手持式農藥殘留檢測儀畢業(yè)論文

1、中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文）手持式農藥殘留分析儀的研制Development of Handheld Pesticide Residue Analyzer學生姓名 袁沛權 學號 0700402106 學生專業(yè) 光信息科學與技術 班級07光信1班 二級學院 光電學院 指導教師 陳華才 研究員 中國計量學院2011年06月鄭 重 聲 明本人呈交的畢業(yè)設計論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明

2、。本學位論文的知識產權歸屬于培養(yǎng)單位。學生簽名： 日期： 分類號： 密 級： 公開 UDC： 學校代碼： 10356 中國計量學院 本科畢業(yè)設計（論文）手持式農藥殘留分析儀的研制Development of Handheld Pesticide Residue Analyzer作 者 袁沛權 學 號 0700402106申請學位 工學學士 指導教師 陳華才 研究員 學科專業(yè) 光信息科學與技術 培養(yǎng)單位 中國計量學院答辯委員會主席 評 閱 人 葉滿萍 講師 2011年 6月致 謝此論文即將完成之際，我想首先感謝我的導師陳華才，他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他循循善誘的教導

3、和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。這篇論文的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開他的細心指導。      本論文的完成另外亦得感謝朱周洪老師、王焱華老師的協(xié)助。因為有你們的建議使得本論文能夠更完整而嚴謹。感謝研究生季慧華學長不厭其煩的指出我研究中的缺失，在實驗中給予指導，在寫作中給予建議。感謝浙江省現(xiàn)代計量測試技術與儀器重點實驗室提供的實驗條件和儀器設備。由于你們的幫助，使得在實驗過程中方便了很多。感謝我的朋友，感謝你們在我失意時給我鼓勵，在失落時給我支持，感謝你們和我一路走來，讓我在此過程中倍感溫暖！最后，謹以此文獻給我摯愛的雙親。I中國計量學院

4、本科畢業(yè)設計（論文）手持式農藥殘留檢測儀研制摘要為快速檢測農產品農藥殘留,開發(fā)了基于酶抑制法的農產品農藥殘留快速檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)由固體光源、樣品池、單片機測量電路板及微機等組成,通過測量經(jīng)酶抑制反應的樣品溶液的吸光度值來實現(xiàn)農產品中農藥殘留的快速檢測。該儀器以單片機為核心，使用微型化LED單色光源與光電池檢測器，采用電池供電，體積小，重量輕，特別適于現(xiàn)場快速檢測；在儀器內采用溫度校正技術，在環(huán)境溫度為2040之間時無需恒溫即可直接測量，測量結果會自動校正為37時的抑制率，實現(xiàn)了真正意義上的手持式現(xiàn)場快速及穩(wěn)定分析。關鍵詞: 手持式；農藥殘留; 檢測系統(tǒng)；酶抑制率; 單片機中圖分類號: S4

5、81The Development of Handheld Pesticide Residue Analyzer Abstract ：In order to detect the pesticide residues quickly in agricultural products, a handheld pesticide Residue Analyzer was developed. The analyzer mainly consists of a solidlight, a sample container, a microcontroller. The amount of pesti

6、cide residues was determined by measuring the light absorbency of the sample liquid after inhibition reaction. The changes of light absorbency with reacting time, the influence of temperature on the activity of enzyme, and the relationship between the concent ration of pesticide residues and the inh

7、ibition rate of enzyme were investigated. The results show that the light absorbency increases with reacting time, and the increment is much higher in initial reacting period; the enzyme has good perform anceat the temperature of 2040; the inhibition rate of pesticide residues on the activity of enz

8、yme is distinct , and it can be determined that the pesticide residues exceed the normal level when the inhibition rate exceeds 70%. Key word: handheld; pesticide residue, LED light souce; single chip目次摘要11緒論51.1 課題研究背景及意義51.2 農藥殘留分析儀的發(fā)展趨勢62.設計原理72.1 農藥殘留分析原理72.1.1 酶抑制原理72.2.2 基于窄光LED分光系統(tǒng)原理73基于酶抑制法和

9、光電電路的農藥殘留檢測設備的研究93.1常見的幾種檢測方法93.1.1 氣象色譜法93.1.2 高效液相色譜法93.1.3 色譜-質譜法93.1.4有待發(fā)展的檢測方法103.2 酶抑制率快速檢測法104 系統(tǒng)硬件設計124.1檢測部分及器件選擇124.1.1 單色光源的選擇124.1.2 探測器的選擇134.2 單片機模塊144.2.1 單片機選擇14,4.3 顯示電路設計165. 系統(tǒng)軟件設計175.1 儀器結構與技術175.2 光學系統(tǒng)特點185.2.1 低功耗技術185.2.2 信號測量與數(shù)據(jù)處理185.2.3 溫度校正技術186. 數(shù)據(jù)分析196.1 實驗數(shù)據(jù)與分析196.1.1檢測水

10、中的有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘留196.1.2 樣品基質影響及消除206.1.3 酶抑制分光光度法快速檢測有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘留方法的性能指標評價21參考文獻23附錄A：樣品檢測流程展示24個人簡歷29學位論文數(shù)據(jù)集291緒論1.1 課題研究背景及意義農藥殘留指農藥使用后殘存于生物體、農副產品和環(huán)境中的痕量農藥原體、有毒代謝物、降解物和雜質的總稱。殘存的數(shù)量稱殘留量，以每千克樣本中有多少毫克（或微克、納克等）表示。農藥殘留是施藥后的必然現(xiàn)象，但如果超過最大殘留限量對人畜產生不良影響或通過食物鏈對生態(tài)系中的生物造成毒害，則稱為農藥殘留毒性，簡稱殘毒1。由于幅員遼闊，地理環(huán)境和氣候條件復雜，

11、農作物品種繁多，病蟲草鼠種類也很多，給我國農業(yè)生產帶來了嚴重的威脅。農藥作為一種快速、高效而經(jīng)濟的防治有害生物的武器，在保障農業(yè)豐收、促進高產、優(yōu)質、高效現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展等方面發(fā)揮著突出的作用。然而，絕大多數(shù)農藥，尤其是化學農藥及其代謝物和雜質存在著對人、畜、有益生物的毒害和對環(huán)境的影響等問題，如果使用不當，不僅造成浪費、而且會發(fā)生藥害、污染農產品及環(huán)境，還會發(fā)生中毒事故，危害人畜健康安全，造成嚴重后果25，尤其是果蔬類食品。蔬菜在我國民眾的膳食結構中占40%以上，據(jù)統(tǒng)計我國人均蔬菜年占有量（約250 kg）遠遠高于世界平均水平，因此蔬菜中農藥殘留問題應尤其重視。特別是大棚蔬菜，因溫度高、濕度

12、大、地塊單一等多種因素，病、蟲害發(fā)生更為嚴重，為了保證蔬菜生產，菜農只好大量使用化學農藥，從而導致害蟲和病原菌抗藥性的發(fā)展，菜田天敵數(shù)量減少、生態(tài)環(huán)境進一步惡化、蔬菜產品中農藥污染加重，然后現(xiàn)有的檢測方法大多耗時長，不能現(xiàn)場檢測。因此開發(fā)一種快速、便攜、穩(wěn)定的農藥檢測方法及其裝置刻不容緩，本課題針對上述問題擬開發(fā)一種手持式農藥殘留分析儀，結合化學和光學原理對果蔬類農藥殘留尤其是有機磷類農藥進行快速的定性檢測，從而解決農藥農藥殘留的初步快速檢測問題。1.2 農藥殘留分析儀的發(fā)展趨勢隨著農藥產業(yè)的發(fā)展，化學農藥在作物病蟲害的綜合防治中具有不可替代的作用，引起人們的普遍關注。農藥是把“雙刃劍”，它是

13、當前農業(yè)生產用于防治病、蟲、雜草對農作物危害不可缺少的有毒化學物質，對促進農業(yè)增產有極其重要的作用。農藥殘留量是指使用農藥后殘留于生物體、農副產品和環(huán)境中的微量農藥及其有毒的代謝物的總量?？刂妻r產品中農藥殘留量的關鍵環(huán)節(jié)之一就是對農產品中農藥殘留量及時、準確的分析檢測，因此，在流通領域中加強對農藥殘留量的快速檢測已成為十分必要的監(jiān)管措施。特別是果蔬食品，關系到老百姓日常生活的健康生活，因此對這方面的農藥殘留檢測刻不容緩。目前我國蔬菜中主要有3 類農藥殘留：一是有機磷農藥，作為神經(jīng)毒物，會引起神經(jīng)功能紊亂、震顫、精神錯亂、語言失常等癥狀；二是擬除蟲菊酯類農藥，毒性一般較大，有蓄積性，中毒表現(xiàn)癥狀

14、為神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和皮膚刺激癥狀；三是一些常用殺菌劑類農藥。有機磷農藥因在農業(yè)病蟲害防治方面具有高效、安全、經(jīng)濟、方便、應用范圍廣等特點，是我國現(xiàn)階段使用量最大的農藥。中國環(huán)境優(yōu)先檢測有機污染物“黑名單”中列出的10 種化學農藥，其中有機磷類農藥就占了7 種。因此，有機磷農藥殘留是我國農藥殘留分析的重點。1.3 常用農藥殘留檢測方法1.3.1 氣相色譜法氣相色譜法是一種經(jīng)典的分析方法。它具有操作簡單、分析速度快、分離效能高、靈敏度高以及應用范圍廣等特點。可進行多殘留分析，一般不適用現(xiàn)場檢測。凡是沸點大約在500，分子量在400以下的農藥,原則上都可以用氣相色譜法分離和分析，目前80以上的農藥可以用

15、它檢測5。1.3.2 高效液相色譜法高效液相色譜分析技術也是一種傳統(tǒng)的檢測方法，對于高沸點、熱穩(wěn)定性差、相對分子質量大的農藥原則上都可用高效液相色譜法進行分離、分析。由于其受檢測器發(fā)展限制，在應用初期只能檢測對紫外光有吸收和本身能發(fā)射熒光的農藥，限制了HPLC 的發(fā)展6。1.3.3 色譜-質譜法色-質聯(lián)用分析法包括氣-質聯(lián)用和液-質聯(lián)用。通過聯(lián)用，充分發(fā)揮色譜的分離、定量功能和質譜的定性功能。目前在農藥殘留分析中應用比較廣泛5，多用于農藥代謝物、降解物的檢測和多殘留檢測1。除了以上這些經(jīng)典檢測法外，還有活體檢測法、化學法、酶抑制法、免疫法等方法在日常檢測中被廣泛應用。1.3.4毛細電泳法 CE

16、具有高分離性能、分析速度快、運行成本低、應用范圍廣、低超微量進樣和幾乎沒有廢液等優(yōu)點。它非常適合用于那些難以用傳統(tǒng)的高效液相色譜分離的離子化樣品的分離與分析2。在農藥殘留分析中應用較多的主要有毛細管區(qū)帶電泳(CZE)和膠束電動毛細管色譜(MECC)，毛細管電泳儀常用的檢測器是紫外檢測器。只需要極少量的樣品，具有很大的應用潛力8。1.3.5 酶抑制率快速檢測法酶抑制檢測法能在短時間內檢測出有機磷( OPs) 及氨基甲酸酯(CBs)類農藥在果蔬中的殘留量，且成本低，易于操作，成為目前我國保證食品安全性的有效措施之一。酶抑制率法是利用有機磷和氨基甲酸酯類農藥的毒理特性而建立的一種生物技術12，13。

17、根據(jù)OPs和CBs類農藥對酯酶的特異性反應( 正是由于此特性，該法只能對有機磷和氨基甲酸酯類農藥進行測量) ,向農藥提取物中加入酶、底物和顯色劑，根據(jù)反應的動力學曲線即可判斷樣品中有機磷和氨基甲酸酯類農藥的殘留量14，15。農藥殘留越多，酯酶被抑制程度越大，生成產物物越少，吸光度越??；反之，生成的產物越多，吸光度越高。在整個反應體系中酶的種類和質量是決定檢測靈敏度的關鍵因素16?；诿敢种品ㄔ碓O計的農藥殘留檢測方法主要有試紙法、酶液比色法與酶傳感器法。酶傳感器法是基于該原理設計一個傳感儀器，進行多次已知農藥殘留濃度的樣品檢測，定標并建立數(shù)學模型，最終該儀器能夠快速的將樣品的農藥殘留濃度顯示出

18、來。2.設計原理2.1 農藥殘留分析原理膽堿酯酶催化-乙酸萘酯水解為-萘酚和乙酸，-萘酚與顯色劑固藍B鹽作用形成紫紅色的偶氮化合物，測定該物質在520nm處的吸光度值即可表示酶活性大小。有機磷農藥對膽堿酯酶具有抑制作用，如果試樣中沒有農藥殘留或者殘留量極小，酶的活性不被抑制，-乙酸萘酯被催化水解，水解產物通過與顯色劑作用顯色；反之，如果農藥殘留量較高，酶的活性就會被農藥所抑制，水解產物減少或者沒有產物生成。通過吸光值的變化可表示酶被抑制的程度，進而反映有機磷農藥的含量。分析過程中需使用恒溫設備進行37恒溫。詳細的分析操作參見文獻7。目前面市的各種農殘檢測儀基本都是采用上述的兩點恒溫法。本儀器對

19、以上分析方法進行了改進：采用6點法測量斜率值K0和Kt；使用光強直讀技術和改進的算法；加入了溫度校正程序等。2.2 基于窄光LED分光系統(tǒng)原理基于窄帶LED光源組的準連續(xù)分光系統(tǒng)，包括窄帶LED光源組、LED光源驅動電路、LED安裝板、步進電機、控制系統(tǒng)，窄帶光源組由若干個窄帶LED光源組成，LED窄帶光源按中心波長遞增或遞減的順序安裝在LED安裝板上并與LED光源驅動電路相連，步進電機驅動LED安裝板移動，控制系統(tǒng)使移動到位的LED光源驅動電路導通；步進電機的轉速和停止時間由控制系統(tǒng)控制。本發(fā)明無單獨的分光部件，光路結構簡單緊湊，光源穩(wěn)定可靠，耗電極低，掃描速度快，特別適合于作為便攜式光譜儀

20、的光源和分光系統(tǒng)，可以廣泛用于紫外可見光光譜儀和近紅外光譜儀中。圖2.1所示為基于窄帶LED光源組的準連續(xù)分光系原理圖，圖2.2所示為本系統(tǒng)的LED驅動原理圖，圖2.3所示為光路設計原理圖。圖2.1 基于窄帶光源組的準連續(xù)分光系原理圖圖2.2 LED驅動原理圖（有明顯的拷貝痕跡，）圖2.3 光路設計原理3 系統(tǒng)硬件設計3.1檢測部分及器件選擇現(xiàn)有的農殘檢測儀大多以220V交流電供電，體積較大；少數(shù)農殘檢測儀雖然采用了微型化設計，但由于酶的活性受溫度影響很大，測量時需使用恒溫裝置，不易攜帶，難以實現(xiàn)真正的手持式現(xiàn)場檢測。本工作介紹的儀器以單片機為核心，使用了微型化半導體光源與檢測器，采用電池供電

21、，體積小，重量輕，特別適于現(xiàn)場快速檢測；首次在儀器內采用溫度校正技術，在環(huán)境溫度為2040之間時無需恒溫即可直接測量，測量結果會自動校正為37下的抑制率Y37，實現(xiàn)了真正的手持式現(xiàn)場分析。3.1.1 單色光源的選擇本儀器摒棄體積龐大的熱光源和結構復雜的分光系統(tǒng)，采用高穩(wěn)定的窄帶小發(fā)散角LED單色光源，LED中心波長約為520nm，半波寬（FWHM）小于10nm，發(fā)散角小于5°，中心波長準確性±1 nm。LED光源采用獨立的恒流源電路驅動，輸出光強穩(wěn)定。而酶體系顯色后吸收峰在520 nm左右，因而本儀器所用單色光源可以滿足分析要求，如圖圖4.1所示。圖3.1LED光源實物照片

22、及外形尺寸3.1.2 探測器的選擇本儀器的探測器采用VISHAY 半導體公司的BPW21硅光電池。其安裝尺寸見圖3.4 ： 圖3.2 BPW21R硅光電池的外形及其安裝尺寸 其相對光譜靈敏度見圖3.3。在350nm750nm范圍內有較高的響應靈敏度（高于人眼的感覺靈敏度）。圖3.3 BPW21R硅光電池相對光譜靈敏度（黑線部分）3.2 單片機模塊 3.2.1 單片機選擇本文采用AVR單片機ATmega16，外部系統(tǒng)接線如圖4.6所示。圖4.7溫度校正電路示意圖，采用DS18B20溫度傳感器。圖3.4外部系統(tǒng)接線圖圖3.5 DS18B20溫度傳感器 圖3.6 手持式農藥殘留檢測儀內部構造 圖3.

23、7 手持式農藥殘留檢測儀外觀圖3.6和圖3.7分別為內部構造和外觀圖。該儀器能夠定性的對有機磷及氨基甲酸酯類農藥在果蔬中的殘留量進行快速檢測。且該儀器為手持式儀器，攜帶方便，相比其它檢測方法，該方法檢測時間非常短，能夠實時利用。雖然該方法在精確度上不是很高，但是能夠快速定性檢測，在一級檢測方面有重要作用，在果蔬農貿市場等處都有重要作用。3.3 顯示電路設計圖3.8 顯示電路設計現(xiàn)在市場上有有各種農藥殘留檢測儀器，本文設計的手持式農藥殘留快速檢測儀器，儀器的電路模塊主要分為光源模塊、吸光度的檢測模塊、信號的處理、主控芯片模塊和顯示按鍵電源等等模塊，模塊原理如圖3.9所示：通過綠色光源發(fā)射有機磷及

24、氨基甲酸酯類農藥反應的酶溶液所需的最大吸收波長，當待測樣品中有農藥時，能夠通過各個模塊將農藥殘留含量直觀、快速的顯示在液晶顯示屏上。圖3.9農藥殘留檢測儀器電路圖 4. 系統(tǒng)軟件設計4.1 儀器結構與技術儀器由光學部分、單片機與輔助電路、輸入輸出3大部分組成。圖1為儀器的結構框圖。圖4.1 硬件系統(tǒng)結構框圖光學部分單色光源比色池檢測器光源穩(wěn)壓控制電路信號調制單片機與輔助電路單片機電源控制實時時鐘數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)監(jiān)控溫度測量液晶顯示屏觸摸屏/鍵盤串行通訊輸入輸出部分光學部分包括LED單色光源、比色池、光電檢測器以及相應的輔助與控制電路。整個光學部分封裝在一個密閉的暗室之內，可有效避免外界雜散光的影響

25、。增強型51單片機是整個儀器的控制中心，輔以穩(wěn)壓電源、非易失性存貯器、實時時鐘、溫度傳感器等外圍器件，實現(xiàn)了儀器的自動化與智能化。輸入輸出部分包括漢顯液晶屏、觸摸屏/鍵盤、串行接口等。128×64點陣的漢顯液晶屏，可在分析過程中提供詳盡的幫助信息；根據(jù)市場定位的不同，可以選擇觸摸屏或鍵盤作為輸入設備；本儀器最多可保存約2000組檢測數(shù)據(jù)。通過串行接口可直接上傳至PC機，也可掛接串行打印機直接打印測量結果。本儀器可使用電池作為電源，外形尺寸約為200mm×110mm×45mm，整機重量小于500g，無機械運動部件，且智能化程度高，可以滿足農藥殘留現(xiàn)場快速檢測的要求。

26、4.2 光學系統(tǒng)特點4.2.1 低功耗技術對于電池供電的手持式儀器，低功耗設計就顯得尤為重要。本儀器選用的所有元器件都是3.3V工作電壓，功耗遠小于傳統(tǒng)的5V系統(tǒng)。對功耗相對較大的半導體光源和檢測器采用了間歇式工作方式，只在測量的瞬間通電工作(通電時間<1s)；觸摸屏控制器、串行接口電路等也會在空閑時自動轉入等待狀態(tài)(Idle)。這些低功耗技術的綜合應用，有效延長了電池的使用壽命。一般情況下，一組干電池可使用數(shù)月。4.2.2 信號測量與數(shù)據(jù)處理在本儀器上，將國字標準方法的兩點測量方式改為每隔0.6min測量一次光強值，3min共測量6個數(shù)據(jù)點，儀器內置的測量軟件會對數(shù)據(jù)進行最小二乘線性回

27、歸計算求得K值。實驗結果表明，改進的測量方式精密度優(yōu)于兩點測量方式。通過數(shù)學推導發(fā)現(xiàn)，只要光源保持穩(wěn)定，在計算Y值時，可以直接以各時段測得的光強值It來計算，不需要計算A值，也不需要測量光源的初始光強I0。對于本儀器所用的6點測量方式，斜率K的計算公式可簡化為9： 5. 數(shù)據(jù)分析5.1 實驗數(shù)據(jù)與分析5.1.1檢測水中的有機磷和氨基甲酸酯類農藥殘留以敵敵畏和克百威為例，配制系列濃度的敵敵畏和克百威標準品溶液，按2.2.5.1所述的實驗方法測定農藥對植物酯酶的抑制率，繪制植物酯酶的抑制率曲線，結果見圖3-13。圖6.1 敵敵畏和克百威對植物酯酶的抑制率曲線實驗結果表明，敵敵畏和克百威在0.092

28、00 mg/kg范圍內，植物酯酶抑制率與農藥濃度對數(shù)值呈線性關系，回歸方程為：敵敵畏：Y = 9.1321 Ln(X) + 33.904 （R = 0.9893）克百威：Y = 10.738 Ln(X) + 26.125 （R = 0.9962）其中Y為農藥對植物酯酶的抑制率，X為農藥標準品溶液濃度。在進行實際樣品中農藥殘留測定時，為了減小誤差，一般認為植物酯酶抑制率35%時，樣品中有農藥殘留。所以本法的最低檢出限如下：敵敵畏IC35 1.13 ± 0.42 g/kg 克百威IC35 2.28 ± 0.76 g/kg參考文獻1 付穎,等.農藥殘留物的檢測方法.化學工程師J,

29、2000(5):46-472 王金斌，譚芙蓉，王利剛，段可，朱宏，趙凱，唐雪明乙酰膽堿酯酶酶抑制法快速檢測農藥殘留的研究進展J上海農業(yè)學報，2009，25( 4) :131-1353 王朝瑾 蔡琦.農藥產品中農藥殘留的檢測趨勢J.現(xiàn)代科學儀器.2006（1）:106-1074 郭永澤,等.當前農藥殘留分析技術及發(fā)展趨勢J.天津農業(yè)科學,2002(8):22-255 景作亮,等.農作物殘留農藥主要檢測方法及其研究進展J. 安徽農業(yè)科學,2004,32(5):1024-10276 仲維科,等.食品農藥殘留分析進展J.分析化學,2000,28(7):904-9107 馮秀瓊.農藥殘留分析技術進展概況J.農藥,1998,37(2): 8-108 朱玲,等.測定氨基甲酸酯類農藥生物傳感器的研制J.中國衛(wèi)生檢驗雜志,2002,12(2):154-1559 周小芳,等.水果表面殘留農藥的拉曼光譜研究.光散射學報J,2004,16(1):11-1410 周向陽,等.近紅外光譜法(NIR)快速診斷蔬菜中有機磷農藥殘留J.食品科學,2004(5):151-15411 Xu S C，Wu A B，Chen H D，et al Production of a