近紅外光譜分析在糖溶液濃度測(cè)量中的應(yīng)用

張娜+范乃梅+何燕

摘要： 提出了一種使用近紅外光譜分析技術(shù)測(cè)量梨果肉溶液濃度的新方法。采用一種間接的相對(duì)分析方法，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)建立了糖溶液光譜圖與其質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系模型庫(kù).通過(guò)與該關(guān)系模型庫(kù)的對(duì)比，可以精確得到不同濃度糖溶液的真實(shí)值。系統(tǒng)使用白光作為光源，分析對(duì)比了不同濃度糖溶液光譜圖，波峰值在1 406 nm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符，濃度分辨率為0.05%，絕對(duì)誤差僅為0.002%。

關(guān)鍵詞： 液體濃度； 測(cè)量； 近紅外； 光譜分析

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近紅外光具有良好的傳輸特性，且其儀器較簡(jiǎn)單、非破壞性和樣品制備量小、幾乎適合各類樣品（液體、黏稠體、涂層、粉末和固體）分析，同時(shí)具有分析速度快且可多組分多通道同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著近紅外光譜分析技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量技術(shù)以及光纖的有機(jī)結(jié)合，與傳統(tǒng)的方法相比較具有無(wú)損、無(wú)污染、準(zhǔn)確、快捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、煙草、食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[14]。液體濃度是反映液體特征的一個(gè)非常重要的參量，對(duì)它的測(cè)量具有十分重要的意義[58]。在食品衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，液體濃度的在線檢測(cè)是一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文基于近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糖溶液濃度的在線檢測(cè)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作、分辨率高。1近紅外光譜分析原理近紅外是波長(zhǎng)在780～3 000 nm范圍的電磁波，對(duì)植物十分敏感?，F(xiàn)代近紅外光譜（NIR）分析技術(shù)是近年來(lái)分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)。近紅外光譜是由物質(zhì)吸收光能使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻及和頻信息，它受含氫基團(tuán)X-H（X=C，N，O）的倍頻與和頻的重疊主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)所用的蔗糖為二糖，分子式C12H22O11，化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由C-H基、O-H基組成，具有明顯的光譜特性，基團(tuán)的吸收頻譜表征了這些成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射蔗糖樣品時(shí)，由于試樣對(duì)不同頻率近紅外光的選擇性吸收，可得到蔗糖溶液的光譜圖。實(shí)驗(yàn)前，首先建立近紅外光譜和蔗糖樣品的化學(xué)組分之間的定量模型，再向模型庫(kù)中輸入蔗糖樣品的近紅外光譜信息，從而能夠確定蔗糖樣品的質(zhì)量參數(shù)。光源輻射出的待測(cè)元素的特征光譜被樣品蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，根據(jù)發(fā)射光譜被減弱的程度，進(jìn)而求得樣品中待測(cè)元素的含量，其符合朗伯比爾定律，可表示為：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I為透射光強(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，T為透射比，K為溶液的消光系數(shù)，C為溶液濃度，L為光通過(guò)原子化器光程。由于L是不變值，所以A=KC。光學(xué)儀器第36卷

第5期張娜，等：近紅外光譜分析在糖溶液濃度測(cè)量中的應(yīng)用

3結(jié)論

本文基于強(qiáng)度調(diào)制原理以及近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了梨果肉濃度的精確測(cè)量。測(cè)量前利用統(tǒng)計(jì)分析的方法在樣品待測(cè)參數(shù)值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個(gè)關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)被測(cè)樣品光譜圖的測(cè)量，可以得到被測(cè)樣品的濃度值，即通過(guò)間接分析法測(cè)量糖溶液的質(zhì)量參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符。該方法快速、準(zhǔn)確、方便，可用于糖溶液濃度的在線檢測(cè)及質(zhì)量分析。該方法將應(yīng)用于食品生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王云，徐可欣，常敏.近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)牛奶中脂肪及蛋白質(zhì)含量校正模型的建立[J].光學(xué)儀器，2006，28（3）：37.

[2]趙珂，熊艷，趙敏.基于近紅外光譜技術(shù)的臍橙快速無(wú)損檢測(cè)[J].激光與紅外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，張樹群，黃泳，等.高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在近紅外光譜測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王錫昌，劉源，等.近紅外光譜技術(shù)快速無(wú)損測(cè)定帶魚糜及其制品中磷酸鹽含量[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（6）：15421546.

[5]張娜，何燕，張彥，等.基于菲涅爾反射的液體濃度精確測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，喬淑欣，蔡亞楠，等.基于多孔硅Bragg反射鏡的液體濃度測(cè)量方法[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32（6）：863868.

[7]榮民，張連水.光纖光柵傳感器檢測(cè)液體濃度[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，F(xiàn)AN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 提出了一種使用近紅外光譜分析技術(shù)測(cè)量梨果肉溶液濃度的新方法。采用一種間接的相對(duì)分析方法，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)建立了糖溶液光譜圖與其質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系模型庫(kù).通過(guò)與該關(guān)系模型庫(kù)的對(duì)比，可以精確得到不同濃度糖溶液的真實(shí)值。系統(tǒng)使用白光作為光源，分析對(duì)比了不同濃度糖溶液光譜圖，波峰值在1 406 nm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符，濃度分辨率為0.05%，絕對(duì)誤差僅為0.002%。

關(guān)鍵詞： 液體濃度； 測(cè)量； 近紅外； 光譜分析

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近紅外光具有良好的傳輸特性，且其儀器較簡(jiǎn)單、非破壞性和樣品制備量小、幾乎適合各類樣品（液體、黏稠體、涂層、粉末和固體）分析，同時(shí)具有分析速度快且可多組分多通道同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著近紅外光譜分析技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量技術(shù)以及光纖的有機(jī)結(jié)合，與傳統(tǒng)的方法相比較具有無(wú)損、無(wú)污染、準(zhǔn)確、快捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、煙草、食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[14]。液體濃度是反映液體特征的一個(gè)非常重要的參量，對(duì)它的測(cè)量具有十分重要的意義[58]。在食品衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，液體濃度的在線檢測(cè)是一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文基于近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糖溶液濃度的在線檢測(cè)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作、分辨率高。1近紅外光譜分析原理近紅外是波長(zhǎng)在780～3 000 nm范圍的電磁波，對(duì)植物十分敏感?，F(xiàn)代近紅外光譜（NIR）分析技術(shù)是近年來(lái)分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)。近紅外光譜是由物質(zhì)吸收光能使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻及和頻信息，它受含氫基團(tuán)X-H（X=C，N，O）的倍頻與和頻的重疊主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)所用的蔗糖為二糖，分子式C12H22O11，化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由C-H基、O-H基組成，具有明顯的光譜特性，基團(tuán)的吸收頻譜表征了這些成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射蔗糖樣品時(shí)，由于試樣對(duì)不同頻率近紅外光的選擇性吸收，可得到蔗糖溶液的光譜圖。實(shí)驗(yàn)前，首先建立近紅外光譜和蔗糖樣品的化學(xué)組分之間的定量模型，再向模型庫(kù)中輸入蔗糖樣品的近紅外光譜信息，從而能夠確定蔗糖樣品的質(zhì)量參數(shù)。光源輻射出的待測(cè)元素的特征光譜被樣品蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，根據(jù)發(fā)射光譜被減弱的程度，進(jìn)而求得樣品中待測(cè)元素的含量，其符合朗伯比爾定律，可表示為：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I為透射光強(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，T為透射比，K為溶液的消光系數(shù)，C為溶液濃度，L為光通過(guò)原子化器光程。由于L是不變值，所以A=KC。光學(xué)儀器第36卷

第5期張娜，等：近紅外光譜分析在糖溶液濃度測(cè)量中的應(yīng)用

3結(jié)論

本文基于強(qiáng)度調(diào)制原理以及近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了梨果肉濃度的精確測(cè)量。測(cè)量前利用統(tǒng)計(jì)分析的方法在樣品待測(cè)參數(shù)值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個(gè)關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)被測(cè)樣品光譜圖的測(cè)量，可以得到被測(cè)樣品的濃度值，即通過(guò)間接分析法測(cè)量糖溶液的質(zhì)量參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符。該方法快速、準(zhǔn)確、方便，可用于糖溶液濃度的在線檢測(cè)及質(zhì)量分析。該方法將應(yīng)用于食品生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王云，徐可欣，常敏.近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)牛奶中脂肪及蛋白質(zhì)含量校正模型的建立[J].光學(xué)儀器，2006，28（3）：37.

[2]趙珂，熊艷，趙敏.基于近紅外光譜技術(shù)的臍橙快速無(wú)損檢測(cè)[J].激光與紅外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，張樹群，黃泳，等.高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在近紅外光譜測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王錫昌，劉源，等.近紅外光譜技術(shù)快速無(wú)損測(cè)定帶魚糜及其制品中磷酸鹽含量[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（6）：15421546.

[5]張娜，何燕，張彥，等.基于菲涅爾反射的液體濃度精確測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，喬淑欣，蔡亞楠，等.基于多孔硅Bragg反射鏡的液體濃度測(cè)量方法[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32（6）：863868.

[7]榮民，張連水.光纖光柵傳感器檢測(cè)液體濃度[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，F(xiàn)AN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 提出了一種使用近紅外光譜分析技術(shù)測(cè)量梨果肉溶液濃度的新方法。采用一種間接的相對(duì)分析方法，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)建立了糖溶液光譜圖與其質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系模型庫(kù).通過(guò)與該關(guān)系模型庫(kù)的對(duì)比，可以精確得到不同濃度糖溶液的真實(shí)值。系統(tǒng)使用白光作為光源，分析對(duì)比了不同濃度糖溶液光譜圖，波峰值在1 406 nm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符，濃度分辨率為0.05%，絕對(duì)誤差僅為0.002%。

關(guān)鍵詞： 液體濃度； 測(cè)量； 近紅外； 光譜分析

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近紅外光具有良好的傳輸特性，且其儀器較簡(jiǎn)單、非破壞性和樣品制備量小、幾乎適合各類樣品（液體、黏稠體、涂層、粉末和固體）分析，同時(shí)具有分析速度快且可多組分多通道同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著近紅外光譜分析技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量技術(shù)以及光纖的有機(jī)結(jié)合，與傳統(tǒng)的方法相比較具有無(wú)損、無(wú)污染、準(zhǔn)確、快捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、煙草、食品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[14]。液體濃度是反映液體特征的一個(gè)非常重要的參量，對(duì)它的測(cè)量具有十分重要的意義[58]。在食品衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，液體濃度的在線檢測(cè)是一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文基于近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糖溶液濃度的在線檢測(cè)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作、分辨率高。1近紅外光譜分析原理近紅外是波長(zhǎng)在780～3 000 nm范圍的電磁波，對(duì)植物十分敏感。現(xiàn)代近紅外光譜（NIR）分析技術(shù)是近年來(lái)分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)。近紅外光譜是由物質(zhì)吸收光能使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻及和頻信息，它受含氫基團(tuán)X-H（X=C，N，O）的倍頻與和頻的重疊主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)所用的蔗糖為二糖，分子式C12H22O11，化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由C-H基、O-H基組成，具有明顯的光譜特性，基團(tuán)的吸收頻譜表征了這些成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射蔗糖樣品時(shí)，由于試樣對(duì)不同頻率近紅外光的選擇性吸收，可得到蔗糖溶液的光譜圖。實(shí)驗(yàn)前，首先建立近紅外光譜和蔗糖樣品的化學(xué)組分之間的定量模型，再向模型庫(kù)中輸入蔗糖樣品的近紅外光譜信息，從而能夠確定蔗糖樣品的質(zhì)量參數(shù)。光源輻射出的待測(cè)元素的特征光譜被樣品蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，根據(jù)發(fā)射光譜被減弱的程度，進(jìn)而求得樣品中待測(cè)元素的含量，其符合朗伯比爾定律，可表示為：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I為透射光強(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，T為透射比，K為溶液的消光系數(shù)，C為溶液濃度，L為光通過(guò)原子化器光程。由于L是不變值，所以A=KC。光學(xué)儀器第36卷

第5期張娜，等：近紅外光譜分析在糖溶液濃度測(cè)量中的應(yīng)用

3結(jié)論

本文基于強(qiáng)度調(diào)制原理以及近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了梨果肉濃度的精確測(cè)量。測(cè)量前利用統(tǒng)計(jì)分析的方法在樣品待測(cè)參數(shù)值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個(gè)關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)被測(cè)樣品光譜圖的測(cè)量，可以得到被測(cè)樣品的濃度值，即通過(guò)間接分析法測(cè)量糖溶液的質(zhì)量參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值十分相符。該方法快速、準(zhǔn)確、方便，可用于糖溶液濃度的在線檢測(cè)及質(zhì)量分析。該方法將應(yīng)用于食品生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王云，徐可欣，常敏.近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)牛奶中脂肪及蛋白質(zhì)含量校正模型的建立[J].光學(xué)儀器，2006，28（3）：37.

[2]趙珂，熊艷，趙敏.基于近紅外光譜技術(shù)的臍橙快速無(wú)損檢測(cè)[J].激光與紅外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，張樹群，黃泳，等.高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在近紅外光譜測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王錫昌，劉源，等.近紅外光譜技術(shù)快速無(wú)損測(cè)定帶魚糜及其制品中磷酸鹽含量[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（6）：15421546.

[5]張娜，何燕，張彥，等.基于菲涅爾反射的液體濃度精確測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，喬淑欣，蔡亞楠，等.基于多孔硅Bragg反射鏡的液體濃度測(cè)量方法[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32（6）：863868.

[7]榮民，張連水.光纖光柵傳感器檢測(cè)液體濃度[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，F(xiàn)AN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014