便攜式近紅外水果分析儀研究進(jìn)展

趙艷茹，余克強(qiáng)，劉志鵬，張淑娟

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

隨著近紅外光譜技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其簡單、快捷的特點促使人們逐漸將其應(yīng)用推廣到各種分散型實物的現(xiàn)場分析中，尤其是在果品檢測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在水果生長過程中，及時了解水果內(nèi)部成分的含量，既可以指導(dǎo)果農(nóng)科學(xué)合理地施用化肥，解決現(xiàn)在普遍存在的濫用、多用化肥問題，又可提高水果質(zhì)量，增加果農(nóng)收入。在采摘時，農(nóng)業(yè)部門和質(zhì)檢部門對水果進(jìn)行抽檢，可以在不損壞水果的前提下，增加抽樣數(shù)量，提高檢驗速度，既可避免浪費，還可將外表有缺陷但內(nèi)部品質(zhì)很好的水果分選出來銷售，從而提高水果的附加值[1]。近紅外光譜儀特點是：（1）體積小，質(zhì)量輕；（2）備有專用的檢測附件及計算模型，特定的儀器僅應(yīng)用于同類樣品；（3）對環(huán)境溫度、濕度及抗震性的適用范圍較寬；（4）所用的分光系統(tǒng)常采用比較先進(jìn)的技術(shù)。

目前，國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是實驗室近紅外檢測儀，其精度高、穩(wěn)定性好，然而，其分析過程需采樣、運輸、記錄，而且價格昂貴，限制了近紅外光譜儀在水果采收預(yù)測以及作物長勢監(jiān)控等方面的進(jìn)一步應(yīng)用和在無力或無需購買大型水果分選設(shè)備的水果商中的應(yīng)用[2]。計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化光譜儀器和化學(xué)計量學(xué)方法結(jié)合，推動了近紅外光譜技術(shù)的飛躍發(fā)展[3]；微機(jī)電加工等技術(shù)的發(fā)展使得檢測儀向便攜式發(fā)展；檢測目標(biāo)由產(chǎn)后管理檢測逐步發(fā)展為產(chǎn)中管理監(jiān)測，這為近紅外水果內(nèi)部品質(zhì)檢測儀的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

本文闡述了近紅外水果內(nèi)部品質(zhì)檢測儀的檢測流程及其系統(tǒng)組成，總結(jié)了國內(nèi)外近紅外便攜儀的研究進(jìn)展，并展望了近紅外便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)檢測儀的發(fā)展趨勢。

1 檢測流程

獲得水果的近紅外光譜主要有3 種方式：漫反射、透射和漫透射。便攜式近紅外檢測儀的不同體現(xiàn)在原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件等方面，但檢測流程類似。選用漫反射或漫透射光纖探頭對水果進(jìn)行檢測，帶有水果內(nèi)部品質(zhì)信息的近紅外反射或透射光通過光纖由檢測器所接受，檢測器將近紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏斀o數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理得出結(jié)果并由LCD 顯示（圖1）。

2 系統(tǒng)組成

便攜式近紅外光譜儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)保證了儀器性能的穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)保證了預(yù)測樣本的準(zhǔn)確性。

2.1 硬件系統(tǒng)

便攜式近紅外光譜儀由光源、分光系統(tǒng)、檢測器、信號放大系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理部分和顯示器所組成。其中，光源多采用鹵鎢燈和發(fā)光二極管（LED）。檢測器用于檢測攜帶樣品信息的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^模數(shù)轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號形式輸出。便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測儀中多采用硅基檢測器，如硅基的電荷耦合器件或二極管陣列檢測器。結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，可使用不同類型的光纖探頭進(jìn)行各種采樣。在便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測儀中，以應(yīng)用漫反射探頭為主[2]。

2.2 軟件系統(tǒng)

便攜式近紅外水果分析系統(tǒng)的軟件從功能方面可以分為2 個主要部分：光譜儀控制模塊和化學(xué)計量學(xué)模塊。光譜儀控制模塊主要由實時采集、光譜儀器性能自我診斷以及分析數(shù)據(jù)儀器信息的顯示這3 個部分構(gòu)成。其流程如圖2 所示。

定時事件主要處理對定時精度要求不高的定時任務(wù)，主要任務(wù)有溫度采集及控制、電池檢測、儀器狀態(tài)、定時暗電流采集等。通訊處理模塊實現(xiàn)對接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行解析。數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要實現(xiàn)暗電流采集、參比（零點）光譜采集和測量光譜采集，并計算吸光度。

化學(xué)計量學(xué)模塊主要有光譜的預(yù)處理、定量（定性）校正模型的建立以及預(yù)測分析等功能，其流程如圖3 所示。校正模型的建立通常包括光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、光譜區(qū)間和其他參數(shù)的選擇以及模型的驗證。樣品的模型是在校正模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，通過調(diào)整模型文件中的控制參數(shù)和校正模型對未知樣品光譜進(jìn)行計算，從而獲得樣品性質(zhì)預(yù)測結(jié)果。

3 國內(nèi)外便攜式近紅外水果分析儀的發(fā)展?fàn)顩r

目前，國際上有多種商品化的便攜式近紅外專用水果分析儀，僅在日本就有3 家儀器公司生產(chǎn)這種類型的分析儀，如Kubota 公司的K-BA-100R，F(xiàn)ANTEC 公司的FQA-NIR Gun 以及Astem公司的ANC-77。據(jù)報道，日本K-BA-100R 分析儀的市場保有量最大，達(dá)800 余臺[1]。表1 為國內(nèi)外部分便攜式近紅外光譜儀性能對比。

國外對近紅外光譜儀的研究起步較早，現(xiàn)已經(jīng)取得了不少成績。Camps 等[4]應(yīng)用可見近紅外光譜儀（Ocean optics S-2000，USA）在650～1 200 nm波長內(nèi)研究了杏的糖度、酸度和硬度，結(jié)果表明，應(yīng)用便攜式近紅外光譜儀可以在果品生長期進(jìn)行有效監(jiān)測，有利地保證了產(chǎn)后水果的品質(zhì)。José等[5]應(yīng)用2 種便攜式光譜儀對橘子的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行了研究，得出較為理想的效果。

表1 國內(nèi)外部分便攜式近紅外光譜儀性能對比

20 世紀(jì)90 年代以來，我國開始對水蜜桃、柑橘、蘋果、番茄、梨等果蔬的糖度、酸度和硬度的近紅外無損檢測進(jìn)行一定的研究。王加華等[6]采用日本Kubota 株式會社的便攜式近紅外光譜儀（K-BA-100R 型）檢測香梨硬度，相關(guān)系數(shù)法和遺傳算法用于選擇偏最小二乘建模變量，預(yù)測均方差分別為7.740，8.080 N，相對預(yù)測誤差分別為26.24%和29.71%，結(jié)果表明，采用便攜儀可用于梨硬度的現(xiàn)場檢測。楊帆等[7]應(yīng)用SupNIR-1 000（聚光科技，中國）近紅外光譜分析儀對蘋果酸度和抗壞血酸進(jìn)行定量分析，蘋果酸度預(yù)測集相關(guān)系數(shù)為0.979 9，蘋果抗壞血酸預(yù)測集相關(guān)系數(shù)為0.927 2，結(jié)果表明，使用便攜式近紅外光譜儀可以用于蘋果樣本的酸度和抗壞血酸含量的測定。盧寶紅等[8]利用近紅外光譜分析儀對玉米HS-1 群體的淀粉含量進(jìn)行了2 輪混合選擇。張燕等[9]利用近紅外光譜分析技術(shù)在煙草行業(yè)中進(jìn)行定性分析。孟兆芳等[10]利用近紅外光譜分析技術(shù)建立豆粕粗蛋白快速分析檢測模型，結(jié)果表明，近紅外光譜分析方法的預(yù)測值與化學(xué)分析值有顯著的相關(guān)性。

4 便攜式近紅外水果檢測儀的發(fā)展趨勢

便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)檢測儀的發(fā)展方向主要有幾個方面：（1）低成本，低功耗。相對而言，近紅外光譜檢測儀的價格還是比較高，在越來越多的市場需求下以及在經(jīng)濟(jì)方面的要求下，價格成為衡量儀器的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。（2）模型通用化。一般的特定儀器僅限于使用于同類產(chǎn)品，在多元化生產(chǎn)及管理的要求下，一臺儀器上建立的定性或定量校正模型能夠可靠地移植到其他相同或類似的儀器上，也成為了便攜式近紅外檢測儀的發(fā)展趨勢之一。（3）高信噪比、高穩(wěn)定性。進(jìn)一步完善軟件的數(shù)理統(tǒng)計方法，提高從復(fù)雜、重疊的近紅外光譜中提取有效信息的效率以及信噪比。

5 小結(jié)

便攜式近紅外水果分析儀不僅可以滿足產(chǎn)后品質(zhì)的檢測需求，還可以在生長期監(jiān)控果實動態(tài)變化，實現(xiàn)果園的產(chǎn)中管理，使產(chǎn)品質(zhì)量管理延伸到了源頭，有力地保證了采后產(chǎn)品的質(zhì)量，填補(bǔ)了這一技術(shù)空白，對指導(dǎo)果樹生產(chǎn)有著及其重要的意義。

［1］陸婉珍.近紅外光譜儀器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］劉燕德，高榮杰，孫旭東.便攜式水果內(nèi)部品質(zhì)近紅外檢測儀研究進(jìn)展[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（10）：2874-2878.

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