轻装上阵：便携式光谱仪，助力食品安全的便捷保障

导读

食品安全是一个备受瞩目的话题。在消费电子和光子学的进步推动下，手持式光学仪器可用于食品安全以及质量的评估，但需要充分了解基础光谱学和分析科学，才能使这些仪器具有有效的方法。借助便携式光谱仪，企业以及个人能够在现场获取到可靠的信息，更有助于加快筛选流程，维护食品安全。

前言

食品安全是与人类健康息息相关的话题。现如今，尽管已有技术开发了强大且复杂的实验室方法来检测造假行为，但如何在现场实现快速、便携的检测仍然在探讨和研究之中。理想情况下，由非科学家操作的手持式检测仪器将在港口、食品配送中心或超市装卸码头使用，形成食品安全的第一道关卡。

食品成分及其真实性测试的分析科学已经足够成熟，实验室方法包括液相色谱和气相色谱技术，以及质谱、量热、聚合酶链反应分析（用于 DNA 指纹图谱）和核磁共振（NMR）。这些方法非常准确和精确，为筛选技术提供了所需的参考分析数据。光学技术包括荧光、紫外可见光、近红外、中红外和拉曼光谱。例如，美国谷物化学家协会已经批准了用于测定谷物中蛋白质的近红外技术，而共识标准机构AOAC International则拥有官方和国际公认的食品分析方法。

复杂的实验室检测

实验室技术的缺点在于会花费较长时间：样品来到实验室，需要对其进行大量的准备，进行长时间的分析程序并处理数据。通常在两周后，它才能被提交给非科学家人员采取进一步行动。

现场筛选不是在实验室进行，而是在样品提供现场进行。这种方式可以明显加快检测和甄别的进程，使可疑材料更快地被处理。筛查旨在给出通过/不通过答案，而不需要详细或定量的分析结果。这对于个人消费者来说也有诸多好处，如果有这样的设备，那么每一位消费者就都能随时随地检测身边的食品情况，更有助于在全民参与的背景下，实现的食品安全防护和食品质量评估。

光谱法检测食品

光谱法越来越多用于食品检测当中。光谱仪可以通过棱镜色散原理或者光栅分光原理，将光源发出的光与样品作用后的反射光谱/吸收光谱按照波长（或频率）分离得到横轴为波长（或频率）纵向为强度的谱线图。通过食品掺假与否的特征光谱，我们可以辨别不同的食品组成，分析食品的质量情况。

光谱法的两个光谱区域吸纳了探测器的技术发展：硅探测器覆盖的可见光和近红外区域（~400 - 1000 nm ，VNIR），以及砷化铟镓 （InGaAs）探测器覆盖的短波红外区域（900-1700nm可延申至2500 nm）。

光谱波段及探测器材料

VNIR光谱区域特别令人感兴趣，原因之一是硅基探测器相对便宜。从检测方法上来讲，在400- 700 nm范围内，可以检测到不同的颜色；在700 - 1000 nm区域，可以检测具有 C-H、N-H 和 OH 键的分子的第三和第四泛音振动带，以传递特定的分子信息；在1000 - 2500 nm区域可获得更具体的化学信息，通常用于食品分析、回收材料鉴定以及化学和制药制造中的原材料化学鉴定等应用。

随着基于光学的食品安全筛查方法的发展，了解每种技术的优势、劣势和局限性非常重要。

光谱法在食品检测中的应用范围

LinkSquare：便携轻巧的光谱分析

随着电子学和光子学的进步，我们现在可以设计和制造各种便携式光谱仪，使实验室能够转移到现场。基于光学的分析通常不需要样品制备，可以使用便携式仪器以“傻瓜式”方法进行检测，并且只需要几秒钟的数据采集时间。出于筛选目的，便携式仪器可能不需要实验室仪器的精密度、准确度或检测步骤，有问题的样本可能会转到实验室进行更深入的分析。
 

仅仅拥有便携式的特征是不够的，它必须产生答案，而不仅仅是光谱。因此，便携式光谱仪必须直截了当地给出清晰的答案，通常采用“绿屏/红屏”格式。为了进行识别，这些答案可以表示通过/失败，并且可以识别出检测类别。

手持式光谱仪用于食品检测

友思特LinkSquare光谱仪

友思特 LinkSquare 光谱仪是一种形似笔的外部设备，内置光源，利用漫反射光谱。该设备在可见光和近红外光下工作，波长最高可达 1000 nm，光学分辨率约为 5 nm。这是一款时尚的仪器，装在一个类似手机的外壳中，可以直接取用，即握于手中进行快速检测。
 

LinkSquare的PC和手机软件

LinkSquare 光谱仪搭配电脑端和移动端两种配套软件，可直接通过蓝牙连接到电脑或手机。而在功能显示上也有差别，电脑上可以展示采集到的光谱图数据。手机上则有专门的应用程序，内置多种具体功能的小程序，方便客户直接使用。这也是考虑到实际现场测量的情况，移动设备展示更加便携。

目前 LinkSquare 光谱仪系列已拥有可见光近红外（400-1000nm）以及NIR（700-1050 nm）两个型号，并将最终发布具有SWIR功能的器件（800-1600 nm）——该器件带有锗探测器，而不是更传统的砷化铟镓（InGaAs）探测器，额外的功能将产生更有趣的数据。

光谱数据处理

近红外是一种辅助技术，它依赖于使用既定方法对样品进行初步分析。例如有机氮的凯氏定氮法，并在化学计量学方法中将该数据与这些样品的光谱相结合。为了使用便携式光谱仪进行食品安全与质量检查，必须致力于通过标准方法分析大量样品，记录其“元数据”（报告的来源、年龄、外观等），然后在充分了解每种光谱技术的采样和特征的情况下收集其光谱，并使用所有这些数据来构建经过验证的化学计量方法。
 

这也是目前光谱仪限制消费级应用的原因，很多客户没有相关光谱数据处理的能力，购买的光谱仪只能获取到光谱图，但对于最终食品的鉴别结论，还需要借助其他专业技术成员才可以实现。

LinkSquare 设备（a）是一种易于使用的手持式光谱仪，可通过Wi-Fi连接到智能手机。上图中该设备分析了肉的新鲜度（b）和药品的真实性（c）

友思特LinkSquare光谱仪具有内置的应用小程序，允许用户验证药物的真实性，辨别腐烂的和新鲜的金枪鱼、肉类，以及辨别不同脂肪成分的牛奶，这些结果都是直接得到结论，而不需要客户自行分析光谱数据，始终确保小程序的准确率高于95%。
 

LinkSquare光谱仪还提供一个软件开发工具包，将测量的光谱数据上传，即可构建构建自己的应用程序。通过采集初始光谱数据，可以实现特定功能的光谱鉴别功能，用户通过利用这些内置或者定制化的小程序，可以直接获取检测的结论（比如肉类是否变质，Yes/No），使得食品检测更为便携与高效。目前已经内置有28个小程序，也可以用于液体检测。

Linksuare的小程序

LinkSquare光谱仪食品检测案例

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

参考内容：

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

审核编辑 黄宇