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
情人節是受歡迎的全國性和全球性節日。這個(gè)浪漫的節日始于14世紀左右，是一個(gè)為了慶祝愛(ài)情互贈深情問(wèn)候和禮物的節日，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(lèi)別比較廣泛，但對于某些特定的巧克力，它們的定義卻非常嚴格。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，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90%左右，規定要求不含牛奶，但通常會(huì )有微量的牛奶。
PART01：實(shí)驗設想
通常這些不同的巧克力類(lèi)型可以通過(guò)肉眼可觀(guān)察的顏色和材質(zhì)來(lái)區分。但我們也可以跟據他們的組成成分——即它們的分子組成來(lái)區分。本實(shí)驗中，我們將使用近紅外光譜法來(lái)實(shí)現。
圖1：實(shí)驗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)驗儀器
本實(shí)驗使用的光譜儀(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1.7 μm，采用高靈敏度光學(xué)平臺，具有良好的性能參數，采樣速度可達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?？梢赃x擇不同光柵和狹縫。光譜儀的數字和模擬I / O 接口可實(shí)現對光譜儀的外觸發(fā)以及對脈沖光源和快門(mén)和的控制，并且可以通過(guò)軟件選擇兩種不同的增益模式，即高靈敏度模式（HS，默認）和低噪聲 （LN）模式。
本實(shí)驗使用的光源為AvaSphere-50-LS-HAL-12V內置鹵素燈光源（圖3）的積分球。此積分球專(zhuān)為反射應用而設計，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內置鹵素燈光源
內置鹵素燈光源的積分球為樣品提供漫射鹵素光，可以避免產(chǎn)生與光纖耦合相關(guān)的損耗，與我們的標準反射積分球相比，樣品上的光照強度高達160倍。AvaSphere-50-LS-HAL-12V積分球內徑為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)準直的SMA端口，用于收集AvaSpec光譜儀的信號。
本實(shí)驗使用的其他配件包括:
一個(gè)將巧克力樣品與積分球隔開(kāi)的玻璃
白色參考瓦(WS-2)，做為參考來(lái)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)驗方法
除了便宜的牛奶巧克力樣品是一塊單獨的巧克力外，每個(gè)巧克力樣品都是從一塊完整的巧克力上掰下來(lái)的。每個(gè)樣品都儲存在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(kāi)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確的結果。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，其計數單位為A.U.。AvaSoft是我們定制的數據分析軟件包。這種模式是專(zhuān)門(mén)為吸光度應用而設計的。本實(shí)驗中，我們將白色參考瓦作為白參考。將積分時(shí)間設置為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。我們將平均次數設置為100，是指將100個(gè)值平均在一起，以提供更一致的光譜結果。當積分時(shí)間較短時(shí)，可以使用比較高的平均次數。
PART04：實(shí)驗結果
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(cháng)對應的吸光度分別為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(cháng)對應的吸光度分別為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(cháng)對應的吸光度分別為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(cháng)對應的吸光度分別為0.52 A.U.和0.62 A.U.
圖10:結果對比圖
牛奶巧克力樣品(藍色)、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。
數據說(shuō)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)?？煽珊繛?8%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)?？煽珊繛?2%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。由此可以假設這個(gè)峰值表示糖含量。
結論：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(lèi)似的如牛奶固體和其他調味料的趨勢可以從其他成分中得出。
PART05：實(shí)驗后記
總之，本實(shí)驗通過(guò)使用近紅外光譜觀(guān)察到了不同類(lèi)型巧克力之間的差異。然而，必須使用進(jìn)一步的計量分析來(lái)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內置鹵素燈積分球是專(zhuān)門(mén)為反射率測量而設計的，但也可用在任何可能存在信號強度有限問(wèn)題的應用，如近紅外光譜測量。