CN111220587B - 一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，包括水平放置平台，水平放置平台上设有农残检测单元和控制单元；农残检测单元包括圆形实验平台，所述圆形实验平台的上方设有CCD相机、光源激发系统和反射光接收系统；所述CCD相机设置在圆形实验平台的正上方，用于获取放置于实验平台的待检测叶片的荧光光谱图像；所述光源激发系统和反射光接收系统成一定安放角度分别设置在圆形实验平台的两侧；所述CCD相机、光源激发系统和反射光接收系统分别连接控制单元，本发明所设计的农残检测仪器整体装置简单且能够有效缩短检测时间。

Description

一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器

技术领域

本发明属于农残检测技术领域，尤其涉及一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器。

背景技术

近些年来，人们常用的果蔬农残技术主要是传统的气相色谱法、液相色谱法、液质联用法、气质联用法、酶联免疫法等。并随着固相萃取技术、固相微萃取技术、固相基质分散技术、液相动态微萃取技术等前处理净化手段的革新,已逐步实现果蔬中痕量农药残留的精准测定,为消费者获得安全、放心的果蔬产品提供有力的保障。然而,这些检测方法虽然灵敏度高、专属性强、准确性好,但大多存在样品前处理过程操作繁琐、分析时间长、溶剂消耗多、检测成本高等问题,难以满足当前高效率、高通量、低成本等农药残留快速批量检测的需求。

并且由于农药种类繁杂，各种新型混合农药试剂的使用，使得农药残留检测的难度大为提升。而荧光光谱技术具有无损性、前处理操作简便、检测成本低、反应迅速等优势,可以成功地弥补传统农药残留检测方法的缺陷,在农药残留的检测和监测方面显示出杰出的特性,是一种将快速检测与最终判定相结合的无损检测技术,被广泛应用常规分析、质量控制、现场检测、在线监控等多个方面,实现果蔬中农药残留快速、准确的检测策略。基于激发荧光光谱技术的农药残留检测方法是目前农药残留无损检测的热点，利用特征波长处光谱反射率的变化信息，实现农药分子的检测，具有处理简单，灵敏度高，无损检测等优点。

大量的使用农药会导致生态环境中的农药含量超标，即使稍有少量的残留，不仅长期接触会对人体造成危害，而且一层层的生物累加性会使得农药最终对生物链顶端的人类造成伤害。而专业技术人员、场地条件并不密集的种植基地、批发市场、超市、海关等各个流通环节都迫切需要农药残留的快速检测，所以小型化、实用化、易操作化、商品化的便携式农药残留快速检测装置可适应大众的需求。

发明内容

针对现有技术中的不足，本申请提出了一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，能够有效解决传统的蔬菜叶片表面农药残留量检测方法耗时长并且样品需要做大量预处理、处理时间长以及不能满足实际生产中快速检测需求等问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，包括水平放置平台，水平放置平台上设有农残检测单元和控制单元；农残检测单元包括圆形实验平台，所述圆形实验平台的上方设有CCD相机、光源激发系统和反射光接收系统；所述CCD相机设置在圆形实验平台的正上方，用于获取放置于实验平台的待检测叶片的荧光光谱图像；所述光源激发系统和反射光接收系统成一定安放角度分别设置在圆形实验平台的两侧；所述CCD相机、光源激发系统和反射光接收系统分别连接控制单元。

进一步，所述光源激发系统和反射光接收系统之间的安放角度关系为：反射光接收系统的接收端位于光源激发系统的射出光线经实验平台反射处，用于接收照射到待检测叶片上的反射光。

进一步，所述光源激发系统和反射光接收系统分别设置在弧形滑轨上，方便调节光源激发系统和反射光接收系统之间的安放角度。

进一步，所述光源激发系统的前端设有保护罩，在保护罩内部装有两个能产生不同波长的激光LED。

进一步，所述反射光接收系统的前端是一个反射透镜，反射透镜后面是一个漏斗型的反射杯，所述反射杯内层渡满了高反射膜，反射杯的后部连接光电二极管。

进一步，所述控制单元包括单片机，所述单片机的输入端分别连接光源激发系统、反射光接收系统和CCD相机；所述单片机的输出端连接显示屏；所述单片机内预存有农药残留曲线，单片机根据CCD相机采集的荧光图像确定叶片表面富含农药信息的农药点。

本发明的有益效果：

1、采用多波段激光LED作为光源，并将测量部分模块化，可以进行模块化改装，转化为可以测量其他农药残留量的仪器仪表。

2、收集待检测叶片表面的农药荧光图像，确定叶片表面的农药点，根据农药点的位置改变光源激发系统与反射光接收系统的位置，消除叶片自身的荧光对叶片表面农药荧光检测的影响，精准检测叶片表面的农药残留量。

3、对叶片表面农药残留进行检测，方便应用于现场初检。

附图说明

图1是本发明装置的结构外观图；

图2是本发明装置的光源激发系统外观结构图；

图3是本发明装置的光源激发系统的内部结构图；

图4是本发明装置的反射光接收系统结构图；

图5是本发明装置的工作曲线标定示意图；

图6是本发明装置的工作流程示意图；

图中，1、固定脚轮，2、水平支撑架，3、圆形实验平台，4、第一电机，5、显示屏，6、第一按钮，7、第二电机，8、第一滑轨，9、CCD相机，10、第二滑轨，11、固定支架，12、第一导线，13、单片机，14、半圆形支架，15、第二导线，16、光源激发系统，17、反射光接收系统，18、聚焦透镜，19、反射杯，20、光电二极管，21、保护罩，22、第一激光LED，23、第二激光LED，24、第二按钮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器如图1所示，包括水平放置平台，水平放置平台上设有农残检测单元和控制单元；水平放置平台的底部均匀设置3个固定脚轮1用于对水平放置平台进行支撑。

农残检测单元包括圆形实验平台3，如图1所示，圆形实验平台3由三根水平支撑架固定，圆形实验平台3用于放置待检测叶片。在圆形实验平台3的上方设有CCD相机9、光源激发系统16和反射光接收系统17；其中，CCD相机9设置在圆形实验平台3的正上方，用于获取放置于实验平台3的待检测叶片的荧光光谱图像，CCD相机9的上部被固定在固定支架11上，固定支架11的竖直端固定在水平放置平台上，且固定支架11的竖直端与半圆形支架14固定连接，且半圆形支架14也固定在水平放置平台上，通过半圆形支架14能够对固定支架11进行固定。在圆形实验平台3左右两侧对称设置两个滑轨，分别是第一滑轨8和第二滑轨10，在第一滑轨8上装有反射光接收系统17，在第二滑轨10上装有光源激发系统16；且分别在光源激发系统16和反射光接收系统17与滑轨的接触处的部位装有第一电机4和第二电机7，通过第一电机4和第二电机7分别控制光源激发系统16与反射光接收系统17在第一滑轨8和第二滑轨10上移动，进而调节光源激发系统16和反射光接收系统17之间的安放角度。

光源激发系统16和反射光接收系统17之间的安放位置为：将光源激发系统16以一定角度斜射向圆形实验平台3，而反射光接收系统17位于光源激发系统16反射光线的位置；通过光源激发系统16将选定的特征波长的激光照射到待检测叶片上，而反射光接收系统17用于接收照射到待检测叶片上的反射光。

光源激发系统16如图2和3所示，光源激发系统16的前端是一个用于保护内部LED灯的保护罩21，在在保护罩21内部装有两个激光LED，光源激发系统16的后端为连接杆，该连接杆的顶部与滑轨配合，且光源激发系统16通过第一导线12连接控制单元。

反射光接收系统17如图4所示，反射光接收系统17前端是一个反射透镜18，反射透镜18后面是一个漏斗型的反射杯19，所述反射杯19内层渡满了高反射膜，反射杯19的后部连接光电二极管20，反射光接收系统17接收到的反射光线进入反射杯19，再经过高反射膜用于将照射到反射杯内的反射光进行多次折射，最后照射到光电二极管20上，光电二极管20通过第二导线15连接控制单元。反射光接收系统17的后端为连接杆，该连接杆的顶部与滑轨配合。

控制单元包括单片机13，所述单片机13的输入端分别连接光源激发系统16、反射光接收系统17和CCD相机9；所述单片机13的输出端连接显示屏5；所述单片机13内预存有农药残留曲线，单片机13根据CCD相机9采集的荧光图像确定叶片表面富含农药信息的农药点。同时设置第一按钮6和第二按钮24，通过第一按钮6控制CCD相机9工作的启停。通过第二按钮24切换光源激发系统16中不同波长的第一激光LED22和第二激光LED23的亮灭，进而获得检测种不同波长的激光。

为了更清楚的解释本发明基于激发荧光的便携式农残检测仪器，以下结合该检测仪器的工作过程作进一步解释：

首先，构建待检测模型。测量前，实验标定若干叶菜类蔬菜残留不同有机磷农药以及不同浓度下的特征模型。如图5具体操作如下：对于待检测叶片，通过相关仪器，获得待检测叶片的原始荧光光谱信息，对原始荧光光谱信息进行预处理，对荧光高光谱图像感兴趣区域提取光谱数据，对光谱数据预处理、特征波长提取、建立模型。设光电二极管上的电压值关于待检测叶片农药残留量的回归函数为

在根据得到的模型，来确定

与ê的值。然后带入回归函数计算得出光电二极管上的电压值关于待检测叶片表面农药残留量的回归函数。将多种叶菜类蔬菜残留不同有机磷农药在不同浓度下构建好的光电二极管上电压值关于检测叶片表面农药残留量的回归函数整理成数据库，下载入单片机。

检测过程：如图6，将待检测叶片放置在实验平台3上，按下第一按钮6，CCD相机9工作，CCD相机9收集放置在实验平台3上的检测叶片的荧光光谱图像。果蔬叶片中含有大量的叶绿素，受到激发时也会产生荧光，其次叶片表面农药含量并不均匀，低浓度的农药点的农药荧光信息很容易被叶片表面激发出的叶绿素荧光所掩盖。因此，通过CCD相机9获取实验平台3上的检测叶片的荧光光谱图像，通过算法确定待检测叶片上高浓度的农药点。

确定了待检测叶片上的农药点之后，控制第一电机4与第二电机7工作，让光源激发系统16与反射光接收系统17的末端分别在滑轨一8与滑轨二10上移动，调整光源激发系统16与反射光接收系统17对着叶片的角度。使得光源激发系统16与反射光接收系统17照射到待检测叶片上的农药点。

调整好光源激发系统16与反射光接收系统17对待检测叶片的角度之后。调节第二按钮24，控制不同波长的第一激光LED22与第二激光LED 23的亮灭。第一激光LED22与第二激光LED 23的波长选择计算模型构建的过程中，选择的最敏感的激发波长。光由光源激发系统16发出并照射到放置于实验平台3上的检测叶片上富含农药信息的农药点。

由光源激发系统照射出的光照射到放置于实验平台3上的带检测叶片上富含农药信息的农药点。反射光由反射光接收系统17接收，反射光由平凸聚焦透镜18聚焦照射在反射杯19上，反射杯19表面镀着一层高反射膜，反射光经由高反射膜多次反射从反射杯出射口照射到光电二极管20上。

反射光通过光电二极管20转换成单片机能够识别的电信号，微弱电信号经过一级滤波放大之后，进行二次放大。然后将微弱信号经硬件滤波、软件滤波后传给单片机13内部的ADC处理器，单片机内部进行模数转换后，将数字量代入预先设置好的模型，最后将计算得出的结果在显示屏幕5上显示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，其特征在于，包括水平放置平台，水平放置平台上设有农残检测单元和控制单元；农残检测单元包括圆形实验平台(3)，所述圆形实验平台(3)的上方设有CCD相机(9)、光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)；所述CCD相机(9)设置在圆形实验平台(3)的正上方；所述光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)成一定安放角度分别设置在圆形实验平台(3)的两侧；所述CCD相机(9)、光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)分别连接控制单元；通过CCD相机(9)获取圆形 实验平台(3)上的检测叶片的荧光光谱图像，通过算法确定待检测叶片上高浓度的农药点；所述光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)分别设置在弧形滑轨上，方便调节光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)之间的安放角度；使得光源激发系统(16)与反射光接收系统(17)照射到待检测叶片上的农药点。

2.根据权利要求1所述的一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，其特征在于，所述光源激发系统(16)和反射光接收系统(17)之间的安放角度关系为：反射光接收系统(17)的接收端位于光源激发系统(16)的射出光线经圆形实验平台(3)反射处，用于接收照射到待检测叶片上的反射光。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，其特征在于，所述光源激发系统(16)的前端设有保护罩(21)，在保护罩(21)内部装有两个能产生不同波长的激光LED。

4.根据权利要求3所述的一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，其特征在于，所述反射光接收系统(17)的前端是一个反射透镜(18)，反射透镜(18)后面是一个漏斗型的反射杯(19)，所述反射杯(19)内层渡满了高反射膜，反射杯(19)的后部连接光电二极管(20)。

5.根据权利要求4所述的一种基于激发荧光的便携式农残检测仪器，其特征在于，所述控制单元包括单片机(13)，所述单片机(13)的输入端分别连接光源激发系统(16)、反射光接收系统(17)和CCD相机(9)；所述单片机(13)的输出端连接显示屏(5)；所述单片机(13)内预存有农药残留曲线，单片机(13)根据CCD相机(9)采集的荧光图像确定叶片表面富含农药信息的农药点。

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