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        基于分光光度計(jì)的食用油折射率實(shí)驗(yàn)研究

        2021-01-25 03:26:22李小康許世軍
        大學(xué)物理 2021年2期
        關(guān)鍵詞:特征模型

        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.

        1 實(shí)驗(yàn)方案和方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及儀器

        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.

        1.2 新的雙層載玻片模型

        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)

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        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.

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 透射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        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

        2.2 雙層載玻片模型評(píng)價(jià)

        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 折射率分析

        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?。辉?50~1050 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 油品特征吸收峰處折射率分析

        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).

        3 結(jié)論

        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).

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