基于虛擬儀器的農藥殘留檢測系統設計

□楊兆智 丁福泉 劉雨鑫 張 猛 劉 智 侯麗新

一、引言

近年來，菜農在蔬菜種植過程中為避免和防治病蟲害而使用超劑量的化學農藥，導致果蔬中的農藥殘留量越來越高，對人身健康影響重大。許多學者對食品安全問題關注度極高，并開展了大量的相關研究工作。因此，研制出農產品的農藥殘留檢測系統有著重要的意義。

果蔬農藥殘留常用的檢測方法有化學快速檢測方法，色譜、質譜及其聯用技術，酶活性抑制檢測方法。化學快速檢測方法操作便捷、靈敏度高，但只能檢測一種農藥的殘留。色譜、質譜檢測方法測量精確度高，但存在操作復雜、檢測成本高、不適合現場檢測的缺點。酶抑制法是基于有機磷和氨基甲酸酯類農藥對酶的抑制作用，依據抑制率與吸光度間的關系，建立一種具有成本低、操作簡單的快速檢測方法，在農藥殘留檢測中廣泛應用。

近年來，許多科研工作者依據酶抑制法搭建了農藥殘留檢測系統。裘正軍等人設計出農藥殘留快速檢測系統，研究農藥殘留與酶抑制率的關系，當抑制率高于70%時可判斷為農藥殘留超標[1]。陳如清等人將化學發光法和光電檢測技術相結合，設計了微弱光信號檢測方案，能夠快速準確地檢測農藥殘留濃度[2]。楊現德等人基于酶抑制法設計了農藥殘留快速檢測系統，通過嵌入式處理系統進行數據的顯示、輸出及打印[3]。目前研究主要集中在系統硬件結構的設計，如何將采集到的數據進行科學地處理還需深入探討。本文采用LabVIEW虛擬儀器軟件，搭建一套虛實結合的農藥殘留檢測系統。

二、系統總體設計方案

圖1 系統總體框圖

檢測系統主要由光源、比色池、光敏傳感器、信號放大電路、濾波電路、信號轉換與采集電路等組成。首先，一定濃度的農藥待測溶液與試劑在比色池中反應，反應后溶液的顏色、吸光度與農藥殘留量有關。光敏傳感器用來接收透過比色池的光，透射光的強弱與農藥殘留量相關。電信號經過放大、濾波、A/D轉換后由采集卡進行采集，再通過LabVIEW軟件分析出酶抑制率和吸光度的關系，由此判斷出農藥殘留量是否在標準范圍內。

光電傳感部分包括發光二極管，比色池和光敏傳感器。選擇約400nm的發光二極管作為光源，省去精密的分光系統，可以提高光學部分的穩定性。并考慮發光二極管的波長、光強、光功率，比色池的構建及材料的選擇，光敏傳感器的光譜特性、轉換效率等。信號放大電路要考慮其放大倍數，輸入輸出電阻與前后級的匹配等，濾波電路考慮信噪比、帶寬等。數據采集部分通過NI USB6009采集卡獲得數據，利用LabVIEW得出樣品對酶水解反應的抑制率和吸光度值關系，在LabVIEW的虛擬界面上保存顯示以便于觀察農藥殘留量。

三、硬件系統設計

(一)光電轉換電路。當入射光輻射時，光電探測器輸出光電流。能量為hv光子流為光功率P(t)，光電流I(t)為光生電荷Q的時變量，有

(1)

其中，η為探測器量子效率。光電轉換電路實現了光→電流→電壓的轉換。

圖2 光電轉換電路 圖3 溫度傳感電路

(二)溫度傳感電路。溫度傳感器用于觀察比色池內溫度，通過溫度來控制酶抑制程度。ATmega16微控制器用來與顯示屏連接，以便操作人員監測池內溫度。

(三)信號放大與濾波電路。為滿足采樣電壓要求，微弱電信號需經過放大處理。將放大后的信號進行濾波，將無用的波段濾除，將濾波電路置于放大電路后面，以免將微弱的有用信號濾除。

圖4 放大電路 圖5 濾波電路

四、軟件系統設計

數據采集卡將檢測到的數據上傳到上位機，通過LabVIEW軟件設計數據分析系統。系統可繪制出某一農產品中的農藥殘留量在一段時間內的變化曲線，并可導出數據到Excel。數據管理模塊包括數據存儲和數據打印，將采集到的數據做進一步的存儲、打印、備份，以便于后期分析研究。農藥殘留檢測系統的操作頁面、數據分析圖和報表分析圖，可直觀呈現效果，并方便使用者操作。

圖6 系統數據分析界面

五、結語

本文設計了一種基于酶抑制法的農藥殘留檢測系統，利用LabVIEW開發數據采集與分析系統，對下位機的數據進行處理和顯示。檢測出來的結果能直觀地反映出農藥殘留是否超標。由于酶抑制法只能檢測氨基甲酸酯類和有機磷類農藥，檢測對象具有局限性，希望此方法對研究其他農藥檢測具有一定的參考價值。