◎ 毛 磊

（商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000）

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在食品安全，尤其是食品中重金屬的檢測領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。食品安全檢測需要對各種信息進(jìn)行分析處理和綜合評估，而這些數(shù)據(jù)都是來自多個傳感器采集到的，因此，如何快速有效地從海量傳感器得到大量可靠、準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，就成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。因為食品安全檢測的物質(zhì)較多，所以需要適應(yīng)多種傳感器來獲取相應(yīng)的信號特征。比如分光光度計、紅外光譜儀等，這類傳感器不僅能提供較為豐富的電信號，而且可以利用它們各自不同的特點(diǎn)獲得更高的靈敏度，從而使其能夠用于復(fù)雜環(huán)境下的安全監(jiān)測[1]。這些傳感器將待測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為電信號或圖像后通過光纖傳輸給計算機(jī)，并由計算機(jī)將所獲得的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號或者圖像顯示出來。

1 傳感器模塊在食品安全檢測當(dāng)中的應(yīng)用

食品安全檢測標(biāo)準(zhǔn)，是國家市場監(jiān)督管理總局制定的，主要包括食品中有毒有害物質(zhì)含量、食品衛(wèi)生要求等方面的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)。在檢測技術(shù)不斷升級以及對產(chǎn)品質(zhì)量日益重視的情況下，傳感器的研究也有了新的突破，一些新型器件如光纖傳感元件、紅外探測元件等出現(xiàn)，并被應(yīng)用于食品檢測領(lǐng)域。食品檢測中常見的食品安全事件發(fā)生頻率很高，要想提高食品檢測水平，就需要建立完善的食品檢測體系，為保障人們身體健康提供科學(xué)可靠的信息數(shù)據(jù)。相對于其他信號，電信號比較容易收集并且便于保存。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)某些不安全因素（如細(xì)菌）與食物之間存在某種聯(lián)系，從而達(dá)到預(yù)防或控制此類疾病發(fā)生的目的。因此，在食品安全檢測過程當(dāng)中，需要先將各種信息轉(zhuǎn)換成電信號以便獲取其特征量，然后再根據(jù)所取得的特征性量進(jìn)行相應(yīng)處理，以判斷是否含有該食品成分或危害程度。

1.1 分光光度計

在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程當(dāng)中，農(nóng)藥殘留是一種常見現(xiàn)象。有些品種的農(nóng)藥會自然降解到環(huán)境中，但也有一些農(nóng)藥可以通過微生物或其他生物代謝轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷類、氨基甲酸酯等有機(jī)污染物，進(jìn)而進(jìn)入人體，影響健康。基于此，利用分光光度計作為傳感器對蔬菜進(jìn)行檢測具有重要意義。采用分光光度計能夠?qū)⒂袡C(jī)磷類含量高、易分解的農(nóng)藥成分轉(zhuǎn)化成光信號，以方便快速地獲取農(nóng)藥信息，同時避免傳統(tǒng)檢測法復(fù)雜繁瑣的操作，使其易于實(shí)現(xiàn)自動化控制，并能有效提高工作效率。這樣在通過光敏傳感器組件將所采集到的熒光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，即可得到待測樣品。為了便于分析，還可對樣品進(jìn)行預(yù)處理。先利用光敏傳感器測量待測物與光敏膜之間的距離，從而得出相應(yīng)值；然后再根據(jù)該閾值來計算待測溶液的濃度。實(shí)驗結(jié)果表明，利用該方法測定農(nóng)藥殘留時，靈敏度較高（最高可達(dá)99.6%），且穩(wěn)定性好。

分光光度計利用光信號能量與被測物質(zhì)的吸收或發(fā)射之間存在著一定比例關(guān)系來確定被測物質(zhì)濃度。其基本工作原理是：利用光電效應(yīng)，通過激發(fā)光源發(fā)出光子，從而使熒光分子發(fā)生電離和發(fā)光；再將這些電離后產(chǎn)生的光脈沖轉(zhuǎn)化為電信號（即光電轉(zhuǎn)換）并輸出到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得所需要濃度值。分光光度法在分析化學(xué)中應(yīng)用很廣，如測定農(nóng)藥殘留、食品添加劑等。分光光度法指的是用不同波長光照射樣品，利用物質(zhì)對光吸收或反射后發(fā)生電離而產(chǎn)生熒光來測定其含量。具體來講，在分光光度計中，將不同波長的光連續(xù)照射到一定濃度的樣本溶液中時，會引起試樣分子之間和分子間的相互作用以及它們與樣品表面、界面上的作用所造成的變化，從而導(dǎo)致待測元素或化合物的光譜性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而可以得到被測成分含量的數(shù)據(jù)，這種方法稱為分光光度法，也稱為吸收光譜法。而紫外分光光度法則主要用于分析某些金屬離子的水溶液中的銅和鉻等重金屬，它的原理是通過吸收波長為380 nm~530 nm的紫外光輻射使樣品中的Cu離子（Cu2+）激發(fā)出電子發(fā)射出去，然后再由電子發(fā)射出來的能量進(jìn)行一系列反應(yīng)，從而獲得銅量和鉻量兩種信息，以實(shí)現(xiàn)定量測定的目的。可見光光度法是在分光光度計內(nèi)，把不同波長的光分別照在被測物質(zhì)的表面、界面或其他部位，待樣品吸收足夠多的紫外線并發(fā)出較高的頻率后，便可從這些區(qū)域放出可見光，從而獲取相應(yīng)的光譜信號，這種分析方法叫可見光光度法。總而言之，在食品安全檢測中，使用分光光度計就能夠快速準(zhǔn)確地確定食品中的各種化學(xué)物質(zhì)，包括農(nóng)藥殘留、重金屬含量、微生物毒素、致癌物等都有可能出現(xiàn)在樣品中。

1.2 生物傳感器

重金屬檢測是食品安全檢測中的一個重要方面，在我國，由于食品種類繁多、質(zhì)量不穩(wěn)定等原因，使得人們對食品重金屬含量有了一定程度的了解[2]。重金屬在人體的吸收作用是通過一系列化學(xué)反應(yīng)來完成的。其中，食物中銅、鋅、鎳等金屬離子與生物體內(nèi)的酶相互作用，可使蛋白質(zhì)變性或分解產(chǎn)生有毒的產(chǎn)物，從而影響機(jī)體正常生理功能。目前，使用生物傳感器來檢測食品中重金屬已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一，其原理就是利用不同形態(tài)的微生物所分泌出的代謝產(chǎn)物（包括代謝底物）對重金屬進(jìn)行測定，進(jìn)而達(dá)到控制其數(shù)量或者性質(zhì)的目的。因此，生物傳感技術(shù)也逐漸應(yīng)用到食品安全領(lǐng)域，特別是食品中重金屬的快速無損分析，對于保證食品生產(chǎn)過程的安全性、提高產(chǎn)品質(zhì)量有著非常大的意義。

常見的生物傳感器主要由換能器和識別元件兩部分組成。其中，換能器是將電信號轉(zhuǎn)化為聲波或超聲波等形式并傳送到信號發(fā)生器的部件，識別元件是用來檢測被探測物與目標(biāo)之間關(guān)系的器件。生物傳感器的優(yōu)勢體現(xiàn)在其對外界環(huán)境變化敏感、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長以及可實(shí)現(xiàn)低成本制造等方面，因而在食品檢驗領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。生物傳感器在對食品中重金屬及有毒物質(zhì)進(jìn)行檢測時，必須采用特殊材料制成，以保證檢測結(jié)果可靠。目前，常用的生物傳感器包括金屬離子檢測器（Cd Te）、電化學(xué)阻抗檢測儀（EPMA）、生物傳感式電極（PFC-Te）、生物熒光免疫分析儀（PFS-Te）以及其他一些新型生物傳感器。近年，生物傳感技術(shù)得到了很大發(fā)展，尤其是利用酶催化技術(shù)來測定食品中污染物濃度，使之更接近實(shí)際情況，從而取得更好的效果。

2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)在食品安全檢測當(dāng)中的體現(xiàn)

在食品安全檢測中，常用的數(shù)據(jù)融合方法有貝葉斯估計、D-S推理法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

貝葉斯方法：通過對已知樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來確定未知變量之間關(guān)系或判斷其是否為真實(shí)值，并將所獲得的信息作為證據(jù)使用，以證明被測對象存在缺陷。貝葉斯方法的工作過程是這樣的：首先，用貝葉斯定理把樣本空間劃分成若干個小區(qū)間（如一個區(qū)域），每個小區(qū)間都包含了某種特征；其次，根據(jù)這些特征建立模型，得到各個子模型與某一特定環(huán)境條件下某類產(chǎn)品的對應(yīng)關(guān)系；最后，運(yùn)用已有知識預(yù)測該環(huán)境下受影響產(chǎn)品數(shù)量以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)。貝葉斯分析具有簡單直觀的優(yōu)點(diǎn)，但由于它只能給出一定范圍內(nèi)的結(jié)果而不能描述實(shí)際情況，因此往往難以用于檢驗食品中有毒有害成分含量的準(zhǔn)確性。但是基于貝葉斯原理構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映被測物的化學(xué)組成和理化性質(zhì)，從而能更好地指導(dǎo)生產(chǎn)和檢驗工作。例如，在檢測醬油時，通過加入不同比例的醬油溶液，就可測定其中各種蛋白質(zhì)含量。這種計算方法稱為“加氮”法，即在計算醬油樣品中氨基酸總量時先扣除10%~15%的量，再按照加氮化合物的種類分別計算各組分的相對分子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)加氮濃度大于50%時，按5%添加醬油溶液，當(dāng)加氮量小于20%時，則直接從醬油中除去，不需要經(jīng)過進(jìn)一步處理，從而簡化了分析方法，提高了工作效率。在檢測蔬菜中農(nóng)藥殘留時，采用的也是基于貝葉斯法則構(gòu)建的模型，其基本思想是通過引入先驗知識和經(jīng)驗公式，得出有關(guān)試驗條件下農(nóng)藥殘留水平的估計值，進(jìn)而推斷農(nóng)藥的安全程度[4]。

D-S推理法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計推斷方法。它主要由以下3個步驟構(gòu)成：第1步：提取待估數(shù)據(jù)；第2步：構(gòu)造待估計數(shù)據(jù)集合；第3步：輸出預(yù)測值。D-S推理系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：①所有數(shù)據(jù)分布均符合正態(tài)分布，即當(dāng)兩個原始數(shù)據(jù)間的距離等于最小二乘擬合誤差平方根時才會出現(xiàn)最大方差現(xiàn)象。②每個采樣點(diǎn)都包含一個變量（或向量）。③樣本集之間存在著相互獨(dú)立且相同的線性組合結(jié)構(gòu)，因而可以使用自回歸函數(shù)來表示樣本空間上各條直線對未知信息進(jìn)行加權(quán)平均后所獲得的最優(yōu)解。④對于任意一條線性回歸方程而言，若將其設(shè)為正態(tài)（x）、負(fù)態(tài)（y）及混合狀態(tài)，則這3個分量之和就是該曲線對應(yīng)于各個已知值處的真實(shí)斜率等相關(guān)因素。⑤根據(jù)實(shí)際情況，可以設(shè)定一些約束條件，使這些約束得到滿足即可確定該式的解析形式。⑥利用上述方法建立起來的預(yù)測模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并已成功應(yīng)用到食品安全檢測過程當(dāng)中，如檢測牛肉中瘦肉精含量，測定蔬菜中氯氰菊酯殘留量等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品分析與檢驗領(lǐng)域，并且取得了較好的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于食品分析與檢驗，能夠準(zhǔn)確地評估樣品中各種成分的質(zhì)量特征，又能有效避免人工判斷帶來的偏差，減少人為錯誤以及誤判。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可用于食品加工過程中的在線控制與監(jiān)測，從而降低勞動強(qiáng)度，簡化工作流程，提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

食品安全檢測作為一項重要的工作，對保障人民群眾身體健康和生命安全有著不可替代的作用。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)食品中農(nóng)藥殘留等有毒物質(zhì)以及微生物等有害物含量信息的自動提取、分析與處理，提高檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從而達(dá)到全面保證食品質(zhì)量安全的目的[5]。對于在食品安全檢測過程當(dāng)中的常見檢測對象，分別利用壓電傳感器、分光光度計、生物傳感器等多種傳感設(shè)備來獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，通過計算機(jī)算法得到所需要的各種參數(shù)，并將這些參數(shù)按照一定比例轉(zhuǎn)化為電信號輸出到上位機(jī)進(jìn)行計算得出最終的檢測值，還能同時根據(jù)實(shí)際情況給出相應(yīng)的建議方案供現(xiàn)場人員參考使用，進(jìn)而確保整個食品安全檢測系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行，提升工作效率。由于是多傳感器組聯(lián)合使用，使得多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，且無需考慮傳感器之間相互干擾問題以及各傳感器間相互影響問題，因而非常適合作為食品中重金屬含量及污染狀況實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，應(yīng)用于食品安全監(jiān)管之中。