□楊兆智 丁福泉 劉雨鑫 張 猛 劉 智 侯麗新

一、引言

近年來，菜農(nóng)在蔬菜種植過程中為避免和防治病蟲害而使用超劑量的化學(xué)農(nóng)藥，導(dǎo)致果蔬中的農(nóng)藥殘留量越來越高，對人身健康影響重大。許多學(xué)者對食品安全問題關(guān)注度極高，并開展了大量的相關(guān)研究工作。因此，研制出農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)有著重要的意義。

果蔬農(nóng)藥殘留常用的檢測方法有化學(xué)快速檢測方法，色譜、質(zhì)譜及其聯(lián)用技術(shù)，酶活性抑制檢測方法?；瘜W(xué)快速檢測方法操作便捷、靈敏度高，但只能檢測一種農(nóng)藥的殘留。色譜、質(zhì)譜檢測方法測量精確度高，但存在操作復(fù)雜、檢測成本高、不適合現(xiàn)場檢測的缺點(diǎn)。酶抑制法是基于有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥對酶的抑制作用，依據(jù)抑制率與吸光度間的關(guān)系，建立一種具有成本低、操作簡單的快速檢測方法，在農(nóng)藥殘留檢測中廣泛應(yīng)用。

近年來，許多科研工作者依據(jù)酶抑制法搭建了農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)。裘正軍等人設(shè)計出農(nóng)藥殘留快速檢測系統(tǒng)，研究農(nóng)藥殘留與酶抑制率的關(guān)系，當(dāng)抑制率高于70%時可判斷為農(nóng)藥殘留超標(biāo)[1]。陳如清等人將化學(xué)發(fā)光法和光電檢測技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了微弱光信號檢測方案，能夠快速準(zhǔn)確地檢測農(nóng)藥殘留濃度[2]。楊現(xiàn)德等人基于酶抑制法設(shè)計了農(nóng)藥殘留快速檢測系統(tǒng)，通過嵌入式處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、輸出及打印[3]。目前研究主要集中在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如何將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地處理還需深入探討。本文采用LabVIEW虛擬儀器軟件，搭建一套虛實(shí)結(jié)合的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)總體框圖

檢測系統(tǒng)主要由光源、比色池、光敏傳感器、信號放大電路、濾波電路、信號轉(zhuǎn)換與采集電路等組成。首先，一定濃度的農(nóng)藥待測溶液與試劑在比色池中反應(yīng)，反應(yīng)后溶液的顏色、吸光度與農(nóng)藥殘留量有關(guān)。光敏傳感器用來接收透過比色池的光，透射光的強(qiáng)弱與農(nóng)藥殘留量相關(guān)。電信號經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后由采集卡進(jìn)行采集，再通過LabVIEW軟件分析出酶抑制率和吸光度的關(guān)系，由此判斷出農(nóng)藥殘留量是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

光電傳感部分包括發(fā)光二極管，比色池和光敏傳感器。選擇約400nm的發(fā)光二極管作為光源，省去精密的分光系統(tǒng)，可以提高光學(xué)部分的穩(wěn)定性。并考慮發(fā)光二極管的波長、光強(qiáng)、光功率，比色池的構(gòu)建及材料的選擇，光敏傳感器的光譜特性、轉(zhuǎn)換效率等。信號放大電路要考慮其放大倍數(shù)，輸入輸出電阻與前后級的匹配等，濾波電路考慮信噪比、帶寬等。數(shù)據(jù)采集部分通過NI USB6009采集卡獲得數(shù)據(jù)，利用LabVIEW得出樣品對酶水解反應(yīng)的抑制率和吸光度值關(guān)系，在LabVIEW的虛擬界面上保存顯示以便于觀察農(nóng)藥殘留量。

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計

(一)光電轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)入射光輻射時，光電探測器輸出光電流。能量為hv光子流為光功率P(t)，光電流I(t)為光生電荷Q的時變量，有

(1)

其中，η為探測器量子效率。光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了光→電流→電壓的轉(zhuǎn)換。

圖2 光電轉(zhuǎn)換電路 圖3 溫度傳感電路

(二)溫度傳感電路。溫度傳感器用于觀察比色池內(nèi)溫度，通過溫度來控制酶抑制程度。ATmega16微控制器用來與顯示屏連接，以便操作人員監(jiān)測池內(nèi)溫度。

(三)信號放大與濾波電路。為滿足采樣電壓要求，微弱電信號需經(jīng)過放大處理。將放大后的信號進(jìn)行濾波，將無用的波段濾除，將濾波電路置于放大電路后面，以免將微弱的有用信號濾除。

圖4 放大電路 圖5 濾波電路

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集卡將檢測到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，通過LabVIEW軟件設(shè)計數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可繪制出某一農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留量在一段時間內(nèi)的變化曲線，并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel。數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)打印，將采集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的存儲、打印、備份，以便于后期分析研究。農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)的操作頁面、數(shù)據(jù)分析圖和報表分析圖，可直觀呈現(xiàn)效果，并方便使用者操作。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面

五、結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于酶抑制法的農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)，利用LabVIEW開發(fā)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，對下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。檢測出來的結(jié)果能直觀地反映出農(nóng)藥殘留是否超標(biāo)。由于酶抑制法只能檢測氨基甲酸酯類和有機(jī)磷類農(nóng)藥，檢測對象具有局限性，希望此方法對研究其他農(nóng)藥檢測具有一定的參考價值。