專利名稱：一種基于彩色光探測器的光電比色的食品安全檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種比色分析裝置，更具體的是涉及一種以彩色光探測器作為光電感應(yīng)器的光電比色裝置及溶液中特定物質(zhì)的濃度的檢測方法。尤其是食品安全檢測裝置及檢測方法。
背景技術(shù)：
普通的光電比色裝置的基本構(gòu)造是:光源、單色光發(fā)生裝置、比色池、光電感應(yīng)器、信號處理輸出和控制模塊。光源照射到單色器后產(chǎn)生特定波長的單色光，單色光透過比色池(內(nèi)有被測溶液)后照射到光電傳感器的光敏元件上，光電接收器動作，將光信號變成電信號輸出，經(jīng)過信號處理和控制模塊的分析計算，即可計算出被測溶液的吸光度或者吸光度變化值，從而計算出被測溶液中某種食品安全成分的濃度。如圖1、光電比色裝置結(jié)構(gòu)示意圖。現(xiàn)有的光電比色裝置，根據(jù)不同的比色分析實(shí)驗，需要有一個能產(chǎn)生不同中心波長的單色光的裝置，目前常用的單色器有采用光柵分光和窄帶濾光片組等方式，但分別具有以下缺點(diǎn): 第一，采用光柵原件的單色光源發(fā)生裝置的特點(diǎn)是可以連續(xù)獲得不同中心波長的單色光束，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，波長重復(fù)性差，且成本較高。第二，采用鹵鎢燈和窄帶濾光片的組合也可以獲得特定波長的單色光束，雖比光柵結(jié)構(gòu)相對簡單，但在需要獲得不同波長的單色光時，仍然需要分別配置不同的濾光片，并要將這些濾光片固定在由一個由步進(jìn)馬達(dá)、濾光輪及附件組成的波長切換機(jī)械結(jié)構(gòu)，且濾光片受固有工藝影響，在潮濕環(huán)境下容易出現(xiàn)霉變，影響光路性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以彩色光探測器作為光電傳感器的光電比色裝置及濃度檢測方法，尤其是食品安全檢測裝置及檢測方法，以簡化光電比色裝置光路結(jié)構(gòu)，并克服傳統(tǒng)光電傳感器存在機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將傳統(tǒng)光電比色裝置:光源-單色器-比色池-光電感應(yīng)器(有的也可能為光源-比色池-單色器-光電感應(yīng)器)結(jié)構(gòu)，簡化為光源-比色池-光探測器感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，不設(shè)置單色光發(fā)生裝置。其特征在于包括光源、比色池、光探測器感應(yīng)器、信號處理與控制模塊。所述光源位于比色池的一側(cè)，所述光源用于產(chǎn)生多波長復(fù)合光，所述多波長復(fù)合光穿過比色池，所述比色池中容納待測液體，所述光探測器感應(yīng)器位于比色池另一側(cè)，所述光探測器感應(yīng)器用于接收多波長復(fù)合光經(jīng)過比色池后的透射光并將接收的透射光信號分別轉(zhuǎn)化為R、G、B三個通道的電信號，所述信號處理和控制模塊與光探測器感應(yīng)器相連，所述信號處理和控制模塊用于處理光探測器感應(yīng)器發(fā)出的電信號，并根據(jù)電信號計算出比色池中溶液的吸光度值(或吸光度變化值)，最后再計算出目標(biāo)測定物質(zhì)的濃度。彩色光探測器包括CCD、CMOS或混合結(jié)構(gòu)的光探測器。進(jìn)一步的，所述光源為紅綠藍(lán)三色中二種以上的半導(dǎo)體激光光源或LED光源或可見光波段的全波長復(fù)合光光源(包括鹵鎢燈的白光光源)。進(jìn)一步的，將彩色光探測器元件用作光電傳感器，該彩色光探測器元件具有分別輸出R、G、B三種不同信號的通道，光探測器的每個像點(diǎn)中的R、G、B感應(yīng)器分別對應(yīng)不同峰值轉(zhuǎn)換率的波長。進(jìn)一步的，將傳統(tǒng)光電比色裝置:光源-單色器-比色池-光電感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，簡化為光源-比色池-光探測器感應(yīng)器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提出一種溶液中特定物質(zhì)濃度(或含量)的檢測方法:采用白光或多波長光源發(fā)出的多波長復(fù)合光直接照射到比色池；多波長復(fù)合光透過比色池后投射到彩色光探測器上；信號處理和控制模塊分別采集并處理彩色光探測器輸出的R、G、B三種不同信號；根據(jù)對測量時需要用到的一個或多個波長，用對應(yīng)該波長有峰值吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、即具有對應(yīng)吸收峰值的窄帶濾光片或者標(biāo)準(zhǔn)溶液對R、G、B的輸出信號值進(jìn)行標(biāo)定而得到的標(biāo)定值；計算出比色池中溶液對特定波長下的吸光度值或吸光度變化值；最后根據(jù)吸光度值或吸光度變化值計算出液體中某種物質(zhì)的含量或濃度。進(jìn)一步的，標(biāo)定過程是:對測量時需要用到的一個或多個波長，用對應(yīng)該波長有峰值吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、即一個或多個單波長的光或具有對應(yīng)吸收峰值的窄帶濾光片透過的光通對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溶液，對R、G、B的輸出信號值進(jìn)行標(biāo)定而得到標(biāo)定值:將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)放入比色池，所述單色光照射后，測量此時透過的R、G、B信號值，并與調(diào)零時測量到的基準(zhǔn)信號值進(jìn)行比對計算，分別計算出R、G、B傳感器在不同波長下的轉(zhuǎn)換率系數(shù)，且獲得f (R+G+B)=a%*f (red) +b%*f (gree) +c%*f (blue)中a、b、c的轉(zhuǎn)換率系數(shù)值，以確定R、G、B在該波長下的信號值計算中的權(quán)重系數(shù)。光源為包括齒 鶴燈的白光或彩色光源。窄帶濾光片用于白光光源。進(jìn)一步的，標(biāo)定程序中，根據(jù)需要采用一組或多組具有不同吸收曲線的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)上述標(biāo)定步驟，以取得在不同吸光度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換率系數(shù)。標(biāo)定程序中對于同一物質(zhì)，采用不同型號的光探測器原件，轉(zhuǎn)換率系數(shù)需要重新標(biāo)定。本發(fā)明基于由于彩色光探測器的R、G、B感應(yīng)器對不同波長的光電轉(zhuǎn)換率是不同的，通過分別測定R、G、B每一路的電信號強(qiáng)度及相互間的強(qiáng)度比值，可以計算出照射到光探測器上的某種特定波長范圍的光譜能量，再根據(jù)朗伯比爾定量，可以推算出比色池中溶液對在該波長下的吸光度值(或吸光度變化值)，并最終推算算出液體中某種特定物質(zhì)(如亞硝酸鹽、硼砂、三聚氰胺等)的濃度。進(jìn)一步的，通過對參比波長和主波長兩個不同波長進(jìn)行測量，主波長采用目標(biāo)檢測物的吸收峰值波長，主波長測定的吸光度值為目標(biāo)檢測物和底物的吸光度總值，參比波長采用與主波長互為補(bǔ)色的波長，參比波長測定的為底物的吸光度值，計算時將主波長吸光度總值扣除參比波長吸光度值以獲得更加準(zhǔn)確的目標(biāo)檢測物吸光度值。激光光源作相應(yīng)配置。光源為包括齒鎢燈或者發(fā)光二極管白光光源。本發(fā)明有益效果:本發(fā)明無需單獨(dú)設(shè)置單色器，簡化了光路結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，降低了制造成本。并且與傳統(tǒng)的光電倍增管、娃光電池等光電感應(yīng)器只能輸出一路光電信號值相比，彩色光探測器可以同時輸出分別對應(yīng)不同波長的R、G、B三種光電信號值，有利于通過采用兩種不同且為互補(bǔ)色的波長同時測定溶液的吸光度，進(jìn)行比對后可以有效去除背景噪音，避免樣本中的底物干擾。本發(fā)明基于彩色光探測器的光電比色裝置，采用紅綠藍(lán)三色半導(dǎo)體激光光源。通過物質(zhì)對每種波長的光的吸收的變化綜合更準(zhǔn)確定量反映對物質(zhì)的測量結(jié)果。本發(fā)明實(shí)測的結(jié)果是對牛奶的測量結(jié)果是


圖1傳統(tǒng)光電比色裝置結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明光電比色裝置結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
:下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。如圖2所示，光源發(fā)出的多波長復(fù)合光直接照射到比色池，并透過比色池后投射到彩色光探測器傳感器上。由信號處理和控制系統(tǒng)分別采集彩色光探測器輸出的R、G、B信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后，可以分別獲得R、G、B對應(yīng)波長的光電轉(zhuǎn)換信號值，在采用專用的分析軟件對這些R、G、B信號值進(jìn)行分析處理，以計算出被測溶液在某一特定波長下的吸光度值(或吸光度變化值)。下面以權(quán)重分析法為例說明具體測量分析過程。(I)調(diào)零:比色池中蒸餾水(在比色分析實(shí)驗中，一般認(rèn)為蒸餾水的吸光度為零。)進(jìn)行調(diào)零，分別測量出此時的R、G、B輸出信號值，作為零吸光度的基準(zhǔn)值。(2)標(biāo)定:對測量時需要用到的一個或多個波長，用對應(yīng)該波長有峰值吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(具有對應(yīng)吸收峰值的窄帶濾光片或者標(biāo)準(zhǔn)溶液)對R、G、B的輸出信號值進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)放 入比色池，測量此時的R、G、B信號值，并與調(diào)零時測量到的基準(zhǔn)信號值進(jìn)行比對計算，分別計算出R、G、B傳感器在不同波長下的轉(zhuǎn)換率系數(shù)，即f (R+G+B)=a%*f (red) +b%*f (gree) +c%*f (blue)中a、b、c的系數(shù)值，以確定R、G、B在該波長下的信號值計算中的權(quán)重系數(shù)。如在亞硝酸鹽(測定實(shí)驗中顯色產(chǎn)物吸收峰值波長為535nm)的測定實(shí)驗中，經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗測定的權(quán)重系數(shù)分別為:a=14，b=65, c=21 ;又如在硼砂(測定實(shí)驗顯色產(chǎn)物吸收峰值為450nm)的測定實(shí)驗中，經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗測定的權(quán)重系數(shù)分別為:a=3，b=9,c=88，在不同的測定實(shí)驗中，可根據(jù)需要采用一組或多組具有不同吸收曲線的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)上述標(biāo)定步驟，以取得在不同吸光度范圍內(nèi)更為精確的權(quán)重系數(shù)值，對于同一物質(zhì)，采用不同的方法和不同型號的光探測器原件，權(quán)重系數(shù)將會有數(shù)差異。通過對物質(zhì)的溶液的光測量前的標(biāo)定可以清楚獲得權(quán)重系數(shù)的。(3)測量:根據(jù)測量實(shí)驗所需要測定物質(zhì)的峰值吸收波長，選擇對應(yīng)的測量波長，軟件自動將該波長對應(yīng)的RGB權(quán)重系數(shù)代入計算公式，測得總的RGB光電信號值。并根據(jù)朗伯比爾定律，計算出被測溶液相對于某一波長段的吸光度值(或吸光度變化值)，并以此推算出液體中所需測定的目標(biāo)物質(zhì)的濃度。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以根據(jù)不同的目標(biāo)測定物質(zhì)和不同的試劑，以及不同廠家和型號的光探測器原件，做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.基于彩色光探測器的光電比色裝置，其特征在于包括光源、比色池、光探測器感應(yīng)器、信號處理和控制模塊；所述光源位于比色池的一側(cè)，所述光源用于產(chǎn)生多波長復(fù)合光，所述多波長復(fù)合光穿過比色池，所述比色池中容納待測液體，所述光探測器感應(yīng)器用于比色池另一側(cè)，所述光探測器感應(yīng)器用于接收透射過比色池的復(fù)合光并將接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為R、G、B三路電信號，所述信號處理與控制模塊與光探測器感應(yīng)器相連，所述信號處理和控制模塊用于處理光探測器感應(yīng)器發(fā)出的電信號，然后根據(jù)電信號計算溶液的吸光度，并據(jù)此計算出物質(zhì)的濃度或含量。
2.基于彩色光探測器的光電比色裝置，其特征在于所述光源為紅綠藍(lán)三色中二種以上的半導(dǎo)體激光光源或LED光源、包括齒鎢燈的白光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色光探測器作為光電感應(yīng)器的光電比色裝置，其特征在于:將彩色光探測器元件用作光電傳感器，該彩色光探測器元件具有分別輸出R、G、B三種不同信號的通道，光探測器的每個像點(diǎn)中的R、G、B感應(yīng)器分別對應(yīng)不同峰值轉(zhuǎn)換率的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以彩色光探測器作為光電感應(yīng)器的光電比色裝置，其特征在于:將傳統(tǒng)光電比色裝置:光源-單色器-比色池-光電感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，簡化為光源-比色池-光探測器感應(yīng)器結(jié)構(gòu)。
5.基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于:采用白光或多波長光源發(fā)出的多波長復(fù)合光直接照射到比色池；多波長復(fù)合光透過比色池后投射到彩色光探測器上；信號處理和控制模塊分別采集并處理彩色光探測器輸出的R、G、B三種不同信號；根據(jù)對測量時需要用到的一個或多個波長，用對應(yīng)該波長有峰值吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、即具有對應(yīng)吸收峰值的窄帶濾光片或者標(biāo)準(zhǔn)溶液對R、G、B的輸出信號值進(jìn)行標(biāo)定而得到的標(biāo)定值；計算出比色池中溶液對特定波長下的吸光度值或吸光度變化值；最后根據(jù)吸光度值或吸光度變化值計算出液體中某種物質(zhì)的含量或濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于，標(biāo)定過程是:對測量時需要用到的一個或多個波長，用對應(yīng)該波長有峰值吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、即一個或多個單波長的光或具有對應(yīng)吸收峰值的窄帶濾光片透過的光通對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溶液，對R、G、B的輸出信號值進(jìn)行標(biāo)定而得到標(biāo)定值:將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)放入比色池，所述單色光照射后，測量此時透過的R、G、B信號值，并與調(diào)零時測量到的基準(zhǔn)信號值進(jìn)行比對計算，分別計算出R、G、B傳感器在不同波長下的轉(zhuǎn)換率系數(shù)，且獲得f (R+G+B)=a%*f (red) +b%*f (gree) +c%*f (blue)中a、b、c的轉(zhuǎn)換率系數(shù)值，以確定R、G、B在該波長下的信號值計算中的權(quán)重系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于標(biāo)定程序中，根據(jù)需要采用一組或多組具有不同吸收曲線的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)上述標(biāo)定步驟，以取得在不同吸光度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換率系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于標(biāo)定程序中對于同一物質(zhì)，采用不同型號的光探測器原件，轉(zhuǎn)換率系數(shù)重新標(biāo)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于通過對參比波長和主波長兩個不同波長進(jìn)行測量，主波長采用目標(biāo)檢測物的吸收峰值波長，主波長測定的吸光度值為目標(biāo)檢測物和底物的吸光度總值，參比波長采用與主波長互為補(bǔ)色的波長，參比波長測定的為底物的吸光度值，計算時將主波長吸光度總值扣除參比波長吸光度值以獲得更加準(zhǔn)確的目標(biāo)檢測物吸光度值。
10.根據(jù)權(quán)利要 求5所述的基于彩色光探測器的吸光度檢測方法，其特征在于所述光源為紅綠藍(lán)三色中二種以上的半導(dǎo)體激光光源或LED光源、包括鹵鎢燈的白光光源。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于彩色光探測器的光電比色裝置，包括光源、比色池、光探測器感應(yīng)器、信號處理和控制模塊；所述光源位于比色池的一側(cè)，所述光源用于產(chǎn)生多波長復(fù)合光，所述多波長復(fù)合光穿過比色池，所述比色池中容納待測液體，所述光探測器感應(yīng)器用于比色池另一側(cè)，所述光探測器感應(yīng)器用于接收透射過比色池的復(fù)合光并將接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為R、G、B三路電信號，所述信號處理與控制模塊與光探測器感應(yīng)器相連，所述信號處理和控制模塊用于處理光探測器感應(yīng)器發(fā)出的電信號，然后根據(jù)電信號計算溶液的吸光度，據(jù)此計算出物質(zhì)的濃度或含量。本發(fā)明有利于去除背景噪音，避免樣本底物干擾。
文檔編號G01N21/31GK103217392SQ201310129999
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者呂崗, 吳永凱 申請人:蘇州慧康電子信息科技有限公司