基于LED的便攜式牛乳亞硝酸鹽含量檢測儀研究

郭文川 李思睿 楊 燁 董一鳴 張毛賽 朱新華

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

牛乳富含蛋白質、脂肪、乳糖、礦物質和維生素等多種營養成分，是人們攝取營養物質的重要來源[1]。為了防止牛乳變質，一些牛乳生產者常給牛乳中添加一定量的亞硝酸鹽。長期或過量食用亞硝酸鹽食品，會導致人體急性中毒、致癌，甚至死亡[2]。因此，我國農業行業標準[3]已經將亞硝酸鹽含量作為乳及乳制品的常規檢測項目之一，且規定液態乳中亞硝酸鹽質量濃度(以NaNO2計)不超過0.2 mg/L。

文獻[4]規定檢測乳品中亞硝酸鹽含量的方法有離子色譜法和分光光度法。馮偉科等[5]和顏琪等[6]利用離子色譜法測量了牛乳及其制品中的亞硝酸鹽含量，其檢測限分別為0.02 mg/kg和0.04 mg/kg。肖琴等[7]和苗攀登等[8]基于分光光度法測定了牛乳中的亞硝酸鹽含量，其檢測限分別為0.009 0 mg/L和76.43 ng/mL。這些結果說明，國家標準規定的方法在檢測亞硝酸鹽含量方面具有檢測靈敏度高、誤差小的優點，但其樣品前處理過程復雜、操作耗時，且所需儀器價格昂貴，尤其是離子色譜法，難以廣泛適應于現場檢測。

國內外學者也采用氣相色譜法[9]、高效液相色譜法[10-11]、熒光法[12-14]、化學發光法[15]、電化學法[16-18]、毛細管電泳法[19]等定量測定乳品中的亞硝酸鹽含量，雖取得了較好的研究成果，但氣相色譜法、高效液相色譜法、熒光法、化學發光法和毛細管電泳法仍存在著儀器體積大并且價格昂貴、前期樣品處理過程繁瑣、后期數據處理過程復雜等缺點；電化學檢測方法又存在傳感器的制備較為復雜、儀器昂貴的缺點。所以這些檢測方法不便于普及應用。因此，研發一種成本低、響應快且便于攜帶的牛乳中亞硝酸鹽含量檢測裝置對于保障乳品品質安全具有重要意義。

亞硝酸鹽在弱酸條件下會與對氨基苯磺酸發生重氮化反應，再與鹽酸萘乙二胺偶合后會形成紫紅色的偶氮化合物，且其顯色的程度與亞硝酸鹽的含量密切相關。基于此原理，本文設計一種便攜式牛乳中亞硝酸鹽含量檢測儀，并對檢測儀的性能進行驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品及制備方法

為了保證所用樣品具有良好的代表性，選擇以蛋白質質量濃度為3.2 g/mL的全脂滅菌乳(伊利牌)作為研究對象。所用樣品均購于當地超市。

采用NaNO2作為亞硝酸鹽，向97.5 mL的牛乳中加入2.5 mL質量濃度為200 mg/L的NaNO2溶液。混合均勻后，以0.08 mL的間隔移取混合液0～2 mL，隨后加牛乳定容至10 mL，并分4批制備得到亞硝酸鹽質量濃度為0～1 mg/L，間隔為0.04 mg/L的牛乳樣品共104份，定義為A批。按照上述的方法，制備亞硝酸鹽質量濃度為0～0.78 mg/L，間隔為0.02 mg/L的牛乳樣品160份(B批)，同時另配制亞硝酸鹽含量在此濃度范圍內隨機分布的牛乳樣品20份(C批)。其中，A批樣品用于提取檢測牛乳中亞硝酸鹽含量的特征波長，B批樣品用于建立和評估亞硝酸鹽含量定量檢測模型的性能，而C批樣品用于測試所開發檢測儀的性能。

每個樣品中首先加入2 mL質量濃度為4 g/L的對氨基苯磺酸鹽酸溶液，混勻后靜置3 min，然后再加入1 mL質量濃度為2 g/L的鹽酸萘乙二胺水溶液，混勻后靜置20 min進行試驗。整個試驗在室溫((23±1)℃)下進行。

1.2 特征波長提取

1.2.1可見漫反射光譜采集和光譜預處理

將A批中的每個樣品置于一平底的石英杯后，利用微型光譜儀(USB4000型，Ocean Optics公司，美國)采集A批各樣品的可見漫反射光譜。光譜掃描范圍380～780 nm，掃描3次，平滑度100；以在250～2 000 nm波長范圍內具有99%反射率的聚四氟乙烯的可見漫反射光譜作為參比光譜[20]。試驗過程中杯底至探頭的距離為7 mm。每個樣品重復測量3次，以3次重復的平均值作為測量結果。

由于儀器內部或測量環境因素的變化導致光譜儀在采集目標參數時存在噪聲，因此在建模前常需要對光譜進行預處理[21]。Savizky-Golay (SG)平滑算法是一種常用的光譜預處理方法，它是根據選定窗口的大小，在使窗口移動的過程中，對其內部光譜變量進行最小二乘擬合分析，從而達到去噪的目的。

1.2.2樣本劃分

將A批樣品中前3批樣本作為校正集，最后1批樣本作為預測集，即校正集與預測集比例為3∶1。

1.2.3特征波長選擇

提取特征波長是設計基于多光譜技術的便攜式檢測儀的先決條件[22]。本研究選擇常用的連續投影算法(Successive projections algorithm, SPA)提取特征波長。根據向量的投影分析，SPA從A批校正集內篩選出具有低冗余信息的光譜變量。由最小的校正均方根誤差(Root mean square error of calibration，RMSEC)確定最佳特征波長。SPA能最大限度降低光譜數據間的共線性，從而使建立的模型更為簡便、高效。

1.3 檢測儀硬件系統設計

圖1所示是檢測儀硬件系統示意圖。該檢測儀的硬件系統主要由微控制器模塊、光源模塊、光傳感器模塊、電源和輸入輸出模塊組成。微控制器模塊負責控制外圍設備，實現數據的采集與處理；光源模塊負責輸出光強穩定的特征波長；光傳感器模塊采集漫反射光信號，并將轉換后的數字信號傳輸至微控制器；輸入輸出模塊負責輸入工作指令，指引用戶完成操作并將檢測結果反饋至顯示屏；電源采用鋰電池，為系統各硬件提供穩定的電壓輸入。

1.3.1微控制器模塊

微控制器模塊由時鐘電路、復位電路、電源管理電路和降壓電路組成。本文以STC12C5A60S2為微控制器，時鐘采用11.059 2 MHz的石英晶振，復位電路使用按鍵復位方式。

以IP5306芯片管理電源。該芯片具有充放電一體、升壓轉換和電量指示的功能，其電路如圖2所示。在本設計中，IP5306的充電輸入端VIN與TYPE-C接口相連，可以為電源直接供電。升壓輸入端BAT與電源正極相連，輸出端VOUT負責向STC12C5A60S2芯片提供5 V的工作電壓。發光二極管(Light-emitting diode，LED)驅動端用來驅動5個LED，以便根據燈顯模式判斷電源的充放電狀態。結合按鍵輸入端KEY處的按鍵控制，整體電量顯示和升壓輸出可通過操作鍵操作實現。

圖1 檢測儀硬件系統示意圖Fig.1 Schematic of hardware system of detector

圖2 電源管理電路Fig.2 Power management circuit

在向微控制器的外圍設備提供電源輸出的前提下，使用AMS117芯片設計了一個5 V轉3.3 V的降壓電路，如圖3所示。該電路輸入端VIN和輸出端VOUT均并聯有100 nF和10 μF的電容，其作用是濾除直流電路中的高頻和低頻干擾信號。

圖3 降壓電路Fig.3 Buck circuit

1.3.2光源模塊

綜合比較不同類型光源的光強、功耗和體積等，選擇以LED作為光源。結合1.2節確定的特征波長，選擇469、500、546、628、665 nm的LED作為檢測光源，各LED的工作電流為100 mA。LED驅動電路由驅動器QX7136和采樣電阻組成，如圖4所示。將5 V作為QX7136的電源電壓，則LED電流ILED與RCS的關系為

(1)

式中ILED——LED電流，mA

VCS——采樣電壓，取50 mV

RCS——采樣電阻，Ω

根據LED工作電流可計算出RCS，本文取0.5 Ω。由于處理器需依次控制多個LED的恒流導通，因此將經采樣電阻后的電流設定腳CS與芯片地引腳GND同時連至微控制器Px口，進行高電平和低電平的轉換。

1.3.3光傳感器模塊

考慮到成本和精度的需求，選擇GY-30型數字光照傳感器檢測經牛乳樣品漫反射后的光照強度。該傳感器的光響應范圍為400～700 nm，內置16位A/D轉換器，輸入電壓為3～5 V，可通過I2C協議實現與微控制器的通信[23]。

1.3.4電源和輸入/輸出模塊

以604060型鋰電池作為該檢測儀的移動電源，容量為2 200 mA·h，供電電壓為3.7～4.2 V。本檢測儀設計了4個按鍵用于控制檢測儀電源的通斷、檢測電路的啟動、儀器校準和樣品檢測等功能。顯示器件為OLED 12864顯示屏，其與微控制器之間采用I2C協議通信。

1.4 檢測儀軟件設計

在Keil μVision4開發軟件環境中采用C51語言編寫檢測儀的軟件。該軟件主要包括主函數、按鍵子函數、光照度采集子函數、數據處理子函數以及顯示子函數等。主函數用于完成元器件的初始化和各子函數的協調運行；按鍵子函數根據用戶操作完成各模塊的功能調用；光照度采集子函數用于實現漫反射光照度的采集和數據的傳輸控制；數據處理子函數負責實現漫反射率的計算，以得到牛乳中亞硝酸鹽含量的測定值；顯示子函數實現將儀器的檢測結果輸出到顯示屏。

1.5 建模方法及評價指標

偏最小二乘回歸(Partial least squares regression, PLSR)是一種線性校正方法。該方法是在分解光譜矩陣X和濃度矩陣Y的基礎上，結合迭代分析確定隱變量集合，并利用它對Y實施線性回歸，從而求取X與Y的關聯預測模型的過程。PLSR可以有效避免變量多和樣本數少的問題，滿足單組分定量分析的可靠性需求。

本研究采用校正相關系數RC、校正均方根誤差(RMSEC)、預測相關系數RP、預測均方根誤差(RMSEP)及預測偏差比率(RPD)作為評估PLSR模型性能的指標。

2 結果與討論

2.1 特征波長確定

2.1.1光譜分析

圖5所示是經SG預處理后的A批104份牛乳樣本的漫反射光譜。由圖5可知，在380～780 nm的可見光譜范圍內，各樣品的漫反射率隨波長的變化規律基本一致。在460～660 nm之間，牛乳樣品出現吸收峰或反射峰，且隨著牛乳中亞硝酸鹽含量的增大，吸收峰更加突出。這說明，隨著亞硝酸鹽含量的增大，牛乳中的亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸鹽酸溶液和鹽酸萘乙二胺水溶液反應后的顏色更加明顯。

圖5 經SG預處理后牛乳樣本的可見漫反射光譜Fig.5 Visible diffuse reflectance spectra of milk samples after SG pretreatment

2.1.2特征波長提取

按3∶1的比例對A批中的牛乳樣品進行樣本劃分，則校正集中有78份樣品，預測集中有26份樣品。對校正集中的78份樣品應用SPA法提取對亞硝酸鹽含量的敏感特征波長。在提取特征波長時，將特征波長數的范圍設定為1～11，間隔為1，計算每個特征波長下的RMSEC，結果如圖6所示。由圖6可見，當特征波長數為10時，RMSEC達到最小值0.047 60 mg/L。少的波長數有助于降低儀器成本并減小儀器體積。由于波長數為8時的RMSEC與最小的RMSEC在0.05 mg/L的水平上沒有顯著差異，因此，將特征波長數確定為8。此時，所確定的特征波長為492.13、456.49、553.02、627.60、412.51、433.10、402.60、668.75 nm。

基于A批樣品的校正集所提取的特征波長建立預測A批牛乳樣品中亞硝酸鹽含量的PLSR模型，結果表明，RC和RMSEC分別為0.990和0.043 mg/L，RP和RMSEP分別為0.986和0.052 mg/L，RPD為5.838。可見，基于SPA法提取特征波長所建立的PLSR模型能夠很好地預測牛乳樣品中的亞硝酸鹽含量。

圖6 基于SPA提取的不同特征波長數計算的RMSECFig.6 Calculated RMSEC at different numbers of characteristic wavelengths selected by SPA

2.1.3檢測波長確定

由于實際LED都有一定的響應范圍，綜合考慮市場上LED的規格參數以及選擇的特征波長，最終確定以中心波長為469、500、546、628、665 nm的LED作為檢測光源。圖7為用USB4000微型光譜儀測量得到的5個LED的光響應譜。由圖7可知，每個LED都有良好的光響應特性。

圖7 所選擇LED燈的光響應譜Fig.7 Optical response spectra of selected LEDs

2.2 檢測儀設計

圖8a為所設計的牛乳中亞硝酸鹽含量檢測儀的原型機，其外殼采用3D打印技術制作。該儀器的尺寸為120 mm×90 mm×80 mm，總質量為340 g。為避免外部環境光干擾和內部光的泄漏，儀器頂部另置有遮光蓋。

圖8b為樣品池、光源和光傳感器的位置關系。其中樣品池為石英杯，5個LED均勻分布在石英杯的底部，且與水平方向呈45°夾角。

圖8 牛乳中亞硝酸鹽含量檢測儀的樣機以及樣品 池、光源和光傳感器的位置關系Fig.8 Prototype of nitrite content detector for milk and positions of sample cell, light source and light sensor 1、9.支撐座 2.樣品池 3.遮光蓋 4.顯示屏 5.電源鍵 6.啟動鍵 7.校準鍵 8.檢測鍵 10.石英杯 11.牛乳樣本 12.LED 13.光傳感器 14.托臺

為了克服外界環境對檢測結果的影響，在使用前以聚四氟乙烯作為參考白板對該檢測儀進行校正。測量時，首先依次按下電源鍵和啟動鍵，然后將參考白板放在傳感器頂部。接著按校準鍵，采集并保存傳感器所獲取的各個波長下白板的漫反射光照度IWi。隨后，向樣品池加入配制好的牛乳樣本，并將樣品池放于光源上部的測試位置。用遮光蓋蓋住樣品池，然后按下檢測鍵，記錄傳感器在各個波長下感知的牛乳樣本的漫反射光照度ISi。每份樣本重復測量3次，3次測量平均值作為該樣本的最終檢測結果。根據求樣品在各個波長下的漫反射率Ri，進而得到該樣品的漫反射多光譜R。式中i取1～5分別對應波長469、500、546、628、665 nm。

(2)

2.3 建模結果

利用檢測儀采集B批160個牛乳樣品的漫反射多光譜，將樣本按3∶1的比例劃分為校正集和預測集后，采用PLSR建立預測牛乳中亞硝酸鹽含量模型。在求得的建模結果中，RC和RMSEC分別為0.981和0.045 mg/L，RP和RMSEP分別為0.992和0.033 mg/L，而RPD為7.104，說明模型具有良好的定量預測能力。所構建的牛乳中亞硝酸鹽含量的PLSR模型為

y=0.099 4R1-1.408 9R2-2.422 5R3+ 1.280 5R4+1.695 5R5+0.566 8

(3)

式中y——亞硝酸鹽質量濃度，mg/L

基于所建立的PLSR模型編寫數據處理子函數，使得檢測儀能夠根據所獲得的漫反射率計算出牛乳中的亞硝酸鹽含量。

2.4 儀器穩定性測量

2.4.1漫反射率測量穩定性

為了驗證本檢測儀在測定樣本漫反射率過程中的穩定性，從C批樣品中任取亞硝酸鹽含量不同的牛乳樣本5份，對每個樣本重復測量10次，測量結果的變異系數如表1所示。由表1可知，各樣本的變異系數不大于1.35%，說明本檢測儀具有良好的穩定性。

表1 多次測量下不同亞硝酸鹽含量牛乳樣品漫 反射率的變異系數Tab.1 Coefficient of variation of diffuse reflectance of milk samples at different nitrite contents under multiple measurements

2.4.2亞硝酸鹽含量測量穩定性

另從C批中任取5份亞硝酸鹽含量不同的牛乳樣本，用于檢驗該檢測儀對亞硝酸鹽含量測量結果的穩定性。結果表明，牛乳樣本在10次測量中，隨著亞硝酸鹽含量的增大，變異系數迅速減小，對于任取的5份樣本，測量結果的變異系數范圍為0.63%～14.64%，平均值為4.26%。對于農業行業標準規定的0.2 mg/L最大允許殘留量下，此時變異系數為1.75%，說明儀器能夠穩定地檢測亞硝酸鹽含量。

2.5 亞硝酸鹽含量檢測精度驗證

利用C批配制的亞硝酸鹽質量濃度在0～0.78 mg/L范圍內的20份樣本對所設計的便攜式牛乳中亞硝酸鹽含量檢測儀的精度進行驗證，驗證結果如圖9所示。由圖9可知，測量結果緊密分布在45°線周圍，可見本儀器的亞硝酸鹽含量測定值與亞硝酸鹽含量實際值基本一致。

與亞硝酸鹽質量濃度實際值相比，該檢測儀絕對測量誤差為-0.13～0.07 mg/L，平均絕對誤差為0.03 mg/L。這說明本檢測儀能夠精確地檢測牛乳中的亞硝酸鹽含量。另外，對20份樣品檢測時間的統計結果表明，從按下“檢測”鍵到給出測量結果所用時間小于3 s。

圖9 亞硝酸鹽質量濃度儀器測定值與實際值比較Fig.9 Comparison of actual values of nitrite mass concentration with instrumental measurements

3 結論

(1) 基于亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸、鹽酸萘乙二胺反應變色的原理，設計了一種由微控制器模塊、光源模塊、光傳感器模塊、電源和輸入輸出模塊等硬件系統組成的便攜式亞硝酸鹽含量檢測儀。采用C51語言編寫檢測軟件。

(2) 利用SPA算法從380～780 nm的波長范圍內提取了對牛乳中亞硝酸鹽含量敏感的8個特征波長。綜合考慮成本、LED光譜響應范圍等，確定了以中心波長為469、500、546、628、665 nm的5個LED為檢測光源。

(3) 在0～0.78 mg/L的亞硝酸鹽質量濃度范圍內，該檢測儀檢測牛乳中亞硝酸鹽質量濃度絕對誤差為-0.13～0.07 mg/L，平均絕對誤差為0.03 mg/L。