基于拉曼散射的食品安全检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于食品安全检测技术领域，具体涉及一种基于拉曼散射的食品安全检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]当光照射试样时，根据散射光的频率与入射光是否相同可以将散射现象分为瑞利散射和拉曼散射。拉曼散射光谱属于分子振动-转动光谱，它是源于试样分子的振动和转动能级，对拉曼散射光谱的研宄可以直接获得分子结构的信息，从而对物质进行分析。就拉曼光谱本身而言，具有分辨率高，积分时间短，重现率好等特点，又因为其谱峰清晰尖锐，且谱峰强度与被检测物质呈良好的正相关关系，因此可以利用拉曼光谱实现对蔬菜水果表皮中农药与化肥如铜、汞、磷等离子进行的精确定量检测和分析。目前的食品安全检测设备由于测试过程复杂，所需仪器设备多样而无法在家庭中普及使用。
[0003]农药可以用来杀灭昆虫、真菌等可以危害作物生长的生物，从而使用农药可以促进作物的生长发育。但由于在作物生长过程中过量使用农药与化肥，并且在食用前并未完全清洗掉，使得被人食用的蔬菜水果表面有很多农药化肥的残留。而残留的农药与化肥可能引起人体急性或慢性的中毒，并会对人体的心脏、神经、内分泌系统等产生很大的危害。长期食用有农药化肥残留的蔬菜水果可能会导致人体免疫系统的瘫痪，对人体内脏器官造成很大损伤，甚至引发癌变。
[0004]由于农药化肥的残留会对人体造成很大的危害，因此对农药化肥残留量的检测时是十分有必要的。而目前普遍使用的检测方法由于需要的仪器设备与化学试剂较多，因此无法将检测装置与方法普及，实现在家庭中进行检测。
[0005]本发明是基于拉曼光谱分析的食品安全检测的新技术，该技术可以为食品如蔬菜水果农药化肥含量的检测和确定提供依据，有效鉴定食品安全，维护人民饮食，身体健康，具有很高的经济和社会效益。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种基于拉曼光谱分析的便携食品安全检测装置及方法。
[0007]本发明提出的基于拉曼光谱分析的便携食品安全检测装置，其结构如图1所示，包括光源产生系统、滤光系统(也称光信号处理系统)、样品浓度测量系统(也称光电信号转换系统)以及数据处理系统；其中，所述光源产生系统将固定波长的激光(可以是但不局限于785nm)，经过检测探头照射到浸泡过蔬菜、水果的溶液表面，由样品溶液返回的散射光经由检测探头送至滤光系统；所述滤光系统是一种类似于光栅的滤光装置，该滤光装置可以通过能够表征某一物质的特定波长的散射光(如在农药残留溶液中对应于磷离子散射峰或者汞离子散射峰的散射光)，而滤除其他波长的散射光，并不对入射光及散射光分别处理，特定波长的散射光由样品浓度测量系统接收；所述样品浓度测量系统采用电荷耦合元件，经由滤光装置处理的单一的特定波长的散射光信号被电荷耦合元件采集并转换成相应的数字电信号；所述数据处理系统对采集到的数字电信号进行处理，得出相对应的物质含量。
[0008]本发明中，所述样品浓度测量系统可以但不局限为CCD成像模块。
[0009]本发明中，所述数据处理系统用于对电信号进行处理，得到相应物质的浓度值；整个数据处理系统可集成在芯片中，因此结构小巧易于携带。
[0010]本发明中，所述数据处理系统在使用前先针对每一种被测物质测定一系列参数值，得到拉曼峰强度与该物质浓度的函数关系，建立关联模型，进而对农药化肥残留溶液进行检测。
[0011]本发明提供的基于拉曼光谱分析的食品安全检测方法，具体步骤如下:
步骤A、选取一组已知活性浓度的检测样品(如磷离子、铜离子、汞离子等物质)作为校准集，测出其拉曼散射光谱的拉曼峰强度，建立该物质浓度与拉曼散射峰强度之间的定量数学模型，也称校准模型；
步骤B、再取另一组已知浓度的该物质作为预测集，将预测样品的拉曼光谱代入校准模型，得到样品的预测值，用预测值和实际样品活性浓度之间的相关系数和相对标准偏差来衡量所建校准模型的可靠程度，对校准模型不断进行训练得到相关度最优的该种物质的强度一浓度关联模型，并将每种检测物质的关联模型存储在装置的数据处理系统中；
步骤C、选定相应的光信号处理系统的滤光参数以及强度一浓度关联模型，进行某项指标的检测；
步骤D、检测完一项指标后，如需检测另外一种物质，可以更换事先已经制作好的光学处理零件，即滤光部分，从而实现检测功能的多样化。
[0012]本发明步骤A中，通过大量对同一物质不同活性浓度样品的拉曼散射光谱分析，得到能够表征其浓度的特定拉曼峰，并建立相应的计算模型。
[0013]本发明步骤A或步骤B中，分析物质活性浓度和拉曼峰强度以及建立计算模型可以但不局限于使用偏最小二乘回归法(PLSR)进行分析，从而得到拉曼峰强度与物质浓度的关系O
[0014]本发明步骤A中，通过大量实验得到与该物质活性浓度相关的拉曼峰之后，由该拉曼峰的拉曼位移或所对应的散射光线波长决定光信号处理系统(滤光系统)筛选散射光线的相关参数数。
[0015]本发明应用拉曼光谱分析的方法对目标物质的含量进行探测和鉴定。与现有技术相比具有的有益的效果是:
(一)本发明装置结构简单，光信号处理系统仅需针对某一散射光进行处理，并且无需光电转换系统在很大范围内的光谱上进行扫描而采集和处理多个信号，因此装置体积小，便于随身携带以及普通家庭的使用；
(二)本发明可以通过更换光信号处理系统(可以但不局限于更换筛选不同波长散射光线的滤光镜)来检测不同的物质，因此可以很方便的根据人们的需要进行不同物质的检测，从而实现实际使用中的多功能检测化肥农药成分；
(三)本发明所基于的是拉曼散射光谱分析的原理，在测试过程中无需消耗品，因此大大降低了检测成本，便于人们多次检测。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的便携医疗检测装置结构示意图。
[0017]图2为本发明结构原理图。
[0018]图3为本发明在实施例1的测试步骤流程图。
[0019]图中标号:1为检测对象，使用时为蔬菜水果洗涤液样品，2为滤光系统，3为样品浓度测量系统，4为数据处理系统；5为光源产生系统，包括供电、显示等附加模块。
【具体实施方式】
[0020]下文结合附图和实施例进一步具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了方便说明，对待测样品溶液和具体设备中元器件的尺寸进行了理想化处理，所示大小并不代表实际尺寸。
[0021]图1是本发明的装置结构示意图，其中，检测对象1，具体使用时可为蔬菜、水果的洗涤溶液；滤光系统2，可