基于酶抑制法的自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)建立

陳子鵬，馬建博，杜建華

（中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 信息與安全工程學(xué)院，武漢 430000）

0 引 言

食品安全問(wèn)題，尤其是水果蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥、添加劑以及其他有毒物質(zhì)的污染和殘留情況，是近年來(lái)持續(xù)受到廣泛關(guān)注的社會(huì)熱點(diǎn)話(huà)題[1-5]。歐美、日韓等國(guó)家和地區(qū)普遍建立有食品安全監(jiān)管或預(yù)警體系[6]。目前中國(guó)對(duì)農(nóng)藥殘留問(wèn)題也十分重視，陸續(xù)出臺(tái)和修正了相關(guān)法律，如《中華人民共和國(guó)農(nóng)藥殘留法》、《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》等相關(guān)法律來(lái)保障人民的利益。1

科學(xué)合理的使用農(nóng)藥不但可以減少農(nóng)業(yè)損失，同時(shí)為人類(lèi)身體健康和生態(tài)環(huán)境有著積極作用，但過(guò)量，高毒的農(nóng)藥會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此、農(nóng)藥殘留檢測(cè)就成為了食品安全管理中的重要環(huán)節(jié)[7-13]。目前對(duì)市場(chǎng)上出售的果蔬農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè)的方法中，以色譜法和酶抑制法最為常見(jiàn)。色譜法包括薄層色譜法，氣相色譜法和高效液相色譜法[14-16]。如氣象色譜法是采用氣體作流動(dòng)相的色譜法，用于揮發(fā)性農(nóng)藥的檢測(cè)。色譜法具有高選擇性、高分離效能、高靈敏度和快速的優(yōu)勢(shì)，但因其檢測(cè)器較為昂貴，操作方法復(fù)雜，目前主要應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，而無(wú)法廣泛推廣應(yīng)用與日常居民對(duì)市場(chǎng)果蔬農(nóng)藥殘留的檢測(cè)中[17-20]。酶抑制法，是以化學(xué)反應(yīng)為依據(jù)，乙酰膽堿酯酶利用使農(nóng)藥中的有機(jī)磷和氨基甲酸酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)為根本，通常酶在催化2,6-二氯乙酰錠酚后會(huì)分解出藍(lán)色靛酚，如果存在有機(jī)磷農(nóng)藥，酶的活性就會(huì)被暫時(shí)抑制，反應(yīng)后的溶液將變成淺藍(lán)色或者保持原來(lái)的顏色不變，這時(shí)可以通過(guò)與對(duì)照溶液的對(duì)比來(lái)確定有機(jī)磷農(nóng)藥的具體成分。酶抑制法多被應(yīng)用于試紙檢測(cè)，檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，可研制多類(lèi)便攜式農(nóng)藥殘留檢測(cè)設(shè)備[21-24]。但以酶抑制法試紙檢測(cè)結(jié)果的可靠性與洗脫液量、抑制時(shí)長(zhǎng)、抑制溫度等多項(xiàng)操作環(huán)節(jié)有關(guān)[25]，且其對(duì)多項(xiàng)農(nóng)藥殘留的檢出限度高于國(guó)家規(guī)定的農(nóng)藥殘留限量[26]，這使得酶抑制法試紙檢測(cè)僅適用于定性判斷。

本文選擇以酶抑制法為基礎(chǔ)，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)試紙檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行精細(xì)分析及多檔劃分。通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)擬合，將檢測(cè)試紙檢測(cè)結(jié)果的顏色差別細(xì)分為5級(jí)，分別代表農(nóng)藥殘留情況的無(wú)殘留（1 級(jí)）、安全（2級(jí)）、弱殘留（3 級(jí)）、強(qiáng)殘留（4 級(jí)）、危險(xiǎn)（5 級(jí)）。實(shí)現(xiàn)試紙檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)化。將試紙測(cè)試結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)構(gòu)建了自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)。該自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)可為普通民眾提供自主自助的果蔬農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè)條件，使消費(fèi)者能夠直接參與檢測(cè)過(guò)程中并獲得檢測(cè)結(jié)果，保證信息的對(duì)稱(chēng)公開(kāi)透明，為食品安全檢測(cè)和監(jiān)管提供新的思路。

1 自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文中所構(gòu)建的自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)，主要包括以酶抑制法為基礎(chǔ)的試紙檢測(cè)、圖像識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)。通過(guò)此3 種技術(shù)的結(jié)合，使自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)能夠通過(guò)機(jī)械臂自動(dòng)完成試紙檢測(cè)并拍照儲(chǔ)存、計(jì)算機(jī)處理照片圖像并最終獲得細(xì)分檢測(cè)結(jié)果，顯示農(nóng)藥殘留分級(jí)信息的功能。

1.1 農(nóng)藥殘留的試紙檢測(cè)

傳統(tǒng)的農(nóng)藥速測(cè)法是利用對(duì)有機(jī)磷和氨基甲酸脂類(lèi)農(nóng)藥高敏感的膽堿酯酶和顯色劑做成的試紙。具體檢測(cè)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 酶抑制法試紙的殘留農(nóng)藥檢測(cè)過(guò)程 Fig.1 Process of pesticide residues detection with enzymatic inhibition test paper

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，試紙顏色變化與農(nóng)藥含量存在近似負(fù)線(xiàn)性關(guān)系[27-30]?？筛鶕?jù)農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥含量不同引起試紙顏色的深淺程度變化和檢測(cè)過(guò)程中試紙變色情況，對(duì)被測(cè)樣品農(nóng)藥殘留量范圍進(jìn)行更加精細(xì)的劃分。

1.2 圖像識(shí)別技術(shù)

在酶抑制法試紙監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)藥殘留含量的判定中，最大的局限在于人眼對(duì)色彩變化識(shí)別的精確程度較低。針對(duì)此問(wèn)題，自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)中借助圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)完成對(duì)圖像的處理、分析和理解。在一般工業(yè)使用中，圖像識(shí)別技術(shù)是采用工業(yè)相機(jī)拍攝圖片，再利用后臺(tái)軟件根據(jù)圖片灰階差做進(jìn)一步識(shí)別處理。

在此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)中，通過(guò)內(nèi)置自主編寫(xiě)基于labview 的image.vi 軟件來(lái)完成圖像識(shí)別處理，軟件后臺(tái)界面如圖2 所示。該軟件可主動(dòng)控制攝像頭獲取檢測(cè)艙實(shí)時(shí)視頻，當(dāng)實(shí)時(shí)畫(huà)面中出現(xiàn)測(cè)試試紙后自動(dòng)抓拍并顯示于截取畫(huà)面中。軟件具有自動(dòng)定位選取圓形測(cè)試結(jié)果區(qū)域圖像的功能，根據(jù)試紙左側(cè)為測(cè)試用藥片、右側(cè)為測(cè)試結(jié)果顯色圖像的設(shè)定，將取色區(qū)域控制在右側(cè)圓環(huán)中，如采樣分割圖所示。局部放大界面則通過(guò)放大測(cè)試結(jié)果顯色圖像，并利用顏色取樣器，對(duì)顏色進(jìn)行取樣分析純色色調(diào)、飽和度、亮度、RGB 值，最終得到不同農(nóng)藥含量下的顏色差別細(xì)化指標(biāo)。采樣參數(shù)和識(shí)別結(jié)果將自動(dòng)顯示與軟件界面最上方的控制界面中。

如圖3 所示為image.vi 軟件界面中識(shí)別結(jié)果區(qū)域，在對(duì)某校外大型超商農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè)的圖像識(shí)別處理結(jié)果。根據(jù)試紙檢測(cè)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)為其飽和度S 的區(qū)別來(lái)判定農(nóng)藥殘留的多少。飽和度S 越小，表明農(nóng)藥殘留越多。即圖3 中空心菜農(nóng)藥殘留大于蘋(píng)果表面農(nóng)藥殘留。通過(guò)image.vi 軟件中圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，在Lab 顏色空間下對(duì)圖像進(jìn)行分割，細(xì)分明度指數(shù)和色品指數(shù)的級(jí)差，利用圖像增強(qiáng)技術(shù)通過(guò)像素合并和子成像模式2 種方法讀出圖像。以此克服傳統(tǒng)試紙檢測(cè)時(shí)肉眼識(shí)別造成的色值分辨精確度不足，判定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)試紙結(jié)果的精細(xì)分析。

圖2 自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)中內(nèi)置image.vi 軟件界面 Fig.2 Image.vi software interface builted in self-service detection platform of pesticide residue

圖3 大型超商農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè) Fig.3 Pesticide residue detection of produces from supermarket

1.3 自動(dòng)化技術(shù)

試紙檢測(cè)中的洗脫液量、抑制時(shí)長(zhǎng)、抑制溫度等多項(xiàng)參數(shù)在人工測(cè)試時(shí)很難保證完全一致，使酶抑制試紙法測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn)很難標(biāo)定。

在此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)中，使用單片機(jī)模塊控制機(jī)械臂，代替手工操作。以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)洗脫自動(dòng)化，可設(shè)置出統(tǒng)一的洗脫液量和抑制時(shí)長(zhǎng)。由溫度變送器、加熱電阻絲和簡(jiǎn)單機(jī)械部件構(gòu)成處理模塊，在控制變量的條件下處理試紙。由定時(shí)裝置控制測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和拍照時(shí)間。由GSM 模塊和藍(lán)牙模塊為通信模塊，連接單片機(jī)與后臺(tái)主機(jī)，便于結(jié)果輸出。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，極大程度上排除掉人工操作中產(chǎn)生的影響因素，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為后期數(shù)據(jù)分析處理提供保障。

1.4 自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)實(shí)際裝置雛形

圖4a 所示為自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物圖。裝置設(shè)計(jì)為可手持的裝置以提高設(shè)備便攜性。選取立體矩形作為裝置外觀(guān)，以單片機(jī)為主體，將工業(yè)攝像頭、GSM 模塊等小型器件作為附屬元件構(gòu)建檢測(cè)裝置最終設(shè)計(jì)的裝置雛形長(zhǎng)達(dá)150 mm、寬度125 mm、高度100 mm，整個(gè)裝置不超過(guò)2 dm3，可作為手持式檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)儀器的便攜化，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)的對(duì)食品進(jìn)行檢測(cè)。

圖4b 為設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。其基本結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)、測(cè)試艙、蓄電磁、工業(yè)攝像機(jī)、碳加熱片、LED 燈、定時(shí)器、顯示屏等核心部件。其基本工作原理是通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)投入測(cè)試艙的檢材完成自動(dòng)洗脫；由led 燈和工業(yè)攝像機(jī)自動(dòng)完成現(xiàn)場(chǎng)拍攝并將數(shù)據(jù)傳輸入后臺(tái)；通過(guò)image.vi 軟件對(duì)拍攝圖像做圖像識(shí)別和處理，獲取檢測(cè)結(jié)果中的飽和度S數(shù)值；最后根據(jù)預(yù)設(shè)的分級(jí)參數(shù)設(shè)置，將檢測(cè)結(jié)果在顯示屏上呈現(xiàn)給用戶(hù)，同時(shí)上傳數(shù)據(jù)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)見(jiàn)過(guò)的統(tǒng)一度量和準(zhǔn)確細(xì)分，通過(guò)可視化顯示窗口使使用者能夠直觀(guān)讀取檢測(cè)結(jié)果。該自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)具有設(shè)備造價(jià)合理、應(yīng)用范圍廣泛、操作流程簡(jiǎn)單、檢測(cè)耗材成本低廉、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

圖4 自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái) Fig.4 Self-service detection platform

2 自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

選取某高校周邊共4 處果蔬售賣(mài)點(diǎn)，分別為校內(nèi)蔬果市場(chǎng)（編號(hào)1）、校內(nèi)超市（編號(hào)2）、校外農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)（編號(hào)3）、校外大型超商（編號(hào)4）。對(duì)四個(gè)售賣(mài)點(diǎn)選取5 種果蔬，包括：空心菜（A），黃瓜（B），番茄（C）、茄子（D）、蘋(píng)果（E），分5 d 對(duì)每種果蔬共取樣5 份，共計(jì)100 份樣品。將此100 份樣品使用自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)完成快速檢測(cè)。

由于此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)是基于酶抑制法試紙檢測(cè)為基礎(chǔ)，其檢測(cè)結(jié)果輸出為測(cè)試卡藍(lán)色飽和度。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)定檢測(cè)過(guò)程中所獲取的洗脫液量、抑制時(shí)長(zhǎng)、抑制溫度、拍照背景光源等參數(shù)具有一致性，保證了多次檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)一。試驗(yàn)中設(shè)定抑制時(shí)間15 min、抑制溫度35℃、洗脫液量100 μL[25]。對(duì)樣品B3 的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，其飽和度S 值較為穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在3 以?xún)?nèi)，表明此檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，可基本排除檢測(cè)過(guò)程中的其他試驗(yàn)因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖5 樣品B3 的10 次重復(fù)性試驗(yàn) Fig.5 Ten times repetitive experiment of sample B3

通過(guò)對(duì)比自助平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果與氣相色譜法檢測(cè)結(jié)果，并依照文件GB 2763-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中農(nóng)藥最大殘留限量》中對(duì)應(yīng)農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)限定，對(duì)檢測(cè)結(jié)果做出分級(jí)劃分，如表1 所示。

表1 4 處樣品采集點(diǎn)5 種樣品的農(nóng)藥殘留檢測(cè)平均結(jié)果 Table 1 Testing results of pesticide residues in 4 different sample collection sites and 5 different samples classes

根據(jù)文件GB 2763-2016 對(duì)無(wú)公害果蔬安全要求，設(shè)定自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí)劃分。設(shè)定飽和度S 參數(shù)處于S≥122 為1 級(jí)無(wú)殘留，99≤S≤121為2 級(jí)安全，85≤S≤99 為3 級(jí)弱殘留，43≤S≤84 為4級(jí)強(qiáng)殘留，S≤42 為5 級(jí)危險(xiǎn)。使用氣相色譜法對(duì)同一樣品的農(nóng)藥殘留量進(jìn)行驗(yàn)證。

在此次檢測(cè)中，共有42 份樣品通過(guò)自助檢測(cè)結(jié)果可劃分為1~2 級(jí)的樣品。對(duì)1~2 級(jí)樣品，使用氣相色譜法檢測(cè)樣品中的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量值，其中40 份均小于國(guó)標(biāo)中對(duì)無(wú)公害果蔬安全要求中的農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)，僅2 份樣品中的百菌清達(dá)到2.08 mg/kg，略超過(guò)國(guó)標(biāo)中對(duì)百菌清≤2 mg/kg 的要求。 即在對(duì)符合國(guó)標(biāo)安全要求的農(nóng)藥殘留量的檢測(cè)上，此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)的正確率可達(dá)到95.23%。

自助檢測(cè)結(jié)果等級(jí)劃分為3~5 級(jí)的樣品共有58 份。使用氣相色譜法對(duì)此類(lèi)樣品做對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果顯示其中僅有5 份樣品符合國(guó)標(biāo)要求，其余53 份樣品的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量均遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)要求。即在對(duì)不符合國(guó)標(biāo)安全要求的農(nóng)藥殘留量的檢測(cè)上，此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)的正確率可達(dá)到91.37%。同時(shí)樣品自助檢測(cè)飽和度S 值變化也與氣相色譜法檢測(cè)結(jié)果較為吻合，飽和度越小的樣品，其氣相色譜法檢測(cè)的農(nóng)藥殘留情況也越嚴(yán)重。

綜上所述，此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)能夠?qū)Χ喾N果蔬的農(nóng)藥殘留情況作出快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。在對(duì)100份樣品檢測(cè)結(jié)果的5 級(jí)安全劃分中，1~2 級(jí)樣品符合國(guó)標(biāo)安全要求的準(zhǔn)確率達(dá)95.23%，3~5 級(jí)樣品不符合國(guó)標(biāo)安全要求的準(zhǔn)確率達(dá)91.37%，表明此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)目前農(nóng)作物農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法的弊端，通過(guò)結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)和圖像識(shí)別處理技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了基于酶抑制法的自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)。

1）自主研制到了便攜式自助農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自助式農(nóng)藥殘留試紙檢測(cè)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化。此設(shè)備中可設(shè)定洗脫液量、抑制時(shí)長(zhǎng)、抑制溫度等多項(xiàng)參數(shù)，使試紙檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2）通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自助式農(nóng)藥殘留試紙檢測(cè)過(guò)程的精細(xì)劃分。并通過(guò)對(duì)照氣相色譜法檢測(cè)結(jié)果和國(guó)標(biāo)，建立了自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)結(jié)果的5 級(jí)安全評(píng)分機(jī)制。

3）通過(guò)100 份樣品的檢測(cè)試驗(yàn)，將自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室色譜法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比國(guó)標(biāo)顯示，此安全等級(jí)劃分對(duì)符合安全要求的檢測(cè)準(zhǔn)確率為95.23%，對(duì)不符合安全要求的檢測(cè)準(zhǔn)確率為91.37%。

此自助式農(nóng)藥殘留檢測(cè)平臺(tái)具有體積小質(zhì)量輕、設(shè)備造價(jià)合理、操作流程簡(jiǎn)單、檢測(cè)耗材成本低廉、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可供普通民眾自助完成對(duì)果蔬等農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留情況的檢測(cè)。5 級(jí)農(nóng)藥殘留安全評(píng)分機(jī)制輸出結(jié)果簡(jiǎn)潔易懂，準(zhǔn)確率高，能夠有效保障民眾對(duì)于食品安全問(wèn)題的了解和監(jiān)督，從而為食品安全問(wèn)題尤其是農(nóng)作物農(nóng)藥殘留問(wèn)題的進(jìn)一步規(guī)范提供思路。