有机磷检测系统和方法
【专利摘要】本发明涉及食品安全监控领域，公开了一种有机磷检测系统和方法。本发明中，通过液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液，待测溶液通过导管导流到色带，与色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；颜色传感器探测色带的颜色，并将检测到的颜色，根据预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，通过颜色-浓度转换处理器转换成待测溶液中有机磷的浓度值。通过本发明对农产品种植环境中的有机磷浓度进行检测，可以确定在农产品种植过程中是否存在农药喷洒，并可以检测出有机磷的实际浓度，实现有机磷残留物质的追根溯源以及证据采集和获取，解决了目前有机磷检测严重依赖专业大型仪器分析，样品制备极其复杂，且检测速度慢等问题。
【专利说明】有机磷检测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及食品安全监控领域，特别涉及有机磷检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着我国工业的迅速发展及农业和产业结构的战略性调整，特别是栽培方式的变革，原先为次要的、甚至为检疫性的病虫草等有害生物的发生危害日趋严重，抗药性不断上升，导致农药用量和施药次数不断增加。滥用高毒、高残留农药的现象屡禁不止，有的不按规范要求使用农药，有的甚至严重违反农药安全使用标准。使用高毒农药致使相当部分农产品农药残留明显超标，食用后在人体内积累，引发疾病，有时甚至发生急性中毒，严重危及人民健康和生命安全。同时，农药残留问题也给农产品生产和正常贸易带来了许多负面影响。随着消费者的健康意识、环保意识的日益增强，人们更加关心粮食、蔬菜、水果、中药材及肉类中有无农药污染。国家科技部设立了食品安全重大专项，在食品安全检测方面也投入了大量研究开发经费，说过蔬菜批发市场、集贸市场、超市、宾馆、学校食堂以及个人用户等，对食品安全的现场快速检测有很大的需求。
[0003]另一方面，作为WTO的成员国，我们与世界各国间的贸易往来日益增加，食品安全已变得没有国界，世界某个地区的食品安全问题很可能会波及全球，从而对我国食品安全带来巨大影响。食品从种植、原辅料加工、生产、包装、出厂、运输、存储、消费流通和销毁处理等环节都有可能被环境中的致病菌、总金属离子和农兽药等污染，所以食品检验是食品安全的技术保障。食品检测主要分为实验室常规检测分析和现场快速检测技术。实验室常规检测分析已经非常成熟，但操作比较复杂，所用的仪器昂贵，需要专业性人员操作，而且大多用于食品消费环节中或食品出现问题后的检测，不能准确及时反映食品安全现状。现场快速检测技术在近几年发展迅速，它是食品安全监管人员的有力工具，而且能提高实验室检测分析的针对性，是实验室常规检测的有益补充，但是新兴的快速检测方法技术单一，处理数据给现场人员参考，不能将数据直接发送给监管终端平台，无法真正意义上在食品流通的整个环节都进行监测，而且不能及时反馈控制手段。
[0004]农药残留检测技术一直是国际农产品和食品安全研究领域的一个重要热点。国内外对农产品及环境中化学农药的残留分析大多采用仪器分析法、生物测定和生化测定方法。但仪器分析方法对设备要求较高，工作程序较复杂，操作较繁，对样品需要进行预处理，不能快速进行大批量样品的分析。生物测定是利用某些生物(如植物、昆虫等)对一些农药的敏感性进行残留测定的。生物测定需要不断寻找和培(饲)养敏感生物，检测时间长，灵敏度不高，重复性差。生化测定法包括酶联免疫法和酶抑制法，由于具有检测时间短、操作简单的优点，常被用于农药残留的快速检测。但酶联免疫法由于特异性强，需要同时具有多种抗体，不仅制作困难，成本也比较高，故很难普遍应用。酶抑制法是根据一些农药的作用机制(如利用有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制作用)来进行残留测定的。酶抑制法以及以酶抑制法为原理研制的速测仪、速测卡等通常针对有机磷和氨基甲酸酯类农药，并不能准确进行农药品种的定性和定量检测，也不能确定农药种类，如是有机磷还是氨基甲酸酯类农药等。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种有机磷检测系统和方法，使得通过检测有机磷的浓度，确定在农产品种植过程中是否存在农药喷洒，实现有机磷残留物质的追根溯源以及证据采集和获取，解决了目前有机磷检测严重依赖专业大型仪器分析，样品制备极其复杂，且检测速度慢等问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种有机磷检测系统，包含:液体收集装置、导管、色带、颜色传感器、颜色-浓度转换处理器；
[0007]所述液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液；
[0008]所述待测溶液通过所述导管导流到所述色带，与所述色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；其中，根据待测溶液中有机磷的浓度不同，色带表面呈现的颜色不同；
[0009]所述颜色传感器探测所述色带的颜色，并将所述检测到的颜色传送给所述颜色-浓度转换处理器；
[0010]所述颜色-浓度转换处理器根据接收到的颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到所述待测溶液中有机磷的浓度值。
[0011]本发明的实施方式还提供了一种有机磷检测方法，包含以下步骤:
[0012]收集液态或雾状的待测溶液；
[0013]所述待测溶液与色带表面的检测酶发生反应；
[0014]检测所述色带表面的颜色；
[0015]根据所述颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到所述待测溶液中有机磷的浓度值。
[0016]本发明实施方式相对于现有技术而言，通过液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液，待测溶液通过导管导流到色带，与色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；根据待测溶液中有机磷的浓度不同，色带表面呈现的颜色不同；颜色传感器探测色带的颜色，并将检测到的颜色，根据预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，通过颜色-浓度转换处理器转换成待测溶液中有机磷的浓度值。通过本发明对农产品种植环境中的有机磷浓度进行检测，可以确定在农产品种植过程中是否存在农药喷洒，并可以检测出有机磷的实际浓度，实现有机磷残留物质的追根溯源以及证据采集和获取，解决了目前有机磷检测严重依赖专业大型仪器分析，样品制备极其复杂，且检测速度慢等问题。
[0017]另外，所述颜色与有机磷浓度值的对应关系预先根据已知浓度的有机磷溶液与色带反应后生成的颜色进行标定。通过事先标定，可以实现对有机磷浓度的定量检测。
[0018]另外，所述导管采用微细引流的沟道阵列将所述液体收集装置收集的液态待测溶液导流到所述色带，或者将所述液体收集装置收集的雾态颗粒转化为液态待测溶液，并导流到所述色带。由于有机磷检测系统所处环境的特殊性，空气中可能只存在较少量的液态水或有机磷，甚至是只有雾态的水或有机磷，为了尽可能收集空气中分布的有机磷，采用微细引流沟道阵列导管，通过分子的表面张力使液态待测溶液能扩散到色带所在位置，从而使色带的颜色值尽可能真实地反应有机磷的浓度。[0019]另外，所述有机磷检测系统还包含密封的色带腔，所述色带和所述颜色传感器位于所述色带腔内。使颜色传感器不会受到环境因素的影响，比如，周围的杂散光的影响，从而使检测到的颜色更准确。
[0020]另外，所述色带包含底材、检测酶、过滤层；所述检测酶通过三维打印、纳米压印在所述底材上形成电极图案；经表面修饰后，在所述检测酶之上形成所述过滤层；所述过滤层上分布有滤孔，所述滤孔只允许所述待测溶液中的水或有机磷大分子通过所述过滤层。上述色带的结构可以有选择地对有机磷大分子团进行筛选，使能通过滤孔的有机磷大分子与检测酶发生反应，从而使有机磷浓度的检测更客观和精确。
[0021]另外，所述底材为纸或菲林中的任意一种；所述检测酶包含催化物和底物；有机磷抑制催化物的活性，有机磷浓度不同，对催化物的抑制程度不同，使催化物和底物发生反应时呈现不同的颜色。
[0022]采用易于与有机磷结合的动物胆碱酯酶进行检测，可以加快有机磷与检测酶的反应速度，并且由于有机磷与动物胆碱酯酶的充分反应，使有机磷浓度检测的结果更精确。
[0023]另外，所述有机磷检测系统还包含齿轮和步进电机；在所述色带上以一定间隔打孔，并缠绕在所述齿轮上，所述齿轮在所述步进电机控制下转动，带动所述色带移动；所述步进电机由所述颜色-浓度转换处理器控制，使新的无污染的色带与待测溶液反应后，自动移动到所述颜色传感器所在位置，实现色带的自动移动和对准。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是根据本发明第一实施方式的有机磷检测系统的结构示意图；
[0025]图2是根据本发明第一实施方式的有机磷检测系统中色带的结构示意图；
[0026]图3是根据本发明第一实施方式的有机磷检测系统中色带的电极图案示意图；
[0027]图4是根据本发明第二实施方式的有机磷检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0029]本发明的第一实施方式涉及一种有机磷检测系统，如图1所示，包含:液体收集装置103、导管102、色带103、颜色传感器104、颜色-浓度转换处理器105 ;其中，液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液；待测溶液通过导管导流到色带，与色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；据待测溶液中有机磷的浓度不同，色带表面呈现的颜色不同；颜色传感器探测色带的颜色，并将检测到的颜色传送给颜色-浓度转换处理器；颜色-浓度转换处理器根据接收到的颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到待测溶液中有机磷的浓度值。
[0030]由于有机磷检测系统所处环境的特殊性，空气中可能只存在较少量的液态水或有机磷，甚至是只有雾态的水或有机磷。为了尽可能收集空气中分布的有机磷，液体收集装置103可以设计成喇叭状，并采用疏水性材料制成。而导管采用微细引流沟道阵列将液体收集装置收集的液态待测溶液导流到色带，或者将液体收集装置收集的雾态颗粒转化为液态待测溶液，并导流到色带。导管可制成类似毛细血管状，通过分子的表面张力使液态待测溶液能扩散到色带所在位置，从而使色带的颜色值尽可能真实地反应有机磷的浓度。在实际应用中，导管不宜过长，一般在5厘米至10厘米之间可以达到将液体收集装置收集到的待测溶液扩散到色带的目的。
[0031]待测溶液通过导管导流到色带之后，与色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色将发生变化。如图2所示，色带包含底材201、检测酶202、过滤层203 ;检测酶通过三维打印、纳米压印在底材上形成电极图案；经表面修饰后，在检测酶之上形成过滤层；过滤层上分布有滤孔，滤孔只允许待测溶液中的水或有机磷大分子通过过滤层。电极图案如图3所示，其宽度Λ d为有机磷大分子直径的2至5倍，典型值为150微米。上述色带的结构可以有选择地对有机磷大分子团进行筛选，使能通过滤孔的有机磷大分子与检测酶发生反应，从而使有机磷浓度的检测更客观和精确。
[0032]色带的底材为纸或菲林中的任意一种；检测酶包含催化物和底物；有机磷抑制催化物的活性，有机磷浓度不同，对催化物的抑制程度不同，使催化物和底物发生反应时呈现不同的颜色。比如，以白色酶片(胆碱酯酶)为催化物，与红色底物(靛酚乙酸酯)发生显色反应生成乙酸与靛酚(蓝色)，有机磷浓度越大，胆碱酯酶活性越低，反之越高。胆碱酯酶活性越高，水解物的蓝色越深，反之越浅。可以通过采用易于与有机磷结合的动物胆碱酯酶进行检测，可以加快有机磷与检测酶的反应速度，并且由于有机磷与动物胆碱酯酶的充分反应，使有机磷浓度检测的结果更精确。此外，值得说明的是，根据有机磷抑制催化物的活性，使催化物和底物发生反应时呈现不同的颜色，进行有机磷检测，所采用的催化物和底物均可用于本发明，在此不再一一赘述。
[0033]颜色传感器在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤波片，然后对输出信号进行相应的处理，将颜色信号识别出来。比如，TAOS公司推出的TCS230是一种可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器。当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空比是50%)，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。
[0034]此外，通过事先标定，可以实现对有机磷浓度的定量检测。具体地说，颜色传感器检测到的颜色与有机磷浓度值的对应关系预先根据已知浓度的有机磷溶液与色带反应后生成的颜色进行标定。比如说，颜色按照灰度等级划分为O?255个等级，经过反复试验标定从而确定了颜色值与有机磷浓度值之间的对应关系表，或者通过拟合算法确定颜色值与有机磷浓度值之间的对应关系曲线。
[0035]此外，值得一提的是，有机磷检测系统还包含密封的色带腔，色带和颜色传感器位于色带腔内。使颜色传感器不会受到环境因素的影响，比如，周围的杂散光的影响，从而使检测到的颜色更准确。[0036]在实际应用中，有机磷检测系统还包含齿轮和步进电机；在色带上以一定间隔打孔，并缠绕在齿轮上，齿轮在步进电机控制下转动，带动色带移动；步进电机由颜色-浓度转换处理器控制，使新的无污染的色带与待测溶液反应后，自动移动到颜色传感器所在位置，实现色带的自动移动和对准。
[0037]与现有技术相比，通过液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液，待测溶液通过导管导流到色带，与色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；根据待测溶液中有机磷的浓度不同，色带表面呈现的颜色不同；颜色传感器探测色带的颜色，并将检测到的颜色，根据预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，通过颜色-浓度转换处理器根据预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系转换成待测溶液中有机磷的浓度值。通过本发明对农产品种植环境中的检测有机磷浓度进行检测，可以确定在农产品种植过程中是否存在农药喷洒，并可以检测出有机磷的实际浓度，实现有机磷残留物质的追根溯源以及证据采集和获取，解决了目前有机磷检测严重依赖专业大型仪器分析，样品制备极其复杂，且检测速度慢等问题。
[0038]本发明的第二实施方式涉及一种有机磷检测方法，其流程如图4所示，包含以下步骤:
[0039]步骤401，收集液态或雾状的待测溶液。
[0040]步骤402，待测溶液与色带表面的检测酶发生反应。此处使用的色带需要预先制造，包含以下步骤:
[0041]检测酶通过三维打印、纳米压印在底材上形成电极图案；
[0042]进行表面修饰，在检测酶之上形成过滤层；
[0043]在过滤层上设置滤孔，滤孔只允许待测溶液中的水或有机磷大分子通过过滤层。
[0044]步骤403，检测色带表面的颜色。
[0045]步骤404，根据颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到待测溶液中有机磷的浓度值。其中，颜色与有机磷浓度值的对应关系预先根据已知浓度的有机磷溶液与色带反应后生成的颜色进行标定。
[0046]不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
[0047]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【权利要求】
1.一种有机磷检测系统，其特征在于，包含:液体收集装置、导管、色带、颜色传感器、颜色-浓度转换处理器； 所述液体收集装置收集液态或雾状的待测溶液； 所述待测溶液通过所述导管导流到所述色带，与所述色带表面的检测酶发生反应，色带的颜色发生变化；其中，根据待测溶液中有机磷的浓度不同，色带表面呈现的颜色不同； 所述颜色传感器探测所述色带的颜色，并将所述检测到的颜色传送给所述颜色-浓度转换处理器； 所述颜色-浓度转换处理器根据接收到的颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到所述待测溶液中有机磷的浓度值。
2.根据权利要求1所述的有机磷检测系统，其特征在于，所述颜色与有机磷浓度值的对应关系预先根据已知浓度的有机磷溶液与色带反应后生成的颜色进行标定。
3.根据权利要求1所述的有机磷检测系统，其特征在于，所述导管采用微细引流的沟道阵列将所述液体收集装置收集的液态待测溶液导流到所述色带，或者将所述液体收集装置收集的雾态颗粒转化为液态待测溶液，并导流到所述色带。
4.根据权利要求1所述的有机磷检测系统，其特征在于，还包含密封的色带腔，所述色带和所述颜色传感器位于所述色带腔内。
5.根据权利要 求1所述的有机磷检测系统，其特征在于，所述色带包含底材、检测酶、过滤层；所述检测酶通过三维打印、纳米压印在所述底材上形成电极图案；经表面修饰后，在所述检测酶之上形成所述过滤层；所述过滤层上分布有滤孔，所述滤孔只允许所述待测溶液中的水或有机磷大分子通过所述过滤层。
6.根据权利要求5所述的有机磷检测系统，其特征在于，所述底材为纸或菲林中的任意一种；所述检测酶包含催化物和底物； 其中，有机磷抑制催化物的活性，有机磷浓度不同，对催化物的抑制程度不同，使催化物和底物发生反应时呈现不同的颜色。
7.根据权利要求1至6任一项所述的有机磷检测系统，其特征在于，还包含齿轮和步进电机； 在所述色带上以一定间隔打孔，并缠绕在所述齿轮上，所述齿轮在所述步进电机控制下转动，带动所述色带移动；所述步进电机由所述颜色-浓度转换处理器控制，使新的无污染的色带与待测溶液反应后，自动移动到所述颜色传感器所在位置。
8.一种有机磷检测方法，其特征在于，包含以下步骤: 收集液态或雾状的待测溶液； 所述待测溶液与色带表面的检测酶发生反应； 检测所述色带表面的颜色； 根据所述颜色、预先确定的颜色与有机磷浓度值的对应关系，得到所述待测溶液中有机磷的浓度值。
9.根据权利要求8所述的有机磷检测方法，其特征在于，所述颜色与有机磷浓度值的对应关系预先根据已知浓度的有机磷溶液与色带反应后生成的颜色进行标定。
10.根据权利要求8所述的有机磷检测方法，其特征在于，所述色带预先制造，包含以下步骤:所述检测酶通过三维打印、纳米压印在底材上形成电极图案； 进行表面修饰，在所述检测酶之上形成过滤层； 在所述过滤层上设置滤孔，所述滤孔只允许所述待测溶液中的水或有机磷大分子通过所述过滤层。
【文档编号】G01N21/78GK103674945SQ201310666264
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】纪新明, 窦宏雁 申请人:复旦大学