شبیه‌سازی اجزا محدود و توسعه یک سامانه طیف‌نگاری نوری- صوتی بر پایه led برای ارزیابی کیفی برخی مایعات غذایی

روش نوری - صوتی، یک روش حسگری، حاصل ترکیب روش‌های نوری (اپتیکی) و صوتی می‌باشد. اثر نوری - صوتی حاصل ایجاد گرمای محلی در اثر جذب انرژی نور، انبساط آنی ماده، ایجاد فشار و تولید نشر صوتی در ماده است. در این مطالعه به‌منظور توسعه یک سامانه طیف‌نگاری نوری -صوتی با منابع نوری دیود نشر نوری برای سنجش کیفی مایعات غذایی، در گام اول اثر متقابل نوری - صوتی با یک ظرف نمونه حاوی مایعات به روش اجزا محدود و با استفاده از نرم‌افزار comsol multiphysics 5.5 شبیه‌سازی شد. درگام دوم، سامانه طیف‌نگاری با منابع نوری در هشت طول‌موج از 395-940 نانو‌متر طراحی و ساخته شد. در آخر به‌منظور ارزیابی سامانه نوری - صوتی، سه نمونه شیر، آب و روغن ‌زیتون مورد سنجش طیف‌نگاری نوری- صوتی قرار گرفت و نتایج اندازه‌گیری با نتایج شبیه‌سازی برای همین نمونه‌ها مقایسه شد. نتایج نشان داد که شدت پاسخ صوتی نمونه‌ها در طول‌موج‌های متفاوت بسته به ضریب جذب نور تغییرات قابل‌توجهی دارد، به‌طوری‌که بیشینه دامنه سیگنال فشار صوتی به ترتیب برای شیر، آب و روغن ‌زیتون در طول‌موج‌های 450، 395 و 450 نانومتر با مقادیر 0/34، 0/22 و 0/74 پاسکال به دست آمد که از نظر تفاوت‌های نسبی با نتایج شبیه‌سازی در توافق بود. همچنین، تقلب اضافه نمودن آب به شیر در سطوح 5، 10، 15 و 20 درصد حجمی با استفاده از این سامانه مورد ارزیابی قرار گرفت و نتیجه تحلیل مولفه‌های اصلی قابلیت تمایز بسیار خوب نمونه‌های حاوی تقلب آب از شیر خالص را نشان داد. سامانه توسعه داده شده در این مطالعه می‌تواند برای ارزیابی کیفیت و تشخیص تقلب در مایعات غذایی استفاده شود.

Finite element simulation and development of a LED-based photoacoustic spectroscopy system for quality assessment of some food liquids

The photoacoustic method is a sensing technique resulting from combination of optical and ultrasonic methods. The photoacoustic effect is the product of local heating with absorption of light energy, instantaneous expansion of matter and generation of pressure and sound propagation in the matter. In this study, in order to develop a photoacoustic spectroscopy system with LED light sources, in the first step, the photoacoustic interaction with a cuvette filled with liquid was simulated using Comsol Multiphysics 5.5. In the second step, a photoacoustic spectroscopy system with light sources at eight wavelengths from 395940 nm was designed and constructed. Finally, in order to evaluate the photoacoustic system, three samples i.e. milk, water and olive oil were subjected to photoacoustic spectroscopy and the measurement results were compared with the simulation results for the same samples. The results showed that the intensity of the acoustic response of the samples at different wavelengths varied significantly with the light absorption coefficient, so that the maximum amplitude of the acoustic signal was obtained for milk, water and olive oil at the wavelengths of 450, 395 and 450 nm with values of 0.34, 0.22 and 0.74 Pa, respectively. This was in agreement with the simulation results in terms of relative differences. Moreover, the adulteration of adding water to milk at volume ratios of 5, 10, 15 and 20% was evaluated with the system and analyzed with principal component analysis (PCA) which showed a satisfactory discrimination of adulterated samples from pure milk. The system developed in this study can be used to assess the quality of food liquids.