1、收稿日期：2022-07-22第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022近年来，随着世界范围内“回归自然”的潮流发展趋势，以天然药物代替化学药物已经成为一种趋势，中药材市场总量逐年递增。据预测，2027年全球中草药市场将高达2 700亿美元1。市场的快速增长以及国家对于中医药行业的重视，使得中药材市场监管和规范的重要性与日俱增。为维护市场秩序、确保药品有效性，迫切需要能够对中药材品质进行在线、无损、快速检测的便携式仪器，满足对重点药材现场快检的需求。其中，陈皮就是一种典型的应用
2、广泛、经济价值高的中药材。陈皮是由芸香科植物橘及其栽培变种（茶枝柑）的干燥成熟果皮，有“陈皮”和“广陈皮”之分。是广东新会道地药材，具有行气、调中、燥湿化痰等功效。还是一种传统的调味品。药用陈皮对于陈化年份有所要求，一般需要在阴凉干燥处存放至少3年才可供临床使用，自古即有“陈古者良”的说法2-4。随着陈化年份的增长，其药用价值、市场价格显著提高，市场中经常出现以低年份陈皮冒充高年份陈皮进行售卖的事件，严重影响市场秩序5。针对于陈皮陈化年份的检测，传统的方法是通过肉眼进行人工经验鉴别，主观性较大，准确率、可靠性较低。除人工鉴别外，目前学者采用的鉴别方法主要集中于采用传统的仪器分析方法：刘丽 光电
3、系统 手持式可见-近红外光谱陈皮分析仪系统研究赵帅，张云昊*（天津津航技术物理研究所，天津）摘要：针对陈皮无损、在线、快速的便携式检测需求，基于可见-近红外光谱技术，利用AS7341传感器设计了一款手持式非成像光谱分析仪。分析仪以STM32微控制器作为主控芯片，具备网联、存储、显示等多种功能。对微控制器进行了软件及算法设计，实现了光谱数据采集、处理、显示、保存与传输。并以不同年份陈皮作为检测对象进行了实验验证，结果表明对测试集内陈皮的年份识别准确率不低于97%，具有实际应用价值。关键词：光谱分析技术；陈皮；便携式设备；AS7341中图分类号：TN247文献标识码：A文章编号：1673-1255
4、（2022）-06-0007-06Research on Handheld Pericarpium Citri Reticulatae Analyzer SystemBased on Visible-near Infrared SpectroscopyZHAO Shuai,ZHANG Yunhao*(Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin,China)Abstract:Aiming at the non-destructive,online and fast portable detection requirements o
5、f dried pericarpiumcitri reticulatae,a handheld non-imaging spectrum analyzer is designed based on the visible-near infrared spectroscopy technology using the AS7341 sensor.The analyzer uses STM32 microcontroller as the main control chip,whichhas various functions such as network connection,storage
6、and display.The software and algorithm are designed forthe microcontroller,which realizes the acquisition,processing,display,storage and transmission of spectral data.The experimental verification is carried out with different years of pericarpium citri reticulatae as the detection object,and the re
7、sults showed that the accuracy rate of year identification of pericarpium citri reticulatae in the testignset is not less than 97%,which has practical application value.Key words:spectral analysis technology;pericarpium citri reticulatae;portable device;AS7341光电技术应用第37卷娜等6采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用法对陈皮样品中
8、的数十种挥发性成分与陈化年份进行了相关性研究；梁天一等7采用气相-离子迁移谱方法对1、3、7、12年陈皮中挥发性风味物质含量进行了定量研究。除上述理化分析方法外，也有学者基于光谱方法，对陈皮样品的反射光谱、拉曼光谱特征与陈皮陈化年份进行对应，通过模式识别方法实现对陈化年份的鉴别：杨方等8通过表面增强拉曼光谱技术，分析了8种不同年份的陈皮样品在金膜-银纳米颗粒基底上的增强拉曼光谱特征，实现了5年以下和7年以上陈皮的区分鉴别；王光宁9等通过色度分析原理，对广陈皮的外观颜色进行了客观量化研究，建立了L*a*b*匀色空间系统与陈皮陈化年份的量化判别模型；鲍一丹10等通过高光谱成像技术，在可见光-近红外
9、谱段进行数据采集，结合模式识别算法，对陈皮正、反、混合放置判别准确率达到85%；余梅等11通过光栅式近红外光谱仪采集陈皮样本数据，基于fisher线性判别分析方法，对不同年份的陈皮外壁样品达到98%的鉴别准确率。上述方法中，理化分析法、拉曼光谱法对于有效物质分析较为精确，但需要对陈皮样品进行破碎、制样，数据获取需要大型仪器支持，数据采集时间长，无法实现快速、无损检测；可见光-近红外光谱法具备无损检测的可能性，但：（1）前述光谱数据采集系统往往需要推扫、凝视等辅助机构配合，体积大，测量用时较长；（2）对光源要求较高，需要遮光罩等部件确保样品处在均匀、稳定的环境中；（3）光谱仪、光谱成像仪、色差计
10、等设备体积过大、成本高，使用复杂，无法适应快速、在线检测的需求。基于上述分析，设计了一种基于可见光-近红外反射光谱原理的便携式检测仪器。仪器基于镀膜式法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）分光光谱传感器、高性能微控制器搭建，成本低，体积、质量、功耗均远小于常见仪器，内部自带光源，且无需外置遮光设备，可直接在样品表面进行测量。为实现陈皮等中药材的无损、在线、快速检测提供了一种新方法。1技术原理1.1光谱分析技术光谱曲线是描述目标物质吸收、散射和反射来自外界的电磁波辐射后产生的光强，与波长的关系的曲线。不同物质对不同波长的电磁波的吸收、反射能力是不同的，因此不同物质的光谱曲线是不一样的，与物质本身的分子结
11、构和各成分的含量有关12。光谱曲线能够体现物质特征，光谱分析技术是根据不同物质光谱曲线的特征对物质进行识别与分析的技术。相对于传统的检测技术，可见光-近红外光谱分析技术具有实时、快速、无损、光源及传感器件工艺简单、系统易于搭建等优点13，因此可见光-近红外光谱分析技术被广泛的应用于医药行业、农业、食品工业等领域14-19。光谱分析硬件设备体积质量大和制造成本高所带来的应用问题日益突出，涉及到的基础问题包括体积质量导致的装备平台局限、制造成本高昂导致的配备范围局限、由不同需求牵引出的不同谱段需求的再设计成本高等。1.2小型化方案随着现代光电技术、半导体技术和微纳制造技术的发展，将复杂的传统光谱分
12、析系统实现芯片级的设计与集成成为了新的发展趋势20-23，各种小体积的光谱分析设备相继诞生，例如海洋光学公司的USB2000+光谱仪、美国德州仪器公司的基于数字微镜阵列的近红外光谱仪等。相比传统仪器分析设备，这类产品具有便携、成本低、适用性高等特点。但其由于光谱传感器、光源等器件体积的限制，系统总体体积仍然较大24。文中设计的手持式非成像光谱分析仪（以下简称“分析仪”），以基于微型 F-P 腔分光的一体式CMOS阵列作为光谱信息传感器，其F-P腔阵列排布如图1所示。520 m520 m780 m图1 器件的微型F-P腔滤波阵列排布图8第6期图3 分析仪实物图赵帅等：手持式可见-近红外光谱陈皮分
13、析仪系统研究通过半导体工艺，将不同谱段的滤光结构集成在CMOS硅基感光面上，将分光、感光组合在一个部件中，相比传统的棱镜式、光栅式、MEMS 式光谱测量系统，有效减小了系统体积（单片仅 3.1 mm2 mm1 mm）；滤光结构分光特性稳定，不受外界温度、震动等条件干扰；内部不含可动机构，无需装调维护。传感器具备8个可见光通道、1个闪烁检测通道、1个NIR通道和1个未加滤光片的全通通道。其光谱响应曲线图如图2所示。1.3黑白校正原理利用上述传感器获得原始的光谱数据需要进行黑白校正，黑白校正的目的是消除由暗电流等所产生的噪声10，某通道黑白校正后的响应值为I=I0-BW-B（1）式中，I0为原始响
14、应值；B为遮挡所用光源后传感器采集的响应值；W为采集标准白板的响应值。另外，为了防止数据采集时出现“过曝光”现象，在对标准白板进行数据采集时，需要对曝光时间进行调节，保证采集白板的每个通道的光谱响应值不超过“1”。2仪器方案设计分析仪主要由以下部件组成：微控制器、光源、AS7341传感器、电源模块、显示屏、存储及网联模块等。其中，微控制器选择STM32系列的STM32F407芯片。STM32F407芯片成本低、体积小、功耗低，主频可达168 MHz，内存为192 kB，同时具备硬件浮点数运算单元，有利于谱线校正、分类识别等算法的运行，满足“小型化”的设计需求。为了提高系统功能的可拓展性，设计了
15、存储、4G及蓝牙网联功能。分析仪通过液晶显示屏模块作为人机交互界面，能够显示光谱曲线、识别结果等关键信息。分析仪外观结构整体采用流线型设计，符合人体工程学，实物图如图3所示。分析仪的光源系统采用了四枚LED光源，根据图2的光谱传感器的光谱响应曲线，光源的波长范围应尽量包含3501 000 nm，因此将四枚LED分为两组，每组两枚，分别对应可见光谱段和近红外谱段，可见光谱段LED光源的光谱曲线如图4所示。近红外谱段LED光源的光谱曲线如图5所示。光源系统结构图如图6所示。F1F7F2F8F3ClearF4NIRF5FlickerF610.80.60.40.20relative sensitivi
16、ty3504505506507508509501 050Wavelength/nm图2 光谱响应曲线图图4 可见光谱段光源光谱曲线120100806040200相对发射强度/（%）380430 480530580630680730780波长/nm图5 近红外谱段光源光谱曲线1008060402008809209601 0001 040波长/nm相对发射强度/（%）9光电技术应用第37卷图6 光源系统结构图从LED发射的光线与经被测物体表面反射后光线之间的夹角约为45，另外，为了提高光源光照的均匀性，两组LED围绕光谱传感器呈“十”字形对称分布；为了防止环境光的影响，设计了遮光罩，数据采集时遮光罩与被测物体表面直接接触来遮挡外部环境光。系统的软件流程图如图7所示。一次“测量”过程可分为数据采集和数据处理，数据采集包括微控制器控制照明光源工作，同时控制传感器获取一组数据；数据处理包括将传感器数据进行计算、处理并将结果显示及存储：将原始数据、处理结果显示在显示屏上，并存储于外部存储器中。3实验与结果分析为了验证文中所设计分析仪的陈皮分级功能，进行了陈皮分级实验。陈皮样品由中国中医研究院中药资