CN102565023B

CN102565023B - 一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置及方法

Info

Publication number: CN102565023B
Application number: CN201110454582.7A
Authority: CN
Inventors: 刘燕德; 孙旭东; 郝勇; 欧阳爱国; 蔡丽君
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102565023A

Abstract

本发明涉及一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置及方法。随着农业技术的发展，为了高产、高效的生产各类果蔬来满足人们的日常生活需要，各种各样的农药用于防治果蔬病虫害，因此不可避免得在果蔬表面形成农药残留。一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，其中：显示屏、RS232线缆、处理器、激光器、光纤、紧固螺母、透镜、样品支架、探头外壳、反光镜、光纤耦合器、小孔、聚焦镜、准直镜、光栅、探测器、截止滤光片、数据线均固定在外壳上。本装置结构紧凑，功耗低，稳定性强，便于随身携带，适合现场检测。检测过程中装置不移动，检测结果不受外部振动影响，检测精度高，速度快。

Description

一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置及方法

技术领域

本发明涉及农业领域中的农业用的农药残留快速检测装置，特别是一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置及方法。

背景技术

随着农业技术的发展，为了高产、高效的生产各类果蔬来满足人们的日常生活需要，各种各样的农药用于防治果蔬病虫害，因此不可避免得在果蔬表面形成农药残留。过多的农药残留不仅危害消费者安全，而且成为阻碍我国农产品出口的绿色贸易壁垒。

农产品检测中心配备的高精度分析仪器灵敏度高、专业性强、检测方法复杂，且均应在实验室中，价格昂贵。我国果蔬生产相对分散，果蔬要保持新鲜，即采即卖，由采收到市场销售所经历的时间很短，监控部门没有足够的时间把市场上的果蔬作为样本用专业分析仪器进行分析，因此研发一种果蔬农药残留快速检测装置及方法已成为果蔬产业健康发展的必然需求。

拉曼散射是光与物质非弹性散射的一种现象，是重要的光谱分析技术，因其灵敏度高、快速、无损、所需样品极少、并可利用显微光路对样品进行微区检测和成像检测等优点，已在固体物理、半导体物理、催化、表面、生物化学、材料表征和宝石鉴定等领域得到广泛应用。

德国、以色列和新西兰等国的专家，应用近红外光谱技术，研制了便携式检测设备，实现了水果糖度、缺陷、成熟度等的快速检测，但因信号弱、测精度低等问题，无法用于果蔬农药残留的检测。

专利CN101059439A采用调解多模石英光纤内芯的方法获得激光拉曼光谱，因有移动部件，检测精度受振动等因素的影响；专利CN101493416A采用532nm激光诱导光谱，难以克服荧光效应的影响；专利CN201247201采用光电倍增管和光子计数器作为探测器，只能探测到电子振动，检测的灵敏度受到了限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置及方法，以实现果蔬农药残留的快速检测和初步筛选。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明包括硬件装置和软件系统；其中：

1、硬件装置，包括拉曼探头、拉曼光谱探测器和数据采集装置；

1）拉曼探头包括：激光器、光纤、紧固螺母、透镜、带通滤光片、双向色性滤光片、样品支架、探头外壳、反光镜；

2）拉曼光谱探测器包括：光纤耦合器、透镜、小孔、聚焦镜、准直镜、光栅、探测器、截止滤光片；

3）数据采集装置包括：数据线、处理器、RS232线缆和显示屏；

2、软件系统包括拉曼光谱采集模块、分析模块和指纹图谱库模块；其中：

1）拉曼光谱采集模块实现拉曼光谱的采集、存储、读取、硬件参数设置；

2）分析模块实现拉曼光谱读取、保存、显示、定性、定量分析方法和数学模型等；

3）指纹图谱库包括图谱归一化处理、特征峰检索、标准图谱比对、图谱更新升级等功能。

一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，包括硬件装置和软件系统；其中：软件系统包括拉曼光谱采集模块、分析模块和指纹图谱库模块；硬件装置包括拉曼探头、拉曼光谱探测器和数据采集装置；拉曼探头包括激光器、光纤、紧固螺母、透镜、带通滤光片、双向色性滤光片、样品支架、探头外壳、反光镜；拉曼光谱探测器包括：光纤耦合器、透镜、小孔、聚焦镜、准直镜、光栅、探测器、截止滤光片；数据采集装置包括：数据线、处理器、RS232线缆和显示屏；显示屏、RS232线缆、处理器、激光器、光纤、紧固螺母、透镜、样品支架、探头外壳、反光镜、光纤耦合器、小孔、聚焦镜、准直镜、光栅、探测器、截止滤光片、数据线均固定在外壳上；显示屏通过RS232线缆与处理器连接，处理器通过数据线与截止滤光片连接，截止滤光片设于探测器上，激光器连接光纤，光纤通过紧固螺母固定在探头外壳上，透镜、带通滤光片、双向色性滤光片、毛玻璃、反光镜、带通滤光片、透镜均依次固定在探头外壳上，探头外壳下设有样品，样品安放在样品支架上，探头外壳通过光纤连接光纤耦合器的一侧，光纤耦合器的另一侧依次设有透镜、小孔、聚焦镜、准直镜和光栅。

一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，其中：光纤耦合器15另一侧设有的两块透镜与另一块透镜之间设有小孔。

一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：

第一、开启装置，待软件系统自动进入检测界面，开启激光器；

第二、通过拉曼光谱采集模块，调整激光器功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图为止；

第三、将喷施了不同浓度的敌敌畏和甲胺磷农药的样品，放置于室温环境风干3~4天后，放置于样品架上进行采集拉曼光谱；

第四、手握探头，将探头贴于待测样品表面，激光光源发出的光照射到待测样品表面后，与样品表面分子发生非弹性散射，产生拉曼散射，经探头反射至探测器，并经数据线传入处理器；

第五、将激光拉曼光谱代入拉曼指纹图谱库，检索特征峰，进行定性判别，确定为那种农药或哪几种农药残留，代入农药残留预测模型，进行定量预测，得到相应农药残留的浓度。

一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：“通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图”中采用的技术参数如下：激光器的激光波长为780nm，激光器功率为10—30毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。

发明的有益效果是：装置结构紧凑，功耗低，稳定性强，便于随身携带，适合现场检测。检测过程中装置不移动，检测结果不受外部振动影响，检测精度高，速度快，可同时快速实现果蔬农药残留的定性判别和定量分析，满足了现场采样和快速检测的需求。

本发明采用780nm激光器，可以更好的消除荧光效应对检测结果的影响；采用双透镜加小孔的共焦方式，有效避免了焦平面意外的杂散光。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明检测喷施不同浓度敌敌畏的脐橙的激光拉曼光谱图。

图3是本发明检测喷施不同浓度甲胺磷的脐橙的激光拉曼光谱图。

附图说明：显示屏1、RS232线缆2、处理器3、激光器4、光纤5、紧固螺母6、透镜7、带通滤光片8、双向色性滤光片9、毛玻璃10、样品支架11、固定在外壳12、探头外壳13、反光镜14、光纤耦合器15、小孔16、聚焦镜17、准直镜18、光栅19、探测器20、截止滤光片21、数据线22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明

实施例1、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，包括硬件装置和软件系统；其中：软件系统包括拉曼光谱采集模块、分析模块和指纹图谱库模块；硬件装置包括拉曼探头、拉曼光谱探测器和数据采集装置；拉曼探头包括激光器4、光纤5、紧固螺母6、透镜7、带通滤光片8、双向色性滤光片9、样品支架11、探头外壳13、反光镜14；拉曼光谱探测器包括：光纤耦合器15、透镜7、小孔16、聚焦镜17、准直镜18、光栅19、探测器20、截止滤光片21；数据采集装置包括：数据线22、处理器3、RS232线缆2和显示屏1；显示屏1、RS232线缆2、处理器3、激光器4、光纤5、紧固螺母6、透镜7、样品支架11、探头外壳13、反光镜14、光纤耦合器15、小孔16、聚焦镜17、准直镜18、光栅19、探测器20、截止滤光片21、数据线22均固定在外壳12上；显示屏1通过RS232线缆2与处理器3连接，处理器3通过数据线22与截止滤光片21连接，截止滤光片21设于探测器20上，激光器4连接光纤5，光纤5通过紧固螺母6固定在探头外壳13上，透镜7、带通滤光片8、双向色性滤光片9、毛玻璃10、反光镜14、带通滤光片8、透镜7均依次固定在探头外壳13上，探头外壳13下设有样品，样品安放在样品支架11上，探头外壳13通过光纤5连接光纤耦合器15的一侧，光纤耦合器15的另一侧依次设有透镜7、小孔16、聚焦镜17、准直镜18和光栅19。

实施例2、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，其中：显示屏1、RS232线缆2、处理器3、激光器4、光纤5、紧固螺母6、透镜7、样品支架11、探头外壳13、反光镜14、光纤耦合器15、小孔16、聚焦镜17、准直镜18、光栅19、探测器20、截止滤光片21、数据线22均固定在外壳12上；显示屏1通过RS232线缆2与处理器3连接，处理器3通过数据线22与截止滤光片21连接，截止滤光片21设于探测器20上，激光器4连接光纤5，光纤5通过紧固螺母6固定在探头外壳13上，透镜7、带通滤光片8、双向色性滤光片9、毛玻璃10、反光镜14、带通滤光片8、透镜7均依次固定在探头外壳13上，探头外壳13下设有样品，样品安放在样品支架11上，探头外壳13通过光纤5连接光纤耦合器15的一侧，光纤耦合器15的另一侧依次设有透镜7、小孔16、聚焦镜17、准直镜18和光栅19。其余同实施例1。

实施例3、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，其中：光纤耦合器15另一侧设有的两块透镜7与另一块透镜7之间设有小孔16。

实施例4、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：

第一、开启装置，待软件系统自动进入检测界面，开启激光器4；

第二、通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图为止；

第四、手握探头，将探头贴于待测样品表面，激光光源发出的光照射到待测样品表面后，与样品表面分子发生非弹性散射，产生拉曼散射，经探头反射至探测器20，并经数据线22传入处理器3；

实施例5、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：“通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图”中采用的技术参数如下：激光器4的激光波长为780nm，激光器4功率为10—30毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。其余同实施例4。

实施例6、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：“通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图”中采用的技术参数如下：激光器4的激光波长为780nm，激光器4功率为10毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。其余同实施例4或5。

实施例7、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：“通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图”中采用的技术参数如下：激光器4的激光波长为780nm，激光器4功率为20毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。其余同实施例4或5。

实施例8、一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测方法，其中：“通过拉曼光谱采集模块，调整激光器4功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图”中采用的技术参数如下：激光器4的激光波长为780nm，激光器4功率为30毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。其余同实施例4或5。

本发明选用的激光器4的波长为780nm，具体实施效果见表1和表2，以预测相关系数R越高，预测均方根误差RMSEP越小，实施效果越好。

表1 以脐橙表面的敌敌畏残留为例，不同参数设置下的实施效果对比结果：

表2以脐橙表面的甲胺磷残留为例，不同参数设置下的实施效果对比结果：

注：R：相关系数，RMSEC：建模均方根误差，RMSEP：预测均方根误差

综上所述，可以看出：实施例6中激光器4的激光波长为780nm，激光器4功率为10毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次，所达到的效果最好，可以更好的消除荧光效应对检测结果的影响，使得检测结果更为准确，产生的激光拉曼光谱图更加精确。

Claims

1.一种基于激光拉曼光谱的果蔬农药残留快速检测装置，包括硬件装置和软件系统；其特征在于：软件系统包括拉曼光谱采集模块、分析模块和指纹图谱库模块；硬件装置包括拉曼探头、拉曼光谱探测器和数据采集装置；拉曼探头包括激光器（4）、光纤（5）、紧固螺母（6）、透镜（7）、带通滤光片（8）、双向色性滤光片（9）、样品支架（11）、探头外壳（13）、反光镜（14）；拉曼光谱探测器包括：光纤耦合器（15）、透镜（7）、小孔（16）、聚焦镜（17）、准直镜（18）、光栅（19）、探测器（20）、截止滤光片（21）；数据采集装置包括：数据线（22）、处理器（3）、RS232线缆（2）和显示屏（1）；显示屏（1）、RS232线缆（2）、处理器（3）、激光器（4）、光纤（5）、紧固螺母（6）、透镜（7）、样品支架（11）、探头外壳（13）、反光镜（14）、光纤耦合器（15）、小孔（16）、聚焦镜（17）、准直镜（18）、光栅（19）、探测器（20）、截止滤光片（21）、数据线（22）均固定在外壳（12）上；显示屏（1）通过RS232线缆（2）与处理器（3）连接，处理器（3）通过数据线（22）与截止滤光片（21）连接，截止滤光片（21）设于探测器（20）上，激光器（4）连接光纤（5），光纤（5）通过紧固螺母（6）固定在探头外壳（13）上，透镜（7）、带通滤光片（8）、双向色性滤光片（9）、毛玻璃（10）、反光镜（14）、带通滤光片（8）、透镜（7）均依次固定在探头外壳（13）上，探头外壳（13）下设有样品，样品安放在样品支架（11）上，探头外壳（13）通过光纤（5）连接光纤耦合器（15）的一侧，光纤耦合器（15）的另一侧依次设有透镜（7）、小孔（16）、聚焦镜（17）、准直镜（18）和光栅（19）；光纤耦合器（15）另一侧设有的两块透镜（7）与另一块透镜（7）之间设有小孔（16）；其中快速检测方法如下：

第一、开启装置，待软件系统自动进入检测界面，开启激光器（4）；

第二、通过拉曼光谱采集模块，调整激光器（4）功率、积分时间、平均次数，通过调整以上参数，直到理想的拉曼光谱图为止；

第四、手握探头，将探头贴于待测样品表面，激光光源发出的光照射到待测样品表面后，与样品表面分子发生非弹性散射，产生拉曼散射，经探头反射至探测器（20），并经数据线（22）传入处理器（3）；

第五、将激光拉曼光谱代入拉曼指纹图谱库，检索特征峰，进行定性判别，确定为那种农药或哪几种农药残留，代入农药残留预测模型，进行定量预测，得到相应农药残留的浓度；

其中：检测方法“第三”步中采用的技术参数如下：激光器（4）的激光波长为780nm，激光器（4）功率为10毫瓦、积分时间2000毫秒、平均次数10次。