解決方案
不同巧克力的吸收光譜
前言：你知道嗎？這些關(guān)于“巧克力”的知識(shí)
情人節(jié)是受歡迎的全國性和全球性節(jié)日。這個(gè)浪漫的節(jié)日始于14世紀(jì)左右，是一個(gè)為了慶祝愛情互贈(zèng)深情問候和禮物的節(jié)日，其中受歡迎的禮物是香氣撲鼻的鮮花和香甜可口的巧克力。雖然“巧克力”一詞包含的糖果類別比較廣泛，但對(duì)于某些特定的巧克力，它們的定義卻非常嚴(yán)格。任何被定義為“牛奶巧克力”的巧克力都必須含有可可脂，可可固體，至少12%的牛奶和10%的可可。
這還只是“牛奶巧克力”的限度指標(biāo)，高品質(zhì)的牛奶巧克力一般含有30-40%的可可。剩余成分可能是糖、香草、乳化劑和其他調(diào)味品。“白巧克力”必須含有至少14%的牛奶和20%的可可，但不含可可固體，這可以消除巧克力自身的果味和苦味。
“黑巧克力”中必須含有至少35%的可可，一般情況下這個(gè)比例接近60-70%，最高可達(dá)90%左右，規(guī)定要求不含牛奶，但通常會(huì)有微量的牛奶。
PART01：實(shí)驗(yàn)設(shè)想
通常這些不同的巧克力類型可以通過肉眼可觀察的顏色和材質(zhì)來區(qū)分。但我們也可以跟據(jù)他們的組成成分——即它們的分子組成來區(qū)分。本實(shí)驗(yàn)中，我們將使用近紅外光譜法來實(shí)現(xiàn)。
圖1：實(shí)驗(yàn)中使用的五種巧克力樣品和白參考
從左到右:牛奶巧克力、廉價(jià)牛奶巧克力、白巧克力、可可含量為78%的黑巧克力、可可含量為92%的黑巧克力、Avantes的白色參考瓦（WS-2）。
PART02：實(shí)驗(yàn)儀器
本實(shí)驗(yàn)使用的光譜儀(圖2)是AvaSpec-NIR256-1.7-EVO近紅外光纖光譜儀。這款近紅外光譜儀測量范圍高達(dá)1.7 μm，采用高靈敏度光學(xué)平臺(tái)，具有良好的性能參數(shù)，采樣速度可達(dá)0.53 ms，積分時(shí)間可短至10μs。
圖2：AvaSpec-NIR256-1.7-EVO (左)，積分球和巧克力樣品 (右)
AvaSpec-NIR256-1.7-EVO配備了InGaAs(銦鎵砷)陣列探測器，USB3 和千兆以太網(wǎng)接口的超低噪聲電路板。可以選擇不同光柵和狹縫。光譜儀的數(shù)字和模擬I / O 接口可實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜儀的外觸發(fā)以及對(duì)脈沖光源和快門和的控制，并且可以通過軟件選擇兩種不同的增益模式，即高靈敏度模式（HS，默認(rèn)）和低噪聲 （LN）模式。
本實(shí)驗(yàn)使用的光源為AvaSphere-50-LS-HAL-12V內(nèi)置鹵素?zé)艄庠矗▓D3）的積分球。此積分球?qū)?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; color: #D51824;">反射應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但也適用于低反射材料和近紅外光譜測量。
圖3：AvaSphere-50-LS-HAL-12V內(nèi)置鹵素?zé)艄庠?/span>
內(nèi)置鹵素?zé)艄庠吹姆e分球?yàn)闃悠诽峁?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; color: #D51824;">漫射鹵素光，可以避免產(chǎn)生與光纖耦合相關(guān)的損耗，與我們的標(biāo)準(zhǔn)反射積分球相比，樣品上的光照強(qiáng)度高達(dá)160倍。AvaSphere-50-LS-HAL-12V積分球內(nèi)徑為50mm，有一個(gè)10mm直徑的采樣口，一個(gè)SMA參比端口，以及一個(gè)準(zhǔn)直的SMA端口，用于收集AvaSpec光譜儀的信號(hào)。
本實(shí)驗(yàn)使用的其他配件包括:
一個(gè)將巧克力樣品與積分球隔開的玻璃
白色參考瓦(WS-2)，做為參考來比較每個(gè)巧克力樣品
600微米芯徑光纖(FC-UVIR600-1-BX)，連接積分球和光譜儀
PART03：實(shí)驗(yàn)方法
除了便宜的牛奶巧克力樣品是一塊單獨(dú)的巧克力外，每個(gè)巧克力樣品都是從一塊完整的巧克力上掰下來的。每個(gè)樣品都儲(chǔ)存在21℃左右的房間抽屜里，以確保巧克力不會(huì)熔化。測量時(shí)，每個(gè)巧克力樣品先分別放置在玻片上，然后將玻片放在積分球的樣品端口上(圖4)。
圖4：用玻璃隔開積分球與巧克力
這個(gè)玻璃可以防止巧克力碎屑進(jìn)入積分球造成污染，同時(shí)，也可以使測量距離更一致得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。首先測量白色參考瓷作為我們的白參考，將其放置在玻璃上確保測量距離的一致性。
我們使用AvaSoft軟件中的T-吸光度模式，其計(jì)數(shù)單位為A.U.。AvaSoft是我們定制的數(shù)據(jù)分析軟件包。這種模式是專門為吸光度應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。本實(shí)驗(yàn)中，我們將白色參考瓦作為白參考。將積分時(shí)間設(shè)置為3ms左右，積分時(shí)間可以增加或減少一次測量的光量，影響測量光譜的整體幅度。我們將平均次數(shù)設(shè)置為100，是指將100個(gè)值平均在一起，以提供更一致的光譜結(jié)果。當(dāng)積分時(shí)間較短時(shí)，可以使用比較高的平均次數(shù)。
PART04：實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5:牛奶巧克力樣品的吸收光譜
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，吸光度分別為0.50 A.U.和0.74 A.U.
圖6:廉價(jià)牛奶巧克力樣品的吸收光譜
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，兩處波長對(duì)應(yīng)的吸光度分別為0.52 A.U.和0.79 A.U.
圖7:白巧克力樣品的吸收光譜
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，兩處波長對(duì)應(yīng)的吸光度分別為0.52 A.U.和0.79 A.U.
圖8:可可含量為78%的黑巧克力樣品的吸收光譜
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，兩處波長對(duì)應(yīng)的吸光度分別為0.53 A.U.和0.68 A.U.
圖9: 可可含量為92%的黑巧克力樣品的吸收光譜
峰值在1128.26 nm和1322.60 nm，兩處波長對(duì)應(yīng)的吸光度分別為0.52 A.U.和0.62 A.U.
圖10:結(jié)果對(duì)比圖
牛奶巧克力樣品(藍(lán)色)、廉價(jià)牛奶巧克力樣品(紅色)、白巧克力樣品(淺綠色)、可可含量為78%的黑巧克力樣品(暗紅色)和可可含量為92%的黑巧克力樣品(深綠色)的吸收光譜
所有巧克力樣品的吸收光譜均在1209.81 nm和1437.32 nm處測量到峰值。
數(shù)據(jù)說明：牛奶巧克力樣品在峰值處的吸光度值分別為0.50 A.U.和0.74 A.U.(圖5)。廉價(jià)牛奶巧克力樣品在峰值處的吸光度值分別為0.52 A.U.和0.79 A.U.(圖6)。白巧克力樣品在峰值處的吸光度值分別為0.52 A.U.和0.79 A.U.(圖7)。可可含量為78%的黑巧克力樣品在峰值處的吸光度值分別為0.53 A.U.和0.68 A.U.(圖8)。可可含量為92%的黑巧克力樣品在峰值處的吸光度值分別為0.52 A.U.和0.62 A.U.(圖9)。五種巧克力的光譜圖可以表明峰值強(qiáng)度的差異(圖10)。
在1209.81 nm處，吸光度由高到低分別為：可可含量為78%的黑巧克力樣品，可可含量為92%的黑巧克力樣品，白巧克力樣品，廉價(jià)牛奶巧克力樣品。在1437.32 nm處，吸光度由高到低分別為：白巧克力，廉價(jià)牛奶巧克力，牛奶巧克力，可可含量為78%的黑巧克力樣品，可可含量為92%的黑巧克力樣品。由此可以假設(shè)這個(gè)峰值表示糖含量。
結(jié)論：平均每份巧克力樣品為28g，白巧克力含15g糖，廉價(jià)牛奶巧克力含16克糖，牛奶巧克力含12g糖，可可含量為78%的黑巧克力含5g糖，可可含量為92%的黑巧克力含2g糖。這僅表明一個(gè)猜想，類似的如牛奶固體和其他調(diào)味料的趨勢可以從其他成分中得出。
PART05：實(shí)驗(yàn)后記
總之，本實(shí)驗(yàn)通過使用近紅外光譜觀察到了不同類型巧克力之間的差異。然而，必須使用進(jìn)一步的計(jì)量分析來充分解釋和量化這些測量的差異。
AvaSpec-NIR256-1.7-EVO光纖光譜儀是一款高度通用的近紅外光譜儀，可以定制以適配您的需求。
AvaSphere-50-LS-HAL-12V內(nèi)置鹵素?zé)舴e分球是專門為反射率測量而設(shè)計(jì)的，但也可用在任何可能存在信號(hào)強(qiáng)度有限問題的應(yīng)用，如近紅外光譜測量。