基于物聯(lián)網(wǎng)的便攜式免疫層析儀分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸體系構(gòu)建及應(yīng)用*

易 寧，熊勇華

(1.南昌大學(xué) 分析測試中心，江西 南昌330047；2.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330047)

目前，我國食品中真菌毒素、農(nóng)藥獸藥殘留超標(biāo)、濫用食品添加劑和非法添加違禁物質(zhì)以及食品中反式脂肪酸等問題十分突出，食品安全事故也頻繁發(fā)生，如曾經(jīng)出現(xiàn)的河南“瘦肉精”事件、上海“染色饅頭”事件、湖北“毒生姜”事件等，給消費(fèi)者健康造成巨大威脅[1-3]。出現(xiàn)這些事件的原因是多方面的，其中缺乏有效的食品安全預(yù)警技術(shù)體系也是一個(gè)重要因素。西方發(fā)達(dá)國家普遍為食品市場監(jiān)控建立了安全預(yù)警系統(tǒng)、可追溯系統(tǒng)[4-6]等，采用了先進(jìn)的手段和方法實(shí)現(xiàn)了從食品生產(chǎn)、加工和流通即“從農(nóng)田到餐桌”的全過程控制，從而有效地保證了食品品質(zhì)的安全。近年來，我國的食品安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)也初見成效，國家及各省市也紛紛建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以保障食品安全預(yù)警系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是仍然存在許多問題[7-8]。

(1)食品安全的檢測標(biāo)準(zhǔn)不完善，現(xiàn)有的定性檢測及抽檢手段相對(duì)落后，缺少食品安全方面比較規(guī)范全面的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性、可靠性、可比性、溯源性、權(quán)威性，特別是檢測結(jié)果國際認(rèn)可度低，不能為保障貿(mào)易安全提供有效支撐。

(2)現(xiàn)有的監(jiān)測預(yù)警水平低，構(gòu)建的預(yù)警體系所采用的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)相對(duì)滯后，覆蓋面較狹窄，信息交流不充分。

(3)預(yù)警防范機(jī)制缺乏系統(tǒng)性，從農(nóng)田到餐桌，農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生、質(zhì)檢、工商、藥監(jiān)等多個(gè)部門實(shí)行分頭監(jiān)管，缺少統(tǒng)一機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)，監(jiān)測、信息收集發(fā)布決策、執(zhí)行、評(píng)估工作缺少統(tǒng)一的流程及平臺(tái)載體，而系統(tǒng)性的缺失也容易導(dǎo)致信息失真和效率降低。

(4)信息交流體系的建立不完善，缺少對(duì)食品安全信息的獲取、鑒別手段，難以保證及時(shí)搜取到客觀的信息，而且信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)局限于一定范圍內(nèi)，對(duì)其他地區(qū)突發(fā)事件產(chǎn)生原因的獲取存在滯后性[9]。因此研究開發(fā)以新的信息技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)為基礎(chǔ)的食品安全預(yù)警技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)食品從“農(nóng)田到餐桌”的有效管理與監(jiān)控，是我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的必然需求。

1 便攜式膠體金免疫層析定量檢測系統(tǒng)原理

膠體金免疫層析定量檢測系統(tǒng)由便攜式讀取儀以及膠體金免疫層析試紙條組成。試紙條顯色完成后，送入讀取儀中，在步進(jìn)馬達(dá)的傳輸下，試紙條T(Test line)、C(Control line)線沉積的膠體金反射信號(hào)值的大小與溶液中待測物濃度的對(duì)數(shù)成一定的比例關(guān)系[10-11]。通過T/C比值方式可有效地消除試紙條加工過程中以及檢測環(huán)境造成的T線顯色差異，實(shí)現(xiàn)了讀取儀內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)曲線定量分析的原理，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 便攜式讀取儀的光學(xué)設(shè)計(jì)原理

膠體金讀取儀由試紙條傳送系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、光學(xué)組件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)等組成。通常膠體金對(duì)綠色光源具有較強(qiáng)的吸收(免疫層析試紙條膠體金顆粒最大吸收光譜通常介于520nm～530nm)，因此光源系統(tǒng)由特制的小功率高亮度的綠色LED組成，通過一組透鏡作用將綠色光聚焦至試紙條上，試紙條上膠體金所產(chǎn)生的反射光通過另一組透鏡組聚光后被光電轉(zhuǎn)換接收器所采集，通過測量試紙條檢測帶與質(zhì)控帶對(duì)綠色波長的吸收光密度判斷被檢物的濃度。儀器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)LED的控制、精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制、極弱光信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等，并通過軟件分析實(shí)現(xiàn)了背景光補(bǔ)償、檢測時(shí)間的控制，大大提高了弱信號(hào)試紙條測量的重復(fù)性，減少了人工干預(yù)，提升了儀器的智能化程度。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的免疫層析讀取儀分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸體系構(gòu)建

膠體金免疫層析試紙條讀取儀由LED發(fā)光電路模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、掃描檢測模塊及顯示模塊組成，工作原理如圖2所示。

圖2 膠體金免疫層析試紙條讀取儀工作原理的技術(shù)流程圖

讀取儀的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸體系包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括微控制器及GPRS/GSM模塊。其中，微控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F101RBT6。GPRS/GSM模塊采用的是中興通訊公司生產(chǎn)的MG2639模塊，其可同時(shí)連接6路IP或UDP鏈路，并且單次接收最高4.5k的用戶數(shù)據(jù)并發(fā)送，以及接收最高1.3k的服務(wù)器數(shù)據(jù)。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元與手持設(shè)備的通信方式是通過232串口與本地手持檢測設(shè)備進(jìn)行通信；后臺(tái)數(shù)據(jù)中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與手持檢測設(shè)備的通信，硬件設(shè)計(jì)部分框圖如圖3所示。

圖3 便攜式讀取儀的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸原理圖

軟件部分由系統(tǒng)初始化、通信連接、數(shù)據(jù)上傳等模塊組成，程序流程如圖4所示。數(shù)據(jù)中心將菜單數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸給手持檢測設(shè)備，手持檢測設(shè)備通過液晶屏將菜單數(shù)據(jù)顯示出來。檢測設(shè)備獲取檢測數(shù)據(jù)后將其發(fā)回物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元即刻將檢測數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)中心。

圖4 便攜式讀取儀的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)路線圖

3 樣品分析及數(shù)據(jù)傳輸

本文以試紙條測定豬肉樣品中鹽酸克倫特羅為例，驗(yàn)證所構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可行性。稱取一定量的豬肉樣品，采用所制備的磺酸化聚苯乙烯納米磁珠對(duì)樣品進(jìn)行前處理，結(jié)合免疫層析試紙條，用讀取儀進(jìn)行檢測，并將所測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。結(jié)果顯示，該檢測方法對(duì)豬肉樣本檢測結(jié)果與HPLC/MS/MS法檢測結(jié)果接近(見表1)，同時(shí)，所檢測的數(shù)據(jù)系統(tǒng)能自動(dòng)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

表1 豬肉檢測卡與HPLC-MS/MS對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文以便攜式免疫層析讀取儀為載體，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究構(gòu)建了分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸體系，并以試紙條測試豬肉中鹽酸克倫特羅為例，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明，所構(gòu)建的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，能同步將測量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心；便攜式免疫層析讀取儀具有較好的機(jī)械傳送性能，具體表現(xiàn)為單個(gè)樣品檢測時(shí)間小于10s；具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性，其單個(gè)樣品連續(xù)檢測100次，變異系數(shù)小于4%；擁有較強(qiáng)的弱光學(xué)信號(hào)穩(wěn)定采集能力，可實(shí)現(xiàn)膠體金試紙條高靈敏定量檢測；實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)傳輸，可及時(shí)有效地對(duì)食品品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)管。