便携式近红外光谱仪检测水果可溶性固形物方法的研究

1 试验方案的设计
　 本文将两台便携式近红外光谱仪应用于丰水梨、幸水梨和水蜜桃3种水果的可溶性固形物快速检测的应用中，主要从以下4个方面展开研究工作：仪器参数的选择、样品与近红外光谱测定、3种水果的SSC测定和光纤探头与水果间距离的选择。

1．1光谱仪器及主要设备介绍
 试验用到的的光谱仪器有两台，l台是便携式近红外光谱仪，另1台为微型近红外光谱仪，其主要性能指标和外形如下：
 (1)便携式近红外光谱仪
　 　该便携式近红外光谱仪(图3．1)型号为NII匕56．2．2T2光谱仪，是由美国CONTI的LDEVELOPMeNT公司生产，仪器采用制冷型高性能铟镓砷阵列探测器，可在几ms内得到全波段光谱。仪器的具体参数如下：

工作波长：1 089～2 219nm；波长分辨率：lmn；检测器通道数：256个；光度准确性：低于0．00005AU。

(2)微型近红外光谱仪
 试验中所用到的微型近红外光谱仪为美国巾SU公司生产的Micr0NIR-1700光谱仪(图3．2)，该光谱仪体积小(目前世界上最小的近红外光谱仪)，重量轻，电池供电或uSB端口供电，采用线性可变滤波片(LVF)技术直接安装的线性阵列式探测器的前端(CCD)，可用于现在或在线检测仪器的具体参数如下：
　光谱范围：950．1650nm；光谱采样间隔：6．25nm；探测器：128像素111GaAs；重量：60g；尺寸：直径为45mm，高为42mm；电源要求：USB供电，<500mA 5V；操作温度：．20至40℃；照明光源：采用两真空钨灯，寿命为18000小时；输入孔尺寸：0．5×2．0mm。

试验中使用的其他设备：

(3)阿贝折射仪；

　　该仪器产自上海精密仪器科技有限公司生产的型号：2WAJ的阿贝折射仪，主要指标：糖度测量范围：1．300．1．700；测量精度：0．0002；折射率的最小分度值：O．0005；蔗糖量浓度最小分值：0．25％。

(4)专用光导纤维探头
 试验中所使用的光导纤维探头由南京春辉科技实业有限公司生产，规格是：Q0.6×1m。该光纤探头实物图如图3．3(a)所示，属于“Y”型光导纤维探头，内部光纤丝呈6进1出排列，单根光纤直径为06mm。光纤探头的光纤排列如图3．3(b)所示，出射光纤由6根入射光纤环绕，光源的光线由入射光纤照射至样品，经与样品相互作用后的漫反射光经出射光纤传送到近红外光谱仪

(5)白板
　 试验中使用的白板由海洋光学生产，型号：WS一1一SL

2.3种水果SSC的测定
 SSC的测量过程如下：将折光仪放置于干净桌面上，打开阿贝折光仪的工作面，使用脱脂棉蘸乙醇擦拭干净，用水果刀削去水果样品外层圆形区域果皮，再削取一薄片圆形果肉，挤压果肉，将挤出的汁液滴于折射仪棱镜上，迅速闭合，静置数秒钟后，使果汁均匀无气泡，并充满视野。对准光源，由目镜观察，转动补偿器螺旋，使明暗分界线明晰，转动标尺指针螺旋时其明暗线恰巧在接近物镜“x”线的交点上，读取目镜中观察到的百分数，即为可溶性固形物的百分含量，3种水果可溶性固形物含量的统计信息如表3．1所示。由表可以看出水蜜桃的SSC范围跨度**，**值己达21．75，由SSC的均值可以看出3种水果SSC的平均水平相差不大，其中水蜜桃最高，其次是丰水梨，最低的是水蜜桃，另外从方差大小可以看出，水蜜桃SSC的方差**，说明水蜜桃的SSC值变化较大。

5光纤探头与水果表面距离的选择
 为确定光纤探头与水果间的距离多大时定标模型预测效果**，比较了3种距离对定标模型的预测精度的影响，分别使用了0 mm(光纤头贴近水果检测)，2 mm和4mm的
距离，通过在3种距离下进行建模比较，确定光纤探头与3种水果的**距离。由于PLS回归建模方法综合了相关分析、多元线性回归及主成分分析这些功能，因此它可以有效地处理自变量的多重线性相关问题，被认为是目前最适合近红外光谱建模的方法之一，因此本研究也统一使用PLS比较3种水果的定标模型建立、预测精度与距离之间的影响关系。
　表3．2，表3．3，表3．4分别给出了光纤探头与水果表面3个距离的PLS建模预测结果。由表可以看出：对于选定的3种水果，当光纤探头贴近水果检测时，校正相关系数尺c和预测相关系数Rp都**，而交互验证均方根误差尺旌ECy和预测均方根误差刚脚都最小，因此可以得出当光纤探头与水果贴近检测时，检测效果**，此时丰水梨的Rp和尺脚分别为0．9210，0．5021；幸水梨的尺p和R脚分别为0．8166，O．6320；而水蜜桃的Rp和R脚分别为0．8242，1．3778。该结果表明，光纤探头与水果间距离对模型预测效果起着重要作用，之所以将光纤探头与水果贴近检测时，会有**预测效果，可能有如下两方面的原因：一是可以尽量避免受到外界杂散光的影响，因为光纤探头贴近水果检测时，外界杂散光几乎无法通过光纤探头进入探测器，当光纤探头与水果间有段距离时，外界杂散光就极易通过光纤探头进入探测器，尽量减少近红外光谱的不稳定及发生基线漂移现象，提高了定标模型的预测精度；
二是随着光纤探头与水果间距离的增加，入射光线不变，但接收到的漫反射光谱信息量会减少，使得噪声信息相应地增加，从而降低模型的预测性能。

本章小结
　　NIR256．2．2T2光谱仪采集的3种水果光谱数据采用了相关系数法、UVE、biPLS、siPLS、bmLS+GA、siPLS+GA等6种波长优选法进行PLS建模比较，而MicroNIR_1700采集的3种水果光谱数据采用了相关系数法、UVE、siPLS等3种波长优选法进行PLS建模比较。研究结果表明：NIR256．2．2T2光谱仪对丰水梨的**波长优选法为biPLS+GA，其却为O．9527，R脚为O．3987；MI匕56．2．2T2光谱仪对幸水梨的**波长优选法为biPLS+GA，其砌为0．8680，R彪孓E功0．5405；NIR256．2．2T2光谱仪对水蜜桃的**波长优选法为bmLS，其砌为0．8679，R脚为1．1958。MicroNIR-1700光谱仪对丰水梨和水蜜桃的**波长优选法的建模预测精度均没有**预处理法的建模预测精度好；MicroNIR-1700光谱仪对幸水梨的**波长优选法为相关系数法，其Rp和R^舔印分别为O．8276，0．6196。

　 综上所述， NIR256．2．2T2光谱仪对丰水梨、幸水梨和水蜜桃的**波长优选法分别为biPLS+GA、bmLS+GA，biPLS，MicroNIR-1700光谱仪对丰水梨、幸水梨和水蜜桃的**波长优选法分别为siPLS，相关系数法，UVE，其中MicroNIR-1700光谱仪对丰水梨和水蜜桃的**波长优选法的建模预测精度没有**预处理方法的建模预测精度。