红外观察仪原理

食味计是日文汉字，国人从最初开始一直沿用至今，也就成为了中文专用术语。基于近红外原理的大米食味计是一款测量对象单一（糙米，精米）、检测项目固定（蛋白质、直链淀粉、水分、脂肪）、显示食味数值的专用仪器，在短波近红外波段范围内采集光谱。大米食味计的诞生与日本大米混合之后再销售的习惯有关。每年10月左右收获的新米很好吃，一旦过了第二年春天味道就差了。但有一种从初春开始就觉得既便宜又好吃的大米，这就是混合米。混合米虽然容易被认为是劣质商品，但它也是消费者和生产者为了享受美味的智慧。混合大米是为了激发大米的美味，与碾米技术一起可以说是大米销售商的秘诀。一方面抓住当地消费者的喜好，另一方面抓住大米产地的特点进行混合。大米混合的目的是：（1）稳定和提高食味，消除全年食味波动。（2）确保数量。因为优质米数量有限，所以要通过混合功能来确保口感好的大米供应数量。（3）应对大米供求情况。为了避免歉收时陷入大米不足的困境，需要将陈米混合进行销售。（4）满足消费者希望的价格。大米的销售价格主要与原料大米的价格有关，但也要根据混合大米的价格和口味来决定。大米食味的数值化能为大米混合提供更为科学的依据，由此食味计应运而生。因此食味计是一种快速鉴定大米品质的无损检测仪器。大米食味计的发展共分为三个阶段：（1）利用市售滤光片型仪器，采集粉碎后大米的长波段近红外反射光谱；（2）利用滤光片型食味计，采集整粒大米的短波段近红外透射光谱；（3）利用食味计，采集整粒大米的短波段近红外连续透射光谱。1986年，日本佐竹公司研发出了世界第一台大米食味计TB1A型（图1），当时的食味计主要用于两种情况。一是只要指定食味值，就能得到价格最便宜的混合米组合；二是一旦设定价格，可以选出食味值最高的大米混合。可有效地进行粮库管理。图1 第一台食味计第一台食味计内置德国Bran+luebbe公司的近红外仪器，先将精白米粉碎后测量近红外反射光谱，利用多元线性回归建模，预测直链淀粉、蛋白质、水分等成分的含量。C=F1log1＋F2log2＋……Fnlogn＋F0C是成分含量，log1 ~ logn是各波长下的吸光度，F0 ~ Fn是上述权重系数。其次，前记各成分的多项式的食味用判断式代入各成分的值，算出食味值。食味判定公式主要内容为:K=(直链淀粉含量)1.0×(蛋白质含量)0.3×｛15〔15-水分含量〕}0.75T=50000/K2K为食味关联值，T为食味值。T值越大越好[1]。由此得到的食味值和感官测试相关如图2所示。相关系数足以满足实际使用要求[2]。图2 感官评价与食味值的关系同期，还有另外两种原理推测食味值。一是依据大米的食味与镁、钾、氮的含量，二是依据蛋白质含量和碘呈色度程度[3]。不过，现在都是依据蛋白质、直链淀粉、脂肪、水分进行预测了。20世纪90年中期开发出对糙米和精米进行全粒测定的近红外透过型分析仪。当时有7家公司在市面上进行销售。透射型分析仪与反射型分析仪相比，采用了1100nm以下的短波长范围和低价格的硅检测器，因此分析仪的价格较低。佐竹制作所的CTA10A和CTA10B两种分析仪光源都是采用卤素灯，波长为600 ~ 1100nm，10个固定波长透过型分析仪，二极管是硅光电二极管[4]。20世纪90年代后期，估计有4000 ~ 5000台食味计应用到生产现场。后因食味值推测精度并不高，而且各制造商之间的食味计检测精度差异较大，逐渐被遗忘。还有，直链淀粉的检测精度低至0.8%∼1.2%，只能被视为参考值。另一方面，蛋白质全粒透过型检测精度为0.25%∼0.35 %，达到实用要求，作为筛选优质(低蛋白质)大米被广泛应用。水分的检测精度也在0.15%∼0.20%，与电阻式水分计毫不逊色，也被用在生产现场[5]。2010年1月，日本佐竹公司开始销售测量精度更高、轻量紧凑化的新型米粒食味计RLTA10A（图3）。历经24年的发展，食味计机型升至第四代，至今仍是主流产品。RLTA10A是机型RCTA11A的后继机种，继承了简单、快速测量功能等特点。新机型不论是在检测技术还是检测精度方面都得到了大幅提升。采用近红外透射连续波长方式，在提高测量精度的同时，实现了重量比以往机型减少20%、容积减少37%的轻量紧凑化。因为是大型彩色液晶触摸面板方式，所以操作方便，打印机内置。可以用U盘直接保存数据，还可以和佐竹公司的谷粒辨别器连接。图3 佐竹公司第四代食味计RLTA10A随着市场需求和技术的发展，1996年，佐竹公司又开发了世界首创米饭食味计（图4、5）。图4 米饭食味计图5 米饭食味计原理图该米饭食味计测量近红外光谱方法比较简单。利用两组滤光片3个波长采集反射光量(540nm,970nm)和透射光量(540nm,640nm)。好米和次米蒸出的米饭反射光有差异，用540nm的反射光观察米饭的外观。用540nm和970nm两种波长分析米饭水分差异。蒸好饭后1-2小时，540nm不论是在反射光模型还是在透射光模型中的相关系数均很高，但当蒸好饭后12∼24小时，透射光传感器的变化量往往是反射光变化量的几倍。选用640nm评价米饭变质程度，例如黄变或褐变[6]。米饭食味计共测量五项指标，具体如下：①外观。米饭的α化(糊化)程度越高，外观越闪亮。共分为10个等级，等级越高越好。②硬度。光学方法测定米粒中蛋白质含量的变化。共分为10个等级，等级越高越硬。③黏性。光学测量由直链淀粉含量变化决定的黏性。共分为10个等级，越高越有黏性。④平衡度。用粘性/硬度计算，倍数化。共分为10个等级，越高越好。⑤食味值。米饭美味度的综合评价。有光泽，越透明糊化的越好，判定为好的食味。100级评价。虽然早期在日本有多家公司生产大米食味计，时至今日主要就是佐竹公司和静冈制机公司。静冈制机公司紧随佐竹公司其后，于1989年开始销售大米食味计RA-6101，如图6所示。2016年，静冈制机公司又推出了最新一代高精度近红外食味分析仪SRE（图7），将大米食味计检测精度提高到了一个新高度。图6 静冈制机开发的第一台食味计 RA-6101图7 静冈制机食味计 SRE静冈制机对用户反映的检测精度原因进行了详细梳理，得出波长漂移占45%，温度干扰占28%，其它化学值误差占10%，其它占17%。发现波长如果发生1nm漂移，将导致0.63%的蛋白质检测误差，要想满足检测精度要求，必须把波长漂移误差控制在0.3nm以下。另外，通过统计分析找到一个与蛋白质相关性极高的特征波长，并对仪器采取控温措施，建模后蛋白质的检测精度高达SEP=0.11%，逼近化学值的检测误差。由此获得日本农林水产省和北海道设施协会的资质认定，并作为国际米食味品鉴大会唯一指定的检测设备，享誉国内外。食味计预测大米直链淀粉的精度未达标问题一直困扰着食味计的普及应用，为此，北海道生物系特定产业技术研究支援中心尝试利用近红外光谱分析制作直链含量预测模型及综合近红外光谱分析和可见光分析信息的二次建模，开发出直链淀粉含量预测标准误差(SEP)不到1%的非破坏性测量技术。利用近红外光谱分析(BR-5000、静冈制机)、可见光分析(ES-1000、静冈制机)、建模、评价按品种群制作。第一阶段，根据近红外光谱分析和参考分析值，PLS回归分析建立模型。第二阶段，近红外光谱分析的直链淀粉含量预测值(NIR)及蛋白质含量预测值(PC)、可见光分析的PP值(整粒比例、未成熟粒比例、粒长、粒宽)共6个项目为自变量进行多元回归分析建立了两个阶段的模型。对各个模型，进行直链淀粉含量预测精度的评价。其结果如图8所示，糙米的直链淀粉SEP=0.43%，精米是0.42%。满足了实际生产要求[7]。图8 大米直链淀粉二次建模（NIR+VIS）结果静冈制机即将在2024年1月中旬推出最新小型食味计TMX-1（图9），其技术特点是能计算出样本的最佳测量时间，能经常进行低噪声测量。因为得到了最佳光谱，所以信号噪声降低了，可以计算出更准确的测量值（图10）。从硬件和软件两方面好好地修正测量环境温度和样品温度引起的测量误差（图11）。测量值的校正可以通过基准样本自动进行。由于可以自动进行繁琐的偏差计算和调整，所以便于精度管理。也能降低多台导入时的机差[8]。图9 最新小型食味分析計「TMX-1」图10 新旧机型光谱示意图图11 新旧机型温度的影响示意图综观近红外仪器发展史，不论是通用仪器还是专用仪器，还没有一款仪器像食味计一样不断更新换代，足以证明食味计在大米加工应用的重要性和紧迫性。参考文献[1]佐竹专利：米の食味測定方法及び装置JPA 1987291546[2]保坂幸男：ポストハーべースト最新技術事情，農業機械学会誌第51巻 第2号[3]河野澄夫：近赤外分光分析法による非破壊品質評価，化学と生物 Vol.28, No.6，1990[4]川村周三，竹倉憲弘，伊藤和彦：近赤外透過型分析計による米の成分測定の精度とその改善，農業機械学会誌64(1): 120～126, 2002[5]夏賀元康・渡部美里・川端 匠・片平光彦：携帯型分析計による米の品質測定のための基礎研究，農業機械学会誌 75（6）：393∼402，2013[6]三上隆司，柏村崇，土屋義信，西尾尚道：可視光および近赤外光 による米飯の官能値評価，日本食品科学工学会誌 第47巻 第10号2000年10月[7]川村周三（2018），第 34 回近赤外フォーラム（札幌市），近赤外分光と可視光を利用した米の自動品質検査システムの開発[8]静冈制机公司网页,https://www.shizuoka-seiki.co.jp/

现在的研究中经常需要动物实验提供数据支持，这些研究包括对骨病的研究、药物管理评价和代谢中的脂肪测量等。实验对象的动物有大、小鼠和兔子等。 X射线CT系统通常用于观察和分析小动物的骨骼，人类或小动物的牙齿。对小动物的观察包括活体动物的CT成像，猝死动物整体或切除部位的体外CT成像。 本案例介绍了利用inspeXio SMX-100CT Plus采集的小鼠股骨CT图像(体外)数据以及其三维解析结果。 图1. 岛津微焦点X射线CT inspeXio SMX-100CT Plus 对小鼠股骨的观察 使用inspeXio SMX-100CT Plus微焦点X射线CT系统(图1)进行数据采集。该设备采用密封式微焦点X射线发生源，最大输出电压为100 kV，图像亮度高，可对树脂、药物、骨骼等软材料在高放大倍数下进行三维观察。图2为小鼠股骨。红色矩形框部分是股骨，红色矩形框右侧的是胫骨。图3显示了小鼠股骨的原理图。股骨由近端、股骨本身和远端三部分组成。近端肢体与臀部骨共同构成髋关节。远端肢体与胫骨共同构成膝关节。本标本观察是股骨远端离体成像的一例。图2.小鼠股骨照片 图3 小鼠股骨的原理图 图4为骨骺的横断面图像，图5为骺端和干骺端横断面图像，图6为干骺端的横断面图像。在干骺端横断面上，圆形骨区为皮质骨，内部网状区为骨小梁。使用inspeXioSMX-100CT进行锥束扫描，一次即可获得区域内所有的横断面图像，还可以连续进行图像观察。 图4骨骺的CT图像图5骺端和干骺端的CT图像图6 干骺端CT图像 图7为MPR(多平面重构)图像，MPR显示的是在虚拟空间中堆叠的多个CT图像。 图7 小鼠股骨MPR图像 图8 小鼠股骨的三维图像 小鼠股骨分析 使用X射线CT获取图像，不仅可以进行横断面和三维观察，而且可以单独提取感兴趣区域进行观察，并测量骨的厚度。 图9 小鼠股骨三维图像 图10~14显示小鼠股骨皮质骨、骨小梁及皮质骨内血管的扫描结果，图像处理为某软件公司的TRI/3D-Bon骨结构分析软件。 图10 白色：皮质骨和骨小梁红色：皮质骨中的血管绿色：生长板软骨 图11 白色：骨小梁红色：皮质骨中的血管绿色：生长板软骨 图10、11中白色为皮质骨和骨小梁、红色部分为皮质骨中的血管、绿色部分为生长板软骨，图10中皮质骨在外观上是半透明的。 图12 骨小梁和生长板软骨图13 提取的生长板软骨图14 皮质骨和骨小梁厚度的测量 图13是提取的成长板软骨。图14是对提取的皮质骨和骨小梁测量出的厚度结果，从外观上使用不同颜色标示出各不相同的薄、厚部分。 结论 使用inspeXio SMX-100CT Plus不仅可以对小鼠股骨结构进行三维观察，而且可以通过其它分析软件提取感兴趣区域，并测量、评价皮质骨和骨小梁的厚度。 另外，针对专用软件（例如TRI/3 DBON），可利用BMD模型(骨矿定量) 将影像数据的亮度值转换为CT值，分离出皮质骨和骨小梁，获得皮质骨和骨小梁各自的BMD值。因此，在骨成像后，用BMD模型代替骨成像来建立分析曲线是可行的。（此应用只可针对特定第三方软件进行。）

微和纳米塑料(MNPs)是一种新兴的污染物分类，由聚合物产品直接释放或分解形成。近期已有报告指出在人体血液中发现了微和纳米塑料，对人类健康和环境构成了很大的风险。目前，对于降解的MNPs特征和量化分析研究又缺乏可靠的方法。 传统的光学和电子显微镜不能提供样品化学成分的详细信息；质谱方法可以表征聚合物类型但这些技术又具有破坏性，无法获得MNP大小或形态的信息；例如傅里叶变换红外(FTIR)等传统红外光谱虽可以提供化学成分、大小和形貌信息，但其空间分辨率受光学衍射极限限制，下限空间分辨率约为5 μm，无法分析各种尺寸复杂的微塑料颗粒。 非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统-mIRage的出现有效解决了上述受限问题。设备基于光学光热诱导共振（O-PTIR）技术，突破了传统红外光谱衍射极限，空间分辨率可达500 nm，有效解决了基本全尺寸MNPs样品的化学成分信息、大小和形态信息测试问题。 近期，来自美国圣母大学的Kyle Doudrick，Masaru Kuno，Kirill Kniazev等人[1]使用非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统-mIRage进行了与我们日常生活息息相关的食品-茶包内降解微塑料样品测试实验。 与传统SEM方法对比，mIRage系统可直观的观察到样品内微塑料（颗粒1、2、3）的形貌和大小信息，同时可获得三个微塑料颗粒的红外光谱成分结果。尤其是针对3号微塑料颗粒，在颗粒仅2 μm的粒径下，仍然获得了清晰的红外光谱图（O-PTIR光谱图）。有效解决了SEM无法测试成分信息、传统红外光谱无法分析5μm甚至10μm以下样品的严重弊端。非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统-mIRage科研级别分析优势：☛ 可达500 nm左右的空间分辨率☛ 基本无需样品前处理，样品即放即测☛ 光源“探针”对样品无损伤☛ 同时、同位置进行红外和拉曼光谱测试，提供相互佐证的分析结果☛ 同时获得样品成分、形貌、大小等信息样机体验： 为满足国内日益增长的新型红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，欢迎各位老师垂询！ 参考文献：[1]. Kirill Kniazev, Ilia M. Pavlovetc, Shuang Zhang, Junyeol Kim, Robert L. Stevenson, Kyle Doudrick,and Masaru Kuno.Using Infrared Photothermal Heterodyne Imaging to Characterize Micro- and Nanoplastics in Complex Environmental Matrices: Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 15891&minus 15899