一种利用近场微波检验乳糖含量的方法

本发明涉及利用近场微波检测乳糖含量的方法，属于食品检测方法类。

背景技术：

1、乳糖，英文名称lactose，是由葡萄糖和半乳糖组成的双糖，在婴儿发育的过程中，乳糖为婴儿的生长发育、新陈代谢、组织的合成提供大量能量。分子式为c12h24o12，传统的检测方法有：高效液相色谱法、比色法、直接滴定法、分光光度法、近红外光谱法等。高效液相色谱法的稳定性差、耗时长、成本高，而且用到化学试剂。比色法虽然成本较低、灵敏度高，但是稳定性差，并且需要复杂的预处理。直接滴定法的测量结果在一定程度上受到干扰，准确性不足。分光光度法虽然灵敏度高，但是操作繁琐，对检测条件要求严格。近红外光谱法需要大量样本建立预测模型，建立模型过程比较复杂，费时费力，而且容易受到水分子的影响，测量结果准确性不足。

2、所以在现阶段,面对食品检测手段存在的诸多缺陷，亟待提出一种新的检测手段。本发明主要通过近场微波测定溶液中乳糖浓度。该技术是利用近场微波实现对乳糖含量的检测。是一种无损、高效、操作简单、灵敏度高、无污染物的检测手段。检测所用到的微波频率在1.9ghz左右，不会产生电离辐射，对人体不会造成伤害。通过实验验证，近场微波检测牛奶中乳糖的分辨率可以达到0.02mol/l(7.21mg/ml)。在实验前期，检测样品无需被复杂的处理，利用矢量网络分析仪和同轴谐振器就可以得到检测样品的q值、谐振频率fr、带宽、s参数，通过对这些参数的分析，就可以得到乳糖的浓度。

3、由对比可知，近场微波检测乳糖含量具有明显的优势，是一种高效、实时的检测手段，具有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种利用近场微波技术测定乳糖含量的方法，建立乳糖浓度和电磁参数的对照数据，通过测量未知浓度乳糖浓度样品的品质系数q值、谐振频率fr、s参数等，通过与对照数据对比从而得到其乳糖浓度。

2、利用近场微波测定乳糖浓度的方法：微波通过谐振器尖端的细铜针发出，微波信号通过样品后会有所改变，最终的微波信号会被测量，由系统分析、处理后得到具体的电磁参数，最后推断出样品中乳糖的浓度。其检测装置包括：探针、四分之一波长同轴双端口谐振器、矢量网络分析仪、三维位移台、笔记本电脑。

3、本发明技术方案为一种利用近场微波检验乳糖含量的方法，该方法中涉及的到装置包括：探针、四分之一波长同轴双端口谐振器、矢量网络分析仪、三维位移台、信号发生与接收装置、电脑；矢量网络分析仪产生信号，经过谐振腔后由探针发射，探针接收样本返回的信号，经过谐振腔后由矢量网络分析仪采集信号，然后电脑对采集的信号进行处理；

4、该方法的步骤包括：

5、步骤1：准备检测的样品；

6、步骤2：将步骤1中准备的一组标准乳糖浓度为c1,c2,...cn的样品固定至位移台的载玻片上，操作位移台使样品移动至探针下方，样品与针尖的固定距离为d，d的长度应小于或等于使用波长的百分之一；

7、步骤3：在步骤2位移台位置的基础上，由矢量网络分析仪内部信号源产生微波信号；

8、步骤4：矢量网络分析仪扫描不同乳糖浓度对应的品质因数q1,q2,...qn和谐振频率f1,f2,...fn并拟合出q＝q(c)和f＝f(c)曲线；其中q表示品质因数，f表示谐振频率，c表示标准样品的浓度；

9、计算谐振频率，用公式(1)表示：

10、

11、此公式表示乳糖含量的变化引起谐振器的谐振频率的变化；公式中v表示包含样品在内的谐振腔的体积，ε表示乳糖含量变化之前的介电常数、μ表示乳糖含量变化之前的磁导率、e0表示乳糖含量变化之前的电场强度、h0表示乳糖含量变化之前的磁场强度、ω0表示乳糖含量变化之前的谐振频率，ε+δε表示乳糖含量变化之后的介电常数、e示乳糖含量变化之后的电场强度、h示乳糖含量变化之后的磁场强度、ω分别表示乳糖含量变化之后的谐振频率；

12、步骤5：测试样品的乳糖浓度为cm，cm∈[cmin,cmax],cmin和cmax为基于步骤4中拟合曲线得到的可测的最小浓度和最大浓度；基于步骤4中q＝q(c)和f＝f(c)曲线，得到的可测的最小品质因数qmin＝q(cmin)和最小谐振频率fmin＝f(cmin)，可测的最大品质因数qmax＝q(cmax)和最大谐振频率fmax＝f(cmax)；

13、步骤6：按照步骤2放置待测样品和移动位移台，按照步骤3相同的扫描方式扫描，得到该样品的品质因数qm和谐振频率fm；若qm∈[qmni,qmax]并且fm∈[fmin,fmax]，则通过品质因数和谐振频率对应的拟合曲线，分别测得该样品浓度cm具体数值；如果通过品质因数qm和谐振频率fm测得的浓度值之间差距小于r，则可认为结果准确；否则认为误差较大，重新进行测量。

14、进一步的，所述步骤6中，r＝[0.02mol/l，0.04mol/l]。

15、本发明的检测原理位乳糖是一种非电解质，它的存在会导致所检测样品的电导率下降，从而使得损耗功率下降。因此会导致谐振器在谐振时品质因数q会增大，进一步影响谐振频率的变化。

16、本发明提出了一种利用进场微波技术测定乳糖浓度的方法，与现有技术相比具有以下优势：

17、第一，本发明对待测样品预处理简单，相比于传统方法需要对待测样品进行长时间的，复杂的，采用腐蚀性药剂进行的预处理，本发明只需将样品置于载玻片上并且固定在探针下方即可进行检测；

18、第二，本发明具有检测快速、分辨率高的特点，对每一组样品只需30分钟就可以分析出精确结果，并且检测结果精确度可以达到0.02mol/l。

19、第三，本发明为微波检测，不产生任何对环境、对人体不友好的影响，是一种绿色、环保的检测方式。

技术特征：

1.一种利用近场微波检验乳糖含量的方法，该方法中涉及的到装置包括：探针、四分之一波长同轴双端口谐振器、矢量网络分析仪、三维位移台、信号发生与接收装置、电脑；矢量网络分析仪产生信号，经过谐振腔后由探针发射，探针接收样本返回的信号，经过谐振腔后由矢量网络分析仪采集信号，然后电脑对采集的信号进行处理；

2.如权利要求1所述的一种利用近场微波检验乳糖含量的方法，其特征在于，所述步骤6中，r＝[0.02mol/l，0.04mol/l]。

技术总结
该发明公开了一种利用近场微波检验乳糖含量的方法，涉及利用近场微波检测乳糖含量的方法。本发明的检测原理位乳糖是一种非电解质，它的存在会导致所检测样品的电导率下降，从而使得损耗功率下降。因此会导致谐振器在谐振时品质因数Q会增大，进一步影响谐振频率的变化。相比于传统方法需要对待测样品进行长时间的，复杂的，采用腐蚀性药剂进行的预处理，本发明只需将样品置于载玻片上并且固定在探针下方即可进行检测；检测快速、分辨率高的特点，对每一组样品只需30分钟就可以分析出精确结果，并且检测结果精确度可以达到0.02mol/L。不产生任何对环境、对人体不友好的影响，是一种绿色、环保的检测方式。

技术研发人员：孙国栋,范喆,吴喆,蔡骐骏,刘昊洋
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16