生物物料品質(zhì)無損檢測技術(shù)

1、成績1.試探討農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)地曲線（模擬人的咀嚼）所形成的工作過程與特點，并對各特性參數(shù)進行定義與分析。10%答：Szczeniak對進食咀嚼曲線進行解析，對質(zhì)地多面剖析法機械特性中的硬度、凝聚性和附著性給以量化的評價。圖1顯示牙齒在二次咀嚼過程中時間和力的變化規(guī)律。 圖1 牙齒在二次咀嚼過程中時間和力的變化規(guī)律TPA質(zhì)構(gòu)測試又稱兩次咀嚼測試主要是通過模擬人口腔的咀嚼運動，對樣品進行兩次壓縮，測試與微機相連，通過界面輸出質(zhì)地測試曲線，從中分析質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)如：硬度、脆性、粘性、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性、耐咀性、回復(fù)性。圖2 TPA質(zhì)構(gòu)曲線Malcolm Bourne博士1在其所書Food Texture

2、& Viscosity中對TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)進行具體的定義。硬度：在第一次下壓過程中的最大峰值，多數(shù)食品的硬度值出現(xiàn)在最大變形處，有些食品壓縮到最大變形除并不出現(xiàn)應(yīng)力峰。脆度：下壓過程中并不一定都產(chǎn)生破裂，在第一次壓縮過程中若是產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)一個明顯的峰，此峰值就定義脆度。在TPA質(zhì)構(gòu)曲線中第一次壓縮中若是出現(xiàn)兩個峰，第一為脆度，第二個為硬度；若是只有一個峰值，則定義為硬度，無脆度。黏著性：第一次壓縮曲線達到零點到第二次壓縮曲線開始之間的曲線的負面積（圖2中的Area3），反映的是由于測試樣品的黏著作用探頭所消耗的功。凝聚性：表示測試樣品經(jīng)過第一次壓縮變形后所表現(xiàn)出來的對第二

3、次壓縮的相對抵抗能力，在曲線上表現(xiàn)為兩次壓縮所做正功之比（Area2/Area1）。彈性：樣品經(jīng)過第一次壓縮以后能夠再恢復(fù)的程度。恢復(fù)的高度是在第二次壓縮過程中測得長度t2.彈性用第二次壓縮中所檢測到的樣品恢復(fù)高度t2和第一次的壓縮變形量t1之比來表示。膠黏性：只用于描述半固態(tài)的測試樣品的黏性特性，數(shù)值上等于硬度和凝聚性的乘積表示。耐咀性：只用于描述固態(tài)的測試樣品，數(shù)值上用膠黏性和彈性的乘積表示?；貜?fù)性：表示樣品在第一次壓縮過程中回彈的能力，是第一次壓縮循環(huán)過程中返回時的樣品所釋放的彈性能與壓縮時的探頭耗能之比，用Area5與Area4之比來表示。2.請說明電子鼻儀器的基本組成與分類，分析不同

4、類型電子鼻的特性和適用對象；舉2-3例探討電子鼻的檢測原理與方法。15%答：1） 基本組成2：電子鼻是以模擬人的嗅覺為基本原理，用來對食品中復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分進行分析、識別和檢測儀器，由氣體傳感器、信號處理和模式識別系統(tǒng)等組成。圖3電子鼻的基本組成2） 分類3：在電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是關(guān)鍵因素。電子鼻傳感器的主要類型還有導(dǎo)電型傳感器、壓電類傳感器、場效應(yīng)傳感器、光纖傳感器等。所以可以按此來分類。圖4氣體傳感器陣列圖5壓電類傳感器圖6 金屬氧化硅場效應(yīng)管傳感器3） 特性和適用對象3：導(dǎo)電性傳感器的基本特點是，其置于揮發(fā)性化合物(VOC)時的響應(yīng)形式是電阻值發(fā)生變化。導(dǎo)電性傳感器又分為金

5、屬氧化物傳感器和聚合物傳感器兩大類。金屬氧化物傳感器在電子鼻系統(tǒng)中應(yīng)用更廣泛，此類傳感器中與VOC相接觸的活性材料是錫、鋅、鈦、鎢或銥的氧化物，襯底材料一般是硅、玻璃、塑料，發(fā)生接觸反應(yīng)需滿足200400的溫度條件，因此在底部設(shè)置了加熱器。氧化物材料中用鉑、鈀等貴重金屬攙雜形成兩條金屬接觸電極。與VOC的相互作用改變了活性材料的導(dǎo)電性，使兩電極之間的電阻發(fā)生變化，這種電阻變化可用單臂電橋或其它電路來測量。事實上，一個傳感器的活性材料總是設(shè)計得對某些特定氣味響應(yīng)最靈敏。該傳感器的靈敏度范圍為550ppm。金屬氧化物傳感器的缺點是：(1)工作溫度較高；(2)經(jīng)長時間工作之后，響應(yīng)基準值易發(fā)生漂移，

6、需要利用信號處理運算來克服；(3)對氣體混合物中出現(xiàn)的硫化物呈“中毒”反應(yīng)。但是，它有很寬的適用范圍和相對低的成本，故依然成為當(dāng)今廣泛應(yīng)用的氣體傳感器。導(dǎo)電聚合物傳感器中，與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物，當(dāng)氣體分子與上述聚合物材料接觸時會發(fā)生電離或共價作用，這種相互作用影響了電子沿聚合物鏈的傳輸，即改變了導(dǎo)電性。在聚合物材料中，利用顯微組構(gòu)技術(shù)形成兩條間隔1020m的電極，通過在兩電極之間施加交變電壓來使聚合物電聚合化，改變電壓掃描速率，并應(yīng)用一系列聚合物前體就可產(chǎn)生各種各樣的活性材料，使不同的材料分別對不同的氣體呈特定響應(yīng)。導(dǎo)電聚合物傳感器在一般環(huán)境溫度

7、下工作而無需加熱，因此更容易制造，其電子界面更為直接，從而在便攜式儀器應(yīng)用中有更大優(yōu)勢。這種傳感器探測氣味的靈敏度可達到0.1ppm，比金屬氧化物傳感器更高，但一般在10100ppm范圍之內(nèi)。目前導(dǎo)電聚合物傳感器的主要缺陷是：(1)活性材料電聚合過程較為困難和費時；(2)與VOC接觸響應(yīng)存在隨時間發(fā)生飄移的現(xiàn)象；(3)對濕度極為敏感，這種敏感性易掩蓋和干擾對VOC的正常響應(yīng)。另外，某些氣體會穿透聚合物材料整體，從而減慢了將VOC從聚合物中去除的過程，即延緩了傳感器的恢復(fù)時間。壓電類傳感器的基本特點是，與VOC的接觸響應(yīng)形式體現(xiàn)為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平(QCM)傳感器和聲表面波(S

8、AW)傳感器兩種。壓電類傳感器既可以測量溫度和質(zhì)量的變化，又可測量壓力、力和加速度等參數(shù)，但在電子鼻系統(tǒng)中，它們一般只作為質(zhì)變量傳感探測器使用。QCM傳感器是一個幾毫米直徑的諧振盤，盤面敷有聚合物材料，每面有一個與導(dǎo)線相連的金屬電極，結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)該傳感器受振蕩信號激勵時，便諧振于特征頻率(10Hz30MHz)，而一旦氣體分子被吸收到聚合物涂層表面，就增加了該盤的質(zhì)量，因此降低了諧振頻率，諧振頻率的高低與所吸收的氣體分子質(zhì)量成反比。QCM傳感器對不同氣體的響應(yīng)、選擇性可通過調(diào)整諧振盤聚合物涂層來改變，而減小石英晶體的尺寸和質(zhì)量，并減小聚合物涂層的厚度，則可進一步縮短傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間

9、。聲表面波(SAW)傳感器與QCM傳感器的主要區(qū)別為：(1)瑞利波是經(jīng)SAW的表面運行，不是像QCM一樣通過其體內(nèi)；(2)SAW傳感器工作頻率更高，因此可產(chǎn)生更大的頻率變化。QCM的典型工作頻率僅是10MHz，而SAW器件則在幾百MHz；(4)由于SAW是平面器件，所以可用微電子工業(yè)普遍采用的光刻技術(shù)來制造，而不像QCM那樣需要微電子機械系統(tǒng)(MEMS)進行三維處理，因此批量生產(chǎn)的成本更低。但是，SAW傳感器的信噪比遜于QCM傳感器，因此在許多情況下，前者的靈敏度要低于后者。電子鼻傳感器的第三大類是金屬氧化硅場效應(yīng)管傳感器(MOSFET)。其工作原理是：VOC與催化金屬材料相接觸所生成的反應(yīng)產(chǎn)

10、物(如氫)會擴散通過MOSFET的控制極來改變器件的導(dǎo)電物性。典型的MOSFET結(jié)構(gòu)有一個P型襯底和在襯底上擴散的兩個摻雜濃度很高的N型區(qū)，兩個N區(qū)的金屬觸點分別稱為源極和漏極。器件的靈敏度和選擇性可通過改變金屬接觸劑的類型和厚度以及改變工作溫度來改變。MOSFET的優(yōu)點之一是可依托IC制造工藝，批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定，主要問題是接觸反應(yīng)產(chǎn)物(如氫)必須滲入催化金屬涂層來影響溝道中的電荷，這就對芯片的密閉封裝方式提出了更苛刻的要求。MOSFET與導(dǎo)電性傳感器一樣，也存在基準值漂移問題。第四類實用的氣味傳感器是光纖傳感器。它對氣體化合物的響應(yīng)形式是光譜色彩發(fā)生變化。這種傳感器的主干部分是玻璃纖維，在

11、玻璃纖維的各面敷有很薄的化學(xué)活性材料涂層?；瘜W(xué)活性材料涂層是固定在有機聚合物矩陣中的熒光染料，當(dāng)與VOC接觸時，來自外部光源的單頻或窄頻帶光脈沖沿光纖傳播并激勵活性材料，使其與VOC相互作用反應(yīng)。這種反應(yīng)改變了染料的極性，從而改變了熒光發(fā)射光譜。只要對許多敷有不同染料混合物的光纖器件構(gòu)成的傳感器陣列產(chǎn)生的光譜變化進行檢測分析，就可以確定對應(yīng)的氣體化合物成分。光纖傳感器有很強的抗噪能力和極高的靈敏度，其靈敏度單位以ppb(十億分率)計，這是其它電子鼻傳感器類型所遠不及的。目前光纖傳感器的主要缺點是：(1)其設(shè)備控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高，(2)熒光染料受白光化作用影響，使用壽命有限。4） 舉例說明

12、電子鼻的檢測原理和方法3例1：利用表面聲波頻率變化檢測氣體（資料來源：清華大學(xué)奈米工程與微系統(tǒng)研究所）電子鼻的主要感測組件是表面聲波感測芯片（SAW chip），其由具有兩組狀如手指交叉的指叉換能器（IDT）壓晶體管，以及一層高分子薄膜所組成（見圖7）。壓晶體管具有壓電特性，輸入電壓時會產(chǎn)生形變（機械能），輸入機械能則轉(zhuǎn)換成電訊號輸出。偵測氣體時，震蕩線路會施加一交流信號至起始端的指叉換能器，透過換能器把電能轉(zhuǎn)成機械能，傳至壓晶體管上，并激發(fā)出表面聲波（機械能）。當(dāng)高分子薄膜表面吸附待測氣體分子時，質(zhì)量增加，會使表面聲波頻率下降，不同氣體分子造成表面聲波頻率下降情形各不相同。最后，利用末端的指

13、叉換能器將機械能轉(zhuǎn)換成電訊號輸出至混合型電路進行運算分析。偵測時，傳感器暴露于目標感測氣體中，讓感測區(qū)上的高分子薄膜進行物理吸附或化學(xué)吸附。同時，輸入一電訊號至壓晶體管上的指叉換能器，把電能轉(zhuǎn)成機械能，直接在壓電芯片上激發(fā)出表面聲波。表面聲波傳遞至高分子薄膜時，會隨著薄膜質(zhì)量的增加而導(dǎo)致聲波頻率下降，最后再經(jīng)末端的指叉換能器將機械能轉(zhuǎn)成電訊號輸出。藉由頻率變化、相位變化或能量損失，即可推測目標感測氣體的種類及濃度。圖7表面聲波感測芯片表1指特定氣體吸附于不同高分子薄膜后的頻率變化。表格中的數(shù)據(jù)是將高分子薄膜吸附氣體后的表面聲波頻率減去吸附前的頻率。表1特定氣體吸附于不同高分子薄膜后的頻率變化例

14、2基于PCA與Wilks準則的電子鼻酒類鑒別方法研究4該研究選用3種不同品牌的酒（河南仰韶產(chǎn)的仰韶精品酒、河南汝陽產(chǎn)的杜康酒、北京產(chǎn)的紅星二鍋頭酒），氣敏傳感器陣列由日本費加羅公司生產(chǎn)的TGS-813,TGS-800, TGS-812, TGS-822, TGS-824, TGS-825六個二氧化硅型氣敏傳感器組成電路圖如8所示。選用每個傳感器一個特征值、溫度和濕度組建1個8維向量。而每個品種的酒采集30個樣本，在采用主成分分析進行降維，選用前兩個特征值作為主軸，但是從其散點圖無法進行分類，主要原因是主成分分析在試驗樣本數(shù)據(jù)陣的協(xié)方差矩陣的計算過程中消除各變量間的相關(guān)性造成的。故引入多元統(tǒng)計分

15、析中的Wiks準則。實驗結(jié)果如圖9所示。圖8 傳感器陣列測試電路示意圖圖9 基于PCA和Wiks的鑒別結(jié)果3.試設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品水分的電學(xué)特性檢測裝置，并說明檢測原理與方法。（請用圖說明基本組成和檢測方法）。15%答：單片機LCD顯示器數(shù)字溫度傳感器鍵盤輸入C/V變換器水分傳感器圖10 農(nóng)產(chǎn)品水分檢測裝置數(shù)字溫度傳感器接入單片機的輸入端，水分傳感器的輸出端接入C/V轉(zhuǎn)換器的輸入端。C/V轉(zhuǎn)換器輸出接入單片機的A/D輸入端，單片機輸出端接LCD顯示器的輸入端，鍵盤輸入接入單片機的輸入端，控制物料水分的檢測。整個裝置原理是把水分傳感器檢測所得電容信號通過C/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C內(nèi)A/D電壓輸入信號的范圍

16、，之后單片機進行處理和運算。4.請敘述核磁共振在水產(chǎn)品品質(zhì)檢測中的原理與方法，并說明優(yōu)缺點。10%答：1） 原理和方法置于磁場中的氫原子在一定的射頻脈沖作用下就會產(chǎn)生共振。當(dāng)磁場強度和所加的射頻脈沖頻率匹配時，質(zhì)子就會吸收和釋放射頻脈沖的能量，通過檢測釋放的能量，測量強度就可以知道樣品中共振質(zhì)子的數(shù)量。許多質(zhì)量控制應(yīng)用中感興趣的要素都包含質(zhì)子（如：水、脂肪、油），為了能定量測量，我們可以采用測量已知含量的樣品的共振信號來做校正標定。NMR的一個重要特征是所釋放的共振信號的弛豫時間很大程度上取決于含氫質(zhì)子材料的物相。方法主要包括核磁共振波譜法和核磁共振成像技術(shù)。2） 優(yōu)缺點NMR作為一種無損檢測

17、水產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測方法，有廣泛的適用性?？煽疾焖a(chǎn)品組織中水的形態(tài)、質(zhì)子的濃度等，從而對組織進行檢測盒分析，獲得生理狀態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的信息。Udagawa運用NMR技術(shù)還可以測定魚油脂中脂肪酸對質(zhì)子吸收的變化，從而確定油脂的氧化穩(wěn)定性。但是NMR技術(shù)也存在儀器造價昂貴和訊號分析具有專門性與復(fù)雜性等缺點，雖然已經(jīng)開發(fā)一些便攜式檢測油脂、水分等儀器，如圖11所示，但是將NMR技術(shù)應(yīng)用在在線檢測系統(tǒng)至今還未見。圖11 基于NMR便攜式食品檢測儀5.請設(shè)計一個利用免疫生物傳感器技術(shù)檢測果蔬農(nóng)藥殘留快速測系統(tǒng)，闡述檢測原理和檢測流程。10%答：顯示器傳感器圖12 果蔬農(nóng)藥殘留快速檢測系統(tǒng)圖13果蔬農(nóng)藥殘留

18、快速檢測系統(tǒng)的流程圖6.請設(shè)計一個利用超聲波技術(shù)檢測果汁成份的檢測系統(tǒng)，請分析設(shè)計難點，說明檢測原理和檢測流程。15%答：1）檢測系統(tǒng)流程圖：5-7脈沖信號發(fā)生器時間計數(shù)器發(fā)送探頭樣品池（果汁）接受探頭d2）原理：脈沖信號發(fā)生器發(fā)送一定振幅和頻率的脈沖電子波，在傳至發(fā)送探頭的同時，也發(fā)送時間計數(shù)器，記錄時間為t1。電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化成相同頻率的超聲機械波，通過果汁池后，被接受探頭并再次轉(zhuǎn)化為電信號，然后送至?xí)r間計數(shù)器記錄停止時間t2。由于樣品池的長度d是事先確定的，則通過樣品池的波速為d/（t2-t1）。由事先波速與果汁內(nèi)部成分之間的關(guān)系，再可獲取果汁成分。3） 設(shè)計難點：其一：上述中是假定果汁各成分分布是均勻的理想模型，實際中果汁有可溶性固形物等，一般可認為果汁底部密度應(yīng)該大于上部密度。也存在同一高度各部分的果汁密度不一樣。必然存在超聲波衰減不均勻。其二：應(yīng)通過大量實驗建立果汁中水、可溶性固形物等關(guān)聯(lián)模型的有效方法，可通過當(dāng)果汁溶度一定時，波速與水、可溶性固形物之間的關(guān)系曲面是一定的，或者聲波衰減是有規(guī)律的。7.請設(shè)計一個便攜式水果可見/近紅外光譜檢測系統(tǒng)，并說明工作原理。10%答：近紅外光源蘋果托盤光譜儀與顯示屏光纖