光譜課程設(shè)計：熒光光譜分析在果汁飲品檢測中的應(yīng)用

1、 成 績 評 定 表學(xué)生姓名班級學(xué)號專 業(yè)課程設(shè)計題目熒光光譜分析在果汁飲品檢測中的應(yīng)用評語組長簽字：成績?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目熒光光譜分析在果汁飲品檢測中的應(yīng)用實踐教學(xué)要求與任務(wù):1. 了解近熒光光譜的應(yīng)用現(xiàn)狀2. 掌握熒光光譜技術(shù)的優(yōu)點3. 掌握熒光光譜定性、定量分析的原理4. 設(shè)計近熒光光譜實驗檢測果汁飲品工作計劃與進度安排:17周 查資料、調(diào)研，掌握熒光光譜的應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)點18周 熟練掌握熒光光譜定性、定量分析的原理，將其應(yīng)用到實際生活中，設(shè)計熒光光譜實驗，完成設(shè)計指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)

2、副院長：201 年 月 日摘要果汁飲品是一類備受消費者喜愛的液態(tài)食品，目前，由于相關(guān)檢測方法的滯后，果汁摻偽和食品添加劑問題時有發(fā)生，對消費者的利益與健康造成威脅。市售果汁飲品質(zhì)量參差不齊，消費者又很難通過簡單的感官判斷加以鑒別，而現(xiàn)行分析方法無法實現(xiàn)對果汁飲品的有效動態(tài)監(jiān)管，因此需要一種快捷、可靠的果汁摻偽鑒別技術(shù)，有利于監(jiān)督與規(guī)范果汁飲品市場秩序。熒光光譜分析法是一種簡便和有效地對目標物質(zhì)進行定性和定量分析的方法。本文利用熒光光譜分析法檢測橙汁，探索其在果汁飲品的快速摻偽鑒別與添加劑檢測中的實際應(yīng)用。熒光光譜分析作為一種較為理想的無損檢測技術(shù)，在實際生產(chǎn)中有著較為良好的應(yīng)用前景，研究結(jié)果有

3、利于擴展熒光光譜技術(shù)在實時在線分析中的實際應(yīng)用范圍。關(guān)鍵詞：熒光光譜分析法；果汁飲品；實際應(yīng)用目錄摘要31.引言12.熒光光譜分析技術(shù)12.1熒光介紹12.2熒光光譜的特征12.3熒光光譜分析技術(shù)進展22.4熒光分析法特點23.橙汁的熒光光譜特性分析33.1實驗材料與設(shè)備33.2橙汁的三維熒光光譜測定43.3橙汁熒光光譜中內(nèi)濾效應(yīng)的研究54.基于熒光光譜的橙汁摻偽檢測方法84.1光譜模式識別技術(shù)84.2果汁飲品類型的鑒別預(yù)期95.主要結(jié)論與展望105.1主要結(jié)論105.2展望116.參考文獻121. 引言果汁飲品是一類備受消費者喜愛的液態(tài)食品，市售果汁飲品按照果汁含量大致可分為100%果汁與果

4、汁飲料兩大類，兩類飲品無論在制造成本還是營養(yǎng)品質(zhì)上均存在明顯差異。然而，目前，由于相關(guān)檢測方法的滯后，果汁與果汁飲料摻偽現(xiàn)象時有發(fā)生，有些市售100%果汁其實是由濃縮果汁加水稀釋后加入防腐劑、增稠劑、人工香精等食品添加劑制作而成的“果汁飲料”，甚至是以檸檬酸、甜味劑、人工香精、增稠劑、合成色素等調(diào)配而成的“三精水”，對消費者的利益與健康造成威肋。市售果汁飲品質(zhì)量參差不齊，消費者又很難通過簡單的感官判斷加以鑒別。而且，由于現(xiàn)行分析方法無法實現(xiàn)對果汁飲品的有效動態(tài)監(jiān)管。因此，需要一種快捷、可靠的果汁摻偽鑒別技術(shù)，從而有利于監(jiān)督與規(guī)范果汁飲品市場秩序。 光譜分析是一種較為理想的無損檢測技術(shù)，相對于傳

5、統(tǒng)化學(xué)分析方法，其在快速、實時、在線、原位監(jiān)測等過程控制方面具有巨大的優(yōu)勢，且檢測成本低、分析效率高、重現(xiàn)性好，可在不經(jīng)分離的情況下實現(xiàn)復(fù)雜混合體系中目標物質(zhì)的多組分、多參量的同時測定，其尤適用于天然混合有機物(如果汁、石油、白酒等)的快速檢測以及需要頻繁重復(fù)檢測或在線實時監(jiān)測的領(lǐng)域(如食品、石化、制藥等)。熒光光譜分析技術(shù)是光譜分析中一種較為新穎的分析方法，具有靈敏度高、光譜信息豐富等優(yōu)點，近十幾年來在農(nóng)業(yè)、食品、制藥、環(huán)保等諸多領(lǐng)域都得到的較為廣泛的應(yīng)用。2. 熒光光譜分析技術(shù)現(xiàn)代分子光譜分析技術(shù)主要包括吸收光譜、熒光光譜、拉曼光譜與紅外光譜等，己經(jīng)成為常規(guī)化學(xué)分析過程中最常采用的一類無損

6、檢測方法。熒光光譜技術(shù)是光譜分析中一種重要的痕量檢測方法，其具有靈敏度高、光譜信息豐富等優(yōu)點，能提供激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、熒光強度、熒光壽命、量子產(chǎn)率與偏振熒光等光譜信息，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。2.1熒光介紹某些物質(zhì)受到光照射，除吸收某種波長的光之外，發(fā)射出比原來所吸收光的波長更長的光光致發(fā)光（二級光）。入射光和發(fā)射光頻率之差稱為斯托克頻移。光致發(fā)光分為：熒光 fluorescence和磷光 phosphorescence。熒光分析法是根據(jù)物質(zhì)的熒光譜線的位置及其強度進行物質(zhì)鑒定和含量測定的儀器方法2.2熒光光譜的特征a.Stokes位移激發(fā)光譜與發(fā)射光譜之間的波長差值。發(fā)射光譜的波長比激發(fā)光

7、譜的長，振動弛豫消耗了能量。b.發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長無關(guān)電子躍遷到不同激發(fā)態(tài)能級，吸收不同波長的能量，產(chǎn)生不同吸收帶，但均回到第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級再躍遷回到基態(tài)，產(chǎn)生波長一定的熒光。 c. 鏡像規(guī)則通常熒光發(fā)射光譜與它的吸收光譜（與激發(fā)光譜形狀一樣）成鏡像對稱關(guān)系。 圖2-1 熒光光譜儀2.3熒光光譜分析技術(shù)進展熒光光譜分析技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在最初的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜兩種表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，許多新的分析方法不斷被提出。一方面，儀器設(shè)備的改進使得新的掃描方式的出現(xiàn)，例如三維熒光光譜、同步熒光光譜、激光誘導(dǎo)熒光光譜、時間分辨熒光光譜、偏振熒光光譜、低溫?zé)晒夤庾V等，可有效解決光譜重疊

8、問題;另一方面，利用數(shù)學(xué)方法對熒光光譜圖進行二次處理，例如對實測光譜進行導(dǎo)數(shù)運算得到導(dǎo)數(shù)熒光光譜；對實測光譜作去卷積運算得到原始光譜；采用高斯線型或洛倫茲線型對實測光譜進行多峰擬合得到相關(guān)單體的特征光譜，實現(xiàn)復(fù)合信號分辨等，其實質(zhì)上都是以“數(shù)學(xué)分離”代替繁瑣的“化學(xué)分離”，可進一步提高熒光光譜的選擇性。此外，化學(xué)計量學(xué)方法的引入使得熒光光譜分析不再只是單純的譜圖提供者，而成為化學(xué)分析中具體問題(包括定性與定量分析)的解決者。2.4熒光分析法特點熒光分析是一種先進的分析方法，它比電子探針法、質(zhì)譜法、光譜法、極譜法等都應(yīng)用的較廣泛和普及，這同熒光分析具有很多優(yōu)點分不開的。熒光分析所用的設(shè)備較簡單，

9、如目測熒光儀和熒光光度計構(gòu)造非常簡單完全可以自己制造。比起質(zhì)譜儀、極譜儀和電子探針儀來它在造價上要便宜很多倍，而且熒光分析的最大特點是：分析靈敏度高、選擇性強和使用簡便。同時具備這三大特點的儀器并不多。靈敏度高：熒光分析法的最大特點是靈敏度高，對某些物質(zhì)的微量分析可以檢測到10克數(shù)量級，如污水中的銀含量用熒光分析法可以檢測到1x10克，汞可以檢測到1x10克。對一些激素亦可檢測到10克。熒光分析的靈敏度比分光光度法的靈敏度高23個數(shù)量級，這是由于熒光分析的熒光和入射光之間成直角，而不在一條直線上，所以是在黑背景下檢測熒光。而分光光度法的接收器與入射光在一條直線上，所以它是在亮背景下檢測。因此熒

10、光分析法比分光光譜法靈敏度高。分光光譜法的靈敏度一般只能檢測到10克，兩者相差三個數(shù)量級。當(dāng)然熒光分析法比起帶電子顯微鏡的電子探針法靈敏度又低一些（它可達10克數(shù)量級），然而電子探針儀器價格昂貴，使用不方便。選擇性強：熒光分析的第二個特點是選擇性強，特別是對有機化合物而言。因熒光光譜既包括激發(fā)光譜又包括發(fā)射光譜，凡是能發(fā)射熒光的物質(zhì)，必須首先吸收一定波長的紫外線，而吸收了紫外線后不一定就發(fā)射熒光。能發(fā)射熒光的物質(zhì)，其熒光波長也不盡相同。如果即使熒光光譜相同的話，而它的激光光譜也不一定相同。反之如果它們的激發(fā)光譜相同，則可用發(fā)射光譜把它們區(qū)分開來，因此供選擇的余地是比較多的。所以熒光分析的選擇性

11、很強。例如有兩種物質(zhì)，它們的熒光光譜很相似，不易把它們分開。但它們的激光光譜不會相同，因此就可用掃描激光光譜把它們分開。如果用分光光譜法就難以辦到這一點，因為分光光譜只能得到待測物質(zhì)的特征吸收光譜。所以分光光譜法的選擇性就沒有熒光分析法強。3. 橙汁的熒光光譜特性分析由于果汁屬于天然產(chǎn)物，其本身屬于成分復(fù)雜的有機混合物，且多為熒光物質(zhì)。首先測定橙汁的三維熒光光譜，并分析果汁飲品的熒光光譜特性。同時，通過降低濃度或縮短測量光程，觀察果汁樣品熒光光譜的變化情況，以此驗證內(nèi)濾效應(yīng)的存在。光譜分析結(jié)果可為果汁類飲品的摻偽檢測提供依據(jù)。3.1實驗材料與設(shè)備實驗材料：橙汁飲品，包括鮮榨果汁、市售100%果

12、汁與果汁飲料；實驗設(shè)備:（1）FLS920型穩(wěn)態(tài)和時間分辨熒光光譜儀(Edinburgh instruments，Edinburgh) ；（2）微量電子天平(Mettler Toledo，Switzerland)；（3）賽特湘儀離心機(Saitexiangyi，TGL-16M， China)；實驗附件:不同光程的石英比色皿，其外形具體的規(guī)格均為12.5x12.5x45mm(長x寬x高)，但內(nèi)部光程不同，除10mm x 10mm光程的標準比色皿外，還包括2mmx10mm光程的微量比色皿，Mode 1-Mode 4等4種熒光光譜測量模式分別如圖3-1所示。圖3-1 4種不同的熒光光譜測量模式示意圖

13、（俯視圖），陰影部分為石英，空白部分用于放置待測樣品，其中Mode 1為標準測量方式3.2橙汁的三維熒光光譜測定實驗參數(shù)設(shè)定：采用FLS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀對常見的橙汁進行三維熒光光譜掃描，激發(fā)波長300-600nm，步長5nm，發(fā)射波長300-700nm步長1nm。同時，為消除一級瑞利散射及其二級衍射，發(fā)射波長掃描范圍Em與激發(fā)波長Ex之間相對應(yīng)的關(guān)系設(shè)置為（Ex+15）nmEm（Ex-15）nm。激發(fā)與發(fā)射狹縫寬度均為5nm，掃描積分時間0.1s，比色皿選用標準比色皿(Mode 1)。圖3-2為橙汁典型的三維熒光等高線譜，其中，（a）是鮮榨果汁，（b）是市售100%果汁，（c）是市售果汁飲

14、料。3-2 橙汁飲品的三維熒光光譜通過分析鮮榨果汁、市售果汁飲品的三維熒光光譜特性，其特征參數(shù)如表3-1所示。表3-1橙汁的熒光光譜特性飲品類型熒光峰個數(shù)熒光峰位置Ex/Em（nm/nm）鮮榨橙汁1470（420）/526100%橙汁2470（420）/526,420/677橙汁飲料2470/528，375/444由上述常規(guī)的熒光光譜分析可知，橙汁與其相對應(yīng)產(chǎn)品的熒光特性存在差異，但也存在相似的熒光特征峰。鮮榨橙汁與市售橙汁飲品均含有類似的熒光特征峰470/526nm，但100%橙汁與橙汁飲料除含有上述熒光峰外，均含有其它的熒光峰，如100%橙汁出現(xiàn)增稠劑卡拉膠的熒光特征峰420/677nm【

15、1】。同時可以發(fā)現(xiàn)，相對于鮮榨果汁，市售果汁產(chǎn)品的熒光峰位置均會產(chǎn)生一定程度的偏移，這可能是受產(chǎn)品加工、儲藏過程以及食品添加劑的影響。3.3橙汁熒光光譜中內(nèi)濾效應(yīng)的研究熒光光譜內(nèi)濾效應(yīng)(Inner filter effect，簡稱IFE)主要包括兩類：一是由于樣品濃度過高，當(dāng)激發(fā)光照射樣品池時，石英皿前端的熒光分子對激發(fā)光的吸收作用增大，后端的熒光團分子無法被有效激發(fā)，導(dǎo)致能夠被激發(fā)的熒光分子減少，熒光強度因此降低，這種類型的內(nèi)濾效應(yīng)簡稱PIFE(Primary inner filter effect)；二是由于吸收波段與發(fā)射波段有重疊現(xiàn)象，短波段激發(fā)的熒光團分子發(fā)射的熒光被長波段激發(fā)的熒光團

16、分子吸收，導(dǎo)致探測器能夠探測到的短波段熒光強度降低，當(dāng)熒光量子產(chǎn)率較高時甚至?xí)性侔l(fā)射現(xiàn)象，這種類型的內(nèi)濾效應(yīng)簡稱SIFE(Secondly inner filter effect)。PIFE與SIFE均會造成熒光光譜強度顯著降低，但兩者對熒光光譜的影響存在差異。PIFE只會造成光譜強度下降，但對光譜輪廓的影響不大，熒光分子之間不存在能量轉(zhuǎn)移，而SIFE不僅會減小熒光光譜強度，更有可能會造成熒光光譜輪廓發(fā)生明顯改變，這是因為SIFE會導(dǎo)致熒光分子之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，具有短波段熒光特性的熒光分子易被具有長波段特性的熒光分子吸收，然后以各種輻射(熒光再發(fā)射)或非輻射(內(nèi)轉(zhuǎn)化、振動松弛等)等去活化方式

17、釋放吸收的能量。PIFE與SIFE內(nèi)濾效應(yīng)的存在會明顯增加檢測體系的非線性因素，對PLSR、PCR、PARAFAC等各類線性定量模型的建立產(chǎn)生不利影響。更為重要的是，SIFE會改變光譜的輪廓與熒光發(fā)射位置，SIFE影響下測得的熒光光譜并不是熒光分子發(fā)射的本征光譜，因此相對于實際體系中普遍存在的PIFE現(xiàn)象，SIFE對光譜分析與檢測結(jié)果的影響更大。在一些由于內(nèi)濾效應(yīng)導(dǎo)致熒光光譜特性發(fā)生變化的實驗中，如果在不對體系進行內(nèi)濾效應(yīng)檢驗的情況下直接對體系進行熒光光譜分析，很有可能會被誤認為是檢測體系本身的組分發(fā)生了變化，這種情況在分子反應(yīng)動力學(xué)研究與生物蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化分析中需要尤為注意。因此，在實際檢

18、測體系中，必須對待測體系進行內(nèi)濾效應(yīng)檢驗。減小內(nèi)濾效應(yīng)的方法主要包括兩個方面:一是減小樣品的濃度，二是縮短激發(fā)光程，兩者均會使內(nèi)濾效應(yīng)減弱。為研究果汁熒光光譜的內(nèi)濾效應(yīng)現(xiàn)象，圖3-3給出不同的濃度下(5%-100%)以及Model-Mode 4等4種不同測量模式下橙汁樣品三維熒光等高線圖譜的變化情況。圖3-3 不同濃度以及測量模式下橙汁樣品熒光光譜的變化由圖3-3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過稀釋的方法減小內(nèi)濾效應(yīng)時(100%逐漸稀釋至5%，熒光峰A(Peak A)的熒光強度不斷減弱，但熒光峰位置保持不變，同時拉曼特征變得比較明顯。熒光峰B(Peak B)在Mode 1測量方式中出現(xiàn)明顯的藍移現(xiàn)象，熒光強度

19、的變化趨勢為先增大后減小，熒光峰位置由100%濃度時的420/526nm藍移至350/450nm附近。此外，在稀釋過程中，如果采用Mode 3方式測量，熒光峰B(Peak B)的峰位基本保持不變，但熒光強度的變化趨勢仍為先增大后減小，當(dāng)濃度稀釋至20%以下時，熒光峰C開始逐漸出現(xiàn)。與此同時，當(dāng)采用減小光程的方法減小內(nèi)濾效應(yīng)時(Mode 1-Mode 4)，可以發(fā)現(xiàn)Mode 1與Mode 2下測得的熒光光譜類似，而Mode 1與Mode 3測得的光譜差異很大。熒光峰A(Peak A)在4種測量模式下的峰位保持不變，但熒光峰強度發(fā)生明顯的差異，其在Mode 1測量方式中熒光強度最大，在Mode 3

20、測量方式中熒光強度最小，這主要是由于Mode 3中水平光程減小，導(dǎo)致能夠被激發(fā)的熒光團分子減少。而對于熒光峰B(Peak B)，相對于Mode 1與Mode 2 Mode 3與Mode 4測量方式下測得的熒光峰位置產(chǎn)生類似于稀釋過程中出現(xiàn)的藍移現(xiàn)象，熒光峰位由Mode 1中的420/526nm藍移至Mode 3中的350/450nm附近。Mode 1, Mode 3測量模式下的5%橙汁與Mode 4測量模式下100%橙汁樣品的熒光光譜圖趨于相同。因此，當(dāng)內(nèi)濾效應(yīng)被有效去除時，熒光光譜譜圖趨于一致，得到的熒光光譜接近本征光譜。綜上所述，當(dāng)濃度或激發(fā)光程發(fā)生改變時，橙汁樣品的熒光光譜特性發(fā)生明顯改

21、變，這種現(xiàn)象可以用熒光光譜中內(nèi)濾效應(yīng)現(xiàn)象來解釋。圖3-4給出了橙汁中各類熒光團分子內(nèi)濾效應(yīng)作用的示意圖，fluorophors A對應(yīng)于Peak A，光子能量為hv3 ; fluorophors B對應(yīng)于Peak B，光子能量為hv2 ; fluorophors C對應(yīng)于Peak C，光子能量為hv1。圖3-4橙汁樣品中二類熒光團分子的內(nèi)濾效應(yīng)小意圖，（a） Mode 3測量模式下，100%橙汁與5%橙汁的熒光光譜對比;（b）100%橙汁樣品在Mode 3與Mode 4兩種測量模式下的熒光光譜對比通過比較相同樣品、不同的測量模式以及相同測量模式、不同濃度情況下測量得到的橙汁熒光光譜的差異，結(jié)果

22、表明，在Mode 3測量模式中，當(dāng)250-300nm左右的激發(fā)光照射橙汁樣品時，其發(fā)射的紫外熒光會被二次吸收后再發(fā)射藍紫色熒光，導(dǎo)致其在高濃度下無法測得熒光峰C，只有當(dāng)濃度稀釋至低濃度時，熒光峰C才能被PMT探測。同理，熒光峰B發(fā)射出的藍色熒光也會被吸收，大大降低其熒光量子產(chǎn)率，從而導(dǎo)致其熒光強度明顯下降。而對于熒光峰A，其發(fā)出的綠色熒光即使在高濃度下絕大部分均能被有效探測，其熒光量子產(chǎn)率受內(nèi)濾效應(yīng)的影響較小。因此，熒光峰A的熒光強度與濃度呈正比，其熒光強度可以直接反映橙汁樣品的橙汁含量。橙汁樣品一般均存在明顯的內(nèi)濾效應(yīng)。一方面，內(nèi)濾效應(yīng)對于光譜分析本身是非常不利的，它使得檢測體系真實的本征光

23、譜難以獲得，同時也嚴重破壞了體系中濃度與熒光強度之間可能存在的良好線性關(guān)系，不利于定量模型的建立。但另一方面，對于光譜檢測而言，內(nèi)濾效應(yīng)有利于定性分析。內(nèi)濾效應(yīng)的強弱與體系本身的濃度直接相關(guān)，對于只需要實現(xiàn)定性上的區(qū)分、而不需要得到具體的濃度的情況下，內(nèi)濾效應(yīng)有利于熒光光譜鑒別的快速實現(xiàn)。橙汁與橙汁飲料的熒光光譜鑒別時，通過分別測量市售橙汁飲品(100%橙汁與橙汁飲料)在Mode 2模式下熒光峰A所在的區(qū)域A(激發(fā)450-530nm，發(fā)射465-600nm)與Mode 3模式下的熒光峰C所在區(qū)域C(激發(fā)250-300nm，發(fā)射265-400nm)的熒光光譜，結(jié)果如圖3-5所示，其中，Brand

24、 1-Brand 4均為市售橙汁，橙汁含量均為100% ;Brand 5-Brand 8均為市售橙汁飲料，Brand 5橙汁含量5%，Brand 6與Brand 7橙汁含量10%，Brand 8橙汁含量30% 。圖3-8市售100%橙汁與橙汁飲料分別在Mode 2與Mode 3測量模式下區(qū)域A與區(qū)域C中的熒光光譜測量結(jié)果表明，100%橙汁在區(qū)域A(對應(yīng)于熒光峰A)的熒光信息很強，而在區(qū)域C(對應(yīng)于熒光峰C)沒有明顯熒光信息。與此相反，橙汁飲料在區(qū)域A無明顯熒光信息，而在區(qū)域C出現(xiàn)明顯熒光信息，這主要是由于橙汁飲料中稀釋效果明顯，區(qū)域C內(nèi)濾效應(yīng)減弱，熒光峰C的熒光信號得到增強，同時由于濃度降低，

25、熒光峰A的熒光信號明顯減弱，實際樣品的測量結(jié)果與內(nèi)濾效應(yīng)分析結(jié)果一致。因此，內(nèi)濾效應(yīng)使得100%果汁與果汁飲料之間的光譜差異性更加明顯，有利于果汁摻偽的快速鑒別。4. 基于熒光光譜的橙汁摻偽檢測方法市售果汁飲品中的摻偽現(xiàn)象主要是以“果汁飲料”或“果味飲料”，甚至以“三精水”冒充100%果汁。對于果汁飲品摻偽檢測，主要通過定性與定量分析兩種方式。將熒光光譜分析與光譜模式識別技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)果汁飲品的快速鑒別。同時，建立基于熒光光譜數(shù)據(jù)的多元校正模型，實現(xiàn)果汁飲品中果汁含量的快速估測。因此，通過對橙汁的定性與定量分析，可以實現(xiàn)果汁摻偽的快速檢測。4.1光譜模式識別技術(shù)熒光光譜模式識別技術(shù)是指結(jié)合模

26、式識別技術(shù)，對同條件下測定的熒光光譜信號進行比較，根據(jù)熒光光譜信號之間的相似度，得出兩者化學(xué)組成關(guān)系的技術(shù)【2】。常用的模式間相似性度量包括歐氏距離、馬氏距離、夾角余弦距離等【3】，其定義式分別為:歐氏距離(Euclidean Distance)：Dij，Euclidian=k=1n(Xik-Xjk)212 （4-1）馬氏距離(Mahalanobis Distance)：Dij，Mahalanobis=(Xi-Xj)S-1(Xik-Xjk)T12 （4-2）夾角余弦距離(Cosine Distance)：cosij=k=1n(Xik)(Xjk)k=1n(Xik)2k=1n(Xjk)2 （4-3

27、）其中Xik，Xjk分別為模式i，j的特征向量的第k個特征參量，Xi，Xj分別為第i與第j個樣本的光譜特征向量，s-1為類x協(xié)方差矩陣的逆矩陣。馬氏距離是一種基于協(xié)方差矩陣的距離計算方法，與歐氏距離不同，它考慮各個特征變量之間的相互聯(lián)系，因此在光譜分析中常用于異常值檢測、判別分析、聚類分析等。但是，由于經(jīng)典協(xié)方差對于異常樣本的抵抗性較差，馬氏距離易受異常樣本的影響而發(fā)生掩蔽效應(yīng)或沼澤效應(yīng)，從而降低模型的準確性。對于呈正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，其馬氏距離的平方一般服從非對稱的X2分布，因此其截斷值C=XP，0.9752，即等于自由度為P、分位數(shù)為97. 5%的X2分布的平方根。 穩(wěn)健馬氏距離(Robust

28、 Mahalanobis Distance)通過穩(wěn)健極小化協(xié)方差行列式(MCD)估計的方法得到主體數(shù)據(jù)的穩(wěn)健協(xié)方差【4】，因此，偏離主體數(shù)據(jù)的異常值的穩(wěn)健馬氏距離偏大，從而偏離于主體，對于異常樣本具有較強的抵抗作用，其定義式為:RDX=(X-MCD)SMCD-1(X-MCD)T12 （4-4）MCDX=i-1n(WiXi)i=1n(Wi) （4-5）SMCD=i=1nWiXi-MCDXi-MCDT(i=1nWi-1) （4-6）Wi=1，D(Xi，0，S0)n/2個樣品組成h子集，利用迭代和一般馬氏距離的思想得到穩(wěn)健協(xié)方差矩陣估計值，MCD估計的崩潰值為(n-h+1)/n。通過增加正常樣本數(shù)據(jù)

29、可提高穩(wěn)健馬氏距離的穩(wěn)健性，從而提高校正模型與預(yù)測模型的穩(wěn)健性與準確性【5】。4.2果汁飲品類型的鑒別預(yù)期實現(xiàn)100%橙汁與摻偽橙汁的快速鑒別。實驗樣品包括：（1）對照組:鮮榨橙汁，榨汁粗提純后離心，轉(zhuǎn)速1600rpm，溫度16 0C，時間10min，取上層澄清液，選取6個批次，標記為1-6。（2）4種市售100%橙汁品牌，各選取5個批次，共24個樣本，品牌1、品牌2、品牌3、品牌4市售100%橙汁依次標記為7-11，12-20，21-25，26-30；（3）4種橙汁飲料品牌，各選取4個批次，共16個樣本，品牌1、品牌2、品牌3、品牌4市售橙汁飲料依次標記為31-34，35-38，39-42，

30、43-46，均以相同條件作離心處理。(5)模擬摻偽橙汁，在鮮榨橙汁中加入食品添加劑，標記為47-48。將各品牌橙汁飲品的激發(fā)一發(fā)射矩陣(EEM)38661導(dǎo)入到自編的MATLAB程序中，以實現(xiàn)三維熒光光譜重心的提取。以累積率T=55.57%為例，圖4-1給出經(jīng)過標準化處理后48個樣本的三維熒光光譜的光譜重心，并在圖中添加了置信度為97. 5%的經(jīng)典容差橢圓與穩(wěn)健容差橢圓。圖4-2一般馬氏距離與穩(wěn)健馬氏距離比較圖4-1各品牌橙汁飲品的光譜重心三維熒光光譜的重心位置取決于天然橙汁成分的熒光峰與其它的熒光峰相互競爭情況。結(jié)果表明，鮮榨橙汁與市售橙汁的激發(fā)與發(fā)射重心均在橙汁成分的有效激發(fā)與發(fā)射區(qū)域內(nèi)，

31、不同的是，市售橙汁中由于增稠劑卡拉膠的加入，光譜重心相對鮮榨橙汁略有紅移。值得注意的是，品牌4橙汁樣本的光譜重心(樣品編號2630)5個批次中有4個批次(2730，2015生產(chǎn))相對其它橙汁樣本發(fā)生明顯的紅移。通過比較470/526nm熒光峰的熒光強度發(fā)現(xiàn)，4個批次樣本的橙汁含量均明顯小于鮮榨橙汁，這可能是由于2015.3生產(chǎn)的品牌4橙汁摻水較多，使其光譜重心相對于其它品牌100%橙汁出現(xiàn)更明顯的紅移現(xiàn)象。此外，市售橙汁飲料由于各類食品添加劑的加入以及橙汁成分對光譜重心影響權(quán)重的降低，使得其光譜的重心位置相對鮮榨橙汁的重心位置大幅藍移，其光譜重心均在食品添加劑的有效激發(fā)與發(fā)射區(qū)域內(nèi)波動。通過對

32、比同品牌不同批次、同類型不同品牌樣本的光譜重心可以發(fā)現(xiàn)，100%橙汁樣本之間的相似度很高，說明各品牌100%橙汁的加工工藝的相似性和穩(wěn)定性。相反，市售橙汁飲料之間的差異較大，這種差異主要來自于食品添加劑以及橙汁含量的不同。 同時，分別用一般馬氏距離與穩(wěn)健馬氏距離實現(xiàn)100%橙汁與橙汁飲料的快速篩選，正常樣本為100%橙汁樣本，其它樣本均視為異常樣本(樣本編號3148)。考慮到異常樣本數(shù)量較多，因此觀察值h=0.5n，自由度P=2，因此，馬氏距離截斷值C=X2,0.9752= 2.7162，即馬氏距離超過2.7162的樣本即被判定為異常樣本(即橙汁飲料或摻偽橙汁)。如圖4-2所示，在97.5%的

33、置信度下，由于異常樣本的掩蔽效應(yīng)，一般馬氏距離只能識別43，45與47樣本，而將其它異常樣本判定為正常樣本，而穩(wěn)健馬氏距離不僅將3148異常樣本都成功識別出來，2730樣本也被視為異常樣本成功識別出來，這與上述的分析結(jié)論一致。由此證明，相對于一般馬氏距離，采用穩(wěn)健馬氏距離作為判別依據(jù)可提高模式識別的穩(wěn)健性與準確性。5. 主要結(jié)論與展望5.1主要結(jié)論熒光光譜技術(shù)是光譜分析中一種重要的痕量檢測方法，與發(fā)展較為成熟的中紅外光譜與拉曼光譜等振動光譜相比，熒光光譜仍是一種較為新穎的分析方法，其對環(huán)境較為敏感，需要考慮的影響因素也較多。在許多實際灰色或黑色檢測體系中，由于相似熒光物質(zhì)的光譜重疊現(xiàn)象以及強熒

34、光物質(zhì)對弱熒光物質(zhì)的掩蔽效應(yīng)都較為普遍，造成熒光光譜峰位的歸屬并不像紅外與拉曼光譜那樣清晰明確，這些都在很大程度上限制了其在實際應(yīng)用范圍。本文利用熒光光譜分析法檢測橙汁，探索熒光光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法在果汁飲品的快速摻偽鑒別實際應(yīng)用，有利于拓寬熒光光譜的實際應(yīng)用范圍，并提高熒光光譜的實用性。得到的主要結(jié)論如下:（1）選取橙汁為實驗對象，通過利用FLS920熒光光譜儀測定并分析了三類果汁飲品的熒光光譜特性。同時，通過改變濃度與減小光程，發(fā)現(xiàn)果汁樣品熒光光譜的紫外激發(fā)波段存在明顯的內(nèi)濾效應(yīng)。此外，由于果汁樣品均為復(fù)雜的有機混合物體系，熒光光譜重疊情況較為普遍，通過采用平行因子分解模型與二維相關(guān)譜分

35、析方法，對果汁樣品進行多組分分辨。結(jié)果表明，存在內(nèi)濾效應(yīng)的果汁體系并不滿足三線性條件，內(nèi)濾效應(yīng)對平行因子分辨結(jié)果有較大影響，平行因子模型的建立須進行三線性驗證。Mode 4模式下的最終分辨結(jié)果表明，蘋果汁中主要熒光組分為非酶促褐變反應(yīng)產(chǎn)物以及多酚類化合物。（2）采用三維熒光光譜重心法與基于MCD估計的穩(wěn)健馬氏距離相結(jié)合的方法對市售橙汁飲品進行篩選與分類，正確率達100%。結(jié)果表明，將熒光光譜技術(shù)與光譜模式識別方法相結(jié)合，可實現(xiàn)果汁類飲品的快速鑒別。同時，建立基于偏最小二乘回歸(PLSR)與平行因子多元校正(PARAFAC)的果汁飲品中果汁含量估測模型，從而實現(xiàn)市售果汁飲品的定性與定量分析。因此，采用熒光光譜分析方法對果汁