手持式农药残留检测仪毕业论文.doc

中国计量学院本科毕业设计（论文）手持式农药残留分析仪的研制Development of Handheld Pesticide Residue Analyzer学生姓名 袁沛权 学号 0700402106 学生专业 光信息科学与技术 班级07光信1班 二级学院 光电学院 指导教师 陈华才 研究员 中国计量学院2011年06月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： 密 级： 公开 UDC： 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文）手持式农药残留分析仪的研制Development of Handheld Pesticide Residue Analyzer作 者 袁沛权 学 号 0700402106申请学位 工学学士 指导教师 陈华才 研究员 学科专业 光信息科学与技术 培养单位 中国计量学院答辩委员会主席 评 阅 人 叶满萍 讲师 2011年 6月致 谢此论文即将完成之际，我想首先感谢我的导师陈华才，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这篇论文的每个实验细节和每个数据，都离不开他的细心指导。 本论文的完成另外亦得感谢朱周洪老师、王焱华老师的协助。因为有你们的建议使得本论文能够更完整而严谨。感谢研究生季慧华学长不厌其烦的指出我研究中的缺失，在实验中给予指导，在写作中给予建议。感谢浙江省现代计量测试技术与仪器重点实验室提供的实验条件和仪器设备。由于你们的帮助，使得在实验过程中方便了很多。感谢我的朋友，感谢你们在我失意时给我鼓励，在失落时给我支持，感谢你们和我一路走来，让我在此过程中倍感温暖！最后，谨以此文献给我挚爱的双亲。I中国计量学院本科毕业设计（论文）手持式农药残留检测仪研制摘要为快速检测农产品农药残留,开发了基于酶抑制法的农产品农药残留快速检测系统。该检测系统由固体光源、样品池、单片机测量电路板及微机等组成,通过测量经酶抑制反应的样品溶液的吸光度值来实现农产品中农药残留的快速检测。该仪器以单片机为核心，使用微型化LED单色光源与光电池检测器，采用电池供电，体积小，重量轻，特别适于现场快速检测；在仪器内采用温度校正技术，在环境温度为2040之间时无需恒温即可直接测量，测量结果会自动校正为37时的抑制率，实现了真正意义上的手持式现场快速及稳定分析。关键词: 手持式；农药残留; 检测系统；酶抑制率; 单片机中图分类号: S481The 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 pesticide 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 inhibition 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 enzyme 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绪论51.1 课题研究背景及意义51.2 农药残留分析仪的发展趋势62.设计原理72.1 农药残留分析原理72.1.1 酶抑制原理72.2.2 基于窄光LED分光系统原理73基于酶抑制法和光电电路的农药残留检测设备的研究93.1常见的几种检测方法93.1.1 气象色谱法93.1.2 高效液相色谱法93.1.3 色谱-质谱法93.1.4有待发展的检测方法103.2 酶抑制率快速检测法104 系统硬件设计124.1检测部分及器件选择124.1.1 单色光源的选择124.1.2 探测器的选择134.2 单片机模块144.2.1 单片机选择14,4.3 显示电路设计165. 系统软件设计175.1 仪器结构与技术175.2 光学系统特点185.2.1 低功耗技术185.2.2 信号测量与数据处理185.2.3 温度校正技术186. 数据分析196.1 实验数据与分析196.1.1检测水中的有机磷和氨基甲酸酯类农药残留196.1.2 样品基质影响及消除206.1.3 酶抑制分光光度法快速检测有机磷和氨基甲酸酯类农药残留方法的性能指标评价21参考文献23附录A：样品检测流程展示24个人简历29学位论文数据集291绪论1.1 课题研究背景及意义农药残留指农药使用后残存于生物体、农副产品和环境中的痕量农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。残存的数量称残留量，以每千克样本中有多少毫克（或微克、纳克等）表示。农药残留是施药后的必然现象，但如果超过最大残留限量对人畜产生不良影响或通过食物链对生态系中的生物造成毒害，则称为农药残留毒性，简称残毒1。由于幅员辽阔，地理环境和气候条件复杂，农作物品种繁多，病虫草鼠种类也很多，给我国农业生产带来了严重的威胁。农药作为一种快速、高效而经济的防治有害生物的武器，在保障农业丰收、促进高产、优质、高效现代化农业的发展等方面发挥着突出的作用。然而，绝大多数农药，尤其是化学农药及其代谢物和杂质存在着对人、畜、有益生物的毒害和对环境的影响等问题，如果使用不当，不仅造成浪费、而且会发生药害、污染农产品及环境，还会发生中毒事故，危害人畜健康安全，造成严重后果25，尤其是果蔬类食品。蔬菜在我国民众的膳食结构中占40%以上，据统计我国人均蔬菜年占有量（约250 kg）远远高于世界平均水平，因此蔬菜中农药残留问题应尤其重视。特别是大棚蔬菜，因温度高、湿度大、地块单一等多种因素，病、虫害发生更为严重，为了保证蔬菜生产，菜农只好大量使用化学农药，从而导致害虫和病原菌抗药性的发展，菜田天敌数量减少、生态环境进一步恶化、蔬菜产品中农药污染加重，然后现有的检测方法大多耗时长，不能现场检测。因此开发一种快速、便携、稳定的农药检测方法及其装置刻不容缓，本课题针对上述问题拟开发一种手持式农药残留分析仪，结合化学和光学原理对果蔬类农药残留尤其是有机磷类农药进行快速的定性检测，从而解决农药农药残留的初步快速检测问题。1.2 农药残留分析仪的发展趋势随着农药产业的发展，化学农药在作物病虫害的综合防治中具有不可替代的作用，引起人们的普遍关注。农药是把“双刃剑”，它是当前农业生产用于防治病、虫、杂草对农作物危害不可缺少的有毒化学物质，对促进农业增产有极其重要的作用。农药残留量是指使用农药后残留于生物体、农副产品和环境中的微量农药及其有毒的代谢物的总量。控制农产品中农药残留量的关键环节之一就是对农产品中农药残留量及时、准确的分析检测，因此，在流通领域中加强对农药残留量的快速检测已成为十分必要的监管措施。特别是果蔬食品，关系到老百姓日常生活的健康生活，因此对这方面的农药残留检测刻不容缓。目前我国蔬菜中主要有3 类农药残留：一是有机磷农药，作为神经毒物，会引起神经功能紊乱、震颤、精神错乱、语言失常等症状；二是拟除虫菊酯类农药，毒性一般较大，有蓄积性，中毒表现症状为神经系统症状和皮肤刺激症状；三是一些常用杀菌剂类农药。有机磷农药因在农业病虫害防治方面具有高效、安全、经济、方便、应用范围广等特点，是我国现阶段使用量最大的农药。中国环境优先检测有机污染物“黑名单”中列出的10 种化学农药，其中有机磷类农药就占了7 种。因此，有机磷农药残留是我国农药残留分析的重点。1.3 常用农药残留检测方法1.3.1 气相色谱法气相色谱法是一种经典的分析方法。它具有操作简单、分析速度快、分离效能高、灵敏度高以及应用范围广等特点。可进行多残留分析，一般不适用现场检测。凡是沸点大约在500，分子量在400以下的农药,原则上都可以用气相色谱法分离和分析，目前80以上的农药可以用它检测5。1.3.2 高效液相色谱法高效液相色谱分析技术也是一种传统的检测方法，对于高沸点、热稳定性差、相对分子质量大的农药原则上都可用高效液相色谱法进行分离、分析。由于其受检测器发展限制，在应用初期只能检测对紫外光有吸收和本身能发射荧光的农药，限制了HPLC 的发展6。1.3.3 色谱-质谱法色-质联用分析法包括气-质联用和液-质联用。通过联用，充分发挥色谱的分离、定量功能和质谱的定性功能。目前在农药残留分析中应用比较广泛5，多用于农药代谢物、降解物的检测和多残留检测1。除了以上这些经典检测法外，还有活体检测法、化学法、酶抑制法、免疫法等方法在日常检测中被广泛应用。1.3.4毛细电泳法 CE具有高分离性能、分析速度快、运行成本低、应用范围广、低超微量进样和几乎没有废液等优点。它非常适合用于那些难以用传统的高效液相色谱分离的离子化样品的分离与分析2。在农药残留分析中应用较多的主要有毛细管区带电泳(CZE)和胶束电动毛细管色谱(MECC)，毛细管电泳仪常用的检测器是紫外检测器。只需要极少量的样品，具有很大的应用潜力8。1.3.5 酶抑制率快速检测法酶抑制检测法能在短时间内检测出有机磷( OPs) 及氨基甲酸酯(CBs)类农药在果蔬中的残留量，且成本低，易于操作，成为目前我国保证食品安全性的有效措施之一。酶抑制率法是利用有机磷和氨基甲酸酯类农药的毒理特性而建立的一种生物技术12，13。根据OPs和CBs类农药对酯酶的特异性反应( 正是由于此特性，该法只能对有机磷和氨基甲酸酯类农药进行测量) ,向农药提取物中加入酶、底物和显色剂，根据反应的动力学曲线即可判断样品中有机磷和氨基甲酸酯类农药的残留量14，15。农药残留越多，酯酶被抑制程度越大，生成产物物越少，吸光度越小；反之，生成的产物越多，吸光度越高。在整个反应体系中酶的种类和质量是决定检测灵敏度的关键因素16。基于酶抑制法原理设计的农药残留检测方法主要有试纸法、酶液比色法与酶传感器法。酶传感器法是基于该原理设计一个传感仪器，进行多次已知农药残留浓度的样品检测，定标并建立数学模型，最终该仪器能够快速的将样品的农药残留浓度显示出来。2.设计原理2.1 农药残留分析原理胆碱酯酶催化-乙酸萘酯水解为-萘酚和乙酸，-萘酚与显色剂固蓝B盐作用形成紫红色的偶氮化合物，测定该物质在520nm处的吸光度值即可表示酶活性大小。有机磷农药对胆碱酯酶具有抑制作用，如果试样中没有农药残留或者残留量极小，酶的活性不被抑制，-乙酸萘酯被催化水解，水解产物通过与显色剂作用显色；反之，如果农药残留量较高，酶的活性就会被农药所抑制，水解产物减少或者没有产物生成。通过吸光值的变化可表示酶被抑制的程度，进而反映有机磷农药的含量。分析过程中需使用恒温设备进行37恒温。详细的分析操作参见文献7。目前面市的各种农残检测仪基本都是采用上述的两点恒温法。本仪器对以上分析方法进行了改进：采用6点法测量斜率值K0和Kt；使用光强直读技术和改进的算法；加入了温度校正程序等。2.2 基于窄光LED分光系统原理基于窄带LED光源组的准连续分光系统，包括窄带LED光源组、LED光源驱动电路、LED安装板、步进电机、控制系统，窄带光源组由若干个窄带LED光源组成，LED窄带光源按中心波长递增或递减的顺序安装在LED安装板上并与LED光源驱动电路相连，步进电机驱动LED安装板移动，控制系统使移动到位的LED光源驱动电路导通；步进电机的转速和停止时间由控制系统控制。本发明无单独的分光部件，光路结构简单紧凑，光源稳定可靠，耗电极低，扫描速度快，特别适合于作为便携式光谱仪的光源和分光系统，可以广泛用于紫外可见光光谱仪和近红外光谱仪中。图2.1所示为基于窄带LED光源组的准连续分光系原理图，图2.2所示为本系统的LED驱动原理图，图2.3所示为光路设计原理图。图2.1 基于窄带光源组的准连续分光系原理图图2.2 LED驱动原理图（有明显的拷贝痕迹，）图2.3 光路设计原理3 系统硬件设计3.1检测部分及器件选择现有的农残检测仪大多以220V交流电供电，体积较大；少数农残检测仪虽然采用了微型化设计，但由于酶的活性受温度影响很大，测量时需使用恒温装置，不易携带，难以实现真正的手持式现场检测。本工作介绍的仪器以单片机为核心，使用了微型化半导体光源与检测器，采用电池供电，体积小，重量轻，特别适于现场快速检测；首次在仪器内采用温度校正技术，在环境温度为2040之间时无需恒温即可直接测量，测量结果会自动校正为37下的抑制率Y37，实现了真正的手持式现场分析。3.1.1 单色光源的选择本仪器摒弃体积庞大的热光源和结构复杂的分光系统，采用高稳定的窄带小发散角LED单色光源，LED中心波长约为520nm，半波宽（FWHM）小于10nm，发散角小于5，中心波长准确性1 nm。LED光源采用独立的恒流源电路驱动，输出光强稳定。而酶体系显色后吸收峰在520 nm左右，因而本仪器所用单色光源可以满足分析要求，如图图4.1所示。图3.1LED光源实物照片及外形尺寸3.1.2 探测器的选择本仪器的探测器采用VISHAY 半导体公司的BPW21硅光电池。其安装尺寸见图3.4 ： 图3.2 BPW21R硅光电池的外形及其安装尺寸 其相对光谱灵敏度见图3.3。在350nm750nm范围内有较高的响应灵敏度（高于人眼的感觉灵敏度）。图3.3 BPW21R硅光电池相对光谱灵敏度（黑线部分）3.2 单片机模块 3.2.1 单片机选择本文采用AVR单片机ATmega16，外部系统接线如图4.6所示。图4.7温度校正电路示意图，采用DS18B20温度传感器。图3.4外部系统接线图图3.5 DS18B20温度传感器 图3.6 手持式农药残留检测仪内部构造 图3.7 手持式农药残留检测仪外观图3.6和图3.7分别为内部构造和外观图。该仪器能够定性的对有机磷及氨基甲酸酯类农药在果蔬中的残留量进行快速检测。且该仪器为手持式仪器，携带方便，相比其它检测方法，该方法检测时间非常短，能够实时利用。虽然该方法在精确度上不是很高，但是能够快速定性检测，在一级检测方面有重要作用，在果蔬农贸市场等处都有重要作用。3.3 显示电路设计图3.8 显示电路设计现在市场上有有各种农药残留检测仪器，本文设计的手持式农药残留快速检测仪器，仪器的电路模块主要分为光源模块、吸光度的检测模块、信号的处理、主控芯片模块和显示按键电源等等模块，模块原理如图3.9所示：通过绿色光源发射有机磷及氨基甲酸酯类农药反应的酶溶液所需的最大吸收波长，当待测样品中有农药时，能够通过各个模块将农药残留含量直观、快速的显示在液晶显示屏上。图3.9农药残留检测仪器电路图 4. 系统软件设计4.1 仪器结构与技术仪器由光学部分、单片机与辅助电路、输入输出3大部分组成。图1为仪器的结构框图。图4.1 硬件系统结构框图光学部分单色光源比色池检测器光源稳压控制电路信号调制单片机与辅助电路单片机电源控制实时时钟数据存储系统监控温度测量液晶显示屏触摸屏/键盘串行通讯输入输出部分光学部分包括LED单色光源、比色池、光电检测器以及相应的辅助与控制电路。整个光学部分封装在一个密闭的暗室之内，可有效避免外界杂散光的影响。增强型51单片机是整个仪器的控制中心，辅以稳压电源、非易失性存贮器、实时时钟、温度传感器等外围器件，实现了仪器的自动化与智能化。输入输出部分包括汉显液晶屏、触摸屏/键盘、串行接口等。12864点阵的汉显液晶屏，可在分析过程中提供详尽的帮助信息；根据市场定位的不同，可以选择触摸屏或键盘作为输入设备；本仪器最多可保存约2000组检测数据。通过串行接口可直接上传至PC机，也可挂接串行打印机直接打印测量结果。本仪器可使用电池作为电源，外形尺寸约为200mm110mm45mm，整机重量小于500g，无机械运动部件，且智能化程度高，可以满足农药残留现场快速检测的要求。4.2 光学系统特点4.2.1 低功耗技术对于电池供电的手持式仪器，低功耗设计就显得尤为重要。本仪器选用的所有元器件都是3.3V工作电压，功耗远小于传统的5V系统。对功耗相对较大的半导体光源和检测器采用了间歇式工作方式，只在测量的瞬间通电工作(通电时间1s)；触摸屏控制器、串行接口电路等也会在空闲时自动转入等待状态(Idle)。这些低功耗技术的综合应用，有效延长了电池的使用寿命。一般情况下，一组干电池可使用数月。4.2.2 信号测量与数据处理在本仪器上，将国字标准方法的两点测量方式改为每隔0.6min测量一次光强值，3min共测量6个数据点，仪器内置的测量软件会对数据进行最小二乘线性回归计算求得K值。实验结果表明，改进的测量方式精密度优于两点测量方式。通过数学推导发现，只要光源保持稳定，在计算Y值时，可以直接以各时段测得的光强值It来计算，不需要计算A值，也不需要测量光源的初始光强I0。对于本仪器所用的6点测量方式，斜率K的计算公式可简化为9： 5. 数据分析5.1 实验数据与分析5.1.1检测水中的有机磷和氨基甲酸酯类农药残留以敌敌畏和克百威为例，配制系列浓度的敌敌畏和克百威标准品溶液，按2.2.5.1所述的实验方法测定农药对植物酯酶的抑制率，绘制植物酯酶的抑制率曲线，结果见图3-13。图6.1 敌敌畏和克百威对植物酯酶的抑制率曲线实验结果表明，敌敌畏和克百威在0.09200 mg/kg范围内，植物酯酶抑制率与农药浓度对数值呈线性关系，回归方程为：敌敌畏：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为农药对植物酯酶的抑制率，X为农药标准品溶液浓度。在进行实际样品中农药残留测定时，为了减小误差，一般认为植物酯酶抑制率35%时，样品中有农药残留。所以本法的最低检出限如下：敌敌畏IC35 1.13 0.42 g/kg 克百威IC35 2.28 0.76 g/kg参考文献1 付颖,等.农药残留物的检测方法.化学工程师J,2000(5):46-472 王金斌，谭芙蓉，王利刚，段可，朱宏，赵凯，唐雪明乙酰胆碱酯酶酶抑制法快速检测农药残留的研究进展J上海农业学报，2009，25( 4) :131-1353 王朝瑾 蔡琦.农药产品中农药残留的检测趋势J.现代科学仪器.2006（1）:106-1074 郭永泽,等.当前农药残留分析技术及发展趋势J.天津农业科学,2002(8):22-255 景作亮,等.农作物残留农药主要检测方法及其研究进展J. 安徽农业科学,2004,32(5):1024-10276 仲维科,等.食品农药残留分析进展J.分析化学,2000,28(7):904-9107 冯秀琼.农药残留分析技术进展概况J.农药,1998,37(2): 8-108 朱玲,等.测定氨基甲酸酯类农药生物传感器的研制J.中国卫生检验杂志,2002,12(2):154-1559 周小芳,等.水果表面残留农药的拉曼光谱研究.光散射学报J,2004,16(1):11-1410 周向阳,等.近红外光谱法(NIR)快速诊断蔬菜中有机磷农药残留J.食品科学,2004(5):151-15411 Xu S C，Wu A B，Chen H D，et al Production of a novel r