基于上轉換發光技術的便攜式食品安全檢測儀設計*

康 震, 丁 利, 程云輝, 朱穎越, 許 宙

(1.長沙理工大學 化學與食品工程學院，湖南 長沙 410114；2.常熟理工學院 生物與食品工程學院，江蘇 常熟 215500)

0 引 言

常見的熒光發光材料遵循斯托克斯發光原理，材料被高能光激發，發射出低能光；而上轉換材料發光原理則相反，它是被低能光激發，發射出高能光，即吸收低能量的長波長紅外光子，發射出高能量的短波長可見光光子。使用上轉換材料作為檢測體系的發光材料，它具有發光性能穩定，特征發射波長明顯，靈敏度高等優點[1]。

當前已經存在的便攜式食品安全檢測設備對于樣品中食品危害因子濃度信號的檢測和轉換主要采用酶聯免疫和電化學傳感方法。利用酶聯免疫方法存在耗時長，樣品中生物材料本底干擾等問題；而現有利用電化學傳感檢測方法的便攜式檢測設備，其檢測限低，滿足不了微量檢測的需求，穩定性差，無法對樣品中食品危害因子的濃度進行準確定量檢測[2]。近年來，上轉換材料正在不斷應用于食品安全(重金屬、食源性微生物、農藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、非食用物質等)檢測領域。上轉換熒光快速檢測法與酶聯免疫和電化學傳感等快速檢測方法相比，生物材料本底熒光信號干擾小，檢測誤差低，穩定性好，檢出限可高出1～2個數量級，能夠檢測多種食品危害因子，更適合應用于食品安全快速定量檢測。

本文研制了基于上轉換發光技術的便攜式食品安全檢測儀。通過信號檢測光路系統檢測上轉換材料受到激發后產生的發射光，并將發射光信號進行光電轉換后得到對應的電壓值，根據單片機內所預設食品危害因子濃度和電壓值的標準曲線來反演計算被測樣品中食品危害因子濃度，從而實現定量檢測。該檢測儀體積為300 mm×300 mm×180 mm，質量為3.6 kg，成本低,內置可充電鋰電池,無需交流電供電，符合小型化及便攜式的特點。

1 測量原理與系統構架

1.1 測量原理

上轉換納米材料(up-conversion nanoparticles，UCNPs)能夠在980nm波長低能光激發條件下，產生543 nm波長的特征發射光。當在上轉換材料表面偶聯適配體(DNA單鏈)，組裝成為UCNPs-DNA1；在金納米材料(Gold Nanoparticles，AuNPs)表面偶聯DNA2，組裝成為AuNPs-DNA2。UCNPs-DNA1探針和功能化修飾的AuNPs-DNA2通過DNA的雜交反應組裝在一起，形成熒光共振能量轉移體系，上轉換材料發生熒光淬滅，導致組裝體系熒光信號減弱[3]。

當檢測體系中有目標物存在時，偶聯適配體的上轉換材料會優先和目標物結合，導致AuNPs-DNA2無法和UCNPs-DNA1結合發生熒光共振能量轉移。利用目標物的濃度介導熒光共振能量轉移組裝體系產生特征發射光的熒光強度[4]。檢測儀的信號檢測光路采集不同濃度條件下產生的熒光信號，并將熒光信號轉換為對應的電壓信號，信號處理電路對電壓信號進行分析處理，建立目標物濃度和發射光產生電壓值的線性關系。檢測儀根據檢測到待測樣品所產生發射光的電壓值，即可反演推算出目標物的濃度值。

1.2 系統構架

整機系統以STM32F103C8T6 單片機為核心，主要由信號檢測光路系統和信號處理電路系統構成。首先，通過紅外光激發器激發樣品池中的上轉換材料，其樣品池中上轉換納米材料會發出543 nm特定波長的發射光。然后該發射光依次經過濾光片、透鏡和狹縫，將發射光進行相應處理得到光信號，再通過光電倍增管將該光信號轉換成電壓信號[5]。最后，該電壓信號經過運算放大器放大，將電信號輸入單片機進行A/D轉換得到相應的數字信號，根據單片機內所預設電壓值和目標物濃度值的擬合線性關系，單片機對檢測到的關于樣品濃度的電壓值進行分析和處理，得到目標物濃度，并在顯示屏上顯示[6]。

2 硬件設計

2.1 信號檢測光路系統設計

2.1.1 激發光源的選擇

由于上轉換材料所需激發光的波長為980 nm，本系統光源采用的是980 nm紅外光激發模組。其最大功率僅為1 W，工作電壓為12 V，易于與集成電路相匹配。激發光源的輸出波長為(980±5)nm, 單色性較好、性能穩定。激發光源平均使用壽命超過1 000 h，價格低廉，非常適合小型化儀器。

2.1.2 信號檢測光路系統

濾光片、透鏡、狹縫和光電倍增管組成了信號檢測光路系統。樣品池中的上轉換材料經過980 nm紅外光激發后產生543 nm波長的特征發射光，該發射光依次經過濾光片、透鏡、狹縫和光電倍增管，發射光信號轉換為電壓信號[7]。光路系統結構如圖1所示。

圖1 光路系統結構示意

濾光片的透過中心波長約為543 nm，濾光片使大部分偏離光源中心波長的光被過濾，保留波長在543 nm附近的綠色熒光信號。其透鏡為正膠合透鏡，將經過濾光片發散的光線匯聚成平行光，消除色差。經過透鏡的光信號進一步通過狹縫，狹縫能夠調節光信號的純度和強度。經過狹縫調節后的光信號被光電倍增管所接收，光電倍增管將接收的光信號經過9級放大后轉換成模擬電信號，以電流的形式輸出，電流信號經過并聯電阻器轉變成電壓信號[8]。

所有光路元件封裝在黑色的金屬外殼內，其光信號傳輸過程在密閉黑暗的環境中完成，能夠避免受到外界自然光的干擾。

2.2 信號處理電路系統設計

該系統包括運算放大器、單片機、存儲單元、觸控屏、打印機以及WiFi模塊，電路系統結構框圖[9]如圖2所示。檢測儀內置一個可充電鋰電池，為整個檢測儀供電，能夠連續工作12 h。人機交互采用一體式電容觸控屏完成儀器檢測數據顯示、儀器設置和數據保存處理等，避免了使用外部按鍵對硬件電路造成負擔。

圖2 電路系統框圖

2.2.1 信號采集與放大電路設計

信號采集與放大電路如圖3所示，光電倍增管輸出電流，并聯電阻器R6(100 Ω)將電流信號轉換為電壓信號。LMH6647是輸出電壓反饋放大器，其中輸入電阻器為R9(150 Ω)反饋電阻器為R11(4 700 Ω)，反向輸入比例運算電路的比例常數為-R11/R9,則此運算放大器的放大倍數約為30倍，輸出電壓信號Vo在原有的輸入電壓信號Vi基礎上放大了30倍。輸出電壓信號通過引腳Lgt M將電壓信號傳送至單片機。

圖3 信號采集與放大模塊電路

2.2.2 控制電路設計

本檢測儀選用STM32F103C8T6型芯片作為單片機，在其支配下，光電倍增管將電壓信號傳送至運算放大器，運算放大器將電壓信號放大，并傳送至單片機。單片機的A/D轉換模塊將該電壓信號以正比于發射光熒光強度信號的數字信號形式輸出，供單片機進行數據分析計算，最終得到樣品中待測目標物的濃度值。觸控屏控制檢測儀的使用。存儲單元用于保存檢測記錄，打印機即時打印檢測結果。WiFi模塊連接網絡把檢測數據上傳至客戶端[10]。

2.2.3 網絡傳輸電路設計

為實現檢測數據傳輸到監測客戶端，檢測儀需要具有連接網絡通信的硬件模塊。WiFi模塊連接網絡熱點易得，連接穩定，并且成本較低。WiFi模塊采用ESP8266直插在檢測儀電路板上實現連接網絡功能，WiFi模塊通過串口獲取單片機傳送的檢測數據，并上傳至客戶端。

3 軟件設計

嵌入式軟件的設計采用C 語言編程，該軟件采用模塊化編程方法，主要包括以下函數:

1)嵌入式主控程序主要控制儀器工作過程中的五大任務：信號采集、濃度計算、觸控顯示、數據打印、網絡傳輸。

2)信號采集程序主要針對光電倍增管的后端信號采集過程。在濃度信號采集過程中選擇12位采集方式，并根據信號采集過程中的對應轉換命令進行信號轉換，將模擬信號轉換為數字信號[11]。

3)濃度計算任務調用濃度模型函數進行計算，在進行濃度計算任務時，調用關于該目標物的濃度模型函數，并將采集到的數字信號代入到該函數，即可完成樣品中食品危害因子濃度計算過程。

4)觸控屏主要執行顯示功能，輔助觸摸操作。觸摸屏通過串口通訊給單片機發送指令，單片機按照通訊協議接受指令，執行相關操作，并將處理后的顯示數據傳送至觸控屏顯示。觸控顯示程序包括三部分功能，分別為系統設置、濃度檢測(切換檢測對象)和數據查詢。

5)單片機通過串口連接打印機，單片機和打印機同步波特率，單片機發送數據給打印機執行打印任務。

6)基于TCP/IP以太網通信機制，進行網絡熱點連接和數據傳輸。通過WiFi模塊連接網絡熱點，進行目標IP地址網關配置，傳送檢測數據[12]。

4 實驗結果與分析

在優化檢測儀的光路和電路系統性能之后，開始驗證整臺儀器的功能。首先在實驗室條件下，將上轉換材料配制成10～100 mgn/L一系列濃度梯度的溶液，用熒光分光光度計測試不同濃度的上轉換材料的熒光強度值，發現上轉換材料的濃度值和熒光強度值具有線性相關性。用本文設計的檢測儀測定同一系列濃度的上轉換材料，測得上轉換材料的濃度值和熒光信號所產生電壓值的線性關系如圖4所示。觀察到輸出的電壓值會隨著上轉換材料濃度的變化而有規律變化，其總體規律為發射光的電壓值會隨著上轉換材料的濃度增加而增加，表明光路和電路信號傳輸準確可靠[13]。測試結果表明，本光電系統檢測熒光信號工作性能理想，可以滿足后續食品危害因子濃度檢測的需求[14]。

圖4 上轉換材料的濃度和電壓值的線性關系曲線

經過試驗測得檢測鎘標準樣品的線性范圍為0.05～20 μgn/L，其檢測限為0.02 μgn/L,其中國家對飲料中的鎘的限量標準為3 μgn/L,本檢測儀的檢測限遠遠低于國家的限量標準[15],可以用于樣品中重金屬鎘的檢測。為了驗證所設計的檢測儀在實際樣品檢測應用中的精確性和實用性，對怡寶水樣品進行了添加鎘標準品回收檢測實驗。在怡寶水中添加不同濃度的重金屬鎘標準樣品，用本檢測儀檢測其濃度值，1 min后所得到的檢測結果如表1數據所示，其回收率在97.5 %～105 %之間，表明本檢測儀可用于對實際樣品中食品危害因子濃度的準確定量檢測。

表1 含有重金屬鎘實際樣品的測定

5 結 論

本文設計了一種基于上轉換發光技術的便攜式食品安全檢測儀。基于上轉換材料的發光技術原理和抗生物背景熒光干擾特性，設計了熒光信號檢測光路和信號處理電路檢測食品危害因子，提高了檢測數據的準確度。實驗測試結果表明:本檢測儀靈敏度高，可達到10-9級定量檢測，10 s內即可得到檢測結果。為實現現場檢測，檢測儀內置鋰電池，可連接網絡實現檢測數據云同步。政府檢測機關、中小型企業、第三方檢測機構、農貿市場和超市等均可應用于食品安全快速檢測。