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一種便攜式農藥殘毒檢測系統的設計

2015年01月21日17:08:31 本網站 我要評論(2)字號:T | T | T

摘要:針對傳統農藥殘毒檢測設備價格昂貴、體積龐大以及檢測時間長的缺點,設計出一種基于光電轉換法的農藥殘毒快速檢測系統。該方法利用農藥在有熒光劑共存時,氯代酚溶液受到一定劑量的可見光輻照后,其中間產物可與某些氧化劑反應產生強烈的發光原理。該系統通過綜合運用化學發光原理、光電轉換技術和智能微處理器技術,對農藥和化學藥品反應產生的光信號進行濾波、優化和辨識,快速檢測出農副產品和環境中農藥殘毒的種類和殘留量。目前常用的氣相色譜、液相色譜等離線檢測技術相比,該系統具有檢測精度高、檢測速度快、操作簡便、便于攜帶等的特點。


關鍵詞:農藥殘毒;微型化與智能化;重復性與再現性;智能儀器
中圖分類號:TP216     文獻標志碼:A

1 引 言


隨著人們對食品安全問題的不斷關注,與人們日常生活息息相關的蔬菜瓜果的農藥殘毒檢測問題顯得至關重要。據有關部門統計顯示,2010年我國農藥年使用量突破80萬噸,居世界首位。控制農藥殘留對人體的危害,較有效的方法之一是加強對食品中農藥殘留檢測的力度。常規的檢測多數是將樣品送至實驗室,由檢驗人員利用專門儀器進行化驗檢測,費時費力效率低。目前,市場上在農藥殘毒快速檢測儀器普遍采用酶促反應或免疫化學方法,因反應體系復雜,易受環境溫度、酶的活性、介質和共存組分的影響,導致分析信號本身可靠性和重現性存在較嚴重不足;分析物的檢測往往采用色譜(電子俘獲和火焰光度)和質譜檢測器等,這給儀器的微型化帶來極大的困難[1-3]。而且現有的農藥殘毒快速檢測的方法僅限于條件較好的科研機構、政府主管和市場監督部門使用,并且經常發生人們對檢測結果質疑事件。


如今在化學殘留檢測的整個流程中,樣品預處理越來越注重于減少各種人為因素的干擾等偶然誤差及從提高設備的精確性等方面減少系統誤差,盡可能地避免樣品轉移的損失,提高回收率,同時處理技術向微量化、自動化、無毒化、快速化和低成本方向發展。未來農藥殘留量檢測的樣品預前處理技術的發展方向應該是盡可能地快速、精確、環保和高度自動化。采用多殘留檢測技術和快速篩選檢測技術,結合各種先進、高效、簡單、綠色和自動化的前處理技術檢測農藥殘留,已成為當今農藥殘留檢測發展的趨勢。因此本文提出了一種基于光轉化化學發光法的農藥殘毒檢測的方法,并試用于農藥殘毒檢測試驗中。該方法利用農藥在有熒光劑共存時,氯代酚溶液受到一定劑量的可見光輻照后,其中間產物可與某些氧化劑反應產生強烈的發光原理,對農藥和化學藥品反應產生的光信號進行濾波、優化和辨識,快速檢測出農副產品和環境中農藥殘毒的種類和殘留量,研制成一種高精度、便攜式的農藥殘毒檢測儀器。便于質監部門和用戶隨身攜帶,實現對瓜果、蔬菜或其它農副產品中農藥殘毒含量進行現場檢測。


2 基于光轉化-化學發光農藥殘毒檢測原理

近幾年,采用化學方法的方法來研究農藥殘毒的含量的技術越來越多,譬如將流動注射化學發光技術被引入農藥殘毒檢測的理論研究中,但目前這方面的工作仍處于理論探索階段,一方面是因為發光體系靈敏度不夠,需要尋找很好的增敏試劑來增加靈敏度,同時避免雜質干擾;而且試劑的固定化、重現性問題也是當前需要解決的關鍵問題。再例如一種衍生化化學發光方法,即“無試劑” 的光解化學發光法。該方法僅需紫外光照射即可完成衍生化過程,有較高的靈敏度,但是該方法紫外線的能量高,光解產物較為復雜,樣品中共存的其他組分也會降解產生類似的發光現象,目前尚未有文獻對其系統機理展開研究,是何種光解產物氧化發光也尚無定論,所以很難短時間內投入應用[4]。


本文通過分析氯代酚類物質時發現,在有熒光劑共存時,氯代酚溶液受到一定劑量的可見光輻照后,熒光劑FL吸收光子后產生激發態FL,再與水中的氧分子作用,通過能量轉移生成單線態氧,并進一步氧化有機分子triclosan產生過氧化物中間體。而該中間體與氧化劑NBS作用,在熒光劑FL存在下即產生化學發光現象,進一步研究發現多種農藥也有類似的化學發光反應,特別是有機磷農藥和目前已禁用的有機氯農藥,包括:有機磷類的甲拌磷、內吸磷、對硫磷、敵百蟲、樂果、敵敵畏;有機氯類的狄氏劑、異狄氏劑、滴滴涕、氯丹等。有機磷農藥經人體吸收后,主要抑制乙酰膽堿酯酶的活性,使乙酰膽堿不能水解,從而引起相應的中毒癥狀;有機氯農藥為脂溶性物質,其毒性機理一般認為進入血循環中產生不穩定的含氧化合物,侵犯神經和實質性器官。因此,運用該方法可對一系列的農藥進行快速檢測。


3 農藥殘毒檢測系統的設計

3.1 系統的總體設計

傳統的農藥殘毒檢測儀器的體積都很龐大、反應機理比較復雜,因此造成儀器檢測的時間長、且不易隨身攜帶。因為檢測反應必需在一定的反應器中進行,采用上述光化學和電化學檢測方法,可避免色譜(電子俘獲和火焰光度) 型和質譜檢型的缺陷,為我們研究更為微型、具有高靈敏度和穩定性的農藥殘毒快速檢測方法提供了可行性。現擬采用近年已較為成熟的微控流分析系統(TAS),整個反應過程被設計在一個微型芯片上完成。將計算機技術與測量控制技術結合在一起,使之成為智能儀表后能夠解決許多傳統儀器不能或不易解決的難題。


目前使用較多的是采用光電倍增管將微弱的光信號轉換成放大的電信號進行信息采集。它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。可廣泛應用于光子計數、極微弱光探測、化學發光、等儀器設備中。本作品中選用H9858系列具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器模塊。金屬封裝的光電倍增管的金屬封裝殼尺寸同半導體光電傳感器的TO-8型封裝殼的尺寸相同,在保持同光電二極管同樣小的尺寸的同時,具有高增益、大動態范圍和高速響應等有點。內置的高壓電源供電電路體積小,使得模塊便于使用。同以前的產品相比,功耗降低為原來的1/15,重量
為原來的2/3,這使得H9858系列產品成為便攜式農藥殘毒檢測儀的理想選擇。綜上所述,該系統總體設計方案框圖如圖1所示。整個系統由硬件和軟件組成,硬件部分主要包括傳感器及信號采集電路、單片機及其外圍電路、信號處理電路、數據顯示電路。軟件設計包括檢測儀的主界面設計、信號采集軟件設計、信號處理軟件設計、相關分析軟件設計、數據顯示軟件設計等部分。

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