固态光源食品安全快速检测仪的研制

张冠文　曾成柱　刘日威

摘 要：光谱仪实现单色性的方法包括光栅分光、滤色片分光、棱镜分光等，固态光源食品安全快速检测仪直接从光源端实现单色性，因其功耗低、防潮、抗振动、光路简单等特性而获得广泛应用，该类仪器适合在生产基地、农贸市场、超级市场等没有完善实验条件的基层单位普及。本文介绍了固态光源食品安全快速检测仪的原理、仪器系统设计、光路设计、电路设计等内容。

关键词：食品安全快速检测仪；固态光源；农药残留检测；甲醛检测；二氧化硫检测；亚硝酸盐检测；标准曲线；空白扣除

中图分类号：TH744 文献标识码：A

0.引言

《国家十三五规划纲要》将食品安全列为国家战略，近年光谱类食品安全快速检测仪被广泛使用，从单色性实现角度看，其种类包括光栅分光类、滤色片分光类、棱镜分光类、固态光源类几类。

固态光源类食品安全快速检测仪直接从光源端实现单色性，无需额外分光器件，具有功耗低、防潮、抗振动、光路简单等特性，已被不断布局到全国的基层食品药品监管所、农检站、蔬菜生产基地、农贸市场、超市、食堂等单位。

固态光源食品安全快速检测仪的具体实现有不同的技术路线，研制可靠、易用、低成本，同时具有市场竞争力的仪器是具有挑战性的课题，本文将进行一定范围的探讨。

1.仪器检测原理

下文通过几个检测方法实例介绍仪器检测原理。

（1）农药残毒检测基本原理

有机磷和氨基甲基酯类农药能抑制昆虫中枢和周围神经系统中乙酰胆碱酶的活性，造成神经传导介质乙酰胆碱的积累，影响正常传导，使昆虫中毒致死，根据这一昆虫毒理学原理，用在对农药残留的检测中。加入反应试剂后，用分光光度计于波长410nm处测定吸光值随时间的变化值，计算出酶抑制率，判断蔬菜中含有有机磷或氨基甲酸酯类农药的残毒情况。即：

（2）甲醛检测基本原理

基本原理是在过量铵盐存在下，甲醛与乙酰丙酮生成黄色化合物，于414nm波长处进行分光光度测定，与标准系列比较定量。

（a）吸取适量试样于25mL具塞刻度管中，用水稀释至标线。加入2.5mL乙酰丙酮溶液，摇匀。于45℃～60℃水浴中加热30min，取出冷却。

（b）用10mL比色皿，在波长414nm处测量吸光度，减去空白试验所测得的吸光度，从标准曲线上查出试样中甲醛的含量。

（3）二氧化硫检测基本原理

二氧化硫（亚硫酸盐）与四氯汞钠反应生成稳定的络合物，再与甲醛及盐酸副玫瑰苯胺作用生成紫红色络合物，于波长550nm处测吸光度，与标准系列比较定量。

（4）亚硝酸盐与硝酸盐检测基本原理

试样经沉淀蛋白质/除去脂肪后，在弱酸条件下亚硝酸盐与对氨基苯磺酸重氮化后，再与盐酸萘乙二胺偶合形成紫红色染料，于波长538nm处测吸光度，与标准系列比较定量。

2.仪器系统设计

（1）确定仪器检测对象需求

根据有毒有害物质和食品添加剂的使用情况，确定仪器的检测对象。农药残毒：蔬菜、水果、粮食；甲醛：水发水产品；二氧化硫：蘑菇罐头、竹笋、粉丝、食糖、干菜、蜜饯、汤料；亚硝酸盐：腌制食品、肉制品等。

（2）确定仪器的设计指标

光谱类食品安全快速检测仪的国家计量检定标准正在制定中，现在可以作为仪器设计指标的标准是地方标准，如广东省计量院和中国广州分析测试中心（广东省测试分析研究所）制定的《JJG（粤）006-2005农药残留快速检测仪检定规程》。

关键指标包括：

测量精度：5%。

零点漂移：±0.5%/3min。

光电流漂移：±1.0%/3min。

透射比误差：±2%。

透射比重复性：0.5%。

通道间误差：1%。

（3）设计检测流程

根据仪器检测基本原理、检测对象、最终用户知识水平、仪器设计目标，设计检测流程，如图1所示。

（4）仪器测量内部流程

基层用户不能自行做复杂数据处理，需要“一键测量”后直接输出样品检测含量和实时打印原始记录。

农药残毒检测测量的是吸光度的变化，仪器测量内部流程包括对照测量、样品测量、抑制率计算。

对照测量的吸光度变化计算如下，其中I0表示初始光强，It1表示时间t1时的光强，It2表示时间t2时的光强：

样品测量的吸光度变化计算如下：

酶抑制率计算如下：

甲醛、二氧化硫、亚硝酸盐等危害物的仪器测量内部流程包括建立标准曲线、空白测量、样品测量几个步骤，详见本文作者早期写的《光谱类食品安全快速检测仪空白扣除原理》一文。

（5）标准曲线

食品安全快检没有消解等复杂前处理，校准曲线实际是标准曲线，建立此类标准曲线有几个要点：标准曲线需要5个数据点，数据点选取时最高吸光度不适宜超过1ABS，且待测物的国家限量值应包含在数据点中；标准曲线截距与零做T检验后去除，包先金分析了标准曲线不去除截距时，样品测量信号扣除空白后直接代人标准曲线计算会引起误差；参与标准曲线计算的数据点和进行实际样品含量计算的数据点均需要是扣除空白的纯反应信号。

3.光路设计

典型的光谱仪由5部分组成：

（1）稳定的辐射源。

（2）选用限定波长区域的部件。

（3）透明的样品容器。

（4）辐射检测器或换能器。

（5）信號处理器和读出装置。

传统的紫外-可见分光光度计，如国产72型、721型、751型、英国SP500、日本岛津QV-50型，其工作原理可归结为图2。

固态光源食品安全快速检测仪光路设计的目标是取消单色器，达到如图3所示效果，其技术关键是选用合适的LED光源。

食品安全快速检测属于分子光谱检测，分子光谱的吸收峰通常达数十纳米，例如农残检测试液吸收峰半峰宽达60nm，亚硝酸盐检测试液吸收峰半峰宽达80nm。光谱仪用LED要求光谱宽度小于待检测试液吸收峰且光强度足够大。国内某品牌的410nm（SF-5WTUV34）LED光谱宽度30nm，发光强度400毫烛光，半功率视觉±7.5度，能满足要求，美国SET公司的LED产品性能更优秀些。

4.嵌入式系统设计

嵌入式系统设计涉及架构体系的选择问题，DSP处理器、x86处理器的编程和电路设计复杂度高，成本也高。C51系列单片机虽然易用、成本低，但已不适合功能越来越复杂的应用，ARM系列单片机易用性和成本与C51系列接近，但运算处理能力提高了数十倍，在本应用中较合适。电路系统设计如图4所示，通过CPLD芯片扩展了大量控制端口。

仪器人机界面部分，使用普通的液晶屏已经落后于时代的需求，带触摸控制功能的真彩高分辨串口屏具有良好的竞争力。对于高端用户，可以直接使用WIFI接口连接平板电脑用作人机界面。

2CU025作检测器时的信号放大电路为零伏偏置电路，如图5所示。这种电路线性好，输出光电流大，噪声低，信噪比高。

5.仪器性能

仪器性能检定依照《JJG（粤）006-2005农药残留快速检测仪检定规程》进行，比较关键的指标如表1“透射比测量”和表2“稳定度测量”所示，基本性能优于标准规定。

结语

产品的研发首先要符合社会民生的需求，作为检测仪器还需要符合相关国家标准的要求，系统设计时考虑的是用最低的成本达到规定的技术性能，具体实现时需要用各技术领域主流的技术方案，这样才有市场竞争力。基于本文介绍技术的产品已经在市场上获得广泛认可，文中存在不足之處，仅供同行交流研讨。

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