康 震, 丁 利, 程云輝, 朱穎越, 許 宙

(1.長沙理工大學(xué) 化學(xué)與食品工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.常熟理工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

0 引 言

常見的熒光發(fā)光材料遵循斯托克斯發(fā)光原理，材料被高能光激發(fā)，發(fā)射出低能光；而上轉(zhuǎn)換材料發(fā)光原理則相反，它是被低能光激發(fā)，發(fā)射出高能光，即吸收低能量的長波長紅外光子，發(fā)射出高能量的短波長可見光光子。使用上轉(zhuǎn)換材料作為檢測體系的發(fā)光材料，它具有發(fā)光性能穩(wěn)定，特征發(fā)射波長明顯，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

當(dāng)前已經(jīng)存在的便攜式食品安全檢測設(shè)備對于樣品中食品危害因子濃度信號的檢測和轉(zhuǎn)換主要采用酶聯(lián)免疫和電化學(xué)傳感方法。利用酶聯(lián)免疫方法存在耗時(shí)長，樣品中生物材料本底干擾等問題；而現(xiàn)有利用電化學(xué)傳感檢測方法的便攜式檢測設(shè)備，其檢測限低，滿足不了微量檢測的需求，穩(wěn)定性差，無法對樣品中食品危害因子的濃度進(jìn)行準(zhǔn)確定量檢測[2]。近年來，上轉(zhuǎn)換材料正在不斷應(yīng)用于食品安全(重金屬、食源性微生物、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、非食用物質(zhì)等)檢測領(lǐng)域。上轉(zhuǎn)換熒光快速檢測法與酶聯(lián)免疫和電化學(xué)傳感等快速檢測方法相比，生物材料本底熒光信號干擾小，檢測誤差低，穩(wěn)定性好，檢出限可高出1～2個(gè)數(shù)量級，能夠檢測多種食品危害因子，更適合應(yīng)用于食品安全快速定量檢測。

本文研制了基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)的便攜式食品安全檢測儀。通過信號檢測光路系統(tǒng)檢測上轉(zhuǎn)換材料受到激發(fā)后產(chǎn)生的發(fā)射光，并將發(fā)射光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后得到對應(yīng)的電壓值，根據(jù)單片機(jī)內(nèi)所預(yù)設(shè)食品危害因子濃度和電壓值的標(biāo)準(zhǔn)曲線來反演計(jì)算被測樣品中食品危害因子濃度，從而實(shí)現(xiàn)定量檢測。該檢測儀體積為300 mm×300 mm×180 mm，質(zhì)量為3.6 kg，成本低,內(nèi)置可充電鋰電池,無需交流電供電，符合小型化及便攜式的特點(diǎn)。

1 測量原理與系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 測量原理

上轉(zhuǎn)換納米材料(up-conversion nanoparticles，UCNPs)能夠在980nm波長低能光激發(fā)條件下，產(chǎn)生543 nm波長的特征發(fā)射光。當(dāng)在上轉(zhuǎn)換材料表面偶聯(lián)適配體(DNA單鏈)，組裝成為UCNPs-DNA1；在金納米材料(Gold Nanoparticles，AuNPs)表面偶聯(lián)DNA2，組裝成為AuNPs-DNA2。UCNPs-DNA1探針和功能化修飾的AuNPs-DNA2通過DNA的雜交反應(yīng)組裝在一起，形成熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，上轉(zhuǎn)換材料發(fā)生熒光淬滅，導(dǎo)致組裝體系熒光信號減弱[3]。

當(dāng)檢測體系中有目標(biāo)物存在時(shí)，偶聯(lián)適配體的上轉(zhuǎn)換材料會(huì)優(yōu)先和目標(biāo)物結(jié)合，導(dǎo)致AuNPs-DNA2無法和UCNPs-DNA1結(jié)合發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移。利用目標(biāo)物的濃度介導(dǎo)熒光共振能量轉(zhuǎn)移組裝體系產(chǎn)生特征發(fā)射光的熒光強(qiáng)度[4]。檢測儀的信號檢測光路采集不同濃度條件下產(chǎn)生的熒光信號，并將熒光信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號，信號處理電路對電壓信號進(jìn)行分析處理，建立目標(biāo)物濃度和發(fā)射光產(chǎn)生電壓值的線性關(guān)系。檢測儀根據(jù)檢測到待測樣品所產(chǎn)生發(fā)射光的電壓值，即可反演推算出目標(biāo)物的濃度值。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

整機(jī)系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心，主要由信號檢測光路系統(tǒng)和信號處理電路系統(tǒng)構(gòu)成。首先，通過紅外光激發(fā)器激發(fā)樣品池中的上轉(zhuǎn)換材料，其樣品池中上轉(zhuǎn)換納米材料會(huì)發(fā)出543 nm特定波長的發(fā)射光。然后該發(fā)射光依次經(jīng)過濾光片、透鏡和狹縫，將發(fā)射光進(jìn)行相應(yīng)處理得到光信號，再通過光電倍增管將該光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號[5]。最后，該電壓信號經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，將電信號輸入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字信號，根據(jù)單片機(jī)內(nèi)所預(yù)設(shè)電壓值和目標(biāo)物濃度值的擬合線性關(guān)系，單片機(jī)對檢測到的關(guān)于樣品濃度的電壓值進(jìn)行分析和處理，得到目標(biāo)物濃度，并在顯示屏上顯示[6]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號檢測光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 激發(fā)光源的選擇

由于上轉(zhuǎn)換材料所需激發(fā)光的波長為980 nm，本系統(tǒng)光源采用的是980 nm紅外光激發(fā)模組。其最大功率僅為1 W，工作電壓為12 V，易于與集成電路相匹配。激發(fā)光源的輸出波長為(980±5)nm, 單色性較好、性能穩(wěn)定。激發(fā)光源平均使用壽命超過1 000 h，價(jià)格低廉，非常適合小型化儀器。

2.1.2 信號檢測光路系統(tǒng)

濾光片、透鏡、狹縫和光電倍增管組成了信號檢測光路系統(tǒng)。樣品池中的上轉(zhuǎn)換材料經(jīng)過980 nm紅外光激發(fā)后產(chǎn)生543 nm波長的特征發(fā)射光，該發(fā)射光依次經(jīng)過濾光片、透鏡、狹縫和光電倍增管，發(fā)射光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號[7]。光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

濾光片的透過中心波長約為543 nm，濾光片使大部分偏離光源中心波長的光被過濾，保留波長在543 nm附近的綠色熒光信號。其透鏡為正膠合透鏡，將經(jīng)過濾光片發(fā)散的光線匯聚成平行光，消除色差。經(jīng)過透鏡的光信號進(jìn)一步通過狹縫，狹縫能夠調(diào)節(jié)光信號的純度和強(qiáng)度。經(jīng)過狹縫調(diào)節(jié)后的光信號被光電倍增管所接收，光電倍增管將接收的光信號經(jīng)過9級放大后轉(zhuǎn)換成模擬電信號，以電流的形式輸出，電流信號經(jīng)過并聯(lián)電阻器轉(zhuǎn)變成電壓信號[8]。

所有光路元件封裝在黑色的金屬外殼內(nèi)，其光信號傳輸過程在密閉黑暗的環(huán)境中完成，能夠避免受到外界自然光的干擾。

2.2 信號處理電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括運(yùn)算放大器、單片機(jī)、存儲(chǔ)單元、觸控屏、打印機(jī)以及WiFi模塊，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[9]如圖2所示。檢測儀內(nèi)置一個(gè)可充電鋰電池，為整個(gè)檢測儀供電，能夠連續(xù)工作12 h。人機(jī)交互采用一體式電容觸控屏完成儀器檢測數(shù)據(jù)顯示、儀器設(shè)置和數(shù)據(jù)保存處理等，避免了使用外部按鍵對硬件電路造成負(fù)擔(dān)。

圖2 電路系統(tǒng)框圖

2.2.1 信號采集與放大電路設(shè)計(jì)

信號采集與放大電路如圖3所示，光電倍增管輸出電流，并聯(lián)電阻器R6(100 Ω)將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。LMH6647是輸出電壓反饋放大器，其中輸入電阻器為R9(150 Ω)反饋電阻器為R11(4 700 Ω)，反向輸入比例運(yùn)算電路的比例常數(shù)為-R11/R9,則此運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)約為30倍，輸出電壓信號Vo在原有的輸入電壓信號Vi基礎(chǔ)上放大了30倍。輸出電壓信號通過引腳Lgt M將電壓信號傳送至單片機(jī)。

圖3 信號采集與放大模塊電路

2.2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本檢測儀選用STM32F103C8T6型芯片作為單片機(jī)，在其支配下，光電倍增管將電壓信號傳送至運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器將電壓信號放大，并傳送至單片機(jī)。單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊將該電壓信號以正比于發(fā)射光熒光強(qiáng)度信號的數(shù)字信號形式輸出，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，最終得到樣品中待測目標(biāo)物的濃度值。觸控屏控制檢測儀的使用。存儲(chǔ)單元用于保存檢測記錄，打印機(jī)即時(shí)打印檢測結(jié)果。WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)把檢測數(shù)據(jù)上傳至客戶端[10]。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測客戶端，檢測儀需要具有連接網(wǎng)絡(luò)通信的硬件模塊。WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)易得，連接穩(wěn)定，并且成本較低。WiFi模塊采用ESP8266直插在檢測儀電路板上實(shí)現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)功能，WiFi模塊通過串口獲取單片機(jī)傳送的檢測數(shù)據(jù)，并上傳至客戶端。

3 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件的設(shè)計(jì)采用C 語言編程，該軟件采用模塊化編程方法，主要包括以下函數(shù):

1)嵌入式主控程序主要控制儀器工作過程中的五大任務(wù)：信號采集、濃度計(jì)算、觸控顯示、數(shù)據(jù)打印、網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2)信號采集程序主要針對光電倍增管的后端信號采集過程。在濃度信號采集過程中選擇12位采集方式，并根據(jù)信號采集過程中的對應(yīng)轉(zhuǎn)換命令進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[11]。

3)濃度計(jì)算任務(wù)調(diào)用濃度模型函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行濃度計(jì)算任務(wù)時(shí)，調(diào)用關(guān)于該目標(biāo)物的濃度模型函數(shù)，并將采集到的數(shù)字信號代入到該函數(shù)，即可完成樣品中食品危害因子濃度計(jì)算過程。

4)觸控屏主要執(zhí)行顯示功能，輔助觸摸操作。觸摸屏通過串口通訊給單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)按照通訊協(xié)議接受指令，執(zhí)行相關(guān)操作，并將處理后的顯示數(shù)據(jù)傳送至觸控屏顯示。觸控顯示程序包括三部分功能，分別為系統(tǒng)設(shè)置、濃度檢測(切換檢測對象)和數(shù)據(jù)查詢。

5)單片機(jī)通過串口連接打印機(jī)，單片機(jī)和打印機(jī)同步波特率，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給打印機(jī)執(zhí)行打印任務(wù)。

6)基于TCP/IP以太網(wǎng)通信機(jī)制，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)連接和數(shù)據(jù)傳輸。通過WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，進(jìn)行目標(biāo)IP地址網(wǎng)關(guān)配置，傳送檢測數(shù)據(jù)[12]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在優(yōu)化檢測儀的光路和電路系統(tǒng)性能之后，開始驗(yàn)證整臺(tái)儀器的功能。首先在實(shí)驗(yàn)室條件下，將上轉(zhuǎn)換材料配制成10～100 mgn/L一系列濃度梯度的溶液，用熒光分光光度計(jì)測試不同濃度的上轉(zhuǎn)換材料的熒光強(qiáng)度值，發(fā)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換材料的濃度值和熒光強(qiáng)度值具有線性相關(guān)性。用本文設(shè)計(jì)的檢測儀測定同一系列濃度的上轉(zhuǎn)換材料，測得上轉(zhuǎn)換材料的濃度值和熒光信號所產(chǎn)生電壓值的線性關(guān)系如圖4所示。觀察到輸出的電壓值會(huì)隨著上轉(zhuǎn)換材料濃度的變化而有規(guī)律變化，其總體規(guī)律為發(fā)射光的電壓值會(huì)隨著上轉(zhuǎn)換材料的濃度增加而增加，表明光路和電路信號傳輸準(zhǔn)確可靠[13]。測試結(jié)果表明，本光電系統(tǒng)檢測熒光信號工作性能理想，可以滿足后續(xù)食品危害因子濃度檢測的需求[14]。

圖4 上轉(zhuǎn)換材料的濃度和電壓值的線性關(guān)系曲線

經(jīng)過試驗(yàn)測得檢測鎘標(biāo)準(zhǔn)樣品的線性范圍為0.05～20 μgn/L，其檢測限為0.02 μgn/L,其中國家對飲料中的鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)為3 μgn/L,本檢測儀的檢測限遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家的限量標(biāo)準(zhǔn)[15],可以用于樣品中重金屬鎘的檢測。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測儀在實(shí)際樣品檢測應(yīng)用中的精確性和實(shí)用性，對怡寶水樣品進(jìn)行了添加鎘標(biāo)準(zhǔn)品回收檢測實(shí)驗(yàn)。在怡寶水中添加不同濃度的重金屬鎘標(biāo)準(zhǔn)樣品，用本檢測儀檢測其濃度值，1 min后所得到的檢測結(jié)果如表1數(shù)據(jù)所示，其回收率在97.5 %～105 %之間，表明本檢測儀可用于對實(shí)際樣品中食品危害因子濃度的準(zhǔn)確定量檢測。

表1 含有重金屬鎘實(shí)際樣品的測定

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)的便攜式食品安全檢測儀?；谏限D(zhuǎn)換材料的發(fā)光技術(shù)原理和抗生物背景熒光干擾特性，設(shè)計(jì)了熒光信號檢測光路和信號處理電路檢測食品危害因子，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:本檢測儀靈敏度高，可達(dá)到10-9級定量檢測，10 s內(nèi)即可得到檢測結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測，檢測儀內(nèi)置鋰電池，可連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)云同步。政府檢測機(jī)關(guān)、中小型企業(yè)、第三方檢測機(jī)構(gòu)、農(nóng)貿(mào)市場和超市等均可應(yīng)用于食品安全快速檢測。