不同巧克力的吸收光谱
前言：你知道吗？这些关于“巧克力”的知识
情人节是受欢迎的全国性和全球性节日。这个浪漫的节日始于14世纪左右，是一个为了庆祝爱情互赠深情问候和礼物的节日，其中受欢迎的礼物是香气扑鼻的鲜花和香甜可口的巧克力。虽然“巧克力”一词包含的糖果类别比较广泛，但对于某些特定的巧克力，它们的定义却非常严格。任何被定义为“牛奶巧克力”的巧克力都必须含有可可脂，可可固体，至少12%的牛奶和10%的可可。
这还只是“牛奶巧克力”的限度指标，高品质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、乳化剂和其他调味品。“白巧克力”必须含有至少14%的牛奶和20%的可可，但不含可可固体，这可以消除巧克力自身的果味和苦味。
“黑巧克力”中必须含有至少35%的可可，一般情况下这个比例接近60-70%，最高可达90%左右，规定要求不含牛奶，但通常会有微量的牛奶。
PART01：实验设想
通常这些不同的巧克力类型可以通过肉眼可观察的颜色和材质来区分。但我们也可以跟据他们的组成成分——即它们的分子组成来区分。本实验中，我们将使用近红外光谱法来实现。
图1：实验中使用的五种巧克力样品和白参考
从左到右:牛奶巧克力、廉价牛奶巧克力、白巧克力、可可含量为78%的黑巧克力、可可含量为92%的黑巧克力、Avantes的白色参考瓦（WS-2）。
PART02：实验仪器
本实验使用的光谱仪(图2)是AvaSpec-NIR256-1.7-EVO近红外光纤光谱仪。这款近红外光谱仪测量范围高达1.7 μm，采用高灵敏度光学平台，具有良好的性能参数，采样速度可达0.53 ms，积分时间可短至10μs。
图2：AvaSpec-NIR256-1.7-EVO (左)，积分球和巧克力样品 (右)
AvaSpec-NIR256-1.7-EVO配备了InGaAs(铟镓砷)阵列探测器，USB3 和千兆以太网接口的超低噪声电路板。可以选择不同光栅和狭缝。光谱仪的数字和模拟I / O 接口可实现对光谱仪的外触发以及对脉冲光源和快门和的控制，并且可以通过软件选择两种不同的增益模式，即高灵敏度模式（HS，默认）和低噪声 （LN）模式。
本实验使用的光源为AvaSphere-50-LS-HAL-12V内置卤素灯光源（图3）的积分球。此积分球专为反射应用而设计，但也适用于低反射材料和近红外光谱测量。
图3：AvaSphere-50-LS-HAL-12V内置卤素灯光源
内置卤素灯光源的积分球为样品提供漫射卤素光，可以避免产生与光纤耦合相关的损耗，与我们的标准反射积分球相比，样品上的光照强度高达160倍。AvaSphere-50-LS-HAL-12V积分球内径为50mm，有一个10mm直径的采样口，一个SMA参比端口，以及一个准直的SMA端口，用于收集AvaSpec光谱仪的信号。
本实验使用的其他配件包括:
一个将巧克力样品与积分球隔开的玻璃
白色参考瓦(WS-2)，做为参考来比较每个巧克力样品
600微米芯径光纤(FC-UVIR600-1-BX)，连接积分球和光谱仪
PART03：实验方法
除了便宜的牛奶巧克力样品是一块单独的巧克力外，每个巧克力样品都是从一块完整的巧克力上掰下来的。每个样品都储存在21℃左右的房间抽屉里，以确保巧克力不会熔化。测量时，每个巧克力样品先分别放置在玻片上，然后将玻片放在积分球的样品端口上(图4)。
图4：用玻璃隔开积分球与巧克力
这个玻璃可以防止巧克力碎屑进入积分球造成污染，同时，也可以使测量距离更一致得到更准确的结果。首先测量白色参考瓷作为我们的白参考，将其放置在玻璃上确保测量距离的一致性。
我们使用AvaSoft软件中的T-吸光度模式，其计数单位为A.U.。AvaSoft是我们定制的数据分析软件包。这种模式是专门为吸光度应用而设计的。本实验中，我们将白色参考瓦作为白参考。将积分时间设置为3ms左右，积分时间可以增加或减少一次测量的光量，影响测量光谱的整体幅度。我们将平均次数设置为100，是指将100个值平均在一起，以提供更一致的光谱结果。当积分时间较短时，可以使用比较高的平均次数。
PART04：实验结果
图5:牛奶巧克力样品的吸收光谱
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，吸光度分别为0.50 A.U.和0.74 A.U.
图6:廉价牛奶巧克力样品的吸收光谱
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，两处波长对应的吸光度分别为0.52 A.U.和0.79 A.U.
图7:白巧克力样品的吸收光谱
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，两处波长对应的吸光度分别为0.52 A.U.和0.79 A.U.
图8:可可含量为78%的黑巧克力样品的吸收光谱
峰值在1209.81 nm和1437.32 nm，两处波长对应的吸光度分别为0.53 A.U.和0.68 A.U.
图9: 可可含量为92%的黑巧克力样品的吸收光谱
峰值在1128.26 nm和1322.60 nm，两处波长对应的吸光度分别为0.52 A.U.和0.62 A.U.
图10:结果对比图
牛奶巧克力样品(蓝色)、廉价牛奶巧克力样品(红色)、白巧克力样品(浅绿色)、可可含量为78%的黑巧克力样品(暗红色)和可可含量为92%的黑巧克力样品(深绿色)的吸收光谱
所有巧克力样品的吸收光谱均在1209.81 nm和1437.32 nm处测量到峰值。
数据说明：牛奶巧克力样品在峰值处的吸光度值分别为0.50 A.U.和0.74 A.U.(图5)。廉价牛奶巧克力样品在峰值处的吸光度值分别为0.52 A.U.和0.79 A.U.(图6)。白巧克力样品在峰值处的吸光度值分别为0.52 A.U.和0.79 A.U.(图7)。可可含量为78%的黑巧克力样品在峰值处的吸光度值分别为0.53 A.U.和0.68 A.U.(图8)。可可含量为92%的黑巧克力样品在峰值处的吸光度值分别为0.52 A.U.和0.62 A.U.(图9)。五种巧克力的光谱图可以表明峰值强度的差异(图10)。
在1209.81 nm处，吸光度由高到低分别为：可可含量为78%的黑巧克力样品，可可含量为92%的黑巧克力样品，白巧克力样品，廉价牛奶巧克力样品。在1437.32 nm处，吸光度由高到低分别为：白巧克力，廉价牛奶巧克力，牛奶巧克力，可可含量为78%的黑巧克力样品，可可含量为92%的黑巧克力样品。由此可以假设这个峰值表示糖含量。
结论：平均每份巧克力样品为28g，白巧克力含15g糖，廉价牛奶巧克力含16克糖，牛奶巧克力含12g糖，可可含量为78%的黑巧克力含5g糖，可可含量为92%的黑巧克力含2g糖。这仅表明一个猜想，类似的如牛奶固体和其他调味料的趋势可以从其他成分中得出。
PART05：实验后记
总之，本实验通过使用近红外光谱观察到了不同类型巧克力之间的差异。然而，必须使用进一步的计量分析来充分解释和量化这些测量的差异。
AvaSpec-NIR256-1.7-EVO光纤光谱仪是一款高度通用的近红外光谱仪，可以定制以适配您的需求。
AvaSphere-50-LS-HAL-12V内置卤素灯积分球是专门为反射率测量而设计的，但也可用在任何可能存在信号强度有限问题的应用，如近红外光谱测量。