固態(tài)光源食品安全快速檢測(cè)儀的研制

張冠文　曾成柱　劉日威

摘 要：光譜儀實(shí)現(xiàn)單色性的方法包括光柵分光、濾色片分光、棱鏡分光等，固態(tài)光源食品安全快速檢測(cè)儀直接從光源端實(shí)現(xiàn)單色性，因其功耗低、防潮、抗振動(dòng)、光路簡(jiǎn)單等特性而獲得廣泛應(yīng)用，該類儀器適合在生產(chǎn)基地、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、超級(jí)市場(chǎng)等沒(méi)有完善實(shí)驗(yàn)條件的基層單位普及。本文介紹了固態(tài)光源食品安全快速檢測(cè)儀的原理、儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：食品安全快速檢測(cè)儀；固態(tài)光源；農(nóng)藥殘留檢測(cè)；甲醛檢測(cè)；二氧化硫檢測(cè)；亞硝酸鹽檢測(cè)；標(biāo)準(zhǔn)曲線；空白扣除

中圖分類號(hào)：TH744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

《國(guó)家十三五規(guī)劃綱要》將食品安全列為國(guó)家戰(zhàn)略，近年光譜類食品安全快速檢測(cè)儀被廣泛使用，從單色性實(shí)現(xiàn)角度看，其種類包括光柵分光類、濾色片分光類、棱鏡分光類、固態(tài)光源類幾類。

固態(tài)光源類食品安全快速檢測(cè)儀直接從光源端實(shí)現(xiàn)單色性，無(wú)需額外分光器件，具有功耗低、防潮、抗振動(dòng)、光路簡(jiǎn)單等特性，已被不斷布局到全國(guó)的基層食品藥品監(jiān)管所、農(nóng)檢站、蔬菜生產(chǎn)基地、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、超市、食堂等單位。

固態(tài)光源食品安全快速檢測(cè)儀的具體實(shí)現(xiàn)有不同的技術(shù)路線，研制可靠、易用、低成本，同時(shí)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的儀器是具有挑戰(zhàn)性的課題，本文將進(jìn)行一定范圍的探討。

1.儀器檢測(cè)原理

下文通過(guò)幾個(gè)檢測(cè)方法實(shí)例介紹儀器檢測(cè)原理。

（1）農(nóng)藥殘毒檢測(cè)基本原理

有機(jī)磷和氨基甲基酯類農(nóng)藥能抑制昆蟲(chóng)中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中乙酰膽堿酶的活性，造成神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)乙酰膽堿的積累，影響正常傳導(dǎo)，使昆蟲(chóng)中毒致死，根據(jù)這一昆蟲(chóng)毒理學(xué)原理，用在對(duì)農(nóng)藥殘留的檢測(cè)中。加入反應(yīng)試劑后，用分光光度計(jì)于波長(zhǎng)410nm處測(cè)定吸光值隨時(shí)間的變化值，計(jì)算出酶抑制率，判斷蔬菜中含有有機(jī)磷或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘毒情況。即：

（2）甲醛檢測(cè)基本原理

基本原理是在過(guò)量銨鹽存在下，甲醛與乙酰丙酮生成黃色化合物，于414nm波長(zhǎng)處進(jìn)行分光光度測(cè)定，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

（a）吸取適量試樣于25mL具塞刻度管中，用水稀釋至標(biāo)線。加入2.5mL乙酰丙酮溶液，搖勻。于45℃～60℃水浴中加熱30min，取出冷卻。

（b）用10mL比色皿，在波長(zhǎng)414nm處測(cè)量吸光度，減去空白試驗(yàn)所測(cè)得的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出試樣中甲醛的含量。

（3）二氧化硫檢測(cè)基本原理

二氧化硫（亞硫酸鹽）與四氯汞鈉反應(yīng)生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，再與甲醛及鹽酸副玫瑰苯胺作用生成紫紅色絡(luò)合物，于波長(zhǎng)550nm處測(cè)吸光度，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

（4）亞硝酸鹽與硝酸鹽檢測(cè)基本原理

試樣經(jīng)沉淀蛋白質(zhì)/除去脂肪后，在弱酸條件下亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酸重氮化后，再與鹽酸萘乙二胺偶合形成紫紅色染料，于波長(zhǎng)538nm處測(cè)吸光度，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

2.儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）確定儀器檢測(cè)對(duì)象需求

根據(jù)有毒有害物質(zhì)和食品添加劑的使用情況，確定儀器的檢測(cè)對(duì)象。農(nóng)藥殘毒：蔬菜、水果、糧食；甲醛：水發(fā)水產(chǎn)品；二氧化硫：蘑菇罐頭、竹筍、粉絲、食糖、干菜、蜜餞、湯料；亞硝酸鹽：腌制食品、肉制品等。

（2）確定儀器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

光譜類食品安全快速檢測(cè)儀的國(guó)家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，現(xiàn)在可以作為儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是地方標(biāo)準(zhǔn)，如廣東省計(jì)量院和中國(guó)廣州分析測(cè)試中心（廣東省測(cè)試分析研究所）制定的《JJG（粵）006-2005農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)儀檢定規(guī)程》。

關(guān)鍵指標(biāo)包括：

測(cè)量精度：5%。

零點(diǎn)漂移：±0.5%/3min。

光電流漂移：±1.0%/3min。

透射比誤差：±2%。

透射比重復(fù)性：0.5%。

通道間誤差：1%。

（3）設(shè)計(jì)檢測(cè)流程

根據(jù)儀器檢測(cè)基本原理、檢測(cè)對(duì)象、最終用戶知識(shí)水平、儀器設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)檢測(cè)流程，如圖1所示。

（4）儀器測(cè)量?jī)?nèi)部流程

基層用戶不能自行做復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，需要“一鍵測(cè)量”后直接輸出樣品檢測(cè)含量和實(shí)時(shí)打印原始記錄。

農(nóng)藥殘毒檢測(cè)測(cè)量的是吸光度的變化，儀器測(cè)量?jī)?nèi)部流程包括對(duì)照測(cè)量、樣品測(cè)量、抑制率計(jì)算。

對(duì)照測(cè)量的吸光度變化計(jì)算如下，其中I0表示初始光強(qiáng)，It1表示時(shí)間t1時(shí)的光強(qiáng)，It2表示時(shí)間t2時(shí)的光強(qiáng)：

樣品測(cè)量的吸光度變化計(jì)算如下：

酶抑制率計(jì)算如下：

甲醛、二氧化硫、亞硝酸鹽等危害物的儀器測(cè)量?jī)?nèi)部流程包括建立標(biāo)準(zhǔn)曲線、空白測(cè)量、樣品測(cè)量幾個(gè)步驟，詳見(jiàn)本文作者早期寫(xiě)的《光譜類食品安全快速檢測(cè)儀空白扣除原理》一文。

（5）標(biāo)準(zhǔn)曲線

食品安全快檢沒(méi)有消解等復(fù)雜前處理，校準(zhǔn)曲線實(shí)際是標(biāo)準(zhǔn)曲線，建立此類標(biāo)準(zhǔn)曲線有幾個(gè)要點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線需要5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)選取時(shí)最高吸光度不適宜超過(guò)1ABS，且待測(cè)物的國(guó)家限量值應(yīng)包含在數(shù)據(jù)點(diǎn)中；標(biāo)準(zhǔn)曲線截距與零做T檢驗(yàn)后去除，包先金分析了標(biāo)準(zhǔn)曲線不去除截距時(shí)，樣品測(cè)量信號(hào)扣除空白后直接代人標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算會(huì)引起誤差；參與標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)和進(jìn)行實(shí)際樣品含量計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)均需要是扣除空白的純反應(yīng)信號(hào)。

3.光路設(shè)計(jì)

典型的光譜儀由5部分組成：

（1）穩(wěn)定的輻射源。

（2）選用限定波長(zhǎng)區(qū)域的部件。

（3）透明的樣品容器。

（4）輻射檢測(cè)器或換能器。

（5）信號(hào)處理器和讀出裝置。

傳統(tǒng)的紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，如國(guó)產(chǎn)72型、721型、751型、英國(guó)SP500、日本島津QV-50型，其工作原理可歸結(jié)為圖2。

固態(tài)光源食品安全快速檢測(cè)儀光路設(shè)計(jì)的目標(biāo)是取消單色器，達(dá)到如圖3所示效果，其技術(shù)關(guān)鍵是選用合適的LED光源。

食品安全快速檢測(cè)屬于分子光譜檢測(cè)，分子光譜的吸收峰通常達(dá)數(shù)十納米，例如農(nóng)殘檢測(cè)試液吸收峰半峰寬達(dá)60nm，亞硝酸鹽檢測(cè)試液吸收峰半峰寬達(dá)80nm。光譜儀用LED要求光譜寬度小于待檢測(cè)試液吸收峰且光強(qiáng)度足夠大。國(guó)內(nèi)某品牌的410nm（SF-5WTUV34）LED光譜寬度30nm，發(fā)光強(qiáng)度400毫燭光，半功率視覺(jué)±7.5度，能滿足要求，美國(guó)SET公司的LED產(chǎn)品性能更優(yōu)秀些。

4.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及架構(gòu)體系的選擇問(wèn)題，DSP處理器、x86處理器的編程和電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，成本也高。C51系列單片機(jī)雖然易用、成本低，但已不適合功能越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用，ARM系列單片機(jī)易用性和成本與C51系列接近，但運(yùn)算處理能力提高了數(shù)十倍，在本應(yīng)用中較合適。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示，通過(guò)CPLD芯片擴(kuò)展了大量控制端口。

儀器人機(jī)界面部分，使用普通的液晶屏已經(jīng)落后于時(shí)代的需求，帶觸摸控制功能的真彩高分辨串口屏具有良好的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于高端用戶，可以直接使用WIFI接口連接平板電腦用作人機(jī)界面。

2CU025作檢測(cè)器時(shí)的信號(hào)放大電路為零伏偏置電路，如圖5所示。這種電路線性好，輸出光電流大，噪聲低，信噪比高。

5.儀器性能

儀器性能檢定依照《JJG（粵）006-2005農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)儀檢定規(guī)程》進(jìn)行，比較關(guān)鍵的指標(biāo)如表1“透射比測(cè)量”和表2“穩(wěn)定度測(cè)量”所示，基本性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品的研發(fā)首先要符合社會(huì)民生的需求，作為檢測(cè)儀器還需要符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是用最低的成本達(dá)到規(guī)定的技術(shù)性能，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要用各技術(shù)領(lǐng)域主流的技術(shù)方案，這樣才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。基于本文介紹技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上獲得廣泛認(rèn)可，文中存在不足之處，僅供同行交流研討。

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