刘学聪，苗昕扬，詹洪磊，朱明达，张善哲，赵 昆

（1.中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京） 新能源与材料学院，北京 102249）

引言

咖啡（coffee）是烘焙的咖啡豆经过一系列复杂的加工工艺所制作出来的饮料，历史悠久，种类繁多，风味浓郁，位列“世界三大饮料”之首[1]。国际上通常根据咖啡果实颗粒的大小，将咖啡的三大原种划分为大粒种咖啡、中粒种咖啡和小粒种咖啡，不同大小的咖啡其口感有着很大的差距，其中中国云南的小颗粒咖啡因为其独特的风味而备受欢迎[2]。

咖啡豆需要经过去皮、发酵、干燥、烘焙、研磨、冲煮等多道工序才能得到日常生活中所尝到的咖啡饮品，其中研磨是咖啡制作中极其重要的环节[3]。研磨度根据研磨颗粒的大小一般可以分为粗研磨（粒径5 000 μm～8 000 μm）、中研磨（粒径63 μm～5 000 μm）和细研磨（粒径20 μm～63 μm）3种，不同的研磨度不仅对应着后续不同的萃取加工方法，而且对咖啡的风味与口感有着直接影响[4-5]。实验表明，当烘焙程度等其他客观条件一定时，咖啡颗粒越小，咖啡中的咖啡因、葫芦巴碱等苦味物质越易被萃取，咖啡的苦味越显著，反之则酸味越重[6]。因为咖啡颗粒的大小直接影响着成品咖啡的品质，所以区分辨别咖啡粉的颗粒大小尤为重要。由于咖啡粉颗粒形状不规则、颗粒大小不一致等原因，对其粉末粒径的测量过程较为复杂。目前常用的检测方法包括显微镜法、筛析法、沉降法、激光法等，其中激光法因为测试粒径范围广、测定速度快、重复性好等优点,成为了咖啡粒度测试的主要方法之一[7-9]。

激光感生电压技术通过检测在激光照射下样品中所产生的电信号来实现样本的检测与分析，近年来被应用于油气资源、热辐射探测、薄膜技术研究等领域，展现出重要的科研价值与应用潜力[10-13]。咖啡中富含有蛋白质、脂肪、甲硫醇等多种有机质、大分子成分，此前的研究表明，光敏有机材料在紫外激光的照射下，能够产生明显的感生电压响应，因此利用LIV 技术有望直观反映咖啡中的结构变化[14]。本文中，我们将LIV 技术运用于咖啡粉粒度的检测中，测试了不同粒径的咖啡粉末，研究了不同粒径咖啡粉所对应的瞬态光生电压信号，分析了粒径大小与感生电压的峰值、半高宽以及响应时间之间的关系，验证了LIV 技术在检测咖啡粉粒径差异中应用的可行性。

1 材料与方法

实验选用中咖深度烘焙的云南保山小颗粒咖啡豆为原料。首先利用研钵将咖啡豆手工研磨成粉，随后将研磨后的咖啡粉分别用160目～170目（粒径89 μm～96 μm）、150目～160目（粒径96 μm～104 μm）、140目～150目（粒径104 μm～107 μm）、130目～140目（粒径107 μm～109 μm）、130目～120目（粒径109 μm ～117 μm）、120目～110目（粒径117 μm～130 μm）、100目～110目（粒径130 μm～140 μm）的筛子进行筛选，得到颗粒大小不同的等量咖啡粉。在LIV 测试中，采用波长为248 nm（光子能量5 eV）、脉宽为20 ns的KrF 脉冲激光器作为光源，Keithley 2400型源表作为偏置电压源，带宽350 MHz、输入阻抗1 MΩ的示波器用于记录波形。测试前，将样品放置于比色皿内，晃动比色皿使咖啡粉分布均匀，样品高度为11 mm。如图1所示，在装有样品的比色皿上放置带有4个长宽相等的铜线电极盖子，每个电极之间相互平行，间距相同。测试时，保持激光能量不变。为提升光电响应的灵敏度，将外侧两个电极分别与Keithley 2400 数字源表的正、负极相连，作为偏置电压的电压源。将样品中间的2 根导线分别与DOP4032 数字示波器的输入端、输出端相连。测试时，调整样品的位置，使脉冲激光照射于样品测试电极的中间位置，对于每个粒径的样品，分别进行4次测试，依次记录并存取其光生电压波形。

2 结果与分析

图1 激光感生电压测试示意图Fig.1 Schematic diagram of laser induced voltage test

当脉冲激光照射于咖啡粉末样品表面时，光生载流子在外加电场的作用下定向移动，产生的瞬态电压信号如图2所示。从图中可以看出，被测样品的响应信号波形由快速上升与缓慢下降2部分组成。光照瞬间信号快速上升，在150 μs 左右达到最大，随后缓慢下降，并逐渐趋近于水平。对比不同样品的响应波形可以看出，不同粒径咖啡粉的激光感生电压响应波形有明显区别，在上升速度、响应时间、信号幅值等方面均存在一定差异。对于不同粒径的咖啡粉，其颗粒大小和颗粒间缝隙存在差异，影响着样品的整体密度，对咖啡粉末样品的LIV 响应造成影响。

图2 248 nm 脉冲激光照射不同粒径咖啡粉产生的瞬态光生电压波形Fig.2 Transient photo-generated voltage waveforms generated by irradiation of 248 nm pulsed laser on coffee powders with variant particle sizes

为进一步分析不同粒径咖啡的激光感生电压响应，提取多次测试LIV 信号的幅值（Vp）平均值与咖啡粒径作图，如图3所示。由图中可以看出，随咖啡粉粒径的增大，7组样品的Vp呈非单调性变化，当粉末粒径由130 μm～140 μm 减小至104 μm～107 μm时，Vp出现明显的降低，而当进一步减小咖啡粒径时，Vp逐渐回升。样品的孔隙结构与有机质含量都会对Vp产生影响，一方面，咖啡中的无机组分与粉末间的孔隙往往不具有导电性，影响光生载流子的传播。随咖啡粒径降低，颗粒之间的间隙变小，粉末的整体电阻变低，载流子移动时的损耗也不断减弱。另一方面，咖啡中含有大量的有机质大分子，其中存在一定含量的光敏介质[14−15]。图4所示为粒径89 μm～96 μm、104 μm～107 μm及109 μm～117 μm的咖啡粉末的红外吸收光谱。从图中可以看出，在3 404.65 cm−1附近存在较强、较宽的吸收峰，这主要由咖啡粉的多糖和蛋白质中-OH与-NH3伸缩振动引起，而在2 924.7 cm−1和2 854.04 cm−1附近的吸收峰主要来源于咖啡粉中脂质、蛋白质和碳水化合物中的-CH2以及-CH3的对称伸缩振动，1 745.28 cm−1～610.94 cm−1波数范围内的吸收峰代表酰胺Ⅲ等其他物质或多种物质混合的伸缩振动[16]。当光子能量高于光敏有机分子的带宽时，其能够吸收光子从基态转变为激发态，产生大量的光生载流子。此外，对比不同粒径咖啡粉末的红外吸收谱可以看出，随粉末粒径降低，光谱中的不同吸收峰位基本保持不变，而峰强逐渐降低。可知随粉末的粒径减小，其成分的种类并未产生显著变化，而随研磨程度的增加，咖啡中的有机质挥发速率增大，其含量逐渐降低，导致光生载流子数目不断减小。因此，在无机组分结构与有机质含量的共同作用下，样品的Vp随粒径的变化呈现出先减小后增大的非单调性变化规律。

图3 Vp与咖啡粒径间的关系（图中误差线代表多次测试信号的浮动范围）Fig.3 Relationship between Vpand particle size (error bars represent the floating range of multiple measurements)

图4 不同粒径咖啡粉末的红外吸收光谱Fig.4 Infrared absorption spectra of coffee powder with different particle sizes

在信号处理时通常选取波形上升沿的10%～90%的时间作为响应时间，选取信号波形在1/2幅值处的2个时间差值为信号半高宽（FWHM），这2个参数分别反映了样品中感生电压信号的响应速度和复合时间。图5为样品响应信号的上升时间和半高宽与咖啡粒径的关系曲线。整体来看，信号的上升时间和半高宽都与咖啡粉粒径间呈近似线性关系，其中，随着粒径的增加，信号的上升时间逐渐增大，半高宽逐渐降低，说明当咖啡粉末的粒径增大时，其激光感生电压信号的响应速度逐渐变慢，而复合速度逐渐增加。

图5 样品LIV 信号的变化规律Fig.5 Variation law of response time and FWHM with the particle size

激光感生电压效应的响应时间主要取决于样品本身的光电特性（载流子的迁移时间），此外测量电路的充放电时间对其也有一定影响。粒径最小的粉末样品，其上升时间最小，半高宽最大。随着粒径增加，其上升速度变慢，复合过程变快。随着粒径的增大，咖啡粉末的整体密度逐渐降低，电阻增大，导致光照瞬间光生载流子的充电速度逐渐变慢，而激光熄灭后载流子的复合速度不断加快。

咖啡的粒径大小对咖啡的风味与口感有直接影响。目前，常用于对粒径大小进行分析的方法包括筛分法、显微镜法、沉降法等。其中，筛分法能够实现对粒度的粗略划分，具备直接、简单、快速的特点；显微镜法能够观察到颗粒的形状结构、表面样貌，是一种直观、精确的粒径测量方法；沉降法通过检测颗粒在介质中沉积速度来确定粒度组成与大小，多应用于油漆、颜料、造纸等行业[9]。此外，一些新兴的粒度检测技术，如机器视觉、光散射、激光法等，也经常用于颗粒粒度的分析，具有适用范围宽、系统稳定、可重复性好等特点[17-19]。激光感生电压技术是近年来新兴的光学方法之一，其响应受被检测样品的结构与成分的影响，同时具备操作简单可控、检测过程无损等特点，有望成为对粉末粒径的有效检测手段。

3 结论

以深度烘焙的云南小颗粒咖啡豆为原料，利用LIV 技术对经过研磨筛选出的7种粒径不同的咖啡粉进行检测。不同粒径咖啡粉的激光感生电压响应具有一定差异，其中，受样品的孔隙结构与有机质含量的影响，信号幅值Vp与粒径间呈非单调变化关系。LIV 信号的半高宽与响应时间主要取决于样品的整体密度与孔隙度，当粒径增大时，颗粒间缝隙的增大，导致信号的响应时间逐渐增加，信号的半高宽逐渐减小。结果表明，激光感生电压技术对咖啡粉的粒径变化较为敏感，有望成为一种咖啡粉末粒径检测的新颖手段。