張冠文　曾成柱　劉日威

摘 要：光譜儀實現(xiàn)單色性的方法包括光柵分光、濾色片分光、棱鏡分光等，固態(tài)光源食品安全快速檢測儀直接從光源端實現(xiàn)單色性，因其功耗低、防潮、抗振動、光路簡單等特性而獲得廣泛應(yīng)用，該類儀器適合在生產(chǎn)基地、農(nóng)貿(mào)市場、超級市場等沒有完善實驗條件的基層單位普及。本文介紹了固態(tài)光源食品安全快速檢測儀的原理、儀器系統(tǒng)設(shè)計、光路設(shè)計、電路設(shè)計等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：食品安全快速檢測儀；固態(tài)光源；農(nóng)藥殘留檢測；甲醛檢測；二氧化硫檢測；亞硝酸鹽檢測；標(biāo)準(zhǔn)曲線；空白扣除

中圖分類號：TH744 文獻標(biāo)識碼：A

0.引言

《國家十三五規(guī)劃綱要》將食品安全列為國家戰(zhàn)略，近年光譜類食品安全快速檢測儀被廣泛使用，從單色性實現(xiàn)角度看，其種類包括光柵分光類、濾色片分光類、棱鏡分光類、固態(tài)光源類幾類。

固態(tài)光源類食品安全快速檢測儀直接從光源端實現(xiàn)單色性，無需額外分光器件，具有功耗低、防潮、抗振動、光路簡單等特性，已被不斷布局到全國的基層食品藥品監(jiān)管所、農(nóng)檢站、蔬菜生產(chǎn)基地、農(nóng)貿(mào)市場、超市、食堂等單位。

固態(tài)光源食品安全快速檢測儀的具體實現(xiàn)有不同的技術(shù)路線，研制可靠、易用、低成本，同時具有市場競爭力的儀器是具有挑戰(zhàn)性的課題，本文將進行一定范圍的探討。

1.儀器檢測原理

下文通過幾個檢測方法實例介紹儀器檢測原理。

（1）農(nóng)藥殘毒檢測基本原理

有機磷和氨基甲基酯類農(nóng)藥能抑制昆蟲中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中乙酰膽堿酶的活性，造成神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)乙酰膽堿的積累，影響正常傳導(dǎo)，使昆蟲中毒致死，根據(jù)這一昆蟲毒理學(xué)原理，用在對農(nóng)藥殘留的檢測中。加入反應(yīng)試劑后，用分光光度計于波長410nm處測定吸光值隨時間的變化值，計算出酶抑制率，判斷蔬菜中含有有機磷或氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘毒情況。即：

（2）甲醛檢測基本原理

基本原理是在過量銨鹽存在下，甲醛與乙酰丙酮生成黃色化合物，于414nm波長處進行分光光度測定，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

（a）吸取適量試樣于25mL具塞刻度管中，用水稀釋至標(biāo)線。加入2.5mL乙酰丙酮溶液，搖勻。于45℃～60℃水浴中加熱30min，取出冷卻。

（b）用10mL比色皿，在波長414nm處測量吸光度，減去空白試驗所測得的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出試樣中甲醛的含量。

（3）二氧化硫檢測基本原理

二氧化硫（亞硫酸鹽）與四氯汞鈉反應(yīng)生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，再與甲醛及鹽酸副玫瑰苯胺作用生成紫紅色絡(luò)合物，于波長550nm處測吸光度，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

（4）亞硝酸鹽與硝酸鹽檢測基本原理

試樣經(jīng)沉淀蛋白質(zhì)/除去脂肪后，在弱酸條件下亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸重氮化后，再與鹽酸萘乙二胺偶合形成紫紅色染料，于波長538nm處測吸光度，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

2.儀器系統(tǒng)設(shè)計

（1）確定儀器檢測對象需求

根據(jù)有毒有害物質(zhì)和食品添加劑的使用情況，確定儀器的檢測對象。農(nóng)藥殘毒：蔬菜、水果、糧食；甲醛：水發(fā)水產(chǎn)品；二氧化硫：蘑菇罐頭、竹筍、粉絲、食糖、干菜、蜜餞、湯料；亞硝酸鹽：腌制食品、肉制品等。

（2）確定儀器的設(shè)計指標(biāo)

光譜類食品安全快速檢測儀的國家計量檢定標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，現(xiàn)在可以作為儀器設(shè)計指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是地方標(biāo)準(zhǔn)，如廣東省計量院和中國廣州分析測試中心（廣東省測試分析研究所）制定的《JJG（粵）006-2005農(nóng)藥殘留快速檢測儀檢定規(guī)程》。

關(guān)鍵指標(biāo)包括：

測量精度：5%。

零點漂移：±0.5%/3min。

光電流漂移：±1.0%/3min。

透射比誤差：±2%。

透射比重復(fù)性：0.5%。

通道間誤差：1%。

（3）設(shè)計檢測流程

根據(jù)儀器檢測基本原理、檢測對象、最終用戶知識水平、儀器設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計檢測流程，如圖1所示。

（4）儀器測量內(nèi)部流程

基層用戶不能自行做復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，需要“一鍵測量”后直接輸出樣品檢測含量和實時打印原始記錄。

農(nóng)藥殘毒檢測測量的是吸光度的變化，儀器測量內(nèi)部流程包括對照測量、樣品測量、抑制率計算。

對照測量的吸光度變化計算如下，其中I0表示初始光強，It1表示時間t1時的光強，It2表示時間t2時的光強：

樣品測量的吸光度變化計算如下：

酶抑制率計算如下：

甲醛、二氧化硫、亞硝酸鹽等危害物的儀器測量內(nèi)部流程包括建立標(biāo)準(zhǔn)曲線、空白測量、樣品測量幾個步驟，詳見本文作者早期寫的《光譜類食品安全快速檢測儀空白扣除原理》一文。

（5）標(biāo)準(zhǔn)曲線

食品安全快檢沒有消解等復(fù)雜前處理，校準(zhǔn)曲線實際是標(biāo)準(zhǔn)曲線，建立此類標(biāo)準(zhǔn)曲線有幾個要點：標(biāo)準(zhǔn)曲線需要5個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點選取時最高吸光度不適宜超過1ABS，且待測物的國家限量值應(yīng)包含在數(shù)據(jù)點中；標(biāo)準(zhǔn)曲線截距與零做T檢驗后去除，包先金分析了標(biāo)準(zhǔn)曲線不去除截距時，樣品測量信號扣除空白后直接代人標(biāo)準(zhǔn)曲線計算會引起誤差；參與標(biāo)準(zhǔn)曲線計算的數(shù)據(jù)點和進行實際樣品含量計算的數(shù)據(jù)點均需要是扣除空白的純反應(yīng)信號。

3.光路設(shè)計

典型的光譜儀由5部分組成：

（1）穩(wěn)定的輻射源。

（2）選用限定波長區(qū)域的部件。

（3）透明的樣品容器。

（4）輻射檢測器或換能器。

（5）信號處理器和讀出裝置。

傳統(tǒng)的紫外-可見分光光度計，如國產(chǎn)72型、721型、751型、英國SP500、日本島津QV-50型，其工作原理可歸結(jié)為圖2。

固態(tài)光源食品安全快速檢測儀光路設(shè)計的目標(biāo)是取消單色器，達到如圖3所示效果，其技術(shù)關(guān)鍵是選用合適的LED光源。

食品安全快速檢測屬于分子光譜檢測，分子光譜的吸收峰通常達數(shù)十納米，例如農(nóng)殘檢測試液吸收峰半峰寬達60nm，亞硝酸鹽檢測試液吸收峰半峰寬達80nm。光譜儀用LED要求光譜寬度小于待檢測試液吸收峰且光強度足夠大。國內(nèi)某品牌的410nm（SF-5WTUV34）LED光譜寬度30nm，發(fā)光強度400毫燭光，半功率視覺±7.5度，能滿足要求，美國SET公司的LED產(chǎn)品性能更優(yōu)秀些。

4.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計涉及架構(gòu)體系的選擇問題，DSP處理器、x86處理器的編程和電路設(shè)計復(fù)雜度高，成本也高。C51系列單片機雖然易用、成本低，但已不適合功能越來越復(fù)雜的應(yīng)用，ARM系列單片機易用性和成本與C51系列接近，但運算處理能力提高了數(shù)十倍，在本應(yīng)用中較合適。電路系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示，通過CPLD芯片擴展了大量控制端口。

儀器人機界面部分，使用普通的液晶屏已經(jīng)落后于時代的需求，帶觸摸控制功能的真彩高分辨串口屏具有良好的競爭力。對于高端用戶，可以直接使用WIFI接口連接平板電腦用作人機界面。

2CU025作檢測器時的信號放大電路為零伏偏置電路，如圖5所示。這種電路線性好，輸出光電流大，噪聲低，信噪比高。

5.儀器性能

儀器性能檢定依照《JJG（粵）006-2005農(nóng)藥殘留快速檢測儀檢定規(guī)程》進行，比較關(guān)鍵的指標(biāo)如表1“透射比測量”和表2“穩(wěn)定度測量”所示，基本性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

結(jié)語

產(chǎn)品的研發(fā)首先要符合社會民生的需求，作為檢測儀器還需要符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)設(shè)計時考慮的是用最低的成本達到規(guī)定的技術(shù)性能，具體實現(xiàn)時需要用各技術(shù)領(lǐng)域主流的技術(shù)方案，這樣才有市場競爭力?；诒疚慕榻B技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在市場上獲得廣泛認可，文中存在不足之處，僅供同行交流研討。

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