，可以手动进行上下和水平位置移动；所述的样品池为石英或玻璃材料制成的比色皿容器，比色皿的底座固定于样品托架上。

样品预处理：对于液态的食品，比如：各种液态饮品，无需对这种类型的待测样品进行预处理，直接可以放入样品池进行测试。

所述的探测单元为聚焦超声探测器。

所述的信号处理单元由前置电压放大器（4-1）、数字示波器（4-2）、GPIB-USB I/O卡（4-3）、计算机（4-4）依次电气连接构成。

本实用新型的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，使用前，为了消除激光器能量不稳定因素，激光器先提前开机预热约1小时。激光器完成预热后，将被测样品滴入样品池中，再将激光器脉冲重复频率设为20Hz, 能量输出先调至约50%，输出波长范围调至1000-2500nm。光束从激光器发出，经过第一光阑消除光源高频散射光，再经过滤光片滤除近红外以外的可见光，滤波后的光经第一聚焦透镜、第二光阑和准直透镜构成的光学4F系统，将激光器发出的光形成一标准的平行窄带光束，最后经过第二聚焦透镜，将入射激光的光斑聚焦至样品池的被测样品内，由于被测食品对入射光的吸收，使得局部能量沉积，并产生体积膨胀进而产生超声机械波向四周扩散出去，置于样品池外壁的聚焦探测器捕获这些向外弛豫的超声波信号后，转换成对应超声强度大小的电压信号，经前置电压放大器放大后，由数据示波器将放大的信号采集并转换成数字信号，由GPIB I/O数字卡经GPIB-USB总线送入计算机进行数据存储以及数据分析软件进行编程处理。

本实用新型的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，与其他技术相比，具有以下有益的效果：

(1)                  由于本实用新型采用光声检测技术，兼具了纯光学检测技术高分辨率和纯超声检测技术高对比度的优点，使得检测精度更高。

(2)                  由于本实用新型探测的是食品的光致超声信号，虽然入射的是激光，但是探测的却是超声信号，故极大的克服了食品内部组分光散射带来的干扰，能极大的提高测量的准确度和稳定性。

(3)                  由于本实用新型采用波长可调的脉冲激光器作为激发光源，通过波长扫描，可以找到不同食品的不同特征吸收波长，极大的避免了单一波长下，不同食品检测的适用性问题。

(4)                  无需对测试饮品等液态食品进行预处理操作，故本实用新型具有便捷快速检测的特点，且易操作，使用性更强。

附图说明

图1为本实用新型总体结构原理俯视示意图。

图2为本实用新型测试单元的原理示意图。

图3为本实用新型探测单元方案二示意图。

具体实施方式

实施例1 本实用新型的装置

图1为本实施例的装置结构图。图中所示各元器件的名称为：激光发生器（1-1）、第一光阑（1-2）、滤光片（1-3）、第一聚焦透镜（1-4）、第二光阑（1-5）、准直透镜（1-6）、第二聚焦透镜（1-7）、样品托架（2-1）和样品池（2-2）、超声探测器（3）、前置电压放大器（4-1）、数字示波器（4-2）、GPIB-USB I/O卡（4-3）、计算机（4-4）。本实用新型由激光激发单元（1）、样品测试单元（2）、探测单元（3）和信号处理单元（4）构成。如图1所示，其中激光激发单元（1）沿光路传播方向，依次由以下元器件构成，即：激光器（1-1）、第一光阑（1-2）、滤光片（1-3）、第一聚焦透镜（1-4）、第二光阑（1-5）、准直透镜（1-6）、第二聚焦透镜（1-7）。样品测试单元（2）由样品托架（2-1）和样品池（2-2）构成。探测单元（3）为超声探测器。信号处理单元（4）由前置电压放大器（4-1）、数字示波器（4-2）、GPIB-USB I/O卡（4-3）、计算机（4-4）依次电气连接构成。

对于液态的食品，比如：各种液态饮品，无需对这种类型的待测样品进行预处理，直接可以放入样品池进行测试。

本实用新型装置使用前，为了消除激光器能量不稳定因素，激光器（1-1）先提前开机预热约1小时。激光器（1-1）完成预热后，将被测样品滴入样品池（2-2）中，再将激光器（1-1）的脉冲重复频率设为20Hz, 能量输出先调至约50%，输出波长范围调至1000-2400nm。光束从激光器（1-1）发出，经过第一光阑（1-2）消除光源高频散射光，再经过滤光片（1-3）滤除近红外以外的可见光，滤波后的光经第一聚焦透镜（1-4）、第二光阑（1-5）和准直透镜（1-6）构成的光学4F系统，将激光器（1-1）发出的光形成一标准的平行窄带光束，最后经过第二聚焦透镜（1-7），将入射激光的光斑聚焦至样品池（2-2）的被测样品内，由于被测食品对入射光的吸收，使得局部能量沉积，并产生体积膨胀进而产生超声机械波向四周扩散出去，置于样品池（2-2）外壁的超声探测器3捕获这些向外弛豫的超声波信号后（如图2所示），转换成对应超声强度大小的电流信号，经前置电压放大器（4-1）放大后，由数字示波器（4-2）将放大的信号采集并转换成数字信号，再由GPIB-USB I/O卡（4-3）经GPIB-USB总线送入计算机（4-4）进行数据存储以及数据分析软件进行编程处理。

激光器（1-1）为532nm泵浦源调Q Nd:YAG的光学参量振荡器 (Optical Parametric Oscillator，OPO)脉冲激光器（OpoletteTM, 532Ⅱ, Opotek Inc., CA），其激光输出输出波长为680-2400nm可调，整个波段内能量不大于10毫焦，脉冲持续时间10纳秒，重复频率为1-20Hz可调，输出能量0-100%可调，且在有效波长范围内，激光可以以1-20nm可调扫描输出。滤光片（1-3）为长波通型近红外滤光片（IPGC-720），它将可见光反射，而将近红外光透射。第一聚焦透镜（1-4）、第二光阑（1-5）和准直透镜（1-6）构成的光学4F系统，光阑（1-5）位于第一聚焦透镜（1-4）后焦面和准直透镜（1-6）的前焦面处，第一聚焦透镜（1-4）和准直透镜的焦距均约为10厘米。第二聚焦透镜（1-7）的焦距约为2厘米。

样品池（2-2）为石英比色皿，光程长约为10mm。超声探测器（3）为压电陶瓷材料聚焦超声探测器（I1P10NF40, Doppler, China），该超声探测器中心响应频率9.52MHz，相对回波灵敏度为-29.32db，焦距范围在34-46mm之间，阻尼50 Ω。前置电压放大器（4-1）为日本奥林巴斯5678，该放大器的放大增益为40dB，带宽为50k-40MHz。数字示波器（4-2）为双通道数字示波器（54642D, Agilent, USA），它用于触发单点或连续采集光声电信号，该示波器带宽500MHz，最高采样速率为2GSa/s。GPIB-USB I/O卡（4-3）为I/O数字卡（GPIB-USB-HS, National Instruments, USA），它用于连接数字示波器（4-2）和计算机（4-4），用于采样数据的高速传输。数据分析软件为LabVIEW（Version.8.0, National Instruments, USA），它用于编程软件触发示波器的数据采集、峰峰值参数测量和数据自动存储等操作。

实施例2 

如图1所示，本实用新型激光激发单元（1）发出的脉冲激光入射至样品池（2-2）中的被测样品时，产生光声源，并持续不断的向四周发出超声信号波，为了减小因样品池壁反射的超声回波叠加或混频对超声探测的干扰，超声探测器（3）的探头用医用超声耦合液涂抹紧贴于样品池外壁表面，同时位于激光激发单元（1）发出激光方向的对立面。

其余同实施例1。

实施例3

当激光器（1-1）能量太大，使得发出的脉冲激光穿透样品池，有部分入射激光直接照射到超声探测器（3）的表面上，从而使得超声信号测量不准确，为了避免上述问题，如图3所示，将超声探测器（3）的探头表面置于样品池侧面，超声探测器（3）探头的轴向方向与激光激发单元（1）发出的入射激光光轴相互正交。

其余同实施例1。

Claims (5)

1.一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，包括激光激发单元（1）、样品测试单元（2）、探测单元（3）和信号处理单元（4），其特征在于，激光激发单元（1）沿光传播的方向依次由激光器（1-1）、第一光阑（1-2）、滤光片（1-3）、第一聚焦透镜（1-4）、第二光阑（1-5）、准直透镜（1-6）、第二聚焦透镜（1-7）构成；样品测试单元（2）由样品托架（2-1）和样品池（2-2）构成；信号处理单元（4）由前置电压放大器（4-1）、数字示波器（4-2）、GPIB-USB I/O卡（4-3）、计算机（4-4）依次电气连接构成。

2.根据权利要求1所述的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，其特征在于：所述的激光器（1-1）为短脉冲激光器，其输出波长和重复频率可调。

3.根据权利要求1所述的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，其特征在于：所述滤光片（1-3）由近红外高通或带通滤光片。

4.根据权利要求1所述的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，其特征在于：所述的样品池（2-2）为石英或玻璃材质比色皿。

5.根据权利要求1所述的一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，其特征在于：所述的探测单元（3）为一聚焦超声探测器，使用时，将聚焦超声探测器探头紧贴样品池外壁，且聚焦超声探测器探头和样品池外壁间均匀涂抹医用超声耦合液。

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