用于食品成分分析的双探测器近红外光谱仪

　　1　引　言

　　近年来,近红外光谱作为迅速崛起的光谱分析技术,在分析测试领域中得到了越来越多的关注。由于近红外光谱用于样品分析时,基本不需要对样品进行 处理,且不破坏和消耗样品,又无环境污染,所以堪称是绿色分析的典型代表。因此,近红外光谱分析技术作为一种无损、快速检测技术正越来越多地被大家认同 [1-4]。近红外技术具有应用领域广泛、市场容量大等特点,目前我国市场上的近红外商品仪器中,国内产品还不多,特别是高档近红外分析仪器,大部分是国 外公司的产品;此外,我国尚未建立近红外光谱分析仪器与应用技术的相关标准[5-7]。因此,国内的大量研究工作集中在以下两个方面[8-9]:一是使用 进口的近红外光谱仪,分析不同样品、不同成分含量,扩展近红外光谱的应用范围;二是对样品的光谱数据进行分析,对化学计量算法、仪器设计、仪器性能的研究 相对较少。在这种情况下,本课题组一直致力于近红外光谱仪器的研制和推广工作。本文主要介绍一种自制的滤光片型双探测器结构的近红外漫反射光谱仪,并应用 该光谱仪检测了奶粉、牛奶和酱油相关成分的含量。

　　2　仪器构成与实现

　　一台近红外漫反射光谱仪一般包括6大部分:光源、分光部分、装样部分、检测器部分、信号处理和结果显示部分。虽然在结构安排上不同仪器略有不 同,但是基本的漫反射结构都如图1所示[1-3]。尽管目前衍射光栅型光谱仪以其波长范围宽、分辨率高等特点更为专家们所推崇,本文仍然选择干涉滤光片作 为分光器件,其原因在于仪器的结构简单、光谱重复性容易实现,在探测器上可以获得比光栅分光高得多的光能量,从而简化探测器的信号放大和噪声抑制工作,实 现光电信号的高稳定性输出。本文以较为简单的结构验证了双探测器光谱仪的可行性,该结构利于降低仪器成本,容易实现专用化。

　　本文研制的近红外光谱仪结构如图2所示。12个干涉滤光片的中心波长分别是1 722 nm、1 759、1 820、1 940、2 050、2 100、2 140、2 180、2 230、2 270、2 310和2 350 nm[1-2]。滤光片的半波宽度(FWHM)是中心波长的1%,大约为20 nm左右,这种滤光片可以用于检测谷物的蛋白质、脂肪和水的含量的近红外光谱仪中[7]。一般近红外光谱仪测量漫反射光谱时,多采用一块标准漫反射板作参 考,以获得样品的漫反射吸光度。该类仪器经常采用交替测量结构(如图1),这种结构在B.G.Osborne[1]书中称为样品-参考-样品(SRS)检 测模式,用于消除仪器由于光学和电子学系统的热噪声所带来的漂移。本文的双探测器系统设计也是出于此目的提出的。从图1和图2的比较不难看出两者的差异所 在。