本文设计了一种新型的二维声子晶体结构，采用有限元法和等效模型法进行了深入研究，发现该结构具有良好的低频吸声性能。通过理论推导和仿真计算发现，在21 mm的晶格常数条件下，该结构在0~800 Hz具有完整的四条带隙。第一带隙下限低至40.28 Hz，且具有约为93 Hz的带宽，计算其传声损失后，发现其在低频域内具有良好的隔声效果，最大隔声量可达87.31 dB。对该结构的多个振动模态分析，建立相应的等效模型，并基于等效模型探究了不同因素对带隙频段造成的影响，总结出该新型二维声子晶体的一般性规律。研究结果表明，增大散射体密度和减小基体密度可以增加带宽，增大填充率和对散射体适当进行开孔处理可以改善带隙特性。该研究对于解决低频噪声控制问题具有一定参考意义和工程应用价值。
声子晶体 局域共振 带隙机理 低频降噪 隔声 散射体 phonon crystal local resonance band gap mechanism low frequency noise reduction acoustic insulation scatterer
本文针对低频噪声的控制问题, 设计了一种腔体结构可调的Helmholtz型声子晶体, 该结构内腔由一活动伸缩螺杆连接的隔板分为上下两腔, 并采用弓字形开口通道设计。采用有限元法对该结构的带隙特性与隔声特性进行了分析, 并通过“声力类比”的方法构建了该结构在带隙起始频率与截止频率处的等效模型。研究表明, 该结构在500 Hz以下频段内具有6条带隙, 最低带隙频率可达31.34 Hz, 且在每条带隙频段内都表现出了良好的隔声性能, 最大隔声量可达111.95 dB。最后, 通过调整伸缩螺杆, 改变腔体结构布局, 可将多条共振带隙相连, 不仅可以构成一个较宽的带隙, 而且可以达到调节隔声频段的目的。该设计为改善Helmholtz型声子晶体的隔声性能提供了新的设计思路。
声子晶体 带隙 Helmholtz腔 隔声 低频噪声 腔体可调 phononic crystal bandgap Helmholtz resonator sound insulation low-frequency noise adjustable chamber
1 天津商业大学生物技术与食品科学学院, 天津 300134
2 中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083
3 湘潭大学化工学院, 湖南 湘潭 411105
我国人口基数大, 农产品和食品的需求量多。 农产品和食品的质量与安全与人们的日常生活息息相关。 如何实现使用无损、 快速、 环境友好型、 高通量的检测方法对农产品和食品的品质进行检测, 是当代社会的发展需要。 传统的检测分析方法存在着耗时耗力、 检测的样品不能再次出售、 产生次品漏检的现象等缺点。 近红外光谱分析技术作为一种快速无损的检测手段, 逐渐被一些学者以及相关行业人员所重视。 然而, 近红外光谱分析方法大多数只针对于单一物料建立数学模型。 对于数量庞大且种类众多的农产品和食品而言, 如不同地域、 不同年份、 不同温度、 不同加工方法、 不同成分组成甚至是不同品种, 这种相对传统的近红外分析方法无疑会增加建模的工作量。 随着计算机技术、 光谱仪硬件、 化学计量学以及互联网技术的发展, 相关学者已经开始着手于近红外光谱通用模型的研究与开发来解决这一问题, 即建立一个近红外通用模型, 能够对多种物料的同一指标或多种指标进行检测。 相比于传统的近红外光谱模型, 通用模型具有建模成本低、 工作量小等优点, 特别使近红外光谱技术在农产品和食品领域中应用以及推广方面具有重要的意义。 针对近红外光谱通用模型在农产品和食品检测中的研究进行综述, 通过比较传统模型建模方法与通用模型建模方法, 分别就建立通用模型过程中样品信息的获取、 模型的建立以及样品信息的预测三大建模步骤中使用的方法进行总结, 并归纳了近红外光谱通用模型在建模步骤中的要点。 近红外光谱通用型模型在农产品以及食品品质检测方面的研究尚处于发展阶段。 也提出对于通用模型开发与研究的一些建议, 并就近红外光谱通用模型预测方法在检测领域的发展趋势进行了进一步展望。
近红外光谱 通用模型 农产品及食品 无损检测 Near-infrared spectroscopy Universal model Agricultural products and foods Non-destructive detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3355
1 空军工程大学基础部，西安 710051
2 空军工程大学航空工程学院，西安 710038
为了解决飞机舱室中的低频噪声问题，本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度，有效降低低频带隙下限，双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域，可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性，经过深入研究发现，该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙，且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理，本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型，并通过有限元法和等效电路模型，对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明，增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率，较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响，为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。
声子晶体 带隙 Helmholtz腔 隔声特性 有限元法 声-电类比 低频 飞机舱室 phononic crystal band gap Helmholtz resonator sound insulation characteristic finite element method electro-acoustic analogy low-frequency aircraft cabin
中国农业大学工学院, 国家农产品加工技术装备研发分中心, 北京 100083
针对表面增强拉曼光谱信号重复性欠佳的问题, 利用实验室自行搭建的拉曼点检测系统, 以蜂蜜中硝基呋喃妥因兽药为检测对象, 探讨了基于蜂蜜固有内标的硝基呋喃妥因表面增强拉曼峰强校正方法。 首先通过含不同浓度硝基呋喃妥因蜂蜜样品及硝基呋喃妥因标准品的拉曼光谱对比分析, 确定739 cm-1处蜂蜜拉曼特征位移作为底物蜂蜜的内标峰, 用比值法校正硝基呋喃妥因1 353和1 612 cm-1处拉曼特征峰强用于蜂蜜中硝基呋喃妥因定量分析。 相同条件下分别采集了浓度为20 mg·kg-1的硝基呋喃妥因蜂蜜样品表面增强拉曼光谱30次, 1 353和1 612 cm-1处硝基呋喃妥因特征峰强相对标准偏差(RSD)分别为11.515 6%和11.162 5%, 利用739 cm-1处蜂蜜拉曼特征峰强作为内标分别校正1 353和1 612 cm-1处硝基呋喃妥因拉曼特征峰强后相对标准偏差分别降为4.852 6%和4.733 2%, 显著提升了表面增强拉曼特征峰强的重复性和稳定性。 因为仪器系统误差及表面增强过程中不可控因素引起的人为误差等对样品表面增强光谱中739 cm-1处蜂蜜特征峰强和1 353和1 612 cm-1处硝基呋喃妥因特征峰强的影响是完全相同的, 所以通过内标比值法可以有效消除和减少拉曼信号稳定性和重复性差的问题。 最后采集硝基呋喃妥因浓度范围为0.4~20 mg·kg-1的69个蜂蜜样品, 基于硝基呋喃妥因1 353和1 612 cm-1处拉曼特征峰强和蜂蜜739 cm-1处拉曼特征峰强比值, 分别建立了一元线性回归预测模型和多元线性回归模型, 其中基于蜂蜜739 cm-1处内标校正硝基呋喃妥因1 612 cm-1处拉曼特征峰强的一元线性回归模型效果最佳, 与校正前相比具有更高的精度和预测能力。 该模型校正集决定系数()和验证集决定系数()分别为0.971 2和0.969 6, 校正集均方根误差(RMSEC)和验证集均方根误差(RMSEP) 分别为1.115 1和1.242 2, 相对分析误差(RPD)为4.306 0。 结果表明, 被测底物本身持有固有内标的样品可无需加入额外的内标物, 简单用内标比值法可以有效消除仪器的系统误差以及表面增强剂与样品的混合时间等对拉曼信号强度的影响, 显著提高了拉曼特征信号的重复性和稳定性, 为表面增强拉曼光谱定量分析提供了技术参考。
表面增强拉曼光谱 蜂蜜 硝基呋喃妥因 快速检测 Surface-enhanced Raman spectra Honey Nitrofurantoin Rapid detection
1 中国农业大学工学院, 国家农产品加工技术装备研发分中心, 北京 100083
2 中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083
随着经济水平的提升人们对大米品质要求越来越高, 由于不同大米品种之间价格差异也较大, 致使不少商贩以劣充优谋取利益, 有的掺和比例高达30%以上, 这种行为严重损害了消费者利益。 大米作为一种碳水化合物直接通过一维近红外光谱信息不易区分掺和米, 目前诸多研究集中在基于一维光谱的化学计量学判别模型建立。 二维相关光谱具有高分辨率、 解析峰的归属等优点, 可以挖掘出掺和米在一维光谱中隐藏的有效信息。 以五常大米作为研究对象, 选取难以用肉眼分辨的六种大米为掺入米, 分别制备5%～50%的不同掺和比例大米样品140个。 以五常大米近红外光谱的平均光谱作为参考谱, 掺和比例作为外部扰动因数, 将掺和米光谱和五常米光谱分别与参考谱进行二维相关运算, 通过解析不同掺和比例大米二维相关同步谱特性发现自相关谱1 420和1 920 nm两处自动峰值与同步谱(1 420, 1 920) nm和(1 920, 1 420) nm处交叉峰值强度均随掺和比例增加呈递增趋势, 其中1 920 nm自动峰值对掺和比例响应最显著。 通过对自相关谱1 420和1 920 nm两处自动峰产生机制的追溯并分析对应官能团归属, 发现大米中直链淀粉对掺和比例响应程度高于蛋白质及其他碳水化合物。 分别以五常大米同步谱中1 420和1 920 nm处自动峰值和(1 920, 1 420)nm处交叉峰值的最大值作为判别阈值, 对140个大米样品进行了判别试验。 结果显示, 基于1 920 nm自动峰值的判别效果最佳正确率达93.3%, 掺和比例20%及以上掺和米样品判别正确率为100%, 随着掺和比例降低判别正确率也逐渐下降, 掺和比例15%, 10%和5%样品判别正确率分别为91.7%, 66%和75%。 综上所述, 以掺和比例作为外部干扰因数解析不同掺和比例的大米二维同步谱特性, 通过特征峰值的差异可以简单有效区分掺和米, 与以往近红外判别模式相比不需要准备大量样品来训练模型, 为快速鉴别掺和大米提供一种新思路。
二维相关近红外光谱(2D-NIR) 同步谱 掺和判别 大米 Two-dimensional correlation spectrum(2D-NIR) Synchronous spectrum Adulteration judgment Rice 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1559
1 中国农业大学工学院, 国家农产品加工技术装备研发分中心, 北京 100083
2 北京伟创英图科技有限公司, 北京 100070
我国马铃薯采后储运销售过程中黑心病发病率较高, 内部品质也参差不齐, 检测分选技术滞后, 严重制约了马铃薯主食化产业发展进程。 马铃薯黑心病及淀粉含量等内部品质的同时在线无损检测, 对推进我国马铃薯主食化战略具有重要意义。 基于可见/近红外漫透射光谱原理, 利用实验室自行搭建的无损在线检测系统(检测速度约为每秒4个), 以马铃薯黑心病和淀粉含量为内部品质检测指标, 进行了黑心病和淀粉含量同时在线无损检测研究。 先将121个健康马铃薯和116个黑心马铃薯600～1 000 nm波段范围的原始光谱分别进行了平均处理, 发现600～900 nm波段内黑心马铃薯样品的吸光度数值明显高于健康马铃薯样品, 而且黑心组织影响健康马铃薯在663 nm附近叶绿素的特征吸收峰和760 nm附近水的特征吸收峰, 强度明显高于黑心马铃薯。 基于健康马铃薯和黑心马铃薯原始光谱建立了马铃薯黑心病偏最小二乘判别模型(PLS-DA)。 同时对121个健康马铃薯光谱分别采用SG卷积平滑(SG-Smoothing)、 标准正态变换(SNV)、 多元散射校正(MSC)、 一阶导数(FD)、 SG平滑结合一阶导数(SG+FD)等不同预处理方法, 并结合竞争性自适应加权重采样CARS算法筛选特征波长后, 建立了淀粉含量(SC)偏最小二乘(PLS)定量预测模型。 结果表明: 黑心马铃薯偏最小二乘定性判别模型校正集和验证集判别正确率分别为97.74%和98.33%, 总判别正确率97.89%; 原始光谱经SG平滑加一阶导数预处理, 再结合CARS算法筛选特征波长建的马铃薯淀粉含量偏最小二乘定量预测模型结果最优, 其校正集和预测集相关系数分别为0.928和0.908, 均方根误差分别为0.556%和0.633%。 最后, 将所建模型植入在线检测系统, 利用50个未参与建模的样品进行了外部验证。 马铃薯黑心病的判别正确率为96%, 淀粉预测值与标准理化值相关系数为0.893, 均方根误差为: 0.713%。 说明基于马铃薯漫透射光谱可以实现马铃薯黑心病及其他内部品质同时在线无损检测, 为马铃薯采后品质检测分选以至推进马铃薯主食化产业发展提供了一定技术参考。
马铃薯 可见/近红外漫透射光谱 黑心病 淀粉 同时在线检测 Potatoes Visible/near infrared spectroscopy diffuse transmi Black-heart disease Starch Simultaneous online detection 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1909
中国农业大学食品科学与营养工程学院， 北京 100083
牛乳作为一种营养全面的理想食物， 已成为人们日常生活中不可或缺的一部分， 与此同时人们也越来越关注乳制品的品质， 因此快速、 灵敏的检测方法的开发和使用显得尤为重要。 基于三维荧光指纹技术， 建立了一种牛乳品质检测与评价的新方法， 该方法可以通过三维荧光特征图谱， 得到相对应的牛乳成分信息。 和常规的荧光方法相比， 三维荧光法可以提供更丰富， 更全面的物质信息。 首先根据牛乳在不同实验条件影响下荧光强度的变化及图谱的改变， 确定了最佳的预处理条件， 接着分别对牛乳抗生素残留以及受热程度的判别进行了研究。 对于兽药残留分析， 可以检测出牛乳中含量在05 mg·L-1以上的新霉素； 对于牛乳受热程度判分析， 利用三维荧光技术结合平行因子法（PARAFAC）对生鲜乳、 巴氏杀菌乳及UHT灭菌乳的定性判别， 当组分数为3时， 中心连续系数可达9763%。 因此， 三维荧光指纹技术具有快速准确的检测牛乳品质的潜力。
三维荧光 牛乳品质评价 预处理条件 抗生素 热处理 Three-dimensional fluorescence Milk quality evaluation Pretreat factors Antibiotics Heat-treated 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1633
中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083
为了提升便携式近红外仪器中单一水果模型应用的广泛性, 创新性的将不同仪器间模型传递的思想应用在不同种类水果间可溶性固形物（soluble solid content, SSC）的模型传递。 基于苹果、 梨、 桃三种水果在SSC含量范围、 果型大小以及果皮厚度等的相近物理化学特性, 提出利用简单的斜率/截距（Slope/Bias）算法对苹果SSC的偏最小二乘(partial least square, PLS)模型进行传递, 仅用少量的梨和桃样品即可将苹果SSC模型应用于其SSC值的预测, 更快捷方便且节约成本。 对于梨样品, 用35个标准样品, 预测集均方根误差（root mean square error of prediction, RMSEP）值由直接预测的1.009 °Brix降为0.565 °Brix; 对于桃样品, 用40个标准样品, RMSEP由直接预测的1.726 °Brix降为0.677 °Brix。 为了验证该模型传递方法的可行性, 通过斜率/截距算法, 采用梨和桃模型对其他两种水果的SSC进行预测, 其中利用建立的梨SSC模型, 经斜率/截距算法模型传递后, 对于苹果样品, 用30个标准样品, RMSEP值达到0.597 °Brix, 对于桃样品, 用40个标准样品, RMSEP值达到0.689 °Brix; 利用建立的桃SSC模型, 经斜率/截距算法模型传递后, 对于苹果样品, 用35个标准样品, RMSEP值达到0.654 °Brix, 对于梨样品, 用30个标准样品, RMSEP值达到0.439 °Brix。 研究结果表明: 斜率/截距（Slope/Bias）方法可用于苹果、 梨、 桃等相近种类水果间的模型传递, 为近红外光谱仪在相似种类物质间的预测提供了新思路。
近红外光谱 模型传递 Slope/Bias算法 苹果 梨 桃 NIR spectroscopy Model transfer Slope/Bias algorithm Apple Pear Peach
中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083
近年来随着人们对乳制品需求的不断增加, 将复原乳冒充或添加在鲜乳中出售的现象也日益严重, 亟需简单、 快速的检测方法监测掺假行为。 利用同步荧光技术, 分别对两种鲜牛乳(未经杀菌的生牛乳和低温处理的巴氏杀菌乳)掺杂复原乳的情况进行了定性判别和定量分析。 以各类样本及全部样本的判别正确率作为定性判别模型的评价指标; 以相关系数(r)、 校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)作为定量分析模型的评价指标。 通过分析牛乳的三维荧光图谱确定同步荧光扫描的固定波长差Δλ值为80 nm; 在对图谱进行二阶求导后, 偏最小二乘-判别分析法(PLS-DA)对生鲜牛乳、 巴氏杀菌乳和复原乳的种类判别总正确率可达100%, 并且在判断两种鲜乳中是否添加复原乳时, 校正集样品的正确率均可达到100%, 预测集样品的正确率分别为75%和81.25%, 鲜牛乳和复原乳的种类判别模型, 以及鲜乳与掺假乳的定性判别模型均取得了良好的效果; PLS回归对同步光谱值与复原乳含量建立线性关系时, 两种鲜乳定量模型的r值分别为0.911 2和0.936 7, RMSEC分别为0.042 2和0.038 4, RMSEP分别为0.054 8和0.057 5, 鲜乳中复原乳含量的定量分析模型的r值均可达到0.9以上, 能对添加量较高的样品进行预测。 因此, 同步荧光技术可以较为准确、 快速的检测鲜牛乳中是否掺杂复原乳。
同步荧光技术 鲜牛乳 复原乳 定性判别 定量分析 Fluorescence spectroscopy Fresh milk Reconstituted milk Discrimination analysis Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2014, 34(10): 2685
