CN103529111B - 一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，由三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。采用多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合材料修饰的金电极表面固定乙酰胆碱酯酶，制备了酶传感器，三电极系统通过酶传感器采集反应溶液的微弱电流信号；信号检测与处理系统将三电极采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入微控制器进行程序处理；该检测仪可将样品中残留的农药浓度显示出来，并将数据存储以便用户查看和数据分析。本发明的便携式乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪可准确快速的检测样品中的农药残留量，可用于生产企业或超市上市前的快速检测。
Description
本发明涉及一种检测水果蔬菜中有机磷及氨基甲酸酯类农药的快速检测仪。属于食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，如农田生态系统被破坏等。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。
发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷以及操作简单、价格低廉、灵敏度高、可以实现在线快速检测的农药残留快速检测仪。
本发明一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪的基本原理是：三电极系统通过酶传感器采集反应溶液的微弱电流信号紧接着信号检测与处理系统将三电极采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入单片机进行程序处理。最后，显示与打印存储系统将残留的农药浓度、抑制度等参数显示出来，并将数据存储下来以便用户及时查看和进行数据分析。显示与打印存储系统内含微型打印机，可以将数据进行相应的打印输出。信号检测与处理系统内部的单片机对显示与打印存储系统统一进行编程控制，同时也对其它系统进行响应。本发明一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪的外部设计为长方体，操作界面安置有显示屏操作按键，三电极出线口以及电源开关和电源出线口布置在仪器的后表面。仪器的上表面安置有微型打印机。
为实现以上功能，本发明的一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪的酶生物传感器的制备方法为：在50mL乙酸溶液中加入0.1g壳聚糖制备成0.2%壳聚糖溶液。在4mL 0.2%壳聚糖溶液中加入1mg二氧化锡、3mg多壁碳纳米管，25℃水中超声震荡30分钟，获得均匀的多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜分散液。取2.5μL制备好的多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜滴涂在预处理好的Φ=1mm的金电极表面，常温下静置1h，用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗电极表面；电极表面晾干后，取2.5μL乙酰胆碱酯酶滴涂在电极表面，4℃下静置2h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗表面，氮气吹干；取2.5μL 0.5% Nafion保护膜滴涂在电极表面，常温下静置1.5h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗表面，氮气吹干；将上述经纳米材料修饰好的电极沉浸在毒死蜱溶液中，常温下浸泡14min，取出后用磷酸盐缓冲液冲洗表面，晾干待用，酶传感器制作完成，保存在4°C条件下备用。
所述的一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于：三电极系统电路由三电极酶传感器，三电极检测电路，恒电位电路组成；三电极酶传感器采集电流信号由三电极检测电路传向信号检测与处理系统电路。恒电位电路向反应溶液环境提供500mV的稳定电压。
信号检测与处理系统电路具有I/V转换，放大，滤波功能，内含A/D转换芯片将经过I/V转换之后酶传感器采集的模拟量信号转换成数字量信号送入单片机进行程序处理。信号检测与处理系统的单片机微控制器为STC89C52。单片机的检测程序包含数据打印与存储，时间显示，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以及进行数据打印和存储方便以后进行数据的检查和处理。信号检测与处理系统电路采用TLC272CP芯片多路运放电路具有I/V转换，放大，滤波并向三电极反应环境提供500mv恒定电压的功能。
显示与打印存储系统电路由显示器电路，打印电路和存储器电路组成。显示器用于显示数据通过操作按键进行控制作为用户进行控制的界面。打印存储系统电路分别与微型打印机以及存储器相连进行数据打印和存储。显示屏采用了一般的 3.5 寸的显示屏，微型打印机采用微型嵌入式打印机，其尺寸和功耗满足方便携带和便携式的功耗要求。
为达到以上目的，采取以下技术方案实现：供电系统电路由开关电源和电压转换电路组成，开关电源将交流电转换成直流电经过电压转换电路分别向各系统电路和微型打印机供电。开关电源为+12V，1A、-12V，1A、+5V，5A三路输出。电源与供电系统中的开关电源相连。
附图说明
图 1 为本发明三电极酶传感器的农药残留快速检测仪的结构框图。
图 2 为本发明三电极与恒电位电路及A/D转换前期处理电路。
具体实施方式
首先，对本发明的结构示意框图加以说明；其次，对信号检测及处理系统所包括的恒电位电路、A/D转换前期处理电路加以详细说明；最后，对整个系统的应用软件及检测流程加以说明。
图1为本发明一种基于三电极酶传感器的农药残留快速检测仪的结构框图。如图1所示,本发明由三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。三电极系统通过酶传感器采集反应溶液的微弱电流信号；信号检测与处理系统将三电极采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波，A/D转换最终将数字量信号送入单片机进行程序处理；显示与打印存储系统将残留的农药浓度、抑制度等参数显示出来，并将数据存储下来以便用户及时查看和进行数据分析。显示与打印存储系统内置微型打印机，可以将数据进行相应的打印输出。信号检测与处理系统内部的单片机对显示与打印存储系统统一进行编程控制，同时也对其它系统进行响应。供电系统将交流电转换成三路直流电为各系统电路以及微型打印机供电。所述的微控制器采用内核为 MCS-51 的 STC89C52RC+ 微控制器，其上加载检测程序。
本发明中，检测电路中的恒电位电路为三电极系统电流/电压转化检测电路提供稳定的工作电压，图 2为恒电位仪电路的一个实施例，由一个双路运算放大器 U10 TLC272CP和R44,R46,R4,C35,C16,R48构成。运放 B的引脚6和7相连与A的3脚相连，A的2脚与三电极体系的工作电极相连并连上了C16，增强抗干扰能力，R48是做为反馈电阻在放大器A上，B的5管脚外接一个电位器R46，由正5V供电激励，R44,R46,R4通过电压分压供给500mv电压给与B的5管脚形成恒电位电路，初始电压为500mv. 运放A和的引脚 8 接 +5V 电源，引脚 4 接 -5V，U9 TLC272CP的运放 B引脚 7 与 引脚6 直接相连作为电压跟随器，ADE 引脚 3 与 B的引脚5相连接，共同接地，起到抗干扰的作用。A的引脚2 直接与三电极体系的参比电极相连接，引脚1直接与三电极体系的辅助电极相连接，之间连接电容14，目的是起隔离电路的作用，同时能提高带负载的能力，因此U9和U10共同构成了生物传感器的三电极体系，所用检测端由这里引出，采集与检测电化学反应产生的微弱电流信号。
一种农药残留检测方法，选取有代表性的蔬菜和水果样品，用潮湿的抹布将蔬菜表面的泥土擦拭干净，切碎成2cm左右的见方碎片，取样品2g, 放入提取瓶中，加入10ml磷酸盐缓冲液， 放入超声提取仪，超声提取3分钟，倒出提取液静置2min,备用即可。
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 I1，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，用蒸馏水冲洗后，将酶电极上放入待检测溶液孵育，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，测得抑制后的电流I2；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 I2小于 I1。I1 与 I2 的差值愈大则抑制率愈大，表明检测溶液中农药残留的浓度愈高；I1 与I2 的差值愈小则抑制率愈小，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，将结果送到显示屏显示，并将最后结果打印输出，数据同时一并进行存储供相关人员以后的查找和研究。
本发明微控制器上运行的检测程序还包含屏幕跳转演示和对重要步骤提示的对话框、打印提示，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进行检测准备。然后，按下仪器开关键，系统初始化后进入首页，显示屏旁边有检测按钮、复位和打印三个播磨按键。第一次点击检测按钮，开始检测 并显示读数I1；第二次点击检测之后，观察提示，显示结果I2 ；点击打印，打印结果并保存。打开电源键，屏幕显示“START 检测 ”，清零。将提前准备好磷酸盐缓冲溶液（不含任何有机磷农药的空白液）混入定量碘化硫代乙酰胆碱底物溶液，为下步操作准备。将鳄鱼夹分别加紧三电极系统对应的三个柱状电极，将固化酶的三电极浸入到之前准备的磷酸盐缓冲溶液中按下检测键，屏幕显示开始检测，约1min后，基线达到稳定水平，约30s后，得到第一个完整的电流数据，记为I1。待测样品测试:将酶传感器放入提取好的样品溶液中，约10min，之后再将其浸入定量磷酸盐缓冲溶液中，按测量键，点击检测键第二次测量，同时显示第二个电流数据I2。通过两个电流数据自动计算该样品液对固定化酶的活性抑制率。选择适当的关系曲线计算提取液的目标农药浓度，并折算成样品中目标农药的含量，最后自动生成测定结果报告。按下打印键，将印有前后两次检测电压、农药抑制率以及农药检测浓度的数据进行打印输出。
注意:1.若要测量下一个待测样品，点击复位即可；
2.关机后须重新进行仪器调零和标准样品测试。
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. 一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪由乙酰胆碱酯酶生物传感器，三电极信号检测与处理电路，显示与打印存储电路，恒电位供电电路，操作按键，数据存储器，微型打印机，供电系统电路，电源构成；其中，乙酰胆碱酯酶传感器的制备采用多壁碳纳米管-二氧化锡-壳聚糖纳米复合材料修饰的金电极表面固定乙酰胆碱酯酶，并用Nafion 保护膜滴涂在电极表面，增强了乙酰胆碱酯酶在电极上的固定效果；乙酰胆碱酯酶生物传感器产生的电流信号由三电极检测电路传向信号检测与处理电路；恒电位供电电路向工作电极与参比电极之间提供500mV的稳定工作电压；所述的三电极信号检测与处理电路具有I/V 转换，放大，滤波功能，内含A/D 转换芯片及单片机微控制器，可将酶生物传感器采集的模拟量信号转换成数字量信号送入单片机进行程序处理；所述的显示与打印存储电路由显示器电路，打印电路和存储器电路组成；所述的显示器用于显示数据通过操作按键进行控制作为用户进行控制的界面；显示与打印存储电路分别与嵌入式微型打印机以及存储器相连进行数据打印和存储；所述的供电系统电路由开关电源和电压转换电路组成，开关电源为三路将交流电转换成直流电经过电压转换电路分别向各系统电路和微型打印机供电；所述的电源与供电系统电路中的开关电源相连。
2.如权利要求1 所述的乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的信号检测与处理电路的单片机微控制器为STC89C52。
3.如权利要求1 所述的乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的单片机的检测程序包含数据打印与存储，时间显示，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以及进行数据打印和存储方便以后进行数据的检查和处理。
4.如权利要求1 所述的乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的开关电源为+12V，1A、-12V，1A、+5V，5A 三路输出。
5.如权利要求1 所述的乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪，其特征在于所述的信号检测与处理电路采用TLC272CP 芯片多路运放电路具有I/V 转换，放大，滤波并向三电极反应环境提供500mv 恒定电压的功能。
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