專利名稱：一種便攜式農藥殘留檢測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種農藥檢測技術，是一種適合現場快速檢測有機磷和氨基甲酸酯農藥毒性的便攜式檢測儀器。
技術背景我國是農業大國，對農藥的需求量很大，農藥的廣泛應用對環境造成了嚴重的污染。由于農藥污染對人類造成的危險性，發達國家都實行果蔬出售前的農藥殘留的檢測，我國出口農副產品均需要進行農藥殘留檢測。無公害蔬菜和食品安全計劃的實施也需要有相應的現場快速檢測技術。
目前農藥殘留定量分析一般采用色譜分析法，使用實驗室的色譜分析儀，依靠專業技術人員完成分析工作。農藥殘留毒性的檢測一般使用乙酰膽堿酯酶分光光度法，根據農藥對酶活性的抑制率的程度測定農藥殘留的毒性，使用的儀器一般是分光光度計。從采樣、樣品預處理到分析結果需要數小時甚至一兩天時間，失去了現場測試以便及時檢查及控制的意義。
吸光光度法是基于物質對光的選擇性吸收而建立起來的一種分析法。在科學研究、環境監測及工農業生產的化學成分分析中有著廣泛的應用。基于這種方法構成的儀器，就是目前國內外廣為使用的分光光度計。目前國家和農業部標準方法中，就有基于光度法對農藥殘留進行定性分析的標準方法，作為色譜分析法的篩選分析技術。
如GB/T 18630-2002中使用的是植物酯酶體系顯色后進行光度分析；而NY/T 448-2001則是使用丁酰膽堿酯酶體系顯色后再進行光度分析。這些分析方法需要進行復雜的樣品預處理，并且需要使用恒溫裝置(恒溫至37℃)及分光光度計。設備體積龐大，需要220V供電。分析操作復雜，要經過取樣、顯色、測定、校正、計算等步驟，測定一個樣品一般需要1-2個小時。并要由專業技術人員完成，只適于在專業分析實驗室中使用。
目前國內也有一些專門用于農藥殘留檢測的商品化儀器，如目前應用較多的CL系列農藥殘留檢測儀(見“CL-1殘留農藥測定儀說明書”，上海電子光學研究所)。該檢測儀是基于乙酰膽堿酯酶體系的光度分析儀，與傳統光度計相比，簡化了操作，儀器的體積重量也有所減小。但由于仍然需要使用恒溫裝置和220V電源，所以依然無法滿足現場和野外快速分析的要求。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種能克服現有技術缺陷的一種便攜式農藥殘留檢測儀。該檢測儀適合現場快速檢測有機磷和氨基甲酸酯農藥毒性；該便攜式檢測儀具有結構簡單、體積小、使用方便、可以直接提示農藥殘留毒性程度，適于非專業人員現場快速測定，特別適合于現場快速篩選或半定量測定的需要。
本實用新型提供的一種便攜式農藥殘留檢測儀，包括單片機系統和光電檢測部分，便攜式直流電源為該檢測儀提供電能；單片機系統包括單片機、輸入裝置與顯示裝置、以及輔助電路，輔助電路中包括有溫度測量電路；其特征在于光電檢測部分由光源穩壓控制電路、單色光源、比色槽、光電傳感器和A/D轉換器構成；光源穩壓控制電路與單片機相連，控制單色光源產生單色光；單色光束穿過裝待測溶液的比色槽，照射到光電傳感器；光電傳感器將檢測到的光強值轉換成電壓值，傳送給A/D轉換器，A/D轉換器將電壓值轉換成數字信號輸入單片機中進行數據處理。
本實用新型針對農藥檢測技術的現狀，發明了一種現場快速檢測有機磷和氨基甲酸酯農藥毒性的改進方法和相應的便攜式檢測儀器。本檢測儀具有微型化、便攜式以及適于非專業人員的現場快速測定的特點，特別適合于現場快速篩選或半定量測定的需要。儀器結構簡單、體積小、使用方便、可以直接提示農藥殘留毒性程度。適用于果蔬批發市場、集貿市場、賓館、學校食堂等需要對果蔬殘留進行快速檢測的場合，儀器的分析方法采用國家標準分析方法——酶分析法，因而檢測結果與國家推薦標準方法具有可比性。
圖1為本實用新型的原理示意圖；圖2為儀器軟件的測量流程框圖。
具體實施方式
本便攜式檢測儀器包括單片機系統14和光電檢測部分15，采用電池作為它們的電源。單片機系統包括單片機1、鍵盤2與顯示屏16，以及輔助電路3等。輔助電路3包括實時時鐘4、非易失性數據存貯電路5、系統監控電路6、串行通訊電路7以及溫度測量電路8等。光電檢測部分15主要由光源穩壓控制電路9、單色光源10、比色槽11、光電傳感器12和A/D轉換器13構成。
單色光源10在光源穩壓控制電路9的控制下，產生單色光。單色光束穿過裝有待測溶液的比色槽11后，照射到光電傳感器12。光電傳感器12將檢測到的光強值轉換成電壓值，再傳送給A/D轉換器13轉換成數字信號輸入單片機系統中進行數據處理，進而計算得到所需K、Y等參數。同時，溫度測量電路8將測得的溫度值轉換成數字信號后送入單片機，實現溫度校正功能。
上述各部件均可采用現有技術加以實現，下面具體介紹單片機系統的數據處理方法。
在酶分析法中，吸光度值A是隨著時間t的推移不斷增加的。通過測量樣品的吸光度～時間曲線(簡稱A～t曲線)的斜率K值，可以計算出抑制率Y的Y＝Kt/K0×100％式中Kt是待測樣品在溫度T℃時的A～t曲線的斜率值，K0是不含農藥的空白對照樣品(簡稱空白樣)的A～t曲線的斜率值，Y為抑制率。抑制率的大小反應了毒性的大小，完全無毒時Y＝0％，樣品毒性越大，Y值越高。我們可以根據Y值判斷樣品上殘留農藥的毒性大小。一般認為Y＜20％時認為樣品是無毒的，當Y在20％～50％之間時，樣品為低毒，經過清洗等簡單處理后可食用。當Y＞50％時，則認定樣品農藥殘留量超標，不可食用。
傳統儀器在進行A～t曲線斜率的測量時，只測量了2個數據點。為了提高測量準確度，減少單次測量誤差對最終測量結果的影響，本儀器在測量開始后，由單片機控制，每隔時間t自動采集一個吸光度數據，共測量了n個數據點來計算A～t曲線的斜率值K。
假設進行A～t曲線測量，每隔t秒測量一個吸光度值A，測量n組數據，如表一所示時間t t1＝t t2＝2t … ti＝it … tn-1＝(n-1)t tn＝nt吸光度AA1A2… Ai… An-1An表一則線性回歸所得A～t曲線的斜率K為K=ΣtiAi-17ΣtiΣAiΣti2-17(Σti)2]]>式中的Ai＝-lg(Ii/I0)，I0為單色光的原始光強值，Ii為ti時測得的經樣品吸收后的透過光強值。傳統儀器都是通過測量I0、Ii，從而計算出Ai和K值的。
經我們推導，發現在酶動力學測量體系中，完全可以不用測量I0和Ai值。推導過程如下
K=nΣtiAi-ΣtiΣAinΣti2-(Σti)2]]>=nt(A1+2A2+3A3+···+nAn)-t(1+2+···+n)×(A1+A2+···+An)nt2(12+22+···+n2)-t2(1+2+···+n)2]]>=2(A1+2A2+3A3+···+nAn)-(n+1)×(A1+A2+···+An)2t(12+22+···+n2)-2tn(1+2+···+n)2]]>=2(A1+2A2+3A3+···+nAn)-(n+1)×(A1+A2+···+An)2t(12+22+···+n2)-2tn(1+2+···+n)2]]>=(1-n)A1+(3-n)A2+···+(2i-n-1)Ai+···+(n-3)An-1+(n-1)An2t(12+22+···+n2)-2tn(1+2+···+n)2]]>=(1-n)A1+(3-n)A2+···+(2i-n-1)Ai+···+(n-3)An-1+(n-1)An2t×n(n+1)(2n+1)6-2tn×[n(n+1)2]2]]>=(1-n)A1+(3-n)A2+···+(2i-n-1)Ai+···+(n-3)An-1+(n-1)Antn(n2-1)×6]]>當n為奇數時K=-(n-1)A1-(n-3)A2+···-2A(n-1)/2+0+2A(n+3)/2······+(n-3)An-1+(n-1)Antn(n2-1)×6]]>=(n-1)(An-A1)+(n-3)(An-1-A2)+···+2(A(n+3)/2-A(n-1)/2)tn(n2-1)×6]]>=(n-1)lg(I0In·I1I0)+(n-3)lg(I0In-1·I2I0)+···+2lg(I0I(n+3)/2·I(n-1)/2I0)tn(n2-1)×6]]>=(n-1)lg(I1In)+(n-3)lg(I2In-1)+···+2lg(I(n-1)/2I(n+3)/2)tn(n2-1)×6]]>當n為偶數時
K=-(n-1)A1-(n-3)A2+···-An/2+A(n+2)/2······+(n-3)An-1+(n-1)Antn(n2-1)×6]]>=(n-1)(An-A1)+(n-3)(An-1-A2)+···+(A(n/2-A(n+2)/2)tn(n2-1)×6]]>=(n-1)lg(I0In·I1I0)+(n-3)lg(I0In-1·I2I0)+···+lg(I0I(n+2)/2·In/2I0)tn(n2-1)×6]]>=(n-1)lg(I1In)+(n-3)lg(I2In-1)+···+lg(In/2I(n+2)/2)tn(n2-1)×6]]>由此公式的推導結果可以看出，K值的求取可以不需要使用原始光強I0值，也不需要計算A值。在光源具有穩定性的前提下(通過儀器硬件的穩壓與監控電路實現)，原始光強I0對測量結果不會有影響，這樣就簡化了測量步驟，只用測出空白樣品和實際樣品溶液的透過光強I1-In，通過改進后的公式計算出K0和Kt，最后得出抑制率Y值。這樣即簡化了計算，又避免了因I0的測量誤差而引起的最終測量結果的偏差，減少了誤差來源。
酶動力學分析體系，溫度是十分重要的影響因素。酶的活性容易受到溫度的影響，酶的活性在不同溫度下是不相同的。傳統的酶分析方法為了避免這種影響，需要在37℃恒溫條件下進行測量。常用的恒溫系統(如恒溫槽等)笨重龐大，功耗也大，即不適于現場快速分析，也使得分析操作過程變得復雜煩瑣。
我們通過大量實驗，最終確定了酶的活性與環境溫度的關系表達式，并將此用于本儀器中，實現了溫度校正功能。
本實用新型中，在20℃～40℃溫度范圍內，37℃時的抑制率Y37可以通過下式計算得出Y37＝YT+0.01112×(37-T)式中，T為測量時的環境溫度，YT為環境溫度下測得的抑制率。
通過溫度校正功能，實現了將環境溫度(20℃～40℃)下的抑制率測量值校正到37℃下的標準抑制率值，從而省去了傳統方法中笨重的恒溫系統。既大大簡化了操作，又使農藥殘留的現場快速檢測成為可能。
下面我們以n＝7，t＝30秒為例加以進一步說明。
儀器每隔30s自動采集一個吸光度數據，3min后共測量了7個數據點來計算A～t曲線的斜率值K。
假設A～t曲線測量的數據如表二時間tt1t2t3t4t5t6t7吸光度A A1A2A3A4A5A6A7表二則線性回歸所得A～t曲線的斜率K為K=ΣtiAi-17ΣtiΣAiΣti2-17(Σti)2]]>式中的Ai＝-lg(Ii/I0)，I0為單色光的原始光強值，Ii為ti時測得的經樣品吸收后的透過光強值。傳統儀器都是通過測量I0、Ii，從而計算出Ai和K值的。
經我們推導，發現在酶動力學測量體系中，完全可以不用測量I0和Ai值K=ΣtiAi-17ΣtiΣAiΣti2-17(Σti)2]]>=(A1+2A2+3A3+4A4+5A5+6A6+7A7)-17(1+2+···+7)×(A1+A2+···+A7)(12+22+···+72)-17(1+2+···+7)2]]>=3(A7-A1)+2(A6-A2)+(A5-A3)28]]>=3lg(I0I7·I1I0)+2lg(I0I6·I2I0)+lg(I0I5·I3I0)28]]>=3lg(I1I7)+2lg(I2I6)+lg(I3I5)28]]>表三列出了一組不同濃度的樣品分別在28℃和37℃水浴恒溫下抑制率Y的實測值。從表中可以看出，28℃的測量值Y28經溫度校正后所得到的Y37與37℃水浴恒溫下測得的斜率值Ystd具相似性。大量重復實驗結果表明，校正后的測量結果可以達到測量要求，其測量值與國家標準方法的結果具有可比性。
表三下面我們列舉一個實例為本實用新型作進一步的說明。
我們以特定波長的發光二級管(LED)做光源，代替現有實驗室分光光度計的通用光源和單色器；以高集成度的半導體光電檢測器(如TSL235)，代替現有實驗室分光光度計的光電池、光電倍增管；以電池做電源，代替現有實驗室分光光度計的220V交流電源，以及低功耗技術的運用，從而實現儀器的微型化、便攜式。同時以單片機(如AT89C55)為核心，配以算法和測量方式上的改進，實現了儀器的現場快速測量能力。
此外，儀器上還配備了實時時鐘芯片(如DS1302)、非易失性存貯器(如24LC64)、1-wire溫度傳感器(如DS1820)以及RS-232串行接口芯片(如MAX3233)，從而實現了數據存貯、溫度測量、PC機通訊及串行打印等功能，方便了用戶的使用。
儀器軟件由國外最流行的Keil C51編寫。整個軟件可分為數據采集與處理、數據測量與校正、人機對話界面以及包括漢顯、時鐘、監控、通信在內的多種操作功能模塊。以單片微型計算機為核心的信號變換、信號處理、分析運算、顯示及其系統操作、管理與監控等儀器的硬件體系和包括數據采集、校正、測量、計算、顯示、數據存儲等計算機軟件。具有濃度直讀、報警、數據存儲等功能。
儀器的使用方法(1)取待測物適量，用提取液浸泡后，在浸泡液中加入試劑進行顯色，等待測量。
(2)放入不含農藥的空白對照樣品，儀器將測量和計算空白A～t曲線的斜率值K0；(3)放入待測樣品，儀器將測量和計算當前溫度T℃時的A～t曲線的斜率值Kt；(4)儀器利用公式YT＝Kt/K0×100％，計算在溫度T℃時的抑制率YT；然后根據測得的當前溫度值T，利用公式Y37＝YT+0.01112×(37-T)進行校正，求得37℃下的標準抑制率值Y37；根據Y37的大小判斷毒性大小，并推算出農藥的殘留量。通常按照表四的標準判斷農藥的殘留量。
利用乙酰膽堿酯酶體系進行毒性測量時，一般認為在37℃時測得的抑制率Y37大于50％為毒性超標。毒性等級和抑制率Y37之間的關系如下表四抑制率和毒性等級的關系抑制率Y37毒性等級＜20％ 安全20％～50％ 低毒＞50％ 高毒在37℃條件下測量，抑制率Y＜20％時為安全，可以放心食用；抑制率Y在20％～50％之間時為低毒。低毒果蔬應使用大量的水沖洗，確定無毒后食用。抑制率Y＞50％時為高毒，農藥殘留毒性超標，不能食用。
表五列出了使用傳統分光光度計(以722型光度計為例)、現有的商品化分析儀(以CL-1農殘檢測儀為例)和本項目儀器的主要功能對比。(參見國家環保局，水和廢水監測分析方法(第三版)，北京，中國環境科學出版社)
表五幾種農藥殘留分析方法對比
權利要求1.一種便攜式農藥殘留檢測儀，包括單片機系統(14)和光電檢測部分(15)，便攜式直流電源為該檢測儀提供電能；單片機系統(14)包括單片機(1)、輸入裝置(2)與顯示裝置(16)、以及輔助電路(3)，輔助電路(3)中包括有溫度測量電路(8)；其特征在于光電檢測部分(15)由光源穩壓控制電路(9)、單色光源(10)、比色槽(11)、光電傳感器(12)和A/D轉換器(13)構成；光源穩壓控制電路(9)與單片機(1)相連，控制單色光源(10)產生單色光；單色光束穿過裝待測溶液的比色槽(11)，照射到光電傳感器(12)；光電傳感器(12)將檢測到的光強值轉換成電壓值，傳送給A/D轉換器(13)，A/D轉換器(13)將電壓值轉換成數字信號輸入單片機(1)中進行數據處理。
專利摘要本實用新型公開了一種便攜式農藥殘留檢測儀，包括單片機、輸入裝置與顯示裝置、以及輔助電路構成的單片機系統，輔助電路中包括有溫度測量電路；以及由光源穩壓控制電路、單色光源、比色槽、光電傳感器和A/D轉換器構成的光電檢測部分。單色光源在光源穩壓控制電路的控制下，產生單色光；單色光束穿過裝有待測溶液的比色槽，照射到光電傳感器；光電傳感器將檢測到的光強值轉換成電壓值，再傳送給A/D轉換器轉換成數字信號輸入單片機系統中進行數據處理，溫度測量電路將測得的溫度值轉換成數字信號后送入單片機，進行溫度校正。本檢測儀特別適合于現場快速篩選或半定量測定的需要。結構簡單、體積小、使用方便、可以直接提示農藥殘留毒性程度。
文檔編號G01N21/25GK2697641SQ20032011597
公開日2005年5月4日 申請日期2003年11月20日 優先權日2003年11月20日
發明者陸曉華, 陳光東, 楊海, 金偉, 段三丁 申請人:華中科技大學