一種便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王東艷　童偉　林紫瑤　段超毅

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，人民生活水平提高，社會(huì)各界對(duì)食品安全的關(guān)注程度也有所提升，但現(xiàn)有農(nóng)藥殘毒檢測(cè)設(shè)備很難滿足當(dāng)前形勢(shì)下的檢測(cè)需求。于是文章首先對(duì)農(nóng)藥殘毒檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述，擬開(kāi)發(fā)新型便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)和儀器，明確了檢測(cè)原理和軟件、硬件組成，給未來(lái)階段檢測(cè)設(shè)備的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：便攜;農(nóng)藥殘毒檢測(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：R155.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0023-02

Abstract： With the economic growth and the improvement of people's living standards， the attention of all walks of life to food safety has also increased， but the existing pesticide residual testing equipment is difficult to meet the current situation of testing needs. In this paper， the application status and development trend of pesticide residue detection technology are described firstly， and a new portable pesticide residue detection system and instrument are proposed. The detection principle， software and hardware composition are defined， which provides reference for the development of detection equipment in the future.

Keywords： portability; pesticide residue detection; system design

1 農(nóng)藥殘毒檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，早在2010年，我國(guó)的農(nóng)藥年使用量就已突破了80萬(wàn)噸，居世界首位。以降低農(nóng)藥殘留對(duì)人體的危害為目標(biāo)，除了減少農(nóng)藥使用量外，同時(shí)還要加強(qiáng)食品中農(nóng)藥殘留的檢測(cè)能力及檢測(cè)力度。常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)設(shè)備都只能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，從獲取樣品，再到送至實(shí)驗(yàn)室，由專業(yè)的檢測(cè)人員應(yīng)用檢測(cè)儀器進(jìn)行化驗(yàn)，這一流程時(shí)間較長(zhǎng)、效率較低、空間跨度大，難以應(yīng)對(duì)當(dāng)前農(nóng)藥使用形勢(shì)，無(wú)法充分保障食品安全。現(xiàn)階段，市場(chǎng)上主要售賣(mài)及應(yīng)用的快速檢測(cè)設(shè)備，大多采用酶促反應(yīng)及免疫化學(xué)方法的原理，但這些方法使用起來(lái)反應(yīng)體系較為復(fù)雜，容易受到客觀因素及主觀因素影響，如外界溫度、反應(yīng)酶的活性、反應(yīng)介質(zhì)等，導(dǎo)致農(nóng)藥殘毒檢測(cè)的分析信號(hào)的可靠性不高[1]。

在當(dāng)前農(nóng)藥殘毒檢測(cè)的整個(gè)環(huán)節(jié)中，樣品的預(yù)處理工作應(yīng)遵循降低人為因素干擾的原則，盡可能降低外界因素導(dǎo)致的檢測(cè)誤差，同時(shí)要提升檢測(cè)設(shè)備的精度，最大程度上降低檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果誤差，盡可能避免樣品在轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的損失，提升回收率，同時(shí)努力推動(dòng)處理技術(shù)向自動(dòng)化、無(wú)害化、高效化、微量化及高效益方向發(fā)展。未來(lái)時(shí)期內(nèi)農(nóng)藥殘毒檢測(cè)樣品的預(yù)處理工作應(yīng)向快速、環(huán)保、智能、自動(dòng)化及精準(zhǔn)方向發(fā)展。將多殘留檢測(cè)技術(shù)及快速篩選檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)、高效、環(huán)保、智能化、自動(dòng)化的前處理技術(shù)進(jìn)行農(nóng)藥殘留檢測(cè)，提高檢測(cè)效率及精準(zhǔn)度，已成為農(nóng)藥殘毒檢測(cè)發(fā)展的大趨勢(shì)[2]。基于當(dāng)前現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，本文提出了一種便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，該方法應(yīng)用到光轉(zhuǎn)化-化學(xué)發(fā)光法的原理，同時(shí)在農(nóng)藥殘毒檢測(cè)中進(jìn)行試驗(yàn)。

2 基于光轉(zhuǎn)化-化學(xué)發(fā)光農(nóng)藥殘毒的檢測(cè)原理分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用化學(xué)原理檢測(cè)農(nóng)藥殘毒的方法層出不窮，如流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光技術(shù)被納入到檢測(cè)的理論研究中，但該技術(shù)的研究尚不成熟，一方面發(fā)光體系的表現(xiàn)不夠靈敏，需要應(yīng)用增敏劑提升靈敏度，同時(shí)還要避免外界雜質(zhì)干擾;且該方法應(yīng)用的試劑靈活性及重現(xiàn)性都需要進(jìn)一步提升。

通過(guò)分析氯代酚類物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有熒光劑并存時(shí)，農(nóng)殘物質(zhì)受到光輻照射后，熒光劑FL會(huì)吸收光子產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的FL，此后與水中的氧分子反應(yīng)可生成單線態(tài)氧，繼續(xù)作用下去會(huì)產(chǎn)生氧化物中間體，產(chǎn)出后的物質(zhì)與氧化劑NBS反應(yīng)在FL的共同作用下發(fā)出熒光。進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，多種農(nóng)藥在相同操作下皆可出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，尤其是有機(jī)磷農(nóng)藥及現(xiàn)階段國(guó)家命令禁止使用的有機(jī)氯農(nóng)藥，具體為甲拌磷、內(nèi)吸磷、對(duì)流磷、敵百蟲(chóng)、樂(lè)果、敵敵畏，以及狄氏劑、異狄氏劑、滴滴涕、氯丹等等。有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)入人體后，會(huì)降低乙酰膽堿酯酶活性，導(dǎo)致乙酰膽堿不能水解，引起中毒反應(yīng);有機(jī)氯農(nóng)藥在進(jìn)入人體血液循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的含氧化合物，侵害人體神經(jīng)及器官。二者對(duì)人體危害極大，因此要做好快速、可靠的檢測(cè)。

3 便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘毒檢測(cè)設(shè)備體積過(guò)大，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間、檢測(cè)周期長(zhǎng)，只能在研究所內(nèi)進(jìn)行，無(wú)法隨身攜帶。因此檢測(cè)的反應(yīng)需要在反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)用光化學(xué)、電化學(xué)檢測(cè)方法，能夠有效避免色譜型檢測(cè)及質(zhì)譜型檢測(cè)的缺陷，為后期微型、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的農(nóng)藥殘毒快速檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。計(jì)劃應(yīng)用較為成熟的微控流分析系統(tǒng)，將反應(yīng)過(guò)程集成在微型芯片上，將計(jì)算與測(cè)量控制繼續(xù)融合，提高檢測(cè)設(shè)備的智能化水平，以解決傳統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用中的不足。

目前將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行信息采集，應(yīng)用最廣泛的設(shè)備就是光電倍增管，是一種具有極高靈敏度、相應(yīng)速度的光探測(cè)儀器。能夠廣泛應(yīng)用于光子技術(shù)、微弱光探測(cè)、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)等測(cè)試需要的部件中，作為儀器的光信號(hào)收集裝置。在本文的設(shè)計(jì)中采用H9858系列帶有金屬封裝的光電倍增管及高壓電源供電電路的光電傳感模塊。金屬封裝光電倍增管的金屬封裝規(guī)格與半導(dǎo)體光電傳感器的TO-8型的封裝外殼規(guī)格一致，不僅能夠保持光電二極管的微型規(guī)格，還能夠提升動(dòng)態(tài)范圍及高速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置的電源有電路小、功耗低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

借助微電子技術(shù)的高速發(fā)展，便攜式農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。研制高精度、高性能、多功能的測(cè)量設(shè)備時(shí)，幾乎所有研究人員都有考慮使用微型處理器使檢測(cè)設(shè)備向智能化發(fā)展，其中在儀表制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的微處理器就是單片機(jī)。應(yīng)用單片機(jī)可在測(cè)量中將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，使測(cè)量?jī)x表轉(zhuǎn)向智能化設(shè)備，可以解決傳統(tǒng)儀表在檢測(cè)中的不足。此外還可對(duì)儀表電路進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化，提升儀表穩(wěn)定性，降低儀表生產(chǎn)成本，將更多的資源分配到新產(chǎn)品研發(fā)當(dāng)中。此類儀表的設(shè)計(jì)重點(diǎn)從模擬和邏輯電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為專用單片機(jī)模板、功能部件、接口電路及輸入輸出通道的設(shè)計(jì)，及集成電路的組合優(yōu)化、軟件開(kāi)發(fā)。此次設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為核心，如STC12C5410AD作為主控芯片，具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文在設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的串行時(shí)鐘電路芯片為DS1302，具有可傳輸串行數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在斷電的情況下，還具備可充電功能，其控制字節(jié)如表1所示。

系統(tǒng)主要軟件的程序框圖如圖2所示，在圖中可以看出，如果將采集的數(shù)據(jù)輸入至DS1302內(nèi)，那么需要控制字節(jié)的最高有效位不需要滿足邏輯1，不然不能輸入至DS1302內(nèi)。當(dāng)位6為邏輯0時(shí)，就代表存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為邏輯1時(shí)代表的是存取RAM數(shù)據(jù)。位5到位1顯示的是操作單元的地址;最低有效位如果為0則代表要寫(xiě)入，為1則代表要讀取，控制字節(jié)要維持從最低位開(kāi)始輸出的原則。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主體部分是系統(tǒng)監(jiān)控程序，主要對(duì)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)進(jìn)行初始化操作，此后在監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)鍵盤(pán)指示開(kāi)展工作。檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的是實(shí)現(xiàn)用戶能夠清晰、明確的了解檢測(cè)儀器的操作方法，因此在系統(tǒng)軟件編程中應(yīng)遵循大多數(shù)電子儀器軟件開(kāi)發(fā)的思路。

從圖2中可以看出，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的功能主要包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)存卡驅(qū)動(dòng)及分析主程序。主程序運(yùn)行時(shí)首先對(duì)CPU、觸摸屏、時(shí)鐘、存儲(chǔ)卡進(jìn)行初始化，之后再執(zhí)行和循環(huán)操作指令，同時(shí)再將數(shù)據(jù)分配到其他程序。

3.4 實(shí)物制作及調(diào)試結(jié)果分析

結(jié)合上述設(shè)計(jì)規(guī)格、技術(shù)，制造出了便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)設(shè)備，從外觀來(lái)看，檢測(cè)儀器體積小巧、重量適中，與傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器相比有巨大優(yōu)勢(shì)，且對(duì)檢測(cè)人員專業(yè)化程度要求不太高。測(cè)試了在種植期間施放敵百蟲(chóng)的芹菜，將處理好的樣品進(jìn)行分析，加入可以與農(nóng)藥反應(yīng)發(fā)光的試劑，經(jīng)過(guò)設(shè)備各環(huán)節(jié)信息處理最后顯示結(jié)果與專業(yè)設(shè)備測(cè)得結(jié)果一致。整體測(cè)試耗時(shí)3分鐘，與傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器2小時(shí)的檢測(cè)周期相比，時(shí)間縮短到1/40。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，本文介紹的便攜式農(nóng)藥殘毒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，符合當(dāng)前農(nóng)藥殘毒檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，文中從軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了系統(tǒng)邏輯、功能實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，縮小了設(shè)備體積，縮短了檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)能夠保證檢測(cè)精度，該系統(tǒng)有價(jià)值在檢測(cè)領(lǐng)域推廣及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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