一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种乙酰胆碱酯酶生物传感器农药残留快速检测仪
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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Ι/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。
[0006]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Img 二氧化锡、3mg多壁碳纳米管，25°C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2.5 μ L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=1_的金电极表面，常温下静置lh，用ΡΗ7.5的磷酸盐缓冲液冲洗电极表面；电极表面晾干后，取2.5μ L乙酰胆碱酯酶滴涂在电极表面，4°C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
2.5 μ L 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。
[0007]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5OOmV的稳定电压。
[0008]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Ι/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。
[0009]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。
[0010]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+12￥，认、-12￥，认、+5￥，5八三路输出。电源与供电系统中的开关电源相连。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]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。
[0012]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】
[0013]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ΙΛ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。[0014]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UlOTLC272CP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I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UlO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。
[0015]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IOml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。
[0016]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:
【权利要求】
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，电源构成；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系统电路；恒电位电路向工作电极与参比电极之间提供500mV的稳定工作电压；所述的信号检测与处理电路具有ΙΛ转换，放大，滤波功能，内含A/D转换芯片将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；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；打印存储系统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；所述的的电源与供电系统中的开关电源相连。
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系统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。
6.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，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；将此法制备的乙酰胆碱酯酶生物传感器用于所述的农药残留快速检测仪中，检测果蔬中农药残留的重现性和准确度高，适合果蔬生产销售企业现场快速检测农药残留。
【文档编号】G01N27/416GK103529111SQ201310488963
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】孙霞, 郭业民, 王相友, 刘君峰, 赵国 申请人:山东理工大学