食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀的研制*

丁海銘，曹曙光，曲洪波，遲彧靚，于亞洲，王洋

（黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，哈爾濱 150036）

食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀的研制*

丁海銘，曹曙光，曲洪波，遲彧靚，于亞洲，王洋

（黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，哈爾濱 150036）

對(duì)沒有光譜測(cè)量功能的分光光度計(jì)類測(cè)量設(shè)備的光譜分析問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，研制成可自校準(zhǔn)并有效溯源的食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀，解決了設(shè)備光源標(biāo)定問題，為食品安全速測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確測(cè)量提供可靠技術(shù)保證。

自校準(zhǔn)；溯源；光譜分析；光譜標(biāo)定儀；食品安全速測(cè)設(shè)備

食品安全是人們最重視的社會(huì)問題之一，食品安全速測(cè)設(shè)備因其使用方便、檢測(cè)快速而被廣泛使用。保證食品安全速測(cè)設(shè)備測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，是建設(shè)食品安全環(huán)境的一個(gè)重要方面。目前食品分析儀器市場(chǎng)上可供選擇的食品安全速測(cè)設(shè)備有幾十種，如黃曲霉素檢測(cè)儀、食品二氧化硫檢測(cè)儀、食品亞硝酸鹽檢測(cè)儀、食品甲醛測(cè)定儀、農(nóng)藥殘毒檢測(cè)儀等［1］。這些儀器多由光源加濾光片（或集束式光源）、測(cè)量池、集成光電傳感器、微處理器等組成，可直接在液晶屏幕上顯示被測(cè)樣品中有害物質(zhì)的含量。這類儀器測(cè)量的原理是基于被測(cè)樣品中有害物質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)成分與顯色劑反應(yīng)，生成的有色化合物對(duì)紫外可見光有選擇性吸收而建立的比色分析法。由于采用比色分析法，依據(jù)朗伯-比耳定律，其適用光源必須為單色光，選取摩爾吸光系數(shù)比較大的波長(zhǎng)進(jìn)行分析。而光源穩(wěn)定性欠佳及濾光片質(zhì)量缺陷等會(huì)導(dǎo)致分析儀波長(zhǎng)產(chǎn)生偏離、半峰寬變寬，從而使檢測(cè)對(duì)象的檢測(cè)靈敏度下降。因此，對(duì)這類設(shè)備光源光譜進(jìn)行性能評(píng)價(jià)非常必要。

目前計(jì)量部門對(duì)于分光光度計(jì)類設(shè)備光譜變動(dòng)的檢測(cè)采用波長(zhǎng)示值誤差評(píng)價(jià)方法，利用分光光度計(jì)對(duì)汞元素?zé)?、鈥玻璃、干涉濾光片的特征波長(zhǎng)峰進(jìn)行檢測(cè)［2］。該方法的局限性是儀器必須具備相應(yīng)的光譜光度測(cè)量功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全譜范圍波長(zhǎng)的準(zhǔn)確標(biāo)定。目前市場(chǎng)上大量專用的食品安全速測(cè)設(shè)備只具有特定項(xiàng)目的濃度測(cè)定功能，而不具備相應(yīng)的光譜光度測(cè)量功能，上述傳統(tǒng)方法無(wú)法解決這些專用分析儀波長(zhǎng)、半峰寬等指標(biāo)的檢定校準(zhǔn)問題。因此，研制涵蓋紫外、可見波段的食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀勢(shì)在必行。

1 食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀實(shí)現(xiàn)方案

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀硬件系統(tǒng)包括光譜標(biāo)定模塊、光譜測(cè)量模塊、嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊、光路適配單元、電源系統(tǒng)5部分，構(gòu)造圖如圖2。

（1）光譜標(biāo)定模塊

食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀光譜標(biāo)定模塊主要由汞燈、汞燈電源組成。低壓汞燈在200～700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有分布均勻的線光譜,譜線強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，利用汞燈的特征譜線對(duì)光譜儀進(jìn)行精確標(biāo)定，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。當(dāng)外界環(huán)境變化校正，調(diào)整標(biāo)定儀積分時(shí)間則可以準(zhǔn)確獲得汞燈發(fā)射光譜曲線。標(biāo)定譜線界面如圖3。

（2）光譜測(cè)量模塊

光譜測(cè)量模塊的基本元件是光譜儀，主要作用是分光，它可以將包含多種波長(zhǎng)的復(fù)合光以波長(zhǎng)或頻率的方式進(jìn)行分解，使不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)以波長(zhǎng)或頻率為橫坐標(biāo)進(jìn)行排列，光譜掃描范圍200～1100 nm，像素分辨率為0.26 nm。

（3）嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊

嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊由嵌入式主板及觸摸屏顯示器構(gòu)成，其功能是光譜采集、數(shù)據(jù)分析及處理。

（4）光路適配單元

光路適配單元由光纖、取光探頭（紫外增強(qiáng)鋁膜反射鏡）組成，取光探頭將被測(cè)光反射到光纖中，并由光纖傳送到光譜儀中進(jìn)行分光測(cè)量，由于待測(cè)食品安全速測(cè)設(shè)備不具有光譜光度測(cè)量功能，無(wú)法使用汞元素?zé)簟⑩€玻璃或干涉濾光片的特征波長(zhǎng)峰進(jìn)行檢測(cè)，并且這類設(shè)備體積小，光源檢測(cè)設(shè)備難以放入，而普通光譜儀的光纖探頭無(wú)法彎曲，不能直接進(jìn)行食品安全速測(cè)設(shè)備光源的測(cè)定。為此設(shè)計(jì)光路適配單元，將光信號(hào)沿垂直于傳播路徑的方向引出,光纖放置于光線引出的傳播路徑上以接收光信號(hào)。采用紫外增強(qiáng)鋁膜反射鏡，不但使測(cè)定的波長(zhǎng)范圍能夠滿足技術(shù)要求（200～1100 nm），而且全波長(zhǎng)范圍內(nèi)，發(fā)射損失最大僅有10%，極大地提高了光譜測(cè)定的實(shí)用性。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集（波長(zhǎng)采集、光譜采集），數(shù)據(jù)分析（全譜測(cè)量、區(qū)間選擇、脈沖光），數(shù)據(jù)處理（中心波長(zhǎng)、中心峰值、半峰寬）3部分。

食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀軟件系統(tǒng)如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)邊界地區(qū)夜間無(wú)人值守對(duì)非法越界人的智能監(jiān)測(cè),論文提出首先使用混合高斯背景建模提取前景圖像并裁剪目標(biāo)區(qū)域,減少HOG特征提取的計(jì)算復(fù)雜度,提高了算法的速度。進(jìn)而通過STC跟蹤算法得出的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡,根據(jù)提出的軌跡判別方法,完成對(duì)目標(biāo)的二次判斷達(dá)到正確監(jiān)測(cè)出越界人的目的。論文雖然提高了夜間越界人自動(dòng)智能識(shí)別算法的速度和精度,但是精度還是不夠高,后續(xù)工作將結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法提高算法的精度。

數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)、光譜數(shù)據(jù)的獲取。數(shù)據(jù)分析部分主要實(shí)現(xiàn)區(qū)間選擇、擬合和脈沖光譜測(cè)量功能，可以對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行精確定位，修正光譜噪聲及對(duì)脈沖光源進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)處理部分在完成數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，自動(dòng)提取出所需信息并給出峰值強(qiáng)度、中心波長(zhǎng)及光源的半峰寬。

（5）電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)配置為3V／5V／12V，負(fù)責(zé)給汞燈、主板、顯示器、光譜儀供電。

2 應(yīng)用實(shí)例、誤差分析及測(cè)量不確定度評(píng)定

2.1 食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀的波長(zhǎng)測(cè)量

（1）汞元素?zé)艄庾V的測(cè)量

汞元素?zé)艟哂泄潭òl(fā)射波長(zhǎng)，通過對(duì)這些發(fā)射光譜全波段的測(cè)量驗(yàn)證光譜標(biāo)定儀的性能。其測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列于表1，由表1可知，波長(zhǎng)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差絕對(duì)值小于0.2 nm。

表1 汞元素?zé)舭l(fā)射譜線波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值

（2）模擬光源的測(cè)量

為了確保光譜標(biāo)定儀的波長(zhǎng)測(cè)量準(zhǔn)確性，進(jìn)行光源模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用鎢燈經(jīng)過干涉濾光片產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的單色光模擬食品安全速測(cè)設(shè)備，并用標(biāo)定儀對(duì)其進(jìn)行光譜分析，所用干涉濾光片為所用介質(zhì)膜干涉濾光片為國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其定值中心波長(zhǎng)分別為443.9，550.0，665.7 nm，在一定的條件下，采用食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀測(cè)量模擬系統(tǒng)的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，波長(zhǎng)誤差分別為 –0.14，0.13，0.13 nm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光譜標(biāo)定儀完全可以滿足波長(zhǎng)誤差絕對(duì)值小于0.30 nm的設(shè)計(jì)要求。

表2 干涉濾光片中心波長(zhǎng)值與光譜標(biāo)定儀測(cè)量值

（3）食品速測(cè)設(shè)備的光源光譜測(cè)定

旋光儀是測(cè)量食品中糖量含量的重要設(shè)備之一，其鈉燈測(cè)量波長(zhǎng)為589.4400 nm，其中心波長(zhǎng)的準(zhǔn)確與否對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接影響。

對(duì)一臺(tái)Perkin Elmer 341型旋光儀進(jìn)行光譜測(cè)量，其中心波長(zhǎng)為589.64 nm，半峰寬為1.66 nm,波長(zhǎng)誤差為0.2 nm。

對(duì)市場(chǎng)上常用的一款甲醛測(cè)定儀進(jìn)行光譜測(cè)量，標(biāo)稱波長(zhǎng)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果列于表3。

表3 甲醛分析儀波長(zhǎng)標(biāo)稱值與測(cè)量值

由表3可知，波長(zhǎng)測(cè)量值與標(biāo)稱值相比，波長(zhǎng)誤差最小值為–1.37 nm，最大值為37.12 nm。該波長(zhǎng)誤差對(duì)甲醛的測(cè)量所造成的影響，要結(jié)合甲醛的吸收光譜進(jìn)行具體分析。

2.2 食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀測(cè)量不確定度

食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀采用汞燈自然基準(zhǔn)對(duì)光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，其測(cè)量不確定度來(lái)源主要有汞燈標(biāo)定引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1、光譜儀像元分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2及溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。

其波長(zhǎng)測(cè)量誤差數(shù)學(xué)模型為：

式中：Δλ——食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀波長(zhǎng)誤差，nm；

λ0——汞燈自然基準(zhǔn)的定值誤差，nm；

λ1——光譜儀像元分辨力引入的誤差，nm；

λ2——溫度變化對(duì)光譜儀測(cè)定引入的誤差，nm。

汞燈自然基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1可由文獻(xiàn)查到，低壓石英汞燈自然基準(zhǔn)的波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)值不確定度U=0.01 nm，取包含因子k=2，則u1=0.005 nm［3］。

光譜儀像元分辨力校準(zhǔn)區(qū)間引入的不確定度可根據(jù)光譜儀使用說明書，按照B類不確定度來(lái)評(píng)定。光譜儀分辨力校準(zhǔn)區(qū)間的測(cè)量半寬度為0.25 nm，按照均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2=0.15 nm。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，溫度變化對(duì)光譜儀測(cè)定影響為0.1個(gè)像素單元，則溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3=0.015 nm，標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(Δλ)按照式（2）合成：

把u1，u2，u3的值代人式（2），求得uc(Δλ)=0.15 nm,取k=2,則擴(kuò)展不確定度U=kuc(Δλ)=0.30 nm。

3 結(jié)論

研制的食品安全速測(cè)設(shè)備光譜標(biāo)定儀及光源（200～1 100 nm）轉(zhuǎn)換適配裝置，經(jīng)自然基準(zhǔn)光源校準(zhǔn)后，通過對(duì)元素?zé)簟⒄瓗Ъす馄?、汞燈自然基?zhǔn)光源、國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)干涉濾光片模擬光源、食品安全速測(cè)設(shè)備的檢測(cè)，表明該光譜標(biāo)定儀可檢測(cè)波長(zhǎng)范圍在200～1 100 nm的食品安全速測(cè)設(shè)備及分光類設(shè)備的特征波長(zhǎng)，波長(zhǎng)示值誤差上限為0.30 nm，可標(biāo)定光譜帶寬大于0.50 nm的光源發(fā)射光譜。該光譜標(biāo)定儀具有中心波長(zhǎng)、半峰寬測(cè)量功能，同時(shí)具備將自然基準(zhǔn)光源的特征波長(zhǎng)進(jìn)行修正的波長(zhǎng)溯源功能，該標(biāo)定儀采用嵌入式設(shè)計(jì)，保證了該設(shè)備的便攜性，可以滿足速測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢定校準(zhǔn)的全譜范圍波長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè)量要求，對(duì)于保證分析檢測(cè)質(zhì)量、提高食品安全速測(cè)設(shè)備檢測(cè)水平起著十分重要的作用。利用該研究成果，還可以解決目前國(guó)內(nèi)生化分析儀、酶標(biāo)分析儀等設(shè)備按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程無(wú)法進(jìn)行波長(zhǎng)檢定的難題，確保國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程的實(shí)施。

［1］王興華，曹彥波，馬雋，等.農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全快速檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展［J］. 現(xiàn)代科學(xué)儀器 , 2006(1): 121–123.

［2］JJG 178–2007 紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)［S］.

［3］潘忠泉，朱波， 張國(guó)峰，等.分光光度計(jì)波長(zhǎng)校準(zhǔn)用低壓汞燈的研制［J］.化學(xué)分析計(jì)量 , 2003(1): 45–47.

［4］Philippe Millier, Ronan Le Borne, David Durand，et al. Evaluation of spectrometer performance for flight experiments in ballistic environment［J］. Sensors for Harsh Environments II，2005，5998:599804–1–599804–12.

Development of Spectral Marking Apparatus Used for Food Safety Rapid Detection Equipment

Ding Haiming, Cao Shuguang, Qu Hongbo, Chi Yuliang, Yu Yazhou, Wang Yang
(Heilongjiang Provincial Institute of Measurement and Verification , Harbin 150036, China)

According to the light source demarcate problem of present food safety rapid detection equipment, the system research for spectral analysis problem of spectrophotometers measurement device withoutt spectral measurement function was carried out. The spectral marking apparatus having self calibration and effective traceability which used for food safety rapid detection equipment was successfully developed, and it can offer reliable technical assurance for accurate measurement of food safety rapid detection equipment.

elf calibration; traceability; spectral analysis; spectral marking apparatus; food safety rapid detection equipment

TH741

A

1008–6145(2012)02–0087–04

10.3969／j.issn.1008–6145.2012.02.027

* 黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目（GC09A514）

聯(lián)系人：丁海銘；E-mail: dinhaiminghlj@yahoo.cn

2011–12–26