CN214749704U - 一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台，包括：双积分球检测模块、激光诱导荧光检测模块和光谱仪，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均与所述光谱仪相连。本申请将积分球技术与激光诱导荧光光谱技术相结合，能够实现植物油样本吸收、散射、荧光特性的检测，检测方法准确可靠，重现性高，安全无污染，除平台开发需要投入成本外，在实验过程中不需成本。

Description

一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台

技术领域

本申请涉及液体食品光学特性检测技术领域，尤其是涉及了一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台。

背景技术

植物油等液体食品可以被视为浑浊介质，当可见-近红外光在这类浑浊介质中传输时，脂肪等大分子与光的相互作用为散射，而色素、水分等小分子对光主要为吸收作用。另外，介质中存在的荧光物质(如叶绿素、多酚、维生素E、黄曲霉毒素B1)在特定波长激发光下，会产生荧光信号。

近年来，近红外光谱技术已被广泛应用于农产品品质安全检测。然而传统近红外光谱技术不能将吸收与散射信息有效分开，容易造成模型过拟合、鲁棒性不足。而激光诱导荧光光谱技术今年来在食品安全检测方面也有大量研究，如坚果样本黄曲霉素B1的检测。激光诱导荧光光谱技术虽然可以直接测量AFB1毒素含量，但荧光信号受生物样本复杂基质影响严重，其精确度与可靠性较差。当样本相关因素不同(如植物油品种不同)时，难以实现AFB1含量精确预测。而样本相关因素与吸收、散射特性相关性较大，因此对植物油的吸收、散射、荧光特性同时检测，能够提高植物油相关安全品质指标的预测精度。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测装置，以至少解决在使用光学特性预测植物油相关安全品质指标时，光学特征不够全面的问题。

为了达到上述目的，本申请实施例所采用的技术方案如下：

一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台，包括：双积分球检测模块、激光诱导荧光检测模块和光谱仪，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均与所述光谱仪相连。

进一步地，所述双积分球检测模块包括准直细光束单元、比色皿、反射积分球、透射积分球、积分球接收光纤，所述准直细光束单元的发光出射端伸入所述反射积分球中，所述透射积分球和积分球接收光纤同光轴布置，两者之间设置有所述比色皿，所述积分球接收光纤一端与所述光谱仪光纤接口相连，另一端分别与所述反射积分球和透射积分球的光纤接口相连。

进一步地，所述准直细光束单元包括卤钨灯光源、卤钨灯照明光纤、卤钨灯光纤适配器和可见近红外光准直镜，所述卤钨灯照明光纤的一端与所述卤钨灯光源光纤接口相连，另一端与所述可见近红外光准直镜相连，所述可见近红外光准直镜固定安装在所述卤钨灯光纤适配器内。

进一步地，所述激光诱导荧光检测模块包括激光发射单元、荧光接收单元，所述激光发射单元将发出的激光照射进入植物油样本，所述荧光接收单元接收植物油样本受激光诱导后产生的荧光，并将荧光传递给所述光谱仪。

进一步地，所述激光发射单元包括激光光源、激光照明光纤、激光光纤适配器、激光准直镜，所述激光照明光纤的一端与激光光源光纤接口相连，另一端与激光光纤适配器光纤接口相连，所述激光准直镜安装在所述激光光纤适配器内部。

进一步地，所述荧光接收单元包括荧光接收光纤、荧光接收光纤适配器、滤光片、荧光准直镜，所述滤光片与荧光准直镜均安装在荧光接收光纤适配器内部，所述荧光接收光纤一端与光谱仪光纤接口相连，另一端与荧光接收光纤适配器相连。

进一步地，所述荧光接收光纤适配器与所述激光光纤适配器之间的夹角为90°。

进一步地，还包括电源模块，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均由所述电源模块供电。

进一步地，所述电源模块采用UPS稳压电源。

进一步地，还包括暗箱，所述双积分球模块、激光诱导荧光检测模块以及光谱仪安装在所述暗箱内部。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请将积分球技术与激光诱导荧光光谱技术相结合，能够实现植物油样本吸收、散射、荧光特性的检测，检测方法准确可靠，重现性高，安全无污染，除平台开发需要投入成本外，在实验过程中不需成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种光学检测平台的结构示意图，附图中涉及的标记有：1、双积分球检测模块，2、激光诱导荧光检测模块，3、光谱仪，4、电源模块，5、植物油样本，6、暗箱，101、卤钨灯光源，102、卤钨灯照明光纤，103、卤钨灯光纤适配器，104、可见近红外光准直镜、105反射积分球，106、透射积分球，107、积分球接收光纤，108、积分球安装支架，109、比色皿，201、激光光源，202、激光照明光纤，203、激光光纤适配器，204、激光准直镜，205、荧光接收光纤，206、荧光接收光纤适配器，207、滤光片，208、荧光准直镜，209、比色皿放置台，210、荧光安装支架。

图2是根据一示例性实施例示出的光学仿体的吸收系数、约化散射系数、荧光强度光谱，其中(a)为系列1光学仿体的吸收系数光谱，(b)为系列2光学仿体的约化散射系数光谱，(c)、(d)、(e)分别为系列3光学仿体在不同荧光接收光纤适配器与激光光纤适配器之间的夹角(30°、60°、90°)下的荧光强度光谱。

图3是根据一示例性实施例示出的光学检测平台线性度结果，其中(a)为吸收系数与约化散射系数线性度结果，(b)为荧光强度线性度结果。

图4是根据一示例性实施例示出的光学检测平台对黄曲霉毒素B1(AFB1)污染的不同品种与品牌植物油的检测结果，其中(a)为不同污染程度(AFB1浓度分别为0、10、20、40ppb)的多力花生油荧光强度光谱，(b)为不同污染程度的多力花生油吸收系数光谱，(c)为不同污染程度的多力花生油约化散射系数光谱，(d)为相同污染浓度(AFB1浓度为20ppb)、不同品种与品牌植物油(“多力”菜籽油、“鲁花”菜籽油、“福临门”花生油、“鲁花”花生油、“福临门”玉米油、“金龙鱼”玉米油)的荧光强度光谱，(e)为相同污染浓度、不同品种与品牌植物油的吸收系数光谱，(f)为相同污染浓度、不同品种与品牌植物油的约化散射系数光谱。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是根据一示例性实施例示出的一种植物油中黄曲霉毒素B1污染程度的光学检测平台的结构示意图，参考图1，该光学检测平台包括：双积分球检测模块1、激光诱导荧光检测模块2和光谱仪3，所述双积分球检测模块1和激光诱导荧光检测模块2均与所述光谱仪3相连。所述双积分球检测模块1用于获取植物油样本5在可见-近红外波段的透射率与反射率；所述激光诱导荧光检测模块2用于获取植物油样本5的荧光强度；所述光谱仪3用于获取所述透射率、反射率和荧光强度。

本实施例中，如图1所示，所述双积分球检测模块1包括准直细光束单元、比色皿109、反射积分球105、透射积分球106、积分球接收光纤107，所述准直细光束单元的发光出射端伸入所述反射积分球105中，所述透射积分球106和积分球接收光纤107同光轴布置，两者之间设置有所述比色皿，所述积分球接收光纤107一端与所述光谱仪3光纤接口相连，另一端分别与所述反射积分球105和透射积分球106的光纤接口相连。比色皿109布置在反射积分球105与透射积分球106之间，两积分球之间的距离为比色皿厚度，反射积分球105与透射积分球106安装在积分球安装支架108上。这样的布置方式能够实现被测样本透射率与反射率的同时检测，提高检测效率。

进一步地，如图1所示，所述准直细光束单元包括卤钨灯光源101、卤钨灯照明光纤102、卤钨灯光纤适配器103和可见近红外光准直镜104，所述卤钨灯照明光纤102的一端与所述卤钨灯光源101光纤接口相连，另一端与所述可见近红外光准直镜104相连，所述可见近红外光准直镜104固定安装在所述卤钨灯光纤适配器103内。这样的准直细光束单元能够实现出射光束满足准直、细的特点，从而满足逆向倍增算法对光源的要求。

本实施例中，如图1所示，所述激光诱导荧光检测模块2包括激光发射单元、荧光接收单元，所述激光发射单元将发出的激光照射进入植物油样本5，所述荧光接收单元接收植物油样本5受激光诱导后产生的荧光，并将荧光传递给所述光谱仪3。激光发射单元和荧光接收单元安装在荧光安装支架210上。这样的布置方式能够通过光谱仪3直接获得被测样本的荧光特征。

进一步地，如图1所示，所述激光发射单元包括激光光源201、激光照明光纤202、激光光纤适配器203、激光准直镜204，所述激光照明光纤202的一端与激光光源201光纤接口相连，另一端与激光光纤适配器203光纤接口相连，所述激光准直镜204安装在所述激光光纤适配器203内部。这样的布置方式能够实现出射的激发光源准直性高的特点，以减少光源发散角对检测结果的影响。

进一步地，如图1所示，所述荧光接收单元包括荧光接收光纤205、荧光接收光纤适配器206、滤光片207、荧光准直镜208，所述滤光片207与荧光准直镜208均安装在荧光接收光纤适配器206内部，所述荧光接收光纤205一端与光谱仪3光纤接口相连，另一端与荧光接收光纤适配器206相连。还可包括比色皿放置台209。激光光纤适配器203竖直从上向下将激光照射进入样本，荧光接收光纤适配器206与激光光纤适配器204之间的夹角优选为60°。对接收到的荧光信号进行滤光，以消除激发光对检测到的荧光信号的影响，对光源入射与荧光接收之间的夹角进行优化，以实现系统线性度的提高，从而提高系统检测效果。

本实施例中，还包括电源模块5，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均由所述电源模块供电。进一步地，所述电源模块采用UPS稳压电源。以消除由于电压波动对所开发平台的检测效果的影响。

本实施例中，还包括暗箱6，所述双积分球模块1、激光诱导荧光检测模块2以及光谱仪3安装在所述暗箱6内部。较优的是其中双积分球模块1中的卤钨灯光源101与激光诱导荧光检测模块2中的激光光源201放置在暗箱6的外面，其他部分安装在暗箱6内部。以消除由于光源装置上的杂散光对检测效果的影响。

以下本发明通过配置不同光学特性参数的光学仿体，对光学检测平台中的荧光接收光纤适配器与激光光纤适配器之间的夹角进行优化，对所开发的光学装置线性度进行验证，具体过程为：

1)配置三个系列光学仿体。系列1：5个光学仿体，二氧化钛体积浓度为0.03％，硫酸奎宁体积浓度为1.5％，印度墨水浓度为分别为：0、0.00375％、0.0075％、0.015％、0.03％；系列2：5个光学仿体，印度墨水浓度为：0.03％，硫酸奎宁浓度为：1％，二氧化钛浓度分别为：0.001875％、0.00375％、0.0075％、0.015％、0.03％；系列3：5个光学仿体，印度墨水浓度为：0.03％，二氧化钛体积浓度为0.03％，硫酸奎宁浓度分别为：0.5％、0.75％、1％、1.25％、1.5％；

2)将光学仿体装入比色皿中，放置在比色皿109上，开启卤钨灯光源101，发射可见-近红外光到样本上，通过光谱仪3分别从透射积分球106与反射积分球105采集得到光学仿体的透射强度I_T与反射强度I_R；

3)移开光学仿体与比色皿，通过光谱仪3从透射积分球106采集得到透射参比强度I_{T_ref}，将标准白板放在比色皿109上，通过光谱仪3从反射积分球105采集得到反射参比强度I_{R_ref}；

4)关闭卤钨灯光源101，通过光谱仪3分别从透射积分球106与反射积分球105采集得到透射暗场D_T与反射暗场D_R；

5)根据以下公式计算得到光学仿体样本的透射率T与反射率R：

6)通过阿贝折射仪测量得到光学仿体的折射率n，通过游标卡尺测量得到比色皿厚度以及比色皿壁的厚度，光斑直径。将液体样本T、R、n、比色皿厚度与比色皿壁厚度、光斑直径、积分球各尺寸参数以及积分球内壁反射率带入IAD算法，计算得到吸收系数(μ_a)与约化散射系数(μ’_s)。需要说明的是，本发明里的所有约化散射系数在最终实施例里没有用于判别分析，但是约化散射系数时在计算时，与吸收系数一同计算得到的，在植物油其他品质预测时是需要用到的。

图2中的(a)、(b)分别为系列1光学仿体的μ_a光谱与系列2光学仿体的μ’_s光谱，计算每个波长下μ_a或μ’_s值与对应的印度墨水或二氧化钛体积浓度之间的决定系数，得到μ_a、μ’_s线性度结果如图3中的(a)所示，结果表明所开发系统在380-950nm光谱范围内能够实现较高的μ_a、μ’_s线性度，决定系数范围分别为：0.95-0.99、0.97-0.99；

7)将光学仿体装入比色皿中，放置在比色皿放置台209上，开启激光光源201，发射激光到光学仿体上，通过光谱仪3采集得到样本的荧光强度。调整荧光接收光纤适配器206与激光光纤适配器203之间的夹角分别为：30°、60°、90°，得到系列3仿体在不同角度下的荧光强度分别如图2中的(c)、(d)、(e)所示，计算每个波长下荧光强度与对应的硫酸奎宁浓度之间的决定系数，得到荧光强度线性度结果如图3中的(b)所示，结果表明所开发系统荧光接收光纤适配器206与激光光纤适配器203之间的最优夹角为60°，所开发系统在380-750nm光谱范围内能够实现较高的荧光强度线性度，决定系数范围为：0.90-0.98。

本发明通过对不同AFB₁污染程度的不同品种与品牌植物油进行光谱检测，对所提出的判定方法用于多品种植物油样本黄曲霉毒素B1检测可行性进行验证，具体过程为：

1)准备不同品种与品牌植物油，包括：“多力”菜籽油、“鲁花”菜籽油、“福临门”花生油、“鲁花”花生油、“福临门”玉米油、“金龙鱼”玉米油，通过添加不同体积以乙腈为溶剂的AFB1标准溶液，得到不同污染程度(0、10、20、40ppb)的植物油；

2)通过所开发的光学平台对植物油样本进行光谱检测，光谱检测与液体仿体光谱检测过程相同，分别得到荧光强度光谱、吸收系数光谱、约化散射系数光谱。如图4中的(a)所示，不同污染程度的多力花生油荧光强度光谱与AFB₁含量呈线性关系，表明所开发系统检测得到的荧光信息能够用于单品种品牌植物油AFB₁含量的检测；如图4中的(c)所示，不同污染程度的多力花生油约化散射系数基本重合，表明AFB₁污染对约化散射系数无影响；如图4中的(d)所示，对于相同污染浓度(AFB₁含量为20ppb)，不同品种与品牌植物油荧光强度光谱有较大差异，因此对于多品种或品牌植物油，仅凭荧光信息难以进行AFB1精确预测，因为植物油中含有其他荧光物质对AFB₁荧光信号进行干扰，而不同品种或品牌植物油相关荧光物质含量不同；如图4中的(c)所示，对于相同污染浓度，不同品种与品牌植物油吸收系数光谱有较大差异，而如图4中的(b)所示，不同污染程度的多力花生油吸收系数基本重合，表明AFB₁污染对吸收系数无影响，样本品种或品牌对吸收系数有较大影响，可以通过吸收系数对植物油品种及品牌进行区分。

由此可见，本发明检测装置与检测方法能够实现多品种植物油样本黄曲霉毒素B1的精确检测，对植物油样本吸收、散射、荧光特性同时检测有助于不同品种植物油AFB1污染程度的精确预测。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于植物油吸收、散射、荧光特性的光学检测平台，其特征在于，包括：双积分球检测模块、激光诱导荧光检测模块和光谱仪，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均与所述光谱仪相连；

所述双积分球检测模块包括准直细光束单元、比色皿、反射积分球、透射积分球、积分球接收光纤，所述准直细光束单元的发光出射端伸入所述反射积分球中，所述透射积分球和积分球接收光纤同光轴布置，两者之间设置有所述比色皿，所述积分球接收光纤一端与所述光谱仪光纤接口相连，另一端分别与所述反射积分球和透射积分球的光纤接口相连；

所述激光诱导荧光检测模块包括激光发射单元、荧光接收单元，所述激光发射单元将发出的激光照射进入植物油样本，所述荧光接收单元接收植物油样本受激光诱导后产生的荧光，并将荧光传递给所述光谱仪。

2.根据权利要求1所述的光学检测平台，其特征在于，所述准直细光束单元包括卤钨灯光源、卤钨灯照明光纤、卤钨灯光纤适配器和可见近红外光准直镜，所述卤钨灯照明光纤的一端与所述卤钨灯光源光纤接口相连，另一端与所述可见近红外光准直镜相连，所述可见近红外光准直镜固定安装在所述卤钨灯光纤适配器内。

3.根据权利要求1所述的光学检测平台，其特征在于，所述激光发射单元包括激光光源、激光照明光纤、激光光纤适配器、激光准直镜，所述激光照明光纤的一端与激光光源光纤接口相连，另一端与激光光纤适配器光纤接口相连，所述激光准直镜安装在所述激光光纤适配器内部。

4.根据权利要求3所述的光学检测平台，其特征在于，所述荧光接收单元包括荧光接收光纤、荧光接收光纤适配器、滤光片、荧光准直镜，所述滤光片与荧光准直镜均安装在荧光接收光纤适配器内部，所述荧光接收光纤一端与光谱仪光纤接口相连，另一端与荧光接收光纤适配器相连。

5.根据权利要求4所述的光学检测平台，其特征在于，所述荧光接收光纤适配器与所述激光光纤适配器之间的夹角为60°。

6.根据权利要求1所述的光学检测平台，其特征在于，还包括电源模块，所述双积分球检测模块和激光诱导荧光检测模块均由所述电源模块供电。

7.根据权利要求6所述的光学检测平台，其特征在于，所述电源模块采用UPS稳压电源。

8.根据权利要求1所述的光学检测平台，其特征在于，还包括暗箱，所述双积分球检测模块、激光诱导荧光检测模块以及光谱仪安装在所述暗箱内部。

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