一、高光譜熒光成像技術(shù)簡(jiǎn)介

高光譜熒光成像技術(shù)是一種基于光譜學(xué)和光學(xué)技術(shù)的檢測(cè)方法，它通過高光譜相機(jī)和熒光光譜分析系統(tǒng)獲取待測(cè)物體的光譜信息和熒光圖像，進(jìn)而對(duì)物體內(nèi)部的化學(xué)成分進(jìn)行分析和檢測(cè)。高光譜熒光成像技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率和非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種食品和飲料的檢測(cè)。

二、高光譜相機(jī)在食品檢測(cè)的應(yīng)用包括

1.檢測(cè)食品的內(nèi)部品質(zhì)和品質(zhì)安全。高光譜相機(jī)可以檢測(cè)食品的成分和結(jié)構(gòu)，如檢測(cè)肉類產(chǎn)品的水分和pH值、檢測(cè)水果的成熟度等。

2.檢測(cè)食品中的雜質(zhì)。高光譜相機(jī)可以根據(jù)有機(jī)材料根據(jù)其成分選擇性地吸收的光譜紅外區(qū)域中不同波長(zhǎng)的光，從而提供獨(dú)特的“指紋”，用于唯一地識(shí)別它們。

3.檢測(cè)食品包裝的污染。高光譜相機(jī)可以檢測(cè)食品包裝上的污染物，確保食品在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中的安全。

三、高光譜熒光成像技術(shù)在食品質(zhì)量檢測(cè)上的應(yīng)用

近年來，熒光光譜技術(shù)的概念得到了世界的廣泛認(rèn)可和快速發(fā)展，特別是生物熒光傳播光學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的深入發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了生物組織定性定量的無損檢測(cè)。熒光法已廣泛應(yīng)用于藥品、生物產(chǎn)品、質(zhì)量、植物葉綠素?zé)晒?、果蔬無損檢測(cè)等方面。

本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用廣東賽斯拜克SineSpec科技有限公司產(chǎn)品SP130M進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

在國(guó)外，ColinD.Everard采用熒光成像和高光譜成像技術(shù)檢測(cè)菠菜表面污染物，.采用最優(yōu)波段比的熒光成像對(duì)污染物的檢測(cè)精度高于可見近紅外高光譜。LichtenthalerHK利用熒光成像系統(tǒng)在儲(chǔ)存過程中測(cè)量蘋果的熒光圖像。隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，蘋果的藍(lán)綠熒光強(qiáng)度繼續(xù)增加，并擴(kuò)展到整個(gè)蘋果表面。Byoung-Kwancho采用熒光高光譜檢測(cè)小西紅柿的皮膚損傷。熒光高光譜以365nm紫外線燈為光源，結(jié)合EMCCD相機(jī)和瞬時(shí)熒光(IFOV)收集小番茄的熒光圖像，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光區(qū)域表皮損傷的熒光圖像非常明顯。通過PCA提取的最佳熒光波長(zhǎng)結(jié)合方差分析，檢測(cè)小番茄損傷的準(zhǔn)確性大于99%。IvanSimko采用高光譜和葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)研究新鮮切菜的腐爛，從高光譜圖像中獲取(LEDICF)在葉綠素?zé)晒鈭D像中獲得(LEDI4)檢測(cè)指標(biāo)，結(jié)合這兩個(gè)指標(biāo)，生菜腐爛檢測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá)97%。利用熒光高光譜成像技術(shù)檢測(cè)西紅柿表面的糞便污染，通過PCA和BRI處理西紅柿表面的污染區(qū)和未污染區(qū)圖像，灰度圖像可以清楚地區(qū)分污染區(qū)和未污染區(qū)，結(jié)果表明BRI優(yōu)于PCA處理，最佳波段比為705nm和815nm。Wulf和其他激光激發(fā)波長(zhǎng)為337nm，獲得遠(yuǎn)紅外、紅、綠、藍(lán)波段蘋果和胡蘿卜的熒光光譜，分析了蘋果和胡蘿卜在儲(chǔ)存過程中新鮮度的變化。結(jié)果表明，蘋果在藍(lán)綠色波段產(chǎn)生的熒光受葉綠素等多酚的影響，遠(yuǎn)紅色和紅色波段產(chǎn)生的熒光僅受葉綠素的影響，胡蘿卜的藍(lán)色波段熒光受類胡蘿卜素的影響，基于最小二乘回歸法的熒光特性與色素含量模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。

本研究表明，基于果蔬色素含量的熒光成像技術(shù)作為一種快速無損的檢測(cè)方法，可用于監(jiān)測(cè)果蔬儲(chǔ)存過程中的質(zhì)量變化。Cerovic等選用兩種光學(xué)傳感器Dualex和Multiple來檢測(cè)葡萄的成熟度。用傳感器中的三種LED燈(紫外線、綠色和紅色)照射葡萄顆粒后，發(fā)現(xiàn)葡萄表皮中的黃酮醇(Flavonol)和花青素(Anthocyanin)它能發(fā)出藍(lán)綠色、紅色和遠(yuǎn)紅色熒光，其含量影響熒光強(qiáng)度?；跓晒獬上窦夹g(shù)，Kondo等實(shí)現(xiàn)了腐爛臍橙的檢測(cè)。紫外線和白色LED燈照射后，選擇兩種腐爛臍橙，收集其彩色圖像和熒光圖像。臍橙腐爛部分通過比較兩幅圖像采集，消除紫外線燈引起的光暈影響，提取真正的臍橙腐爛部分。將熒光圖像RGB3分量圖中臍橙腐爛部分和正常部分的灰度進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在熒光圖像的G分量圖中，腐爛部分的灰度是正常部分的3-5倍，這種差異與臍橙的品種有關(guān)。在隨后的研究中，研究小組將腐爛的橙皮和正常的橙皮搗碎，從腐爛的橙皮中提取的熒光活性物質(zhì)溶解在己烷中，作為腐爛的組，正常的橙皮作為對(duì)照組。使用核磁共振(Nuclearmagneticresonance，NMR)技術(shù)和質(zhì)譜法(Massspectrometry，MS)對(duì)腐爛組和正常組溶液進(jìn)行分析，對(duì)比兩組溶液的吸收光譜、熒光光譜和激發(fā)光譜，發(fā)現(xiàn)臍橙腐爛物質(zhì)的激發(fā)光譜和熒光光譜在波長(zhǎng)360-375nm和波長(zhǎng)530-550nm范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，這與化學(xué)方法提取的細(xì)菌物質(zhì)的光譜變化一致。然后用波長(zhǎng)365nm的UV燈照射完整的腐爛臍橙，收集530-550nm波段的熒光圖像，通過圖像分析驗(yàn)證之前的結(jié)論。

在中國(guó)，獼猴桃采用405nm激光照射。當(dāng)激光穿過獼猴桃時(shí)，采集誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光散射圖像，選擇多線性回歸和糖度的預(yù)測(cè)模型，RC=0.932。陳晶晶等熒光高光譜系統(tǒng)采用紫外光源與高性能背照明CCD和行掃描高光譜儀相結(jié)合，采集400-1000nm菜葉表面不同濃度農(nóng)藥的高光譜熒光圖像，選擇感性區(qū)域獲得平均光譜曲線，熒光強(qiáng)度與農(nóng)藥溶液濃度成正比。涂冬成等激光誘導(dǎo)熒光成像系統(tǒng)采用405nm激光發(fā)射器、近紅外光譜儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)建，采用PLS建立嫩度預(yù)測(cè)模型，相關(guān)系數(shù)R為0.89。用UV-A(365nm)紫外光源激發(fā)熒光，同時(shí)使用鹵素?zé)艉途€陣CCD攝像頭采集圖像，最佳指數(shù)理論對(duì)腐爛果實(shí)的識(shí)別率高達(dá)100%。劉海斌用波長(zhǎng)635nm的半導(dǎo)體激光照射到物體上。激光擴(kuò)展其出射光斑的直徑約為20mm。不同光程后，表面反射光和內(nèi)部組織散射光在空間中相互干擾疊加。CCD相機(jī)采集信號(hào)，采集的圖像經(jīng)灰度共生處理后提取特征量，分析了二元標(biāo)志回歸模型，結(jié)果表明建模和預(yù)測(cè)精度達(dá)到97.5%。

熒光光譜技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品水果和蔬菜的檢測(cè)，近年來發(fā)展迅速，具有無損、快速、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。激光誘導(dǎo)熒光應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品等相關(guān)領(lǐng)域的檢測(cè)是一種新興的檢測(cè)方法，在水果和蔬菜的檢測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于熒光壽命反映了熒光光子衰減的長(zhǎng)度，僅與激發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)，不受環(huán)境光、熒光散射等因素的影響，具有良好的穩(wěn)定性。激光誘導(dǎo)熒光高光譜技術(shù)應(yīng)用于水果內(nèi)部質(zhì)量無損檢測(cè)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水果內(nèi)部質(zhì)量的快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)和分類。

表1分別列出了國(guó)外熒光光譜和熒光成像技術(shù)在植物葉片和果實(shí)病害檢測(cè)中的應(yīng)用研究，總結(jié)了響應(yīng)激發(fā)光源、波段和熒光發(fā)射波段。從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，在葉片檢測(cè)方面，基于鹵素?zé)?、氙氣燈和LED燈的激發(fā)波段可以有多種選擇。雖然綠光和紅光也被使用，但它們通常集中在紫外線和藍(lán)光的范圍內(nèi)，而基于激光的激發(fā)波長(zhǎng)固定在同一裝置中，并集中在藍(lán)光和綠光的范圍內(nèi)。但無論使用哪種光源，葉片的熒光發(fā)射波長(zhǎng)都集中在紅光波段，即葉綠素?zé)晒?；在果?shí)檢測(cè)中，激發(fā)波段或激發(fā)波長(zhǎng)集中在紫外線范圍內(nèi)，而熒光發(fā)射波段的分布不集中在某一波段內(nèi)。

圖1  蘋果不同儲(chǔ)藏時(shí)間不同波段下的熒光圖像

表 1 熒光成像技術(shù)檢測(cè)的響應(yīng)激發(fā)光源、波段和熒光發(fā)射波段

圖2 蘋果不同儲(chǔ)藏時(shí)間不同比值熒光比值圖像

圖3  365nm激發(fā)光下破損小番茄不同部分的熒光強(qiáng)度

圖4  農(nóng)藥濃度為 8mg/kg 葉菜樣品的高光譜熒光圖像及不同濃度梯度樣品的熒光光譜曲線

圖5 肉脂肪區(qū)域熒光百分比增長(zhǎng)趨勢(shì)及脂肪區(qū)域熒光百分比隨存儲(chǔ)時(shí)間指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)曲線擬合

高光譜熒光成像技術(shù)作為一種先進(jìn)的檢測(cè)方法，在食品安全領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。它不僅可以對(duì)食品的品質(zhì)和摻假進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)食品中的污染物進(jìn)行檢測(cè)，從而保障人們的飲食安全。未來，隨著高光譜熒光成像技術(shù)的不斷發(fā)展，它將為食品安全領(lǐng)域提供更加準(zhǔn)確、快速和可靠的檢測(cè)手段。