大豆品质近红外光谱分析仪测量数据处理

　　近红外光谱(NIRS)分析技术作为一种快速、无损、多组分同时检测的绿色分析技术,可以用于大豆及其产品的蛋白质、脂肪、水分、含油量等品质的现场检测,克服了现有大豆产品的品质检测方法存在的预处理过程繁琐,检测时间长,无法满足随进、随验、随储的要求的不足。目前国内已有关于利用现有实验室近红外光谱仪器研究大豆蛋白质、脂肪、水分、氨基酸等品质分析方法的报道^[1-3]，但还未见关于大豆品质近红外光谱现场检测分析仪器的报道。作者自行设计了基于CCD、光纤探头的大豆品质近红外光谱现场分析仪器。利用近红外光谱现场分析大豆品质,必须首先获得准确反映大豆样品品质信息的近红外光谱数据。然而利用自行设计的仪器所测得的大豆样品的漫反射近红外光谱数据中含有各种来自光源、电路及外界环境的噪声和干扰,需根据不同噪声的特点采用适当的方法加以消除。

　　1　实验仪器与数据采集

　　1.1　实验仪器

　　自行设计的CCD近红外光谱仪器系统结构如图1所示。系统采用光纤探头测得样品漫反射近红外光谱数据。光源与Y型光纤的光源接口相连,其光通过Y型光纤的样品接口射出,照射在样品(或白板)上。此光经样品(或白板)反射后通过Y型光纤的信号接口进入分光系统,分光后照射在CCD上。CCD信号采集电路将CCD感受到的信号转变为数字量后,传给PC机。PC机通过对此信号的标定、选择计算,获得所需波段和波长间隔的测量数据。

　　1.2　数据采集

　　采用上述系统进行背景(挡住分光系统的入射狭缝)、白板(材料为BaSO₄)、大豆样品(市场购买)的数据采集,获得原始测量数据。根据原始数据计算光谱数据。

　　(1)数据采集:对背景、白板、大豆样品分别进行连续重复100次的数据采集,获得三组测量数据databackground、datablank、datasample,分别为100×351矩阵,如图2所示。采集期间保证白板、样品的测量位置不变,同组数据采集间隔为0.25 s,各组数据采集间隔为8 min 27 s、34 min35 s。积分时间130 ms,采样间隔1 nm,波长λ范围700——1100 nm。

　　(2)光谱数据计算:按顺序分别在三组数据中各取一次采集数据: databackground [i]、datablank[i]、datasample[i] ,分别为1×301矩阵(由于三组数据在1000 nm以后有重迭,计算吸光度时,出现负数的对数无法计算,因此舍去1000 nm以后的数据),代入式(1)、式(2),得一组样品的吸光度光谱数据dataspectrum1,为一100×301矩阵,如图3所示。

　　(3)不同样品光谱数据计算:重新装样测量,每次连续重复100次采集样品数据,平均得一1×351数组作为样品数据。取步骤(1)中的databackground、datablank的平均值,得两个1×351数组,分别为背景、白板数据。代入式(1)、式(2),舍去1000 nm以后的数据,计算得吸光度光谱数据。图4所示为20次重新装样测得的不同样品吸光度光谱数据dataspectrum2,为一20×301矩阵。