用于有机磷农残快速检测的便携式气相色谱仪的设计与实验

张南南　吴志会　孔德义

(1.中国科学院合肥智能机械研究所传感技术联合国家重点实验室，合肥 230031；2.中国科学技术大学，信息科学技术学院自动化系，合肥 230026；3.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥 230011))

用于有机磷农残快速检测的便携式气相色谱仪的设计与实验

张南南1,2吴志会1,3孔德义1

(1.中国科学院合肥智能机械研究所传感技术联合国家重点实验室，合肥 230031；2.中国科学技术大学，信息科学技术学院自动化系，合肥 230026；3.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥 230011))

摘要：针对有机磷农残快速检测需求提出一种便携式气相色谱仪的结构化设计方案，对仪器结构按功能分解成各个模块，每个模块均采用独立系统控制，使得各模块间没有耦合，并由主控制板统一调度处理。各模块相互协作，共同完成仪器的基本分析功能。仪器的模块支持动态加载，使后期维护更加方便、高效。经实验初步验证，该设计模块可以满足常用有机磷农残的快速检测要求。

关键词：便携式气相色谱有机磷结构化设计

1引言

近年来，随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对食品安全的关注越来越密切，我国对不合格食品的打击力度也在不断加强，对食品农药残留的现场快速分析的需求愈发迫切。目前，在常见的农药中，有机磷农药占很大一部分，包括：敌敌畏、敌百虫、乐果、甲胺磷等。在诸多分析仪器中，气相色谱仪由于其测量范围广、选择性强、灵敏度高等特点而被广泛地使用。传统的气相色谱仪体积大、分析时间长，无法在现场快速检测中发挥作用；而便携式气相色谱体积小、重量轻、结构简单，具有很高的灵活性，所以在应对突发性食品安全事件中正发挥越来越重要的作用。

便携式气相色谱仪是将传统意义上的气相色谱仪微型化、便携化。Standford大学的研究人员最早使用半导体芯片生产工艺制造出两个关键元件—进样器和检测器,1977年，Photovac公司推出了世界上第一台便携式气相色谱仪[1]。之后随着现代微加工技术的不断丰富，新型的色谱元器件也在不断提高集成度，而高效毛细管柱的广泛使用和现代电子计算机技术的快速发展，都为便携式气相色谱提供了强有力的支持。目前，国外的便携式气相色谱仪主要以美国品牌为主，如美国安捷伦公司的Agilent 3000便携式气相色谱仪，INFCON公司的CMS 1000便携式气相色谱仪[2]。国内，北京东西分析仪器公司也推出了自己的GC-4400便携式色谱仪[3]，而上海精科仪器公司和大连化物所也有相应的便携式气相色谱仪[4]。但是上述便携式气相色谱仪在有机磷农残快速检测时有明显不足：体积大、升温速率慢、操作相对复杂。

为此，本研究提出了一种便携式气相色谱的结构化设计方案，在仪器中按照功能划分成各个模块，分别实现各模块的功能，最后由主控制器统一控制调度。各模块之间没有耦合，从而大大降低了调试和维修难度。另外，由于采用分布式结构，使得仪器的整体体积小、重量轻；并且可以根据现场分析的要求，灵活配置相应的模块，从而达到一款仪器多种用途。实验结果初步显示，该色谱仪器能够基本满足常用有机磷(敌敌畏、敌百虫)的分离要求。

2便携式气相色谱仪的系统框架

根据气相色谱仪的功能划分，可分为：进样器、色谱柱、检测器、信号输出和显示模块。这些模块都由一个主控制板进行统一控制调度，主控制板对各个模块发出命令，模块执行命令并完成后将返回状态信息，主控制板将此状态信息显示出来，系统结构如图1所示。

图1　气相色谱仪的系统结构图

2.1主控制器的选择

主控制器作为核心控制系统，目前主流的控制器有：单片机、ARM嵌入式平台、PowerPC、x86工控机。作为色谱仪器的“大脑”，主控制器的选择将直接关乎整个系统的性能、成本、开发周期、后期维护难易程度等，因此，选择一款高性能并广泛使用的主控制器对系统的设计具有重要的意义。目前，32位处理器发展迅猛，并逐步取代了8位/16位处理器在嵌入式系统设计中的主导地位。其中，基于ARM架构的32位处理器已经占据了市场上RISC处理器75%以上的份额，是名副其实的最广泛使用的32位处理器[5]。

本系统采用的是基于ARM+Linux的嵌入式平台，处理器为三星S3C2440，主控制板选择广州友善之臂计算机公司的micro2440开发板，该开发板拥有丰富的硬件资源，如多个USB接口、I2C总线、串口、PWM引脚输出、ADC引脚输出等，可满足本系统的硬件需求[6]。

2.2功能模块

除了主控制板外，仪器还需要多个功能模块，来实现各模块的功能。

2.2.1分析模块

根据色谱原理，分析模块可分为：进样器控制模块、色谱柱控制模块、检测器控制模块，并分别完成样品的进样、分离和检测功能。

进样控制模块根据样品的进样方式不同，又分为阀进样控制模块和自动进样控制模块。在便携式气相色谱设计中，采用3D打印小柱箱从而减小体积和功耗，并且使用色谱柱柱上直接升温来加快升温速率，缩短分析时间。色谱柱采用兰州化物所农残I号柱，规格为：30m×0.32mm×0.5μm。检测器模块根据检测器类型的不同，包括：FID(火焰电离检测器)、FPD(火焰光度检测器)、NPD(氮磷检测器)、TCD(热导检测器)[7]，本系统采用FPD检测器。检测器模块内部一般会封装有前端检测电路、AD采样电路、信号处理电路来实现信号的检测、采样和放大滤波功能，然后将该信号输出至上位机进行谱图显示，整个分析模块流程见图2。

图2　气相色谱分析流程图

2.2.2温度控制模块

该模块实现仪器运行时所需的温度，包括：进样器温度、色谱柱温度、检测器温度。这3个单元各自的温度控制均为独立控制，不会受到其他单元温控的影响，使得仪器的配置非常灵活。每个单元通过温度传感器PT100、温度变送器将采集的温度值转化为模拟信号然后传至微控制器的ADC引脚上，进行ADC转换后通过程序控制输出所对应的PWM波形，可控制继电器的开和关，从而实现对该单元的加热器件的控制。升温方式可设置为恒温和程序升温，整个过程如图3所示。

图3　温度控制模块流程图

2.2.3谱图信息及状态显示模块

仪器在运行中需要随时查看各种状态信息，如各单元的实时温度、实时气体流速、谱图信息、实验进程节点提示信息、温度异常警告信息等。根据显示级别可分为实时显示面板和警告异常弹出面板两种界面。信号经检测器后端处理之后，通过数据采集卡传至CPU进行处理，然后将处理结果输送至LCD显示屏进行显示，该界面拟采用嵌入式QT来编写,用户在此界面上可随时查看仪器的运行状态。

3便携式气相色谱的结构化设计

3.1系统硬件结构

主控制板采用广州友善之臂公司的micro2440开发板，系统的硬件结构如图4所示。

图4　系统硬件结构图

不同的功能模块，集成不同的功能电路和执行部件，实现模块功能。如温控模块中，包括传感器电路、温度变送器电路、ADC转换电路、加热控制电路等。信号检测模块中，包括滤波、运放、ADC转化电路等。

3.2系统软件结构

便携式气相色谱仪采用结构化模块设计后，其系统控制方式由原来的集-总式控制转变为分布式控制。作为主控制系统上运行的控制软件，其主要任务是管理和调度所连接的各功能模块，分配模块任务，使之协调工作，共同完成整个系统的测量分析功能。各功能模块执行各自的控制算法和工作任务，与其他模块完全隔离，这样使得整个系统的软件架构趋于扁平化、简单化，极大地降低了软件运行的复杂度，同时也使得系统后期的维护和升级变得方便易行。

主控制系统的软件结构如图5所示。

图5　系统软件结构图

硬件驱动是硬件电路与操作系统进行交互通信的桥梁，操作系统通过自身提供的API接口去发送和接收命令，可以驱动硬件电路完成特定的功能并读取其运行时的状态参数，然后通过内核传送至应用程序，然后接收应用程序的下一步指令，重复循环此过程，即可实现硬件与软件的通信[8]。

系统支持库提供各类需要的C库，即API，来供内核和驱动调用。

Linux操作系统内核提供了一个与仪器硬件等价的扩展或虚拟的计算平台,它抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式进行数据处理，使得在编写应用程序时可以避开许多硬件细节。而且其支持多任务，而这种方式对用户进程是透明的，每一个进程运行起来就好像只有它一个进程在计算机上运行一样，独占内存和其它的硬件资源，而实际上，内核在并发地运行几个进程，并且能够让几个进程公平合理地使用硬件资源，也能使各进程之间互不干扰安全地运行[9]。总之，Linux内核大大简化了开发应用程序的难度。

模块管理和模块调度可以灵活配置，在开机时，根据实验需要的模块定制加载，不需要的可以不进行加载，这样可以减轻系统的开销，提高仪器性能。

仪器功能模块，可以完成各模块特定的任务，如控温，通信，提示信息等。主控制板统一配置这些模块并进行合理调度，共同完成仪器的功能实现。

人机显示界面是实验员与气相色谱仪进行交互的界面，在此界面上，实验员可以对仪器进行参数设置，查看仪器运行状态，查看谱图显示信息并进行一些基本的数据处理功能，如保持谱图文件、清空界面、重新设置参数等。

整机仪器的实物图6如示。

图6　仪器整机实物图

4实验验证

基于以上的模块化设计方法，开发出了便携式气相色谱的原型样机，用于验证各模块的设计方案。在主控制板的CPU中烧录Linux系统之后，将主控制程序通过串口加载至Linux中，然后启动应用程序，可完成进样器温度控制任务、色谱柱温度控制任务、检测器温度控制任务、输出信号处理显示任务。初步完成了功能模块的动态加载和卸载，能够协调各模块，实现仪器基本的操作和分析功能。

在仪器的功能验证和性能测试方面，选用兰州化物所的农残I号柱，色谱柱内径为0.32mm ，膜厚为0.5μm ，长度为30m[10]。进样方式使用分流进样方式，分流比为20∶1；检测器采用FPD检测器；待检测样品为敌敌畏和敌百虫标样稀释之后的混合液，其中敌敌畏浓度为：50×10-9，敌百虫浓度为100×10-9，总进样量为0.4μL，色谱温度条件为：进样器恒温保持在200℃；FPD检测器恒温保持在200℃；色谱柱先升温至80℃，保持1min，然后以10℃/min升温至130℃，再恒温保持。同样的条件下，采用岛津GC2010色谱仪进行对比实验，两组实验对比结果如图7所示。

图7　敌百虫、敌敌畏实验谱图

本次实验样品为敌百虫和敌敌畏，它们均溶解在丙酮溶剂中。从谱图中可以看出，若采用自行研制的色谱仪，丙酮溶剂在进样后0.5min时出峰，紧接着敌百虫出峰，大概4min后敌敌畏出峰。而采用岛津GC2010色谱仪，在同样的实验条件下，要经历大约6min才可全部出峰。此款便携式气相色谱仪可基本满足实验室日常分析要求，后续将进一步开展仪器的性能提高和功能完善等工作。

5结束语

提出了一种便携式气相色谱仪的结构化设计方法，从系统结构、系统硬件设计和系统软件设计方面，阐述了分析模块和功能模块的实现方案。基于模块化设计的便携式气相色谱仪，主控制板和各个功能模块独立工作，主控制板统一调度和管理功能模块，使其相互协作，共同完成样品分析等任务。仪器由传统的集-总式控制改为分布式控制，可以降低复杂度、提高系统稳定度。经实验验证，该系统配置灵活、体积小、维修简便，分离效果基本满足食品安全中的有机磷农残现场快速检测要求。

参考文献

[1]关胜.便携式气相色谱仪的介绍及其在环境污染事故应急监测中的应用.理化检验，2012,5(1)：5-8.

[2]肖泽文，王燕杰，胡小刚.气相色谱技术及其发展.大学化学,2012,3(2)：10-11.

[3]http://www.ewai-group.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=51&id=8

[4]http://wenku.baidu.com/view/7112a41bff00bed5b9f31dcf.html

[5]罗伟栋，张云.便携式气相色谱仪的模块化设计.分析仪器，2011,5(2)：10-12.

[6]广州友善子臂计算机公司.Micro2440用户手册.广州: 广州友善子臂计算机公司，2010-06-09.

[7]郭冰.气相色谱仪及其应用，2007,6(4)：7-8.

[8]王彦堂.基于ARM的嵌入式Linux系统研究与应用[学位论文].济南：山东大学.2007.

[9]张卫宏.一种便携式气相色谱仪的性能研究及应用[学位论文].沈阳：东北大学，2009.

[10]http://www.anatechweb.com/spz/cpsearch.asp?xh_id=96&lb_id=30&lb_type=0

Design and experiment of portable gas chromatograph for rapid detection of organophosphorus pesticides.

Zhang Nannan1,2,Wu Zhihui1,3,Kong Deyi1

(1.StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,HefeiInstituteofIntelligentMachines,CAS,Hefei230031,China;2.DepartmentofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Heifei230027,China; 3.CollegeofElectronicScienceandAppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230011,China)

Abstract：A structured design of portable gas chromatograph is proposed to detect the organophosphorus pesticides, The portable GC is composed of several functional modules, such as injection module, separate module, detection module. Each module does not couple with each other, but is controlled by the main control board, which means that the modules can be loaded dynamically and makes it more convenient and effective for later maintenance. The result shows that the Portable Gas Chromatograph has well represented curves of three common organophosphorus pesticides.

Key word:portable gas chromatograph; organophosphorus; structured design

基金项目：1.国家自然科学基金(No.11474291)；2.国家自然科学青年基金(No.51405001)；3.安徽省自然科学青年基金(No.1408085QE98)

作者简介：张南南，男，1992出生，硕士研究生，主要研究方向为便携式气相色谱仪，E-mail：1058267830@qq.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.003