基于分光光度计的食用油折射率实验研究

2021-01-25李小康许世军

大学物理 2021年2期

李小康，许世军

(西安工业大学理学院，陕西西安 710021)

油品检测是当下迫切需要解决的一个问题，国内并没有建立统一的对“地沟油”及其制成品的国家检测标准，以及缺乏对“地沟油”进行检测的有效设备[1].鉴别食用油品质及地沟油时，常用的光学方法有傅里叶变换红外(FT-IR)光谱法[2]、太赫兹波段光谱法[3]、荧光法[4]，或检测油品中特定成份的光谱[5]等，但并未涉及食用油的色散特性，通常采用折射率与波长之间的关系来描述色散特性.

为获取不同食用油的光学色散特异性，须研究其折射率随波长变化的特征.油品属于液体，测量液体折射率的方法有阿贝折射法[6]、迈克逊干涉法[7]、基于后焦面液体折射率测量法[8]、利用全反射测量透明液体折射率[9]等.阿贝折射法通过全反射临界角的测定来测量液体折射率，测量范围有限，计算公式复杂；迈克逊干涉法通过测量干涉条纹数目的变化来测量液体折射率，光路调整复杂，测量过程时间长．这些方法操作复杂，反复性差，很难实现快速测量.

为了解决实验操作繁琐、计算公式复杂等问题，忽略光的散射影响后，建立了一种用于分光光度计的新双层载玻片模型，用此载玻片分别盛载菜籽油、芝麻油、餐厨废弃油、掺伪菜籽油、掺伪芝麻油，实验获取380～1500 nm波段的透射光谱，进而研究了5种油品的折射率随波长变化特征.

1 实验方案和方法

1.1 实验样品及仪器

本实验使用的样品为芝麻油(自己采办的新鲜芝麻拿到炼油作坊现榨)，菜籽油(产自陕西省咸阳市兴平食品工业园)，餐厨废弃油(西安铁路疾病预防控制中心获取)，掺伪菜籽油(菜籽油+20%餐厨废弃油)，掺伪芝麻油(芝麻油+20%餐厨废弃油)帆船牌载玻片(厚度约为1.2 mm)，实验室环境温度10 ℃.

使用日本日立公司的U-3501分光光度计，获取透射率数据．分光光度计主要技术指标：波长范围185～3200 nm(本文中仅选用380～1500 nm光谱范围)，波长精度在近红外区时Δλ≤0.1 nm；在紫外-可见区时Δλ≤0.2 nm．

1.2 新的双层载玻片模型

将两块厚度及材质相同的载玻片叠放在一起，两块载玻片间留有一定的空气缝隙(如图1所示)，用来盛载样品.创建新的双层载玻片模型得思路如下.

图1 双层载玻片模型

首先对样品上界面(空气-载玻片①-样品)的透射率进行分析，n1(1为下标)表示空气的折射率；n2(2为下标)表示载玻片的折射率；n3(3为下标)表示样品的折射率；R1(1为下标)表示空气与载玻片间单次反射率；R2(2为下标)表示载玻片与样品间单次反射率；T1(1为下标)表示空气与载玻片间透射率；T2(2为下标)表示载玻片与样品间透射率；T表示通过分光光度计实验测量双层载玻片模型的透射率；T1、T2、T3、……分别表示光第1次、第2次、第3次、……经载玻片透射到样品的透射率；T1,3(1,3为下标)表示光从折射率为n1的介质到折射率为n3的介质的透射率之和，即光经载玻片到达样品的透射率之和；T3,1(3,1为下标)表示光从折射率为n3的介质到折射率为n1的介质的透射率之和，即光经载玻片到达空气的透射率之和．

(1)

(2)

当光束垂直入射时有[10]

T1,3=T1+T2+T3+…=

(1-R1)(1-R2)+(1-R1)(1-R2)R1R2+

(3)

同理可对样品下界面(样品-载玻片②-空气)的透射率进行分析，可得

(4)

因样品上界面和下界面都是由相同材质的载玻片和空气组成，在不考虑载玻片和空气对光的吸收，从样品层角度分析，类似式(3)推导过程，有

(5)

由式(3)、(4)可得样品上界面与下界面透射率相等，即T1,3=T3,1，有

(6)

当样品为载玻片时，有n2=n3,考虑上界面反射率的影响，需要用R1对载玻片的透射率进行修正，即修正后的样品透射率为T′

(7)

T′=T1,3+R1=T3,1+R1

(8)

考虑下界面反射率的影响，需对载玻片的透射率再次进行修正，则修正后的载玻片透射率为T1

(9)

在忽略散射和吸收的条件下有

T1+R1=1

(10)

因为反射率R1大于0，由式(6)、(8)、(9)、(10)有

(11)

由式(7)有

(12)

当样品为油品时根据式(1)、(2)、(3)、(6)有

(13)

1.3 实验方法

首先将分光光度计预热，其次进行基线校准，然后把含有样品的双层载玻片模型分别放入分光光度计样品室，选取380～1500 nm波段进行扫描获取透射光谱.

因为样品层很薄，载玻片有一定厚度，所以测量载玻片折射率时，样品用载玻片来替换，会对实验结果产生影响.为了减小影响，用双面胶带将双层载玻片模型中的两块载玻片紧密的粘连在一起，在理想状况下，载玻片表面很平整，相粘连的两块载玻片融为一体，此时样品就可以看成载玻片.

2 实验结果及分析

2.1 透射率实验数据

通过分光光度计测量双层载玻片模型透射率如图2、3所示.

由图2可知，双层载玻片的透射率在75%～83%之间，在380～550 nm、1050～1500 nm波段透射率随波长的增大而增大；在550～1050nm波段透射率随波长的增大而减小.

图2 双层载玻片模型透射率

由图3可知，5种双层载玻片(油品)模型的透射率在380～550 nm波段急剧上升；在550～1100 nm波段下降；在1100～1500 nm波段缓慢上升．可见，不同类型油品模型的透射率曲线存在显著的区别，表明其折射率有着显著的区别.

图3 双层载玻片(油品)模型透射率

2.2 双层载玻片模型评价

为了验证模型的可行性，采用了假设检验的方法.假设载玻片折射率为1.52，菜籽油折射率为1.47，根据图4，在忽略散射和吸收的情况下推导模型反射率与透射率.

图4 双层载玻片模型

R1、R2同前，R3(3为下标)表示样品与载玻片②间单次反射率；R4(4为下标)表示载玻片②与空气间单次反射率；T1、T2同前，T3(3为下标)表示样品与载玻片②间的透射率；T4(4为下标)表示载玻片②与空气间的透射率；R表示双层载玻片模型的反射率之和.

当光束垂直入射时有

R=R1+T1R2T1+T1T2R3T2T1+

T1T2T3R4T3T2T1

(14)

因载玻片材质相同，所以R1=R4、R2=R3.

(15)

(16)

T1=1-R1=0.96

(17)

T2=1-R2=0.9997

(18)

R=R1+T1R2T1+T1T2R3T2T1+

T1T2T3R4T3T2T1=0.0774

(19)

T=1-R=0.9226

(20)

当透射率为T=0.9226时，根据所建立的模型推导出菜籽油的折射率，由式(6)有

(21)

由式(17)可知T1=0.96，有

(22)

(23)

菜籽油折射率计算结果与假设结果相符，验证了双层载玻片模型的可行性.

2.3 折射率分析

2.3.1 载玻片折射率分析

将分光光度计测量的双层载玻片模型透射率数据代入式(11)、(12)中，求解载玻片的折射率，并绘制折射率随波长变化的曲线，如图5所示.

图5 载玻片折射率

由图5知在380～1500 nm波段，载玻片的折射率在1.44～1.58之间.在380～550 nm、1050～1500 nm波段，载玻片的折射率随波长的增大而减小；在550～1050 nm波段，载玻片的折射率随波长的增大而增大.

如图6所示，文献[11]采用双厚度透射反演算法计算了载玻片在300～600 nm波段折射率随波长变化特性，而本文采用双层载玻片模型计算了载玻片在380～1500 nm波段折射率随波长变化特性.对比分析载玻片在380～600 nm波段折射率随波长变化特性，折射率都随波长增大而减小，模型计算与文献计算折射率最大差值仅为0.075.分析其产生误差原因，主要是因载玻片材质、实验环境、仪器误差等产生的.

图6 模型计算与文献中计算载玻片折射率对比

2.3.2 油品折射率分析

将分光光度计测量的双层载玻片(油品)模型透射率数据代入式(3)、(5)、(13)中，结合2.3.1部分求出的载玻片折射率，推导出扣除载玻片影响的油品折射率，并绘制折射率随波长变化曲线，如图7所示.

图7 油品折射率

由图7可知，5种食用油折射率在380～550 nm波段急剧下降；在1100～1500 nm波段缓慢下降；在550～1100 nm波段上升．双光程透射法[12]中食用油折射率在380～550 nm波段急剧下降；在550～1500 nm波段缓慢下降.对比分析发现食用油折射率在550～1100 nm波段变化特性不同，主要原因有两点：

1) 与其它光谱范围相比，食用油在550～1100 nm波段的吸收指数随着波长的增加而减小[12].

2) 环境温度对食用油在550～1100 nm波段的吸收指数有影响，而对食用油在380～550 nm、1100～1500 nm波段的吸收指数影响小[12]，双光程透射法实验环境为20℃，而本实验环境为10 ℃．

2.4 油品特征吸收峰处折射率分析

2.4.1 油品特征吸收峰处折射率

由图7可知，油品折射率曲线在380～1500 nm波段内存在正常色散和反常色散，其反常色散存在于特征吸收峰的过渡段，结果与反常色散理论[13]相符合．由色散理论可知，发生反常色散的原因是由于入射光的频率和材料的晶格振动频率一致，产生共振而引起的强烈吸收，从而使折射率发生变化．

从图7中还可知，5种油品在850 nm、1210 nm、1400 nm波长处存在特征峰，选取380～1500 nm波段数值平均折射率作为鉴别指标会将油品的特征平滑掉，所以选取特征峰处的折射率作为鉴别指标，如表1所示．

表1 不同油品特征峰处折射率

由表1可知，正常油品和非正常油品在其特征峰处折射率有着明显的区别．正常油品在850 nm、1400 nm波长处的折射率比较接近，而在1210 nm波长处的折射率与其它两个特征峰处的折射率有着明显的区别．

2.4.2 不同位置处特征峰分析

双光程透射法[12]中以比色皿作为盛载装置，食用油在900 nm、1210 nm、1400 nm波长处存在吸收率特征峰．本文研究中忽略了散射和吸收的影响，即吸收率特征峰与折射率特征峰相对应，对比发现盛载装置对食用油在1210 nm、1400 nm波长处的特征峰无影响.食用油的主要成分为脂肪酸[14], 脂肪酸中主要含有-C-H基团, 波长在900 nm波长处的特征峰主要由甲基和亚甲基中C-H 键的三级倍频伸缩振动产生的；在1210 nm波长处的特征峰主要由甲基、亚甲基和乙炔基中C-H键的二级倍频伸缩振动产生的；在1400 nm波长处的特征峰主要由 C-H 键的弯曲振动同亚甲基中C-H 键的伸缩振动的合频产生的[14,15].

油品在850 nm波长处特征峰位置不同，结合载玻片透射率曲线分析，可能是因为系统误差产生的，为此对仪器的平直性进行了两次测量，如图8所示.

图8 仪器平直性测量

由图8可知，U-3501分光光度计在850～900 nm波段透射率发生突变，透射率随波长的增大而增大，产生了系统误差．从分光光度计主要技术指标分析，该仪器有2个探测器，分别负责紫外-可见区(Δλ≤0.2 nm)和近红外区(Δλ≤0.1 nm)，将仪器光源透射率与菜籽油模型的透射率进行对比，如图9所示．

由图9可判定系统误差对油品在850～900 nm波段的透射率产生影响，使得油品在850 nm处产生假性特征峰，而在900 nm波长处的特征峰被系统误差掩盖．