用于食品添加剂成分和含量的多探头快速光声检测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及食品质量检测装置，具体地指一种用于食品添加剂成分和含量的多探 头快速光声检测装置和方法。
【背景技术】
[0002] 民以食为天，食品质量安全是关系国计民生和人民生命健康的头等大事。在日常 生活中，我们会频繁地接触和食用各种各样的食品，其中很多食品中为了增加口感和风味， 需要在食品中适量地添加一些添加剂，如：乳酸、维C和香料等。
[0003] 在国际上，包括中国在内的许多国家对食品中的添加剂及其成分含量是有很严格 地要求和指标控制的，其相关食品生产的厂家需要遵守各国食品安全标准来进行生产，并 且还有相关食品检测部门的监督和检查，其目的是通过一些法规和标准来使得生产出来的 食品质量符合安全，可以保障人民的生命健康。
[0004] 然而，一些无良商家和小贩，为了最大限度地获取高额利润，除了使用劣质食品原 材料之外，还在食品中非法添加一些不符合规范要求的添加剂或者含量超标。对于食品添 加剂而言，除了一些安全无毒副作用的添加剂之外，还有很多是具有毒副作用的，比如：防 腐剂（二氧化硫）、增白剂（过氧化苯甲酰）、抗氧化剂（二丁基羟基甲苯）和着色剂（苏 丹红）等，这些非法添加和超标添加的添加剂，由于无法吸收而在人体内沉积，如果长时间 食用，当溶度含量达到一定程度，势必对人体的神经和器官功能造成伤害，给人体生命健康 带来很大的隐患。
[0005] 除了出台安全标准和相关部门的监督检测之外，为了使得食品中非法添加剂成分 和含量暴露无遗，以及为惩戒无良商家有理有据，需要利用高效、准确可靠的检测仪器对相 关食品中的添加剂进彳丁检测。
[0006] 目前，高效液相、气相和质谱仪器已经用于食品添加剂的检测。但是，由于此类设 备价格非常昂贵，需要对检测对象进行破坏性地处理、且检测步骤繁琐、检测周期较长，基 本属于实验室类型的检测设备，故易操作性、现场实用性和性价比等受到一定的影响。另 外，虽然已有利用红外（近红外）光谱检测方法来对食品中添加剂成分和含量的研宄报道 和相关检测设备，如：中国专利申请号为201410690114. 3公开了一种利用近红外光谱法进 行食品药品检测，但是由于这种光谱检测法容易受到食品中其他成分（包括：水分）的干 扰，使得检测的光谱容易产生重叠，甚至使得某些含量较低的添加剂光谱信号被其他成分 的光谱信号掩盖而无法实现准确地检测。
[0007] 而光声检测是利用光声超声技术，将一定调制频率的光信号辐射检测物质，由于 检测物质对入射光的某些波长具有特征吸收的特点，吸收特征波长的光而产生能量的聚集 和释放，基于热弹性膨胀机理，能量聚集和释放将产生一定频率的超声机械波。因此，通过 超声探测器来捕获这些含特征信息的超声机械波，并利用相关分析算法就可以对被测食品 添加剂成分及含量进行解析。虽然已经有食品添加剂成分光声检测的专利报道，如：中国专 利申请号为201320594523. 4公开了一种快速检测液态食品中添加剂的光声装置，但是由 于一次检测只能对某一种添加剂成分和含量进行检测，无法实现一次同时检测多种添加剂 成分和含量；而且超声探测器易受到前向入射光的干扰，并且检测准确度、稳定性和可重复 性等也有待提高。另外，虽然已经有光声技术应用于液态成分的检测文献报道，如：[Zhong Ren j Guodong Liuj Zhen Huang. Investigation of Glucose Concentration Measurement based on Tunable Pulsed Laser induced Photoacoustic technique. Chinese Optics Letters，S21701，2013]，但是由于采用单个超声探测器来采集光声信号，且前向探测模式， 容易使得被测样品的光声信号受到前向入射光源的干扰，使得检测精度和稳定性受到影 响。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种用于食品添加剂成分 和含量的多探头快速光声检测装置和方法，可以大大提高食品添加剂成分定性和含量定量 检测的准确度。
[0009] 为实现上述目的，本发明所设计的用于食品添加剂成分和含量的多探头快速光声 检测装置，包括光源辐射单元、检测室单元、多探头检测单元、信号处理单元、控制单元和显 示单元，其特别之处在于：所述光源辐射单元位于检测室单元的底部，所述检测室单元的输 入端与光源辐射单元的输出端连接；所述多探头检测单元的输入端与检测室单元相连，所 述信号处理单元的输入端与多探头检测单元的输出端相连；所述控制单元的输入端与信号 处理单元的输出端相连，所述显示单元的输入端与控制单元的输出端相连。
[0010] 上述方案中，所述光源辐射单元沿光传播方向依次设置有光源、滤光片、准直透镜 和聚集透镜。
[0011] 上述方案中，所述光源辐射单元中的光源为可调谐脉冲激光器或带斩波器的连续 光谱卤素灯，光源的光谱范围可为紫外波段到红外波段。所述滤光片为与所选光源波长对 应的带通滤光片或者截止滤光片。
[0012] 上述方案中，所述检测室单元包括固定托盘、固定在固定托盘上的样品池、置于样 品池中的比色皿，所述样品池和比色皿之间设置有耦合液，所述固定托盘、样品池和比色皿 均为透明材料的石英玻璃。所述样品池与光源福射单元的输出端相连，接收光源福射单元 入射的调制光信号，同时产生反映食品添加剂成分和含量的光声信号，经被测食品扩散至 多探头检测单元的输入端，然后被多探头检测器单元捕获；所述比色皿用于装载测试样品； 所述耦合液为医用超声耦合液，位于样品池和比色皿之间，用于提高食品添加剂光声信号 探测灵敏度和减小因阻抗不匹配而带来的信号失真等问题。
[0013] 上述方案中，所述多探头检测单元由前侧超声探测器、后侧超声探测器、左侧超声 探测器和右侧超声探测器构成，所述4个超声探测器分别位于检测室单元的前侧、后侧、左 侧和右侧4个不同方向上，所述多探头检测单元的超声探测器探头与耦合液直接接触，且 超声探测器的探头平面与比色皿外壁面保持平行并紧密接触。
[0014] 上述方案中，所述前侧超声探测器、后侧超声探测器、左侧超声探测器和右侧超声 探测器为聚焦型或非聚焦型超声探测器，其探测中心频率大于或等于1MHz。
[0015] 上述方案中，所述信号处理单元包括信号放大器、信号滤波器和信号采集卡，所述 信号放大器为多路并行信号放大器，其输入端分别与多探头检测单元的输出端相连；所述 信号滤波器的输入端分别与信号放大器的多个输出端并行相连；所述信号采集卡的输入端 与信号滤波器的多个输出端并行相连。在信号处理单元中，信号放大器、信号滤波器和信号 采集卡依次电气方式连接。所述信号放大器、信号滤波器和信号采集卡均为多路信号并行 方式，所述多路信号并行数不少于4个。所述信号滤波器用于滤除添加剂光声电信号中干 扰信号，所述信号采集卡用于以一定的采集频率对滤波后的光声电信号进行采样、量化和 编码，将模拟光声电信号转换成对应的数字信号。
[0016] 上述方案中，所述控制单元由计算机、光源福射单元控制电路、存储器、同步时序 电路和控制软件构成；所述计算机配有GPIB-USB总线、PCI总线和PXI总线，所述计算机通 过GPIB-USB总线、PCI总线或PXI总线与信号处理单元相连接，并实现数据的传输；所述计 算机的输出端分别与光源辐射单元控制电路、存储器、同步时序电路和控制软件的输入端 相连接；所述光源福射单元控制电路的输出端与光源福射单元相连，所述同步时序电路的 输出端与信号放大器、信号滤波器和信号采集卡相连接；所述控制单元与信号采集卡相连。
[0017] 所述的计算机具有GPIB-USB总线、PCI总线或PXI总线等数据传输功能；所述光 源辐射单元控制电路用于接收计算机发出的开启、关闭和光源功率参数调节等指令，从而 实现光源辐射单元的光源输出、关闭和光源参数调节等功能；所述存储器在接收到计算机 的存储指令下，用于将添加剂光声信号进行存储，以待后续分析和显示；所述同步时序电路 用于接收计算机发出的同步时序信号，实现光源辐射单元、检测单元和控制单元的同步触 发操作；所述控制软件为基于计算机硬件和操作系统下安装的各种控制软件，控制软件包 括光源控制软件、基于LabVIEW语言开发的用于实现添加剂光声信号的采集、信号触发和 信号存储等的控制软件、基于MTLAB语言开发的添加剂成分定性和含量定量检测的数据 分析、处理和显示的软件。
[0018] 上述方案中，所述显示单元为显示屏，所述显示单元与控制单元中的计算机及软 件相连接。
[0019] 本发明还涉及利用上述食品添加剂成分和含量的多探头快速光声检测装置的检 测方法，包括如下步骤：
[0020] 第一步，样品加载：将含有食品添加剂的被测样品置于检测室单元的比色皿中；
[0021] 第二步，开启控制单元中的计算机和操作系统，然后开启控制软件中的光源控制 软件，设置光源的相关参数；
[0022] 第三步，开启光源辐射单元中的光源电源开关，确认光源工作正常后，点击控制软 件中的光源控制软件中的开启按钮，发送光源触发指令，这时光源发出光；
[0023] 第四步，光源发出的光，经过滤光片滤除干扰波长，再经过准直透镜准直和聚集透 镜聚集后入射到检测室单元的比色皿中的被测样品上；此时，被测样品吸收入射光，由于吸 收能量引起局部热弹性膨胀，从而产生超声机械波，即光声信号；
[0024] 第五步，被测样品激发产生的光声信号由置于比色皿前侧、后侧、左侧和右侧4个 方向的超声探测器接收，并转换为对应强度的电信号，经多路信号放大器放大、信号滤波器 滤波；
[0025] 第六步，开启控制