CN103529114A - 一种家用果蔬农药残留快速检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明为一种家用果蔬农药残留快速检测仪，涉及农产品检测技术领域。可现场检测蔬菜和水果中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留。该仪器由检测面板、检测仪机体、酶生物传感器组成，带有一定比例配制好的试剂包和固定乙酰胆碱酯酶的酶膜。检测原理是在利用循环伏安法的基础上，通过测量乙酰胆碱酯酶修饰后的电极接触农药前后在底物中产生电流的变化，来测量农药的浓度。采集酶电极产生的微弱电流信号，通过放大器放大、转换后，输出到数据的处理装置，数据采集终端设有显示器与微型打印机，显示农药是否超标，并可将结果打印输出。本发明适合针对农药残留进行现场快速检测的场合。

Description

一种家用果蔬农药残留快速检测仪

技术领域

本发明涉及水果蔬菜中有机磷及氨基甲酸酯类农药的快速检测相关技术领域以及微量检测技术领域；涉及的原理是基于酶传感器原理的农药残留检测仪，将生物传感器检测方法简单、快速、特异性强的优点结合电子技术的直观性结合起来，在进一步研究我国国情和市场需要研发出来的，目的是快速检测出被测样品的农药残留，属于农药检测技术范畴。

背景技术

我国是世界上农药施用量最大的国家,每年农药的实际产量约40万吨，仅次于美国居世界第二位，年用量约27万吨，居世界前列，有逐年增加的趋势；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。

针对我国小规模农户分散生产的农业生产现状，要控制农药残留，就必须发展能对果蔬表面的农药残留进行快速实时检测的手段，在果蔬上市之前进行大规模抽检；传统的检测方法使用的仪器价格昂贵，需对样品进行繁琐的分离、提取、衍生化等预处理步骤，耗时、成本高，而且存在有机溶剂污染环境等问题，需要专业技术人员维护，不适用于现场检测；因此迫切需要发展一种果蔬中农药残留快速检测的微型化、便携式、操作简单的快速检测仪器，使普通百姓对食用的水果、蔬菜是否有农药超标，能快速简单的检测出来，从而普通百姓对食品质量安全有知情权。

 目前国际上进行农药残留检测的方法主要可以分为传统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，但检测的过程中复杂的前处理步骤与需要专业技术熟练的人员操作设备成为其无法避免的弊病；传统的检测方法不仅试验仪器价格昂贵，另需对样品繁琐的分离、提取、衍生化等预处理步骤是长期以来令人们头疼的不可取的方法，另外加上耗时、成本高，存在潜在有机溶剂污染环境、专业技术人员维护等问题，更加不适用于现场检测。

 生化检测法现今已成为检测农药残留的重要方法，由于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；在测定时，样本样品处理简便，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。

 日常生活中，七成的杀虫剂品种为氨基甲酸酯和有机磷，这两类化合物能抑制乙酰胆碱酯酶(AChE) 的活性，而乙酰胆碱酯酶是与神经化学传递有关的乙酰胆碱 (AChE) 的水解酶。氨基甲酸酯和有机磷能造成乙酰胆碱的积累并影响正常的传导，导致动物中毒死亡。

三电极体系中，工作电极上固定有乙酰胆碱酯酶，并连接上参比电极和辅助电极，就形成了乙酰胆碱酯酶传感器，将传感器放入待测溶液中，上电使用时在工作电极与参比电极之间加上恒定电压，就会形成电流回路；待测样品中农药的浓度会影响酶的活性，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。

发明的目的在于提供种普通百姓可以在家庭使用的检测水果、蔬菜是否有农药残留的家用式的农药残留快速检测仪器。

目前在利用乙酰胆碱酯酶传感器检测农药残留时，通用的检测方法是将乙酰胆碱酯酶传感器输出的信号直接传送给试验室或检测中心大型的电化学工作站，将测试的灵活性和时间的利用率大大降低；因此，在进一步研究我国国情和市场需要，也为了给农药残留现场快速检测提供一种新的技术手段，急需研究开发一套快速、便携的检测仪器，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我国国情和市场需要和现有技术的不足，设计了供家用的蔬菜水果农药残留快速检测仪，具有携带方便、体积小容易放置、操作简单易懂、无需人员培训等特点。

为实现上述目的，本发明提供的家用的蔬菜水果农药残留快速检测仪,根本上的原理是基于生物传感器-酶传感器的农药残留检测仪；由检测面板、检测仪机体、检测端，开关键和三相电源线构成；检测面板用来操作仪器。检测端将三电极酶传感器从待检测溶液获取并输出的 nA 级电流导入仪器检测电路板变成电压检测信号，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 ；显示屏是用户和系统的交互界面 ；打印机将结果打印出来并保存；电源线接通电源工作。

 检测仪由开关电源、检测电路、显示屏接口，打印机接口及微控制器构成，其中 ：开关电源为220V接入电压，正负12V输出，正5V输出，分别作为检测电路和打印机的激励；检测电路由DC-DC电路、数字/模拟电路、三电极系统电流/电压转化检测电路、模拟/数字转换电路，显示屏接口，打印机接口依次串联构成；供电电路采用电源稳压模块并联连接，提供正5V 和负5V 双电源供电 ；循环伏安三角波电路为三电极系统在工作电极上添加添加等腰三角形的脉冲电压；三电极系统电流/电压转化检测电路中，采用一个斩波稳零高精度运算放大器，利用反馈阻抗网络达到放大功能，由微控制器的检测程序控制显示和打印的工作。

 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，送到显示屏显示。

 与用户进行交互操作的是显示屏和打印机，采用了一般的 3.5 寸的显示屏，满足便携式设备的低功耗要求。

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恒电位仪电路、三电极系统电流/电压转化检测电路和滤波电路加以详细说明；最后，对整个系统的应用软件及检测流程加以说明。

  图1为本发明一种家用果蔬农药残留快速检测仪的结构框图，如图1所示,本发明由微电流检测电路，放大、滤波电路，数字/模拟电路,显示屏及微控制器最小系统构成；其中检测电路由供电电路、三电极系统电流/电压转化检测电路, 放大电路、模拟/数字电路、数字/模拟电路依次串联构成；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, 送入微控制器外接的模/数转换器;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;显示屏和打印机是用户和系统的交互界面,具有输出显示功能;数字/模拟电路用来产生等腰三角波的脉冲电压；电源由电源线接入激励。

 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仪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中                                                

和

为三电极系统的组成部分，WE、FZ、CB分贝代表工作电极，辅助电极和参比电极；电路由定值电阻 R1、R2，和运算放大器 A和运算放大器B 构成，运放 A 与运放B的引脚 7 接 +5V 电源，引脚 4 接 -5V，A的引脚 2 与 引脚6 直接相连，B引脚 3 接 地，起到抗干扰的作用。A的引脚2也与引脚6相连接，目的是隔离后面电路的作用，同时能提高带负载的能力。

 图2 的

为三电极系统电流/电压转化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ILC7650与电阻R4、R5、R6和电容C4构成 T 型阻抗反馈网络，另外还有部分电容C1、C2。

   一种农药残留检测方法，选取有代表性的蔬菜样品，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，去样品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，将乙酰胆碱酯酶酶膜固定在玻碳电极或者金电极上，然后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）；之后将乙酰胆碱酯酶电极取出，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，测得电流 I₂，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 I₂小于 I₁；I₁ 与 I₂ 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；I₁ 与I₂ 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，将结果送到显示屏显示，并将最后结果打印保存，供相关人员研究。

 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，将乙酰胆碱酯酶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、复位和打印三个薄膜按键；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。

 注意:a.若要测量下一个待测样品，点击复位即可；

                b.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 (4)

1.一种家用果蔬农药残留快速检测仪，由检測面板、检测仪机体、检测端，开关键和三相电源线构成，另附加按一定比例配制好的试剂包和事先实现准备好的酶膜、仪器使用说明书，检测仪机体由箱体、微型打印机和底座组成，打印机镶嵌在箱体顶端。

2.如权利要求1所述的一种家用果蔬农药残留快速检测仪，其特征在于：所述的检测仪采用循环伏安电化学检测法利用生物传感器检测法-酶抑制法将农药抑制前后两次测定值，农药抑制度、农药浓度四个测定值显示，并在测定完毕后，打印出相对应的文字凭证，供使用者分析研究。

3.如权利要求1和要求2所述的一种家用果蔬农药残留快速检测仪，随机附赠有已经准备好的酶膜，将事先实现准备好的乙酰胆碱酯酶酶膜附贴于电极表面，置于检测池反应底液中，利用家用果蔬农药残留快速检测仪进行检测。

4.如权利要求1和要求2所述的一种家用果蔬农药残留快速检测仪，另附加按一定比例配制好的试剂包，此试剂包由固定比例的化学试剂组成，另有固定克数的反应底物包，当使用仪器时，外接好反应池，检測池上带有刻度尺，接入固定量的水，将两种试剂包加入水中，搅拌均匀后为检测池反应底液，在此基础上将乙酰胆碱酯酶酶膜置于底物液体中，利用本发明的家用微型化果蔬农药残留快速检测仪进行检测。

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