近红外光谱分析在糖溶液浓度测量中的应用

张娜+范乃梅+何燕

摘要： 提出了一种使用近红外光谱分析技术测量梨果肉溶液浓度的新方法。采用一种间接的相对分析方法，通过大量的实验建立了糖溶液光谱图与其质量参数之间的关系模型库.通过与该关系模型库的对比，可以精确得到不同浓度糖溶液的真实值。系统使用白光作为光源，分析对比了不同浓度糖溶液光谱图，波峰值在1 406 nm左右。实验结果表明，测量值与标准值十分相符，浓度分辨率为0.05%，绝对误差仅为0.002%。

关键词： 液体浓度； 测量； 近红外； 光谱分析

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近红外光具有良好的传输特性，且其仪器较简单、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、黏稠体、涂层、粉末和固体）分析，同时具有分析速度快且可多组分多通道同时测定等特点，从而得到广泛应用。近几年，随着近红外光谱分析技术与计算机技术、化学计量技术以及光纤的有机结合，与传统的方法相比较具有无损、无污染、准确、快捷等特点，广泛应用于石油化工、医药、烟草、食品生产、农业生产等领域[14]。液体浓度是反映液体特征的一个非常重要的参量，对它的测量具有十分重要的意义[58]。在食品卫生、工业生产等领域，液体浓度的在线检测是一个重要的技术环节。本文基于近红外光谱分析技术实现了糖溶液浓度的在线检测，整个实验装置简单、价格低廉、易于操作、分辨率高。1近红外光谱分析原理近红外是波长在780～3 000 nm范围的电磁波，对植物十分敏感。现代近红外光谱（NIR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术。近红外光谱是由物质吸收光能使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频及和频信息，它受含氢基团X-H（X=C，N，O）的倍频与和频的重叠主导。实验所用的蔗糖为二糖，分子式C12H22O11，化学结构主要由C-H基、O-H基组成，具有明显的光谱特性，基团的吸收频谱表征了这些成分的化学结构。选用连续改变频率的近红外光照射蔗糖样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，可得到蔗糖溶液的光谱图。实验前，首先建立近红外光谱和蔗糖样品的化学组分之间的定量模型，再向模型库中输入蔗糖样品的近红外光谱信息，从而能够确定蔗糖样品的质量参数。光源辐射出的待测元素的特征光谱被样品蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，根据发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，其符合朗伯比尔定律，可表示为：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，K为溶液的消光系数，C为溶液浓度，L为光通过原子化器光程。由于L是不变值，所以A=KC。光学仪器第36卷

第5期张娜，等：近红外光谱分析在糖溶液浓度测量中的应用

3结论

本文基于强度调制原理以及近红外光谱分析技术实现了梨果肉浓度的精确测量。测量前利用统计分析的方法在样品待测参数值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型，通过被测样品光谱图的测量，可以得到被测样品的浓度值，即通过间接分析法测量糖溶液的质量参数。实验结果表明，测量值与标准值十分相符。该方法快速、准确、方便，可用于糖溶液浓度的在线检测及质量分析。该方法将应用于食品生产，从而实现工业化生产。

参考文献：

[1]王云，徐可欣，常敏.近红外光谱技术检测牛奶中脂肪及蛋白质含量校正模型的建立[J].光学仪器，2006，28（3）：37.

[2]赵珂，熊艳，赵敏.基于近红外光谱技术的脐橙快速无损检测[J].激光与红外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，张树群，黄泳，等.高精度数据采集系统在近红外光谱测量仪中的应用[J].光学仪器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王锡昌，刘源，等.近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其制品中磷酸盐含量[J].光谱学与光谱分析，2013，33（6）：15421546.

[5]张娜，何燕，张彦，等.基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统[J].光学技术，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，乔淑欣，蔡亚楠，等.基于多孔硅Bragg反射镜的液体浓度测量方法[J].光学技术，2006，32（6）：863868.

[7]荣民，张连水.光纤光栅传感器检测液体浓度[J].激光与光电子学进展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，FAN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 提出了一种使用近红外光谱分析技术测量梨果肉溶液浓度的新方法。采用一种间接的相对分析方法，通过大量的实验建立了糖溶液光谱图与其质量参数之间的关系模型库.通过与该关系模型库的对比，可以精确得到不同浓度糖溶液的真实值。系统使用白光作为光源，分析对比了不同浓度糖溶液光谱图，波峰值在1 406 nm左右。实验结果表明，测量值与标准值十分相符，浓度分辨率为0.05%，绝对误差仅为0.002%。

关键词： 液体浓度； 测量； 近红外； 光谱分析

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近红外光具有良好的传输特性，且其仪器较简单、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、黏稠体、涂层、粉末和固体）分析，同时具有分析速度快且可多组分多通道同时测定等特点，从而得到广泛应用。近几年，随着近红外光谱分析技术与计算机技术、化学计量技术以及光纤的有机结合，与传统的方法相比较具有无损、无污染、准确、快捷等特点，广泛应用于石油化工、医药、烟草、食品生产、农业生产等领域[14]。液体浓度是反映液体特征的一个非常重要的参量，对它的测量具有十分重要的意义[58]。在食品卫生、工业生产等领域，液体浓度的在线检测是一个重要的技术环节。本文基于近红外光谱分析技术实现了糖溶液浓度的在线检测，整个实验装置简单、价格低廉、易于操作、分辨率高。1近红外光谱分析原理近红外是波长在780～3 000 nm范围的电磁波，对植物十分敏感。现代近红外光谱（NIR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术。近红外光谱是由物质吸收光能使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频及和频信息，它受含氢基团X-H（X=C，N，O）的倍频与和频的重叠主导。实验所用的蔗糖为二糖，分子式C12H22O11，化学结构主要由C-H基、O-H基组成，具有明显的光谱特性，基团的吸收频谱表征了这些成分的化学结构。选用连续改变频率的近红外光照射蔗糖样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，可得到蔗糖溶液的光谱图。实验前，首先建立近红外光谱和蔗糖样品的化学组分之间的定量模型，再向模型库中输入蔗糖样品的近红外光谱信息，从而能够确定蔗糖样品的质量参数。光源辐射出的待测元素的特征光谱被样品蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，根据发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，其符合朗伯比尔定律，可表示为：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，K为溶液的消光系数，C为溶液浓度，L为光通过原子化器光程。由于L是不变值，所以A=KC。光学仪器第36卷

第5期张娜，等：近红外光谱分析在糖溶液浓度测量中的应用

3结论

本文基于强度调制原理以及近红外光谱分析技术实现了梨果肉浓度的精确测量。测量前利用统计分析的方法在样品待测参数值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型，通过被测样品光谱图的测量，可以得到被测样品的浓度值，即通过间接分析法测量糖溶液的质量参数。实验结果表明，测量值与标准值十分相符。该方法快速、准确、方便，可用于糖溶液浓度的在线检测及质量分析。该方法将应用于食品生产，从而实现工业化生产。

参考文献：

[1]王云，徐可欣，常敏.近红外光谱技术检测牛奶中脂肪及蛋白质含量校正模型的建立[J].光学仪器，2006，28（3）：37.

[2]赵珂，熊艳，赵敏.基于近红外光谱技术的脐橙快速无损检测[J].激光与红外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，张树群，黄泳，等.高精度数据采集系统在近红外光谱测量仪中的应用[J].光学仪器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王锡昌，刘源，等.近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其制品中磷酸盐含量[J].光谱学与光谱分析，2013，33（6）：15421546.

[5]张娜，何燕，张彦，等.基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统[J].光学技术，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，乔淑欣，蔡亚楠，等.基于多孔硅Bragg反射镜的液体浓度测量方法[J].光学技术，2006，32（6）：863868.

[7]荣民，张连水.光纤光栅传感器检测液体浓度[J].激光与光电子学进展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，FAN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014

摘要： 提出了一种使用近红外光谱分析技术测量梨果肉溶液浓度的新方法。采用一种间接的相对分析方法，通过大量的实验建立了糖溶液光谱图与其质量参数之间的关系模型库.通过与该关系模型库的对比，可以精确得到不同浓度糖溶液的真实值。系统使用白光作为光源，分析对比了不同浓度糖溶液光谱图，波峰值在1 406 nm左右。实验结果表明，测量值与标准值十分相符，浓度分辨率为0.05%，绝对误差仅为0.002%。

关键词： 液体浓度； 测量； 近红外； 光谱分析

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.05.001

引言由于近红外光具有良好的传输特性，且其仪器较简单、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、黏稠体、涂层、粉末和固体）分析，同时具有分析速度快且可多组分多通道同时测定等特点，从而得到广泛应用。近几年，随着近红外光谱分析技术与计算机技术、化学计量技术以及光纤的有机结合，与传统的方法相比较具有无损、无污染、准确、快捷等特点，广泛应用于石油化工、医药、烟草、食品生产、农业生产等领域[14]。液体浓度是反映液体特征的一个非常重要的参量，对它的测量具有十分重要的意义[58]。在食品卫生、工业生产等领域，液体浓度的在线检测是一个重要的技术环节。本文基于近红外光谱分析技术实现了糖溶液浓度的在线检测，整个实验装置简单、价格低廉、易于操作、分辨率高。1近红外光谱分析原理近红外是波长在780～3 000 nm范围的电磁波，对植物十分敏感。现代近红外光谱（NIR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术。近红外光谱是由物质吸收光能使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频及和频信息，它受含氢基团X-H（X=C，N，O）的倍频与和频的重叠主导。实验所用的蔗糖为二糖，分子式C12H22O11，化学结构主要由C-H基、O-H基组成，具有明显的光谱特性，基团的吸收频谱表征了这些成分的化学结构。选用连续改变频率的近红外光照射蔗糖样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，可得到蔗糖溶液的光谱图。实验前，首先建立近红外光谱和蔗糖样品的化学组分之间的定量模型，再向模型库中输入蔗糖样品的近红外光谱信息，从而能够确定蔗糖样品的质量参数。光源辐射出的待测元素的特征光谱被样品蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，根据发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，其符合朗伯比尔定律，可表示为：A=-lg（I/I0）=-lgT=KCL（1）式中，I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，K为溶液的消光系数，C为溶液浓度，L为光通过原子化器光程。由于L是不变值，所以A=KC。光学仪器第36卷

第5期张娜，等：近红外光谱分析在糖溶液浓度测量中的应用

3结论

本文基于强度调制原理以及近红外光谱分析技术实现了梨果肉浓度的精确测量。测量前利用统计分析的方法在样品待测参数值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型，通过被测样品光谱图的测量，可以得到被测样品的浓度值，即通过间接分析法测量糖溶液的质量参数。实验结果表明，测量值与标准值十分相符。该方法快速、准确、方便，可用于糖溶液浓度的在线检测及质量分析。该方法将应用于食品生产，从而实现工业化生产。

参考文献：

[1]王云，徐可欣，常敏.近红外光谱技术检测牛奶中脂肪及蛋白质含量校正模型的建立[J].光学仪器，2006，28（3）：37.

[2]赵珂，熊艳，赵敏.基于近红外光谱技术的脐橙快速无损检测[J].激光与红外，2011，41（6）：649652.

[3]丁佳，张树群，黄泳，等.高精度数据采集系统在近红外光谱测量仪中的应用[J].光学仪器，2009，31（1）：3539.

[4]董若琰，王锡昌，刘源，等.近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其制品中磷酸盐含量[J].光谱学与光谱分析，2013，33（6）：15421546.

[5]张娜，何燕，张彦，等.基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统[J].光学技术，2012，38（5）：598601.

[6]李志全，乔淑欣，蔡亚楠，等.基于多孔硅Bragg反射镜的液体浓度测量方法[J].光学技术，2006，32（6）：863868.

[7]荣民，张连水.光纤光栅传感器检测液体浓度[J].激光与光电子学进展，2008，45（5）：6568.

[8]KRISHNA V，FAN C H，LONGTIN J P.Realtime precision cencentration measurement for flowing liquid solutions[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（10）：38643869.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014