CN109738410B - 一种用于检测真菌毒素的自动化设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分析化学检测领域，尤其涉及一种用于检测真菌毒素的自动化设备和方法。该自动化设备包括控制电路系统、样品前处理系统、荧光检测系统和数据处理系统。控制电路系统用于控制设备中各系统之间电信号的传输；样品前处理系统通过管路与荧光检测系统相连，将经过前处理的样品输送至荧光检测系统进行检测；数据处理系统与荧光检测系统相连，接收其检测得到的荧光信号，并经数据处理后，获得待测样品中真菌毒素的浓度。本发明提供的用于检测真菌毒素的设备中，荧光检测系统设有多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘，可以根据需要自动切换紫外LED光源以产生不同波长的激发光，能够满足多种真菌毒素的同时检测。

Description

一种用于检测真菌毒素的自动化设备和方法

技术领域

本发明涉及分析化学检测领域，尤其涉及一种用于检测样品中真菌毒素的设备和方法。

背景技术

真菌毒素是真菌产生的次级代谢产物。真菌毒素主要存在于粮食、饲料和食品中，粮食储存不当、未被充分干燥或贮运过程中温度或湿度过高，都会使带染在粮食饲料上的真菌迅速生长；久泡的木耳，可能会变质产生类似的生物毒素，或者滋生细菌和真菌等致病微生物；没洗干净的筷子，筷子缝里极容易暗藏淀粉，霉变，产生黄曲霉素；劣质的芝麻酱、变质的米饭、发苦的坚果等，里面都暗藏着真菌毒素。其实真菌毒素一直暗藏在我们身边，并时刻威胁着人类身体健康。

目前针对食品中的真菌毒素的检测方法多为液相色谱-免疫亲和法，这种方法由人工进行提取、进样和检测。基本方法为：先用甲醇或乙腈作为提取试剂，通过超声过滤等得到提取液；再通过活化特定的免疫亲和柱，将提取液通过免疫亲和柱，人工控制一定的流速过柱，清洗免疫亲和柱数遍；使用甲醇等有机试剂进行洗脱，洗脱液要经过氮吹和复溶；最后将样品放进进样器中，使用配有荧光检测器的液相色谱系统进行分析。不但操作复杂、耗时、劳动强度高、误差大，而且检测精度较低。同时，检测分析人员在整个操作过程中与真菌毒素接触较多，对检测分析人员的健康构成严重威胁。

另外所面临的主要问题是检测真菌毒素的荧光检测装置基本来源进口，国内目前市场上针对荧光物质的检测多为专用型荧光检测器，比如市面上在售的黄曲霉毒素专用检测分析仪等。这种专用型检测装置主要问题是功能单一，只能满足一种物质的检测，无法实现多种毒素的同时检测，且灵敏度较低。

使用进口荧光检测装置有实验平台设备昂贵，体积庞大，维护成本高的因素，限制了我国食品安全控制的及时性。因此加强多种真菌毒素自动检测装置的自主研发，加强食品领域“舌尖上的安全”刻不容缓。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种用于检测真菌毒素的自动化设备和方法。该自动化设备包括控制电路系统、样品前处理系统、荧光检测系统和数据处理系统。本发明提供的用于检测真菌毒素的设备中，荧光检测系统设有多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘，可以根据需要自动切换紫外LED光源以产生不同波长的激发光，能够满足多种真菌毒素的同时检测，且检测精度较高。同时，本发明还提供了一种新的样品前处理系统，操作简单，能够有效减少检测分析人员在整个操作过程中与真菌毒素的接触，实现检测的自动化。

本发明采用以下技术方案施行：

一种用于检测真菌毒素的自动化设备，包括：控制电路系统、样品前处理系统、荧光检测系统和数据处理系统；

进一步的，所述控制电路系统用于控制设备中各系统之间电信号的传输；所述样品前处理系统通过管路与荧光检测系统相连，将经过前处理的样品输送至荧光检测系统进行检测；所述数据处理系统，与荧光检测系统相连，接收其检测得到的荧光信号，并经数据处理后，获得待测样品中真菌毒素的浓度；

进一步的，所述荧光检测系统设有LED多波长诱导荧光检测器；

进一步的，所述LED多波长诱导荧光检测器设有多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘，所述多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘电连接；

进一步的，所述多波长LED光源盘上设有2-10个不同波长的紫外LED光源，多波长光源自动切换光学系统可以根据需要自动切换紫外LED光源以产生不同波长的激发光；

进一步的，所述2-10个不同波长的紫外LED光源能够产生波长范围为190nm-900nm的激发光；

进一步的，所述LED多波长诱导荧光检测器还包括激发滤光片、激发透镜、二色镜、双胶合透镜、样品池、发射透镜、发射滤光片和光电倍增管；

进一步的，所述LED多波长诱导荧光检测器的工作原理为：紫外LED光源产生的激发光通过激发滤光片及激发透镜，经由二色镜及双胶合透镜将激发光汇聚至样品池内，激发光将样品池内的真菌毒素物质激发，激发出的荧光再经双胶合透镜、二色镜、发射透镜及发射滤光片汇聚至光电倍增管处，经过前置放大将荧光信号传递至数据处理系统；

进一步的，所述多波长光源自动切换光学系统包括电机直驱机构、紫外LED光源旋转装置及光耦定位系统；紫外LED光源经准直镜准直，激发，经激发滤光片及入射光阑对杂散光进行过滤；

进一步的，所述2-10个不同波长的紫外LED光源，均匀分布在多波长LED光源盘上，由多波长光源自动切换光学系统中进行定位驱动，以满足多种真菌毒素的同时在线检测；

进一步的，所述LED多波长诱导荧光检测器采用高灵敏度、低暗电流光电倍增管作为检测器，用于检测待测样品中的荧光信号，同时，采用可变光阑对荧光信号进行杂散光滤除；

进一步的，所述数据处理系统将真菌毒素类样品发射的荧光光谱进行信号转换及放大、滤波，通过不同灵敏度及增益档位的设置对荧光光谱进行色谱分析；

进一步的，所述样品前处理系统设有均质器和捕集柱；

进一步的，所述样品前处理系统还包括低压混合器、样品前处理溶剂储存罐、第一高压恒流泵、三元切换阀、第一注射泵、第二注射泵、反应器、二位六通切换阀、洗脱溶剂储存罐、第二高压恒流泵、废液瓶、第三高压恒流泵、流动相储存罐、样品瓶、自动进样器和色谱柱；

进一步的，所述低压混合器一端连接样品前处理溶剂储存罐，另一端通过第一高压恒流泵和三元切换阀相连，均质器和反应器分别与三元切换阀的另两端相连，所述第一注射泵一端与均质器相连，另一端与反应器相连，所述第二注射泵一端与反应器相连，另一端与二位六通阀相连，所述洗脱溶剂储存罐通过第二高压恒流泵与二位六通切换阀相连，所述二位六通切换阀有六个连接口，另四个连接口分别与废液瓶、捕集柱的两端以及样品瓶相连，所述流动相储存罐通过第三高压恒流泵与自动进样器相连，自动进样器还分别与样品瓶和色谱柱相连；

进一步的，所述控制电路系统设有控制电路和电源模块，所述控制电路用于控制第一高压恒流泵、第二高压恒流泵、第三高压恒流泵、三元切换阀、第一注射泵、第二注射泵、自动进样器、二位六通切换阀、多波长LED诱导荧光检测器和数据处理系统；

进一步的，所述控制电路部分，整套电路控制系统智能化设计，全自动系统实现开机自检及准备工作，自动报警功能，其中，恒流泵及注射泵采用步进电机细分控制技术使得电机在低速运行平稳；流动相压缩系数校正和流速准确性双重校正保证了极高的流量准确度；通过RS485进行色谱工作站外部控制能够方便地得到高精度二元高压梯度系统，同时能够实现流动相流速梯度，实时压力检测显示、高压限、低压限报警功能保证了仪器使用的安全性；软件标定压力和三种压力单位(MPa，psi，bar)显示模式有机结合，满足不同用户的需要和质量控制的要求；大流量冲洗溶剂置换功能，减少了溶剂置换时间，提高了工作效率；自动进样器采用高数度步进电机控制系统，实现对三维导轨的精准控制，电路系统采用集成度较高的AT89C55微控制器及SPI总线技术；

进一步的，所述数据处理系统包括计算机，计算机上有专用软件，对数据进行采集、处理和计算；

本发明还提供了一种采用以上所述自动化设备进行待测样品中真菌毒素检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)待测样品前处理，将待测样品经样品前处理系统进行提纯，得到提纯后的样品溶液；

(2)荧光检测，将(1)中得到的提纯后的样品溶液输送至荧光检测系统中检测，得到荧光信号；

(3)数据处理，将(2)中得到的荧光信号输送至数据处理系统，并经数据处理后，获得待测样品中真菌毒素的浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明自主设计了一种多波长LED诱导荧光检测器，运用在用于检测真菌毒素的自动化设备中，通过多波长光源自动切换光学系统自动切换紫外LED光源以产生不同波长的激发光，可以满足多种真菌毒素的在线检测，检测灵敏度高，填补了国内多种真菌毒素在线检测领域的空白。同时LED光源较常规的氙灯、汞灯光源具备长寿命、高稳定性、高能量特点、单色光谱纯度高等优势，仪器体积轻巧，利于小型化及现场分析操作。

(2)本发明还提供了一种新的样品前处理系统，操作简单，能够有效减少检测分析人员在整个操作过程中与真菌毒素的接触，减少前处理所消耗的时间，提高前处理的准确性，实现检测的自动化。

附图说明

图1为实施例1中的自动化设备各系统的示意图。

图2为实施例2中黄曲霉毒素B₁、B₂、G₁、G₂线性色谱图(线性浓度为0.1ng/mL～40ng/mL)。

具体实施方式

以下非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述内容仅仅是对本申请要求保护的范围的示例性说明，本领域技术人员可以根据所公开的内容对本申请的发明作出多种改变和修饰，而其也应当属于本申请要求保护的范围之中。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械的连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面以具体实施的方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：一种用于检测真菌毒素的自动化设备

(1)一种用于检测真菌毒素的自动化设备的组成

如图1所示，一种用于检测真菌毒素的自动化设备，包括：控制电路系统、样品前处理系统、荧光检测系统和数据处理系统。

控制电路系统包括控制电路X和电源模块Y。样品前处理系统包括低压四元混合器A、前处理溶剂储存罐A1-A4、第一高压恒流泵B1、三元切换阀C、第一注射泵D1、第二注射泵D2、均质器E、反应器F、二位六通切换阀G、捕集柱I、废液瓶J、第二高压恒流泵B2和洗脱溶剂储存罐A5、样品瓶K、流动相储存罐A6、第三高压恒流泵B3、自动进样器H和色谱柱L。荧光检测系统为LED多波长诱导荧光检测器，包括多波长光源自动切换光学系统M、多波长LED光源盘S、样品池N、双胶合透镜O、二色镜P、激发透镜Q、激发滤光片R、发射透镜T、发射滤光片U、光电倍增管V。数据采集系统包括计算机W。

低压四元混合器A一端分别与前处理溶剂储存罐A1-A4相接，另一端通过第一高压恒流泵B1和三元切换阀C相连，均质器E和反应器F分别与三元切换阀C的另两端相连，第一注射泵D1一端与均质器E相连，另一端与反应器F相连，第二注射泵D2一端与反应器F连接，另一端与二位六通切换阀G相连，二位六通切换阀G具有六个口，第一个口通过第二高压恒流泵B2连接洗脱溶剂储存罐A5，第二个口和第五个口分别连接捕集柱I的两端，第三个口连接废液瓶J，第四个口连接第二注射泵D2，第六个口连接样品瓶K。自动进样器H的一端连接样品瓶K，一端通过第三高压恒流泵B3和流动相储存罐A6相连，还有一端连接色谱柱L。色谱柱L放置柱温箱中，以保持检测过程中的温度。样品池的一端与色谱柱L相连，另一端依次连接双胶合透镜O、二色镜P、发射透镜T、发射滤光片U和光电倍增管V，光电倍增管V的另一端连接电脑W。二色镜的另一端依次连接激发透镜Q、激发滤光片R、多波长LED光源盘T以及多波长光源自动切换光学系统M。多波长LED光源盘S上均匀分布有10个不同波长的紫外LED光源，能够产生波长范围为190nm-900nm的激发光，以满足多种真菌毒素的在线检测。

(2)用于检测真菌毒素的自动化设备的工作原理

可将固体或者液体样品置于均质器E中，提取溶剂放置在前处理溶剂储存罐A1-A4中，洗脱溶剂放置在洗脱溶剂储存罐A5中，流动相放置在流动相储存罐A6中。

低压四元混合器A和第一高压恒流泵B₁，分别将不同提取溶剂定量通过三元切换阀C分别输送至均质器E中，均匀搅拌一段时间。配置有在线过滤功能的第一注射泵D₁过滤均质器E中的样品并定量吸取一定样品输送至反应器F中，反应一段时间。配置有在线过滤功能的第二注射泵D₂过滤反应器F中的样品并定量吸取一定样品至二位六通切换阀G中。二位六通切换阀G通过电路控制和阀切换，进行捕集柱I中样品的提取和洗脱，首先控制前处理溶剂储存罐A1-A4中的样品前处理溶剂经过捕集柱I，控制流速，提取后，切换阀，配置有在线过滤功能的第二注射泵D2过滤溶剂，并定量将提取后溶剂打入捕集柱I中。此时废液将收集在废液瓶J中。二位六通切换阀G再切换阀，通过第二高压恒流泵B2将洗脱溶剂储存罐A5中的洗脱溶剂按照一定流速和一定体积打入捕集柱I中，此时收集溶剂于样品瓶K中。

此时，控制电路X控制自动进样定量吸取样品瓶K中样品，并通过第三高压恒流泵B3将流动相储存罐A6中的流动相打入液相色谱系统中，样品瓶K中的样品，将随流动相进入色谱柱L和LED多波长诱导荧光检测器中，样品通过色谱柱L的色谱分离，和LED多波长诱导荧光检测器产生的荧光，在其样品池中检测到荧光信号。

控制电路识别荧光检测信号，并转化为数字信号，传输至数据处理系统，获得被测物质荧光强度信号。通过浓度-信号校准曲线，计算样品中真菌毒素的含量。

LED多波长诱导荧光检测器的检测原理为：通过多波长光源自动切换光学系统M中的电机直驱传动系统对多波长LED光源盘S上的多个紫外LED光源的传动位置进行定位，紫外LED光源点亮，产生的激发光通过激发滤光片R及激发透镜Q，经由二色镜P及双胶合透镜O将激发光汇聚至样品池N内，激发光激发样品池N内的真菌毒素物质，发射荧光，发射光再经双胶合透镜O、二色镜P、发射透镜T及发射滤光片U汇聚至光电倍增管V处，经过前置放大及数据处理将荧光信号传递至计算机W中进行分析。

实施例2采用本发明的自动化设备用于待测样品中黄曲霉毒素的检测

在前处理溶剂储存罐A1-A4、洗脱溶剂储存罐A5和流动相储存罐A6中放好所需要的溶剂，A1：甲醇水溶液；A2：水；A5：甲醇；A6：流动相。

具体操作如下：

1、称取待测样品25g置于均质器E中，通过第一高压恒流泵B1和三元切换阀C吸取125mL A1中溶液于均质器E中，均质搅拌2min；

2、通过第一注射泵D1吸取15mL均质器E中的样品提取液并过滤于反应器F中，再通过第一高压恒流泵B1和三元切换阀C定量吸入30mL A2中溶液于反应器F中，反应一段时间后，通过第二注射泵D2吸取反应器F中反应好的样品15mL于捕集柱I中。此时待测样品中的黄曲霉毒素被捕集在捕集柱I中，废液收集在废液瓶J中；

3、通过第一高压恒流泵B1、三元切换阀C和二位六通切换阀G，定量吸取A2中溶液20mL清洗捕集柱I上的杂质，废液同样经过二位六通切换阀G收集在废液瓶J中；

4、此时通过二位六通切换阀G和第二高压恒流泵B2吸取1.0mL A5中溶液，经过捕集柱I，通过二位六通切换阀G收集洗脱液于样品瓶K中；

5、此时黄曲霉毒素被提取在样品瓶K中，最后通过液相系统，和LED多波长诱导荧光检测器对样品中的黄曲霉毒素进行定量、定性分析。

实验结果如图2所示，图2为待测样品中黄曲霉毒素B₁、B₂、G₁、G₂的线性色谱图，线性浓度为0.1ng/mL～40ng/mL，实验结果表明：本发明提供的设备能够有效检测待测样品中黄曲霉素的含量，检出限为0.001μg/kg，比国际要求检出限低一个数量级。

此外每种真菌毒素所需要的激发和发射波长不同，如玉米赤霉烯酮激发波长275nm，发射波长440nm；赭曲霉毒素A激发波长333nm，发射波长460nm；黄曲霉毒素B₁激发波长365nm，发射波长440nm；苯并(α)芘激发波长384nm，发射波长406nm。本发明提供的设备能够根据具体的需要，调整LED光源盘，以促使紫外LED光源产生波长范围190nm～900nm的激发光，满足多种真菌毒素在线检测的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于检测真菌毒素的自动化设备，包括：控制电路系统、样品前处理系统、荧光检测系统和数据处理系统；所述控制电路系统用于控制设备中各系统之间电信号的传输；所述样品前处理系统通过管路与荧光检测系统相连，将经过前处理的样品输送至荧光检测系统进行检测；所述数据处理系统，与荧光检测系统相连，接收其检测得到的荧光信号，并经数据处理后，获得待测样品中真菌毒素的浓度；其特征在于，所述荧光检测系统设有LED多波长诱导荧光检测器；样品前处理系统配置有在线过滤功能的第一注射泵和第二注射泵；所述LED多波长诱导荧光检测器对荧光信号进行杂散光滤除；所述多波长光源自动切换光学系统包括紫外LED光源旋转装置，紫外LED光源经准直镜准直，激发，经激发滤光片及入射光阑对杂散光进行过滤；所述紫外LED光源均匀分布在多波长LED光源盘上；所述多波长光源自动切换光学系统对不同波长的紫外LED光源进行定位驱动；

所述LED多波长诱导荧光检测器还包括激发滤光片、激发透镜、二色镜、双胶合透镜、样品池、发射透镜、发射滤光片和光电倍增管；紫外LED光源产生的激发光通过激发滤光片及激发透镜，经由二色镜及双胶合透镜将激发光汇聚至样品池内，激发光将样品池内的真菌毒素物质激发，激发出的荧光再经双胶合透镜、二色镜、发射透镜及发射滤光片汇聚至光电倍增管处，经过前置放大将荧光信号传递至数据处理系统；所述样品前处理系统设有均质器和捕集柱；

所述样品前处理系统还包括低压混合器、样品前处理溶剂储存罐、第一高压恒流泵、三元切换阀、第一注射泵、第二注射泵、反应器、二位六通切换阀、洗脱溶剂储存罐、第二高压恒流泵、废液瓶、第三高压恒流泵、流动相储存罐、样品瓶、自动进样器和色谱柱；所述低压混合器一端连接样品前处理溶剂储存罐，另一端通过第一高压恒流泵和三元切换阀相连，均质器和反应器分别与三元切换阀的另两端相连，所述第一注射泵一端与均质器相连，另一端与反应器相连，所述第二注射泵一端与反应器相连，另一端与二位六通阀相连，所述洗脱溶剂储存罐通过第二高压恒流泵与二位六通切换阀相连，所述二位六通切换阀有六个连接口，另四个连接口分别与废液瓶、捕集柱的两端以及样品瓶相连，所述流动相储存罐通过第三高压恒流泵与自动进样器相连，自动进样器还分别与样品瓶和色谱柱相连。

2.根据权利要求1所述的用于检测真菌毒素的自动化设备，其特征在于，所述LED多波长诱导荧光检测器设有多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘，多波长光源自动切换光学系统和多波长LED光源盘之间电连接；多波长LED光源盘上设有2-10个不同波长的紫外LED光源，多波长光源自动切换光学系统可以自动切换紫外LED光源以产生不同波长的激发光。

3.根据权利要求2所述的用于检测真菌毒素的自动化设备，其特征在于，所述2-10个不同波长的紫外LED光源能够产生波长范围为190nm-900nm的激发光。

4.根据权利要求1所述的用于检测真菌毒素的自动化设备，其特征在于，所述控制电路系统设有控制电路和电源模块，所述控制电路用于控制第一高压恒流泵、第二高压恒流泵、第三高压恒流泵、三元切换阀、第一注射泵、第二注射泵、自动进样器、二位六通切换阀、多波长LED诱导荧光检测器和数据处理系统。

5.一种采用权利要求1-4中任一项所述的用于检测真菌毒素的自动化设备进行待测样品中真菌毒素检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)待测样品前处理，将待测样品经样品前处理系统进行提纯，得到提纯后的样品溶液，其中，待测样品中的黄曲霉毒素被捕集在捕集柱I中，废液收集在废液瓶J中，且通过第一高压恒流泵B1、三元切换阀C和二位六通切换阀G，定量吸取溶液清洗捕集柱I上的杂质，废液同样经过二位六通切换阀G收集在废液瓶J中；还通过二位六通切换阀G和第二高压恒流泵B2吸取溶液，经过捕集柱I，通过二位六通切换阀G收集洗脱液于样品瓶K中；

(2)荧光检测，将(1)中得到的提纯后的样品溶液输送至荧光检测系统中检测，得到荧光信号；

(3)数据处理，将(2)中得到的荧光信号输送至数据处理系统，所述数据处理系统将真菌毒素类样品发射的荧光光谱进行信号转换及放大、滤波，通过不同灵敏度及增益档位的设置对荧光光谱进行色谱分析，获得待测样品中真菌毒素的浓度。

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