綜合型傳感器陣列對(duì)摻雜生乳的識(shí)別

黃贛輝，石 磊，曾祥盛，，鄧丹雯

（1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330047；2.江西出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合技術(shù)中心，江西南昌330038）

現(xiàn)有的檢測(cè)方法都只是針對(duì)某一種已知摻雜物的特征屬性進(jìn)行甄別的，而對(duì)生乳摻雜進(jìn)行全面檢測(cè)尚存在困難，且對(duì)于層出不窮的摻假技術(shù)也無法及時(shí)應(yīng)對(duì)。研究表明，任何行為的摻雜必將導(dǎo)致一些與電化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)發(fā)生變化，如pH、電導(dǎo)率、鈉離子濃度，甚或氨、溶解氧等的變化；另一方面，電化學(xué)檢測(cè)方法所具有的靈敏性高、穩(wěn)定性好、重現(xiàn)性佳等特點(diǎn)[6-7]；因此，電化學(xué)方法研究在乳品檢測(cè)中逐步得到應(yīng)用[8-11]。但在實(shí)踐上發(fā)現(xiàn)存在著兩大誤區(qū)，一是過分依賴于化學(xué)計(jì)量學(xué)的作用而忽視傳感器本身的差異性識(shí)別能力，信號(hào)龐雜，數(shù)據(jù)處理困難；其二是強(qiáng)調(diào)傳感器的選擇性，而忽視不同電化學(xué)物質(zhì)在不同傳感器上的差異性的影響，和不同電化學(xué)物質(zhì)在不同傳感器上的共性表達(dá)，使用大量的選擇性傳感器致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文提出了基于“非選擇性-交互敏感”的多傳感器陣列方法[12-13]，結(jié)合摻雜原料乳的某些變化屬于特征性指標(biāo)，在生乳摻雜檢測(cè)裝置中加入選擇性傳感器，以提高檢測(cè)能力，對(duì)所采集的電化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[14-15]來對(duì)生乳摻雜進(jìn)行甄別，建立基于綜合型傳感器陣列對(duì)生乳摻雜檢測(cè)的技術(shù)方法，探索和確立電化學(xué)傳感器陣列在生乳摻雜判別的理論。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生乳 江西陽光乳業(yè)股份有限公司；氯化鉀（AR）上海展云化工有限公司；超純水（18.25MΩ·cm-1）；γ-Al2O3粉末 上海辰華儀器有限公司；鐵氰化鉀（AR）、KCl（AR）、NaHCO3（AR）天津市大茂化學(xué)試劑廠；尿素（AR） 天津市永大化學(xué)試劑有限公司；三聚氰胺（AR） 上海精析化工科技有限公司；電極表面清洗液 0.2%活性清洗液，市售餐具清洗劑進(jìn)行稀釋配制而得。

電化學(xué)方法檢測(cè)儀器設(shè)備 電化學(xué)工作站（CHI660B）和40通道多通道選通器，上海辰華儀器有限公司；KQ-2200DB超聲波清洗器 昆山市超聲清洗儀器有限公司；鈀、鉑、金、鈦、鎢和銀6種惰性貴金屬電極組工作電極 為自制；其他 為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器設(shè)備；PHS-2F pH電極、DDS-307電導(dǎo)率電極、DWS-51鈉離子計(jì)電極 均為上海雷磁儀器廠生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 電極與傳感器 金、鉑、銀、鎢、鈦、鈀六種貴金屬電極（自制）作為工作電極以及Φ2.0mm CHI102鉑盤電極作為輔助電極的非選擇性傳感器陣列；水相3moL/L CHI110Ag/AgCl參比電極；

1.2.2 傳感器清洗 非選擇性電極在首次使用前進(jìn)行機(jī)械拋光以清潔電極表面，然后，在0.2mmol/L HClO4溶液中，以-0.5～0.5V為電位區(qū)間，結(jié)合Ag/AgCl參比電極，進(jìn)行0.1V/s循環(huán)伏安法（CV）掃描，直至cv曲線重合（約70周），再用去離子水超聲波清洗，氮?dú)獯蹈杀Ｗo(hù)待用；在任意兩次測(cè)量過程中對(duì)工作電極表面采用電化學(xué)清洗。

1.2.3 生乳摻雜檢測(cè)系統(tǒng)的組裝 傳感器陣列組合由選擇性傳感器組、非選擇性傳感器陣列、參比電極組成，通過相應(yīng)端口與電化學(xué)工作站相連接，電化學(xué)工作站通過數(shù)據(jù)線與安裝有電化學(xué)工作站程序控制軟件和統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的計(jì)算機(jī)相連接，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集控制。選擇性傳感器組包括pH電極、電導(dǎo)率電極和鈉度計(jì)電極；非選擇性傳感器陣列中包括金、鉑、銀、鎢、鈦、鈀六種電極為工作電極，鉑盤電極為輔助電極、Ag/AgCl電極為參比電極。所有電極在每組檢測(cè)前進(jìn)行校正，三次檢測(cè)數(shù)據(jù)差異小于1.0%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 電化學(xué)檢測(cè)方法 非選擇性傳感器陣列中各電極采用微分脈沖伏安法檢測(cè)，初始電位為0V和終止電位為0.5V，電位增量為0.005V，振幅為0.05V，脈沖寬度為0.05s，采樣寬度為0.01s，脈沖周期為0.5s；選擇性傳感器陣列組中的pH計(jì)電極及鈉度計(jì)電極均采用開路電位法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，開路電位法的設(shè)置參數(shù)為：數(shù)據(jù)采集時(shí)間每次為100s，采集間隔為0.1高電位和低電位限制分別設(shè)置為±1V；電導(dǎo)率電極在交流阻抗譜法的激發(fā)信號(hào)下對(duì)檢測(cè)液進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，交流阻抗譜法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為以靜息電位為起始電平，檢測(cè)頻率依次從1～100000Hz，振幅設(shè)置為0.005V，靈敏度設(shè)置為自動(dòng)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用的是以太坊的go-ethereum客戶端來連接到自己搭建的以太坊私有網(wǎng)絡(luò)，它提供的應(yīng)用程序編程接口（API）可以給本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，并用來創(chuàng)建新地址，驗(yàn)證數(shù)字簽名、支付和轉(zhuǎn)賬、查看余額等。接口層包含了以太坊智能合約腳本、分布式計(jì)算、驗(yàn)證加密簽名和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)。所有的請(qǐng)求數(shù)據(jù)通過post傳遞，使用json參數(shù)傳遞。

1.3.2 生乳標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的建立 以江西陽光乳業(yè)集團(tuán)長山奶場(chǎng)荷斯坦牛生乳進(jìn)行90d跟蹤檢測(cè)，采集電化學(xué)信息，經(jīng)過Grubbs檢驗(yàn)，保留電化學(xué)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定的80%數(shù)量批次的乳樣數(shù)據(jù)，并按照適合的模式識(shí)別方法建立標(biāo)準(zhǔn)荷斯坦乳牛生乳標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

1.3.3 摻雜乳樣檢測(cè)

1.3.3.1 檢測(cè)樣品的制備 新鮮生乳為對(duì)照組，在生乳中按表1濃度分別添加尿素和三聚氰胺，作為摻雜樣本進(jìn)行檢測(cè)。

表1 待測(cè)生乳摻雜物濃度Table 1 Concentration of dopant in raw milk

其他待測(cè)樣本如下處理：酸敗乳（pH4.8）、添加飽和碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)酸度為pH6.5的酸敗乳、陳放乳為2℃冰箱陳放2周（出現(xiàn)分層則棄去上層脂質(zhì)層，將下層乳液備用）、巴氏殺菌乳為70℃恒溫水浴覆蓋保鮮膜加熱30min，冷卻至常溫備用。所有待測(cè)樣品檢測(cè)前緩慢通入高純氮?dú)馊コ芙庋酢?/p>

1.3.3.2 數(shù)據(jù)采集 測(cè)試池溫度25℃，檢測(cè)燒杯放入測(cè)試池恒溫5min后，按照標(biāo)準(zhǔn)生乳樣品數(shù)據(jù)采集的電化學(xué)方法對(duì)上述樣品進(jìn)行樣本檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集。每個(gè)樣品設(shè)置5個(gè)平行樣本，每個(gè)樣本檢測(cè)5次，最終數(shù)據(jù)取平均值，并提取出每次微分脈沖伏安法所采集的峰電流值。

1.3.3.3 數(shù)據(jù)分析 由于牛乳在微分脈沖伏安法下除銀電極外各傳感器的電流響應(yīng)信號(hào)的數(shù)值都相對(duì)比較小，因此需要對(duì)響應(yīng)電流進(jìn)行放大處理后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在單因素方差分析中，選取各傳感器在電勢(shì)激發(fā)信號(hào)下各個(gè)樣本的響應(yīng)峰電流作為特征點(diǎn)，以每根傳感器當(dāng)作一個(gè)因素，不同樣品的響應(yīng)當(dāng)作水平，構(gòu)成一個(gè)30×30的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行方差分析；在主成分分析中體現(xiàn)傳感器陣列對(duì)各個(gè)樣品的差異性識(shí)別區(qū)分效果，通過各樣本的主成分得分點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)生乳數(shù)據(jù)庫中心的歐氏距離，最終以歐氏距離的雷達(dá)圖進(jìn)行直觀表達(dá)。使用SPSS 18軟件進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析處理。分析結(jié)果導(dǎo)入到Sigmaplot 11中作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素方差分析

傳感器陣列中傳感器的響應(yīng)性能直接影響最終系統(tǒng)的性能。主要通過同一傳感器對(duì)同一樣品的響應(yīng)是否具有良好的穩(wěn)定性和對(duì)不同樣品是否具有較高的區(qū)分性來衡量傳感器響應(yīng)性能，借此來篩選傳感器及性能分組。由于每個(gè)樣本在微分脈沖伏安法檢測(cè)中均采集到100個(gè)響應(yīng)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)，如此下來6類樣品的30個(gè)樣本的這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成30×100的數(shù)據(jù)矩陣，如果直接進(jìn)行處理運(yùn)算的話，無疑要增加很大的工作量及花費(fèi)時(shí)間，故選取各傳感器在電勢(shì)激發(fā)信號(hào)下各個(gè)樣本的響應(yīng)峰電流作為特征點(diǎn)，以每根傳感器當(dāng)作一個(gè)因素，不同樣品的響應(yīng)當(dāng)作水平，構(gòu)成30×30的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)滿足方差分析的條件。表2列出了應(yīng)用SPSS 18數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所有傳感器數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單因素方差分析的計(jì)算結(jié)果。其中組內(nèi)的均方值代表同一傳感器對(duì)同一樣品響應(yīng)的重復(fù)性，均方越小，重復(fù)性越好、穩(wěn)定性越好。F值和p值表明同一傳感器對(duì)不同樣品的區(qū)分度，F(xiàn)值越大，p值越小，區(qū)分度則越大。

表2 傳感器響應(yīng)強(qiáng)度方差分析結(jié)果表Table 2 ANOVA for sensor intensities

分析表中數(shù)據(jù)顯示，各傳感器的組內(nèi)均方值都小于2×10-3，說明各個(gè)傳感器的重復(fù)性、穩(wěn)定性較好，其中以鈀、鉑、金、鈦電極的為優(yōu)；根據(jù)F值和p值將區(qū)分度稍差的鎢、銀傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)剔除，將篩選出的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析，并根據(jù)分析結(jié)果組建傳感器陣列。

2.2 綜合型傳感器陣列組對(duì)各樣本的檢測(cè)效果

對(duì)非選擇性傳感器陣列和綜合型傳感器陣列的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行檢測(cè)，并以同批次荷斯坦牛生乳為對(duì)照組并進(jìn)行等比優(yōu)化，檢測(cè)數(shù)據(jù)與雷達(dá)圖為表3～表5和圖1～圖3。

2.2.1 不同尿素?fù)诫s濃度與標(biāo)準(zhǔn)生乳之間的關(guān)系表3為傳感器陣列組對(duì)不同尿素?fù)诫s濃度樣本采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)生乳數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)之間的歐氏距離及其平均值。

對(duì)數(shù)字進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，以雷達(dá)圖進(jìn)行表征（見圖1），可以看到，隨著摻雜物濃度的增加，傳感器陣列檢測(cè)到的樣本與標(biāo)準(zhǔn)生乳之間的距離越大。同時(shí)還可以注意到，作為檢測(cè)對(duì)照物使用所采集的新鮮生乳與標(biāo)準(zhǔn)生乳數(shù)據(jù)庫之間的歐氏距離較小，但也存在著一定的距離。這說明生乳的成分存在著一定的變化，或者傳感器陣列組本身也存在著一定的漂移。但是，從檢測(cè)效果看對(duì)摻雜的檢出效果明顯。

表3 兩類傳感器陣列（組）對(duì)不同尿素?fù)诫s濃度生乳樣本的檢測(cè)與數(shù)據(jù)優(yōu)化Table 3 The detection of different urea detection of doping concentration raw milk samples with two types of sensor array and data optimization

圖1 非選擇性傳感器陣列與綜合型傳感器陣列組對(duì)摻雜尿素生乳樣本的檢測(cè)Fig.1 The detection of doped urea in raw milk samples with non-selective sensor array and integrated sensor array group

2.2.2 不同三聚氰胺摻雜濃度與標(biāo)準(zhǔn)生乳之間的關(guān)系 結(jié)果見表4、圖2。對(duì)不同三聚氰胺摻雜濃度樣本的檢測(cè)也具有與尿素?fù)诫s相同的效果和特點(diǎn)，綜合型傳感器陣列組對(duì)樣本的檢測(cè)具有更佳的效果，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)生乳，不同的樣本等比優(yōu)化后的歐氏距離相較于非選擇性傳感器陣列組的歐氏距離的數(shù)字值更大，更有利于對(duì)摻雜的識(shí)別。

表4 兩類傳感器陣列（組）對(duì)不同三聚氰胺摻雜濃度生乳樣本的檢測(cè)與數(shù)據(jù)優(yōu)化Table 4 The detection of different melamine detection of doping concentration raw milk samples with two types of sensor array and data optimization

2.2.3 傳感器陣列組對(duì)不同物質(zhì)摻雜的檢測(cè)效果 對(duì)各種摻雜乳樣本以兩類傳感器陣列組進(jìn)行比較可得到表5和圖3；其中，添加尿素和三聚氰胺組的摻雜生乳，分別選取1.0%和0.1%添加組來進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 非選擇性傳感器陣列與綜合型傳感器陣列組對(duì)摻雜三聚氰胺生乳樣本的檢測(cè)Fig.2 The detection of doped melamine in raw milk samples with non-selective sensor array and integrated sensor array group

圖3 非選擇性傳感器陣列與綜合型傳感器陣列組對(duì)各摻雜生乳樣本的檢測(cè)Fig.3 The detection of doped raw milk samples with non-selective sensor array and integrated sensor array group

以上表格中所列均為各摻雜生乳到標(biāo)準(zhǔn)生乳數(shù)據(jù)庫中心的歐氏距離，其中非選擇性表示為非選擇性傳感器陣列對(duì)各樣本的檢測(cè)結(jié)果，綜合型為非選擇性傳感器陣列與選擇性傳感器陣列的組合對(duì)各樣本檢測(cè)的結(jié)果。圖3為非選擇性傳感器陣列的校正數(shù)據(jù)和綜合型傳感器陣列對(duì)樣本的歐氏距離直觀的雷達(dá)圖。從圖3中可以看到，由于選擇性傳感器的加入，各樣本相對(duì)于生乳標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的距離均較非選擇性傳感器的距離增加。這里需要注意的是，由選擇性和非選擇性傳感器陣列構(gòu)建的綜合型傳感器陣列組與非選擇性傳感器陣列對(duì)于不同樣本檢測(cè)的歐氏距離的增量是不相等的；而另外，從歐氏距離的絕對(duì)值來看，傳感器陣列（組）對(duì)陳放乳、巴氏乳、酸敗乳的數(shù)字值均比較大，其中陳放乳和巴氏乳與生乳具有相同或接近的味覺感受，通過本傳感器檢測(cè)獲得的歐氏距離具有明顯的摻雜提示作用，這些都與固液界面上的電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，其機(jī)理需要繼續(xù)研究以得到合理的解釋。

非選擇性傳感器陣列對(duì)摻雜尿素和三聚氰胺的荷斯坦牛生乳檢測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的歐氏距離會(huì)隨著摻雜濃度的增加而逐漸增大。在表5和圖3中可以發(fā)現(xiàn)酸敗乳的歐氏距離差別巨大，而感官風(fēng)味沒有明顯變化的陳放乳和巴氏乳也有很明顯的變化。

由圖3和表5可見，各樣本包括新鮮生乳與標(biāo)準(zhǔn)生乳之間的歐氏距離分布在0～30之間?？赏ㄟ^兩種方式對(duì)檢測(cè)樣品中合格、懷疑、不合格的三個(gè)結(jié)果進(jìn)行表達(dá)：a.數(shù)據(jù)表達(dá)：對(duì)歐氏距離的大小依據(jù)數(shù)字值的大?。籦.由上述各歐氏距離所繪制的雷達(dá)圖直觀表達(dá)。圖中每個(gè)軸代表一個(gè)乳液樣品，圓心位置為該乳樣所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，由每個(gè)軸與圓心的距離的聯(lián)線代表不同樣品的參加得分的分布，與圓心的距離代表不同樣品與標(biāo)準(zhǔn)生乳之間的差異。本研究結(jié)果中，可以以Ed為0～1.0、1.0～2.0和2.0以上來對(duì)檢測(cè)樣進(jìn)行摻雜預(yù)判，Ed為0～1.0的檢測(cè)樣本為合格樣本，Ed為1.0～2.0的檢測(cè)樣本為懷疑樣本，需要通過其他的檢測(cè)方法來判定，Ed大于2.0的檢測(cè)樣本為不合格樣本，直接淘汰。雷達(dá)圖結(jié)果顯示，不同樣品具有不同的差異度，且區(qū)分效果顯著。

3 結(jié)論與討論

本文提出的技術(shù)方法對(duì)生乳的摻雜的檢測(cè)具備了實(shí)施的可行性。以非選擇性傳感器陣列組及選擇性傳感器陣列組獲得的各檢測(cè)乳液樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)生乳數(shù)據(jù)庫中心的歐氏距離為判別依據(jù)，對(duì)檢測(cè)樣品中合格、懷疑、不合格的三個(gè)結(jié)果進(jìn)行表達(dá)，系統(tǒng)的判斷能力有效。

以選擇性傳感器陣列和非選擇性陣列構(gòu)成的陣列組對(duì)摻雜生乳進(jìn)行檢測(cè)，具有比單一屬性傳感器陣列進(jìn)行檢測(cè)的效果更佳；且非選擇性傳感器陣列對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)效果具有決定性的作用，但是，固液界面上的電化學(xué)反應(yīng)尚無法充分揭示，系統(tǒng)的優(yōu)化還需要進(jìn)行深入的理論研究以使系統(tǒng)的構(gòu)成在技術(shù)上得以實(shí)踐。

表5 兩類傳感器陣列（組）對(duì)不同摻雜生乳樣本與標(biāo)準(zhǔn)生乳的歐氏距離及其優(yōu)化Table 5 The euclidean distance of different melamine detection of doping concentration raw milk samples with two types of sensor array and data optimization

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