有機(jī)磷農(nóng)藥殘留快速定量光電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳如清， 錢蘇翔， 王慶泉

(嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314001)

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越依賴農(nóng)藥和抗生素等外源物質(zhì)。農(nóng)藥在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中的用量在我國(guó)一直居高不下，農(nóng)藥的不合理使用或?yàn)E用導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留含量不同程度超標(biāo)，威脅到消費(fèi)者的食用安全[1]。有機(jī)磷農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的殺蟲(chóng)劑[2]?，F(xiàn)有農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法主要有生物測(cè)定法、理化檢測(cè)法及快速檢測(cè)法3類[3-4]。其中，活體檢測(cè)法對(duì)生物的要求較高，檢測(cè)結(jié)果難以確定具體農(nóng)藥品種；理化檢測(cè)法檢測(cè)精度高，但存在檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)且操作過(guò)程繁瑣，難以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)需求；快速檢驗(yàn)法目前發(fā)展較快，但也存在檢測(cè)成本高和檢測(cè)靈敏度低等缺陷[5]。因此，探索一種簡(jiǎn)單有效、快速準(zhǔn)確的農(nóng)藥殘留定量檢測(cè)方法對(duì)解決農(nóng)藥殘留問(wèn)題極其重要。

光電檢測(cè)技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)多類物理參數(shù)測(cè)量、微弱光測(cè)量、紅外及激光測(cè)量、光掃描與跟蹤測(cè)量、圖像測(cè)量等。作為一項(xiàng)應(yīng)用范圍較廣且快速可靠的技術(shù)，具有檢測(cè)靈敏度高、取樣量少、快速、簡(jiǎn)便，可在惡劣環(huán)境下進(jìn)行在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用成為當(dāng)今熱點(diǎn)之一。光電檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用，主要集中在直接光譜分析技術(shù)與熒光分析法方面。將化學(xué)發(fā)光方法與光電檢測(cè)技術(shù)相融合實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的快速定量檢測(cè)的研究還比較少[6]。本研究結(jié)合化學(xué)發(fā)光法和光電檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)一套快速定量光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)藥殘留物進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測(cè)原理

酶抑制檢測(cè)法是一種常用的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法，基于昆蟲(chóng)毒理學(xué)原理，可在較短時(shí)間內(nèi)完成有機(jī)磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留量的檢測(cè)。與傳統(tǒng)方法比較，具有檢測(cè)成本低、效率高及易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，適合農(nóng)藥殘留實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。其基本原理為：正常情況下，酶催化乙酰膽堿水解，其水解產(chǎn)物與顯色劑反應(yīng)而產(chǎn)生黃色物質(zhì)；在有機(jī)磷類農(nóng)藥存在的情況下，作為酶的抑制劑會(huì)與乙酰膽堿爭(zhēng)奪酶功能部位，使膽堿酯酶的正常功能遭到破壞，從而抑制了乙酰膽堿的水解與顯色，抑制率與農(nóng)藥濃度呈正相關(guān)。有機(jī)磷農(nóng)藥的存在會(huì)影響顯色體系反應(yīng)速度(可用吸光度值隨時(shí)間的變化率R表示)。設(shè)R0、Rt分別為空白樣品液(即沒(méi)有農(nóng)藥)和樣品液(可能有農(nóng)藥)的吸光度隨時(shí)間變化曲線的斜率值，則抑制率T可表示為：

(1)

利用乙酰膽酯酶測(cè)定農(nóng)藥殘留時(shí)，當(dāng)農(nóng)藥殘留量為0時(shí)，抑制率T為0，溶液顯黃色；當(dāng)農(nóng)藥殘留量不為0時(shí)，測(cè)定溶液顯不同程度的淡黃色。抑制率T與農(nóng)藥殘留量呈正相關(guān)，可用來(lái)表示農(nóng)藥的濃度。從光電檢測(cè)角度分析，顯色體系或化學(xué)發(fā)光體系的吸光度C′與抑制率T或有機(jī)磷濃度呈負(fù)相關(guān)，即：

C′=-0.01T+1.161 3。

(2)

通過(guò)檢測(cè)抑制前后的光強(qiáng)(即在412 nm處測(cè)定吸光度隨時(shí)間的變化值)，計(jì)算出抑制率，推斷是否含有有機(jī)磷農(nóng)藥，或定量分析有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量大小。根據(jù)光電效應(yīng)理論，當(dāng)光輻射入射到光電探測(cè)器表面時(shí)，光電材料會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。光電器件在功率相同而波長(zhǎng)不同的入射光輻射下，其響應(yīng)不同，即光電效應(yīng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不同。光電探測(cè)器如光電二極管在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓U(λ)與入射的單色光輻射通量φ(λ)之間關(guān)系如(3)式所示。其中S(λ) 為光譜靈敏度。通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)顯色體系或化學(xué)發(fā)光體系抑制前后的光強(qiáng)，可換算成農(nóng)藥殘留C大小。

U(λ)=S(λ)×φ(λ)。

(3)

綜上所述，有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測(cè)原理為：乙酰膽堿酯酶對(duì)魯米諾-過(guò)氧化氫化學(xué)發(fā)光體系有催化作用[7]。研究表明有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶有很強(qiáng)的抑制作用，其抑制率與農(nóng)藥殘留的濃度呈正相關(guān)，在一定濃度范圍內(nèi)，有機(jī)磷農(nóng)藥與乙酰膽堿酯酶的活性之間存在一定的線性關(guān)系。即經(jīng)過(guò)有機(jī)磷農(nóng)藥的抑制，會(huì)導(dǎo)致魯米諾-過(guò)氧化氫-乙酰膽堿酯酶體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度一定程度降低。通過(guò)檢測(cè)抑制前后的光強(qiáng)，計(jì)算出抑制率，推斷是否含有有機(jī)磷農(nóng)藥，或定量分析有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量大小。研究分析表明，農(nóng)藥殘留濃度與發(fā)光強(qiáng)度成比例關(guān)系。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，農(nóng)殘抑制率不應(yīng)超過(guò)50%，大于或等于這個(gè)數(shù)值則屬超標(biāo)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光電檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于光強(qiáng)型直接測(cè)量原理設(shè)計(jì)光電檢測(cè)系統(tǒng)，即將攜帶被檢測(cè)物理信息的光強(qiáng)，投射到光電探測(cè)器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后直接采集數(shù)據(jù)。整套光電檢測(cè)系統(tǒng)包括密封容器(光源部分，內(nèi)置發(fā)光物質(zhì)與農(nóng)藥混合物)、光電探測(cè)器(光電二極管)、微弱信號(hào)前置放大電路(含電流電壓轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)放大電路)、濾波電路、主放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)和顯示輸出電路等模塊(圖1)。

2.2 農(nóng)藥殘留信號(hào)檢測(cè)模塊

由化學(xué)發(fā)光原理可知，魯米諾在堿性溶液中被過(guò)氧化氫氧化后處于激發(fā)態(tài)，從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)發(fā)出最大波長(zhǎng)為425 nm的光。綜合光電探測(cè)器的響應(yīng)率、光譜響應(yīng)及穩(wěn)定性等性能指標(biāo)和器件的工作電壓、暗電流等特性參數(shù)，選擇PN結(jié)硅光電二極管(VTB5051B) 作為農(nóng)藥殘留檢測(cè)用光電探測(cè)器，其光譜響應(yīng)范圍為330～720 nm，與發(fā)光體系發(fā)光波長(zhǎng)匹配。光電二極管具有暗電流小、線性度好及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，適宜于精密儀器儀表的光電變換場(chǎng)合。圖2為光電變換電路，輸入輸出關(guān)系為：

V1=Isc×Rf=S×P×Rf。

(4)

式中：V1為輸出電壓，Isc表示硅光電二極管在光照下產(chǎn)生的光電流；Rf為反饋電阻，通常取值為上百M(fèi)Ω，以獲得更高的電壓輸出；S為光電二極管的靈敏度；P為入射光功率，與被測(cè)農(nóng)藥殘留濃度相關(guān)。

2.3 微弱信號(hào)放大電路

采用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)農(nóng)藥殘留濃度時(shí)，一方面光電二極管接收到的光信號(hào)十分微弱，另一方面由于檢測(cè)過(guò)程不能處于絕對(duì)黑暗環(huán)境，光信號(hào)檢測(cè)易受到環(huán)境光等多種噪聲干擾[8-9]。噪聲信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后也同步放大。為精準(zhǔn)測(cè)出待測(cè)光信號(hào)，需對(duì)光電變換電路進(jìn)一步處理。

通常微弱光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成光電流后，其波動(dòng)范圍為從pA級(jí)到mA級(jí)不等。較大的動(dòng)態(tài)范圍不利于信號(hào)檢測(cè)，使用普通線性放大器難以有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大[10]。另一方面，為適應(yīng)輸入信號(hào)較大的動(dòng)態(tài)變化，在后續(xù)設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路時(shí)選用的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)也需相應(yīng)增加。為解決上述問(wèn)題，考慮到對(duì)數(shù)放大電路的輸出與輸入的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，可對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行一定程度壓縮，允許輸入信號(hào)有較大波動(dòng)。按照對(duì)數(shù)特性，通過(guò)對(duì)數(shù)變換可將混合信號(hào)中的噪聲信號(hào)壓縮、微弱有用信號(hào)放大，把有用信號(hào)從強(qiáng)噪聲背景中提取弱信號(hào)。與此同時(shí)，較寬動(dòng)態(tài)變化范圍的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)壓縮處理，采用較低位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的最大不失真變換。圖3為基于分立元件所設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)放大電路，采用2個(gè)特性相同的晶體管組成互補(bǔ)對(duì)稱電路，可消減晶體管的反向飽和電流對(duì)運(yùn)算關(guān)系造成的影響。

電路的輸入輸出關(guān)系如式(5)所示，其中參考電壓Vref為5 V；晶體管電壓VT=kT/q，k=1.38×10-23J/(kW·h)，q為電子電荷量，T為絕對(duì)溫度?？梢钥闯鰷囟茸兓瘯?huì)對(duì)VT產(chǎn)生影響，從而引起運(yùn)放電路輸出電壓V2的波動(dòng)。為保持輸入輸出關(guān)系穩(wěn)定，電路設(shè)計(jì)時(shí)引入1個(gè)正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT，其溫度變化系數(shù)與晶體管PN結(jié)的變化一致，較大程度實(shí)現(xiàn)對(duì)VT的抵消補(bǔ)償，克服由于溫度變化而產(chǎn)生的負(fù)面影響。

(5)

2.4 濾波電路

為提高檢測(cè)電路的信噪比，對(duì)從對(duì)數(shù)放大器輸出的電壓V2采用帶通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波處理。為保證農(nóng)藥殘留的檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)了一種“壓控電壓源二階帶通濾波”電路(圖4)，去除環(huán)境噪聲和通過(guò)前置放大器引入的噪聲信號(hào)。

2.5 主放大電路

微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)前面光電轉(zhuǎn)換、對(duì)數(shù)放大和直流濾波后，為更好地滿足采樣電壓要求，還需對(duì)直流電壓信號(hào)的幅值做進(jìn)一步放大處理，放大電路如圖5所示。

2.6 信號(hào)分析處理電路

圖6為后續(xù)信號(hào)分析與處理電路，主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、顯示與報(bào)警電路。按照測(cè)量需求，設(shè)計(jì)時(shí)選擇TLC1543芯片U6作為A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速度(10 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間)、高精度(10位分辨率，最大±1 LSB不可調(diào)整誤差)和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際要求。微處理器的選擇直接影響到檢測(cè)系統(tǒng)的性能，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)適合中低速數(shù)據(jù)的采集和處理。選用功能全面且性價(jià)比高的AT89C51單片機(jī)作為控制器，完全滿足本系統(tǒng)的要求。檢測(cè)結(jié)果顯示器件選用較為通用的LCD1602液晶顯示器。此外，單片機(jī)的P1.5口外接蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)農(nóng)藥殘留濃度檢測(cè)結(jié)果超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。此外，為方便用戶進(jìn)行閾值設(shè)置，設(shè)計(jì)了按鍵B2、B3、B4分別對(duì)應(yīng)為閾值設(shè)置鍵和閾值加減鍵，分別與單片機(jī)P3.2、P3.3、P3.4的3個(gè)引腳相連接。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有機(jī)磷農(nóng)藥殘留光電檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分結(jié)構(gòu)如圖7所示。整個(gè)軟件系統(tǒng)包括4個(gè)任務(wù)模塊，即按鍵輸入、農(nóng)藥殘留濃度信號(hào)采集、測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理、液晶顯示與輸出報(bào)警等。

(1)按鍵輸入。本系統(tǒng)的鍵盤主要使用4個(gè)獨(dú)立按鍵，B1為復(fù)位鍵，B2、B3、B4分別對(duì)應(yīng)為閾值設(shè)置和閾值加減鍵。通過(guò)軟件程序查詢相應(yīng)引腳電平的高低情況，就可以判斷是否按下了按鍵以及是哪個(gè)鍵按下，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)鍵的子程序。

(2)農(nóng)藥殘留濃度信號(hào)采集。在系統(tǒng)初始化完成以后，光電檢測(cè)電路將農(nóng)藥殘留濃度信息轉(zhuǎn)化為1個(gè)模擬直流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)系統(tǒng)獲得代表農(nóng)藥殘留濃度的數(shù)據(jù)。

(3)測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理。理論分析表明，農(nóng)藥殘留在一定的濃度范圍內(nèi)，濃度與電壓(即光強(qiáng))成線性關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)將配制好的不同濃度農(nóng)藥溶液注入密封容器，測(cè)出相應(yīng)的電壓。單片機(jī)將采集到的直流電壓轉(zhuǎn)化為農(nóng)藥濃度，顯示并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4)液晶顯示與輸出報(bào)警。主要將處理好的農(nóng)藥濃度數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示器顯示輸出。通過(guò)鍵盤設(shè)置閾值，若農(nóng)藥殘留濃度高于設(shè)定值，啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述方案，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了農(nóng)藥殘留檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中將魯米諾工作液(0.25 mmol/L)和過(guò)氧化氫工作液(濃度為10 μg/g)混合，配成魯米諾-過(guò)氧化氫發(fā)光體系試驗(yàn)試劑。選用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的有機(jī)磷農(nóng)藥敵百蟲(chóng)，配制不同濃度的敵百蟲(chóng)工作液(0.06～0.40 mg/L不等)。將不同濃度的敵百蟲(chóng)工作液添加至裝有發(fā)光體系試驗(yàn)試劑的石英杯中，測(cè)量光強(qiáng)前后變化情況。

根據(jù)已測(cè)數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行擬合處理，在農(nóng)藥濃度為0.14～0.34 mg/L區(qū)間內(nèi)，輸出電壓對(duì)應(yīng)為881.1～232.3 mV(表1)，呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，擬合后的輸入輸出關(guān)系如式(6)所示。其中U為輸出電壓，C為農(nóng)藥濃度。光電檢測(cè)系統(tǒng)最低能檢測(cè)到的農(nóng)藥濃度為0.06 mg/L，可達(dá)到食品衛(wèi)生農(nóng)藥含量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(即小于0.10 mg/L)。

U=-3.236 9C+1.334 6。

(6)

表1 農(nóng)藥濃度與輸出電壓

5 結(jié)論與展望

本研究以敵百蟲(chóng)農(nóng)藥為對(duì)象，進(jìn)行了有機(jī)磷農(nóng)藥快速定量檢測(cè)方法研究。理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證表明，融合化學(xué)發(fā)光法和光電檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)系統(tǒng)能有效檢測(cè)農(nóng)藥殘留濃度，具有較高的性價(jià)比。主要優(yōu)勢(shì)在于：(1)將化學(xué)發(fā)光法和光電檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的樣品預(yù)處理過(guò)程繁瑣、耗時(shí)復(fù)雜及消耗試劑等不足，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的快速實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)；(2)研究一種針對(duì)微弱光信號(hào)的智能檢測(cè)方法。將單片機(jī)控制系統(tǒng)與微弱光檢測(cè)電路結(jié)合在一起，搭建了一套集微弱光電信號(hào)放大、采集和傳輸為一體的智能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理；(3)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)省去了檢測(cè)光源的設(shè)計(jì)，有效簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

此后階段應(yīng)進(jìn)一步完善試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析與數(shù)據(jù)處理，建立完備的農(nóng)藥殘留濃度與光強(qiáng)(電壓)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)所設(shè)計(jì)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析與工程適用性評(píng)價(jià)。試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，將為農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)提供一種精準(zhǔn)高效的光電檢測(cè)解決方案，并為開(kāi)發(fā)新的農(nóng)藥殘留檢測(cè)儀器提供一種新思路。檢測(cè)系統(tǒng)可直接服務(wù)于科研和農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，也可廣泛用于各級(jí)食品安全監(jiān)測(cè)部門、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)批發(fā)基地及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè),具有廣泛的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。

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