生物物料品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、成績(jī)1.試探討農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)地曲線（模擬人的咀嚼）所形成的工作過(guò)程與特點(diǎn)，并對(duì)各特性參數(shù)進(jìn)行定義與分析。10%答：Szczeniak對(duì)進(jìn)食咀嚼曲線進(jìn)行解析，對(duì)質(zhì)地多面剖析法機(jī)械特性中的硬度、凝聚性和附著性給以量化的評(píng)價(jià)。圖1顯示牙齒在二次咀嚼過(guò)程中時(shí)間和力的變化規(guī)律。 圖1 牙齒在二次咀嚼過(guò)程中時(shí)間和力的變化規(guī)律TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)試又稱兩次咀嚼測(cè)試主要是通過(guò)模擬人口腔的咀嚼運(yùn)動(dòng)，對(duì)樣品進(jìn)行兩次壓縮，測(cè)試與微機(jī)相連，通過(guò)界面輸出質(zhì)地測(cè)試曲線，從中分析質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)如：硬度、脆性、粘性、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性、耐咀性、回復(fù)性。圖2 TPA質(zhì)構(gòu)曲線Malcolm Bourne博士1在其所書(shū)Food Texture

2、& Viscosity中對(duì)TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)進(jìn)行具體的定義。硬度：在第一次下壓過(guò)程中的最大峰值，多數(shù)食品的硬度值出現(xiàn)在最大變形處，有些食品壓縮到最大變形除并不出現(xiàn)應(yīng)力峰。脆度：下壓過(guò)程中并不一定都產(chǎn)生破裂，在第一次壓縮過(guò)程中若是產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰，此峰值就定義脆度。在TPA質(zhì)構(gòu)曲線中第一次壓縮中若是出現(xiàn)兩個(gè)峰，第一為脆度，第二個(gè)為硬度；若是只有一個(gè)峰值，則定義為硬度，無(wú)脆度。黏著性：第一次壓縮曲線達(dá)到零點(diǎn)到第二次壓縮曲線開(kāi)始之間的曲線的負(fù)面積（圖2中的Area3），反映的是由于測(cè)試樣品的黏著作用探頭所消耗的功。凝聚性：表示測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)第一次壓縮變形后所表現(xiàn)出來(lái)的對(duì)第二

3、次壓縮的相對(duì)抵抗能力，在曲線上表現(xiàn)為兩次壓縮所做正功之比（Area2/Area1）。彈性：樣品經(jīng)過(guò)第一次壓縮以后能夠再恢復(fù)的程度?；謴?fù)的高度是在第二次壓縮過(guò)程中測(cè)得長(zhǎng)度t2.彈性用第二次壓縮中所檢測(cè)到的樣品恢復(fù)高度t2和第一次的壓縮變形量t1之比來(lái)表示。膠黏性：只用于描述半固態(tài)的測(cè)試樣品的黏性特性，數(shù)值上等于硬度和凝聚性的乘積表示。耐咀性：只用于描述固態(tài)的測(cè)試樣品，數(shù)值上用膠黏性和彈性的乘積表示?；貜?fù)性：表示樣品在第一次壓縮過(guò)程中回彈的能力，是第一次壓縮循環(huán)過(guò)程中返回時(shí)的樣品所釋放的彈性能與壓縮時(shí)的探頭耗能之比，用Area5與Area4之比來(lái)表示。2.請(qǐng)說(shuō)明電子鼻儀器的基本組成與分類(lèi)，分析不同

4、類(lèi)型電子鼻的特性和適用對(duì)象；舉2-3例探討電子鼻的檢測(cè)原理與方法。15%答：1） 基本組成2：電子鼻是以模擬人的嗅覺(jué)為基本原理，用來(lái)對(duì)食品中復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分進(jìn)行分析、識(shí)別和檢測(cè)儀器，由氣體傳感器、信號(hào)處理和模式識(shí)別系統(tǒng)等組成。圖3電子鼻的基本組成2） 分類(lèi)3：在電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是關(guān)鍵因素。電子鼻傳感器的主要類(lèi)型還有導(dǎo)電型傳感器、壓電類(lèi)傳感器、場(chǎng)效應(yīng)傳感器、光纖傳感器等。所以可以按此來(lái)分類(lèi)。圖4氣體傳感器陣列圖5壓電類(lèi)傳感器圖6 金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管傳感器3） 特性和適用對(duì)象3：導(dǎo)電性傳感器的基本特點(diǎn)是，其置于揮發(fā)性化合物(VOC)時(shí)的響應(yīng)形式是電阻值發(fā)生變化。導(dǎo)電性傳感器又分為金

5、屬氧化物傳感器和聚合物傳感器兩大類(lèi)。金屬氧化物傳感器在電子鼻系統(tǒng)中應(yīng)用更廣泛，此類(lèi)傳感器中與VOC相接觸的活性材料是錫、鋅、鈦、鎢或銥的氧化物，襯底材料一般是硅、玻璃、塑料，發(fā)生接觸反應(yīng)需滿足200400的溫度條件，因此在底部設(shè)置了加熱器。氧化物材料中用鉑、鈀等貴重金屬攙雜形成兩條金屬接觸電極。與VOC的相互作用改變了活性材料的導(dǎo)電性，使兩電極之間的電阻發(fā)生變化，這種電阻變化可用單臂電橋或其它電路來(lái)測(cè)量。事實(shí)上，一個(gè)傳感器的活性材料總是設(shè)計(jì)得對(duì)某些特定氣味響應(yīng)最靈敏。該傳感器的靈敏度范圍為550ppm。金屬氧化物傳感器的缺點(diǎn)是：(1)工作溫度較高；(2)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作之后，響應(yīng)基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移，

6、需要利用信號(hào)處理運(yùn)算來(lái)克服；(3)對(duì)氣體混合物中出現(xiàn)的硫化物呈“中毒”反應(yīng)。但是，它有很寬的適用范圍和相對(duì)低的成本，故依然成為當(dāng)今廣泛應(yīng)用的氣體傳感器。導(dǎo)電聚合物傳感器中，與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物，當(dāng)氣體分子與上述聚合物材料接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電離或共價(jià)作用，這種相互作用影響了電子沿聚合物鏈的傳輸，即改變了導(dǎo)電性。在聚合物材料中，利用顯微組構(gòu)技術(shù)形成兩條間隔1020m的電極，通過(guò)在兩電極之間施加交變電壓來(lái)使聚合物電聚合化，改變電壓掃描速率，并應(yīng)用一系列聚合物前體就可產(chǎn)生各種各樣的活性材料，使不同的材料分別對(duì)不同的氣體呈特定響應(yīng)。導(dǎo)電聚合物傳感器在一般環(huán)境溫度

7、下工作而無(wú)需加熱，因此更容易制造，其電子界面更為直接，從而在便攜式儀器應(yīng)用中有更大優(yōu)勢(shì)。這種傳感器探測(cè)氣味的靈敏度可達(dá)到0.1ppm，比金屬氧化物傳感器更高，但一般在10100ppm范圍之內(nèi)。目前導(dǎo)電聚合物傳感器的主要缺陷是：(1)活性材料電聚合過(guò)程較為困難和費(fèi)時(shí)；(2)與VOC接觸響應(yīng)存在隨時(shí)間發(fā)生飄移的現(xiàn)象；(3)對(duì)濕度極為敏感，這種敏感性易掩蓋和干擾對(duì)VOC的正常響應(yīng)。另外，某些氣體會(huì)穿透聚合物材料整體，從而減慢了將VOC從聚合物中去除的過(guò)程，即延緩了傳感器的恢復(fù)時(shí)間。壓電類(lèi)傳感器的基本特點(diǎn)是，與VOC的接觸響應(yīng)形式體現(xiàn)為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平(QCM)傳感器和聲表面波(S

8、AW)傳感器兩種。壓電類(lèi)傳感器既可以測(cè)量溫度和質(zhì)量的變化，又可測(cè)量壓力、力和加速度等參數(shù)，但在電子鼻系統(tǒng)中，它們一般只作為質(zhì)變量傳感探測(cè)器使用。QCM傳感器是一個(gè)幾毫米直徑的諧振盤(pán)，盤(pán)面敷有聚合物材料，每面有一個(gè)與導(dǎo)線相連的金屬電極，結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)該傳感器受振蕩信號(hào)激勵(lì)時(shí)，便諧振于特征頻率(10Hz30MHz)，而一旦氣體分子被吸收到聚合物涂層表面，就增加了該盤(pán)的質(zhì)量，因此降低了諧振頻率，諧振頻率的高低與所吸收的氣體分子質(zhì)量成反比。QCM傳感器對(duì)不同氣體的響應(yīng)、選擇性可通過(guò)調(diào)整諧振盤(pán)聚合物涂層來(lái)改變，而減小石英晶體的尺寸和質(zhì)量，并減小聚合物涂層的厚度，則可進(jìn)一步縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間

9、。聲表面波(SAW)傳感器與QCM傳感器的主要區(qū)別為：(1)瑞利波是經(jīng)SAW的表面運(yùn)行，不是像QCM一樣通過(guò)其體內(nèi)；(2)SAW傳感器工作頻率更高，因此可產(chǎn)生更大的頻率變化。QCM的典型工作頻率僅是10MHz，而SAW器件則在幾百M(fèi)Hz；(4)由于SAW是平面器件，所以可用微電子工業(yè)普遍采用的光刻技術(shù)來(lái)制造，而不像QCM那樣需要微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)進(jìn)行三維處理，因此批量生產(chǎn)的成本更低。但是，SAW傳感器的信噪比遜于QCM傳感器，因此在許多情況下，前者的靈敏度要低于后者。電子鼻傳感器的第三大類(lèi)是金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管傳感器(MOSFET)。其工作原理是：VOC與催化金屬材料相接觸所生成的反應(yīng)產(chǎn)

10、物(如氫)會(huì)擴(kuò)散通過(guò)MOSFET的控制極來(lái)改變器件的導(dǎo)電物性。典型的MOSFET結(jié)構(gòu)有一個(gè)P型襯底和在襯底上擴(kuò)散的兩個(gè)摻雜濃度很高的N型區(qū)，兩個(gè)N區(qū)的金屬觸點(diǎn)分別稱為源極和漏極。器件的靈敏度和選擇性可通過(guò)改變金屬接觸劑的類(lèi)型和厚度以及改變工作溫度來(lái)改變。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)之一是可依托IC制造工藝，批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定，主要問(wèn)題是接觸反應(yīng)產(chǎn)物(如氫)必須滲入催化金屬涂層來(lái)影響溝道中的電荷，這就對(duì)芯片的密閉封裝方式提出了更苛刻的要求。MOSFET與導(dǎo)電性傳感器一樣，也存在基準(zhǔn)值漂移問(wèn)題。第四類(lèi)實(shí)用的氣味傳感器是光纖傳感器。它對(duì)氣體化合物的響應(yīng)形式是光譜色彩發(fā)生變化。這種傳感器的主干部分是玻璃纖維，在

11、玻璃纖維的各面敷有很薄的化學(xué)活性材料涂層?；瘜W(xué)活性材料涂層是固定在有機(jī)聚合物矩陣中的熒光染料，當(dāng)與VOC接觸時(shí)，來(lái)自外部光源的單頻或窄頻帶光脈沖沿光纖傳播并激勵(lì)活性材料，使其與VOC相互作用反應(yīng)。這種反應(yīng)改變了染料的極性，從而改變了熒光發(fā)射光譜。只要對(duì)許多敷有不同染料混合物的光纖器件構(gòu)成的傳感器陣列產(chǎn)生的光譜變化進(jìn)行檢測(cè)分析，就可以確定對(duì)應(yīng)的氣體化合物成分。光纖傳感器有很強(qiáng)的抗噪能力和極高的靈敏度，其靈敏度單位以ppb(十億分率)計(jì)，這是其它電子鼻傳感器類(lèi)型所遠(yuǎn)不及的。目前光纖傳感器的主要缺點(diǎn)是：(1)其設(shè)備控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高，(2)熒光染料受白光化作用影響，使用壽命有限。4） 舉例說(shuō)明

12、電子鼻的檢測(cè)原理和方法3例1：利用表面聲波頻率變化檢測(cè)氣體（資料來(lái)源：清華大學(xué)奈米工程與微系統(tǒng)研究所）電子鼻的主要感測(cè)組件是表面聲波感測(cè)芯片（SAW chip），其由具有兩組狀如手指交叉的指叉換能器（IDT）壓晶體管，以及一層高分子薄膜所組成（見(jiàn)圖7）。壓晶體管具有壓電特性，輸入電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變（機(jī)械能），輸入機(jī)械能則轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)輸出。偵測(cè)氣體時(shí)，震蕩線路會(huì)施加一交流信號(hào)至起始端的指叉換能器，透過(guò)換能器把電能轉(zhuǎn)成機(jī)械能，傳至壓晶體管上，并激發(fā)出表面聲波（機(jī)械能）。當(dāng)高分子薄膜表面吸附待測(cè)氣體分子時(shí)，質(zhì)量增加，會(huì)使表面聲波頻率下降，不同氣體分子造成表面聲波頻率下降情形各不相同。最后，利用末端的指

13、叉換能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)輸出至混合型電路進(jìn)行運(yùn)算分析。偵測(cè)時(shí)，傳感器暴露于目標(biāo)感測(cè)氣體中，讓感測(cè)區(qū)上的高分子薄膜進(jìn)行物理吸附或化學(xué)吸附。同時(shí)，輸入一電訊號(hào)至壓晶體管上的指叉換能器，把電能轉(zhuǎn)成機(jī)械能，直接在壓電芯片上激發(fā)出表面聲波。表面聲波傳遞至高分子薄膜時(shí)，會(huì)隨著薄膜質(zhì)量的增加而導(dǎo)致聲波頻率下降，最后再經(jīng)末端的指叉換能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)成電訊號(hào)輸出。藉由頻率變化、相位變化或能量損失，即可推測(cè)目標(biāo)感測(cè)氣體的種類(lèi)及濃度。圖7表面聲波感測(cè)芯片表1指特定氣體吸附于不同高分子薄膜后的頻率變化。表格中的數(shù)據(jù)是將高分子薄膜吸附氣體后的表面聲波頻率減去吸附前的頻率。表1特定氣體吸附于不同高分子薄膜后的頻率變化例

14、2基于PCA與Wilks準(zhǔn)則的電子鼻酒類(lèi)鑒別方法研究4該研究選用3種不同品牌的酒（河南仰韶產(chǎn)的仰韶精品酒、河南汝陽(yáng)產(chǎn)的杜康酒、北京產(chǎn)的紅星二鍋頭酒），氣敏傳感器陣列由日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的TGS-813,TGS-800, TGS-812, TGS-822, TGS-824, TGS-825六個(gè)二氧化硅型氣敏傳感器組成電路圖如8所示。選用每個(gè)傳感器一個(gè)特征值、溫度和濕度組建1個(gè)8維向量。而每個(gè)品種的酒采集30個(gè)樣本，在采用主成分分析進(jìn)行降維，選用前兩個(gè)特征值作為主軸，但是從其散點(diǎn)圖無(wú)法進(jìn)行分類(lèi)，主要原因是主成分分析在試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)陣的協(xié)方差矩陣的計(jì)算過(guò)程中消除各變量間的相關(guān)性造成的。故引入多元統(tǒng)計(jì)分

15、析中的Wiks準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖8 傳感器陣列測(cè)試電路示意圖圖9 基于PCA和Wiks的鑒別結(jié)果3.試設(shè)計(jì)農(nóng)產(chǎn)品水分的電學(xué)特性檢測(cè)裝置，并說(shuō)明檢測(cè)原理與方法。（請(qǐng)用圖說(shuō)明基本組成和檢測(cè)方法）。15%答：?jiǎn)纹瑱C(jī)LCD顯示器數(shù)字溫度傳感器鍵盤(pán)輸入C/V變換器水分傳感器圖10 農(nóng)產(chǎn)品水分檢測(cè)裝置數(shù)字溫度傳感器接入單片機(jī)的輸入端，水分傳感器的輸出端接入C/V轉(zhuǎn)換器的輸入端。C/V轉(zhuǎn)換器輸出接入單片機(jī)的A/D輸入端，單片機(jī)輸出端接LCD顯示器的輸入端，鍵盤(pán)輸入接入單片機(jī)的輸入端，控制物料水分的檢測(cè)。整個(gè)裝置原理是把水分傳感器檢測(cè)所得電容信號(hào)通過(guò)C/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)內(nèi)A/D電壓輸入信號(hào)的范圍

16、，之后單片機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算。4.請(qǐng)敘述核磁共振在水產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)中的原理與方法，并說(shuō)明優(yōu)缺點(diǎn)。10%答：1） 原理和方法置于磁場(chǎng)中的氫原子在一定的射頻脈沖作用下就會(huì)產(chǎn)生共振。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和所加的射頻脈沖頻率匹配時(shí)，質(zhì)子就會(huì)吸收和釋放射頻脈沖的能量，通過(guò)檢測(cè)釋放的能量，測(cè)量強(qiáng)度就可以知道樣品中共振質(zhì)子的數(shù)量。許多質(zhì)量控制應(yīng)用中感興趣的要素都包含質(zhì)子（如：水、脂肪、油），為了能定量測(cè)量，我們可以采用測(cè)量已知含量的樣品的共振信號(hào)來(lái)做校正標(biāo)定。NMR的一個(gè)重要特征是所釋放的共振信號(hào)的弛豫時(shí)間很大程度上取決于含氫質(zhì)子材料的物相。方法主要包括核磁共振波譜法和核磁共振成像技術(shù)。2） 優(yōu)缺點(diǎn)NMR作為一種無(wú)損檢測(cè)

17、水產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)方法，有廣泛的適用性。可考察水產(chǎn)品組織中水的形態(tài)、質(zhì)子的濃度等，從而對(duì)組織進(jìn)行檢測(cè)盒分析，獲得生理狀態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的信息。Udagawa運(yùn)用NMR技術(shù)還可以測(cè)定魚(yú)油脂中脂肪酸對(duì)質(zhì)子吸收的變化，從而確定油脂的氧化穩(wěn)定性。但是NMR技術(shù)也存在儀器造價(jià)昂貴和訊號(hào)分析具有專門(mén)性與復(fù)雜性等缺點(diǎn)，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)一些便攜式檢測(cè)油脂、水分等儀器，如圖11所示，但是將NMR技術(shù)應(yīng)用在在線檢測(cè)系統(tǒng)至今還未見(jiàn)。圖11 基于NMR便攜式食品檢測(cè)儀5.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)利用免疫生物傳感器技術(shù)檢測(cè)果蔬農(nóng)藥殘留快速測(cè)系統(tǒng)，闡述檢測(cè)原理和檢測(cè)流程。10%答：顯示器傳感器圖12 果蔬農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)系統(tǒng)圖13果蔬農(nóng)藥殘留

18、快速檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖6.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)利用超聲波技術(shù)檢測(cè)果汁成份的檢測(cè)系統(tǒng)，請(qǐng)分析設(shè)計(jì)難點(diǎn)，說(shuō)明檢測(cè)原理和檢測(cè)流程。15%答：1）檢測(cè)系統(tǒng)流程圖：5-7脈沖信號(hào)發(fā)生器時(shí)間計(jì)數(shù)器發(fā)送探頭樣品池（果汁）接受探頭d2）原理：脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)送一定振幅和頻率的脈沖電子波，在傳至發(fā)送探頭的同時(shí)，也發(fā)送時(shí)間計(jì)數(shù)器，記錄時(shí)間為t1。電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化成相同頻率的超聲機(jī)械波，通過(guò)果汁池后，被接受探頭并再次轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后送至?xí)r間計(jì)數(shù)器記錄停止時(shí)間t2。由于樣品池的長(zhǎng)度d是事先確定的，則通過(guò)樣品池的波速為d/（t2-t1）。由事先波速與果汁內(nèi)部成分之間的關(guān)系，再可獲取果汁成分。3） 設(shè)計(jì)難點(diǎn)：其一：上述中是假定果汁各成分分布是均勻的理想模型，實(shí)際中果汁有可溶性固形物等，一般可認(rèn)為果汁底部密度應(yīng)該大于上部密度。也存在同一高度各部分的果汁密度不一樣。必然存在超聲波衰減不均勻。其二：應(yīng)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立果汁中水、可溶性固形物等關(guān)聯(lián)模型的有效方法，可通過(guò)當(dāng)果汁溶度一定時(shí)，波速與水、可溶性固形物之間的關(guān)系曲面是一定的，或者聲波衰減是有規(guī)律的。7.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)便攜式水果可見(jiàn)/近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)，并說(shuō)明工作原理。10%答：近紅外光源蘋(píng)果托盤(pán)光譜儀與顯示屏光纖