專利名稱：一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油脂檢測領(lǐng)域，地溝油中金屬離子含量要遠(yuǎn)大于食用油，并且地溝油中含有一些食用油中沒有的金屬離子。本發(fā)明特別涉及一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法。本發(fā)明主要通過激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)檢測油脂中的金屬離子， 碳，氮，氧及其化合物成分含量以及它們的相關(guān)性來鑒別油脂的優(yōu)劣信息。
背景技術(shù)：
食用油作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜匦杵?，油質(zhì)的優(yōu)劣與大眾健康狀況密切相關(guān)。現(xiàn)如今，由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，各地出現(xiàn)了一些不法商家利用廢棄油脂，生產(chǎn)地溝油，并冒充食用油重新流入食品市場賣給消費者食用，這一不法行為嚴(yán)重危害到人民群眾的健康安全。地溝油是指劣質(zhì)的非食用油。目前主要有三種第一種是不法商家經(jīng)過加工收集到的剩菜剩飯所制成的潲水油，也稱泔水油。第二種是利用劣質(zhì)豬肉，豬內(nèi)臟，雞鴨的內(nèi)臟， 以及一些過期的肉類食物經(jīng)加工提煉的油。第三種是指反復(fù)使用超過規(guī)定要求的油，也稱深度油炸油。地溝油可作為工業(yè)用油，如利用它制造生物柴油，洗衣粉等，但切不可食用。與食用油相比，地溝油的酸價、過氧化值、羰基價、重金屬離子、黃曲霉毒素等嚴(yán)重超標(biāo)。人體長期攝入會使細(xì)胞功能衰竭，破壞白血球和消化道粘膜誘發(fā)多種疾病，引起食物中毒，嚴(yán)重甚至可致癌。如今，地溝油已成為工商，質(zhì)檢等部門的檢測重點，因此，建立原位在線、快速精確的鑒別方法，為執(zhí)法者提供有效的執(zhí)法依據(jù)，懲治不法商人，確保食用油安全具有重要價值。目前，檢測地溝油的方法，主要是通過檢測地溝油的一些特征成分來實現(xiàn)的。主要包括
1.氣相色譜法，植物油中一般不含膽固醇或含有很少的膽固醇，而地溝油中膽固醇的含量卻很高，此法可以鑒別地溝油和植物油，但研究表明，氣相色譜法要求地溝油含量10% 以上的勾兌。2.電導(dǎo)率測定法，油脂屬于非導(dǎo)電性物質(zhì)，實驗數(shù)據(jù)顯示，潲水油的電導(dǎo)率極高， 究其原因是因為潲水油在烹調(diào)過程中加入了一些易電離的物質(zhì)如食鹽，味精等，另外地溝油在收集、提煉、加工過程中，會和空氣、金屬、水分、微生物等發(fā)生作用，從而增加地溝油的電導(dǎo)率，但研究表明，電導(dǎo)率檢測法只能用于食用油中潲水油含量達(dá)到20%以上的檢測。3.重金屬檢測法，潲水油中含有一些食用油中沒有的金屬離子，如猛、銅、6價鉻和鉛等，因此可以作為鑒別食用油和地溝油的特性物質(zhì)。4.水分含量測定法，潲水油中的水分含量大于1%而食用油的水分含量值低于
0. 2%ο另外還有一些方法如酸價檢測法，薄層色譜法、近紅外光譜法、極性物質(zhì)檢測法等。在這些方法中，許多實驗儀器非常復(fù)雜，步驟非常繁瑣，檢測時間長，不能完成快速的在線檢測任務(wù)。一些方法的靈敏度十分有限，并不適合公安機(jī)關(guān)的舉證工作。激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)(LIBS)與其它元素分析技術(shù)相比有許多優(yōu)點，如可以進(jìn)行全元素分析，樣品無需預(yù)處理，樣品形式不限，靈敏度高，可以進(jìn)行實時分析等。由于上述諸多優(yōu)點，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于礦業(yè)、冶金業(yè)、環(huán)境分析等多個領(lǐng)域。LIBS作為一種原位、實時、連續(xù)、無接觸檢測技術(shù)，常用于一些異常環(huán)境下的化學(xué)成分檢測，其檢測對象主要是金屬元素，碳，氮，氧及其化合物成分含量的相關(guān)性。該特點使得激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在地溝油檢測上的應(yīng)用有著無法比擬的優(yōu)點，地溝油含有多種金屬元素，不論如何精煉地溝油也不能將其含有的金屬元素完全去除。通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過LIBS光譜數(shù)據(jù)分析得到地溝油中的金屬元素含量，進(jìn)而可以直接給出油脂的優(yōu)劣判定結(jié)果。油脂樣品的LIBS光譜中也可以給出碳，氮，氧及其化合物成分含量信息，也可以根據(jù)這些元素譜線的相關(guān)性判斷油脂樣品的優(yōu)劣，實現(xiàn)原位，實時，在線，連續(xù)等檢測要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏度高、原位、實時、無接觸式的地溝油檢測方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟
步驟A.激光輸出系統(tǒng)的激光束(波長為532nm，單脈沖能量密度約為150mJ/cm2)通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面一定深度(約幾十個微米)的油脂吸收激光能量后發(fā)生過熱膨脹、爆發(fā)性蒸騰、光化學(xué)分解作用形成等離子體羽并發(fā)光。步驟B.通過信號收集系統(tǒng)，將被測油脂的激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統(tǒng)。步驟C .光譜檢測系統(tǒng)將測到的光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜 LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關(guān)性信息的分析數(shù)據(jù)。步驟D.計算機(jī)系統(tǒng)將步驟C得到的分析數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中正常油脂樣品數(shù)據(jù)比對后就可以判斷被測油脂樣品的優(yōu)劣。所述激光輸出系統(tǒng)主要分為激光測距模塊和LIBS激光發(fā)射裝置；計算機(jī)控制激光測距模塊測量被測油脂油面到激光器輸出窗口的距離L，然后計算機(jī)根據(jù)距離L換算出 LIBS激光聚焦光路中聚焦透鏡的位置，并控制移動滑塊，帶動聚焦透鏡移動到合適的位置， 使得聚焦透鏡距離油脂液面的距離正好為一倍焦距，這樣當(dāng)激光束通過聚焦透鏡輻照到油脂液面的能量密度會達(dá)到最大值；隨后，計算機(jī)控制激光器以特定的功率密度、頻率輸出激光束，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后輻照在被測油脂油面產(chǎn)生激光等離子體羽。所述的信號收集系統(tǒng)主要分為位置調(diào)整裝置和信號收集裝置兩部分；所述位置調(diào)節(jié)裝置是計算機(jī)根據(jù)激光測距裝置測量到的距離L信息，發(fā)出指令控制移動滑塊移動來調(diào)整整個信號收集裝置的處于最佳的收集姿態(tài)；所述信號收集裝置主要由聚焦透鏡和傳輸光纖組成，聚焦透鏡起到增大信號收集孔徑角，增大光譜信號強度，提高信噪比的作用；聚焦透鏡將采集到等離子體光譜信號輸入傳輸光纖；光信號在光纖中的傳輸過程不但抑制了外界對光譜信號的干擾，也使得整個信號傳輸系統(tǒng)變得更加柔性化，適應(yīng)惡劣的檢測環(huán)境。所述的離子體光譜分析系統(tǒng)主要包括CCD光譜儀、分析軟件和數(shù)據(jù)庫三部分；光纖將收集到的等離子體光譜信號輸入CCD光譜儀，解析出的被測油脂LIBS光譜，然后將LIBS光譜數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各元素的LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，分析換算出譜線所對應(yīng)的元素種類，并通過換算得到的特征元素的含量信息；正常食用油中的金屬元素的含量符合一定標(biāo)準(zhǔn)，比對某些金屬元素的含量就可以推斷的樣品油脂是否為地溝油，同時正常油脂樣品中碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關(guān)性表現(xiàn)出特定的關(guān)系，分析被測油脂樣品碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關(guān)性也可以判斷油脂樣品的優(yōu)劣。有益效果本發(fā)明與傳統(tǒng)的地溝油檢測手段有下列優(yōu)點
1.被測油脂樣品無需預(yù)處理，可以實現(xiàn)原位在線檢測，適用于現(xiàn)場取證任務(wù)。2.數(shù)據(jù)分析速度快，靈敏度高，可以完成實時檢測任務(wù)。3.激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)可以進(jìn)行全元素分析，不會遺漏任何金屬元素。4.依據(jù)該方法可以制成高集成化商品儀器，適合于復(fù)雜環(huán)境下的現(xiàn)場勘測任務(wù)。


圖1本發(fā)明實施例基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法裝置示意圖。附圖標(biāo)識1、計算機(jī)；2、激光測距模塊；3、激光器；4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊；5、CXD 光譜儀；6、支架；7、聚焦透鏡；8、步進(jìn)電機(jī)；9、石英玻璃片；10、聚焦透鏡；11、步進(jìn)電機(jī)； 12、光纖；13、聚焦激光束；14、被測油脂樣品；15、激光誘導(dǎo)等離子體羽。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，本實施例的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法， 計算機(jī)1發(fā)出指令控制激光測距模塊2測量激光器3到達(dá)樣品表面14的距離L，激光測距模塊2工作原理為發(fā)出一束波長為532nm，單脈沖能量密度約為150mJ/cm2的激光，且激光束與油脂樣品液面法線成一定夾角(約2度)，當(dāng)這束激光到達(dá)油脂樣品表面后發(fā)生反射，反射激光脈沖輸入激光測量模塊2的接收端。根據(jù)接受到的激光光斑位置和出射激光與液面夾角信息就可以確定激光器3輸出端口到達(dá)樣品表面的距離L，并將該信息反饋給計算機(jī) 1。計算機(jī)1根據(jù)反饋信息發(fā)出指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊4控制步進(jìn)電機(jī)8和步進(jìn)電機(jī)11 移動到合適位置。步進(jìn)電機(jī)8帶動聚焦透鏡7沿激光器2輸出的激光束出射方向移動?？刂萍す饷}沖13正好聚焦到油脂樣品14表面，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子體羽15。步進(jìn)電機(jī)11帶動接收裝置(主要包括聚焦透鏡10、光纖12)移動最優(yōu)位置。接收裝置前段有一片石英玻璃片9，可拆卸，作用為防止聚焦透鏡10被等離子體噴濺物污染。激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)出的光信號經(jīng)聚焦透鏡10匯聚后輸入光信號傳輸光纖12，并傳入光譜儀5.
計算機(jī)1發(fā)出之指令給激光器3以合適能量，頻率發(fā)出激光脈沖，同時計算機(jī)1發(fā)出指令控制光譜儀5記錄激光誘導(dǎo)等離子體羽15的光譜信息，并傳輸給計算機(jī)1，計算機(jī)1將光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中原子或離子的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，并歸屬出所有譜線所代表的元素，進(jìn)一步根據(jù)譜線強度信息計算出各種元素的含量信息。取出金屬元素、碳、氮、氧及其化合物成分的信息進(jìn)一步與數(shù)據(jù)庫中正常食用油元素種類、含量及相關(guān)性方面的數(shù)據(jù)行比對后就可以判定被測油脂樣品14是否為正常食用油。判例選取兩種實驗樣本進(jìn)行測試，樣品1為金龍魚大豆油，樣品2為金龍魚大豆油50ml加入Ig紅梅味精加熱10分鐘后制成樣本，樣品3為豆油與麻油的混合樣本，樣品 4為都豆油與泵油的混合樣本。我們的激光輸出裝置輸出532nm，150mJ/cm2的激光脈沖分別輻照樣品1、2、3、4.得到了 LIBS光譜數(shù)據(jù)，通過我們自己開發(fā)的軟件進(jìn)行比對分析得到實驗數(shù)據(jù)顯示如下。第一步，分析金屬元素含量，發(fā)現(xiàn)樣品3中鈉元素含量明顯超標(biāo)(從光譜數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)588. 6和589. 0麻油都要比都有高出五倍以上)，樣品4中發(fā)現(xiàn)了大量的硅元素的譜線，在正常豆油樣品光譜中并沒有發(fā)現(xiàn)這些元素的譜峰存在，可以斷定樣品4 非正常的食用油。樣品1和2的判斷發(fā)現(xiàn)他們的光譜譜峰及其相似，大多為碳、氫、氧、氮四種元素及其化合物的譜峰，單純通過談們強度分布并不能做出準(zhǔn)確的判斷，并對樣品進(jìn)行主成分分析給出科學(xué)的的判斷。在樣品1和樣品2中選取了 21條譜線進(jìn)行換算比對，分別為碳原子譜線1條，碳碳鍵譜線9條，碳氮鍵譜線6條，鈣原子譜線1條，鈣離子譜線1條，鈉原子譜線2條，氫原子譜線1條.換算后得到樣品1，2在PCA1，PCA2，PCA3坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)，畫圖發(fā)現(xiàn)樣品1，2在PCA1、2、3空間內(nèi)完全分在了不同的區(qū)域，每種有機(jī)物經(jīng)過這種主成分分析后都會得到特定的分布區(qū)域。樣品2由于加入了微量新的物質(zhì)，并且長時間加熱， 都使得它的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變化，根據(jù)光譜譜峰之間的關(guān)聯(lián)性得到油脂樣品結(jié)構(gòu)的變化信息，進(jìn)而給出油脂優(yōu)劣的信息。 以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟步驟A.激光輸出系統(tǒng)的激光束通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面一定深度的油脂吸收激光能量后發(fā)生過熱膨脹、爆發(fā)性蒸騰、光化學(xué)分解作用形成等離子體羽并發(fā)光；步驟B.通過信號收集系統(tǒng)，將被測油脂的激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統(tǒng)；步驟C.光譜檢測系統(tǒng)將測到的光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜 LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關(guān)性信息的分析數(shù)據(jù)；步驟D.計算機(jī)系統(tǒng)將步驟C得到的分析數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中正常油脂樣品數(shù)據(jù)比對后就可以判斷被測油脂樣品的優(yōu)劣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述激光輸出系統(tǒng)主要分為激光測距模塊和LIBS激光發(fā)射裝置；計算機(jī)控制激光測距模塊測量被測油脂液面到激光器輸出窗口的距離L，然后計算機(jī)根據(jù)距離L換算出 LIBS激光聚焦光路中聚焦透鏡的位置，并控制移動滑塊，帶動聚焦透鏡移動到距離油脂液面一倍焦距處，使得激光束通過聚焦透鏡輻照到油脂液面的能量密度達(dá)到最大；隨后，計算機(jī)控制激光器以特定的功率密度、頻率輸出激光束，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后輻照在被測油脂油面產(chǎn)生激光等離子體羽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述的信號收集系統(tǒng)主要分為位置調(diào)整裝置和信號收集裝置兩部分；所述位置調(diào)節(jié)裝置是計算機(jī)根據(jù)激光測距裝置測量到的距離L信息，發(fā)出指令控制移動滑塊移動來調(diào)整整個信號收集裝置的處于最佳的收集姿態(tài)；所述信號收集裝置主要由聚焦透鏡和傳輸光纖組成，聚焦透鏡起到增大信號收集孔徑角，增大光譜信號強度，提高信噪比的作用；聚焦透鏡將采集到等離子體光譜信號輸入傳輸光纖；光信號在光纖中的傳輸過程不但抑制了外界對光譜信號的干擾，也使得整個信號傳輸系統(tǒng)變得更加柔性化，適應(yīng)惡劣的檢測環(huán)境。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述的離子體光譜分析系統(tǒng)主要包括CCD光譜儀、分析軟件和數(shù)據(jù)庫三部分；光纖將收集到的等離子體光譜信號輸入CCD光譜儀，解析出的被測油脂LIBS光譜，然后將LIBS 光譜數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各元素的LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，分析換算出譜線所對應(yīng)的元素種類，并通過換算得到的特征元素的含量信息；正常食用油中的金屬元素的含量符合一定標(biāo)準(zhǔn)，比對某些金屬元素的含量就可以推斷的樣品油脂是否為地溝油，同時正常油脂樣品中碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關(guān)性表現(xiàn)出特定的關(guān)系，分析被測油脂樣品碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關(guān)性也可以判斷油脂樣品的優(yōu)劣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟步驟A.激光輸出系統(tǒng)的激光束通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面形成等離子體羽并發(fā)光；步驟B.通過信號收集系統(tǒng)，將被測油脂的激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統(tǒng)；步驟C.光譜檢測系統(tǒng)將測到的光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)各元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關(guān)性信息的分析數(shù)據(jù)；步驟D.計算機(jī)系統(tǒng)將分析數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中正常油脂樣品數(shù)據(jù)比對后就可以判斷被測油脂樣品的優(yōu)劣。
文檔編號G01N21/63GK102519918SQ20111040469
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者丁洪斌, 海然, 趙棟燁 申請人:大連理工大學(xué)