三波长谷物蛋白质近红外检测仪

　　谷物品质的准确、快速检测对于我国谷物生产和市场交易都是极其关键的一环。虽然我国政府也强调谷物入库要以容重法定等,但容重法仅能对谷物的成熟度和水分作大致的估计^[1-2]，而无法获取谷物主要成分的信息。与目前国内的仪器开发多数集中在对水分等检测上不同,中国科学院长春光学精密机械研究所张军、陈兴旦等研制的NIR2010型滤光片式近红外分析仪,吉林省光谱分析仪器工程技术研究中心和吉林大学公共卫生学院共同研制出SWNIR-100型便携式短波近红外漫透射玉米成分快速分析仪,可用于商品玉米中水分、蛋白质、脂肪和淀粉含量现场快速检测。而这些仪器多采用滤光片或LED阵列等多波长光源,数据处理采用MSC作前处理,PLS作校正模型,以减小或克服数据中的非线性问题^[3-4]。但这些仪器的结构比较复杂,价格昂贵,不利于推广应用。为此,作者设计了结构相对简单,成本低的三波长谷物蛋白质近红外检测仪,并深入研究了吸光度与蛋白质含量间的非线性关系。

　　1　测量原理

　　近红外光谱分析方法有漫反射法、透射法、漫透射法。因为物体对光的散射随着波长的减短而增大,近红外波长比中红外波长短,因此,近红外更适于作漫反射和散射光谱分析。同时,构成近红外谱带的背景非常复杂,从近红外提取的是弱信息,通常使用化学计量学的方法。

　　漫反射光的强度决定于样品对光的吸收,以及由样品的物理状态所决定的散射。漫反射率R与样品的组分含量不成线性关系,与组分含量成线性关系的漫反射光谱函数通常有两种,即反射吸光度与Kubelka-Munk函数^[3]。本文采用如下漫反射吸光度公式:

　　式中:A为漫反射体的反射吸光度;R∞为漫反射体的漫反射率;K为漫反射体的吸收系数(主要决定于漫反射体的化学组成);S为漫反射体的散射系数(主要决定于漫反射体的物理特性)。

　　2　仪器结构及技术参数

　　近红外光谱仪器主要有滤光片型、发光二极管(LED)型、光栅单色器型、傅立叶变换干涉仪型、声光可调滤光片型(AOTF)、多通道检测型(二极管阵列PDA、电荷耦合器件CCD)等^[5]。由于要设计一款体积小、无移动部件的专用近红外仪器,只需选择特定几个敏感的检测波长即可,所以选用发光二极管作为仪器的光源。参考相关文献,选定的光源波长分别为1680 nm、1880 nm、2180 nm^[3-4,6]。

　　检测器的作用是把光信号转变为电信号,检测器一般由光敏元件构成,光敏元件的材料不同,其工作范围也不相同,从而决定了仪器的检测波长范围。所以应选与发光二极管同一厂家生产的光敏材料为InGaAs的检测器。检测器响应的大概范围为800—2400 nm,但是检测器对波长小于1200 nm和大于2300 nm的部分敏感度较低,最为敏感的波长范围为1300—2200 nm。所用的光源波长范围为1680—2180 nm,正好处在检测器最为敏感的部分。