一种基于荧光高光谱技术的农药残留检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明为基于荧光高光谱图像技术的叶菜类蔬菜有机磷农药残留检测仪，涉及农产品检测技术领域。
【背景技术】
[0002]农药一般是指用于防治危害农作物及农副产品的病虫害、杂草及其他有害生物的化学药剂的统称，是重要的农业生产资料，在农业生产中具有十分重要的作用。由于人口增长，耕地资源紧张，我国对农药的生产与使用需求有增无减。然而，农作物农药残留对人类日渐重视的食品安全问题提出了巨大的挑战。因此，快速、精确地检测识别水果和蔬菜的农药残留已经受到越来越多人的重视。其中，大部分水果和一些蔬菜可采取去皮等方式避免农药的危害，但对于叶菜类蔬菜作为人体必须要摄入的食品无法采取类似的处理方式，因而方便准确地检测叶菜类蔬菜上的农药残留尤其迫切。
[0003]目前，检测农产品的农药残留主要采用的分析方法是气相色谱法(GC)、液相色谱法(LC)和酶免疫法。这些常规的分析方法虽然灵敏度高，但速度慢、成本高，对被检测样品前期处理繁琐且具有破坏性，无法在线实时检测，因而很难在基层农户中推广，也不能满足现代化农业大规模生产的需求。
[0004]近年来，国内外不少学者先后利用近红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱、高光谱、荧光高光谱等光谱技术对检测农产品的农药残留问题进行了探讨和研宄。其中近红外光谱，非常适合农产品内部品质的检测，如糖度、酸度、蛋白质、水分等。但是，其不足之处在于只提供对检测对象一个非常小区域的检测，获取的光谱仅代表农产品表面的某些局部区域，缺少对象的空间信息，这一局限性可能造成预测集与测量集信息之间较大差异，从而影响系统的稳定性。拉曼光谱法，检测农药不需要对样品前处理、制备，避免了一些误差的产生，操作方便、快捷、灵明度高。但是其易受光学系统参数的影响，任何物质的引入都会对待测体系带来某种程度的污染，带来误差从而影响分析结果。荧光分析法测定农药残留，具有灵敏度高(最低检出限10-6-10_9g/ml)、选择性高、方法便捷快速、试样量少、能够提供较多的物理参数等优点，但是其在蔬菜表面实时性检测时，无法实现叶片表面全部图像与光谱信息的采集，无法满足数据信息的全面性。高光谱成像技术是一种图像及光谱的融合技术，可以同时获取研宄对象的光谱信息和图像信息，光谱信息可以分析研宄对象的内部物理结构及化学成分，图像信息可以反映研宄对象的外部特征。因此高光谱成像技术在农药残留无损检测领域，拥有广泛的应用前景。高光谱成像技术无损检测农产品的农药残留对其定性分析已取得较好的进展，但定量分析的精度有待提高。荧光高光谱成像技术是一种基于高光谱技术、荧光光谱技术的有效融合。在测定生物大分子方面，具有荧光光谱借助分子不同能级之间的跃迀来识别物质(不同农药的分子结构不同，其能级跃迀所需的能量也不同，其荧光光谱也会不同，因而可用来识别不同农药)。对于不能有效激发荧光有机磷农药，可以通过高光谱图像技术的光谱信息、图像信息来进行识别。因此荧光高光谱成像技术可以对有农药残留的农产品进行定性、定量检测，是未来农产品农药残留无损检测的发展方向之一。
【发明内容】
[0005]基于以上所述，本发明提出了一种基于荧光高光谱图像技术的叶菜类蔬菜有机磷农药残留检测装置，采用的技术方案为:
[0006]一种基于荧光高光谱技术的农药残留检测装置，包括激发光源模块、图像采集模块、PC机、载物台；
[0007]所述激发光源模块包括氙灯光源、单色仪和线光源装置，所述线光源装置通过支架对称地固定在所述载物台上方的两侧、并且线光源装置与水平呈45°，所述氙灯光源与所述单色仪之间通过光纤耦合连接，所述单色仪和所述线光源装置之间通过光纤耦合连接；所述氙灯光源发出的光经所述单色仪调节为激发光，所述激发光通过线光源装置调整后照射在所述载物台上；
[0008]所述图像采集模块包括CXD相机和可见光-近红外光谱仪，所述CXD相机通过支架固定于所述载物台上方，所述CCD相机连接所述可见光-近红外光谱仪，所述可见光-近红外光谱仪连接所述PC机；
[0009]所述PC机与所述载物台之间设有位移台控制器；所述PC机一方面通过所述位移台控制器控制载物台移动，所述PC机另一方面用于存储、处理数据，并输出显示信息。
[0010]进一步地，所述氙灯光源发出的光在200-400nm范围内可调，所述CXD相机的物距为 42.5cm0
[0011]进一步地，所述载物台的移动速度为1.25mm/s。
[0012]本发明还提出了一种基于荧光高光谱技术的农药残留检测装置的叶菜农药残留的检测方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1:测量前，实验标定若干种叶菜类蔬菜残留不同有机磷农药以及不同有机磷农药在不同浓度下的特征模型，所述特征模型包括在最佳激发波长下不同浓度值的特征模型和365nm激发波长下不同浓度值的特征模型；
[0014]步骤2:查询官方网站，获得步骤I所述若干种叶菜类蔬菜的有机磷农药残留国家标准；
[0015]步骤3:将步骤I和步骤2中的数据信息整理为数据库；
[0016]步骤4:将待测叶片放在载物台上，判断叶片残留农药是否已知，若残留农药已知，则查询数据库得到该残留农药的最佳激发波长，调整氙灯光源的激发光波长为所述最佳激发波长，若残留农药未知，则调整氣灯光源的激发光波长为365nm ；
[0017]步骤5:设置CCD相机的曝光时间和载物台的移动速度，进行叶片的荧光高光谱图像米集；
[0018]步骤6:PC机处理步骤5中采集的图像信息，调用所述数据库中的特征模型与处理后的图像信息进行匹配计算，输出数据库中与处理的采集信息相匹配的特征模型的信息即为待测叶片有机磷农药的残留信息。
[0019]进一步地，
[0020]所述步骤I包括:将标定好表面残留不同浓度梯度的有机磷农药的叶菜类蔬菜叶片样本依次有序的进行荧光高光谱图像采集；将采集得到的荧光高光谱图处理后获得最佳激发波长数据；采集残留有机磷农药的叶菜类蔬菜分别在最佳激发波长和365nm激发波长下不同浓度对应的特征波长数据、匹配模型的信息。
[0021]进一步地，
[0022]所述步骤3中数据库信息包括:若干种叶菜类蔬菜名称，若干种有机磷农药名称，最佳激发波长和365nm激发波长，若干个浓度值，光谱特征波长、建模数据、国家有机磷农药的标准规定以及是否加密；
[0023]若干种叶菜类蔬菜名称的子目录均为若干种有机磷农药名称、若干种有机磷农药名称的子目录均为最佳激发波长和默认的365nm激发波长，最佳激发波长和默认的365nm激发波长的子目录均为与若干个浓度值，若干个浓度值的子目录均为光谱特征波长数据、建模数据、国家有机磷农药的标准规定。
[0024]进一步地，
[0025]所述步骤4还包括:设置单色仪控制激发波长的精度为0.0lnm ;
[0026]所述步骤5还包括:所述CCD相机曝光时间设为20ms，载物台移动速度设为1.25mm/s，图像分辨率设置为672*512，进行黑白版标定。
[0027]进一步地，
[0028]所述步骤6还包括:
[0029]步骤6.1:PC机将采集得到的荧光高光谱图像进行光谱特征波长提取；
[0030]步骤6.2:将步骤6.1得到的光谱特征波长数据与数据库中特征模型的特征波长数据进行匹配计算，输出识别率最高并且>95%的数据模型对应的有机磷农药名称、有机磷农药浓度、待测叶片残留的有机磷农