陈如清， 钱苏翔， 王庆泉

(嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 314001)

农业产业化发展导致农产品的生产过程越来越依赖农药和抗生素等外源物质。农药在农产品生产中的用量在我国一直居高不下，农药的不合理使用或滥用导致农产品的农药残留含量不同程度超标，威胁到消费者的食用安全[1]。有机磷农药是农业生产中使用最广泛的杀虫剂[2]。现有农药残留检测方法主要有生物测定法、理化检测法及快速检测法3类[3-4]。其中，活体检测法对生物的要求较高，检测结果难以确定具体农药品种；理化检测法检测精度高，但存在检测耗时长且操作过程繁琐，难以满足实时检测需求；快速检验法目前发展较快，但也存在检测成本高和检测灵敏度低等缺陷[5]。因此，探索一种简单有效、快速准确的农药残留定量检测方法对解决农药残留问题极其重要。

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，可实现多类物理参数测量、微弱光测量、红外及激光测量、光扫描与跟踪测量、图像测量等。作为一项应用范围较广且快速可靠的技术，具有检测灵敏度高、取样量少、快速、简便，可在恶劣环境下进行在线、连续监测等优点，在农药残留检测中的应用成为当今热点之一。光电检测技术在农药检测中的应用，主要集中在直接光谱分析技术与荧光分析法方面。将化学发光方法与光电检测技术相融合实现农药残留的快速定量检测的研究还比较少[6]。本研究结合化学发光法和光电检测技术，研发一套快速定量光电检测系统对农药残留物进行检测，并进行理论研究与试验验证。

1 有机磷农药残留检测原理

酶抑制检测法是一种常用的农药残留检测方法，基于昆虫毒理学原理，可在较短时间内完成有机磷及氨基甲酸酯类农药残留量的检测。与传统方法比较，具有检测成本低、效率高及易实现等优点，适合农药残留实时快速检测。其基本原理为：正常情况下，酶催化乙酰胆碱水解，其水解产物与显色剂反应而产生黄色物质；在有机磷类农药存在的情况下，作为酶的抑制剂会与乙酰胆碱争夺酶功能部位，使胆碱酯酶的正常功能遭到破坏，从而抑制了乙酰胆碱的水解与显色，抑制率与农药浓度呈正相关。有机磷农药的存在会影响显色体系反应速度(可用吸光度值随时间的变化率R表示)。设R0、Rt分别为空白样品液(即没有农药)和样品液(可能有农药)的吸光度随时间变化曲线的斜率值，则抑制率T可表示为：

(1)

利用乙酰胆酯酶测定农药残留时，当农药残留量为0时，抑制率T为0，溶液显黄色；当农药残留量不为0时，测定溶液显不同程度的淡黄色。抑制率T与农药残留量呈正相关，可用来表示农药的浓度。从光电检测角度分析，显色体系或化学发光体系的吸光度C′与抑制率T或有机磷浓度呈负相关，即：

C′=-0.01T+1.161 3。

(2)

通过检测抑制前后的光强(即在412 nm处测定吸光度随时间的变化值)，计算出抑制率，推断是否含有有机磷农药，或定量分析有机磷农药的残留量大小。根据光电效应理论，当光辐射入射到光电探测器表面时，光电材料会产生感生电动势。光电器件在功率相同而波长不同的入射光辐射下，其响应不同，即光电效应所产生的电动势不同。光电探测器如光电二极管在波长为λ的单色光照射下，输出电压U(λ)与入射的单色光辐射通量φ(λ)之间关系如(3)式所示。其中S(λ) 为光谱灵敏度。通过光电探测器检测显色体系或化学发光体系抑制前后的光强，可换算成农药残留C大小。

U(λ)=S(λ)×φ(λ)。

(3)

综上所述，有机磷农药残留检测原理为：乙酰胆碱酯酶对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系有催化作用[7]。研究表明有机磷农药对乙酰胆碱酯酶有很强的抑制作用，其抑制率与农药残留的浓度呈正相关，在一定浓度范围内，有机磷农药与乙酰胆碱酯酶的活性之间存在一定的线性关系。即经过有机磷农药的抑制，会导致鲁米诺-过氧化氢-乙酰胆碱酯酶体系的化学发光强度一定程度降低。通过检测抑制前后的光强，计算出抑制率，推断是否含有有机磷农药，或定量分析有机磷农药的残留量大小。研究分析表明，农药残留浓度与发光强度成比例关系。按照国家标准规定，农残抑制率不应超过50%，大于或等于这个数值则属超标。

2 硬件系统设计

2.1 光电检测系统总体方案设计

基于光强型直接测量原理设计光电检测系统，即将携带被检测物理信息的光强，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后直接采集数据。整套光电检测系统包括密封容器(光源部分，内置发光物质与农药混合物)、光电探测器(光电二极管)、微弱信号前置放大电路(含电流电压转换电路及信号放大电路)、滤波电路、主放大电路、A/D转换电路、单片机控制系统和显示输出电路等模块(图1)。

2.2 农药残留信号检测模块

由化学发光原理可知，鲁米诺在碱性溶液中被过氧化氢氧化后处于激发态，从激发态回到基态时发出最大波长为425 nm的光。综合光电探测器的响应率、光谱响应及稳定性等性能指标和器件的工作电压、暗电流等特性参数，选择PN结硅光电二极管(VTB5051B) 作为农药残留检测用光电探测器，其光谱响应范围为330～720 nm，与发光体系发光波长匹配。光电二极管具有暗电流小、线性度好及噪声低等优点，适宜于精密仪器仪表的光电变换场合。图2为光电变换电路，输入输出关系为：

V1=Isc×Rf=S×P×Rf。

(4)

式中：V1为输出电压，Isc表示硅光电二极管在光照下产生的光电流；Rf为反馈电阻，通常取值为上百MΩ，以获得更高的电压输出；S为光电二极管的灵敏度；P为入射光功率，与被测农药残留浓度相关。

2.3 微弱信号放大电路

采用化学发光法检测农药残留浓度时，一方面光电二极管接收到的光信号十分微弱，另一方面由于检测过程不能处于绝对黑暗环境，光信号检测易受到环境光等多种噪声干扰[8-9]。噪声信号经光电转换后也同步放大。为精准测出待测光信号，需对光电变换电路进一步处理。

通常微弱光信号通过光电探测器转换成光电流后，其波动范围为从pA级到mA级不等。较大的动态范围不利于信号检测，使用普通线性放大器难以有效实现信号放大[10]。另一方面，为适应输入信号较大的动态变化，在后续设计模数转换电路时选用的A/D转换器位数也需相应增加。为解决上述问题，考虑到对数放大电路的输出与输入的对数成线性关系，可对输入信号的动态范围进行一定程度压缩，允许输入信号有较大波动。按照对数特性，通过对数变换可将混合信号中的噪声信号压缩、微弱有用信号放大，把有用信号从强噪声背景中提取弱信号。与此同时，较宽动态变化范围的输入信号经过对数压缩处理，采用较低位数A/D转换器就可以实现对信号的最大不失真变换。图3为基于分立元件所设计的对数放大电路，采用2个特性相同的晶体管组成互补对称电路，可消减晶体管的反向饱和电流对运算关系造成的影响。

电路的输入输出关系如式(5)所示，其中参考电压Vref为5 V；晶体管电压VT=kT/q，k=1.38×10-23J/(kW·h)，q为电子电荷量，T为绝对温度。可以看出温度变化会对VT产生影响，从而引起运放电路输出电压V2的波动。为保持输入输出关系稳定，电路设计时引入1个正温度系数的热敏电阻RT，其温度变化系数与晶体管PN结的变化一致，较大程度实现对VT的抵消补偿，克服由于温度变化而产生的负面影响。

(5)

2.4 滤波电路

为提高检测电路的信噪比，对从对数放大器输出的电压V2采用带通滤波器对其进行滤波处理。为保证农药残留的检测精度，设计了一种“压控电压源二阶带通滤波”电路(图4)，去除环境噪声和通过前置放大器引入的噪声信号。

2.5 主放大电路

微弱电信号经过前面光电转换、对数放大和直流滤波后，为更好地满足采样电压要求，还需对直流电压信号的幅值做进一步放大处理，放大电路如图5所示。

2.6 信号分析处理电路

图6为后续信号分析与处理电路，主要包括A/D转换电路、单片机系统、显示与报警电路。按照测量需求，设计时选择TLC1543芯片U6作为A/D转换器，具有高速度(10 μs转换时间)、高精度(10位分辨率，最大±1 LSB不可调整误差)和低噪声等优点，能满足本检测系统实际要求。微处理器的选择直接影响到检测系统的性能，基于单片机的控制系统适合中低速数据的采集和处理。选用功能全面且性价比高的AT89C51单片机作为控制器，完全满足本系统的要求。检测结果显示器件选用较为通用的LCD1602液晶显示器。此外，单片机的P1.5口外接蜂鸣器报警电路，当农药残留浓度检测结果超过设定阈值时，启动蜂鸣器报警。此外，为方便用户进行阈值设置，设计了按键B2、B3、B4分别对应为阈值设置键和阈值加减键，分别与单片机P3.2、P3.3、P3.4的3个引脚相连接。

3 软件系统设计

有机磷农药残留光电检测系统软件部分结构如图7所示。整个软件系统包括4个任务模块，即按键输入、农药残留浓度信号采集、测量数据分析与处理、液晶显示与输出报警等。

(1)按键输入。本系统的键盘主要使用4个独立按键，B1为复位键，B2、B3、B4分别对应为阈值设置和阈值加减键。通过软件程序查询相应引脚电平的高低情况，就可以判断是否按下了按键以及是哪个键按下，并执行对应键的子程序。

(2)农药残留浓度信号采集。在系统初始化完成以后，光电检测电路将农药残留浓度信息转化为1个模拟直流电压信号，经过A/D转换模块，单片机系统获得代表农药残留浓度的数据。

(3)测量数据分析与处理。理论分析表明，农药残留在一定的浓度范围内，浓度与电压(即光强)成线性关系。试验时将配制好的不同浓度农药溶液注入密封容器，测出相应的电压。单片机将采集到的直流电压转化为农药浓度，显示并存储数据。

(4)液晶显示与输出报警。主要将处理好的农药浓度数据通过液晶显示器显示输出。通过键盘设置阈值，若农药残留浓度高于设定值，启动报警电路发出报警信号。

4 试验验证

基于上述方案，在实验室开发了农药残留检测试验平台并进行试验验证。试验过程中将鲁米诺工作液(0.25 mmol/L)和过氧化氢工作液(浓度为10 μg/g)混合，配成鲁米诺-过氧化氢发光体系试验试剂。选用农业生产中广泛采用的有机磷农药敌百虫，配制不同浓度的敌百虫工作液(0.06～0.40 mg/L不等)。将不同浓度的敌百虫工作液添加至装有发光体系试验试剂的石英杯中，测量光强前后变化情况。

根据已测数据，用最小二乘法进行拟合处理，在农药浓度为0.14～0.34 mg/L区间内，输出电压对应为881.1～232.3 mV(表1)，呈现明显的线性关系，拟合后的输入输出关系如式(6)所示。其中U为输出电压，C为农药浓度。光电检测系统最低能检测到的农药浓度为0.06 mg/L，可达到食品卫生农药含量国家标准(即小于0.10 mg/L)。

U=-3.236 9C+1.334 6。

(6)

表1 农药浓度与输出电压

5 结论与展望

本研究以敌百虫农药为对象，进行了有机磷农药快速定量检测方法研究。理论分析与试验验证表明，融合化学发光法和光电检测技术开发的农药残留快速检测系统能有效检测农药残留浓度，具有较高的性价比。主要优势在于：(1)将化学发光法和光电检测技术相结合，可有效弥补传统检测方法存在的样品预处理过程繁琐、耗时复杂及消耗试剂等不足，有利于实现农药残留的快速实时高精度检测；(2)研究一种针对微弱光信号的智能检测方法。将单片机控制系统与微弱光检测电路结合在一起，搭建了一套集微弱光电信号放大、采集和传输为一体的智能检测系统，实现数字化处理；(3)硬件系统设计时省去了检测光源的设计，有效简化了系统硬件结构及设计复杂度。

此后阶段应进一步完善试验结果的误差分析与数据处理，建立完备的农药残留浓度与光强(电压)的数学模型。在此基础上对所设计的农药残留检测系统进行可行性分析与工程适用性评价。试验系统的研制，将为农产品农药残留的快速检测提供一种精准高效的光电检测解决方案，并为开发新的农药残留检测仪器提供一种新思路。检测系统可直接服务于科研和农业等相关领域，也可广泛用于各级食品安全监测部门、农产品生产批发基地及环境保护等领域的农产品农药残留检测,具有广泛的应用前景和潜在的经济效益。

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