李小康,許世軍
(西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710021)
油品檢測(cè)是當(dāng)下迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)并沒(méi)有建立統(tǒng)一的對(duì)“地溝油”及其制成品的國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),以及缺乏對(duì)“地溝油”進(jìn)行檢測(cè)的有效設(shè)備[1].鑒別食用油品質(zhì)及地溝油時(shí),常用的光學(xué)方法有傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜法[2]、太赫茲波段光譜法[3]、熒光法[4],或檢測(cè)油品中特定成份的光譜[5]等,但并未涉及食用油的色散特性,通常采用折射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系來(lái)描述色散特性.
為獲取不同食用油的光學(xué)色散特異性,須研究其折射率隨波長(zhǎng)變化的特征.油品屬于液體,測(cè)量液體折射率的方法有阿貝折射法[6]、邁克遜干涉法[7]、基于后焦面液體折射率測(cè)量法[8]、利用全反射測(cè)量透明液體折射率[9]等.阿貝折射法通過(guò)全反射臨界角的測(cè)定來(lái)測(cè)量液體折射率,測(cè)量范圍有限,計(jì)算公式復(fù)雜;邁克遜干涉法通過(guò)測(cè)量干涉條紋數(shù)目的變化來(lái)測(cè)量液體折射率,光路調(diào)整復(fù)雜,測(cè)量過(guò)程時(shí)間長(zhǎng).這些方法操作復(fù)雜,反復(fù)性差,很難實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量.
為了解決實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、計(jì)算公式復(fù)雜等問(wèn)題,忽略光的散射影響后,建立了一種用于分光光度計(jì)的新雙層載玻片模型,用此載玻片分別盛載菜籽油、芝麻油、餐廚廢棄油、摻偽菜籽油、摻偽芝麻油,實(shí)驗(yàn)獲取380~1500 nm波段的透射光譜,進(jìn)而研究了5種油品的折射率隨波長(zhǎng)變化特征.
本實(shí)驗(yàn)使用的樣品為芝麻油(自己采辦的新鮮芝麻拿到煉油作坊現(xiàn)榨),菜籽油(產(chǎn)自陜西省咸陽(yáng)市興平食品工業(yè)園),餐廚廢棄油(西安鐵路疾病預(yù)防控制中心獲取),摻偽菜籽油(菜籽油+20%餐廚廢棄油),摻偽芝麻油(芝麻油+20%餐廚廢棄油)帆船牌載玻片(厚度約為1.2 mm),實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度10 ℃.
使用日本日立公司的U-3501分光光度計(jì),獲取透射率數(shù)據(jù).分光光度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo):波長(zhǎng)范圍185~3200 nm(本文中僅選用380~1500 nm光譜范圍),波長(zhǎng)精度在近紅外區(qū)時(shí)Δλ≤0.1 nm;在紫外-可見(jiàn)區(qū)時(shí)Δλ≤0.2 nm.
將兩塊厚度及材質(zhì)相同的載玻片疊放在一起,兩塊載玻片間留有一定的空氣縫隙(如圖1所示),用來(lái)盛載樣品.創(chuàng)建新的雙層載玻片模型得思路如下.
圖1 雙層載玻片模型
首先對(duì)樣品上界面(空氣-載玻片①-樣品)的透射率進(jìn)行分析,n1(1為下標(biāo))表示空氣的折射率;n2(2為下標(biāo))表示載玻片的折射率;n3(3為下標(biāo))表示樣品的折射率;R1(1為下標(biāo))表示空氣與載玻片間單次反射率;R2(2為下標(biāo))表示載玻片與樣品間單次反射率;T1(1為下標(biāo))表示空氣與載玻片間透射率;T2(2為下標(biāo))表示載玻片與樣品間透射率;T表示通過(guò)分光光度計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量雙層載玻片模型的透射率;T1、T2、T3、……分別表示光第1次、第2次、第3次、……經(jīng)載玻片透射到樣品的透射率;T1,3(1,3為下標(biāo))表示光從折射率為n1的介質(zhì)到折射率為n3的介質(zhì)的透射率之和,即光經(jīng)載玻片到達(dá)樣品的透射率之和;T3,1(3,1為下標(biāo))表示光從折射率為n3的介質(zhì)到折射率為n1的介質(zhì)的透射率之和,即光經(jīng)載玻片到達(dá)空氣的透射率之和.
(1)
(2)
當(dāng)光束垂直入射時(shí)有[10]
T1,3=T1+T2+T3+…=
(1-R1)(1-R2)+(1-R1)(1-R2)R1R2+
(3)
同理可對(duì)樣品下界面(樣品-載玻片②-空氣)的透射率進(jìn)行分析,可得
(4)
因樣品上界面和下界面都是由相同材質(zhì)的載玻片和空氣組成,在不考慮載玻片和空氣對(duì)光的吸收,從樣品層角度分析,類(lèi)似式(3)推導(dǎo)過(guò)程,有
(5)
由式(3)、(4)可得樣品上界面與下界面透射率相等,即T1,3=T3,1,有
(6)
當(dāng)樣品為載玻片時(shí),有n2=n3,考慮上界面反射率的影響,需要用R1對(duì)載玻片的透射率進(jìn)行修正,即修正后的樣品透射率為T(mén)′
(7)
T′=T1,3+R1=T3,1+R1
(8)
考慮下界面反射率的影響,需對(duì)載玻片的透射率再次進(jìn)行修正,則修正后的載玻片透射率為T(mén)1
(9)
在忽略散射和吸收的條件下有
T1+R1=1
(10)
因?yàn)榉瓷渎蔙1大于0,由式(6)、(8)、(9)、(10)有
(11)
由式(7)有
(12)
當(dāng)樣品為油品時(shí)根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(6)有
(13)
首先將分光光度計(jì)預(yù)熱,其次進(jìn)行基線校準(zhǔn),然后把含有樣品的雙層載玻片模型分別放入分光光度計(jì)樣品室,選取380~1500 nm波段進(jìn)行掃描獲取透射光譜.
因?yàn)闃悠穼雍鼙?,載玻片有一定厚度,所以測(cè)量載玻片折射率時(shí),樣品用載玻片來(lái)替換,會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響.為了減小影響,用雙面膠帶將雙層載玻片模型中的兩塊載玻片緊密的粘連在一起,在理想狀況下,載玻片表面很平整,相粘連的兩塊載玻片融為一體,此時(shí)樣品就可以看成載玻片.
通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)量雙層載玻片模型透射率如圖2、3所示.
由圖2可知,雙層載玻片的透射率在75%~83%之間,在380~550 nm、1050~1500 nm波段透射率隨波長(zhǎng)的增大而增大;在550~1050nm波段透射率隨波長(zhǎng)的增大而減小.
圖2 雙層載玻片模型透射率
由圖3可知,5種雙層載玻片(油品)模型的透射率在380~550 nm波段急劇上升;在550~1100 nm波段下降;在1100~1500 nm波段緩慢上升.可見(jiàn),不同類(lèi)型油品模型的透射率曲線存在顯著的區(qū)別,表明其折射率有著顯著的區(qū)別.
圖3 雙層載玻片(油品)模型透射率
為了驗(yàn)證模型的可行性,采用了假設(shè)檢驗(yàn)的方法.假設(shè)載玻片折射率為1.52,菜籽油折射率為1.47,根據(jù)圖4,在忽略散射和吸收的情況下推導(dǎo)模型反射率與透射率.
圖4 雙層載玻片模型
R1、R2同前,R3(3為下標(biāo))表示樣品與載玻片②間單次反射率;R4(4為下標(biāo))表示載玻片②與空氣間單次反射率;T1、T2同前,T3(3為下標(biāo))表示樣品與載玻片②間的透射率;T4(4為下標(biāo))表示載玻片②與空氣間的透射率;R表示雙層載玻片模型的反射率之和.
當(dāng)光束垂直入射時(shí)有
R=R1+T1R2T1+T1T2R3T2T1+
T1T2T3R4T3T2T1
(14)
因載玻片材質(zhì)相同,所以R1=R4、R2=R3.
(15)
(16)
T1=1-R1=0.96
(17)
T2=1-R2=0.9997
(18)
R=R1+T1R2T1+T1T2R3T2T1+
T1T2T3R4T3T2T1=0.0774
(19)
T=1-R=0.9226
(20)
當(dāng)透射率為T(mén)=0.9226時(shí),根據(jù)所建立的模型推導(dǎo)出菜籽油的折射率,由式(6)有
(21)
由式(17)可知T1=0.96,有
(22)
(23)
菜籽油折射率計(jì)算結(jié)果與假設(shè)結(jié)果相符,驗(yàn)證了雙層載玻片模型的可行性.
2.3.1 載玻片折射率分析
將分光光度計(jì)測(cè)量的雙層載玻片模型透射率數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)中,求解載玻片的折射率,并繪制折射率隨波長(zhǎng)變化的曲線,如圖5所示.
圖5 載玻片折射率
由圖5知在380~1500 nm波段,載玻片的折射率在1.44~1.58之間.在380~550 nm、1050~1500 nm波段,載玻片的折射率隨波長(zhǎng)的增大而減??;在550~1050 nm波段,載玻片的折射率隨波長(zhǎng)的增大而增大.
如圖6所示,文獻(xiàn)[11]采用雙厚度透射反演算法計(jì)算了載玻片在300~600 nm波段折射率隨波長(zhǎng)變化特性,而本文采用雙層載玻片模型計(jì)算了載玻片在380~1500 nm波段折射率隨波長(zhǎng)變化特性.對(duì)比分析載玻片在380~600 nm波段折射率隨波長(zhǎng)變化特性,折射率都隨波長(zhǎng)增大而減小,模型計(jì)算與文獻(xiàn)計(jì)算折射率最大差值僅為0.075.分析其產(chǎn)生誤差原因,主要是因載玻片材質(zhì)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器誤差等產(chǎn)生的.
圖6 模型計(jì)算與文獻(xiàn)中計(jì)算載玻片折射率對(duì)比
2.3.2 油品折射率分析
將分光光度計(jì)測(cè)量的雙層載玻片(油品)模型透射率數(shù)據(jù)代入式(3)、(5)、(13)中,結(jié)合2.3.1部分求出的載玻片折射率,推導(dǎo)出扣除載玻片影響的油品折射率,并繪制折射率隨波長(zhǎng)變化曲線,如圖7所示.
圖7 油品折射率
由圖7可知,5種食用油折射率在380~550 nm波段急劇下降;在1100~1500 nm波段緩慢下降;在550~1100 nm波段上升.雙光程透射法[12]中食用油折射率在380~550 nm波段急劇下降;在550~1500 nm波段緩慢下降.對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)食用油折射率在550~1100 nm波段變化特性不同,主要原因有兩點(diǎn):
1) 與其它光譜范圍相比,食用油在550~1100 nm波段的吸收指數(shù)隨著波長(zhǎng)的增加而減小[12].
2) 環(huán)境溫度對(duì)食用油在550~1100 nm波段的吸收指數(shù)有影響,而對(duì)食用油在380~550 nm、1100~1500 nm波段的吸收指數(shù)影響小[12],雙光程透射法實(shí)驗(yàn)環(huán)境為20℃,而本實(shí)驗(yàn)環(huán)境為10 ℃.
2.4.1 油品特征吸收峰處折射率
由圖7可知,油品折射率曲線在380~1500 nm波段內(nèi)存在正常色散和反常色散,其反常色散存在于特征吸收峰的過(guò)渡段,結(jié)果與反常色散理論[13]相符合.由色散理論可知,發(fā)生反常色散的原因是由于入射光的頻率和材料的晶格振動(dòng)頻率一致,產(chǎn)生共振而引起的強(qiáng)烈吸收,從而使折射率發(fā)生變化.
從圖7中還可知,5種油品在850 nm、1210 nm、1400 nm波長(zhǎng)處存在特征峰,選取380~1500 nm波段數(shù)值平均折射率作為鑒別指標(biāo)會(huì)將油品的特征平滑掉,所以選取特征峰處的折射率作為鑒別指標(biāo),如表1所示.
表1 不同油品特征峰處折射率
由表1可知,正常油品和非正常油品在其特征峰處折射率有著明顯的區(qū)別.正常油品在850 nm、1400 nm波長(zhǎng)處的折射率比較接近,而在1210 nm波長(zhǎng)處的折射率與其它兩個(gè)特征峰處的折射率有著明顯的區(qū)別.
2.4.2 不同位置處特征峰分析
雙光程透射法[12]中以比色皿作為盛載裝置,食用油在900 nm、1210 nm、1400 nm波長(zhǎng)處存在吸收率特征峰.本文研究中忽略了散射和吸收的影響,即吸收率特征峰與折射率特征峰相對(duì)應(yīng),對(duì)比發(fā)現(xiàn)盛載裝置對(duì)食用油在1210 nm、1400 nm波長(zhǎng)處的特征峰無(wú)影響.食用油的主要成分為脂肪酸[14], 脂肪酸中主要含有-C-H基團(tuán), 波長(zhǎng)在900 nm波長(zhǎng)處的特征峰主要由甲基和亞甲基中C-H 鍵的三級(jí)倍頻伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的;在1210 nm波長(zhǎng)處的特征峰主要由甲基、亞甲基和乙炔基中C-H鍵的二級(jí)倍頻伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的;在1400 nm波長(zhǎng)處的特征峰主要由 C-H 鍵的彎曲振動(dòng)同亞甲基中C-H 鍵的伸縮振動(dòng)的合頻產(chǎn)生的[14,15].
油品在850 nm波長(zhǎng)處特征峰位置不同,結(jié)合載玻片透射率曲線分析,可能是因?yàn)橄到y(tǒng)誤差產(chǎn)生的,為此對(duì)儀器的平直性進(jìn)行了兩次測(cè)量,如圖8所示.
圖8 儀器平直性測(cè)量
由圖8可知,U-3501分光光度計(jì)在850~900 nm波段透射率發(fā)生突變,透射率隨波長(zhǎng)的增大而增大,產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差.從分光光度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)分析,該儀器有2個(gè)探測(cè)器,分別負(fù)責(zé)紫外-可見(jiàn)區(qū)(Δλ≤0.2 nm)和近紅外區(qū)(Δλ≤0.1 nm),將儀器光源透射率與菜籽油模型的透射率進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示.
由圖9可判定系統(tǒng)誤差對(duì)油品在850~900 nm波段的透射率產(chǎn)生影響,使得油品在850 nm處產(chǎn)生假性特征峰,而在900 nm波長(zhǎng)處的特征峰被系統(tǒng)誤差掩蓋.
圖9 儀器光源透射率與菜籽油模型透射率
盛載裝置對(duì)油品在1210 nm、1400 nm波長(zhǎng)處的特征峰無(wú)影響;850 nm波長(zhǎng)的特征峰非油品特征峰,而是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的;850 nm、1400 nm波長(zhǎng)處的折射率比較接近,綜合以上三點(diǎn),選取1210 nm波長(zhǎng)處的特征折射率作為油品鑒別的有效指標(biāo).
采用假設(shè)性檢驗(yàn)方法,驗(yàn)證了雙層載玻片模型的可行性.5種油品在380~1500 nm波段光譜相似度高;在1210 nm、1400 nm波長(zhǎng)處都存在折射率特征峰,標(biāo)志著不同油品存在諸多關(guān)聯(lián)性成分.5種油品在1210 nm波長(zhǎng)處的折射率特征值,可以作為油品鑒別的有效指標(biāo).