固態光源食品安全快速檢測儀的研制

張冠文　曾成柱　劉日威

摘 要：光譜儀實現單色性的方法包括光柵分光、濾色片分光、棱鏡分光等，固態光源食品安全快速檢測儀直接從光源端實現單色性，因其功耗低、防潮、抗振動、光路簡單等特性而獲得廣泛應用，該類儀器適合在生產基地、農貿市場、超級市場等沒有完善實驗條件的基層單位普及。本文介紹了固態光源食品安全快速檢測儀的原理、儀器系統設計、光路設計、電路設計等內容。

關鍵詞：食品安全快速檢測儀；固態光源；農藥殘留檢測；甲醛檢測；二氧化硫檢測；亞硝酸鹽檢測；標準曲線；空白扣除

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A

0.引言

《國家十三五規劃綱要》將食品安全列為國家戰略，近年光譜類食品安全快速檢測儀被廣泛使用，從單色性實現角度看，其種類包括光柵分光類、濾色片分光類、棱鏡分光類、固態光源類幾類。

固態光源類食品安全快速檢測儀直接從光源端實現單色性，無需額外分光器件，具有功耗低、防潮、抗振動、光路簡單等特性，已被不斷布局到全國的基層食品藥品監管所、農檢站、蔬菜生產基地、農貿市場、超市、食堂等單位。

固態光源食品安全快速檢測儀的具體實現有不同的技術路線，研制可靠、易用、低成本，同時具有市場競爭力的儀器是具有挑戰性的課題，本文將進行一定范圍的探討。

1.儀器檢測原理

下文通過幾個檢測方法實例介紹儀器檢測原理。

（1）農藥殘毒檢測基本原理

有機磷和氨基甲基酯類農藥能抑制昆蟲中樞和周圍神經系統中乙酰膽堿酶的活性，造成神經傳導介質乙酰膽堿的積累，影響正常傳導，使昆蟲中毒致死，根據這一昆蟲毒理學原理，用在對農藥殘留的檢測中。加入反應試劑后，用分光光度計于波長410nm處測定吸光值隨時間的變化值，計算出酶抑制率，判斷蔬菜中含有有機磷或氨基甲酸酯類農藥的殘毒情況。即：

（2）甲醛檢測基本原理

基本原理是在過量銨鹽存在下，甲醛與乙酰丙酮生成黃色化合物，于414nm波長處進行分光光度測定，與標準系列比較定量。

（a）吸取適量試樣于25mL具塞刻度管中，用水稀釋至標線。加入2.5mL乙酰丙酮溶液，搖勻。于45℃～60℃水浴中加熱30min，取出冷卻。

（b）用10mL比色皿，在波長414nm處測量吸光度，減去空白試驗所測得的吸光度，從標準曲線上查出試樣中甲醛的含量。

（3）二氧化硫檢測基本原理

二氧化硫（亞硫酸鹽）與四氯汞鈉反應生成穩定的絡合物，再與甲醛及鹽酸副玫瑰苯胺作用生成紫紅色絡合物，于波長550nm處測吸光度，與標準系列比較定量。

（4）亞硝酸鹽與硝酸鹽檢測基本原理

試樣經沉淀蛋白質/除去脂肪后，在弱酸條件下亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸重氮化后，再與鹽酸萘乙二胺偶合形成紫紅色染料，于波長538nm處測吸光度，與標準系列比較定量。

2.儀器系統設計

（1）確定儀器檢測對象需求

根據有毒有害物質和食品添加劑的使用情況，確定儀器的檢測對象。農藥殘毒：蔬菜、水果、糧食；甲醛：水發水產品；二氧化硫：蘑菇罐頭、竹筍、粉絲、食糖、干菜、蜜餞、湯料；亞硝酸鹽：腌制食品、肉制品等。

（2）確定儀器的設計指標

光譜類食品安全快速檢測儀的國家計量檢定標準正在制定中，現在可以作為儀器設計指標的標準是地方標準，如廣東省計量院和中國廣州分析測試中心（廣東省測試分析研究所）制定的《JJG（粵）006-2005農藥殘留快速檢測儀檢定規程》。

關鍵指標包括：

測量精度：5%。

零點漂移：±0.5%/3min。

光電流漂移：±1.0%/3min。

透射比誤差：±2%。

透射比重復性：0.5%。

通道間誤差：1%。

（3）設計檢測流程

根據儀器檢測基本原理、檢測對象、最終用戶知識水平、儀器設計目標，設計檢測流程，如圖1所示。

（4）儀器測量內部流程

基層用戶不能自行做復雜數據處理，需要“一鍵測量”后直接輸出樣品檢測含量和實時打印原始記錄。

農藥殘毒檢測測量的是吸光度的變化，儀器測量內部流程包括對照測量、樣品測量、抑制率計算。

對照測量的吸光度變化計算如下，其中I0表示初始光強，It1表示時間t1時的光強，It2表示時間t2時的光強：

樣品測量的吸光度變化計算如下：

酶抑制率計算如下：

甲醛、二氧化硫、亞硝酸鹽等危害物的儀器測量內部流程包括建立標準曲線、空白測量、樣品測量幾個步驟，詳見本文作者早期寫的《光譜類食品安全快速檢測儀空白扣除原理》一文。

（5）標準曲線

食品安全快檢沒有消解等復雜前處理，校準曲線實際是標準曲線，建立此類標準曲線有幾個要點：標準曲線需要5個數據點，數據點選取時最高吸光度不適宜超過1ABS，且待測物的國家限量值應包含在數據點中；標準曲線截距與零做T檢驗后去除，包先金分析了標準曲線不去除截距時，樣品測量信號扣除空白后直接代人標準曲線計算會引起誤差；參與標準曲線計算的數據點和進行實際樣品含量計算的數據點均需要是扣除空白的純反應信號。

3.光路設計

典型的光譜儀由5部分組成：

（1）穩定的輻射源。

（2）選用限定波長區域的部件。

（3）透明的樣品容器。

（4）輻射檢測器或換能器。

（5）信號處理器和讀出裝置。

傳統的紫外-可見分光光度計，如國產72型、721型、751型、英國SP500、日本島津QV-50型，其工作原理可歸結為圖2。

固態光源食品安全快速檢測儀光路設計的目標是取消單色器，達到如圖3所示效果，其技術關鍵是選用合適的LED光源。

食品安全快速檢測屬于分子光譜檢測，分子光譜的吸收峰通常達數十納米，例如農殘檢測試液吸收峰半峰寬達60nm，亞硝酸鹽檢測試液吸收峰半峰寬達80nm。光譜儀用LED要求光譜寬度小于待檢測試液吸收峰且光強度足夠大。國內某品牌的410nm（SF-5WTUV34）LED光譜寬度30nm，發光強度400毫燭光，半功率視覺±7.5度，能滿足要求，美國SET公司的LED產品性能更優秀些。

4.嵌入式系統設計

嵌入式系統設計涉及架構體系的選擇問題，DSP處理器、x86處理器的編程和電路設計復雜度高，成本也高。C51系列單片機雖然易用、成本低，但已不適合功能越來越復雜的應用，ARM系列單片機易用性和成本與C51系列接近，但運算處理能力提高了數十倍，在本應用中較合適。電路系統設計如圖4所示，通過CPLD芯片擴展了大量控制端口。

儀器人機界面部分，使用普通的液晶屏已經落后于時代的需求，帶觸摸控制功能的真彩高分辨串口屏具有良好的競爭力。對于高端用戶，可以直接使用WIFI接口連接平板電腦用作人機界面。

2CU025作檢測器時的信號放大電路為零伏偏置電路，如圖5所示。這種電路線性好，輸出光電流大，噪聲低，信噪比高。

5.儀器性能

儀器性能檢定依照《JJG（粵）006-2005農藥殘留快速檢測儀檢定規程》進行，比較關鍵的指標如表1“透射比測量”和表2“穩定度測量”所示，基本性能優于標準規定。

結語

產品的研發首先要符合社會民生的需求，作為檢測儀器還需要符合相關國家標準的要求，系統設計時考慮的是用最低的成本達到規定的技術性能，具體實現時需要用各技術領域主流的技術方案，這樣才有市場競爭力。基于本文介紹技術的產品已經在市場上獲得廣泛認可，文中存在不足之處，僅供同行交流研討。

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