導讀

食品安全是一個備受矚目的話題。在消費電子和光子學的進步推動下，手持式光學儀器可用于食品安全以及質量的評估，但需要充分了解基礎光譜學和分析科學，才能使這些儀器具有有效的方法。借助便攜式光譜儀，企業以及個人能夠在現場獲取到可靠的信息，更有助于加快篩選流程，維護食品安全。

前言

食品安全是與人類健康息息相關的話題。現如今，盡管已有技術開發了強大且復雜的實驗室方法來檢測造假行為，但如何在現場實現快速、便攜的檢測仍然在探討和研究之中。理想情況下，由非科學家操作的手持式檢測儀器將在港口、食品配送中心或超市裝卸碼頭使用，形成食品安全的第一道關卡。

食品成分及其真實性測試的分析科學已經足夠成熟，實驗室方法包括液相色譜和氣相色譜技術，以及質譜、量熱、聚合酶鏈反應分析（用于 DNA 指紋圖譜）和核磁共振（NMR）。這些方法非常準確和精確，為篩選技術提供了所需的參考分析數據。光學技術包括熒光、紫外可見光、近紅外、中紅外和拉曼光譜。例如，美國谷物化學家協會已經批準了用于測定谷物中蛋白質的近紅外技術，而共識標準機構AOAC International則擁有官方和國際公認的食品分析方法。

復雜的實驗室檢測

實驗室技術的缺點在于會花費較長時間：樣品來到實驗室，需要對其進行大量的準備，進行長時間的分析程序并處理數據。通常在兩周后，它才能被提交給非科學家人員采取進一步行動。

現場篩選不是在實驗室進行，而是在樣品提供現場進行。這種方式可以明顯加快檢測和甄別的進程，使可疑材料更快地被處理。篩查旨在給出通過/不通過答案，而不需要詳細或定量的分析結果。這對于個人消費者來說也有諸多好處，如果有這樣的設備，那么每一位消費者就都能隨時隨地檢測身邊的食品情況，更有助于在全民參與的背景下，實現的食品安全防護和食品質量評估。

光譜法檢測食品

光譜法越來越多用于食品檢測當中。光譜儀可以通過棱鏡色散原理或者光柵分光原理，將光源發出的光與樣品作用后的反射光譜/吸收光譜按照波長（或頻率）分離得到橫軸為波長（或頻率）縱向為強度的譜線圖。通過食品摻假與否的特征光譜，我們可以辨別不同的食品組成，分析食品的質量情況。

光譜法的兩個光譜區域吸納了探測器的技術發展：硅探測器覆蓋的可見光和近紅外區域（~400 - 1000 nm ，VNIR），以及砷化銦鎵 （InGaAs）探測器覆蓋的短波紅外區域（900-1700nm可延申至2500 nm）。

光譜波段及探測器材料

VNIR光譜區域特別令人感興趣，原因之一是硅基探測器相對便宜。從檢測方法上來講，在400- 700 nm范圍內，可以檢測到不同的顏色；在700 - 1000 nm區域，可以檢測具有 C-H、N-H 和 OH 鍵的分子的第三和第四泛音振動帶，以傳遞特定的分子信息；在1000 - 2500 nm區域可獲得更具體的化學信息，通常用于食品分析、回收材料鑒定以及化學和制藥制造中的原材料化學鑒定等應用。

隨著基于光學的食品安全篩查方法的發展，了解每種技術的優勢、劣勢和局限性非常重要。

光譜法在食品檢測中的應用范圍

LinkSquare：便攜輕巧的光譜分析

隨著電子學和光子學的進步，我們現在可以設計和制造各種便攜式光譜儀，使實驗室能夠轉移到現場?；诠鈱W的分析通常不需要樣品制備，可以使用便攜式儀器以“傻瓜式”方法進行檢測，并且只需要幾秒鐘的數據采集時間。出于篩選目的，便攜式儀器可能不需要實驗室儀器的精密度、準確度或檢測步驟，有問題的樣本可能會轉到實驗室進行更深入的分析。

僅僅擁有便攜式的特征是不夠的，它必須產生答案，而不僅僅是光譜。因此，便攜式光譜儀必須直截了當地給出清晰的答案，通常采用“綠屏/紅屏”格式。為了進行識別，這些答案可以表示通過/失敗，并且可以識別出檢測類別。

手持式光譜儀用于食品檢測

友思特LinkSquare光譜儀

友思特 LinkSquare 光譜儀是一種形似筆的外部設備，內置光源，利用漫反射光譜。該設備在可見光和近紅外光下工作，波長最高可達 1000 nm，光學分辨率約為 5 nm。這是一款時尚的儀器，裝在一個類似手機的外殼中，可以直接取用，即握于手中進行快速檢測。

LinkSquare的PC和手機軟件

LinkSquare 光譜儀搭配電腦端和移動端兩種配套軟件，可直接通過藍牙連接到電腦或手機。而在功能顯示上也有差別，電腦上可以展示采集到的光譜圖數據。手機上則有專門的應用程序，內置多種具體功能的小程序，方便客戶直接使用。這也是考慮到實際現場測量的情況，移動設備展示更加便攜。

目前 LinkSquare 光譜儀系列已擁有可見光近紅外（400-1000nm）以及NIR（700-1050 nm）兩個型號，并將最終發布具有SWIR功能的器件（800-1600 nm）——該器件帶有鍺探測器，而不是更傳統的砷化銦鎵（InGaAs）探測器，額外的功能將產生更有趣的數據。

光譜數據處理

近紅外是一種輔助技術，它依賴于使用既定方法對樣品進行初步分析。例如有機氮的凱氏定氮法，并在化學計量學方法中將該數據與這些樣品的光譜相結合。為了使用便攜式光譜儀進行食品安全與質量檢查，必須致力于通過標準方法分析大量樣品，記錄其“元數據”（報告的來源、年齡、外觀等），然后在充分了解每種光譜技術的采樣和特征的情況下收集其光譜，并使用所有這些數據來構建經過驗證的化學計量方法。

這也是目前光譜儀限制消費級應用的原因，很多客戶沒有相關光譜數據處理的能力，購買的光譜儀只能獲取到光譜圖，但對于最終食品的鑒別結論，還需要借助其他專業技術成員才可以實現。

LinkSquare 設備（a）是一種易于使用的手持式光譜儀，可通過Wi-Fi連接到智能手機。上圖中該設備分析了肉的新鮮度（b）和藥品的真實性（c）

友思特LinkSquare光譜儀具有內置的應用小程序，允許用戶驗證藥物的真實性，辨別腐爛的和新鮮的金槍魚、肉類，以及辨別不同脂肪成分的牛奶，這些結果都是直接得到結論，而不需要客戶自行分析光譜數據，始終確保小程序的準確率高于95%。

LinkSquare光譜儀還提供一個軟件開發工具包，將測量的光譜數據上傳，即可構建構建自己的應用程序。通過采集初始光譜數據，可以實現特定功能的光譜鑒別功能，用戶通過利用這些內置或者定制化的小程序，可以直接獲取檢測的結論（比如肉類是否變質，Yes/No），使得食品檢測更為便攜與高效。目前已經內置有28個小程序，也可以用于液體檢測。

Linksuare的小程序

LinkSquare光譜儀食品檢測案例

https://www.bilibili.com/video/BV1Wy4y1c7EZ/

參考內容：

https://www.photonics.com/Articles/Portable_Spectroscopy_and_the_Fight_Against_Food/p5/a62147

https://www.photonics.com/Articles/Smartphone_Spectroscopy_Promises_a_Data-Rich/p5/a63594

https://www.photonics.com/Articles/Spectroscopy_Going_Small_to_Get_the_Whole_Picture/p5/a57249

審核編輯 黃宇