CN103558257B - 一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阵列传感器的农药多残留检测仪，该检测仪由检测电路、阵列式传感器、模拟多路开关、电源、按键、微控制器及显示屏构成。检测芯片产生激励电压施加到阵列式传感器上，通过模拟多路开关确定哪一路工作电极接通，并采集响应阻抗信号。阵列式传感器各工作电极固定不同的农药抗体，与实际的样品接触后，根据各个传感器阻抗值的变化来确定是否有农药超标，并确定农药的种类。本发明的农药残留检测仪可实现多残留在线快速检测，具有实用性强、携带方便、检测精度高、检测快速准确、易操作等特点，非常适合对农药残留进行现场快速检测的场合。

Description

一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪

技术领域

本发明涉及一种农药多残留检测仪，尤其涉及一种基于阵列式传感器的农药残留检测仪，其融合了生物传感器检测技术和嵌入式***设计方法，用于方便、迅速、准确的检测农产品中含有何种农药残留及是否超标。属于农产品安全检测技术领域。

背景技术

现在生产领域中应用的农药种类已经达到100多种，对农业保持丰收增产起到了很大的作用，其已成为重要的一种生产资料。伴随着改革开放的深入进行，在一些常熟地区，农药事业的发展速度变得很快。因农业机械化正在不断推进，农药的大面积使用是不可缺少的。但因农药的不合理的使用，造成了诸多的环境问题，如农田生态***被破坏等。农药的大量使用，在保证了粮食等农作物大量稳产的同时，也带来了诸多的环境问题。在植物、土壤和水体中残留的农药有两种残存的形式：第一种保持原有的化学结构；第二种以化学转化后的产物或被生物降解产物的形式残存。因此，农药残留问题不容忽视。

目前农药残留分析的主要方法是气相色谱仪、液相色谱仪、气质联用仪、液质联用仪等，这些方法虽然分析精度高，定量准确，但其样品的前处理复杂、检测耗时长、成本高、需要技术熟练的操作人员。我国农药残留的速测方法是酶抑制试纸法和酶抑制分光光度法（农残快速检测仪），可以实现有机磷农药及氨基甲酸酯类农药的现场快速检测，具有较好的实用价值。速测卡是通过肉眼观察卡片的颜色变化，因此一般只能用于严重超标的蔬菜样品进行定性测量。酶抑制分光光度法的应用也比较广泛，国内已有多种农药残留速测仪均是基于此原理。分光光法的原理是基于吸光度的变化进行检测的，但蔬菜水果中大量的色素会对分光光度法造成很大的影响，导致检测结果的不准确。并且上述方法存在回收率低、错检、漏检比例较高、重复性差、难以满足低残留和定量检测的要求等缺点。

发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种基于阵列式传感器的农药残留检测仪，具有携带方便、检测快速准确、操作简单、可实现农药多残留同时检测等特点。

所述的一种基于阵列式传感器的农药残留检测仪其检测原理为：利用抗体与农药之间的特异性免疫反应，以抗体作为识别元件，采用固定化技术在工作电极表面固定不同种类的农药抗体，通过模拟多路开关使阵列式传感器中的一个工作电极与共用的参比电极和对电极接通。通过传感器在测试底液中导致的阻抗变化来确定样品中含有何种农药，并根据不同农药产生阻抗变化的标准曲线，确定样品中的农药的含量。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪由检测电路、阵列式传感器、电源、按键、微控制器及显示屏构成。检测电路用来产生激励电压并施加到各免疫传感器上，随后采样激励后的响应信号并进行数字处理，将结果送入微控制器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入信号进行再次处理，并对整个***的运行进行控制和响应；按键用来输入指令和检测参数；显示屏用来量化输出呈现最终的检测结果，是用户与***的交互界面；电源为整个***供电。

本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪具体结构为：农药多残留检测仪由检测电路、阵列式传感器、模拟多路开关、电源、按键、微控制器及显示屏构成，其中：检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关、标定电阻、阵列式传感器、模拟多路开关构成。供电电路与微控制器和检测芯片相连，采用先经变压器降压再经滤波稳压的方法获得的+5V供电；芯片通过拨码开关与标定电阻相连，根据输入测量范围参数，通过拨码开关选择相应标定电阻，以此调整测量灵敏度；在微控制器的控制下，芯片产生激励电压施加到阵列式免疫传感器上并收集响应信号，经过离散型傅立叶变换后得到其实部与虚部，并将其输出到微控制器。微控制器上运行检测程序，将接收到的阻抗实部与虚部通过阻抗的模值与相角计算公式计算出阻抗的模值与相角，再经过校准后得出实际的阻抗值，与设定的反应前的阻抗值进行比较，得到变化率并对比标准曲线得出结论，送至显示屏显示。所述的显示屏与微控制器相连，用于显示数据及作为用户进行交互操作的窗口，显示屏采用LED12864，其功耗能够满足便携式设备的功耗要求。所述的按键与微控制器和检测电路相连，设有启动、开始、复位、停止按键和四个检测范围档位，用于输入相关指令和检测参数。所述电源与供电电路相连。

本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪，检测使用时，首先通过拨码开关选定标定电阻保证测量灵敏度，将阵列式传感器放入待检测溶液中，在微控制器的控制下，芯片产生激励电压施加到阵列式传感器上并收集响应信号，经过离散型傅立叶变换后得到其实部与虚部，并将其输出到微控制器，经微控制器及其检测程序进行信号再处理，并与反应前阻抗值做比较，计算得出变化率。由于在阵列式传感器的工作电极上固定不同种类的农药抗体，因此根据各传感器阻抗变化率的大小即表明了检测的样品中含有何种农药及农药残留的浓度。

为达到以上目的，阵列式传感器采取以下技术方案实现：由一个圆形的电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，***是工作电极，以确保对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，使各个工作电极与对电极之间的有相等的阻抗值。在工作电极与参比电极之间加300毫伏的工作电压，测试液中测定的是工作电极与对电极之间的阻抗值。使用模拟多路开关确定哪一路工作电极接通。

本发明提供的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪应用到农产品中的农药残留快速检测领域，可以为检测人员带来极大的便利，能够充分满足农药残留现场快速检测的要求。相对于以往的检测工作必须把各种待测样品运输到检测中心，由专业工作人员在大型的工作站设备进行而言，本发明的检测仪具有携带方便、检测快速准确、操作简单、实用性强等突出特点。

附图说明

图1是本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪的结构框图，

图2为本发明中供电电路原理图，

图3为本发明中检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明。图1为本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪的结构框图，本发明由检测电路、阵列式免疫传感器、模拟多路开关、电源、按键、微控制器及显示屏构成。其中检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关、标定电阻、阵列式免疫传感器连接构成。检测电路用来产生激励电压并施加到免疫传感器上，随后采样激励后的响应信号并进行数字处理，将结果送入微控制器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入信号进行再次处理，并对整个***的运行进行控制和响应；按键用来输入指令和检测参数；显示屏用来量化输出呈现最终的检测结果，是用户与***的交互界面；电源为整个***供电。

所述的阵列式传感器由一个圆形的电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，***是工作电极，以确保对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，使各个工作电极与对电极之间的有相等的阻抗值。在工作电极与参比电极之间加300毫伏的工作电压，测试液中测定的是工作电极与对电极之间的阻抗值。使用模拟多路开关确定哪一路工作电极接通。

所述微控制器选用STC89C52，其上加载检测程序。检测电路中的供电电路构成和原理如图2所示，由变压器T1，桥式整流电路BR1，电解电容C1、C3，普通电容C2、C4，三端稳压器U1构成，其作用是为整个***提供+5V的电源供电。本设计中电解电容C1、C2的作用是滤波，简单的讲就是电容两端电压升高时，电容充电，电压降低时，电容放电，让电压降低时的坡度变得平缓，从而起到滤波的作用。普通电容C2、C4的作用是防止自激，其可以将高频激信号吸收保持稳定，使电路没有激励信号，从而防止自激。三端稳压器U1的作用是将输出电压稳定在+5V上，U1的输出端和接地端分别接+5V和接地。

所述的检测电路中核心部分检测电路的构成如图3所示：由检测芯片U3，拨码开关SW3，标定电阻R1、R2、R3、R4、R5，普通电容C7、C8构成，其作用是产生激励电压并施加到免疫传感器上，随后采样激励后的响应信号并进行数字处理，将结果送入微控制器。其中标定电阻R1、R2、R3的作用是作为外接反馈电阻。拨码开关SW3是四位拨码开关，其作用是选择合适的标定的电阻连入检测电路来防止响应信号超过检测芯片的量程并且保证***的线性特性。标定电阻R4、R5的作用是作为上拉电阻连接在检测芯片的15、16引脚与电源之间。电容C7、C8的作用是用来滤波和起保护作用的，防止电磁干扰。检测芯片U3是一款高精度的阻抗测量芯片，内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。其作用是产生特定频率的激励电压来激励待测元件，得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换，傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值和虚部值，并将结果送入微控制器。其15、16引脚通过上拉电阻R4、R5与+5V电源相连，其12、13、14引脚并联接地，其9、10、11引脚并联与+5V电源相连，其4、5引脚之间通过拨码开关与标定电阻相连，其5、6用来接待测元件。

本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪，具体使用过程如下：在使用前将阵列式传感器工作电极表面使用多壁碳纳米管等纳米材料进行化学修饰，提高传感器检测的灵敏度，之后在阵列式免疫传感器工作电极表面分别固定不同种类的抗体。然后将阵列式抗体传感器放入冰箱中，4°C下保存备用。使用时打开农药多残留检测仪的电源开关，将阵列式传感器放入测试底液中测量初始阻抗值A1，并保存。将免疫传感器放入事先处理好的样品液中孵化10分钟，再将传感器连接至检测仪进行阻抗测量，获取第二次测量的阻抗值A2，微控制器将其送至显示屏显示。计算出变化率，变化率计算公式如下：

变化率=|A1-A2|/A1

如果样品液中含有农药，则含相应农药的工作电极发生特异性免疫反应，导致反应后的相应传感器阻抗值明显增大。A1与A2的差值越大，表明检测溶液中的含有某种农药残留的浓度越高。对比标准曲线得到样品中农药残留的浓度，在显示屏显示。阻抗变化率与农药残留浓度关系标准曲线，可以通过农药残留检测仪对多组不同浓度不同种类的农药加标测定得出。

本发明的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪检测方法操作工艺简单，检测时间较短，可实现农药残留的定性定量测量，具有灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国农药残留快速检测技术发展和国际化要求。

Claims (1)

1.一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪，其特征在于所述的基于阵列式传感器的农药多残留检测仪由检测电路、阵列式传感器、微控制器、按键、显示屏及电源构成；

所述的检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关、标定电阻、模拟多路开关构成；供电电路与微控制器和检测芯片相连，采用先经变压器降压再经滤波稳压的方法获得的5V 供电电路；芯片通过拨码开关与标定电阻相连，根据输入测量范围参数，通过拨码开关选择相应标定电阻，以此调整测量灵敏度；在微控制器的控制下，芯片产生激励电压施加到与待测液发生特异性免疫反应后的免疫传感器上并收集响应信号，经过离散型傅立叶变换后得到其实部与虚部，并将其输出到微控制器；所述的阵列式传感器为免疫传感器，由一个圆形的电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，***是工作电极，以确保对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，使各个工作电极与对电极之间的有相等的阻抗值，在工作电极与参比电极之间加300 毫伏的工作电压，工作电极表面固定不同种类的农药抗体，阵列式传感器放入测试底液中，模拟多路开关使阵列式传感器中的一个工作电极与共用的参比电极和对电极接通，检测电路与阵列式传感器三电极相连，测定接通的工作电极与对电极之间的阻抗值，通过传感器在测试底液中导致的阻抗变化来确定样品中含有何种农药，并根据不同农药产生阻抗变化的标准曲线，确定样品中的农药的含量；

所述的微控制器上运行检测程序，将接收到的阻抗实部与虚部通过阻抗的模值与相角计算公式计算出阻抗的模值与相角，再经过校准后得出实际的阻抗值，与设定的反应前的阻抗值进行比较，得出变化率，对比标准曲线得出结论，送至显示屏显示；所述的显示屏与微控制器相连，用于显示数据及作为用户进行交互操作的窗口；所述按键与微控制器和检测电路相连，用于输入相关指令和检测参数；

所述电源与供电电路相连。

2. 根据权利要求1 所述的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪，其特征在于所述的检测芯片采用AD5933 芯片。

3. 根据权利要求1 所述的一种基于阵列式传感器的农药多残留检测仪，其特征在于所述微控制器选用STC89C52 微控制器。