基于酶抑制法的自助式农药残留检测平台建立

陈子鹏，马建博，杜建华

（中南财经政法大学 信息与安全工程学院，武汉 430000）

0 引 言

食品安全问题，尤其是水果蔬菜等农产品中的农药、添加剂以及其他有毒物质的污染和残留情况，是近年来持续受到广泛关注的社会热点话题[1-5]。欧美、日韩等国家和地区普遍建立有食品安全监管或预警体系[6]。目前中国对农药残留问题也十分重视，陆续出台和修正了相关法律，如《中华人民共和国农药残留法》、《农药管理条例》等相关法律来保障人民的利益。1

科学合理的使用农药不但可以减少农业损失，同时为人类身体健康和生态环境有着积极作用，但过量，高毒的农药会造成严重后果。因此、农药残留检测就成为了食品安全管理中的重要环节[7-13]。目前对市场上出售的果蔬农产品农药残留检测的方法中，以色谱法和酶抑制法最为常见。色谱法包括薄层色谱法，气相色谱法和高效液相色谱法[14-16]。如气象色谱法是采用气体作流动相的色谱法，用于挥发性农药的检测。色谱法具有高选择性、高分离效能、高灵敏度和快速的优势，但因其检测器较为昂贵，操作方法复杂，目前主要应用与实验室检测，而无法广泛推广应用与日常居民对市场果蔬农药残留的检测中[17-20]。酶抑制法，是以化学反应为依据，乙酰胆碱酯酶利用使农药中的有机磷和氨基甲酸酯发生化学反应为根本，通常酶在催化2,6-二氯乙酰锭酚后会分解出蓝色靛酚，如果存在有机磷农药，酶的活性就会被暂时抑制，反应后的溶液将变成浅蓝色或者保持原来的颜色不变，这时可以通过与对照溶液的对比来确定有机磷农药的具体成分。酶抑制法多被应用于试纸检测，检测方法简便、价格低廉，可研制多类便携式农药残留检测设备[21-24]。但以酶抑制法试纸检测结果的可靠性与洗脱液量、抑制时长、抑制温度等多项操作环节有关[25]，且其对多项农药残留的检出限度高于国家规定的农药残留限量[26]，这使得酶抑制法试纸检测仅适用于定性判断。

本文选择以酶抑制法为基础，通过图像识别技术对试纸检测结果进行精细分析及多档划分。通过大量试验数据统计拟合，将检测试纸检测结果的颜色差别细分为5级，分别代表农药残留情况的无残留（1 级）、安全（2级）、弱残留（3 级）、强残留（4 级）、危险（5 级）。实现试纸检测结果的数据化。将试纸测试结合自动化技术和图像识别技术构建了自助式农药残留检测平台。该自助式农药残留检测平台可为普通民众提供自主自助的果蔬农产品农药残留检测条件，使消费者能够直接参与检测过程中并获得检测结果，保证信息的对称公开透明，为食品安全检测和监管提供新的思路。

1 自助式农药残留检测平台设计

本文中所构建的自助式农药残留检测平台，主要包括以酶抑制法为基础的试纸检测、图像识别技术、自动化技术。通过此3 种技术的结合，使自助式农药残留检测平台能够通过机械臂自动完成试纸检测并拍照储存、计算机处理照片图像并最终获得细分检测结果，显示农药残留分级信息的功能。

1.1 农药残留的试纸检测

传统的农药速测法是利用对有机磷和氨基甲酸脂类农药高敏感的胆碱酯酶和显色剂做成的试纸。具体检测过程如图1 所示。

图1 酶抑制法试纸的残留农药检测过程 Fig.1 Process of pesticide residues detection with enzymatic inhibition test paper

大量试验数据统计结果表明，试纸颜色变化与农药含量存在近似负线性关系[27-30]。可根据农产品中农药含量不同引起试纸颜色的深浅程度变化和检测过程中试纸变色情况，对被测样品农药残留量范围进行更加精细的划分。

1.2 图像识别技术

在酶抑制法试纸监测对农药残留含量的判定中，最大的局限在于人眼对色彩变化识别的精确程度较低。针对此问题，自助式农药残留检测平台中借助图像识别技术来完成对图像的处理、分析和理解。在一般工业使用中，图像识别技术是采用工业相机拍摄图片，再利用后台软件根据图片灰阶差做进一步识别处理。

在此自助式农药残留检测平台中，通过内置自主编写基于labview 的image.vi 软件来完成图像识别处理，软件后台界面如图2 所示。该软件可主动控制摄像头获取检测舱实时视频，当实时画面中出现测试试纸后自动抓拍并显示于截取画面中。软件具有自动定位选取圆形测试结果区域图像的功能，根据试纸左侧为测试用药片、右侧为测试结果显色图像的设定，将取色区域控制在右侧圆环中，如采样分割图所示。局部放大界面则通过放大测试结果显色图像，并利用颜色取样器，对颜色进行取样分析纯色色调、饱和度、亮度、RGB 值，最终得到不同农药含量下的颜色差别细化指标。采样参数和识别结果将自动显示与软件界面最上方的控制界面中。

如图3 所示为image.vi 软件界面中识别结果区域，在对某校外大型超商农产品农药残留检测的图像识别处理结果。根据试纸检测对照标准为其饱和度S 的区别来判定农药残留的多少。饱和度S 越小，表明农药残留越多。即图3 中空心菜农药残留大于苹果表面农药残留。通过image.vi 软件中图像识别技术的应用，在Lab 颜色空间下对图像进行分割，细分明度指数和色品指数的级差，利用图像增强技术通过像素合并和子成像模式2 种方法读出图像。以此克服传统试纸检测时肉眼识别造成的色值分辨精确度不足，判定标准不统一等问题，实现对检测试纸结果的精细分析。

图2 自助式农药残留检测平台中内置image.vi 软件界面 Fig.2 Image.vi software interface builted in self-service detection platform of pesticide residue

图3 大型超商农产品农药残留检测 Fig.3 Pesticide residue detection of produces from supermarket

1.3 自动化技术

试纸检测中的洗脱液量、抑制时长、抑制温度等多项参数在人工测试时很难保证完全一致，使酶抑制试纸法测试结果的统一判定标准很难标定。

在此自助式农药残留检测平台中，使用单片机模块控制机械臂，代替手工操作。以步进电机作为驱动实现洗脱自动化，可设置出统一的洗脱液量和抑制时长。由温度变送器、加热电阻丝和简单机械部件构成处理模块，在控制变量的条件下处理试纸。由定时装置控制测试时长和拍照时间。由GSM 模块和蓝牙模块为通信模块，连接单片机与后台主机，便于结果输出。通过自动化技术的应用，极大程度上排除掉人工操作中产生的影响因素，保证测试结果的准确性和稳定性，为后期数据分析处理提供保障。

1.4 自助式农药残留检测平台实际装置雏形

图4a 所示为自助式农药残留检测平台实物图。装置设计为可手持的装置以提高设备便携性。选取立体矩形作为装置外观，以单片机为主体，将工业摄像头、GSM 模块等小型器件作为附属元件构建检测装置最终设计的装置雏形长达150 mm、宽度125 mm、高度100 mm，整个装置不超过2 dm3，可作为手持式检测设备，实现了检测仪器的便携化，方便用户实时的对食品进行检测。

图4b 为设备内部结构示意图。其基本结构包括单片机、测试舱、蓄电磁、工业摄像机、碳加热片、LED 灯、定时器、显示屏等核心部件。其基本工作原理是通过自动化技术，对投入测试舱的检材完成自动洗脱；由led 灯和工业摄像机自动完成现场拍摄并将数据传输入后台；通过image.vi 软件对拍摄图像做图像识别和处理，获取检测结果中的饱和度S数值；最后根据预设的分级参数设置，将检测结果在显示屏上呈现给用户，同时上传数据至后台数据库。

此自助式农药残留检测平台实现了检测过程自动化，通过图像识别技术实现对检测见过的统一度量和准确细分，通过可视化显示窗口使使用者能够直观读取检测结果。该自助式农药残留检测平台具有设备造价合理、应用范围广泛、操作流程简单、检测耗材成本低廉、检测结果准确等特点。

图4 自助式农药残留检测平台 Fig.4 Self-service detection platform

2 自助式农药残留检测平台检测试验及结果分析

选取某高校周边共4 处果蔬售卖点，分别为校内蔬果市场（编号1）、校内超市（编号2）、校外农贸市场（编号3）、校外大型超商（编号4）。对四个售卖点选取5 种果蔬，包括：空心菜（A），黄瓜（B），番茄（C）、茄子（D）、苹果（E），分5 d 对每种果蔬共取样5 份，共计100 份样品。将此100 份样品使用自助式农药残留检测平台完成快速检测。

由于此自助式农药残留检测平台是基于酶抑制法试纸检测为基础，其检测结果输出为测试卡蓝色饱和度。通过自动化技术，设定检测过程中所获取的洗脱液量、抑制时长、抑制温度、拍照背景光源等参数具有一致性，保证了多次检测结果的统一。试验中设定抑制时间15 min、抑制温度35℃、洗脱液量100 μL[25]。对样品B3 的重复性试验结果如图5 所示，其饱和度S 值较为稳定，波动范围在3 以内，表明此检测平台通过自动化技术的应用，可基本排除检测过程中的其他试验因素对检测结果的影响。

图5 样品B3 的10 次重复性试验 Fig.5 Ten times repetitive experiment of sample B3

通过对比自助平台检测结果与气相色谱法检测结果，并依照文件GB 2763-2016《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》中对应农药残留标准限定，对检测结果做出分级划分，如表1 所示。

表1 4 处样品采集点5 种样品的农药残留检测平均结果 Table 1 Testing results of pesticide residues in 4 different sample collection sites and 5 different samples classes

根据文件GB 2763-2016 对无公害果蔬安全要求，设定自助式农药残留检测平台的检测数据分级划分。设定饱和度S 参数处于S≥122 为1 级无残留，99≤S≤121为2 级安全，85≤S≤99 为3 级弱残留，43≤S≤84 为4级强残留，S≤42 为5 级危险。使用气相色谱法对同一样品的农药残留量进行验证。

在此次检测中，共有42 份样品通过自助检测结果可划分为1~2 级的样品。对1~2 级样品，使用气相色谱法检测样品中的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的残留量值，其中40 份均小于国标中对无公害果蔬安全要求中的农药残留标准，仅2 份样品中的百菌清达到2.08 mg/kg，略超过国标中对百菌清≤2 mg/kg 的要求。 即在对符合国标安全要求的农药残留量的检测上，此自助式农药残留检测平台的正确率可达到95.23%。

自助检测结果等级划分为3~5 级的样品共有58 份。使用气相色谱法对此类样品做对比检测，结果显示其中仅有5 份样品符合国标要求，其余53 份样品的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的残留量均远大于国标要求。即在对不符合国标安全要求的农药残留量的检测上，此自助式农药残留检测平台的正确率可达到91.37%。同时样品自助检测饱和度S 值变化也与气相色谱法检测结果较为吻合，饱和度越小的样品，其气相色谱法检测的农药残留情况也越严重。

综上所述，此自助式农药残留检测平台能够对多种果蔬的农药残留情况作出快速、准确的检测。在对100份样品检测结果的5 级安全划分中，1~2 级样品符合国标安全要求的准确率达95.23%，3~5 级样品不符合国标安全要求的准确率达91.37%，表明此自助式农药残留检测平台检测结果真实可靠。

3 结 论

本文针对目前农作物农药残留检测方法的弊端，通过结合自动化技术和图像识别处理技术，设计制作了基于酶抑制法的自助式农药残留检测平台。

1）自主研制到了便携式自助农药残留检测平台，通过自动化技术，实现了自助式农药残留试纸检测过程的标准化。此设备中可设定洗脱液量、抑制时长、抑制温度等多项参数，使试纸检测结果更加准确可靠。

2）通过图像识别技术，实现自助式农药残留试纸检测过程的精细划分。并通过对照气相色谱法检测结果和国标，建立了自助式农药残留检测结果的5 级安全评分机制。

3）通过100 份样品的检测试验，将自助式农药残留检测平台检测结果与实验室色谱法检测结果对比国标显示，此安全等级划分对符合安全要求的检测准确率为95.23%，对不符合安全要求的检测准确率为91.37%。

此自助式农药残留检测平台具有体积小质量轻、设备造价合理、操作流程简单、检测耗材成本低廉、检测结果准确等特点，可供普通民众自助完成对果蔬等农产品农药残留情况的检测。5 级农药残留安全评分机制输出结果简洁易懂，准确率高，能够有效保障民众对于食品安全问题的了解和监督，从而为食品安全问题尤其是农作物农药残留问题的进一步规范提供思路。