光谱技术在水产品品质检测中的应用研究进展

随着我国水产养殖业以及水产加工业的快速发展,水产品在国民饮食结构中占比越来越大,消费者对于水产品的质量要求也越来越高。为了满足消费者对水产品的质量要求,企业和市场需要在供应链的各个环节对水产品进行检验并公之于众。因此,迫切需要开发一种能够满足对水产品进行快速无损检测的技术。光谱技术可以根据样品特征波长处的波谱特性推算出其物质性质与组分含量,在水产品新鲜度检测、有害物残留检测、有害微生物含量检测、质量分级、掺假分析等方面具有巨大的应用前景。对水产品品质检测中几种常用的光谱技术的优势和局限性等特点进行讨论和总结,认为光谱检测技术与实验室传统理化检测方法相比具有快速、无损、测试重现度好,精度高等优点,这些特点使得在线实时检测水产品质量成为可能,继而可以带来巨大经济效益。但光谱检测具有前期投入高,模型普适性差且需持续维护的缺点,每种光谱技术也分别有各自的适用范围及局限性,因此光谱技术在水产品品质检测中的应用有待进一步研究改进。此外,整理了国内外现有的相关研究文献,对检测过程中常用的光谱数据预处理算法和预测模型进行讨论和评述,重点阐述了水产品品质检测中的几种常用光谱预处理算法和光谱数据建模方法的特点和应用现状。目前光谱技术在水产品品质检测中的应用主要处于实验室研究阶段,尚未大规模应用于商品市场和消费市场,根据上述分析展望了光谱技术在水产品品质检测中应用的发展方向,认为建立统一、标准、高效的光谱检测模型库,结合多个指标进行相关性分析,并排除光谱采集过程中的环境干扰,实现水产品品质实时在线检测是未来的技术发展趋势。     

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点。农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波的穿透特性对带包装样本、包衣样本的检测又独具优势;太赫兹时域光谱与成像技术结合还可以进一步对农作物样本的组织形态进行辨别评价,因此太赫兹波技术逐渐成为农作物品质检测领域一项极具应用潜力和应用前景的前沿分析技术。简述了太赫兹时域光谱及成像技术的基本原理,聚焦于太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测领域的应用研究现状,对该技术在农作物种子质量鉴别（如品种、转基因和活力）、农作物成分分析（如糖类、水分和淀粉）,农作物贮藏品质判别（如新陈度、劣变和虫蚀）以及在农产品安全检测（如农药残留、非法添加物和异物）方面的新近研究工作和进展进行归纳总结,并展望了该技术在农作物品质检测领域的应用前景和发展趋势。     

高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用

水果和蔬菜的品质与安全是消费者最为关心的问题。传统的化学检测方法是一种费时费力的破坏性检测技术。随着成像和光谱技术的快速发展,高光谱成像技术已经广泛应用于农产品品质与安全的快速无损检测中。高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,因此该技术既可以像检测物体的外部品质,又可以像光谱技术一样检测物体的内部品质和品质安全。目前,已经有大量的基于高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表,为了深入了解高光谱成像技术的检测原理并跟踪国内外最新的研究进展,综述了高光谱成像技术在水果和蔬菜外部品质、内部品质和品质安全检测中的原理、发展和应用。另外,还简要介绍和讨论了高光谱成像系统的构成、常用的数据分析方法、发展趋势及面临的挑战。     

近红外光谱技术在水产品检测中的应用研究进展

水产品富含水分、蛋白质、不饱和脂肪酸与游离氨基酸等,是消费者喜爱的食品之一。然而,其在贮藏过程中由于温度波动或操作不当等因素会引起品质下降,引发一系列的食品安全问题。近红外光谱技术是一种利用物质对光的吸收、散射、反射和透射等特性来确定其成分含量的检测技术。该技术作为食品分析方法之一,在食品领域中应用广泛,可进行从气体到液体,从匀浆到粉末,从固体材料到生物组织等样品的快速精准与定性定量分析,具有快速无损,安全高效,多组分同时测定等特点。主要对常用无损检测技术的特点进行比较分析,对近红外光谱技术的主要工作原理予以说明,综述了该技术在水产品鲜度评价、掺伪分析、质量评估与货架期预测等方面的应用实例与最新研究进展,目前存在的主要问题,提出该技术应在进一步提升水产品检测精度的前提下,通过与各类理化指标的相关性分析、多种检测技术相融合等法来实现全面评价水产品品质的最终目标,以使其在水产品快速检测过程中得到更加广泛的应用。     

表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用

基于表面增强拉曼光谱的成像分析方法具有频带窄,水溶液背景弱,稳定性好,高特异性等优势已成为生物成像领域的优良选择。拉曼成像技术拓展了拉曼光谱的应用范围,使其不再只是检测单点化学成分的手段,而进一步用于对评价区域内化学物质成分、分布及变化进行整体统计和描述。本文探讨了表面增强拉曼散射的原理及增强机制,介绍了基于表面增强拉曼光谱的拉曼成像技术,并对其在无标记成像及带标记成像中的细胞成像、活体成像,特别是其在生物医学方面的应用进行了详细论述,最后讨论了表面增强拉曼光谱生物成像技术存在的问题,展望了该项技术的研究和应用前景。     

高光谱成像技术无损检测赣南脐橙表面农药残留研究

高光谱成像技术具备图像和光谱的双重优势,作为一种快速无损检测分析技术,检测过程无损、无污染和无接触。高光谱成像数据包括样本的图像信息和光谱信息,采集样本高光谱成像数据时,样本的每个像素点都有一条光谱与之对应,样本的每个波长都有一幅灰度图像与之对应。研究采用高光谱成像技术无损检测不同稀释浓度的农药在赣南脐橙样品表面残留随时间变化的关系。用蒸馏水把农药分别配置成1∶20, 1∶100和1∶1 000倍的溶液。然后把不同浓度的溶液滴到30个洗净的脐橙表面, 将涂有农药的脐橙分别放置0,4和20 d,然后采集在900～1 700 nm波长范围的高光谱成像原始数据。通过主成分分析获取930,980,1 100,1 210,1 300,1 400,1 620和1 680 nm共8个特征波长,基于这些特征波长做第二次主成分分析,应用PC-2图像并经过适当的图像处理方法对不同浓度及放置不同天数的农药残留进行无损检测。采用高光谱成像技术检测三个时间段较高稀释浓度的果面农药残留都比较明显。高光谱成像技术作为一种检测方法,可用于评价各个时间段较高浓度的农药残留。     

茶叶夹杂昆虫异物THz光谱检测研究

中国红茶因其悠远的文化底蕴和多种保健功效而广受推崇。红茶经杀青、揉捻、晒干、筛选、干燥制成成品。但复杂的加工工艺也增加了物理污染的风险,在加工过程中难免会夹杂非茶类异物。物理污染属于随机事件,占食品安全投诉事件的19.8%。降低食品污染是未来造成厂家与消费者、进出口贸易双方争议的关键。昆虫等有机异物尚属于X射线不可检测范畴的食品异物,但昆虫异物混入频率较高,容易造成消费投诉,迫切需要开发相应的无损检测方法。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术作为一种新兴的检测技术,在农产品、食品以及药品无损检测方面均具有良好的应用潜力。THz具有良好的低能透射和指纹光谱特性、且无电离辐射损伤,能透过食品基质获取潜藏异物的光谱和图像信息,是农产品、食品无损检测的较佳选择。为了实现茶叶夹杂低密度有机异物的高效检测,本文基于THz光谱技术,探索红茶夹杂昆虫异物的无损检测新方法。在0.2～3.0 THz范围内,采集了红茶基质、昆虫异物以及夹杂昆虫异物红茶的THz光谱。分析了茶叶基质和昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗响应特性,从频谱图可以看出茶叶基质与昆虫异物的THz吸收系数和介电损耗存在显著的差异,主要由昆虫异物的蛋白质和脂肪成分引起,这奠定了红茶夹杂昆虫异物的THz光谱检测基础。但茶叶与昆虫异物吸收系数均无明显的特征峰,且在2.0～3.0 THz高频波段内存在较为明显的噪声。采用主成分分析方法分别对吸收系数和介电损耗进行降维处理,通过得分图可以判断出红茶基质与夹杂昆虫异物的红茶之间存在明显的区别,且吸收系数的聚类效果优于介电损耗系数。分别选取0.5～1.0 THz范围的THz吸收系数和介电损耗为输入向量,建立了支持向量机（SVM）和线性判别分析（LDA）判别模型。实验结果表明,基于THz吸收系数的LDA判别模型精度最高,新样品的正确识别率为73.68%。这说明应用THz时域光谱无损检测红茶夹杂的昆虫异物具有可行性,同时THz光谱结合模式识别算法为茶叶夹杂昆虫异物无损检测提供了新方法,也可为其他农产品和食品检测提供参考。     

高光谱特征的人造肉中低色度差异物检测

人造植物肉在其原料运输、制糜和包装等加工环节时有发生异物污染事件，误食异物会严重损害人的身体健康。常规食品异物检测方法容易检测出如金属、石头等坚硬、深色异物，而软质、浅色、透明异物却是食品异物污染事件中的主要来源且是检测的难点。根据异物和人造肉各自化学组成成分的差异，提出了一种人造肉中低色度差异物的高光谱成像检测方法，根据异物与人造肉光谱信息的差异，建立模式识别模型，来进行人造肉中低色度差异物的判别，最后结合数字图像处理技术对异物进行空间分布可视化。选取了聚碳酸酯（PC）、涤纶树脂（PET）、聚氯乙烯（PVC）、硅胶、玻璃五种食品生产加工过程中常见的低色度差异物为研究对象，模拟人造肉压片的工业制作流程, 将异物混入人造肉肉糜中，制备混有异物的人造肉样品，分别采集异物和人造肉感兴趣区域（ROI）的反射高光谱数据，采用SG，SNVT，MSC，VN，1ST及2ND六种不同的光谱预处理方法对原始光谱数据进行预处理，然后采用主成分分析法（PCA）对预处理后的光谱数据降维，采用连续投影算法（SPA）提取人造肉的特征波长。分别以全波段光谱、特征波长和主成分变量作为模式识别模型输入变量，对比LDA，KNN，BP-ANN，LS-SVM四种模式识别模型的准确率，优选出最佳的定性识别模型，设置优选模型异物类别输出变量为1、人造肉类别为0，生成二值图像，再结合数字图像处理技术实现人造肉中异物分布可视化，进而实现人造肉中低色度差异物的识别。结果表明，采用SG预处理后的光谱在降噪方面优于其他预处理方式。SPA法优选了人造肉10个特征波长。全波段主成分变量结合BP-ANN模型的检测效果最佳，准确率达98.33%。验证了高光谱技术应用于人造肉中低色度差异物检测的可行性。     

多光谱荧光图像技术检测农药残留

多光谱成像技术是一种结合传统的二维成像技术及光谱技术的新兴无损检测技术。本文利用有机磷农药的荧光特性,结合多光谱成像技术和荧光激发技术,研发了叶片农药残留快速检测的多光谱荧光成像系统。结果表明,在190~300 nm的紫外光激励下,配置好的有机磷农药氧乐果会在440 nm附近产生显著的荧光发射,并且荧光发射光谱峰值与农药浓度具有良好的线性关系。滤光片可置换的多光谱成像系统研发以及实验检测结果为开发实时在线的农药残留快速无损检测系统提供了技术保障和理论依据。     

光谱成像技术在海上目标探测识别中的应用探讨

光谱成像可同时获得光谱和空间信息,这使得光谱成像技术在解决复杂海洋环境背景下目标探测与识别时表现出独特的优势,已成为光电目标检测领域的一个前沿研究方向。对光谱成像技术的原理、特点进行了讨论并重点列举了该技术在探测领域的应用;介绍了光谱成像技术在海上目标探测识别中的研究进展,并对光谱成像技术在该领域的应用价值进行了探讨。     

农产品外部品质无损检测中高光谱成像技术的应用研究进展

高光谱成像技术是一种传统图像及光谱的融合技术,可以同时获取研究对象的空间及光谱信息.由于图像数据能反映农产品的外部特征、表面缺陷及污斑情况,而光谱数据又可以对物体内部物理结构及化学成分进行分析.因此,近几年在农产品品质无损检测中引起越来越多的关注,成为一个研究热点.为了跟踪国内外的最新研究成果,对高光谱反射及荧光成像技术应用于农产品(水果、蔬菜、肉类、谷物等)的外部品质检测进行了分类综述,以期为高光谱技术在农业方面更广阔的应用提供参考.     

食品中三聚氰胺的光谱检测与分析技术研究进展

三聚氰胺是豆、乳类制品中的非法食品添加剂,曾作为蛋白质的廉价代替物被非法添加进奶粉等食品中,造成了严重的社会危害,极大地威胁人民生命财产安全。目前光谱技术已成为识别和定量检测非法食品添加剂的有效手段,为质量监管部门提供了可靠的研究方法和鉴定依据。光谱检测技术的时效性、无损性和准确性提高了食品中三聚氰胺的检测效率,促进了精准化、自动化食品质量检测的发展。近年来有大量研究围绕着三聚氰胺的光谱检测新技术,如开发新型增强底物或传感器,降低三聚氰胺的检测限,提高检测精度;开发更加便携的自动化光谱快检设备,降低检测成本,提高检测效率。这些光谱技术各具优势,但很难形成标准化、统一化的检测规范,使得各种光谱检测技术仅仅停留在试验阶段,无法应用于实战。另一方面,随着人工智能与模式识别技术的发展,光谱数据分析方法在近年来也有着长足的进步,各种光谱预处理和数据建模方法被不断提出,大大提高了光谱检测技术的灵敏性和稳定性。综述了近十年光谱技术（拉曼光谱、近红外光谱、荧光光谱、光谱成像等）在三聚氰胺检测中的应用现状,总结了不同仪器检测限、定量范围和样品前处理方法;分析了各种光谱预处理和光谱数据建模方法在不同光谱数据中的适用性,归纳出这些方法的优劣与适配的仪器,并对其应用前景和研究趋势进行了展望。     

水源性病原菌光谱检测技术研究进展

水源性病原菌污染会引发多种疾病,严重危害人类健康和公共卫生安全。水源性病原菌检测对人类医疗保健、水安全保障和疾病诊断等具有重要的意义。常规水源性病原菌检测技术,如人工培养法、分子生物法和免疫学法,其测量结果准确、有效,但样品预处理繁琐且费时,不利于病原菌实时在线检测。光谱检测技术以非侵入式获取病原菌发射、散射或吸收光谱特征,能够确定病原菌性质、结构和含量等信息。由于该技术具有易于操作、快速、便携、无损和便于实时监测等优点,在环境监测、生物分析中具有广泛的应用前景。文章介绍了现有水源性病原菌检测技术及其优缺点,指出开展病原菌快速、高效检测的必要性;讨论了光谱检测技术原理及数据分析方法,重点综述了紫外可见光谱、荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱和太赫兹光谱在水源性病原菌检测的工作原理和研究进展;最后总结了各技术的优缺点。提出了光谱技术在病原菌检测的实际应用中面临的挑战及应对策略,为进一步发展基于光谱技术的水源性病原菌的快速检测提供参考。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

电荷耦合器件及其应用进展

电荷耦合器件（ＣＣＤ）是基于金属－氧化物－半导体（ＭＯＳ）技术的光敏元件。目前ＣＣＤ已具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监测等能力的优点。目前它已经广泛地应用在各个领域。本文扼要介绍了ＣＣＤ的基本工作原理。特点及性能表征。评述了ＣＣＤ在光谱检测和成象领域中较活跃的应用及发展前景。指出了ＣＣＤ技术的发展给光谱分析领域带来了革命性的进展     

近红外光谱技术在葡萄及其制品品质检测中的应用研究进展

葡萄具有丰富的营养价值、药用价值和经济价值,是世界上种植面积最大的水果之一。根据人们的消费需求及产品的贮运要求,葡萄被加工成葡萄干、葡萄汁、葡萄酒、葡萄籽油等常见葡萄制品。基于食品质量安全的关注以及高品质果蔬农产品的需求,如何快速有效地评价葡萄及其制品的质量已成为当务之急。随着无损检测技术及装备的快速发展,近红外光谱（NIR）技术因其快速、无损、精确、经济及便于在线分析的优点,也逐渐被应用在果蔬等农产品质量品质检测领域。近年来,国内外学者利用NIR技术在不损坏被检测葡萄及其制品的前提下,结合化学计量法、主成分聚类分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）、支持向量机（SVM）及神经网络（NN）等数据处理方法探究了糖、酒精、酸等一般成分及色素、单宁、芳香物质等特有成分含量与有效光谱信息的关联性,以此建立了葡萄及其制品主要品质指标的定性鉴别与定量分析模型,为便携式近红外葡萄品质检测设备的研制和在线葡萄汁、葡萄酒酿制过程监测系统的开发提供了一定技术支持。文章系统概述了近十年来国内外NIR技术在葡萄、葡萄酒、葡萄汁及葡萄副产物检测中的应用现状,旨在为葡萄及其制品在后续分类鉴定与品质评价研究方面提供参考。研究表明NIR技术通过定量定性分析可实现葡萄复杂理化成分的多组分检测和分类鉴别,在测定葡萄理化特性与内部品质方面的研究已经有了一定的进展,且在葡萄酒、葡萄汁的品质过程监测和定性鉴别方面的研究应用逐渐增多,并逐步应用于葡萄皮中多酚、花青素等葡萄副产物分析,以及葡萄藤、葡萄叶营养生长状况监测等其他方面,进一步证实了NIR技术正成为检测葡萄及其制品品质的一种有效工具,为进一步提高葡萄及其制品品质价值以及实现葡萄果园的实时、高效生产管理提供了技术支持,应用前景极为广泛。如何深入挖掘葡萄及葡萄制品不同类检测数据所反映信息的内在关联性,结合视觉、味觉、嗅觉等多源信息融合技术建立预测精确度更高、更稳健的模型去全面评价葡萄生产、果园管理、成熟期收获及产后加工全过程,实现对葡萄及其制品生产全过程质量控制和在线监测将成为今后的发展趋势。     

远程激光诱导击穿光谱技术进展

远程激光诱导击穿光谱技术(Remote LIBS)是一种利用高能激光和聚焦手段实现远距离分析物质元素组成的光谱探测技术,是远程探测的一种重要手段。本文对远程LIBS的三种探测方式(开放路径式、光纤光路式和便携式探针式)及相应的系统结构做了总结和分析。传统的开放路径式对激光器、光学系统和检测系统的性能和规格要求严格,一直是远程LIBS的研究热点;光纤光路LIBS优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。本文综述了远程LIBS新技术的研究进展,着重分析了飞秒成丝远程LIBS技术及与Raman光谱探测相结合等远程LIBS新技术的特点和优势。新技术大大提高了探测距离,增强了物质识别能力,为扩大远程LIBS的应用做出巨大的贡献。同时,论文详细介绍了远程LIBS技术在深空探测、危害物质检测、工业冶金、文物检测修复等领域的研究现状和应用新进展。远程LIBS技术随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究,探测距离和应用范围不断扩大,检测精度和准确度也在提升。     

基于荧光光谱分析的农药残留检测研究进展

在农业生产中施用农药可提高农产品的产量,然而农药的过量使用也威胁着我国农产品的质量安全,因此对农产品的农药残留进行快速有效的检测成为农业生产大环境下的迫切要求。荧光光谱分析技术具有突出的高灵敏度以及有利的时间标度,对多组分农药残留检测具有良好的分辨能力,与气相色谱法、液相色谱法、气-质联用法等农药残留检测方法相比具备前处理简单、检测速度快等优点,在复杂的农药残留检测环境中有较大的优势。介绍了基于荧光光谱分析技术的农药残留快速检测方法,概述了传统的荧光光谱分析方法在农药残留检测上的应用,以及荧光光谱分析结合同步-导数法、三维荧光光谱、人工神经网络,生物传感器,金属纳米材料等方法与技术用于农药残留检测的研究发展现状,分析了基于荧光光谱分析的农药残留检测现阶段仍存在的局限与挑战,以及未来发展趋势。荧光光谱分析技术在农药残留检测上的普遍推广及应用需通过荧光检测仪器不断朝集成化、模块化发展来实现,使得检测更快捷高效。