一种便携式农药残毒检测系统的设计

2015年01月21日17:08:31 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

摘要：针对传统农药残毒检测设备价格昂贵、体积庞大以及检测时间长的缺点，设计出一种基于光电转换法的农药残毒快速检测系统。该方法利用农药在有荧光剂共存时，氯代酚溶液受到一定剂量的可见光辐照后，其中间产物可与某些氧化剂反应产生强烈的发光原理。该系统通过综合运用化学发光原理、光电转换技术和智能微处理器技术，对农药和化学药品反应产生的光信号进行滤波、优化和辨识，快速检测出农副产品和环境中农药残毒的种类和残留量。目前常用的气相色谱、液相色谱等离线检测技术相比，该系统具有检测精度高、检测速度快、操作简便、便于携带等的特点。

关键词：农药残毒；微型化与智能化；重复性与再现性；智能仪器

中图分类号：ＴＰ２１６　　　　　文献标志码：Ａ

１　引　言

随着人们对食品安全问题的不断关注，与人们日常生活息息相关的蔬菜瓜果的农药残毒检测问题显得至关重要。据有关部门统计显示，2010年我国农药年使用量突破80万吨，居世界首位。控制农药残留对人体的危害，较有效的方法之一是加强对食品中农药残留检测的力度。常规的检测多数是将样品送至实验室，由检验人员利用专门仪器进行化验检测，费时费力效率低。目前，市场上在农药残毒快速检测仪器普遍采用酶促反应或免疫化学方法，因反应体系复杂，易受环境温度、酶的活性、介质和共存组分的影响，导致分析信号本身可靠性和重现性存在较严重不足；分析物的检测往往采用色谱（电子俘获和火焰光度）和质谱检测器等，这给仪器的微型化带来极大的困难［1-3］。而且现有的农药残毒快速检测的方法仅限于条件较好的科研机构、政府主管和市场监督部门使用，并且经常发生人们对检测结果质疑事件。

如今在化学残留检测的整个流程中，样品预处理越来越注重于减少各种人为因素的干扰等偶然误差及从提高设备的精确性等方面减少系统误差，尽可能地避免样品转移的损失，提高回收率，同时处理技术向微量化、自动化、无毒化、快速化和低成本方向发展。未来农药残留量检测的样品预前处理技术的发展方向应该是尽可能地快速、精确、环保和高度自动化。采用多残留检测技术和快速筛选检测技术，结合各种先进、高效、简单、绿色和自动化的前处理技术检测农药残留，已成为当今农药残留检测发展的趋势。因此本文提出了一种基于光转化化学发光法的农药残毒检测的方法，并试用于农药残毒检测试验中。该方法利用农药在有荧光剂共存时，氯代酚溶液受到一定剂量的可见光辐照后，其中间产物可与某些氧化剂反应产生强烈的发光原理，对农药和化学药品反应产生的光信号进行滤波、优化和辨识，快速检测出农副产品和环境中农药残毒的种类和残留量，研制成一种高精度、便携式的农药残毒检测仪器。便于质监部门和用户随身携带，实现对瓜果、蔬菜或其它农副产品中农药残毒含量进行现场检测。

２　基于光转化-化学发光农药残毒检测原理

近几年，采用化学方法的方法来研究农药残毒的含量的技术越来越多，譬如将流动注射化学发光技术被引入农药残毒检测的理论研究中，但目前这方面的工作仍处于理论探索阶段，一方面是因为发光体系灵敏度不够，需要寻找很好的增敏试剂来增加灵敏度，同时避免杂质干扰；而且试剂的固定化、重现性问题也是当前需要解决的关键问题。再例如一种衍生化化学发光方法，即“无试剂” 的光解化学发光法。该方法仅需紫外光照射即可完成衍生化过程，有较高的灵敏度，但是该方法紫外线的能量高，光解产物较为复杂，样品中共存的其他组分也会降解产生类似的发光现象，目前尚未有文献对其系统机理展开研究，是何种光解产物氧化发光也尚无定论，所以很难短时间内投入应用［4］。

本文通过分析氯代酚类物质时发现，在有荧光剂共存时，氯代酚溶液受到一定剂量的可见光辐照后，荧光剂FL吸收光子后产生激发态FL，再与水中的氧分子作用，通过能量转移生成单线态氧，并进一步氧化有机分子triclosan产生过氧化物中间体。而该中间体与氧化剂NBS作用，在荧光剂FL存在下即产生化学发光现象，进一步研究发现多种农药也有类似的化学发光反应，特别是有机磷农药和目前已禁用的有机氯农药，包括：有机磷类的甲拌磷、内吸磷、对硫磷、敌百虫、乐果、敌敌畏；有机氯类的狄氏剂、异狄氏剂、滴滴涕、氯丹等。有机磷农药经人体吸收后，主要抑制乙酰胆碱酯酶的活性，使乙酰胆碱不能水解，从而引起相应的中毒症状；有机氯农药为脂溶性物质，其毒性机理一般认为进入血循环中产生不稳定的含氧化合物，侵犯神经和实质性器官。因此，运用该方法可对一系列的农药进行快速检测。

３　农药残毒检测系统的设计

３.１　系统的总体设计

传统的农药残毒检测仪器的体积都很庞大、反应机理比较复杂，因此造成仪器检测的时间长、且不易随身携带。因为检测反应必需在一定的反应器中进行，采用上述光化学和电化学检测方法，可避免色谱（电子俘获和火焰光度）型和质谱检型的缺陷，为我们研究更为微型、具有高灵敏度和稳定性的农药残毒快速检测方法提供了可行性。现拟采用近年已较为成熟的微控流分析系统（TAS），整个反应过程被设计在一个微型芯片上完成。将计算机技术与测量控制技术结合在一起，使之成为智能仪表后能够解决许多传统仪器不能或不易解决的难题。

目前使用较多的是采用光电倍增管将微弱的光信号转换成放大的电信号进行信息采集。它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、等仪器设备中。本作品中选用H9858系列具有金属封装的光电倍增管及高压电源供电电路的光电传感器模块。金属封装的光电倍增管的金属封装壳尺寸同半导体光电传感器的TO-8型封装壳的尺寸相同，在保持同光电二极管同样小的尺寸的同时，具有高增益、大动态范围和高速响应等有点。内置的高压电源供电电路体积小，使得模块便于使用。同以前的产品相比，功耗降低为原来的1/15，重量

为原来的2/3，这使得H9858系列产品成为便携式农药残毒检测仪的理想选择。综上所述，该系统总体设计方案框图如图１所示。整个系统由硬件和软件组成，硬件部分主要包括传感器及信号采集电路、单片机及其外围电路、信号处理电路、数据显示电路。软件设计包括检测仪的主界面设计、信号采集软件设计、信号处理软件设计、相关分析软件设计、数据显示软件设计等部分。

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