專利名稱：一種基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法
技術領域：
本發明涉及油脂檢測領域，地溝油中金屬離子含量要遠大于食用油，并且地溝油中含有一些食用油中沒有的金屬離子。本發明特別涉及一種基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法。本發明主要通過激光誘導擊穿光譜技術檢測油脂中的金屬離子， 碳，氮，氧及其化合物成分含量以及它們的相關性來鑒別油脂的優劣信息。
背景技術：
食用油作為人們日常生活中必需品，油質的優劣與大眾健康狀況密切相關。現如今，由于經濟利益的驅使，各地出現了一些不法商家利用廢棄油脂，生產地溝油，并冒充食用油重新流入食品市場賣給消費者食用，這一不法行為嚴重危害到人民群眾的健康安全。地溝油是指劣質的非食用油。目前主要有三種第一種是不法商家經過加工收集到的剩菜剩飯所制成的潲水油，也稱泔水油。第二種是利用劣質豬肉，豬內臟，雞鴨的內臟， 以及一些過期的肉類食物經加工提煉的油。第三種是指反復使用超過規定要求的油，也稱深度油炸油。地溝油可作為工業用油，如利用它制造生物柴油，洗衣粉等，但切不可食用。與食用油相比，地溝油的酸價、過氧化值、羰基價、重金屬離子、黃曲霉毒素等嚴重超標。人體長期攝入會使細胞功能衰竭，破壞白血球和消化道粘膜誘發多種疾病，引起食物中毒，嚴重甚至可致癌。如今，地溝油已成為工商，質檢等部門的檢測重點，因此，建立原位在線、快速精確的鑒別方法，為執法者提供有效的執法依據，懲治不法商人，確保食用油安全具有重要價值。目前，檢測地溝油的方法，主要是通過檢測地溝油的一些特征成分來實現的。主要包括
1.氣相色譜法，植物油中一般不含膽固醇或含有很少的膽固醇，而地溝油中膽固醇的含量卻很高，此法可以鑒別地溝油和植物油，但研究表明，氣相色譜法要求地溝油含量10% 以上的勾兌。2.電導率測定法，油脂屬于非導電性物質，實驗數據顯示，潲水油的電導率極高， 究其原因是因為潲水油在烹調過程中加入了一些易電離的物質如食鹽，味精等，另外地溝油在收集、提煉、加工過程中，會和空氣、金屬、水分、微生物等發生作用，從而增加地溝油的電導率，但研究表明，電導率檢測法只能用于食用油中潲水油含量達到20%以上的檢測。3.重金屬檢測法，潲水油中含有一些食用油中沒有的金屬離子，如猛、銅、6價鉻和鉛等，因此可以作為鑒別食用油和地溝油的特性物質。4.水分含量測定法，潲水油中的水分含量大于1%而食用油的水分含量值低于
0. 2%ο另外還有一些方法如酸價檢測法，薄層色譜法、近紅外光譜法、極性物質檢測法等。在這些方法中，許多實驗儀器非常復雜，步驟非常繁瑣，檢測時間長，不能完成快速的在線檢測任務。一些方法的靈敏度十分有限，并不適合公安機關的舉證工作。激光誘導擊穿光譜分析技術(LIBS)與其它元素分析技術相比有許多優點，如可以進行全元素分析，樣品無需預處理，樣品形式不限，靈敏度高，可以進行實時分析等。由于上述諸多優點，激光誘導擊穿光譜技術已被廣泛地應用于礦業、冶金業、環境分析等多個領域。LIBS作為一種原位、實時、連續、無接觸檢測技術，常用于一些異常環境下的化學成分檢測，其檢測對象主要是金屬元素，碳，氮，氧及其化合物成分含量的相關性。該特點使得激光誘導擊穿光譜技術在地溝油檢測上的應用有著無法比擬的優點，地溝油含有多種金屬元素，不論如何精煉地溝油也不能將其含有的金屬元素完全去除。通過大量實驗研究發現，我們可以通過LIBS光譜數據分析得到地溝油中的金屬元素含量，進而可以直接給出油脂的優劣判定結果。油脂樣品的LIBS光譜中也可以給出碳，氮，氧及其化合物成分含量信息，也可以根據這些元素譜線的相關性判斷油脂樣品的優劣，實現原位，實時，在線，連續等檢測要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種靈敏度高、原位、實時、無接觸式的地溝油檢測方法。為了達到上述目的，本發明提供了一種基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟
步驟A.激光輸出系統的激光束(波長為532nm，單脈沖能量密度約為150mJ/cm2)通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面一定深度(約幾十個微米)的油脂吸收激光能量后發生過熱膨脹、爆發性蒸騰、光化學分解作用形成等離子體羽并發光。步驟B.通過信號收集系統，將被測油脂的激光誘導擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統。步驟C .光譜檢測系統將測到的光譜數據與數據庫內各元素的激光誘導擊穿光譜 LIBS光譜數據進行比對，根據譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關性信息的分析數據。步驟D.計算機系統將步驟C得到的分析數據與數據庫中正常油脂樣品數據比對后就可以判斷被測油脂樣品的優劣。所述激光輸出系統主要分為激光測距模塊和LIBS激光發射裝置；計算機控制激光測距模塊測量被測油脂油面到激光器輸出窗口的距離L，然后計算機根據距離L換算出 LIBS激光聚焦光路中聚焦透鏡的位置，并控制移動滑塊，帶動聚焦透鏡移動到合適的位置， 使得聚焦透鏡距離油脂液面的距離正好為一倍焦距，這樣當激光束通過聚焦透鏡輻照到油脂液面的能量密度會達到最大值；隨后，計算機控制激光器以特定的功率密度、頻率輸出激光束，激光束經聚焦透鏡聚焦后輻照在被測油脂油面產生激光等離子體羽。所述的信號收集系統主要分為位置調整裝置和信號收集裝置兩部分；所述位置調節裝置是計算機根據激光測距裝置測量到的距離L信息，發出指令控制移動滑塊移動來調整整個信號收集裝置的處于最佳的收集姿態；所述信號收集裝置主要由聚焦透鏡和傳輸光纖組成，聚焦透鏡起到增大信號收集孔徑角，增大光譜信號強度，提高信噪比的作用；聚焦透鏡將采集到等離子體光譜信號輸入傳輸光纖；光信號在光纖中的傳輸過程不但抑制了外界對光譜信號的干擾，也使得整個信號傳輸系統變得更加柔性化，適應惡劣的檢測環境。所述的離子體光譜分析系統主要包括CCD光譜儀、分析軟件和數據庫三部分；光纖將收集到的等離子體光譜信號輸入CCD光譜儀，解析出的被測油脂LIBS光譜，然后將LIBS光譜數據傳入計算機與數據庫內各元素的LIBS光譜數據進行比對，分析換算出譜線所對應的元素種類，并通過換算得到的特征元素的含量信息；正常食用油中的金屬元素的含量符合一定標準，比對某些金屬元素的含量就可以推斷的樣品油脂是否為地溝油，同時正常油脂樣品中碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關性表現出特定的關系，分析被測油脂樣品碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關性也可以判斷油脂樣品的優劣。有益效果本發明與傳統的地溝油檢測手段有下列優點
1.被測油脂樣品無需預處理，可以實現原位在線檢測，適用于現場取證任務。2.數據分析速度快，靈敏度高，可以完成實時檢測任務。3.激光誘導擊穿光譜技術可以進行全元素分析，不會遺漏任何金屬元素。4.依據該方法可以制成高集成化商品儀器，適合于復雜環境下的現場勘測任務。
圖1本發明實施例基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法裝置示意圖。附圖標識1、計算機；2、激光測距模塊；3、激光器；4、步進電機驅動模塊；5、CXD 光譜儀；6、支架；7、聚焦透鏡；8、步進電機；9、石英玻璃片；10、聚焦透鏡；11、步進電機； 12、光纖；13、聚焦激光束；14、被測油脂樣品；15、激光誘導等離子體羽。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。如圖1所示，本實施例的基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法， 計算機1發出指令控制激光測距模塊2測量激光器3到達樣品表面14的距離L，激光測距模塊2工作原理為發出一束波長為532nm，單脈沖能量密度約為150mJ/cm2的激光，且激光束與油脂樣品液面法線成一定夾角(約2度)，當這束激光到達油脂樣品表面后發生反射，反射激光脈沖輸入激光測量模塊2的接收端。根據接受到的激光光斑位置和出射激光與液面夾角信息就可以確定激光器3輸出端口到達樣品表面的距離L，并將該信息反饋給計算機 1。計算機1根據反饋信息發出指令給步進電機驅動模塊4控制步進電機8和步進電機11 移動到合適位置。步進電機8帶動聚焦透鏡7沿激光器2輸出的激光束出射方向移動。控制激光脈沖13正好聚焦到油脂樣品14表面，產生激光誘導等離子體羽15。步進電機11帶動接收裝置(主要包括聚焦透鏡10、光纖12)移動最優位置。接收裝置前段有一片石英玻璃片9，可拆卸，作用為防止聚焦透鏡10被等離子體噴濺物污染。激光誘導等離子體發出的光信號經聚焦透鏡10匯聚后輸入光信號傳輸光纖12，并傳入光譜儀5.
計算機1發出之指令給激光器3以合適能量，頻率發出激光脈沖，同時計算機1發出指令控制光譜儀5記錄激光誘導等離子體羽15的光譜信息，并傳輸給計算機1，計算機1將光譜數據與數據庫中原子或離子的發射光譜數據進行比對，并歸屬出所有譜線所代表的元素，進一步根據譜線強度信息計算出各種元素的含量信息。取出金屬元素、碳、氮、氧及其化合物成分的信息進一步與數據庫中正常食用油元素種類、含量及相關性方面的數據行比對后就可以判定被測油脂樣品14是否為正常食用油。判例選取兩種實驗樣本進行測試，樣品1為金龍魚大豆油，樣品2為金龍魚大豆油50ml加入Ig紅梅味精加熱10分鐘后制成樣本，樣品3為豆油與麻油的混合樣本，樣品 4為都豆油與泵油的混合樣本。我們的激光輸出裝置輸出532nm，150mJ/cm2的激光脈沖分別輻照樣品1、2、3、4.得到了 LIBS光譜數據，通過我們自己開發的軟件進行比對分析得到實驗數據顯示如下。第一步，分析金屬元素含量，發現樣品3中鈉元素含量明顯超標(從光譜數據中可以發現588. 6和589. 0麻油都要比都有高出五倍以上)，樣品4中發現了大量的硅元素的譜線，在正常豆油樣品光譜中并沒有發現這些元素的譜峰存在，可以斷定樣品4 非正常的食用油。樣品1和2的判斷發現他們的光譜譜峰及其相似，大多為碳、氫、氧、氮四種元素及其化合物的譜峰，單純通過談們強度分布并不能做出準確的判斷，并對樣品進行主成分分析給出科學的的判斷。在樣品1和樣品2中選取了 21條譜線進行換算比對，分別為碳原子譜線1條，碳碳鍵譜線9條，碳氮鍵譜線6條，鈣原子譜線1條，鈣離子譜線1條，鈉原子譜線2條，氫原子譜線1條.換算后得到樣品1，2在PCA1，PCA2，PCA3坐標軸上的坐標，畫圖發現樣品1，2在PCA1、2、3空間內完全分在了不同的區域，每種有機物經過這種主成分分析后都會得到特定的分布區域。樣品2由于加入了微量新的物質，并且長時間加熱， 都使得它的化學結構發生了相應的變化，根據光譜譜峰之間的關聯性得到油脂樣品結構的變化信息，進而給出油脂優劣的信息。 以上內容是結合優選技術方案對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定發明的具體實施僅限于這些說明。對本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟步驟A.激光輸出系統的激光束通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面一定深度的油脂吸收激光能量后發生過熱膨脹、爆發性蒸騰、光化學分解作用形成等離子體羽并發光；步驟B.通過信號收集系統，將被測油脂的激光誘導擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統；步驟C.光譜檢測系統將測到的光譜數據與數據庫內各元素的激光誘導擊穿光譜 LIBS光譜數據進行比對，根據譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關性信息的分析數據；步驟D.計算機系統將步驟C得到的分析數據與數據庫中正常油脂樣品數據比對后就可以判斷被測油脂樣品的優劣。
2.根據權利要求1所述的基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述激光輸出系統主要分為激光測距模塊和LIBS激光發射裝置；計算機控制激光測距模塊測量被測油脂液面到激光器輸出窗口的距離L，然后計算機根據距離L換算出 LIBS激光聚焦光路中聚焦透鏡的位置，并控制移動滑塊，帶動聚焦透鏡移動到距離油脂液面一倍焦距處，使得激光束通過聚焦透鏡輻照到油脂液面的能量密度達到最大；隨后，計算機控制激光器以特定的功率密度、頻率輸出激光束，激光束經聚焦透鏡聚焦后輻照在被測油脂油面產生激光等離子體羽。
3.根據權利要求1所述的基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述的信號收集系統主要分為位置調整裝置和信號收集裝置兩部分；所述位置調節裝置是計算機根據激光測距裝置測量到的距離L信息，發出指令控制移動滑塊移動來調整整個信號收集裝置的處于最佳的收集姿態；所述信號收集裝置主要由聚焦透鏡和傳輸光纖組成，聚焦透鏡起到增大信號收集孔徑角，增大光譜信號強度，提高信噪比的作用；聚焦透鏡將采集到等離子體光譜信號輸入傳輸光纖；光信號在光纖中的傳輸過程不但抑制了外界對光譜信號的干擾，也使得整個信號傳輸系統變得更加柔性化，適應惡劣的檢測環境。
4.根據權利要求1所述的基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，其特征在于，所述的離子體光譜分析系統主要包括CCD光譜儀、分析軟件和數據庫三部分；光纖將收集到的等離子體光譜信號輸入CCD光譜儀，解析出的被測油脂LIBS光譜，然后將LIBS 光譜數據傳入計算機與數據庫內各元素的LIBS光譜數據進行比對，分析換算出譜線所對應的元素種類，并通過換算得到的特征元素的含量信息；正常食用油中的金屬元素的含量符合一定標準，比對某些金屬元素的含量就可以推斷的樣品油脂是否為地溝油，同時正常油脂樣品中碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關性表現出特定的關系，分析被測油脂樣品碳、氮、氧及其化合物成分含量的相關性也可以判斷油脂樣品的優劣。
全文摘要
本發明公開了一種基于激光誘導擊穿光譜技術的地溝油快速檢測的方法，包括以下步驟步驟A.激光輸出系統的激光束通過透鏡聚焦于被測油脂油面，使被測油脂油面形成等離子體羽并發光；步驟B.通過信號收集系統，將被測油脂的激光誘導擊穿光譜LIBS光譜信號，傳輸給光譜檢測系統；步驟C.光譜檢測系統將測到的光譜數據與數據庫內各元素的激光誘導擊穿光譜LIBS光譜數據進行比對，根據譜線位置及譜線強度解析出被測油脂的金屬元素種類和含量信息，以及碳、氮、氧及其化合物成分含量相關性信息的分析數據；步驟D.計算機系統將分析數據與數據庫中正常油脂樣品數據比對后就可以判斷被測油脂樣品的優劣。
文檔編號G01N21/63GK102519918SQ20111040469
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者丁洪斌, 海然, 趙棟燁 申請人:大連理工大學