CN102095772A - 基于三电极酶传感器的农药残留检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，由检测电路、三电极酶传感器、电源、触摸屏及微控制器构成。检测电路用来将三电极酶传感器输入的nA级电流转化为电压检测信号，送入微控制器的数/模转换器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入的检测信号进行处理，并对整个系统的运行进行控制和响应；触摸屏是用户和系统的交互界面，具有输出和输入的双重功能；电源为整个系统提供能量。本发明融合了基于酶抑制法的农药残留检测技术和嵌入式系统设计方法，具有实用性强、携带方便、检测快速准确、操作简单等特点，尤其适合对农药残留进行现场快速检测的场合。

Description

基于三电极酶传感器的农药残留检测仪

技术领域

本发明涉及一种农药残留检测仪，尤其涉及一种基于三电极酶传感器的农药残留检测仪，其融合了基于酶抑制法的农药残留检测技术和嵌入式系统设计方法，用于方便、快速、准确地检测食品中农药残留的情况。属于农药检测技术领域。

背景技术

我国是世界上农药施用量最大的国家，但由于我国施药技术落后，农药不能够得到有效利用(利用率30％)，过度施用的农药导致了严重的农药污染问题。根据卫生部对我国26个省、市、自治区的不完全统计，在1992年至1996年短短四年之间，农药中毒达243749例。除了中毒症状外，长期暴露于低剂量农药环境中，还会使其在人体内形成积累，造成慢性中毒并最终对人体造成严重伤害。有研究表明，农药可对DNA与RNA进行烷基化，诱发突变，导致癌症。

食品中的农药残留除了影响消费者健康外，还影响着进出口贸易，国家声誉。随着欧盟与日本等国家先后制定了多项最高农药残留限量标准，不断加强对进口食品的卫生品质要求，导致我国农产品国际贸易受阻现象迅速增多，农药残留检测的重要性愈发凸显。

目前国际上进行农药残留检测的方法主要可以分为色谱检测法和生化检测法两大类。

色谱检测的最大优点是能够定性定量地检测样品中的农药，但是这种方法检测的样品要经过复杂的前处理步骤、检测耗时长、成本昂贵、需要技术熟练的人员操作设备。

生化检测法是检测农药残留的重要方法，其原理是利用农药与农药敏感蛋白进行的特异识别反应来判断农药污染状况。测定时样本样品处理简单，仪器成本低，操作简便，适用于现场检测及大批样品的筛选检测，因而通常被称为“快速检测法”。其中，酶抑制检测法作为一种快速定量检测的方法，成为了易于在水果、蔬菜生产基地和批发市场推广来控制高度农药污染的有效方法。

乙酰胆碱酯酶(AChE)是与神经化学传递有关的的乙酰胆碱(ACh)的水解酶。占整个杀虫剂用量70％的氨基甲酸酯和有机磷两类化合物，能抑制乙酰胆碱酯酶的活性，造成乙酰胆碱的积累，进而影响正常的传导，导致昆虫中毒死亡。

乙酰胆碱酯酶传感器，包括工作电极，参比电极和辅助电极，工作电极上固定有乙酰胆碱酯酶。使用时，在工作电极与参比电极之间加上恒定电压，将传感器放入待测溶液中就会形成电流回路。待测溶液中的农药的浓度，就会影响酶的活性，进而导致电流的大小发生变化。利用该电流的变化，计算出抑制率(酶被抑制的程度)，就可以得出农药残留是否超标的结论。

目前在利用乙酰胆碱酯酶传感器检测农药残留时，大多数检测方法是将乙酰胆碱酯酶传感器输出的信号，传送给大型的电化学工作站，辅以计算机上的测量软件来进行检测，这种检测方法往往只适合在试验室或检测中心进行，而得到测试结果往往需要较多时间。因此，急需研究开发一套快速、便携的检测仪器，为农药残留现场快速检测提供一种新的技术手段，以满足保障人们食品安全，提高生活质量的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种基于三电极酶传感器的农药残留检测仪，具有携带方便、检测快速准确、操作简单等特点。

为实现上述目的，本发明提供的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪由检测电路、三电极酶传感器、电源、触摸屏及微控制器构成。检测电路用来将三电极酶传感器从待检测溶液获取并输出的nA级电流转化为电压检测信号，送入微控制器的数/模转换器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入的检测信号进行处理，并对整个系统的运行进行控制和响应；触摸屏是用户和系统的交互界面，具有输出和输入的双重功能；电源为整个系统提供能量。

本发明的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪具体结构为：

检测仪由检测电路、三电极酶传感器、电源、触摸屏及微控制器构成，其中：

检测电路由供电电路、恒压电路、三电极检测电路依次串联构成。供电电路采用电压转化芯片并联连接，提供+5V和-5V双电源供电；恒压电路为三电极检测电路提供稳定的工作电压；三电极检测电路与三电极酶传感器相连，将三电极酶传感器输出的nA级电流放大并转化成电压检测信号，输出到微控制器；三电极检测电路中，采用一个斩波稳零高精度运算放大器与多选一开关芯片构成程控T型反馈网络，由微控制器的检测程序控制开关的选通进行灵敏度调整。

微控制器上运行检测程序，将接收到的电压检测信号进行数字滤波后，利用RSD(相对标准偏差)校验法得到稳定的电流值，与设定的抑制前电流值进行比较，得出酶抑制率和定性结论，送到触摸屏显示。

所述的触摸屏既能显示数据、图形，又能进行触摸操作，是用户进行交互操作的窗口。触摸屏采用一般可采用3.5寸的触摸屏，使其功耗能满足便携式设备的功耗要求。

所述的电源，既可以是5V输出的电源适配器，也可以是5V输出的充电锂电池。作为本发明的优选方案，建议在对便携性有较高要求的场合使用5V输出的充电锂电池，但也不排除在实验室等需要长时间工作的场合，可以直接使用5V输出的电源适配器。

本发明的检测仪使用时，将三电极酶传感器放入待检测溶液中，测得抑制后电流，经检测电路转化为检测电压信号送入微控制器，经微控制器及其检测程序进行信号处理，并与抑制前电流进行比较，计算得到酶抑制率。酶抑制率的大小即表明了检测溶液中农药残留的浓度高低。

本发明所提供的一种基于三电极酶传感器的农药残留检测仪应用到农药污染检测领域，可以为检测人员带来极大便利，能够充分满足农药残留现场检测的需求。相对于以往的检测工作必须把各种待检样品运输到检测中心，由专业的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结构紧凑、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为本发明基于三电极酶传感器的农药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为本发明中恒压电路原理图。

图4为本发明中三电极检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的技术方案作详细说明。

首先，对本发明的结构示意框图加以说明；其次，对检测电路所包括的供电电路、恒压电路、三电极检测电路加以详细说明；最后，对整个系统的应用软件及检测流程加以说明。

图1为本发明基于三电极酶传感器的农药残留检测仪的结构框图。如图1所示，本发明由检测电路、三电极酶传感器、电源、触摸屏及微控制器构成。其中检测电路由供电电路、恒压电路、三电极检测电路依次串联构成。检测电路用来将传感器输入的nA级电流转化为检测电压信号，送入微控制器的数/模转换器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入的检测信号进行处理，并对整个系统的运行进行控制和响应；触摸屏是用户和系统的交互界面，具有输出和输入的双重功能；电源为整个系统提供能量。

所述的微控制器采用内核为ARM920T的S3C2440A微控制器，其上加载检测程序。

本发明的一个实施例中，检测电路中的供电电路构成和原理如图2所示，由电压转换芯片U1、U3，电解电容C5、C6、C7，普通电容C10构成，其作用是为整个系统提供+5V、-5V的双电源供电。其中电压转换芯片U1、U3采用并联连接，能减少输出阻抗、增加驱动能力，U1的8脚和6脚分别接电源的+5V和地线。U3的8脚和5脚分别输出+5V和-5V。

本发明中，检测电路中的恒压电路为三电极检测电路提供稳定的工作电压，图3为恒压电路的一个实施例，由定值电阻R5、R9，可调电阻R7，三极管Q1，稳压管U12和运算放大器U9构成。R9的一端连接Q1的基极，一端连接的是S3C2440A微控制器的Suspend输出信号。Suspend输出信号用来控制R9与Q1构成的数字开关，当Suspend信号为高电平(3.3V)时，三极管导通，可变电阻R7的输出为0V；当Suspend信号为低电平(小于0.7v)时，调节可变电阻R7就可以使其输出为预设的恒定电压。运放U9的引脚7接+5V电源，引脚4接-5V，引脚2与6直接相连，引脚3接R7的输出，起到隔离后面电路的作用，同时能提高带负载的能力。

本发明中，三电极检测电路与三电极酶传感器相连，将三电极酶传感器从待检测溶液获取并输出的nA级电流放大并转化成电压检测信号，输出到微控制器。三电极检测电路中，采用一个斩波稳零高精度运算放大器与多选一开关芯片构成程控T型反馈网络，由微控制器的检测程序控制开关的选通进行灵敏度调整。

图4所示是三电极检测电路的一个实施例。三电极检测电路由运算放大器U10、运算放大器U11、定值电阻R6和R8构成。U10的引脚7接+5V电源，引脚4接-5V，引脚6接三电极酶传感器的辅助电极；U11的引脚7接+5V电源，引脚4接-5V，引脚3接三电极酶传感器的参比电极。定值电阻R6跨接在U9引脚6和U10引脚2上。定值电阻R8跨接在U10引脚2和U11引脚6上。U13是采用COMS工艺制成的斩波稳零高精度运放，具有其他高阻运放没有的自动稳零的优点，适合做缓变微电流放大器，其引脚4接三电极酶传感器的工作电极。U14是一个多选一开关芯片，其引脚9、10、11接S3C2440A微控制器的三个输出信号(Scale_H、Scale_M、Scale_L)。U14的引脚1、2、4、5、12、13、14、15接不同阻值的定值电阻。当U14引脚9、10、11为不同的高低电平时，对应某个电阻与引脚3导通，进而与R19和R22构成不同阻值的T型反馈网络，其作用是应对酶传感器的电流变化范围比较大，用户可以选择不同的灵敏度。U13的引脚11和U14的引脚16接+5V电源，U13的引脚5和U14的引脚6、8接地，U13的引脚7和U14的引脚7接-5V。R19、R22跨接在U13的引脚4和引脚10上。U14通过引脚10，将检测电压信号传递给微控制器。

本发明的检测流程是：首先，将三电极酶放入不含农药的底物溶液中，测得不含农药时的电流A1，即抑制前电流(抑制前电流也可以采用系统中设定的默认值)；之后将酶电极取出，用蒸馏水冲后，在酶电极上添加待检测溶液，等待10分钟以便对酶的活性进行抑制，再次放入底物溶液中，测得电流A2，即抑制后的电流；最后通过微控制器上运行的检测程序自动计算出抑制率，计算公式如下：

通常如果检测溶液中含有农药，就会抑制酶电极上酶的活性，导致抑制后电流A2小于A1。A1与A2的差值愈大，即抑制率愈大，表明检测溶液中农药残留的浓度愈高；A1与A2的差值愈小，即抑制率愈，表明检测溶液中农药残留的浓度愈低。

目前认为当抑制率大于、等于50％时，农药残留超标；当抑制率小于50％时，农药残留未超标。

微控制器根据得到的酶抑制率做出定性结论，将结果送到触摸屏显示。

本发明微控制器上运行的检测程序还包含动画演示，使用说明和对重要步骤提示的对话框，可以帮助用户快速掌握仪器的使用方法。

下面就检测程序的实施例做具体说明：

首先，将三电极酶传感器放入底物溶液中浸泡10分钟。

然后，打开仪器电源，系统初始化后进入首页，触摸屏上面有演示、测量和使用说明三个按钮。点击演示按钮，播放演示动画，播放完毕回到首页；点击使用说明，显示使用说明文档，退出后回到首页；点击开始按钮，进入检测流程。

进入检测流程后，微控制器不断从与斩波稳零高精度运放U13引脚10相连的内部AD模块读取数据，转化为电流值后实时显示，并绘出电流变化曲线；检测时间以50秒为一个时间段，将每个时间段最后10秒的电流平均值显示出来；三个时间段过后，若三次电流平均值的RSD(相对标准偏差)＜15％，则取最后一个数值作为最终稳定电流值，从而完成抑制前电流测试，同时弹出对话框显示该电流，并提示加入待测溶液；否则继续检测，直至RSD＜15％。用户可以将本次抑制前电流的检测结果设为为默认值，在下一次检测环境相同(三电极酶传感器和底物溶液都相同)时，即可跳过抑制前电流的实际测量步骤，直接使用默认值。完成以上步骤后，取出三电极酶传感器，在其上面上添加待测溶液，等待10分钟后，再次放入底物溶液中，点击确认按钮，进入抑制后电流的测量流程(与抑制前电流的测试过程相同)，最后计算出抑制率，给出是否超标的结论。

本发明使用的三电极酶传感器可以是乙酰胆碱酯酶传感器，但并不限于乙酰胆碱酯酶传感器，只要是满足三电极测量方法即可。因此，本发明可以适用于多种农药残留检测场合。

Claims (5)

1.一种基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，其特征在于由检测电路、三电极酶传感器、电源、触摸屏及微控制器构成；

所述的检测电路由供电电路、恒压电路、三电极检测电路依次串联构成；供电电路采用电压转化芯片并联连接，提供双电源供电；恒压电路为三电极检测电路提供稳定的工作电压；三电极检测电路与三电极酶传感器相连，将三电极酶传感器从待检测溶液获取并输出的nA级电流放大并转化成电压检测信号，输出到微控制器；三电极检测电路中，采用一个斩波稳零高精度运算放大器与多选一开关芯片构成程控T型反馈网络，由微控制器的检测程序控制开关的选通进行灵敏度调整；

所述微控制器上运行检测程序，将接收到的电压检测信号进行数字滤波后，利用相对标准偏差校验法得到稳定的电流值，与设定的抑制前电流值进行比较，得出酶抑制率和定性结论，送到触摸屏显示；

所述的触摸屏用于显示数据及作为用户进行交互操作的窗口；

所述的电源分别与供电电路和微控制器相连。

2.根据权利要求1的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，其特征在于所述的微控制器采用内核为ARM920T的S3C2440A微控制器。

3.根据权利要求1的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，其特征在于所述微控制器上运行的检测程序还包含动画演示，使用说明和对重要步骤提示的对话框，帮助用户快速掌握仪器的使用方法。

4.根据权利要求1的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，其特征在于所述的触摸屏采用3.5寸的触摸屏，其功耗能满足便携式设备的功耗要求。

5.根据权利要求1的基于三电极酶传感器的农药残留检测仪器，其特征在于所述的电源足5V输出的电源适配器或5V输出的充电锂电池。

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