一種便攜式農藥殘毒檢測系統的設計

王東艷　童偉　林紫瑤　段超毅

摘? 要：隨著經濟增長，人民生活水平提高，社會各界對食品安全的關注程度也有所提升，但現有農藥殘毒檢測設備很難滿足當前形勢下的檢測需求。于是文章首先對農藥殘毒檢測技術的應用現狀及發展趨勢進行闡述，擬開發新型便攜式農藥殘毒檢測系統和儀器，明確了檢測原理和軟件、硬件組成，給未來階段檢測設備的研制提供參考。

關鍵詞：便攜;農藥殘毒檢測;系統設計

中圖分類號：R155.5? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 農藥殘毒檢測技術的應用現狀及發展趨勢

據相關統計顯示，早在2010年，我國的農藥年使用量就已突破了80萬噸，居世界首位。以降低農藥殘留對人體的危害為目標，除了減少農藥使用量外，同時還要加強食品中農藥殘留的檢測能力及檢測力度。常規的檢測技術、檢測設備都只能實驗室內實現，從獲取樣品，再到送至實驗室，由專業的檢測人員應用檢測儀器進行化驗，這一流程時間較長、效率較低、空間跨度大，難以應對當前農藥使用形勢，無法充分保障食品安全。現階段，市場上主要售賣及應用的快速檢測設備，大多采用酶促反應及免疫化學方法的原理，但這些方法使用起來反應體系較為復雜，容易受到客觀因素及主觀因素影響，如外界溫度、反應酶的活性、反應介質等，導致農藥殘毒檢測的分析信號的可靠性不高[1]。

在當前農藥殘毒檢測的整個環節中，樣品的預處理工作應遵循降低人為因素干擾的原則，盡可能降低外界因素導致的檢測誤差，同時要提升檢測設備的精度，最大程度上降低檢測系統的結果誤差，盡可能避免樣品在轉移過程中出現的損失，提升回收率，同時努力推動處理技術向自動化、無害化、高效化、微量化及高效益方向發展。未來時期內農藥殘毒檢測樣品的預處理工作應向快速、環保、智能、自動化及精準方向發展。將多殘留檢測技術及快速篩選檢測技術，結合先進、高效、環保、智能化、自動化的前處理技術進行農藥殘留檢測，提高檢測效率及精準度，已成為農藥殘毒檢測發展的大趨勢[2]。基于當前現狀及發展趨勢，本文提出了一種便攜式農藥殘毒檢測系統的檢測方法，該方法應用到光轉化-化學發光法的原理，同時在農藥殘毒檢測中進行試驗。

2 基于光轉化-化學發光農藥殘毒的檢測原理分析

隨著科學技術的發展，應用化學原理檢測農藥殘毒的方法層出不窮，如流動注射化學發光技術被納入到檢測的理論研究中，但該技術的研究尚不成熟，一方面發光體系的表現不夠靈敏，需要應用增敏劑提升靈敏度，同時還要避免外界雜質干擾;且該方法應用的試劑靈活性及重現性都需要進一步提升。

通過分析氯代酚類物質發現，當有熒光劑并存時，農殘物質受到光輻照射后，熒光劑FL會吸收光子產生激發態的FL，此后與水中的氧分子反應可生成單線態氧，繼續作用下去會產生氧化物中間體，產出后的物質與氧化劑NBS反應在FL的共同作用下發出熒光。進一步研究后發現，多種農藥在相同操作下皆可出現發光現象，尤其是有機磷農藥及現階段國家命令禁止使用的有機氯農藥，具體為甲拌磷、內吸磷、對流磷、敵百蟲、樂果、敵敵畏，以及狄氏劑、異狄氏劑、滴滴涕、氯丹等等。有機磷農藥進入人體后，會降低乙酰膽堿酯酶活性，導致乙酰膽堿不能水解，引起中毒反應;有機氯農藥在進入人體血液循環中會產生不穩定的含氧化合物，侵害人體神經及器官。二者對人體危害極大，因此要做好快速、可靠的檢測。

3 便攜式農藥殘毒檢測系統的設計

3.1 系統整體設計

傳統的農藥殘毒檢測設備體積過大，反應機理復雜，反應時間、檢測周期長，只能在研究所內進行，無法隨身攜帶。因此檢測的反應需要在反應裝置內進行，應用光化學、電化學檢測方法，能夠有效避免色譜型檢測及質譜型檢測的缺陷，為后期微型、精準、穩定的農藥殘毒快速檢測奠定基礎。計劃應用較為成熟的微控流分析系統，將反應過程集成在微型芯片上，將計算與測量控制繼續融合，提高檢測設備的智能化水平，以解決傳統設備應用中的不足。

目前將光信號轉變為電信號進行信息采集，應用最廣泛的設備就是光電倍增管，是一種具有極高靈敏度、相應速度的光探測儀器。能夠廣泛應用于光子技術、微弱光探測、化學發光檢測等測試需要的部件中，作為儀器的光信號收集裝置。在本文的設計中采用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格與半導體光電傳感器的TO-8型的封裝外殼規格一致，不僅能夠保持光電二極管的微型規格，還能夠提升動態范圍及高速響應等優點。內置的電源有電路小、功耗低、質量輕等優點。

3.2 系統的硬件設計

借助微電子技術的高速發展，便攜式農藥殘留快速檢測得以實現。研制高精度、高性能、多功能的測量設備時，幾乎所有研究人員都有考慮使用微型處理器使檢測設備向智能化發展，其中在儀表制造領域應用最廣泛的微處理器就是單片機。應用單片機可在測量中將計算機技術與測量技術進行結合，使測量儀表轉向智能化設備，可以解決傳統儀表在檢測中的不足。此外還可對儀表電路進行精簡優化，提升儀表穩定性，降低儀表生產成本，將更多的資源分配到新產品研發當中。此類儀表的設計重點從模擬和邏輯電路的設計轉化為專用單片機模板、功能部件、接口電路及輸入輸出通道的設計，及集成電路的組合優化、軟件開發。此次設計的檢測系統以MSP430單片機作為核心，如STC12C5410AD作為主控芯片，具體的硬件結構如圖1所示。

本文在設計中應用到的串行時鐘電路芯片為DS1302，具有可傳輸串行數據的優點，同時在斷電的情況下，還具備可充電功能，其控制字節如表1所示。

系統主要軟件的程序框圖如圖2所示，在圖中可以看出，如果將采集的數據輸入至DS1302內，那么需要控制字節的最高有效位不需要滿足邏輯1，不然不能輸入至DS1302內。當位6為邏輯0時，就代表存取日歷時鐘數據，為邏輯1時代表的是存取RAM數據。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則代表要寫入，為1則代表要讀取，控制字節要維持從最低位開始輸出的原則。

3.3 系統軟件設計

系統軟件設計的主體部分是系統監控程序，主要對系統中各環節進行初始化操作，此后在監控系統根據鍵盤指示開展工作。檢測系統開發的目的是實現用戶能夠清晰、明確的了解檢測儀器的操作方法，因此在系統軟件編程中應遵循大多數電子儀器軟件開發的思路。

從圖2中可以看出，系統軟件設計的功能主要包括時鐘驅動、觸摸屏驅動、儲存卡驅動及分析主程序。主程序運行時首先對CPU、觸摸屏、時鐘、存儲卡進行初始化，之后再執行和循環操作指令，同時再將數據分配到其他程序。

3.4 實物制作及調試結果分析

結合上述設計規格、技術，制造出了便攜式農藥殘毒檢測設備，從外觀來看，檢測儀器體積小巧、重量適中，與傳統的檢測儀器相比有巨大優勢，且對檢測人員專業化程度要求不太高。測試了在種植期間施放敵百蟲的芹菜，將處理好的樣品進行分析，加入可以與農藥反應發光的試劑，經過設備各環節信息處理最后顯示結果與專業設備測得結果一致。整體測試耗時3分鐘，與傳統的檢測儀器2小時的檢測周期相比，時間縮短到1/40。

4 結束語

綜上，本文介紹的便攜式農藥殘毒檢測系統設計，符合當前農藥殘毒檢測的發展趨勢，文中從軟件設計、硬件設計兩個方面詳細介紹了系統邏輯、功能實現方法，對設備的試驗結果來看，縮小了設備體積，縮短了檢測時長，同時能夠保證檢測精度，該系統有價值在檢測領域推廣及應用。

參考文獻：

[1]張德勝.農產品中農藥殘留檢測技術及其發展趨向[J].鄉村科技，2017（26）：83-84.

[2]王琪，呂小蘭，王貴生.蔬菜中農藥殘留檢測前處理技術的研究進展[J].農業技術與裝備，2017（1）：47-48.

[3]魏巍，張寶華.農藥殘留檢測中樣品前處理技術[J].河南農業，2018（5）：53-53.