第四章 食品無損檢測：光學(xué)特性檢測

章光學(xué)特性檢測

LOGO2025-01-062南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院第一節(jié)物理光學(xué)基礎(chǔ)一、光的本性

在電磁波譜中:

紫外光：波長200-400nm;

可見光：波長400-780nm;

紅外光：波長0.78-1000um。

0.78-2.5um——2.5-40um——40-1000um

近紅外區(qū)中紅外區(qū)遠紅外區(qū)

2025-01-063南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1．光的單色性

單色光：具有單一波長的光。

顏色：在可見光區(qū)域，不同波長的單色光通過人的視覺器官反映。

紫外光和紅外光由于不在人眼覺察范圍內(nèi)，無顏色可言。從長段波長開始分別為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。

二、光的單色性、偏振性與相關(guān)性2025-01-064南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

人眼對同樣功率輻射的可見光的敏感程度不同；在特別情況下(能量加大)，人眼的感受范圍可擴大到近紅外線(1150nm)和紫外線部分(312.5nm)。

2025-01-065南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

CIE推薦：

明視覺光譜光效率曲線(555nm)；

暗視覺光譜光效率曲線(510nm)用算術(shù)坐標表示形成為兩條近似對稱的圓滑鐘形曲線。

2025-01-066南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

分離單色光：可以從復(fù)合光的光譜中將單色光分離出來。常用的方法有棱鏡、平面光柵、干涉濾光片、干涉光圖等方法。2025-01-067南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

偏振光的振動方向和傳播方向所形成的面稱為振動面；和振動方向相垂直而包含傳播方向的面稱為偏振面。2.光的偏振性光是橫波，光矢量E和光的傳播方向相垂直。如果光矢量正在一個固定平面內(nèi)只沿著一個固定方向作振動，這種光稱作線偏振光或面偏振光(簡稱為偏振光)。

2025-01-068南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

自然光是非偏振的，在所有可能的方向上，E的振幅都可看作完全相等。如圖4-4所示。在光學(xué)實驗中，常采用某些裝置移去自然光中的一部分振動而獲得偏振光。至于縱波，由于振動方向就是傳播方向，縱波是沒有偏振性可言的。（聲波）2025-01-069南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院3．光的相干性

波動是具有疊加性的。光是一種波動，所以兩束單色自然光在空間相遇處的E振動，將是各自的E振動的矢量和。

相干波必須同頻率、同振動方向、同周相或有恒定周相差等條件。

只有從同一部分發(fā)出的光通過某些裝置后，才能獲得符合相干條件的兩束光。2025-01-0610南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院水滴·肥皂泡·干涉條紋)楊氏干涉條紋

薄膜的等厚干涉

薄膜的等厚干涉

2025-01-0611南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院4．光源

發(fā)光的物體稱為光源。

熱光源：利用熱能激發(fā)的光源。例如：白熾燈；

2025-01-0612南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院冷光源：

利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)的光源。

例如：螢火蟲的光就是化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象；稀薄氣體在通電時發(fā)出的輝光，就是常見的電致發(fā)光；

某些物質(zhì)如堿土金屬的氧化物和硫化物等，在可見光或紫外線照射下被激發(fā)而發(fā)光就是光致發(fā)光。2025-01-0613南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院三、光在介質(zhì)表面的反射、折射及光的吸收1．光的反射定律如圖4-5所示，一束平行光沿BA方向照射在垂直表面DE一部分光從表面沿AF方向反射出來；一部分光透過表面改變方向沿AC發(fā)生光的折射現(xiàn)象。與AD表面垂直的NN'稱為法線。

反射定律指出，入射光線與反射光線及法線在同一平面內(nèi)，并且入射角i與反射角γ相等。2025-01-0614南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

2025-01-0615南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2．光的折射定律

一束平行光由一介質(zhì)進入另一介質(zhì)時，將改變其行進方向，這種現(xiàn)象稱作光的折射。原因是由于光在不同介質(zhì)中的傳播速度不等。

2025-01-0616南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院3．光的吸收定律

對大多數(shù)介質(zhì)，當(dāng)光在介質(zhì)中經(jīng)過一段距離后，部分光能轉(zhuǎn)化為熱能、電能或化學(xué)能形式。即：光已被物質(zhì)吸收。

朗伯(Lamber)能量定律給出了光在均勻物質(zhì)中通過一距離時，到達該處的光能中將有同樣比例的能量被該層物質(zhì)所吸收，數(shù)學(xué)表達式為:即：2025-01-0617南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院四、光與食(農(nóng)產(chǎn))品物料的相互作用特點

食品與農(nóng)產(chǎn)品物料的光學(xué)特性：指物料對投射到其表面上的光產(chǎn)生反射、吸收、透射、漫射或受光照后激發(fā)出其他波長的光等的的性質(zhì)等。

體反射：當(dāng)一束光射向物料時，大約只有4％的光由物料表面直接反射，其余光入射到物料表層，遇到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而變?yōu)橄蛩拿姘朔缴⑸涞墓狻４蟛糠稚⑸涔庵匦抡凵涞轿锪媳砻?，在入射點附近射出物料，這種反射稱之為“體反射”。

2025-01-0618南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院原理：小部分散射光較深地擴散到內(nèi)部，一部分被物料所吸收，一部分穿透果實。被吸收的多少與物料的性質(zhì)、光的波長、傳播路徑長度等因素有關(guān)。對某些物料來說，部分吸收光轉(zhuǎn)化成熒光、延遲發(fā)射光等。

離開物料表面的光就由如下幾種組成：直接反射光、體反射光、透射光和發(fā)射光。2025-01-0619南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-0620南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院光密度：

OD[OD＝lg(I0／Ir)]表示入射光能對透射光能的比值大小。物料的光透過度越低，則光密度越高。

Light:Nondestructive

2025-01-0621南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院對于某種食品物料，一束平行的入射光I0投射到物料上產(chǎn)生的反射光Ip、透射光Ir、吸收光Ia和發(fā)射光Ie的頻譜分布和強弱與物料的種類和結(jié)構(gòu)等性質(zhì)有密切關(guān)系，具有強烈的選擇性。

利用這一原理可用來識別物質(zhì)。2025-01-0622南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院五、光學(xué)特性常用檢測模式

光學(xué)特性檢測的模式主要有透射光譜檢測和反射光譜檢測。

透射光譜檢測：把待測樣品置于光源和探測器之間，探測器所檢測的是透過樣品的光；

反射光譜檢測：把探測器與光源置于待測樣品的同一側(cè)，探測器所檢測的是被樣品以各種方式反射回來的光。2025-01-0623南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1．透射法測定透射光譜檢測模式如圖4-10和圖4-11所示。主要適于清澈透明試樣，吸收光程由試樣池的透光長度決定，透光能量與試樣濃度之間符合朗伯—比爾(Lambere-Beer)定律：2025-01-0624南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2.反射法測定

按試樣表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)不同有規(guī)則反射、漫反射和透入漫反射三種不同情況?？蛇m用于粗糙表面試樣、粉末試樣等。2025-01-0625南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-0626南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院六、食品與農(nóng)產(chǎn)品的光特性應(yīng)用(1)缺陷檢測

缺陷是涉及缺少關(guān)于完整性必需的東西，或是出現(xiàn)了有損于完整性的某些東西。如挑剔米粒中的石子和黃黑米粒等。(2)成分分析

水分、脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸、糖分、酸度等化學(xué)成分的含量，用于品質(zhì)的監(jiān)督和控制。如：近紅外光譜分析技術(shù)。

2025-01-0627南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(3)成熟度與新鮮度分析

果蔬產(chǎn)品成熟度和新鮮度檢測，成熟階段總是與某種物質(zhì)的含量有密切關(guān)系，并表現(xiàn)出表面或內(nèi)部顏色的不同。

綜合而言：光學(xué)特性檢測技術(shù)的應(yīng)用是為了測定品質(zhì)指標，最終目的是對食品物料進行自動化分級、分類和分選，獲得總體質(zhì)量等級的提高。

即從合格物料中剔除缺陷品；按物料中某種成分含量進行分類；把成熟度不同的產(chǎn)品進行分類，以便分別貯藏和銷售。

2025-01-0628南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院第二節(jié)可見光檢測

可見光檢測：最常用的物理方法之一。

必要性：食品含有異種異色顆粒、變霉變質(zhì)粒、機械損傷等

傳統(tǒng)：人工分選/生產(chǎn)率低、勞動力費用高、容易受主觀因素的干擾、精確度低。

2025-01-0629南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

優(yōu)勢：

①既能檢測表面品質(zhì)，又能檢測內(nèi)部品質(zhì)，而且檢測為非接觸性的，非破壞性的，經(jīng)過檢測和分選的產(chǎn)品可以直接出售或進行后續(xù)工序的處理；②排除了主觀因素的影響，對產(chǎn)品進行全數(shù)(100％)檢測，保證了分選的精確和可靠性；③勞動強度低，自動化程度高，生產(chǎn)費用降低，便于實現(xiàn)在線檢測；④機械的適應(yīng)能力強，通過調(diào)節(jié)背景光或比色板，即可以處理不同的物料，生產(chǎn)能力大，適應(yīng)了日益發(fā)展的商品市場的需要和工廠化加工的要求。

常用的方法主要有折射法、反射法、透射法和延時發(fā)光法等。2025-01-0630南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(1)顏色的分類和特性顏色可分為非彩色和彩色兩大類。

顏色是非彩色和彩色的總稱。

非彩色是白色、黑色和各種深淺不同的灰色。它們可以排列成一個系列，由白色漸漸到淺灰，到中灰，再到深灰，直到黑色，該系列叫做白黑系列。

1．色度學(xué)基礎(chǔ)知識2025-01-0631南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院純白是理想的完全反射的物體，其光反射率等于1；純黑是理想的無反射的物體，其光反射率等于0。在現(xiàn)實生活中，并沒有純白和純黑的物體。氧化鎂只能接近純白，黑絨的顏色接近純黑。白黑系列代表物體的光反射率的變化，在視覺上是明度的變化。愈接近白色，明度愈高；反之，愈接近黑色，明度愈低。

2025-01-0632南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-0633南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

彩色是指白黑系列以外的各種顏色。彩色有三種特性：明度、色調(diào)、飽和度。①明度彩色光的亮度愈高，人眼就愈覺得明亮，或者說有較高的明度。彩色物體表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。

2025-01-0634南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院②色調(diào)色調(diào)是彩色彼此相互區(qū)分的特性?？梢姽獠煌ㄩL的輻射視覺上表現(xiàn)為各種色調(diào)，如紅、橙、黃、綠、藍等。

光源的色調(diào)決定于輻射的光譜組成對人眼所產(chǎn)生的感覺。

物體的色調(diào)決定于光源的光譜組成和物體表面所反射(透射)的各種波長輻射的比例對人眼所產(chǎn)生的感覺。

2025-01-0635南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院③飽和度飽和度是指彩色的純潔性?？梢姽庾V的各種單色光是最飽和的彩色。當(dāng)光譜色摻人白光成分愈多時，就愈不飽和。當(dāng)光譜色摻人白光成分達到很大比例時，在眼睛看來，它就不再成為一個彩色光，而成為白光了。

2025-01-0636南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

物體色的飽和度決定于該物體表面反射光譜的選擇程度。

物體對光譜某一窄波段的反射率很高，而對其他波長的反射率很低或沒有反射，表明它有很高的光譜選擇性，僅一顏色的飽和度就高。

非彩色只有明度的差異，而沒有色調(diào)和飽和度這兩種特性.2025-01-0637南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(2)顏色方程

1854年格拉斯曼(H．Grassman)將顏色混合現(xiàn)象總結(jié)成顏色混合定律。①人的視覺只能分辨顏色的三種變化：明度、色調(diào)、飽和度。②在由兩個成分組成的混合色中，如果一個成分連續(xù)地變化，混合色的外貌也連續(xù)變化。由這一定律導(dǎo)出兩個定律。

2025-01-0638南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院a．補色律每一種顏色都有一個相應(yīng)的補色。如果某一顏色與其補色以適當(dāng)?shù)谋壤旌希惝a(chǎn)生白色或灰色；如果二者按其他比例混合，便產(chǎn)生近似比重大的顏色成分的非飽和色。

例如:黃與藍，紅與藍綠即為互補色。在混合時，如果比例不對則成為不飽和的彩色，色調(diào)偏于過多的一色。2025-01-0639南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院b．中間色律任何兩個非補色相混合，便產(chǎn)生中間色，其色調(diào)決定于兩顏色的相對數(shù)量，其飽和度決定于二者在色調(diào)順序上的遠近。

例如:

紅與綠混合產(chǎn)生橙色,藍與紅混合產(chǎn)生紫色。中間色的色調(diào)偏于較多的一色，飽和度決定于二色在光譜軌跡中的位置，越近則越飽和。2025-01-0640南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

③顏色外貌相同的光，不管它們的光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果。即：凡在視覺上相同的顏色都是等效的。由這一定律導(dǎo)出顏色的代替律:

顏色方程：

(C)≡R(R)+G(G)+B(B)（“≡”號表示匹配，即視覺上相等）(C)代表被混合的顏色；(R)，(G)，(B)分別代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三原色；R，G，B分別代表紅、綠、藍三原色的數(shù)量(三刺激值)；

2025-01-0641南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(3)三原色定律

實驗證明，用紅、綠、藍三種基本顏色可以混合出其他各種顏色。組成各種顏色的三個基本色稱為三原色。2025-01-0642南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院增色三原色:電視機上的基色

顏料三原色（減色三原色)：C(青綠Cyan)，M(品紅Magenta)，Y(黃Yellow)

2025-01-0643南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

(1)光電分選機

光電分選機可以看成是按尺寸大小進行選別的裝置一、反射法檢測2025-01-0644南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(2)色選機

利用物料的光學(xué)特性將顏色不正常、表面有缺陷或內(nèi)部變質(zhì)的疵品及雜質(zhì)物料自動分選剔除的食品機械。用于在合格品與疵品因粒度或密度十分接近，無法用傳統(tǒng)的篩選或比重分選機械分離的場合。

方法：

水果表皮的顏色可以利用光反射特性來鑒別，將一定波長的光照射水果，根據(jù)反射光的強弱可以判別其表面顏色。

2025-01-0645南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院果皮顏色分選裝置2025-01-0646南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院光電色選機系統(tǒng)的工作原理2025-01-0647南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(3)茶鮮葉的葉綠素檢測

茶鮮葉反射光譜特性的檢測系統(tǒng):2025-01-0648南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院青花菜采后顏色模型的建立

2025-01-0650南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院概述青花菜(Brassicaoleracea,cv.Italica)抗癌物質(zhì)－－芥子油，葡萄糖異硫氰酸鹽美國產(chǎn)量占其蔬菜總量18%

我國種植面積14萬公頃，99％以鮮菜形式銷售呼吸強度大，極易衰老，20℃下2天失水萎蔫、黃化和開花主要運輸方式：冷藏，冰藏2025-01-0651南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院國內(nèi)外研究動態(tài)品質(zhì)標準品質(zhì)基本要求新鮮潔凈，無異常氣味或滋味，不帶不正常的外來水分，細心采摘，充分發(fā)育，具有適于市場或貯存要求的成熟度。特級同一品種，花球緊密，花蕾未開，具品種固有色澤，無腐爛，莖無空心，無病蟲害及其他傷害。

一級同一品種，花球尚緊密，色澤良好，無腐爛，莖無空心，無嚴重病蟲害及其他傷害。二級同一品種，次于一級，但仍保持本品種果實的基本特征，仍有商品價值者。我國目前行業(yè)分級標準，暫無國標

級別花蕾黃化分級標準0目測不到花蕾變黃,球堅挺1花球中有輕微變黃或花球中有1～3?；ɡ僮凕S3花蕾變黃,占整個花球的5%5花蕾變黃,占整個花球的50%7花球變黃,占整個花球的75%9100%的花蕾變黃花蕾黃化分級標準（李長纓等1999年）2025-01-0653南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院【目的】建立采后青花菜顏色變化模型挑選與人工分級指標相關(guān)聯(lián)的顏色參數(shù)并給出參數(shù)閾值【材料】青花菜(品種：海芝)【處理方法】試驗組分為0℃、5℃、10℃下分別在包裝與不包裝兩種情況下進行貯藏。2025-01-0654南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

二、透射法檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)：朗伯—比爾定律（吸收光譜）

主要應(yīng)用：

定性分析純度檢查結(jié)構(gòu)測定定量分析2025-01-0655南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

1．定性分析透射法(多為液體物質(zhì))(1)與標準物、標準圖譜對照

(2)比較最大吸收波長和吸收系數(shù)的一致性2025-01-0656南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2．純度檢測

可見或紫外吸收光譜能測定化合物中含有的具有可見或紫外吸收的雜質(zhì)。如果化合物在可見或紫外光區(qū)沒有明顯的吸收峰，而它的雜質(zhì)在可見或紫外光區(qū)有較強的吸收峰，就可檢測出化合物中所含的雜質(zhì)。

如：乙醇中含有雜質(zhì)苯，苯的最大吸收峰為256nm而乙醇在此波長處無吸收。2025-01-0657南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院3．結(jié)構(gòu)測定屬于分析化學(xué)中物質(zhì)鑒定的范疇，不作詳細討論。4．定量分析采用工作曲線法需要事先把樣品中的待測的純物質(zhì)分別配置一系列已知濃度的標準試樣，分別測出它們在選定分析波長處的吸光度值，然后將濃度和吸光度分別作為橫坐標和縱坐標畫出A—c之間的關(guān)系曲線即工作曲線。2025-01-0658南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院三、延時發(fā)光法檢測技術(shù)

所有的光合作用生物都能發(fā)生一種“后發(fā)光”，這種后發(fā)光叫做“延時發(fā)光”，也叫滯后發(fā)光。

例如：植物被光照一段時間后放到暗處，能繼續(xù)發(fā)出微弱的紅光。

延時發(fā)光是一種熒光發(fā)光現(xiàn)象，它與農(nóng)產(chǎn)品的諸多生命活動密切相關(guān)，如氧化代謝、細胞分裂、細胞凋亡、生長調(diào)節(jié)、光合作用等。2025-01-0659南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院葉片與葉綠體之間發(fā)光光譜的一致性說明：葉片的延時發(fā)光主要來自葉綠體。2025-01-0660南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院圖4-29(a)是白菜葉片；圖4-29(b)是葉綠體的延時發(fā)光光譜隨時間的變化情況。

試驗的過程如下：樣品經(jīng)過60W白熾燈照射2min后放人樣品室，暗置20s后開始記錄。從圖中可以看出，葉片與葉綠體的延時發(fā)光光譜很相似，二者在485nm、580nm、590nm、650nm、685nm、725-735nm附近都有較強的峰，發(fā)光強度隨時間很快衰減，但光譜分布基本保持不變。

2025-01-0661南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

紫外光（ultravioletlight）：波長在200～400nm范圍內(nèi)的光稱為紫外光。紫外光波長比可見光短，但比X射線長的電磁輻射。

紫外光用途：

功能一：殺菌功能二：鑒定與透視功能三：健康與醫(yī)療功能四：為昆蟲指路

第三節(jié)紫外光的檢測技術(shù)2025-01-0662南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-0663南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-0664南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

方法：

折射檢測方法透射檢測方法反射檢測方法

原理：將高能量的紫外光作為激勵光源，通過光學(xué)系統(tǒng)照射到待檢測的物料上，由于某些化學(xué)成分和某些微生物(或霉菌)在紫外光的激勵下會發(fā)出熒光(或磷光)；物體發(fā)出的熒光(或磷光)的波長及強度與物體的構(gòu)成、某些成分的含量以及激勵紫外光的頻率(波長)與強度(振幅)等外界因素有關(guān)。2025-01-0665南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

任何能發(fā)出熒光的物質(zhì)都具有兩種特征光譜：激發(fā)光譜熒光光譜。激發(fā)光譜：用不同波長的單色光激發(fā)熒光物質(zhì)使之發(fā)光，然后測定每一波長的激發(fā)光所產(chǎn)生的熒光強度；以激發(fā)光波長λ為橫坐標，熒光強度I為縱坐標作圖，便可得到熒光物質(zhì)的激發(fā)光譜。

2025-01-0666南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)射光譜：

固定激發(fā)光波長和強度，而讓物質(zhì)所發(fā)射的熒光通過單色器分光，以測定不同波長時的熒光強度，以熒光的波長λ為橫坐標，熒光強度I為縱坐標作圖，便得到熒光光譜，又稱熒光發(fā)射光譜。熒光光譜表示該物質(zhì)所產(chǎn)生的熒光中各種不同波長的組分所占的相對強度，熒光光譜的形狀與激發(fā)光波長無關(guān)。

一般地講：

氣態(tài)、蒸氣態(tài)的熒光物質(zhì)的熒光表現(xiàn)為線狀光譜；

液態(tài)和固態(tài)的熒光物質(zhì)表現(xiàn)為帶狀光譜。2025-01-0667南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院二、紫外光的檢測技術(shù)應(yīng)用1．熒光檢測花生的黃曲霉素334-365nm

在目鏡處觀察到的是藍色熒光，該藍光是黃曲霉素B1發(fā)出的熒光.2025-01-0668南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院從兩幅圖可以得出如下結(jié)論：①隨著花生仁變色變質(zhì)程度的發(fā)展，表面熒光強度明顯增強。②三類花生仁的最佳激發(fā)波長，即產(chǎn)生熒光最強的波長約為300nm。（但要得到此激發(fā)光較難，特別是在實際生產(chǎn)中現(xiàn)場檢測，而普通高壓汞燈很容易產(chǎn)生波長365nm的激發(fā)光）

在此條件下的熒光峰值在430—480nm之間，即呈現(xiàn)的熒光顏色為藍光。正常仁的熒光強度低于霉變嚴重仁(Ⅰ類)和霉變較輕仁(Ⅱ類)，而峰值波長基本相同。

2025-01-0669南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

問題：在常用白色日光燈下，目視可檢出受損傷的柑橘；

CCD攝像機攝取的圖像有時很難清晰地區(qū)別正常部位和損傷部位，這是受損柑橘的正常部位和損傷部位的顏色差別不大的緣故；

紫外光源下可利用圖像檢測。

2025-01-0670南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院原理：在柑橘果皮的細胞里含有被稱為精油的物質(zhì)；當(dāng)該物質(zhì)從破損的細胞中漏出果皮表面受到紫外光照射時，在波長560nm處發(fā)出很強的熒光，而正常部位的熒光強度很弱；就產(chǎn)生了正常部位與損傷部位的輝度差，利用正常部位與損傷部位的熒光發(fā)光強度的不同，通過計算機進行數(shù)據(jù)處理后即可以進行柑橘的分級。2025-01-0671南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院波長560nm2025-01-0672南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

柑橘的正常部位和損傷部位之間的熒光強度差是進行損傷果檢測的重要參數(shù)——該熒光強度差越大越容易區(qū)分。

在波長500-600nm范圍內(nèi)，損傷部位比正常部位的熒光強度起伏大，平均值高于正常部位，特別是在550-570nm間更為明顯。220nm/365nm2025-01-0673南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院柑橘的成熟度評價:

成熟果的表面顏色是全橙紅色；

半成熟果的表面顏色為橙紅色和綠色各一半；

未成熟果的表面顏色為全綠色。

2025-01-0674南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院柑橘發(fā)出的熒光強度按成熟果、半成熟果、未成熟果依次減弱，且峰值波長逐漸變小。原因：可以被認為隨著柑橘的成熟，精油逐漸增多，果皮一旦破損，露出表面的也多，熒光也隨之變強。另外：成熟度不同，峰值波長也隨之變化，反映出光的顏色也在變化。2025-01-0675南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院近紅外光(NIR,NearInfraredspectroscopy):指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波，近紅外0.75μm-2.5μm、中紅外2.5μm-25μm、遠紅外25μm-1000μm）。近紅外光譜主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化學(xué)鍵的信息，因此分析范圍幾乎可覆蓋所有的有機化合物和混合物。2025-01-0676南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院石化領(lǐng)域：油品的辛烷值、族組成、十六烷值、閃點、冰點、凝固點、含量等；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：谷物的蛋白質(zhì)、糖、脂肪、纖維、水分含量等；醫(yī)藥領(lǐng)域：藥品中有效成分，組成和含量；樣品的種類鑒別：酒類和香水的真假辨別，環(huán)保廢棄物的分檢等。2025-01-0677南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院一、近紅外光譜分析原理主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團X-H（X=C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收。

不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質(zhì)的組成與性質(zhì)的測量。2025-01-0678南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1.透射光譜法

2.反射光譜法

常規(guī)分析方法2025-01-0679南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1.透射光譜法透射光譜法就是把待測樣品置于作用光與檢測器之間，檢測器所檢測到的分析光是作用光通過樣品體與樣品分子相互作用后的光。若樣品是透明的真溶液，則分析光在樣品中經(jīng)過的路程一定，透射光的強度與樣品組分濃度由比耳定律決定。2025-01-0680南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2.反射光譜法反射光譜分析時，檢測器與光源置于待測樣品的同一側(cè)，檢測器檢測到的分析光是光源發(fā)出的作用光投射到物體后，以各種方式反射回來的光。物體對光的反射分為規(guī)則反射光（鏡面反射）與漫反射。規(guī)則反射光：指在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射。漫反射：是光投向漫反射體（顆?；蚍勰┖螅谖矬w表面或內(nèi)部發(fā)生的方向不定的反射。2025-01-0681南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1.定性分析2.定量分析分析類型：2025-01-0682南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1.定性分析定性分析利用模式識別與聚類的一些算法，主要用于鑒定。模式識別運算：需要有一組用于計算機“學(xué)習(xí)”的樣品集，通過計算機運算，得出學(xué)習(xí)樣品在數(shù)學(xué)空間的范圍，對未知樣品運算后，若也在此范圍內(nèi)，則該樣品屬于學(xué)習(xí)樣品集類型，反之則否定。聚類運算：不需學(xué)習(xí)樣品集，它通過待分析樣品的光譜特征，根據(jù)光譜近似程度進行分類。

2025-01-0683南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2.定量分析近紅外光譜作常規(guī)光譜定量分析時，需要建立光譜參數(shù)與樣品含量間的關(guān)系（標準曲線）。但對復(fù)雜樣品作近紅外光譜定量分析時，為了解決近紅外譜區(qū)重疊與譜圖測定不穩(wěn)定的問題，必須充分應(yīng)用全光譜的信息。2025-01-0684南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院按分光系統(tǒng)分類：固定波長濾光片型光柵色散型快速傅立葉變換型聲光可調(diào)濾光器陣列檢測型近紅外光譜分析儀器2025-01-0685南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院傅立葉近紅外分析儀器

德國布魯克公司在2001年推出的真正非接觸式在線傅立葉近紅外分析儀器：MATRIX-E2025-01-0686南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

（1）快速。通常30秒內(nèi)就可給出分析結(jié)果，可進行在線分析；（2）制樣簡單；（3）信息量大，可同時測定多組分；（4）環(huán)保。經(jīng)定標建模后，無須用其他常規(guī)化學(xué)分析手段，不使用有毒有機試劑，無污染；（5）非破壞性分析?？蓪崿F(xiàn)產(chǎn)品的無損質(zhì)量檢測；（6）可使用光纖，從而可實現(xiàn)遠程分析檢測。近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)點2025-01-0687南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院

（1）建模很關(guān)鍵。建立模型需要大量有代表性且化學(xué)值已知的樣品；（2）模型需要不斷的維護改進；（3）近紅外測定精度與參比分析精度直接相關(guān)，在參比方法精度不夠的情況下，無法得到滿意結(jié)果。缺點2025-01-0688南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院近紅外光譜定量分析的流程與步驟

近紅外分析技術(shù)在農(nóng)業(yè)與食品領(lǐng)域

中的應(yīng)用2025-01-0690南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院內(nèi)容應(yīng)用近紅外技術(shù)提高檢測效率、降低檢測成本，實現(xiàn)農(nóng)副產(chǎn)品、食品加工生產(chǎn)過程的中間體及成品的快速、無損、無污染檢測2025-01-0691南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)展歷史近紅外是人類發(fā)現(xiàn)的第一個非可見光區(qū)1800年，W.Hershel，天文學(xué)家FrederickWilliamHerschel(1738-1822)2025-01-0692南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)展歷史近紅外最早的應(yīng)用領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)19世紀60年代KarlNorris，美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的工程師，不是光譜學(xué)者——近紅外之父開發(fā)了近紅外分析儀結(jié)合數(shù)學(xué)計算方法，測定糧食的水分、蛋白質(zhì)和油含量等不需樣品制備、速度快、多組分同時測定的優(yōu)點2025-01-0693南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)展歷史90年代以后，廣泛應(yīng)用，“蘇醒”得益于計算機技術(shù)的發(fā)展促進化學(xué)計量學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進傅立葉變換紅外光譜學(xué)的發(fā)展化學(xué)計量學(xué)BlackBoxFTA:0.5%B:14.6%C:31.2%…干涉圖吸光度光譜圖分析模型結(jié)果2025-01-0694南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)展歷史當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域：制藥、化學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、煙草、釀酒、造紙、石化、環(huán)境等歐美國家：制藥、高分子、農(nóng)業(yè)食品日本：基礎(chǔ)工業(yè)細致，尤其是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域水果分類技術(shù)在日本普及超市里水果按質(zhì)論價兩位專家：Iwamoto和Ozaki都曾在KarlNorris實驗室工作過1989年第三屆國際近紅外大會韓國：在線檢測趙來光教授，曾在日本國家食品研究所學(xué)習(xí)2001年第十屆國際近紅外大會泰國：世界的“廚房”農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域活躍甘蔗收購領(lǐng)域為官方強制方法亞洲近紅外光譜學(xué)會支持泰國舉辦2009年第十四屆國際近紅外光譜大會2025-01-0695南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院發(fā)展歷史20世紀80年代，世行貸款引進了一批NIR儀器，但應(yīng)用效果不好對近紅外的理解不夠深入儀器和模型質(zhì)量受限中國農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴衍錄、韓東海教授做了大量工作從1978年開始注視著該技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展,1983年開始引進傅里葉變換紅外光譜儀目前，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)擁有兩臺AntarisFT-NIR儀器2025-01-0696南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院近紅外分析基本原理元素外觀組分分析功能團分析2500nm12000cm-14000cm-12025-01-0697南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院NIR光譜特點NIR獲得容易，穿透能力強，通過普通玻璃；NIR可用光纖傳遞；光譜測量方式：透射，反射，漫反射；測量光程：1mm～100mm；直接測量，無需樣品前處理；光譜對人無傷害，安全環(huán)保。全反射

漫反射

吸收

透射

折射

散射

2025-01-0698南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院NIR擅長解決直接測定固體、液體和半固體等各種狀態(tài)樣品無損測定快速分析在線分析常量、大規(guī)模樣品的測定2025-01-0699南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院NIR分析技術(shù)較傳統(tǒng)分析技術(shù)優(yōu)點方便無需對樣品進行預(yù)處理，可直接分析可使用光纖進行現(xiàn)場或在線分析快速一般每個樣品不超過一分鐘多組分同時分析無損不破壞樣品，節(jié)省樣品綠色不使用有機溶劑，無廢棄物產(chǎn)生低成本傳統(tǒng)方法化學(xué)法：滴定等色譜法：HPLC、GC等光譜法：紫外物理方法：密度計……優(yōu)點均為經(jīng)典方法意義明確缺點速度慢、效率低預(yù)處理復(fù)雜樣品不可循環(huán)使用大都需要使用有毒溶劑無法適應(yīng)于現(xiàn)場快速檢驗近紅外技術(shù)2025-01-06100南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院關(guān)于模型轉(zhuǎn)移原因分析模型是近紅外分析的基礎(chǔ)建立分析模型是成本最高的階段期望：分析模型能夠共享結(jié)果：系統(tǒng)間硬件差異導(dǎo)致同一樣品在不同儀器上采集到的數(shù)據(jù)存在差異解決辦法：數(shù)學(xué)處理交叉建模分析模型2025-01-06101南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院關(guān)于模型轉(zhuǎn)移儀器系統(tǒng)間的硬件重現(xiàn)性是“模型轉(zhuǎn)移的根源”2025-01-06102南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院近紅外分析儀濾光片型低分辨率速度慢應(yīng)用非常有限色散型移動部件復(fù)雜低分辨率波數(shù)準確性差傅立葉變換型高分辨率高精度高信噪比快速應(yīng)用廣泛DetectorSourceSampleFilterWheelSourceSampleDetectorSlitScanningGratingSlitSourceSampleDetectorInterferometer0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.9Absorbance4000500060007000800090001000011000Wavenumbers(cm-1)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8Absorbance4000500060007000800090001000011000Wavenumbers(cm-1)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8Absorbance4000500060007000800090001000011000Wavenumbers(cm-1)2025-01-06103南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院方法局限，不是我不努力！不堪重負，實在滿足不了生產(chǎn)對分析的快速要求！傳統(tǒng)化驗室分析現(xiàn)狀分析任務(wù)多分析儀器種類多分析過程復(fù)雜分析周期長操作人員多分析環(huán)境差分析成本高2025-01-06104南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院農(nóng)業(yè)領(lǐng)域糧食（大麥，小麥，豆類，水稻，甘薯，面粉，及其它谷類）：脂肪，蛋白質(zhì)，水分，纖維量，淀粉，產(chǎn)地、產(chǎn)季鑒別，品質(zhì)等級，谷物成熟度，病蟲害飼料：干物質(zhì)，粗蛋白，粗纖維，消化能，代謝能，氨基酸，植酸磷，添加劑中哇乙醇含量，預(yù)混料中維生素A2025-01-06105南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院煙草：尼古丁，水分，總糖，還原糖，多酚類，總氯，添加物，產(chǎn)地鑒別，等級分類咖啡：咖啡因，水分，綠原酸，種類、產(chǎn)地鑒別，品質(zhì)分級水果，蔬菜：糖分，酸度，維生素，水分，纖維素，品質(zhì)分級，成熟度，硬度茶葉：老嫩度，氨基酸、茶多酚、咖啡堿，水分，總氮，品質(zhì)分級，真假識別，品種鑒定。土壤：水分、有機質(zhì)和總氮含量，土壤分類

2025-01-06106南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院第五節(jié)光學(xué)特性檢測的常用儀器與設(shè)備

光學(xué)特性檢測系統(tǒng)：光源(輻射源部分)、光學(xué)光路、光電檢測單元、電子電路、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、計算機控制、數(shù)據(jù)輸出和存儲單元等組成。

光源、分光部件和探測器都是不可缺少的三個最主要的單元。

DetectorSourceSampleFilterWheel2025-01-06107南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院一、光源(輻射源)

①熱輻射光源。由物體溫度升高而發(fā)光的光源，如太陽、黑體、白熾燈和鹵鎢燈等；②氣體放電光源。電流通過氣體(包括金屬蒸氣)而發(fā)光的光源，如熒光燈、汞燈、氙燈等；③固體發(fā)光光源.如場致發(fā)光燈，半導(dǎo)體發(fā)光二極管等；④激光器。

2025-01-06108南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院1．熱輻射源

熱輻射源主要是靠物體加熱(主要用電能加熱)到白熾狀態(tài)而發(fā)光，只要物體的溫度高于絕對零度，它就能發(fā)射熱輻射。

物體:T<400℃——發(fā)射出不可見的紅外輻射；T>550℃——發(fā)射出少量波長較長的暗紅光，隨著物體溫度的繼續(xù)升高，還會發(fā)射出橙紅光和橙黃光；T>1500℃——波長更短的綠藍光及小部分紫外光開始發(fā)射，物體將呈白色。

2025-01-06109南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(1)太陽

太陽輻射從大氣外向地球表面?zhèn)鬏敃r受到各種因素的衰減，主要有臭氧的吸收、分子的瑞利散射以及氧氣和二氧化碳等物質(zhì)的吸收。2025-01-06110南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(2)白熾燈

白熾燈是由燈絲和抽成真空或充有惰性氣體的玻璃泡組成的。

光輻射通量通常是由電加熱的鎢絲發(fā)出的，工作時的分布溫度在2000～3000K范圍內(nèi)，鎢絲的熔點約為3600K。白熾燈的發(fā)光效率很低，約為10-20

lm/W，發(fā)射效率在50％以下。2025-01-06111南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院(3)鹵鎢燈

鹵鎢循環(huán)原理：當(dāng)燈處于工作狀態(tài)時，在靠近玻璃泡的低溫區(qū)域，鹵族原子與鎢原子化合形成無色的揮發(fā)性鹵化鎢，隨著燈內(nèi)氣體的對流，鹵化鎢擴散到熾熱區(qū)的燈絲附近，鹵族元素與鎢受熱

分解成鹵族原子和鎢原子，而鎢重新沉積到燈絲，結(jié)果蒸發(fā)出來的鎢又被送回到燈絲上。鹵族原子再被氣流帶到玻璃泡的低溫區(qū)，并與蒸發(fā)出來的鎢化合。鹵素和鎢的這類反應(yīng)是循環(huán)進行的，即化合一分解一化合。2025-01-06112南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院一般充入燈泡內(nèi)的是鹵族元素的化合物，如溴化氫等。鹵鎢循環(huán)是有條件的，玻璃泡溫度必須在250℃左右，這樣高的燈泡溫度一般玻璃受不住，因此常改用石英玻璃做燈泡。2025-01-06113南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2025-01-06114南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2．氣體放電光源

氣體放電原理：在電場作用下激勵出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到能量，當(dāng)它們與氣體原子或分子碰撞時，會激勵出新的電子和離子。由于這一過程中有些內(nèi)層電子會躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)，受激發(fā)原子回到低能級時就會發(fā)射出可見輻射或紫外、紅外輻射。

2025-01-06115南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時在燈中充入發(fā)光用的氣體，也可以是液體或固體，但在高溫時也將變成氣態(tài)。2025-01-06116南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院特點：①發(fā)光效率高、節(jié)能：該光源比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2-10倍。②結(jié)構(gòu)緊湊：該光源由于沒有燈絲，電極可以做得牢固緊湊，耐震，抗沖擊。③壽命長：該光源比白熾燈壽命長2～10倍。④光色適應(yīng)性強：該光源的光色可以在很大范圍內(nèi)變動。常用的氣體放電燈：(1)汞燈汞燈按汞蒸氣壓的不同可分低壓、高壓和超高壓三種。2025-01-06117南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院①低壓汞燈：汞在低壓放電時主要發(fā)射兩條共振輻射線