劉大鴻 劉雅麗 張家寶 胡志琳 楊升 鄭斌

[摘要]糧食供應(yīng)已經(jīng)成為當(dāng)前全人類面臨的重大問題，對(duì)于我國而言，龐大的人口基數(shù)使得糧食問題更加重要。針對(duì)國內(nèi)糧食供應(yīng)和安全領(lǐng)域存在的實(shí)際問題，為促進(jìn)糧食供應(yīng)與安全行業(yè)的健康發(fā)展，本文從原理、方法以及設(shè)備方面剖析了近紅外光譜技術(shù)，并研發(fā)了移動(dòng)近紅外光譜產(chǎn)品。該產(chǎn)品提供卓越的近紅外光譜分析能力，可用于現(xiàn)代糧食供應(yīng)和安全領(lǐng)域，有助于更進(jìn)一步探索近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]糧食供應(yīng);糧食安全;近紅外光譜;移動(dòng)光譜儀;糧食檢測;追溯系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202009

1 背景

糧食供應(yīng)是保障國家糧食安全、推進(jìn)全面建設(shè)小康社會(huì)的重要組成部分，深入研究糧食供應(yīng)與安全并且完善現(xiàn)代糧食供應(yīng)與安全體系具有重要意義。為了加強(qiáng)糧食產(chǎn)品安全管理，我國糧食產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善，截至“十一五”末期，制修訂糧食加工標(biāo)準(zhǔn)400余項(xiàng)。目前國內(nèi)糧食安全檢驗(yàn)檢測體系框架基本形成，建立了905家中央和地方各級(jí)糧食質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、200家國家糧食質(zhì)量監(jiān)測站（中心）、30家省部級(jí)飼料質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心[1]。

目前，我國糧食供應(yīng)和安全行業(yè)仍然存在很多實(shí)際問題。例如部分企業(yè)法制和誠信意識(shí)淡薄，違規(guī)使用食品添加劑，摻雜使假、以次充好的現(xiàn)象依然存在，食品安全事件時(shí)有發(fā)生。當(dāng)前國內(nèi)糧食科技研發(fā)重視不夠，投入不足。2010年糧食加工業(yè)科技投入僅占銷售收入的0.2%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2%～3%的平均水平。糧食供應(yīng)與安全行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的開發(fā)大多處于仿制階段，產(chǎn)品技術(shù)含量低。

針對(duì)國內(nèi)糧食供應(yīng)和安全領(lǐng)域存在的實(shí)際問題，為促進(jìn)糧食供應(yīng)與安全行業(yè)的健康發(fā)展，北京領(lǐng)主科技有限公司（以下簡稱領(lǐng)主科技）研發(fā)了移動(dòng)近紅外光譜產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有較強(qiáng)的近紅外光譜分析能力，可廣泛應(yīng)用于糧食供應(yīng)和安全行業(yè)，能夠?yàn)榘l(fā)展現(xiàn)代糧食供應(yīng)和安全提供強(qiáng)有力的科技支撐。

2 近紅外光譜原理

近紅外光是一種介于可見譜區(qū)與中紅外譜區(qū)的電磁波，波長范圍為0.75～2.5μm，分子的紅外輻射吸收源于化學(xué)鍵的振動(dòng)，其振動(dòng)與雙原子分子的振動(dòng)類似;分子可以按照化學(xué)結(jié)構(gòu)的基頻振動(dòng)，也可以按照基頻的整數(shù)倍頻率發(fā)生振動(dòng)。

按量子學(xué)說，求解薛定諤方程得到諧振子振動(dòng)能量Evib和振動(dòng)譜項(xiàng)G（v），分別如下：

利用量子力學(xué)近似或微擾法在諧振子方程解的基礎(chǔ)上解得非諧振子能量如下：

式中：為非諧性常數(shù)，其值很小。

相應(yīng)的譜項(xiàng)為：

按照玻爾茲曼分布，常溫下分子主要處在振動(dòng)基態(tài)v=0，所以躍遷主要是從振動(dòng)基態(tài)v″=0向v′=v上各能級(jí)之間，其吸收頻率為

3 近紅外光譜分析

由于分子內(nèi)和分子間的相互作用，物質(zhì)具有特定的紅外吸收光譜帶，可以對(duì)未知樣品進(jìn)行定性和定量分析[3]。與傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法相比，近紅外光譜分析過程簡單高效、速度快，不會(huì)破壞樣品，能同時(shí)對(duì)多組分進(jìn)行測定和實(shí)時(shí)分析。但其不足之處在于，一是測試靈敏度相對(duì)較低，在組分分析中要求含量一般大于0.1%;二是受周圍環(huán)境的影響大，需要進(jìn)行標(biāo)樣校正比對(duì)。

近紅外光譜分析方法主要有以下三種。

3.1 透射法

將樣品直接放入紅外光束中，紅外光束通過樣品時(shí)測量透射能量并生成光譜。該方法可靠性強(qiáng)、靈敏度高。透射測試方法如圖1所示。

3.2 鏡面反射

利用紅外光照射樣品表面，其中部分特定波長的紅外光被樣品強(qiáng)烈吸收，通過測量紅外光的反射率就得到了紅外反射譜[4]。該方法無須制樣，可使用固體原物直接測試。鏡面反射測試方法如圖2所示。

3.3 漫反射

當(dāng)光線照射到樣品時(shí)，一部分光經(jīng)過折射進(jìn)入樣品內(nèi)部與樣品分子作用，發(fā)生反射、折射、散射和吸收[5]。該方法不需要制樣、不改變樣品形狀、不要求樣品有足夠的透明度或表面光潔度、不會(huì)對(duì)樣品造成任何損壞。漫反射測試方法如圖3所示。

4 傳統(tǒng)光譜設(shè)備

歷史上第一代紅外光譜儀是棱鏡式紅外分光光度計(jì)，第二代是光柵式紅外分光光度計(jì)，第三代是傅立葉變換紅外光譜儀。這些光譜設(shè)備的光學(xué)材料制造費(fèi)事，工作環(huán)境要求相對(duì)嚴(yán)格，體積比較龐大，重量在數(shù)公斤以上，一般都只用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場的分析檢測，如圖4所示。

5 領(lǐng)主移動(dòng)光譜儀

基于近紅外光譜芯片AS7263，領(lǐng)主科技設(shè)計(jì)開發(fā)了移動(dòng)近紅外光譜儀，如圖5所示。該光譜儀具有較強(qiáng)的抗外界干擾性和優(yōu)良的穩(wěn)定性，非常適合各種商業(yè)及檢測場景。相比當(dāng)前各類光譜分析儀器，領(lǐng)主科技的移動(dòng)近紅外光譜儀具有尺寸更小、功耗更低的優(yōu)勢，有效降低了光譜分析的成本，能夠廣泛應(yīng)用于食品安全、產(chǎn)品認(rèn)證、常規(guī)測試等領(lǐng)域。過去笨重的實(shí)驗(yàn)室級(jí)設(shè)備，現(xiàn)在可以被移動(dòng)式的手持設(shè)備取代;以往不得不從工廠生產(chǎn)線送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析質(zhì)量檢測的生產(chǎn)樣品，如今能夠在生產(chǎn)線上直接完成[6]。

6 近紅外光譜試驗(yàn)

采用領(lǐng)主科技的移動(dòng)近紅外光譜儀，基于透射法測試8種常見的食用油的近紅外光譜吸收特性，包括胡姬花花生油、九三葵花子油、九三大豆油、福臨門玉米油、金龍魚玉米油、西王玉米油、金龍魚調(diào)和油、金龍魚芝麻油，具體樣品如圖6所示。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果（相對(duì)吸收）如表1所示。

如圖7所示，從食用油紅外吸收光譜試驗(yàn)結(jié)果分析可知：（1）芝麻油相對(duì)其他食用油顏色較深，故可見光譜部分其明顯與其他油品不同;（2）除了芝麻油，其他食用油顏色淡黃透明性強(qiáng)，故可見光譜部分在0附近;（3）所測的8種食用油在可見光譜部分，彼此很難區(qū)分;（4）只有在近紅外區(qū)的兩個(gè)頻點(diǎn)處，才能夠?qū)?種食物油加以區(qū)分。

7 近紅外光譜應(yīng)用

（1）小麥檢測：近紅外光譜在小麥蛋白質(zhì)含量、麥麩、灰分、淀粉、膳食纖維指標(biāo)方面有更好的表現(xiàn)，還能夠檢測發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)、谷蛋白等。