劉麗華，岳瑩b，田波b，鄒世琦，房俊龍

（東北農(nóng)業(yè)大學a.電氣與信息學院；b.食品學院乳品科學教育部重點實驗室，哈爾濱150030）

基于光電測色法的牛乳體細胞快速檢測裝置設計

劉麗華a，岳瑩b，田波b，鄒世琦a，房俊龍a

（東北農(nóng)業(yè)大學a.電氣與信息學院；b.食品學院乳品科學教育部重點實驗室，哈爾濱150030）

基于酶反應原理和光電傳感器方法設計成易于應用的在線檢測裝置。將牛乳樣品與酶底物試劑混合反應后，放入檢查裝置中，光源照射待測樣品后反射到光電傳感器；檢測裝置完成信號處理性能，顯示顏色變化差值或者通過藍牙模塊存儲到智能設備上，然后根據(jù)體細胞數(shù)與顏色變化差值關系曲線推算出體細胞數(shù)，可以在5 min內完成牛乳樣品的體細胞檢測。驗證試驗表明，直接顯微法與本檢測方法之間，輸出結果的相關系數(shù)為0.9528，具有良好的一致性。結論：使用酶反應的檢查裝置是一種易于使用的方法，用于協(xié)助診斷牛奶中的乳房炎。

體細胞；光電轉換；酶反應；檢測裝置

0 引言

乳品行業(yè)體細胞的檢測方法很多，如威斯康辛乳腺炎檢測法、加利福尼亞乳房炎檢測法、顯微鏡計數(shù)法、流式細胞計數(shù)法等。首先以上方法都需要專業(yè)人員操作；其次加利福尼亞乳房炎檢測法和威斯康辛乳腺炎檢測法是估測牛乳混合物渾濁程度來估計體細胞數(shù)；顯微鏡計數(shù)法和流式細胞計數(shù)法的檢測結果更準確些，但是顯微鏡計數(shù)法只能單獨檢測一份樣品，耗時耗力；而以流式細胞計數(shù)法為基礎設計的檢測裝置成本高，使用流程繁瑣[1-4]。針對上述問題，本文設計基于光電測色法的快速檢測裝置，實現(xiàn)牛乳體細胞的快速檢測。系統(tǒng)主要利用酶反應原理和反射光的顏色變化差值來計算牛乳中的體細胞數(shù)。使用吡咯酯等試劑與牛乳反應后形成有色混合物,檢測裝置獲取照射混合物后反射光的顏色變化差值,根據(jù)顏色變化差值推算體細胞數(shù)。

1 系統(tǒng)原理

1.1酶反應原理

酶反應原理根據(jù)乳中粒細胞胞質內含有特異性酯酶可作用于底物酯，釋放出酚，酚又與重氮鹽發(fā)生反應形成紫色絡合物，根據(jù)乳的顏色變化速度可以進行體細胞數(shù)的判定[5]。

1.2電測色法原理

傳感器利用三色濾波器芯片，輸出VR、VG和VB電壓，轉化為R值、G值和B值表示反射光的顏色強度[6]。

1.3系統(tǒng)結構與工作過程

基于光電測色法的牛乳體細胞快速檢測裝置主要由樣品傳送部分、光電測色部分、補光照明部分、恒溫加熱部分等組成。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。其中，樣品傳送部分主要由步進電機和旋轉盤組成；光電測色部分由感光傳感器及處理器組成；補光照明部分由恒流源及條形光源組成；恒溫加熱部分由加熱器及控制電路組成。

圖1 牛乳體細胞快速檢測裝置結構

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。開啟電源后，對裝置進行預熱。約半小時后，儀器溫度達到37℃，預熱完成。將1 mL生乳樣品加入比色杯中，再加入1mL反應試劑，混勻，立即將裝有混合樣品的比色杯隨時放入檢測位。系統(tǒng)可最多放置20個比色杯，因此至多可檢測20個牛乳樣品樣。放置牛乳樣品樣后開啟檢測按鈕進行檢測，裝置對20個比色杯進行檢測，連續(xù)5 min采集樣品RGB顏色信息，采用G值斜率表示樣品顏色的變化，即用G值斜率表示顏色變化差值。以顏色變化差值為縱坐標，體細胞含量為橫坐標，繪制顏色變化差值－體細胞關系曲線。

圖2 牛乳體細胞快速檢測裝置工作流程

2 系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。以ATMEGA128單片機作為核心。其中，光電測色部分由色度傳感器、光源及驅動電路組成，光源在恒流源的驅動下產(chǎn)生穩(wěn)定可見光，色度傳感器TCS3404采集酯酶反應后的牛奶樣品信息后將結果通過藍牙模塊實時發(fā)送至PC或手機終端。恒溫加熱部分由恒溫功率驅動、加熱棒及溫度傳感器組成，ATMEGA128將DS18B20采集到的溫度值與設定值進行比較，通過恒溫功率驅動對加熱棒進行控制，使溫度恒定[7,8]。樣品傳送部分包括步進電機57BYG250H、步進電機驅動器THB7128以及旋轉編碼器E6B2-CWZ6C，ATMEGA128根據(jù)編碼器采集到的電機位置信號對電機進行閉環(huán)控制。輸入輸出接口包括鍵盤、顯示屏以及藍牙模塊，實現(xiàn)人機交互。

圖3 硬件結構

其中，ATmega128是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器。具有128K字節(jié)的系Flash、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、4路PWM、8通道10位ADC等。成本較低、穩(wěn)定性極高。

TCS3404是一種高分辨率的色度傳感器，芯片內部集成有光濾波器，且包含一組白光輸出，針對不同的光照條件均可提供自動的白平衡調節(jié)。內部包含ADC轉換，通過I2C與單片機連接。

THB7128是專業(yè)的兩相步進電機驅動芯片。它內部集成了細分、電流調節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實現(xiàn)高性能、多細分、大電流的驅動電路。適合驅動42、57型兩相、四相混合式步進電機。

2.2軟件程序設計

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

開啟電源后，系統(tǒng)進行初始化，單片機通過PWM控制恒溫功率驅動使加熱棒開始加熱，并根據(jù)18B20反饋的溫度進行調節(jié)。當溫度達到指定溫度時指示燈閃爍，此時加入試劑進行反應；經(jīng)過約5 min后，通過按鍵開啟光電測色。單片機開始接收色度傳感器信息，檢測完成后關閉光源，并將結果發(fā)送和顯示。裝置循環(huán)檢測20個檢測位，輸出當前位置的樣品的顏色變化差值。

3 試驗驗證

為驗證光電測色法的牛乳體細胞快速檢測裝置的可行性，設計樣機進行驗證試驗。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

樣品牛乳采自香坊區(qū)完達山奶源基地，所有采樣的奶牛先用過氧乙酸清洗乳頭，然后用毛巾擦干。棄掉前三把奶，開始接樣，將牛乳裝到50 mL的離心管中，立即放入有冰袋的保溫箱中，運回實驗室進行檢測[9-13]。檢測方法見1.3。

3.1試驗結果分析

根據(jù)檢測結果以色差為橫坐標，體細胞含量為縱坐標，繪制色差-體細胞關系曲線如圖5所示。

圖5 體細胞數(shù)與顏色變化差值關系曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出當色差小于1 000時，可初步確定體細胞數(shù)小于1×105mL-1；當色差在1 000 ～ 1 500之間，初步確定體細胞數(shù)在（1 ～7）×105mL-1。色差大于1 200，體細胞數(shù)大于3×105個/mL，此時牛乳中的體細胞數(shù)表明目前母?？赡芑加腥橄傺罪L險[14,15]。

3.2試驗結果驗證

隨機采集乳樣，同時采用酶法和顯微鏡法進行檢測，結果如表1所示。由驗證試驗結果可看出，酶法檢測結果與顯微鏡計數(shù)法檢測結果基本一致。經(jīng)回歸分析，得相關系數(shù)r2=0.9528，表示兩種方法具有良好的相關性。

4 結 論

本文設計基于光電測色法的牛乳體細胞快速檢測裝置，實現(xiàn)牛乳體細胞的快速檢測。通過試驗驗證得出以下結論：

表1 酶法與標準顯微鏡法檢測體細胞結果/（1×104mL-1）

（1）建立了可用于檢測牛乳體細胞的酶檢測法，并對酶法進行了方法的評價。

（2）驗證試驗說明了應用酶反應的檢測裝置的檢測結果與直接顯微鏡鏡檢法的檢測結果有很好的相關性。

（3）設計的牛乳體細胞快速檢測裝置檢測一個樣品需要5 min，每小時可檢測100個樣品，大量的縮短檢測時間，可用于在線檢測。為工廠或農(nóng)場提供了方便，與直接顯微鏡相比是很大進步，具有較好的實際應用價值。

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Design and test of the device for detecting somatic cell in raw milk based on photoelectric technology

LIU Li-huaa,YUE Yingb,TIAN Bob,ZOU Shi-qia,FANG Jun-longa
(Northeast Agricultural University a.Engineering College;b.Key Lab of Dairy Science,Ministry of Education,College of Food Science,Harbin 150030，China)

In this paper,using esterase test and optical sensor method is designed to be easy to use on-line detection device.First,the milk sample reacts reagent ester,placed into on-line detection device;second the optical sensor captures the reflection light form irradiating milk sample by the detection device;third,the detection device completes the signal processing performance,display light intensity or using Blue?tooth module store light intensity in the smart device,finally,according to SCC and light intensity relation curve to calculate SCC,and the detection device completes detecting SCC of the milk samples within the 5min.The results showed that the esterase test of detecting SCC is positive correlation with the direct microscopic method and showed that the correlation coefficient between the direct microscopic method and the esterase test was 0.9528.In conclusion,the detection device using esterase reaction is a kind of method is easy to use,to assist in the diagnosis of mastitis in milk.

somatic cell count(SCC);optical sensor;esterase test;detection device

TS252.1

A

1001-2230（2016）11-0021-03

2016-06-21

“十二五”國家科技支撐項目（2012BAD29B07）。

劉麗華(1980-)，女，博士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。

房俊龍