電化學(xué)傳感器水果成熟度檢測技術(shù)的研究

郭清乾，馬劉正，孫海峰，王 順,2，孫曉全，常課課，張 浩，李建偉，胡建東,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450002；3.河南省計量科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450008)

電化學(xué)傳感器水果成熟度檢測技術(shù)的研究

郭清乾1，馬劉正1，孫海峰1，王 順1,2，孫曉全3，常課課1，張 浩1，李建偉1，胡建東1,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450002；3.河南省計量科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450008)

提出了一種基于電化學(xué)乙烯傳感器的水果成熟度檢測系統(tǒng)，通過實時檢測水果釋放的乙烯氣體濃度來評判水果成熟度。該系統(tǒng)主要由電化學(xué)乙烯傳感器、微處理器電路、微型真空泵和氣室等構(gòu)成。微處理器電路接收電化學(xué)傳感器感測到的水果釋放乙烯氣體產(chǎn)生的電流信號，乙烯氣體質(zhì)量濃度檢測結(jié)果直接顯示在觸摸屏上。通過4種質(zhì)量濃度分別為2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體響應(yīng)試驗，建立了乙烯氣體質(zhì)量濃度與電化學(xué)傳感器響應(yīng)信號之間的定標(biāo)曲線，乙烯氣體質(zhì)量濃度在0～10 mg·L-1范圍內(nèi)，與電化學(xué)傳感器響應(yīng)信號相關(guān)系數(shù)為0.998 14，理論最低檢出限為0.86 mg·L-1。采用水果成熟度檢測系統(tǒng)對不同成熟度的蘋果釋放的乙烯氣體質(zhì)量濃度進行了檢測試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能對不同成熟度的水果進行有效區(qū)分和評判。

水果成熟度;乙烯氣體;電化學(xué)傳感器;微處理器電路

水果在成熟過程中，其生理和化學(xué)特性會發(fā)生改變[1-2]。水果成熟度與水果硬度、含糖量、含酸量、固溶物和水果釋放的芳香性氣體密切相關(guān)[3]。蔣天梅等[4]認(rèn)為果實成熟衰老是一個復(fù)雜而有序的過程，水果釋放的乙烯氣體是調(diào)節(jié)果實成熟、衰老及品質(zhì)變化的關(guān)鍵因子。張鑫等[5]研究表明，隨著水果成熟度不斷增加，水果釋放出的乙烯氣體濃度逐漸增加，當(dāng)水果 釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度高于1 mg·L-1時，水果加速成熟。乙烯氣體在獼猴桃成熟過程加速了果實軟化,其乙烯高峰出現(xiàn)時，獼猴桃已達(dá)到可食程度[6-7]。乙烯氣體在枇杷生長發(fā)育過程中，具有激發(fā)呼吸和促進果實成熟作用[8]。因此，探索實時檢測水果成熟度技術(shù)在水果采摘、包裝、存儲、運輸和加工過程中有著重要作用[9-10]。人們通常用水果硬度、含糖量和酸度等指標(biāo)來評判水果成熟度，這些方法盡管精度高，但是不能實時檢測，且破壞了水果內(nèi)部組織。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，可見光和近紅外光譜技術(shù)在水果成熟度檢測中得到了廣泛研究[11-13]。劉燕德等[14]利用透射和漫透射測量果實整體并獲得果實內(nèi)部特征。應(yīng)義斌等[15]建立了用于柑橘成熟度檢測的機器視覺系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)綠色柑橘表面與桔黃色表面的反射率在入射光波長700 nm時反射率相差最大。朱堅民等[16]通過提取水果圖像關(guān)注區(qū)域的顏色和形狀特征，建立參比水果的顏色特征參比數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)水果種類的判別。魏新華等[17]提出了一種水果等級信息與水果實時位置間的連續(xù)動態(tài)配準(zhǔn)方法，實現(xiàn)輸送線上水果流的動態(tài)位置的實時檢測、連續(xù)跟蹤、水果等級信息與其實時位置間的連續(xù)動態(tài)配準(zhǔn)。智能電子鼻技術(shù)可應(yīng)用于檢測蘋果、梨和桃子等水果揮發(fā)出來的乙烯氣體，但是電子鼻檢測儀器價格昂貴[18-20]。本研究利用電化學(xué)傳感器檢測水果釋放的乙烯氣體濃度信號，經(jīng)微處理器對該乙烯氣體濃度信號處理，在觸摸屏上實時顯示氣體濃度信息和水果品種等參數(shù)，同時根據(jù)采集的乙烯氣體濃度信息建立水果成熟度判據(jù)模型，以減少水果包裝、貯藏、運輸、加工和銷售等作業(yè)環(huán)節(jié)中損失。

1 電化學(xué)乙烯氣體傳感器水果成熟度檢測系統(tǒng)的工作原理

乙烯氣體是一種成熟衰老激素，可以在根、莖、葉、花、果實和種子等許多部位產(chǎn)生，它們在細(xì)胞分裂與生長、組織與器官分化、開花與結(jié)實、成熟與衰老方面，相互協(xié)調(diào)地調(diào)控植物的生長、發(fā)育與分化，其生理作用是可刺激細(xì)胞膜透性，促進RNA的合成，是碳水化合物轉(zhuǎn)化酶的調(diào)節(jié)開關(guān)，促進成熟、脫落、衰老[21-22]。在生理環(huán)境下，乙烯是唯一以氣體狀態(tài)存在的生長激素，可以從細(xì)胞和組織中釋放出來，通過電化學(xué)乙烯氣體傳感器實測水果釋放出乙烯氣體濃度，建立水果釋放乙烯氣體濃度與水果成熟度之間的關(guān)系，進而評判水果成熟度。

圖1 電化學(xué)乙烯氣體傳感器水果成熟度檢測原理 Fig.1 Measurement scheme of fruit maturity using an electrochemical sensor

電化學(xué)水果成熟度檢測系統(tǒng)中的電化學(xué)傳感器原理如圖1A所示。(乙烯氣體在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，在對電極上發(fā)生還原反應(yīng)，與工作電極發(fā)生的反應(yīng)平衡，參考電極不參與氧化還原反應(yīng)，電位恒定，提高傳感器的穩(wěn)定性。)真空泵可以加速乙烯氣體的流動，使乙烯氣體通過氣室擴散到傳感器的工作電極，發(fā)生反應(yīng)的電解電流與氣體濃度的關(guān)系為：

i=k·c

(1)

式中：系數(shù)k與傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體的種類有關(guān)，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)和被測氣體種類確定時，k為常數(shù)，c為被測氣體的質(zhì)量濃度。

氣體進入電化學(xué)傳感器內(nèi)部，與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的電流與氣體的濃度成正比。電化學(xué)乙烯氣體傳感器(圖1B)由透氣膜、過濾網(wǎng)、工作電極、對電極、參考電極、電解液和控制模塊電路等組成?？刂颇K電路中嵌入微處理器可以對水果釋放乙烯氣體響應(yīng)進行溫度校正，經(jīng)過溫度補償后確保輸出信號穩(wěn)定。RDE，TXD和RXD分別為傳感器串口信號輸出端，發(fā)送端和接收端。測量電路實現(xiàn)電化學(xué)乙烯氣體傳感器產(chǎn)生的與氣體濃度相關(guān)的電流與電壓變換和信號放大處理，然后通過微控制器電路進行數(shù)據(jù)濾波和定標(biāo)，以串行通訊方式輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號顯示在觸摸屏上(圖1C)。

2 電化學(xué)乙烯氣體傳感器水果成熟度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

電化學(xué)乙烯氣體傳感器水果成熟度檢測系統(tǒng)由微處理器電路、微型真空泵、電化學(xué)傳感器組成。電化學(xué)乙烯氣體傳感器是從深圳圣凱安科技有限公司購買，乙烯氣體敏感的線性范圍為0～10 mg·L-1。自制電化學(xué)氣體傳感器氣室結(jié)構(gòu)尺寸為外徑38 mm，內(nèi)徑34 mm，高度28 mm，底部兩側(cè)對稱設(shè)計有2個直徑為6 mm的氣孔分別與微型真空泵和大氣相連。水果成熟度測試軟件使用Visual Studio 2010集成開放環(huán)境進行軟件開發(fā)，利用C++語言完成了軟件編程。水果采摘之后釋放的乙烯氣體濃度隨著水果質(zhì)量和存儲時間的增加而增加，可以通過檢測水果釋放出的乙烯氣體濃度來判斷水果的成熟度。電化學(xué)水果成熟度測試系統(tǒng)實物如圖2A所示。

圖2 電化學(xué)乙烯氣體傳感器水果成熟度檢測系統(tǒng)Fig.2 Detection system of fruit maturity using an electrochemical sensor

試驗用不同成熟度蘋果從開封蘭考采摘，在室溫條件下，不同成熟度的蘋果經(jīng)過清洗和自然晾干，放入玻璃瓶中，用保鮮膜密封20 min后，把帶針頭的氣管插入玻璃瓶中。玻璃瓶外徑為95 mm，內(nèi)徑為87 mm，高度為135 mm。氣管外徑為6 mm，內(nèi)徑為4 mm，長度為390 mm。電化學(xué)傳感器和真空泵上電之后，打開水果成熟度測試軟件，首先選擇測試水果類型界面，點擊進入測試界面，選擇測試端口和串口通信波特率，點擊開始測試指令之后，真空泵開始抽取玻璃瓶中蘋果釋放的氣體，通過過濾網(wǎng)和透氣膜擴散到電解液里，在電化學(xué)傳感器工作電極和對電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成電流信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)化和放大后，每隔1 s傳送到微處理器電路，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，然后在觸摸屏上實時顯示測試氣體濃度信息，如圖2B所示，根據(jù)獲得的水果釋放乙烯氣體的含量來判斷水果的成熟度等級。測試的數(shù)據(jù)以txt文件的形式保存，也可上傳云端。測試結(jié)束后，將插入玻璃瓶中的氣管拔出，電化學(xué)傳感器繼續(xù)通入空氣，防止殘留的乙烯氣體影響下次測量結(jié)果。由于水果釋放出的乙烯氣體自然擴散速度較慢，利用真空泵可以加速氣體流動，使氣體快速擴散至氣室內(nèi)，防止氣體流動過程中產(chǎn)生波動。

3 電化學(xué)乙烯氣體傳感器響應(yīng)曲線的建立

標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體從河南省計量科學(xué)研究院購買，用于建立電化學(xué)乙烯氣體傳感器檢測系統(tǒng)響應(yīng)曲線。在測試的過程，乙烯氣體擴散至電解液，在工作電極和對電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生微弱的電流信號，電流信號與乙烯氣體質(zhì)量濃度呈正比例關(guān)系。在室溫條件下，氣體流速控制在0.4 L·min-1，測試了質(zhì)量濃度分別為2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體作用下電化學(xué)傳感器的響應(yīng)信號，并對采集的數(shù)據(jù)進行中值濾波，建立了電化學(xué)傳感器響應(yīng)值與時間的關(guān)系曲線(圖3)。由圖3可知，在反應(yīng)初期，電化學(xué)傳感器響應(yīng)值隨著時間的增加而迅速增加，達(dá)到一定時間后，傳感器響應(yīng)值趨于穩(wěn)定。從響應(yīng)特性曲線可以看出，響應(yīng)曲線符合一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)規(guī)律。在180 s之后，隨著時間增加，電化學(xué)傳感器的響應(yīng)值幾乎不變，因此可以認(rèn)為電化學(xué)傳感器在180 s時達(dá)到穩(wěn)定。由一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)函數(shù)可知，當(dāng)時間為3τ～5τ(τ為時間常數(shù))時，認(rèn)為傳感器的響應(yīng)值為穩(wěn)定值，τ為傳感器從初始值到穩(wěn)定值的63.2%所用時間。每種標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體測試4次，穩(wěn)定值的最大相對偏差為3.38%,4種標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體的時間常數(shù)τ分別為23、30、24、25 s。其中，30 s為4種標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體的最大時間常數(shù)τ，取150 s作為傳感器測試的穩(wěn)定值，建立0～10 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體與傳感器響應(yīng)特性曲線(圖4所示)。

圖3 電化學(xué)傳感器對標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體響應(yīng)特性 Fig.3 The response characteristics of the electrochemical measurement system for standard ethylene gases

圖4 乙烯氣體質(zhì)量濃度與電化學(xué)傳感器響應(yīng)值之間的關(guān)系 Fig.4 Relationship between the standard ethylene gas concentration and response obtained from the electrochemical sensor

從響應(yīng)特性曲線計算得到兩者相關(guān)系數(shù)為0.998 14，理論最低檢出限為0.86 mg·L-1(理論檢出限公式為3σ/k，σ為4次測試的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為響應(yīng)曲線的斜率)。

4 蘋果釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度測量及成熟度評價

水果在成熟的過程中，乙烯氣體釋放量逐漸增加，可以通過電化學(xué)傳感器檢測水果釋放出的乙烯氣體濃度來判斷水果成熟度。選擇不同成熟度的蘋果，洗凈晾干后置于密閉玻璃瓶20 min，然后進行測試，每個蘋果重復(fù)測試3次，取平均值為該蘋果釋放的乙烯氣體的質(zhì)量濃度(表1)。由表1可知，未成熟蘋果釋放乙烯氣體量低于1 mg·L-1，成熟蘋果釋放乙烯氣體量在2～6 mg·L-1，過成熟蘋果釋放乙烯氣體量大于6 mg·L-1。根據(jù)蘋果平均釋放的乙烯氣體的質(zhì)量濃度，可以建立水果成熟度評價體系，將蘋果分成3個成熟階段，當(dāng)乙烯氣體釋放量少于1 mg·L-1，蘋果處于未成熟度階段；當(dāng)乙烯氣體釋放量為1～6 mg·L-1時，蘋果處于成熟階段；當(dāng)乙烯氣體釋放量超過6 mg·L-1，蘋果處于過成熟階段。水果成熟度根據(jù)乙烯氣體的釋放量來判斷，當(dāng)乙烯氣體釋放量達(dá)到1 mg·L-1時可以加速水果成熟[23]。因此，選擇蘋果釋放乙烯氣體量超過1 mg·L-1時蘋果處于成熟階段。由表1可知，過成熟的蘋果釋放乙烯氣體量超過6 mg·L-1， 因此選擇蘋果釋放乙烯氣體量超過6 mg·L-1時蘋果處于過成熟階段。

表1 蘋果釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度的檢測結(jié)果 Table 1 Results of ethylene gas concentration released from apples

5 乙烯氣體檢測系統(tǒng)的選擇性和重復(fù)性

由于電化學(xué)傳感器的交叉響應(yīng)特性，電化學(xué)傳感器電極在與待測氣體發(fā)生反應(yīng)時，收集的相關(guān)氣體會發(fā)生交叉反應(yīng)。由于收集的水果釋放的乙烯氣體中氮氣的含量最高，因此用純氮氣對乙烯氣體檢測系統(tǒng)的選擇性進行測試。用8.01 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體進行再生性測試。首先通入純度為99.99%的氮氣，控制氣體的流速為0.4 L·min-1，通入氮氣220 s過程中乙烯氣體檢測系統(tǒng)的響應(yīng)值為0，當(dāng)停止通入氮氣之后，通入標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體進行重復(fù)性試驗，乙烯氣體檢測系統(tǒng)的響應(yīng)值迅速增強，反應(yīng)一段時間后，氣體的響應(yīng)值趨向穩(wěn)定，待測試的乙烯氣體穩(wěn)定之后，停止通入乙烯氣體，切換通入空氣去除傳感器氣室中殘留的乙烯氣體，當(dāng)氣體下降到穩(wěn)定值的10%之后，再次通入乙烯氣體進行上述操作，重復(fù)測試2次，其響應(yīng)特性曲線如圖5所示。從圖5可知， 通入空氣之后， 電化學(xué)傳感器的響應(yīng)值迅速降低，最后變化越來越緩慢，2次重復(fù)測量乙烯氣體到達(dá)穩(wěn)定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.03%，測試電化學(xué)傳感器的再生時間為280 s(再生時間為氣體從穩(wěn)定值降低到穩(wěn)定值的10%所需要的時間)。

圖5 乙烯氣體檢測系統(tǒng)的選擇性和重復(fù)性 Fig.5 Selectivity and repeatability of the ethylene detection system

6 結(jié)論

本文研究了質(zhì)量濃度為2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體的響應(yīng)特性。根據(jù)電化學(xué)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)乙烯氣體的響應(yīng)特性曲線，計算得出乙烯氣體理論檢出限為0.86 mg·L-1。不同成熟度水果釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度不同，需要建立不同水果釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度閾值模型來評價水果成熟度。通過試驗測量蘋果平均釋放乙烯氣體質(zhì)量濃度，可將蘋果分為3個成熟等級。結(jié)果表明，當(dāng)乙烯氣體釋放量少于1 mg·L-1，蘋果處于未成熟度階段；當(dāng)乙烯氣體釋放量為1～6 mg·L-1時，蘋果處于成熟階段；當(dāng)乙烯氣體釋放量超過6 mg·L-1，蘋果處于過成熟階段。

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Studyonreal-timemeasurementoffruitmaturitiesusinganelectrochemicalsensor

GUO Qingqian1,MA Liuzheng1,SUN Haifeng1,WANG Shun1，2,SUN Xiaoquan3, CHANG Keke1,ZHANG Hao1,LI Jianwei1,HU Jiandong1，2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2.State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450002,China; 3.Henan Institute of Metrology,Zhengzhou 450008,China)

In this paper,a measurement system constructed with an electrochemical ethylene sensor for evaluating the fruit maturity was proposed.It consisted of an electrochemical ethylene sensor,a microprocessor circuit,a micro-vacuum pump and a gas chamber,wherein,the microprocessor circuit receiving electric current generated by the electrochemical sensor that used to detect the ethylene gas.The data of measurement of the concentrations of ethylene gas and fruit species displayed on a touch screen.The calibration curve between the ethylene gas concentrations and the response signals from the electrochemical sensor was established by 4 standard concentrations of 2.99,4.99,8.01 and 10 mg·L-1of ethylene gas.The results showed that the correlation coefficient was 0.998 14 and the theoretical minimum detection limit was 0.86 mg·L-1in the range of 0 to 10 mg·L-1. The actual measurement experiment was performed to detect the concentration of ethylene gas released from apples in different maturities level.The results showed that the measurement system could distinguish and evaluate the maturity levels from different fruits.

fruit maturity; ethylene gas; electrochemical sensor; microprocessor circuit

2017-05-12

國家自然科學(xué)基金項目 (31671581)；鄭州市科技攻關(guān)項目(153PKJGG108)；小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室項目(SKL2014ZH-06,39990026)

郭清乾(1992-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)測試技術(shù)與儀器的研究。

胡建東(1965-)，男，江西新余人，教授，博士研究生導(dǎo)師。

1000-2340(2017)06-0839-06

S24

A

蔣國良)