一种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪，属于农产品安全检测【技术领域】。本发明所提供的快速检测仪由阵列式免疫传感器、模拟多路开关、检测电路、微控制器、显示屏、按键和电源构成。在本发明所提供的快速检测仪的阵列式免疫传感器的工作电极中，一半电极表面固定有各种重金属抗体，一半电极表面固定有各种农药抗体，使得检测仪可在一次取样中实现果蔬样品中的重金属和农药残留的同时检测。本发明的快速检测仪具有检测效率高，检测成本低，检测时间短等特点，一次至少可同时检测10种农药和5种重金属残留，检测限可达1μg/L，适用于果蔬的现场快速检测。
【专利说明】—种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪，属于农产品安全检测【技术领域】。
技术背景
[0002]我国是农业大国，蔬菜水果总产量位居世界第一，但是随着工业化发展，农业科学技术的不断进步，食品安全问题日益突出，尤其是果蔬中重金属的含量超标问题，备受人们关注。由于工业废水、城市生活用水的直接排放，污泥、垃圾等固体废弃物的农业利用，采矿、冶炼、造纸、交通等人为活动的废弃物不达标的排放，化肥、农业、塑料薄膜等的污染，均可能导致农业土壤重金属含量超标，而不同果蔬对不同重金属的富集能力不同，所以，不同果蔬超标的重金属种类也不尽相同，然而只要是重金属对人类的危害都十分严重，可以使人致癌、致畸、发生基因突变等导致的疑难杂症。同时农药是重要的农业生产资料,在农产品生产中对病、虫、草、鼠危害的防治起到非常重要的作用。但是，农药污染及其产生的危害后果是严重的，农药对环境污染造成的损失是多方面的，包括对水环境的污染，对土壤的污染，对大气的污染，对环境生物的影响以及对人体健康的危害等。目前由于使用者普遍缺乏科学使用农药知识，片面追求产量，造成目前市场上流通的农业产品都不同程度地存在农药残留问题，其危害也日益引起公众的关注。我国是一个农业大国，随着我国人民生活水平不断提高，农产品的质量安全问题越来越受到关注，尤其蔬菜中重金属和农药残留问题已经成为公众关注的焦点。加强对农产品中重金属和农药残留的检测对保护生态环境，尤其是保障人类健康有着十分深远的意义，所以，建立一种方便快速并且能同时准确测量出果蔬产品中的重金属和农药残留是否超标，对人类的健康和我国农副产品走向世界有着极其重要的意义。
[0003]传统的重金属和农药残留检测方法主要有:气相色谱(GC)、高效液相色谱法(HPLC)、色谱/质谱联用技术(GC/LC-MS)、毛细管电泳法(CE)、荧光分析、酶联免疫法(ELISA)。这些方法虽然选择性好、灵敏度高、准确度高、检出限低，可同时检测多种元素或化合物，但其需要昂贵的仪器设备，样品前处理过程繁琐、费时，并且对分析人员的技术水平要求很高，不适于现场快速检测。与传统的分析方法相比，生物传感器具有如下特点:
(I)较高的选择性，因此不需要对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理。(2)结构简单，体积小，使用方便，特别是便携式的免疫传感器，非常有利于农产品安全质量的快速测定。(3)可实现连续在线检测，使食品加工过程的质量控制变得简便。(4)响应速度快，样品用量少，与其他大型分析仪器相比，免疫传感器制作成本低，且可反复使用。特别需要能同时检测果蔬中的重金属和农药残留的快速检测仪器，这样可以在一次取样中，同时检测果蔬中是否含有重金属和农药残留是否超标。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可同时检测果蔬中农药和重金属的快速检测仪，在一次样品的取样中同时实现果蔬中的重金属和农药残留是否超标等信息。可用于果蔬等农产品现场质量安全现场快速测定，并将测定的相关数据随时上传至数据库，有利于果蔬等农产品质量溯源体系的建设。
[0005]本发明采取的技术方案如下:
一种可同时检测果蔬中农药和重金属的快速检测仪，其特征在于，由阵列式免疫传感器、模拟多路开关、检测电路、微控制器、显示屏、按键和电源构成；
所述阵列式免疫传感器，由一个圆形电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，外围是均匀分布的工作电极，工作电极中一半固定有不同种类的重金属抗体，另一半固定有不同种类的农药抗体，对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，圆形电极盘外围和中间有直径相等的孔，可将工作电极、参比电极和对电极插入电极孔中，各个工作电极接线端接入丰吴拟多路开关；
所述模拟多路开关，分别逐次将阵列免疫传感器产生的阻抗信号进行采集并送至检测电路；
所述检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关和标定电阻构成，供电电路与微控制器和检测芯片相连，采用先经变压器降压再经滤波器稳压的方法获得稳恒电压供电；检测芯片通过拨码开关与标定电阻相连，检测芯片在微控制器的控制下产生激励电压施加到阵列免疫传感器上并收集响应信号，经过离散型傅里叶变换后得到实部与虚部，并输出到微控制器；
所述微控制器上运行检测程序，将接收到的阻抗实部与虚部通过阻抗的模值与相角计算公式计算出阻抗的模值与相角，在经过校准后得到实际阻抗值，与设定的反应前阻抗值进行比较，得到变化率并与标准曲线对比得出结论，送至显示屏显示；
所述显示屏与微控制器相连，用于显示数据和作为用户交互操作的窗口 ；
所述按键与微控制器和检测电路相连，设有启动、开始、复位、停止按键和四个检测范围档位，用于输入指令和检测参数；
所述电源与供电电路相连；
所述快速检测仪的工作电极与参比电极之间的工作电压为300mV ；
所述显示屏的型号是LED12864 ；
所述检测仪的微处理器中置入了阻抗变化率与重金属和农药残留浓度关系的数据库。
[0006]所述快速检测仪的检测果蔬中重金属和农药残留的方法的步骤如下:
O打开检测仪，将阵列式传感器放入测试底液中测量初始阻抗值A1，并保存；
2)取出阵列式传感器，用pH7.5的磷酸盐缓冲液(PBS)冲洗后，放入预处理样品液中孵化 IOmin ；
3)取出阵列式传感器，用pH7.5的PBS冲洗后，放入测试底液中测量阻抗值A2 ；
4)根据阻抗值变化公式计算阻抗值变化率，并根据预置入数据库中的阻抗变化率与重金属或农药残留浓度关系标准曲线计算重金属或农药的浓度。
[0007]步骤2)中所述预处理样品液的处理方法为:
选取蔬菜样品，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。[0008]步骤4)所述阻抗值变化公式为:变化率=| A1-A21/V
[0009]本发明所提供的可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪的基本原理是:当固定不同重金属和农药抗体的阵列式免疫传感器置入样品液中，如果样品液中有对应的重金属和农药，则由于抗体与抗原之间的免疫反应形成免疫复合物阻碍测试底液与免疫传感器之间电子转移，进而产生阻抗信号的变化，通过模拟多路开关分别逐次地将阵列免疫传感器产生的阻抗信号采集送入检测仪中，进而测定样品液中是否有某种重金属与农药，并确定是否超标等息。
[0010]本发明的有益效果:本发明的检测仪可实现一次样品的进样中同时完成农药和重金属的检测。这样节约了检测时间，同时也减少了试剂的消耗量，降低了检测成本。弥补了当前农药和重金属检测仪器中，分别制备样品，分别检测农药和重金属，不能同时检测农药和重金属的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的一种可同时检测果蔬中农药和重金属的快速检测仪的结构框图。
[0012]图2为圆盘式阵列免疫传感器电极分布图。
[0013]图3为本发明中供电电路原理图。
[0014]图4为本发明中检测电路原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明，但本发明不受实施例的限制。
[0016]图1为本发明的一种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪的结构框图。检测仪由检测电路、阵列式免疫传感器、模拟多路开关、电源、按键、微控制器及显示屏构成。其中检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关、标定电阻构成。检测电路用来产生激励电压并施加到阵列免疫传感器上，随后采样激励后的响应信号并进行数字处理，将结果送入微控制器；微控制器及其上面运行的检测程序对输入信号进行再次处理，并对整个系统的运行进行控制和响应；按键用来输入指令和检测参数；显示屏用来量化输出呈现最终的检测结果，是用户与系统的交互界面；电源为整个系统供电。
[0017]图2为阵列式免疫传感器电极分布图。所述的阵列式免疫传感器由一个圆形的电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，外围是均匀分布的工作电极，以确保对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，使各个工作电极与对电极之间的有相等的阻抗值。圆形的电极盘外围和中间有直径相等的孔，可将工作电极、参比电极和对电极插入电极孔中。三电极的工作面插入测试底液，各个工作电极接线端接入模拟多路开关，通过模拟多路开关分别逐次地将阵列免疫传感器产生的阻抗信号采集送入检测仪检测电路中。参比电极和对电极直接接到检测电路中。在用纳米材料修饰好的工作电极表面分别固定重金属抗体和农药抗体。在工作电极与参比电极之间加300毫伏的工作电压，测试液中测定的是工作电极与对电极之间的阻抗值。如果样品液中有固定抗体相对应的重金属与农药，则导致阵列免疫传感器中相应传感器发出信号，从而确定样品中含有何种重金属和农药有残留及是否超标。[0018]所述的阵列式免疫传感器，阵列式工作电极上分别固定了甲胺磷、敌百虫、乐果、对硫磷、马拉硫磷、毒死蜱、西维因、异丙威、克百威和仲丁威10种农药抗体和铜、镉、铅、铬和镍五种重金属抗体。在固定抗体前工作电极表面用纳米材料进行修饰，然后滴涂2 μ L(浓度为5μ g/mL)的抗体溶液到电极表面，待自然晾干后阵列式免疫传感器制备完成。
[0019]所述检测仪的微控制器选用STC89C52，其上加载检测程序。检测电路中的供电电路构成和原理如图3所示，由变压器Tl，桥式整流电路BR1，电解电容Cl、C3，普通电容C2、C4，三端稳压器Ul构成，其作用是为整个系统提供+5V的电源供电。本设计中电解电容Cl、C2的作用是滤波，简单的讲就是电容两端电压升高时，电容充电，电压降低时，电容放电，让电压降低时的坡度变得平缓，从而起到滤波的作用。普通电容C2、C4的作用是防止自激，其可以将高频激信号吸收保持稳定，使电路没有激励信号，从而防止自激。三端稳压器Ul的作用是将输出电压稳定在+5V上，Ul的输出端和接地端分别接+5V和接地。
[0020]所述的检测电路中核心部分检测电路的构成如图4所示:由检测芯片U3，拨码开关3胃3，标定电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5，普通电容07、08构成，其作用是产生激励电压并施加到免疫传感器上，随后采样激励后的响应信号并进行数字处理，将结果送入微控制器。其中标定电阻Rl、R2、R3的作用是作为外接反馈电阻。拨码开关SW3是四位拨码开关，其作用是选择合适的标定的电阻连入检测电路来防止响应信号超过检测芯片的量程并且保证系统的线性特性。标定电阻R4、R5的作用是作为上拉电阻连接在检测芯片的15、16引脚与电源之间。电容C7、C8的作用是用来滤波和起保护作用的，防止电磁干扰。检测芯片U3是一款高精度的阻抗测量芯 片，内部集成了带有12位，采样率高达IMSPS的AD转换器的频率发生器。其作用是产生特定频率的激励电压来激励待测元件，得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换，傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值和虚部值，并将结果送入微控制器。其15、16引脚通过上拉电阻R4、R5与+5V电源相连，其12、13、14引脚并联接地，其9、10、11引脚并联与+5V电源相连，其4、5引脚之间通过拨码开关与标定电阻相连，其5、6用来接待测元件。
[0021]本发明所提供的快速检测仪，具体使用过程如下:在使用前将阵列式传感器工作电极表面使用纳米材料进行化学修饰，提高传感器检测的灵敏度，之后在阵列式免疫传感器工作电极表面分别固定不同种类的重金属和农药抗体。然后将阵列式免疫传感器放入冰箱中，4° C下保存备用。使用时打开检测仪的电源开关，将阵列式传感器放入测试底液中测量初始阻抗值Al，并保存。将免疫传感器放入事先处理好的样品液中孵化10分钟，再将传感器连接至检测仪进行阻抗测量，获取第二次测量的阻抗值A2，微控制器将其送至显示屏显示。计算出变化率，变化率计算公式如下:
变化率=|A1-A2|/A1
如果样品液中含有重金属或农药，则含相应工作电极发生特异性免疫反应，导致反应后的相应传感器阻抗值明显增大。Al与A2的差值越大，表明检测溶液中的含有某种重金属或农药残留的浓度越高。对比标准曲线得到样品中重金属或农药残留的浓度，在显示屏显示。存储器中置入了阻抗变化率与重金属和农药残留浓度关系标准曲线，根据各传感器阻抗变化率的大小，在仪器的显示屏可显示检测的样品中含有何种重金属、农药及重金属和农药残留的浓度信息。
[0022]本发明所提供的快速检测仪操作方法简单，检测时间较短，可在一次取样中实现果蔬中的重金属和农药残留的定性定量测量，具有检测时间短，灵敏度高，稳定性好、重现性好等优点，符合我国对果蔬中重金属农药残留快速检测技术发展和国际化要求。
【权利要求】
1.一种可同时检测果蔬中农药和重金属残留的快速检测仪，其特征在于，由阵列式免疫传感器、模拟多路开关、检测电路、微控制器、显示屏、按键和电源构成； 所述阵列式免疫传感器，由一个圆形电极盘组成，中心位置有对电极和参比电极，外围是均匀分布的工作电极，工作电极中一半固定有不同种类的重金属抗体，另一半固定有不同种类的农药抗体，对电极、参比电极与各工作电极的距离相等，圆形电极盘外围和中间有直径相等的孔，可将工作电极、参比电极和对电极插入电极孔中，各个工作电极接线端接入丰吴拟多路开关； 所述模拟多路开关，分别逐次将阵列免疫传感器产生的阻抗信号进行采集并送至检测电路； 所述检测电路由供电电路、检测芯片、拨码开关和标定电阻构成，供电电路与微控制器和检测芯片相连，采用先经变压器降压再经滤波器稳压的方法获得稳恒电压供电；检测芯片通过拨码开关与标定电阻相连，检测芯片在微控制器的控制下产生激励电压施加到阵列免疫传感器上并收集响应信号，经过离散型傅里叶变换后得到实部与虚部，并输出到微控制器； 所述微控制器上运行检测程序，将接收到的阻抗实部与虚部通过阻抗的模值与相角计算公式计算出阻抗的模值与相角，在经过校准后得到实际阻抗值，与设定的反应前阻抗值进行比较，得到变化率并与标准曲线对比得出结论，送至显示屏显示； 所述显示屏与微控制器相连，用于显示数据和作为用户交互操作的窗口 ； 所述按键与微控制器和检测电路相连，设有启动、开始、复位、停止按键和四个检测范围档位，用于输入指令和检测参数； 所述电源与供电电路相连。
2.权利要求1所述快速检测仪，其特征在于，工作电极与参比电极之间的工作电压为300mV。
3.权利要求1所述快速检测仪，其特征在于，所述显示屏的型号是LED12864。
4.权利要求1所述快速检测仪，其特征在于，所述检测仪内置的检测芯片上的微处理器置入了阻抗变化率与重金属和农药残留浓度关系的数据库。
5.一种权利要求1所述快速检测仪的检测果蔬中重金属和农药残留的方法，其特征在于，步骤如下: 打开检测仪，将阵列式传感器放入测试底液中测量初始阻抗值A1，并保存； 取出阵列式传感器，用PH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗后，放入预处理样品液中孵化IOmin ； 取出阵列式传感器，用PH7.5的磷酸盐缓冲液冲洗后，放入测试底液中测量阻抗值A2 ； 根据阻抗值变化公式计算阻抗值变化率，并根据预置入数据库中的阻抗变化率与重金属或农药残留浓度关系标准曲线计算重金属或农药的浓度。
6.权利要求5所述方法，其特征在于，步骤2)中所述预处理样品液的处理方法是:将选取果蔬样品表面擦拭干净，切碎成2cm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3min，倒出提取液静置2min，备用。
7.权利要求5所述方法，其特征在于，步骤4)所述阻抗值变化公式为:变化率-1 A「A21 /A1 ο
【文档编号】G01N27/02GK103940854SQ201410142234
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】孙霞, 郭业民, 王相友, 刘君峰 申请人:山东理工大学