基于激光感生電壓技術(shù)的咖啡粉粒徑檢測

劉學(xué)聰，苗昕揚(yáng)，詹洪磊，朱明達(dá)，張善哲，趙 昆

（1.中國石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京） 新能源與材料學(xué)院，北京 102249）

引言

咖啡（coffee）是烘焙的咖啡豆經(jīng)過一系列復(fù)雜的加工工藝所制作出來的飲料，歷史悠久，種類繁多，風(fēng)味濃郁，位列“世界三大飲料”之首[1]。國際上通常根據(jù)咖啡果實顆粒的大小，將咖啡的三大原種劃分為大粒種咖啡、中粒種咖啡和小粒種咖啡，不同大小的咖啡其口感有著很大的差距，其中中國云南的小顆?？Х纫驗槠洫?dú)特的風(fēng)味而備受歡迎[2]。

咖啡豆需要經(jīng)過去皮、發(fā)酵、干燥、烘焙、研磨、沖煮等多道工序才能得到日常生活中所嘗到的咖啡飲品，其中研磨是咖啡制作中極其重要的環(huán)節(jié)[3]。研磨度根據(jù)研磨顆粒的大小一般可以分為粗研磨（粒徑5 000 μm～8 000 μm）、中研磨（粒徑63 μm～5 000 μm）和細(xì)研磨（粒徑20 μm～63 μm）3種，不同的研磨度不僅對應(yīng)著后續(xù)不同的萃取加工方法，而且對咖啡的風(fēng)味與口感有著直接影響[4-5]。實驗表明，當(dāng)烘焙程度等其他客觀條件一定時，咖啡顆粒越小，咖啡中的咖啡因、葫蘆巴堿等苦味物質(zhì)越易被萃取，咖啡的苦味越顯著，反之則酸味越重[6]。因為咖啡顆粒的大小直接影響著成品咖啡的品質(zhì)，所以區(qū)分辨別咖啡粉的顆粒大小尤為重要。由于咖啡粉顆粒形狀不規(guī)則、顆粒大小不一致等原因，對其粉末粒徑的測量過程較為復(fù)雜。目前常用的檢測方法包括顯微鏡法、篩析法、沉降法、激光法等，其中激光法因為測試粒徑范圍廣、測定速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),成為了咖啡粒度測試的主要方法之一[7-9]。

激光感生電壓技術(shù)通過檢測在激光照射下樣品中所產(chǎn)生的電信號來實現(xiàn)樣本的檢測與分析，近年來被應(yīng)用于油氣資源、熱輻射探測、薄膜技術(shù)研究等領(lǐng)域，展現(xiàn)出重要的科研價值與應(yīng)用潛力[10-13]?？Х戎懈缓械鞍踪|(zhì)、脂肪、甲硫醇等多種有機(jī)質(zhì)、大分子成分，此前的研究表明，光敏有機(jī)材料在紫外激光的照射下，能夠產(chǎn)生明顯的感生電壓響應(yīng)，因此利用LIV 技術(shù)有望直觀反映咖啡中的結(jié)構(gòu)變化[14]。本文中，我們將LIV 技術(shù)運(yùn)用于咖啡粉粒度的檢測中，測試了不同粒徑的咖啡粉末，研究了不同粒徑咖啡粉所對應(yīng)的瞬態(tài)光生電壓信號，分析了粒徑大小與感生電壓的峰值、半高寬以及響應(yīng)時間之間的關(guān)系，驗證了LIV 技術(shù)在檢測咖啡粉粒徑差異中應(yīng)用的可行性。

1 材料與方法

實驗選用中咖深度烘焙的云南保山小顆?？Х榷篂樵?。首先利用研缽將咖啡豆手工研磨成粉，隨后將研磨后的咖啡粉分別用160目～170目（粒徑89 μm～96 μm）、150目～160目（粒徑96 μm～104 μm）、140目～150目（粒徑104 μm～107 μm）、130目～140目（粒徑107 μm～109 μm）、130目～120目（粒徑109 μm ～117 μm）、120目～110目（粒徑117 μm～130 μm）、100目～110目（粒徑130 μm～140 μm）的篩子進(jìn)行篩選，得到顆粒大小不同的等量咖啡粉。在LIV 測試中，采用波長為248 nm（光子能量5 eV）、脈寬為20 ns的KrF 脈沖激光器作為光源，Keithley 2400型源表作為偏置電壓源，帶寬350 MHz、輸入阻抗1 MΩ的示波器用于記錄波形。測試前，將樣品放置于比色皿內(nèi)，晃動比色皿使咖啡粉分布均勻，樣品高度為11 mm。如圖1所示，在裝有樣品的比色皿上放置帶有4個長寬相等的銅線電極蓋子，每個電極之間相互平行，間距相同。測試時，保持激光能量不變。為提升光電響應(yīng)的靈敏度，將外側(cè)兩個電極分別與Keithley 2400 數(shù)字源表的正、負(fù)極相連，作為偏置電壓的電壓源。將樣品中間的2 根導(dǎo)線分別與DOP4032 數(shù)字示波器的輸入端、輸出端相連。測試時，調(diào)整樣品的位置，使脈沖激光照射于樣品測試電極的中間位置，對于每個粒徑的樣品，分別進(jìn)行4次測試，依次記錄并存取其光生電壓波形。

2 結(jié)果與分析

圖1 激光感生電壓測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser induced voltage test

當(dāng)脈沖激光照射于咖啡粉末樣品表面時，光生載流子在外加電場的作用下定向移動，產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓信號如圖2所示。從圖中可以看出，被測樣品的響應(yīng)信號波形由快速上升與緩慢下降2部分組成。光照瞬間信號快速上升，在150 μs 左右達(dá)到最大，隨后緩慢下降，并逐漸趨近于水平。對比不同樣品的響應(yīng)波形可以看出，不同粒徑咖啡粉的激光感生電壓響應(yīng)波形有明顯區(qū)別，在上升速度、響應(yīng)時間、信號幅值等方面均存在一定差異。對于不同粒徑的咖啡粉，其顆粒大小和顆粒間縫隙存在差異，影響著樣品的整體密度，對咖啡粉末樣品的LIV 響應(yīng)造成影響。

圖2 248 nm 脈沖激光照射不同粒徑咖啡粉產(chǎn)生的瞬態(tài)光生電壓波形Fig.2 Transient photo-generated voltage waveforms generated by irradiation of 248 nm pulsed laser on coffee powders with variant particle sizes

為進(jìn)一步分析不同粒徑咖啡的激光感生電壓響應(yīng)，提取多次測試LIV 信號的幅值（Vp）平均值與咖啡粒徑作圖，如圖3所示。由圖中可以看出，隨咖啡粉粒徑的增大，7組樣品的Vp呈非單調(diào)性變化，當(dāng)粉末粒徑由130 μm～140 μm 減小至104 μm～107 μm時，Vp出現(xiàn)明顯的降低，而當(dāng)進(jìn)一步減小咖啡粒徑時，Vp逐漸回升。樣品的孔隙結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)含量都會對Vp產(chǎn)生影響，一方面，咖啡中的無機(jī)組分與粉末間的孔隙往往不具有導(dǎo)電性，影響光生載流子的傳播。隨咖啡粒徑降低，顆粒之間的間隙變小，粉末的整體電阻變低，載流子移動時的損耗也不斷減弱。另一方面，咖啡中含有大量的有機(jī)質(zhì)大分子，其中存在一定含量的光敏介質(zhì)[14?15]。圖4所示為粒徑89 μm～96 μm、104 μm～107 μm及109 μm～117 μm的咖啡粉末的紅外吸收光譜。從圖中可以看出，在3 404.65 cm?1附近存在較強(qiáng)、較寬的吸收峰，這主要由咖啡粉的多糖和蛋白質(zhì)中-OH與-NH3伸縮振動引起，而在2 924.7 cm?1和2 854.04 cm?1附近的吸收峰主要來源于咖啡粉中脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和碳水化合物中的-CH2以及-CH3的對稱伸縮振動，1 745.28 cm?1～610.94 cm?1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收峰代表酰胺Ⅲ等其他物質(zhì)或多種物質(zhì)混合的伸縮振動[16]。當(dāng)光子能量高于光敏有機(jī)分子的帶寬時，其能夠吸收光子從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，產(chǎn)生大量的光生載流子。此外，對比不同粒徑咖啡粉末的紅外吸收譜可以看出，隨粉末粒徑降低，光譜中的不同吸收峰位基本保持不變，而峰強(qiáng)逐漸降低。可知隨粉末的粒徑減小，其成分的種類并未產(chǎn)生顯著變化，而隨研磨程度的增加，咖啡中的有機(jī)質(zhì)揮發(fā)速率增大，其含量逐漸降低，導(dǎo)致光生載流子數(shù)目不斷減小。因此，在無機(jī)組分結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)含量的共同作用下，樣品的Vp隨粒徑的變化呈現(xiàn)出先減小后增大的非單調(diào)性變化規(guī)律。

圖3 Vp與咖啡粒徑間的關(guān)系（圖中誤差線代表多次測試信號的浮動范圍）Fig.3 Relationship between Vpand particle size (error bars represent the floating range of multiple measurements)

圖4 不同粒徑咖啡粉末的紅外吸收光譜Fig.4 Infrared absorption spectra of coffee powder with different particle sizes

在信號處理時通常選取波形上升沿的10%～90%的時間作為響應(yīng)時間，選取信號波形在1/2幅值處的2個時間差值為信號半高寬（FWHM），這2個參數(shù)分別反映了樣品中感生電壓信號的響應(yīng)速度和復(fù)合時間。圖5為樣品響應(yīng)信號的上升時間和半高寬與咖啡粒徑的關(guān)系曲線。整體來看，信號的上升時間和半高寬都與咖啡粉粒徑間呈近似線性關(guān)系，其中，隨著粒徑的增加，信號的上升時間逐漸增大，半高寬逐漸降低，說明當(dāng)咖啡粉末的粒徑增大時，其激光感生電壓信號的響應(yīng)速度逐漸變慢，而復(fù)合速度逐漸增加。

圖5 樣品LIV 信號的變化規(guī)律Fig.5 Variation law of response time and FWHM with the particle size

激光感生電壓效應(yīng)的響應(yīng)時間主要取決于樣品本身的光電特性（載流子的遷移時間），此外測量電路的充放電時間對其也有一定影響。粒徑最小的粉末樣品，其上升時間最小，半高寬最大。隨著粒徑增加，其上升速度變慢，復(fù)合過程變快。隨著粒徑的增大，咖啡粉末的整體密度逐漸降低，電阻增大，導(dǎo)致光照瞬間光生載流子的充電速度逐漸變慢，而激光熄滅后載流子的復(fù)合速度不斷加快。

咖啡的粒徑大小對咖啡的風(fēng)味與口感有直接影響。目前，常用于對粒徑大小進(jìn)行分析的方法包括篩分法、顯微鏡法、沉降法等。其中，篩分法能夠?qū)崿F(xiàn)對粒度的粗略劃分，具備直接、簡單、快速的特點(diǎn)；顯微鏡法能夠觀察到顆粒的形狀結(jié)構(gòu)、表面樣貌，是一種直觀、精確的粒徑測量方法；沉降法通過檢測顆粒在介質(zhì)中沉積速度來確定粒度組成與大小，多應(yīng)用于油漆、顏料、造紙等行業(yè)[9]。此外，一些新興的粒度檢測技術(shù)，如機(jī)器視覺、光散射、激光法等，也經(jīng)常用于顆粒粒度的分析，具有適用范圍寬、系統(tǒng)穩(wěn)定、可重復(fù)性好等特點(diǎn)[17-19]。激光感生電壓技術(shù)是近年來新興的光學(xué)方法之一，其響應(yīng)受被檢測樣品的結(jié)構(gòu)與成分的影響，同時具備操作簡單可控、檢測過程無損等特點(diǎn)，有望成為對粉末粒徑的有效檢測手段。

3 結(jié)論

以深度烘焙的云南小顆?？Х榷篂樵?，利用LIV 技術(shù)對經(jīng)過研磨篩選出的7種粒徑不同的咖啡粉進(jìn)行檢測。不同粒徑咖啡粉的激光感生電壓響應(yīng)具有一定差異，其中，受樣品的孔隙結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)含量的影響，信號幅值Vp與粒徑間呈非單調(diào)變化關(guān)系。LIV 信號的半高寬與響應(yīng)時間主要取決于樣品的整體密度與孔隙度，當(dāng)粒徑增大時，顆粒間縫隙的增大，導(dǎo)致信號的響應(yīng)時間逐漸增加，信號的半高寬逐漸減小。結(jié)果表明，激光感生電壓技術(shù)對咖啡粉的粒徑變化較為敏感，有望成為一種咖啡粉末粒徑檢測的新穎手段。