測量牛奶或奶粉蛋白質(zhì)摻假的便攜濾光片式拉曼光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的使用拉曼光譜技術(shù)的食品安全檢測儀器，特別涉及一種可以專門用來檢測牛奶及奶粉中的蛋白質(zhì)摻假的便攜式拉曼光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，市場上出現(xiàn)了眾多的牛奶及奶粉中蛋白質(zhì)摻假事件，由于奶源收購時對蛋白質(zhì)含量的常規(guī)快速測量主要由測量其氮含量來完成，不法分子便往牛奶或奶粉中非法添加含氮雜質(zhì)來提升奶粉或牛奶的含氮量，以提升蛋白質(zhì)含量，冒充優(yōu)質(zhì)奶粉。最典型的摻含氮物質(zhì)是三聚氰胺，其他的含氮物質(zhì)包括硫酸銨、二氰胺、尿素等。這些含氮物質(zhì)通常難以被人體吸收，部分摻假的含氮物質(zhì)對人體產(chǎn)生重大危害，如導(dǎo)致嬰幼兒消化道結(jié)石、腎結(jié)石、大頭娃娃等嚴(yán)重疾病。
[0003]目前，對三聚氰胺等摻假物的主要檢測方法包括質(zhì)譜法、氣相色譜法、液相色譜法等。這些方法通常過程繁瑣，需要樣品前處理，測試速度緩慢，測試儀器昂貴、體積大，且多數(shù)因使用化學(xué)試劑而破壞樣品、污染環(huán)境，因此僅能做到抽檢，難以對奶粉或牛奶進行快速檢測，特別難以適合奶源收購的現(xiàn)場對奶粉進行快速檢測。
[0004]光譜檢測手段擁有快速和不破壞樣品的優(yōu)點，因而受到了廣泛的重視。其中，拉曼光譜在檢測有機物、生物和食品安全等行業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。然而，通常的拉曼光譜儀器需要性能較好的激光器、高精度的光柵分光系統(tǒng)和昂貴的陣列式CCD探測器，成本高，價格貴，體積大。這些儀器的價格低則數(shù)十萬元，高則上百萬元，難以在日常生活的食品檢測中得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明使用拉曼光譜儀的基本檢測原理如下:
當(dāng)激光照到一種物質(zhì)上時，光會發(fā)生散射。大部分的光在散射過程中頻率未發(fā)生變化，這種散射稱瑞利散射；而小部分的光在散射過程中，頻率發(fā)生了變化，稱為拉曼散射。
[0006]拉曼散射光的頻率變化值，簡稱頻移，和被照射物體本身的性質(zhì)有關(guān)，包括化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等。對相同的一種物體，拉曼散射的頻率變化值是恒定的；而對不同的物質(zhì)，拉曼散射的光譜則是不同的。拉曼散射的這種性質(zhì)使得我們可以通過它來檢測各類物質(zhì)的存在，使得拉曼光譜能在各行各業(yè)，包括食品、醫(yī)藥、化學(xué)、生物材料、環(huán)保乃至考古、反恐等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)大多數(shù)的拉曼光譜檢測儀器均為進口，價格昂貴，難以大量進入日常生活中的食品檢測行業(yè)。本發(fā)明專用于測量牛奶和奶粉中非法添加劑，如三聚氰胺、二氰胺、硫酸銨、尿素等的拉曼光譜儀。
[0007]本發(fā)明的目的是:設(shè)計一種專精于食品安全檢測，尤其專精于測量牛奶摻假的拉曼光譜儀，使得拉曼光譜儀器能夠在日常生活的食品檢測中使用。本發(fā)明是專精于一個行業(yè)而非通用的儀器，故不需要高精密、復(fù)雜、價格高昂的光柵光學(xué)系統(tǒng)，和探測所有波長波段的陣列式CCD探測器，因此能夠降低儀器總體的成本，使其體積小、便攜化、價格低，能應(yīng)用在日常生活的食品安全檢測上。
[0008]因此，本發(fā)明提供了一種測量牛奶或奶粉中蛋白質(zhì)摻假的便攜濾光片式拉曼光譜儀，包括激光器、激發(fā)濾光片、分光鏡、共焦顯微鏡頭、樣品槽、光纖束、濾光片陣列和探測器陣列，激光通過激發(fā)濾光片、分光鏡、共焦顯微光路照在樣品槽中的樣品上，樣品散射的拉曼信號經(jīng)過共焦顯微鏡頭收集后通過分光鏡、光纖束、濾光片陣列，由探測器陣列檢測，經(jīng)過放大電路和數(shù)據(jù)處理，在顯示器上顯示牛奶或奶粉中是否有摻假蛋白質(zhì)。
[0009]進一步的，可以準(zhǔn)確、快速地識別牛奶和奶粉中添加的常見非法蛋白質(zhì)添加劑，如三聚氰胺、二氰胺、硫酸銨、尿素等，檢測所需時間短，無需樣品前處理。
[0010]進一步的，:所述激光器為半導(dǎo)體激光器，波長為532nm至785nm，激光功率為5-100mW，帶寬小于lnm，光斑直徑小于Imm ；
進一步的，所述激光濾光片，其中心波長對應(yīng)于激發(fā)激光波長，帶寬5-20nm，消除激發(fā)激光所存在的其他輻射，避免對拉曼弱信號的干擾。
[0011]進一步的，所述分光鏡的反射率為對短波長高反射，對長波長高截止；其透過率對短波長高截止，對長波長高透過，對785nm激光器的截止波長為790nm，對637nm激光器的截止波長為642nm ；
進一步的，光路系統(tǒng)配備的共焦顯微鏡頭，既可以將來自樣品的拉曼散射光以最大的能量準(zhǔn)確地收集并輸送到濾光片陣列上，又可以準(zhǔn)確地尋找探測點并進行聚焦。
[0012]進一步的，所述樣品槽統(tǒng)一規(guī)格，放置時準(zhǔn)確與顯微鏡對焦，通過簡單調(diào)焦實現(xiàn)共焦成像，由此可以實現(xiàn)對牛奶樣品的拉曼檢測。
[0013]進一步的，濾光片陣列裝有一組特定的窄帶濾光片，該組窄帶濾光片的峰值透過波長按照公式Ai=AcZa-KT7* AR1.λ 0)計算獲得，其中，Aci為激光波長，ARi為第i種非法蛋白質(zhì)添加劑的拉曼頻移，λ i為對應(yīng)計算得出的濾光片透過峰位波長，i=l, 2，3，……。
[0014]進一步的，當(dāng)激光波長λ 0為785nm時，濾光片的峰值透過波長分別為:798.3nm，828.8nm，849.9nm，852.5nm等；當(dāng)激光波長λ ^為637nm時，濾光片的峰值透過波長分別為645.7nm，665.5nm，679.lnm, 680.8nm等；每個窄帶濾光片通過帶寬約為I至1.5nm，只讓狹窄的特定波長范圍內(nèi)的光線透過。
[0015]進一步的，除上述窄帶濾光片外，濾光片陣列中還有一塊對照濾光片，對應(yīng)的是牛奶或奶粉本身的特征拉曼散射信號。
[0016]本發(fā)明是專用于牛奶、奶粉中蛋白質(zhì)摻假檢測的便攜式拉曼光譜儀。由于專用于牛奶及奶粉的摻假檢測，不需要檢測全波段的光譜，因此可以不使用高精度的光柵，探測器也可以改用低成本的單元硅探測器，并配備價格較為低廉的激光器。因此，本發(fā)明的拉曼光譜儀測量奶粉或牛奶中蛋白質(zhì)摻假時性能高，儀器價格低。在針對牛奶或奶粉的蛋白質(zhì)摻假檢測時，本發(fā)明擁有拉曼光譜檢測準(zhǔn)確、快速、不破壞樣品、成本低廉的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的測量牛奶或奶粉蛋白質(zhì)摻假的便攜濾光片式拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是三聚氰胺的拉曼散射光譜圖；
圖3是硫酸銨的拉曼散射光譜圖； 圖4是二氰胺的拉曼散射光譜圖；
圖5是尿素的拉曼散射光譜圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明在光譜儀中使用裝有一組濾光片的濾光片陣列6和探測器陣列8，與激發(fā)濾光片2、分光鏡3、激光器1、共焦顯微鏡頭4相連接，組成便攜濾光片式拉曼光譜儀。首先，來自激光器I的激光通過光學(xué)系統(tǒng)，從共焦顯微鏡頭4射出，照射在放于樣品槽4的奶粉或牛奶樣品上。探測器陣列8后設(shè)開關(guān)系統(tǒng)9。在顯示器11上顯示牛奶或奶粉中是否有摻假蛋白質(zhì)。
[0020]激光照射到樣品上之后，光線發(fā)生了瑞利散射和拉曼散射，散射光被共焦顯微鏡頭4收集，然后通過光纖束6，光纖束6將散射光分成幾等分，分別通過濾光片陣列6的每一個濾光片。本發(fā)明的一個實施例中使用了波長為785nm的激光器，它對應(yīng)的濾光片陣列包括了通過波長為798.3nm，828.8nm，849.9nm，852.5nm等的窄帶濾光片。該實施例使用這些透過波長的濾光片的設(shè)計原理如下:
如圖2所示，三聚氰胺的主要拉曼散射偏為673CHT1。根據(jù)如下公式可以計算激光照射在三聚氰胺上，波長發(fā)生偏移之后的散