光纤光谱仪的色素溶液浓度检测系统设计

裘燕青，王 禛，黄 杰，周盛华，王成群

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大学 信息学院，浙江 杭州 310018)

光纤光谱仪的色素溶液浓度检测系统设计

裘燕青1，王 禛1，黄 杰1，周盛华1，王成群2

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大学 信息学院，浙江 杭州 310018)

设计了一种基于光纤光谱仪的溶液色素浓度检测系统.利用该系统对柠檬黄、日落黄、胭脂红与亮蓝四种人工合成色素的混合溶液以及每种色素的标准溶液进行吸光度检测，进而计算出混合色素溶液中各色素的质量浓度.实验结果表明，该系统测得混合色素溶液中各色素的质量浓度与理论值的相对误差分别为2%、3%、4%、2%，与北京普析通用仪器有限责任公司生产的TU-1901型双光束紫外可见分光光度计的测量结果具有很好的一致性，表明该系统同时具备结构紧凑与测量可靠的特点，在一定程度上可以代替分光光度计进行吸光度检测.

光纤谱仪；比色皿座；人工合成色素；吸光度

目前，在食品生产领域中添加剂的使用十分普遍，几乎所有的食品生产都离不开添加剂.由于天然的添加剂生产成本高、产量少、价格昂贵，而人工合成添加剂成本低、产量大，所以绝大多数情况下食品中使用的都是人工合成的添加剂[1].在饮料生产中使用最多的人工添加剂是人工合成色素，饮料生产中常常使用人工合成色素配制出各种颜色，常用的人工合成色素有日落黄、柠檬黄、胭脂红、亮蓝等[2].一种有色饮料中往往含有多种人工合成色素，有些酒类，如黄酒、果酒[3]中可能会添加人工合成色素调整酒的色泽来以次充好.这些人工合成色素都以煤焦油为生产原料，都具有不同程度的毒性，长期摄入会对人体造成伤害.国家对这些色素的用量也有明确的限定，但实际生产中往往存在过量使用及非法使用的情况，所以对溶液中人工合成色素含量的检测十分必要.目前对色素的检测主要使用分光光度计来完成[4-5]，但分光光度计体积大，带有活动部件，检测速度较慢，不便于进行实时实地的检测[6-9]，因此设计一种紧凑型溶液色素测量系统具有一定的现实意义.

光纤光谱仪是一种体积小，无活动部件，检测速度快的新型光谱测量仪器[10-13].我们设计了一种基于光纤光谱仪的溶液色素浓度检测系统，该系统具有结构紧凑与检测速度快的特点，可以进行实时实地的快速检测.用该系统进行混合色素溶液质量浓度检测的实验，采用标准加入法，通过测量柠檬黄、日落黄、胭脂红、亮蓝四种色素的混合待测溶液和标准溶液的吸光度计算出不同波长下各色素的吸光系数，建立起不同波长下待测液各色素浓度与吸光度的线性方程组，利用MATLAB求解待测液中各色素浓度.

1 系统设计

如图1，该溶液色素含量检测系统由光源(光源型号为美国海洋光学生产的DT-Mini-2氘卤灯，可用波长范围为190～1 000 nm)、光纤、光纤准直器、比色皿座、10 mm比色皿及光纤光谱仪和计算机组成.氘卤灯的光通过多模光纤，经光纤准直器准直为平行光后垂直入射到比色皿，平行光经过比色皿中的待测液后再由光纤准直器耦合进多模光纤并最终输入至光纤光谱仪，最后通过计算机处理光纤光谱仪测得的数据进而计算出溶液中色素的浓度.其中比色皿座和光纤准直器为自行设计制作.

比色皿座的设计如图2，该比色皿座带有光纤准直器接口，用于安装光纤准直器，其比色皿槽深度小于比色皿高度，便于更换待测液.该比色皿座还带有隔光盖用来防止测量过程中杂光的影响，以减小实验误差.光纤准直器如图3，镜头焦长为10 mm，口径为5 mm,光纤准直器一端通过螺纹安装在比色皿座上，另一端通过SMA905接口与多模光纤连接.

光纤准直器的设计如图3.

图1 系统框图Figure 1 System block diagram

图2 比色皿座结构图Figure 2 Structure drawing of cuvette holder

图3 光纤准直器结构图Figure 3 Structure drawing of fiber collimator

系统搭建如图4.系统组装完成后打开光纤光谱仪配套软件，在没有任何光线进入光谱仪的条件下获取并减去光谱仪的暗背景，打开光源，将盛有光学纯水的石英比色皿插入比色皿座，将测得的光谱设置为参考光谱.此时，系统测试条件准备完毕，可以对色素溶液进行成分与浓度检测.

图4 实际系统照片Figure 4 Photo of actual system

2 系统实际性能检测

为了验证该溶液色素浓度检测系统的可靠性和准确性，设计实验对混合色素溶液中各色素的浓度进行检测并与理论值和同实验条件下分光光度计的实验结果做比对.待测溶液将使用饮料中最常见的几种人工合成色素配制.一般饮料中的人工合成色素种类在三种以下，本实验选取胭脂红、柠檬黄、日落黄、亮蓝这四种最常见使用最普遍的人工合成色素配制待测液.

2.1 实验方案

实验方案如下.

1)配制待测液：

分别取亮蓝0.015 g、柠檬黄0.020 g、日落黄0.020 g、胭脂红0.035 g，于500 ml容量瓶中用去离子水配成待测液.待测液中日落黄、胭脂红、柠檬黄、亮蓝的质量浓度分别为40 μg/mL、70 μg/mL、40 μg/mL、30 μg/mL.

2)配制所需母液和样本溶液：

分别称取0.1 g日落黄、0.1 g柠檬黄、0.1 g胭脂红、0.1 g亮蓝，于100 mL容量瓶中用去离子水配成质量浓度为1 000 μg/mL的母液.采用标准加入法，每瓶标准液由10 mL待测液、去离子水和不同量的母液在50 mL容量瓶中配制而成，通过改变母液的加入量使日落黄、柠檬黄、胭脂红这三种色素的标准溶液分为10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、…、100 μg/mL等10种不同质量浓度的样本溶液.由于亮蓝在其峰值波长下的吸光系数较大，当质量浓度超过60 μg/mL时其吸光度已经超过0.8，考虑到朗伯-比尔定律，吸光度在0.2～0.8时实验结果基本符合实际，为了减小误差，亮蓝的标准液十个样本的质量浓度应分别为5 μg/mL、10 μg/mL、15 μg/mL、…、50 μg/mL.

3)使用搭建好的色素溶液浓度检测系统对待测液和每一份标准液进行吸光度检测.

4)使用分光光度计对待测液和每一份标准液进行吸光度检测.

5)选取合适的波长，利用软件计算出各色素在被选的几个波长下的吸光系数.

6)建立待测液在不同波长下的吸光度与色素浓度的方程并用MATLAB计算出各色素浓度.

7)以待测液实际浓度和分光光度计做出的实验结果做对比，分析误差.

2.2 实验数据与分析

2.2.1 波长选择

图5为在可见光范围内亮蓝、胭脂红、日落黄、柠檬黄四种色素的吸收光谱，亮蓝有两个吸收峰，分别在629 nm和409 nm处；胭脂红有一个吸收峰，在508 nm处，但吸收峰较宽；日落黄有一个吸收峰，在482 nm处，光谱较宽；柠檬黄有一个吸收峰，在427 nm处.

图5 各色素吸光度曲线Figure 5 Spectra of four pigment solutions

图6为待测液吸收光谱，为了更加准确地计算混合色素溶液中各色素的质量浓度，减小实验误差，实验中应选取各色素吸收峰值处的波长，在这些波长处建立方程组求解各色素浓度.因为在色素吸收峰处吸光度随浓度改变的幅度最大，色素溶液的吸光度和质量浓度的线性关系更好，计算出的吸光系数更加准确.根据图5、图6选取以下波长427 nm、482 nm、508 nm、629 nm，在这4个波长处建立关于混合色素待测液吸光度与各色素质量浓度的一次方程组，通过求解方程组获得各色素的质量浓度.

图6 混合色素待测液吸光度曲线Figure 6 Absorbance curve of pigments mixture solution

2.2.2 吸光系数计算

分别以629 nm波长条件下的亮蓝标准溶液，427 nm波长条件下的柠檬黄标准溶液，482 nm波长条件下的日落黄标准溶液和508 nm波长条件下的胭脂红标准溶液为例，说明在不同波长下不同色素吸光系数的计算.

图7为由光纤光谱仪测得的柠檬黄标准溶液中十个样本溶液的吸光度曲线.由图7中十个样本溶液的柠檬黄浓度为横坐标，对应的吸光度为纵坐标.用Origin拟合曲线结果如图8，拟合所得曲线为Y=0.005 07X+0.080 33，R-Square=0.998 37说明427波长处柠檬黄吸光度与浓度关系为良好的线性关系，由拟合的系数知柠檬黄在427 nm处的吸光系数为0.005 07.

图9为由光纤光谱仪测得的日落黄标准溶液中十个样本溶液的吸光度曲线.

用Origin拟合曲线结果如图10，拟合所得曲线为拟合所得曲线为Y=0.005 13X+0.112 27，R-Square=0.999 8说明482 nm波长处日落黄吸度与浓度关系为良好的一次线性关系,由拟合的系数知日落黄在482 nm处的吸光系数为0.005 13.

图7 柠檬黄标准溶液吸光度曲线Figure 7 Absorbance curve of lemon yellow standard solution

图8 427 nm处柠檬黄标准溶液吸光度曲线Figure 8 Relationship between absorbances and concentrations of lemon yellow at 427 nm

图9 日落黄标准溶液吸光度曲线Figure 9 Absorbance curve of sunset yellow standard solutions

图10 482 nm处日落黄标准溶液吸光度曲线Figure 10 Relationship between absorbance and concentrations of sunset yellow at 482 nm

图11为由光纤光谱仪测得的胭脂红标准溶液中十个样本溶液的吸光度曲线.

图11 胭脂红标准溶液吸光度曲线Figure 11 Absorbance curve of carmine red standard solutions

用Origin拟合曲线结果如图12，所得曲线为Y=0.004 34X+0.1074，R-Square=0.999 83说明508 nm波长处胭脂红吸度与浓度关系为良好的一次线性关系，由拟合的系数知胭脂红在508 nm处的吸光系数为0.004 34.

图12 508 nm处胭脂红标准溶液吸光度曲线Figure 12 Relationship between absorbances and concentrations of carmine red at 508 nm

图13为由光纤光谱仪测得的亮蓝标准溶液中十个样本溶液的吸光度曲线.

图13 亮蓝标准溶液吸光度曲线Figure 13 Absorbance curve of brilliant blμe standard solutions

用Origin拟合曲线结果如图14，所得曲线为Y=0.009 37X+0.062 93，R-Square=0.999 68说明629波长处亮蓝吸度与浓度关系为良好的一次线性关系，由拟合的系数知亮蓝在629 nm处的吸光系数为0.009 37.

图14 629 nm处亮蓝标准溶液吸光度曲线Figure 14 Rrelationship between absorbances and concentrations of brilliant blue at 629 nm

本实验通过光纤光谱仪系统测得上述4种色素在4个峰值波长处的共16个吸光系数，由表1给出.

表1 色素吸光系数Table.1 Absorption coefficient of four kinds of pigment

2.2.3 各色素浓度计算

由朗伯-比尔定律可得如下形式方程组：

调用MATLAB中的函数求解出待测液中各色素浓度如下.

实际值：柠檬黄40μg/mL;日落黄40μg/mL;胭脂红70μg/mL;亮蓝30μg/mL.

基于光纤光谱仪的溶液色素质量浓度检测系统检测值为：柠檬黄40.774μg/mL;日落黄41.225μg/mL;胭脂红72.53μg/mL;亮蓝30.696μg/mL.

由北京普析通用仪器有限责任公司生产的TU-1901型双光束紫外可见分光光度计检测的检测值为：柠檬黄39.233μg/mL;日落黄40.861μg/mL;胭脂红69.947μg/mL;亮蓝30.518μg/mL.

通过数据比对可以看出本文所述的基于光纤光谱仪的溶液色素浓度检测系统测得的实验值与实际值的相对误差分别为2%、3%、4%、2%，具有较高的准确性.

3 结 语

设计了一种基于光纤光谱仪的紧凑型溶液色素浓度检测系统，使用自行设计的比色皿座与光纤准直镜系统，对柠檬黄、日落黄、胭脂红、亮蓝四种人工合成色素进行了系统的浓度检测实验.实验结果表明该系统测量值与理论值的平均相对误差保持在3%以内，说明在一定程度上该系统在色素检测方面可以代替分光光度计.同时，该系统还具有结构紧凑、方便携带、检测速度快等特点，以及可以实时实地进行光谱检测等分光光度计所不具有的优点，未来采用电池供电有望发展成一体化、便携式的色素浓度检测系统.

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Design of artificial pigment solution concentration detection system based on optical fiber spectrometer

QIU Yanqin1, WANG Zhen1, HUANG Jie1, ZHOU Shenghua1, WANG Chengqun2

(1.College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.Information institute, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

An artificial pigment solution detection system based on the fiber optic spectrometer was designed. The spectra of solutions with lemon yellow, sunset yellow, carmine red and brilliant blue were measured with the system. The experimental results show that the relative errors measured with the system were 2%，3%，4%，2% respectively. The experimental results suggest that the system can be an ideal substitute of spectrophotometer for absorbance measurement.

optical fiber spectrometer; cuvette holder; artificial synthetic pigment; absorbance

2096-2835(2016)04-0366-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.002

2016-07-07 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省科技厅公益技术应用研究项目(No.2014C31114).

TN202

A