硫熏中藥材快速檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

王永清，劉佳星，王碩南，李鐸

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點實驗室，河北 保定 071002)

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硫熏中藥材快速檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

王永清，劉佳星，王碩南，李鐸

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點實驗室，河北 保定 071002)

基于可見-近紅外光譜技術(shù)研制了一種便攜式硫熏中藥材快速檢測儀器，主要由鋰電池組、DC/DC變換電路、恒流源部分、光源部分、樣品池、微型光纖光譜儀、筆記本電腦等組成.闡述了儀器的構(gòu)成及工作原理，給出了鹵鎢燈恒流驅(qū)動電路原理圖，并詳細(xì)介紹了其工作原理和實測技術(shù)參數(shù).在使用分析純無水乙醇做溶液情況下，對比了正常/硫熏樣品浸出液，硫磺浸出液/無水乙醇的透過率光譜，得出含硫浸出液在715nm和835nm處具有特征吸收峰，可作為硫磺熏蒸樣品檢測判據(jù).利用研制的樣機對正常/熏硫黨參、枸杞樣品進行了測試，測試結(jié)果表明可區(qū)分樣品是否經(jīng)過硫磺熏蒸.

硫磺熏蒸；中藥材；檢測；現(xiàn)場；光譜；特征峰

硫磺熏蒸是中藥材的傳統(tǒng)加工方法之一，主要目的是防腐、防霉、防蟲蛀，有利于藥材干燥以及長期保存[1-3].硫熏后的中藥材顏色鮮艷、白度提高，為提高其賣相常用于枸杞、金銀花、菊花、黨參等中藥材的加工中.但硫磺殘留量的嚴(yán)重超標(biāo)，直接損害了服用者的身體健康[4-6]，因此中國、韓國等國家均制定了中藥材二氧化硫殘留量限量標(biāo)準(zhǔn)[7-8].常見中藥材二氧化硫殘留檢測方法有酸蒸餾碘滴定法、離子色譜法[9]、莫尼-威廉法[10]、光譜法等，其操作要求高，步驟繁瑣，難以用于現(xiàn)場快速測試[11-13].本文自行研制了基于微型光纖光譜儀的便攜式硫熏中藥材快速檢測儀器，經(jīng)過測試表明可用于硫熏中藥材現(xiàn)場初篩檢測.

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

微型光譜儀硫熏中藥材快速檢測儀器是基于ULS3648-USB2-SPU2型微型光纖光譜儀的連續(xù)光譜檢測分析方法，運用可見-近紅外光譜技術(shù)，得到被檢測物質(zhì)的參數(shù)[14].該儀器總體設(shè)計如圖1所示，主要由光源供電部分、恒流源部分、光源部分、光譜信號采集處理等部分組成.電源部分采用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，使得電池端電壓在較大范圍內(nèi)變化時仍能保持恒定的供電電壓，提高了電能的利用率，使光源功耗明顯降低，延長了在現(xiàn)場檢測的使用時間.為滿足不同光強的需要，設(shè)計了連續(xù)可調(diào)式恒流驅(qū)動電路，其負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均優(yōu)于0.1%.通過增加光路匯聚透鏡及比色皿進光口光闌，從而提高了鹵鎢燈光源的利用率，降低了雜散光的干擾.光源通過透鏡、光闌照射到樣品池，經(jīng)光纖進入微型光譜儀，獲得被檢測信號，運用可見-近紅外光譜技術(shù)從而獲得被檢測物質(zhì)的參數(shù).

圖1 硫熏中藥材快速檢測儀原理Fig.1 Block diagram of the rapid detection equipment of sulfur smoked herbs

1.1 光源供電部分

為了保證測試儀器光源的使用時間，選擇6節(jié)18650型充電鋰電池串聯(lián)供電，其放電終止電壓為16.5 V，充滿電后最大電壓為25.2 V.鹵鎢燈光源驅(qū)動恒流源電路所需輸入電壓為15 V.因此，電源部分由輸出可調(diào)型開關(guān)電源集成穩(wěn)壓器LM2596構(gòu)成，輸出電壓設(shè)為15 V.LM2596的最大輸入電壓為40 V，最大負(fù)載電流可達(dá) 3 A ,輸出電壓可調(diào)范圍為1.2 ～ 37 V，滿足設(shè)計要求.LM2596只需要極少的外圍器件即可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，其應(yīng)用電路多有報道且有商品化應(yīng)用電路模塊，此處不再贅述.

該電路由LM336-2.5提供2.5 V基準(zhǔn)電壓.電阻R2與可調(diào)電位器RP1分壓，URP1的調(diào)節(jié)范圍為0～1.19 V，送至運放A1同相端，電位器輸出電壓URP1大小決定輸出恒流值.取樣電阻R6上的壓降由R4反饋到運放A1的反向端.電路工作時，A1同相端電壓U+和反向端電壓U-進行比較.若U+>U-，則A1輸出端電壓升高，VMOS場效應(yīng)晶體管Q1漏極電流ID增大，取樣電阻R6上的取樣電壓隨之增大并反饋至A1反向端進行比較調(diào)整.若U+

1.3 光源部分

本儀器光源部分由鹵鎢燈、匯聚透鏡、比色皿進光口光闌構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意見圖3.

圖2 鹵鎢燈驅(qū)動恒流源電路原理Fig.2 Principle diagram of constant current source circuit driven by halogen tungsten lamp

圖3 光源整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of the light source

由鹵鎢燈發(fā)射光經(jīng)透鏡匯聚，再經(jīng)光闌后進入比色皿，然后進入微型光譜儀入射光采集光纖.透鏡可以提高光源的利用率降低光源功耗，光闌用于遮擋雜散光以降低干擾.

1.4 光譜信號采集、處理部分

分光系統(tǒng)采用荷蘭愛萬提斯(AVANTES)公司生產(chǎn)的ULS3648-USB2-SPU2型微型光纖光譜儀.該光譜儀采用USB接口與筆記本電腦相連實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸.其入射光采用長度為2m的可彎曲光纖輸入，波長為200～1 100nm，波長分辨率為0.5nm.

2 鹵鎢燈驅(qū)動恒流源性能測試

2.1 負(fù)載調(diào)整率測試

負(fù)載調(diào)整率反映了恒流源電路在輸入電阻變化時，提供穩(wěn)定的輸出電流的能力.恒流源輸入電壓為22.2V，經(jīng)過DC/DC可調(diào)降壓模塊將輸入電壓調(diào)整為16V，在1 ～ 10Ω內(nèi)選取表2中所列的10個負(fù)載電阻值，記錄輸出電流為50、100、500、1 000、1 600mA時輸出電流受負(fù)載電阻值的影響變化數(shù)據(jù).其測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表1.負(fù)載調(diào)整率計算見式1，令負(fù)載調(diào)整率為η1.

鐵路建設(shè)是集企業(yè)利益和社會效益于一體的系統(tǒng)工程，線路方案、車站的選擇涉及企業(yè)、社會各方的利益。由于很難兼顧各方的全部意見，選擇推薦合理、可實施的方案，總體除需具備很高的政策水平和很強的業(yè)務(wù)能力外，還需具備出眾的組織溝通協(xié)調(diào)能力，特別是要與業(yè)主保持良好的溝通，真心實意當(dāng)好業(yè)主的參謀。

(1)

表1 鹵鎢燈驅(qū)動恒流源負(fù)載調(diào)整率測試表

2.2 電壓調(diào)整率測試

電壓調(diào)整率反映了恒流源電路在輸入電壓變化時，提供穩(wěn)定的輸出電流的能力.在16～23V內(nèi)改變恒流源輸入電壓，負(fù)載選擇7Ω電阻，記錄了50、100、500、1 000、1 600mA5個輸出電流數(shù)值.測試數(shù)據(jù)如表2所示.輸入電壓變化調(diào)整率計算見公式2.令輸入電壓變化調(diào)整率為η2.

(2)

表2 輸入電壓變化調(diào)整率測試數(shù)據(jù)

測試分析數(shù)據(jù)表明負(fù)載電阻變化和輸入電壓變化對恒流值的影響有限，負(fù)載調(diào)整率與電壓調(diào)整率均優(yōu)于0.2% .

3 實測結(jié)果及分析

3.1 實驗方法

3.1.1 樣品浸出液制備

1) 分別取中藥材測試樣品5 g置于400 mL燒杯中，編號，加無水乙醇200 mL，浸泡2 h，期間每30 min攪拌1次，取上層澄清液體備用.

2) 硫磺浸出液：取5 g硫磺置于50 mL燒杯中，加無水乙醇10 mL，攪拌均勻，靜置5 min后取上部澄清液體備用.

3.1.2 測試方法

進行測試時，將微型光纖光譜儀的光纖探頭、被測樣品和光源位置排成一條直線.實驗開始后鹵鎢燈發(fā)出的光波通過光闌照射到盛有樣品浸出液的石英比色皿上，為避免其他光源對實驗結(jié)果的干擾，采集光譜時可將光纖探頭貼近樣品測試池的表面，并通過改變積分時間和平均次數(shù)來控制光譜信號的強弱.本實驗對同一樣品進行多次測試以體現(xiàn)實驗方法的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，且均在室溫下進行.

3.2 結(jié)果與分析

為便于對比分析，用研制的儀器樣機分別對無水乙醇、硫磺無水乙醇溶液，4個硫熏黨參樣品無水乙醇浸出液，正常和硫熏枸杞于無水乙醇浸出液分別進行了透過率測試，測試結(jié)果見圖4-7.

圖4 無水乙醇可見-近紅外光區(qū)透過率光譜Fig.4 Vis-NIR transmittance spectrum of anhydrous ethanol

圖5 硫磺-無水乙醇溶液可見-近紅外光區(qū)透過率光譜Fig.5 Vis-NIR transmittance spectrum of sulfur

圖6 熏硫黨參可見-近紅外光區(qū)透過率光譜Fig.6 Vis-NIR transmittance spectrum of smoked sulfur Codonopsis pilosula

測試結(jié)果顯示無水乙醇在400 ～900 nm波長時無特征吸收光譜，用無水乙醇做溶劑對黨參及枸杞子進行光譜測試及分析對實驗結(jié)果無影響.硫磺的無水乙醇浸出液可見-近紅外光區(qū)透過率光譜在715 nm和835 nm處存在明顯特征吸收峰.4個熏硫黨參樣品均在715 nm和835 nm處存在明顯特征吸收峰，正常枸杞子樣品在700 nm和818 nm處存在明顯特征吸收峰，硫熏枸杞子樣品在715 nm和835 nm處存在明顯特征吸收峰，其中4個熏硫黨參樣品和硫熏枸杞子樣品與硫磺-無水乙醇浸出液可見-近紅外光區(qū)透過率光譜圖有相同吸收峰.而正常枸杞子樣品浸出液的吸收峰與硫磺無水乙醇浸出液的吸收峰明顯不同，所以由樣品浸出液的吸收峰可知與已知樣品是否被硫磺熏蒸吻合.由此可見，在715 nm和835 nm是否有吸收峰可作為黨參及枸杞子是否熏硫的光譜判據(jù).

圖7 枸杞子可見-近紅外光區(qū)透過率光譜Fig.7 Vis-NIR transmittance spectrum of wolfberry fruit

4 結(jié)論

本論文設(shè)計了一種可用于現(xiàn)場快速檢測的便攜式的硫熏中藥材快速檢測儀.介紹了儀器的整機構(gòu)成、鹵鎢燈驅(qū)動恒流源電路、原理及性能，并對硫熏樣品的檢測能力進行了實際測試.在使用分析純無水乙醇做溶液情況下，對比了正常/硫熏樣品浸出液，硫磺浸出液/無水乙醇的透過率光譜，得出含硫浸出液在715 nm和835 nm處具有特征吸收峰，特征吸收峰可作為硫磺熏蒸樣品檢測判據(jù).該儀器可以用于硫熏中藥材現(xiàn)場初篩檢測.

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Design and implementation of rapid detection device of sulfur smoked herbs

WANG Yongqing,LIU Jiaxing,WANG Shuonan,LI Duo

(Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province，College of Electronic and Informational Engineering,Hebei University,Baoding 071002，China)

A kind of fast detecting device was developed for Chinese medicinal herbs based on visible and near-infrared spectroscopy technology.It is mainly composed of the lithium battery,DC/DC converter circuit,constant current source,light source,sample pool,micro fiber spectrometer,laptop and so on.This paper describes the components and working principle of the instrument,gives the constant current driving circuit principle diagram of the halogen tungsten lamp,and introduces its working principle and the measured technical parameters in details.The paper compared the normal and sulfur smoked sample extracts spectra,and found sulfur leaching solution in 715 nm and 835 nm has the characteristic absorption peak.It can be taken as the criterion of sulfur fumigation sample detection.Normal / smoked sulfur Codonopsis pilosula and wolfberry fruit samples were tested by the prototype.The test results show the sample with sulfur fumigation can be distinguished .It is expected to be used for sulfur smoked in the medicinal field for rapid screening test of sulfur smoked herds.

Sulfur smoked；chinese herbal medicine；check；on site；spectrum；characteristic peaks

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.02.014

2016-06-10

河北大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項目(X2016076)

王永清(1962—)，男，河北邢臺人，河北大學(xué)教授，博士，主要從事分析檢測技術(shù)與儀器等研究.E-mail：125254397@qq.com

TP

A

1000-1565(2017)02-0194-07