CN103940866A - 一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪，属于农产品安全检测技术领域。本发明所公开的快速检测仪由乙酰胆碱酯酶传感器三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。在检测仪的微处理器中植入果蔬农药种类及国家农药残留限量数据库、有机磷和氨基甲酸酯农药标准曲线数据库及BP神经网络算法。利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定量的确定含有何种农药及是否超标等信息。本发明所提供的快速检测仪可实现农药残留的定性定量检测，具有携带方便、检测快速准确、操作简单的特点，适用于对果蔬中农药残留的现场快速检测。

Description

一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪

技术领域

本发明涉及一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪，属于农产品安全检测技术领域。

技术背景

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，其已成为一种重要的生产资料。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。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪，具有携带方便、检测快速准确、操作简单、可定性定量测定果蔬中是否含有农药残留、具体浓度和是否超标等信息。采取如下的技术方案：

一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪，包含乙酰胆碱酯酶传感器三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成，在检测仪的内部的微处理器中植入果蔬农药种类及国家农药残留限量数据库，有机磷和氨基甲酸酯农药标准曲线数据库和BP神经网络算法，检测仪利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定性确定样品所含农药种类和是否超标，并定量超标农药的浓度；

所述乙酰胆碱酯酶传感器三电极系统，由固定有乙酰胆碱酯酶工作电极、饱和甘汞参比电极和铂对电极组成，将采集到的含有农药前后的电流信号传送给信号检测与处理系统；

所述乙酰胆碱酯酶传感器的制备方法，步骤如下：

1)        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二氧化锡和3mg躲避碳纳米管，25℃水中超声震荡30min后，获得多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜；

2)        取2.5μL制备好的多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜滴涂到预处理好的金电极表面，常温静置1h，用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗电极表面；

3)        电极表面晾干后，取2.5μL的乙酰胆碱酯酶滴涂在电极表面，4℃下静置2h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗表面，氮气吹干；

4)        取2.5μL 0.5%的Nafion保护膜滴涂在电极表面，常温下静置1.5h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗表面，氮气吹干；

所述信号检测与处理系统，由微弱信号检测与处理电路，A/D转换芯片和单片机组成，微弱信号检测与处理电路将采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波后经A/D芯片转换后将数字量信号送入单片机进行程序处理；

所述显示与存储打印系统，由微型打印机，显示屏和存储单元组成并由单片机对其进行统一编程控制，显示屏将残留农药浓度、抑制度显示出来，数据存储于存储单元中以便用户及时查看和进行数据分析，微型打印机将数据进行打印输出；

所述供电系统，含有恒电位电路为工作电极与参比电极提供500mV的稳定工作电压；

所述果蔬农药种类及限量数据库，是根据GB2763-2012中规定的食品中农药最大残留限量建立，并事先植入于检测仪的微处理器中；

所述有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库，是通过加标法测定建立，并事先植入于检测仪的微处理器中；

所述检测仪内部的微处理器中植入BP神经网络算法，利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定性确定样品所含农药种类和是否超标，并定量超标农药的浓度。

一种利用权利要求1所述快速检测仪的检测方法的步骤如下：

1)        选择要检测蔬菜的种类，然后将乙酰胆碱酯酶生物传感器工作电极放入含农药的测试底液中，测得不含农药时的电流I₁，即抑制前电流，或者采用系统中设定的默认值；

2)        将乙酰胆碱酯酶生物传感器工作电极取出，用蒸馏水冲洗，然后将工作电极放入待测样品液中孵育10min，再次用蒸馏水冲洗，然后将工作电极放入测试底液中，测得抑制后电流I₂；

3)        运行检测程序，检测仪根据计算公式自动计算出抑制率；

4)        检测仪根据步骤1）中选定的蔬菜种类，与农药种类及限量数据库和标准曲线数据库进行比对计算，确定农药残留是否超标及浓度。

所述方法步骤1）中所述测试底液为含有1.0 mM氯化硫代乙酰胆碱的pH7.5磷酸盐缓冲溶液。

所述方法步骤2）中所述待测样品的预处理方法为：选取蔬菜或水果样品，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3min，倒出提取液静置2min，备用。

所述方法步骤3）中所述计算公式为：I %=( I₁- I₂)/ I₁ ×100%。

所述快速检测仪用于水果蔬菜农药残留的现场快速检测。

本发明一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪的检测原理及检测过程为：乙酰胆碱酯酶传感器的三电极系统将乙酰胆碱酯酶生物传感器接触农药前后导致乙酰胆碱酯酶活性受到抑制，进而使乙酰胆碱酯酶催化底物产生的电流减少，通过检测电路将乙酰胆碱酯酶生物传感器产生的电流信号进行采集，检测电路将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。用户在检测仪上输入蔬菜水果的种类信息，检测仪就可确定可能使用农药的种类，根据检测仪测定的接触农药前后乙酰胆碱酯酶催化底氯代乙酰胆碱产生电流变化，计算酶活性的抑制率，对应农药的标准曲线数据库来确定农药的种类及浓度是否超标等相关信息。

本发明的有益效果：

本申请在检测仪的存储单元中，加入了果蔬中常用农药的种类及国家农药残留限量标准数据库，果蔬中常用的有机磷和氨基甲酸酯农药标准曲线数据库。利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定量的确定含有何种农药及是否超标等信息。本发明解决了现有的农药残留检测仪只能定性测量的缺陷。

附图说明

图 1 为本发明一种定量检测果蔬中农药残留的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

本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪由乙酰胆碱酯酶生物传感器构成的三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成。供电系统中的恒电位电路向工作电极与参比电极之前提供500mV的稳定工作电压。在测试底液中加入一定浓度的氯代乙酰胆碱底物，通过测定接触农药前后工作电极与对电极之间产生的电流的变化对应的测定接触农药的浓度等信息。信号检测电路将工作电极与对电极之间产生的微弱电流信号进行采集；信号检测与处理系统将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。本发明的检测仪内含微型打印机，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。

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是作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。

为实现以上功能，本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪的乙酰胆碱酯酶生物传感器的制备工艺如下：(1) 在工作电极表面修饰一层多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜，多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜的制备过程如下：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，则多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜制备成功。(2) 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金工作电极表面，常温下静置1h，用pH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗电极表面；(3) 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；（4）取2.5μL0.5%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。

本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪的样品处理方法如下：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。

为实现以上功能，本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪的检测过程如下：首先，将制备好的乙酰胆碱酯酶生物传感器放入不含农药的测试底液中，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生物传感器工作电极取出，用蒸馏水冲洗后，将乙酰胆碱酯酶生物传感器的工作电极放入待检测样品液中孵育10分钟，再次用蒸馏水冲洗，然后将乙酰胆碱酯酶生物传感器的工作电极放入测试底液中，测得抑制后的电流I₂；通过检测仪上运行的检测程序自动计算出抑制率(I%)，计算公式如下：

I%=( I₁- I₂)/ I₁ ×100%

通常如果检测溶液中含有农药，由于乙酰胆碱酯酶与农药接触后，酶的活性受到抑制而降低，导致电流 I₂明显小于 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。由于根据GB2763-2012中规定的食品中农药最大残留限量的国家标准，在检测仪数据存储器中植入了常用蔬菜水果中对农药残留的限量，因此用户可在农药残留测定时，先输入蔬菜水果的种类，根据蔬菜水果的种类，检测仪就可确定对应常用农药的种类及农药最大残留限量。同时在检测仪数据存储单元中植入了事先通过加标法测定建立的各种农药的标准曲线数据库。根据不同蔬菜可能使用的农药的种类，对应相应农药的标准曲线，确定农药的浓度及是否超标等信息。

本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪检测过程实施例：首先，按照上述的蔬菜样品的处理方法获取样品液。将检测仪置于工作状态，按下仪器开关键，系统初始化后进入首页，显示屏旁边有蔬菜种类选择键、检测按钮、复位、打印和存储等按键。在空白样品的情况下，连续按下检测按钮，进行检测仪自校准，显示两次测量结果的抑制率小于5%，说明检测仪工作正常，可以开始正常检测。在进行蔬菜样品检测前先选择蔬菜的种类，然后将固定好乙酰胆碱酯酶的生物传感器放入测试底液中，将鳄鱼夹分别加紧三电极系统对应的三个电极上。第一次点击检测按钮，开始检测 并显示读数I₁；之后将乙酰胆碱酯酶生物传感器工作电极取出，用蒸馏水冲洗后，将乙酰胆碱酯酶生物传感器的工作电极放入待检测样品液中孵育10分钟，再次用蒸馏水冲洗，然后将乙酰胆碱酯酶生物传感器的工作电极放入测试底液中，第二次点击检测按钮，显示结果I₂ ；点击打印，打印结果并保存。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。根据植入的农药残留的最大限量标准和标准曲线数据库确定农药的种类及浓度，按下打印键，将前后两次检测的农药抑制率、农药种类及检测浓度的数据进行打印输出。

本发明的一种可检测果蔬中多种农药残留的快速检测仪，操作工艺简单，检测时间较短，可实现农药残留的定性定量测量，具有灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国农药残留快速检测技术发展和国际化要求。

Claims (6)

1.一种定量检测果蔬中农药残留的快速检测仪，其特征在于，包含乙酰胆碱酯酶传感器三电极系统，信号检测与处理系统，显示与打印存储系统，供电系统组成，在检测仪的内部的微处理器中植入果蔬农药种类及国家农药残留限量数据库，有机磷和氨基甲酸酯农药标准曲线数据库和BP神经网络算法，检测仪利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定性确定样品所含农药种类和是否超标，并定量超标农药的浓度；

所述乙酰胆碱酯酶传感器三电极系统，由固定有乙酰胆碱酯酶工作电极、饱和甘汞参比电极和铂对电极组成，将采集到的含有农药前后的电流信号传送给信号检测与处理系统；

所述乙酰胆碱酯酶传感器的制备方法，步骤如下：

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二氧化锡和3mg躲避碳纳米管，25℃水中超声震荡30min后，获得多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜；

取2.5μL制备好的多壁碳-二氧化锡-壳聚糖纳米复合膜滴涂到预处理好的金电极表面，常温静置1h，用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗电极表面；

电极表面晾干后，取2.5μL的乙酰胆碱酯酶滴涂在电极表面，4℃下静置2h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗表面，氮气吹干；

取2.5μL 0.5%的Nafion保护膜滴涂在电极表面，常温下静置1.5h，然后用pH7.5的磷酸盐缓冲溶液冲洗表面，氮气吹干；

所述信号检测与处理系统，由微弱信号检测与处理电路，A/D转换芯片和单片机组成，微弱信号检测与处理电路将采集而来的微弱电流信号进行I/V转换，放大，滤波后经A/D芯片转换后将数字量信号送入单片机进行程序处理；

所述显示与存储打印系统，由微型打印机，显示屏和存储单元组成并由单片机对其进行统一编程控制，显示屏将残留农药浓度、抑制度显示出来，数据存储于存储单元中以便用户及时查看和进行数据分析，微型打印机将数据进行打印输出；

所述供电系统，含有恒电位电路为工作电极与参比电极提供500mV的稳定工作电压；

所述果蔬农药种类及限量数据库，是根据GB2763-2012中规定的食品中农药最大残留限量建立，并事先植入于检测仪的微处理器中；

所述有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库，是通过加标法测定建立，并事先植入于检测仪的微处理器中；

所述检测仪的内部的微处理器中植入BP神经网络算法，利用BP神经网络将测定值与存储单元存储的常用的有机磷和氨基甲酸酯类农药标准曲线数据库进行比较，定性确定样品所含农药种类和是否超标，并定量超标农药的浓度。

2.一种利用权利要求1所述快速检测仪的检测方法，其特征在于，步骤如下：

选择要检测蔬菜的种类，然后将乙酰胆碱酯酶生物传感器工作电极放入含农药的测试底液中，测得不含农药时的电流I₁，即抑制前电流，或者采用系统中设定的默认值；

将乙酰胆碱酯酶生物传感器工作电极取出，用蒸馏水冲洗，然后将工作电极放入待测样品液中孵育10min，再次用蒸馏水冲洗，然后将工作电极放入测试底液中，测得抑制后电流I₂；

运行检测程序，检测仪根据计算公式自动计算出抑制率；

检测仪根据步骤1）中选定的蔬菜种类，与农药种类及限量数据库和标准曲线数据库进行比对计算，确定农药残留是否超标及浓度。

3.权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1）中所述测试底液为含有1.0 mM氯化硫代乙酰胆碱的pH7.5磷酸盐缓冲溶液。

4.权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2）中所述待测样品的预处理方法为：选取蔬菜或水果样品，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3min，倒出提取液静置2min，备用。

5.权利要求2所述方法，其特征在于，步骤3）中所述计算公式为：

I %=( I₁- I₂)/ I₁ ×100%。

6.权利要求1所述快速检测仪用于水果蔬菜农药残留的现场快速检测。