CN103257126A - 一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法 - Google Patents

一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法。采集样本的LIBS光谱，采用平滑序列非正交幅频方法对LIBS光谱进行预处理；利用子窗口重排分析和竞争性自适应重加权算法分别提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线，并分别输入到农药残留种类检测模型和农药残留含量检测模型中，先进行农药残留种类检测，再进行农药残留含量检测。本发明所公开的方法利用激光诱导击穿光谱技术检测农产品或食品中的农药残留含量具有无需样品预处理、非破坏性、快速实时检测的优点，可以用于大批量农产品或食品中的农药残留含量在线检测。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法
技术领域
本发明涉及农产品或食品质量与安全检测技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法。
背景技术
由于农作物过量施用农药，导致我国农产品/食品中的农药残留问题严重，农药残留超标事件时有发生，严重危害人们的身体健康。因此，急需农产品/食品中的农药残留快速检测方法，保障人们的身体健康。
目前，农产品/食品中的农药残留含量的检测方法主要有气相色谱法、高效液相色谱法、气—质联用法、液—质联用法、酶抑制法、酶联免疫法、活体检测法。气相色谱法、高效液相色谱法、气—质联用法及液—质联用法是最常用的农药残留检测方法，这些方法具有检测精度高、重复性好的优点，但存在前处理复杂、破坏性、检测时间长、成本高的缺点。酶抑制法是利用有机磷和氨基甲酸酯类农药抑制乙酰胆碱酯酶的特异性生化反应来检测农药残留。酶联免疫法是基于抗原抗体特异性识别和结合反应的原理来检测农药残留。酶抑制法和酶联免疫法具有专一性强、灵敏度高的优点，但受环境因素影响大，特别是温度，准确性和重复性差，检测种类有限。活体检测法是利用活体生物如发光细菌或敏感家蝇测定果蔬样品中的农药残留。该方法检测过程简单，但检测粗糙，准确性低，只对少数农药有效。因此，上述方法均无法满足农产品/食品中的农药残留快速检测的需求。
激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新兴的光谱检测技术，其原理是利用高能量短脉冲的激光束聚焦至样本表面，进行烧蚀、气化、电离，产生激光等离子体，通过分析光谱仪获取的激光等离子体光谱信号来检测物质成分含量。该技术具有无需样品预处理、非破坏性、快速实时检测的优点，可以满足大批量农产品/食品中的农药残留含量在线快速检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的农药残留快速检测方法，用于农产品/食品中的各类农药残留含量的快速检测。
本发明采用的技术方案如下：
（1）将激光输出系统的激光束通过聚焦透镜汇聚于检测样本的表面，对检测样本的表面物质进行烧蚀、气化、电离，形成激光等离子体；
（2）调节激光输出系统，改变激光束的能量与波长，使产生的激光等离子体中含有元素和基团谱线；
（3）通过光谱仪获取激光等离子体光谱信号，采用平滑序列非正交幅频方法消除光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（4）利用子窗口重排分析方法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线，将获取的元素特征谱线和基团特征谱线输入到农药残留种类检测模型中，判断农药残留的种类；
（5）利用竞争性自适应重加权算法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线。根据农药类别检测模型的检测结果，将获取的元素特征谱线和基团特征谱线输入到相应的某一种类的农药残留含量检测模型中，检测农药残留的含量。
所述的激光输出系统包括激光器和调节装置，调节装置可调节激光器输出的激光束的波长与能量，能量调节范围为0~200mJ，波长可调节为1064 nm、532 nm与355 nm。
所述的样本可为某一种被农药残留污染的农产品/食品。
所述的农药残留种类检测模型的建立包括以下步骤：
（1）获取不同种类且不同含量农药残留的样本，采集样本的LIBS光谱信号；
（2）采用平滑序列非正交幅频方法消除样本光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（3）利用子窗口重排分析方法提取不同种类的农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线；
（4）将不同种类的农药残留赋予一定的类别值，应用神经网络方法将农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线与类别值进行关联，建立农药残留种类检测模型。
所述的某一种类的农药残留含量检测模型的建立包括以下步骤：
（1）获取不同含量的某一种类农药残留的样本，采集样本的LIBS光谱信号；
（2）采用平滑序列非正交幅频方法消除样本光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（3）利用竞争性自适应重加权算法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线；
（4）采用国家标准方法测定样本中的农药残留的真实含量值，国家标准方法是国家规定的检测某一农产品或食品农药残留的标准方法，如气相色谱法、高效液相色谱法、气—质联用法、液—质联用法、酶抑制法、酶联免疫法或活体检测法等方法；
（5）应用最小二乘支持向量机方法将农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线与样本中的农药残留的真实含量值进行关联，建立某一种类的农药残留含量检测模型。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明所公开的方法利用激光诱导击穿光谱技术检测农产品/食品中的农药残留含量具有无需样品预处理、非破坏性、快速实时检测的优点，可以用于大批量农产品/食品中的农药残留含量在线检测。
附图说明
图1 基于激光诱导击穿光谱的农药残留快速检测方法的装置示意图
图中：1、激光器；2、调节装置；3、激光束；4、反射镜；5、聚焦透镜；6、激光等离子体；7、被测样品；8、载物台；9、步进电机；10、计算机；11、CCD光谱仪；12、聚焦透镜；13、光纤；14、数字脉冲延迟器。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
如图1所示，本实施例的基于激光诱导击穿光谱的农药残留快速检测方法，数字脉冲延迟器14触发激光器1，使激光器1发出激光束3，通过调节装置2将激光束3的波长及能量分别调节为1064 nm和20 mJ，然后激光束3经过反射镜4垂直反射，再由聚焦透射5将激光束3汇聚于置于载物台8上的样本7表面，诱导产生激光等离子体6，激光等离子体6通过聚焦透镜12汇聚，再由光纤13收集，然后数字脉冲延迟器14控制CCD光谱仪11获取光纤11收集的光谱信号，再将光谱信号保存到计算机10中。为了提高样本7的农药残留检测精度，采集样本7表面多个点的光谱数据。将样本7中心与载物台中心偏置一微小距离，通过步进电机9带动载物台8和样本7旋转，采集样本7表面多个点的光谱数据，将多个点的平均光谱数据用于农药残留预测。
采用平滑序列非正交幅频方法对样本7的平均光谱进行预处理，去除噪声并扣除背景；对于经预处理后的样本7的平均光谱，利用子窗口重排分析方法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线，并将提取的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线输入到农药残留种类检测模型中，检测样本7中的农药残留种类。
对于经预处理后的样本7的平均光谱，再利用竞争性自适应重加权算法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线。根据农药类别检测模型的检测结果，将获取的元素特征谱线和基团特征谱线输入到相应的某一种类的农药残留含量检测模型中，检测样本7中的农药残留含量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）将激光输出系统的激光束通过聚焦透镜汇聚于检测样本的表面，对检测样本的表面物质进行烧蚀、气化、电离，形成激光等离子体；
（2）调节激光输出系统，改变激光束的能量与波长，使产生的激光等离子体中含有元素和基团谱线；
（3）通过光谱仪获取激光等离子体光谱信号，采用平滑序列非正交幅频方法消除光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（4）利用子窗口重排分析方法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线，将获取的元素特征谱线和基团特征谱线输入到农药残留种类检测模型中，判断农药残留的种类；
（5）利用竞争性自适应重加权算法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线，根据农药类别检测模型的检测结果，将获取的元素特征谱线和基团特征谱线输入到相应的某一种类的农药残留含量检测模型中，检测农药残留的含量。
2.如权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：所述的农药残留种类检测模型的建立包括以下步骤：
（1）获取不同种类且不同含量农药残留的样本，采集样本的LIBS光谱信号；
（2）采用平滑序列非正交幅频方法消除样本光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（3）利用子窗口重排分析方法提取不同种类的农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线；
（4）将不同种类的农药残留赋予一定的类别值，应用神经网络方法将农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线与类别值进行关联，建立农药残留种类检测模型。
3.如权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：所述的某一种类的农药残留含量检测模型的建立包括以下步骤：
（1）获取不同含量的某一种类农药残留的样本，采集样本的LIBS光谱信号；
（2）采用平滑序列非正交幅频方法消除样本光谱的噪声信号，并扣除背景信号；
（3）利用竞争性自适应重加权算法提取农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线；
（4）采用国家标准方法测定样本中的农药残留的含量值；
（5）应用最小二乘支持向量机方法将农药残留的LIBS元素特征谱线和基团特征谱线与样本中的农药残留的含量值进行关联，建立某一种类的农药残留含量检测模型。
4.如权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：所述的激光输出系统包括激光器和调节装置，调节装置可调节激光器输出的激光束的波长与能量。
5.如权利要求4所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：调节装置的能量调节范围为0~200mJ，波长可调节为1064 nm、532 nm和355 nm。
6.如权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：所述的样本为含有农药残留的农产品或食品。
7.如权利要求3所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的农药残留快速检测方法，其特征在于：步骤（4）中的国家标准方法是国家规定的检测不同样本农药残留的标准方法。
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