基于單傳感器補償融合的農藥檢測系統設計

1 引 言
當前農藥殘留檢測方法有氣相色譜法(GC)、氣相色譜-串聯質譜法(GC-MS)、高效液相色譜法(HPLC)等[1-6],這些方法檢測精度高、適用範圍廣,但需在實驗室條件下借助于大型儀器來完成。基于酶抑制法的檢測儀由于其結構簡單便攜而廣泛應用于各級市場部門的現場檢測,但其抗幹擾能力有限,重複性及穩定性差[7],需多次重复检测才可用于初步筛查。因此,探索提升當前便携式農殘檢測儀器的抗幹擾能力及穩定性具有重要意義。
 
本文基于酶抑制法原理,結合水浴溫度控制及光強補償檢測,采用一致性數據處理及單傳感器融合,設計了一種便攜式農殘檢測系統。該系統主要包括吸光度感知和信號數據融合調理兩個模塊,實現了光源信號補償和數據融合檢測。實驗結果表明該檢測系統具有良好的重複性和穩定性,抗溫光幹擾能力強,滿足現場快速檢測要求。
 
 
2 基本原理
 
基于單傳感器融合的光強補償式農藥殘留检测系统主要包括吸光度感知模块和信号数据融合调理模块。吸光度感知模块记录适宜温度时的传感器检测值;信号数据融合调理模块实现光源光强补偿和电信号的融合处理。检测系统整体结构如图 1 所示。
 
2.1 吸光度感知模塊
 
吸光度感知模块由点光源、前置补偿检测与光电信号采集模块构成。包括两个同型号蓝紫色 LED[发射
 
波长为(410±5) nm]及硅光电池组成的光电探测器等。采用高增益反馈网络结合偏置放大电路构成 LED 驱动电流源[8],尽可能保证两个 LED 的初始光强一致[9];矽光電池位于光源的橫向正對位置,將由光源經檢測池吸收過後的光強**大限度地轉化爲電信號,從而完成對吸光度信號的感知;補償模塊檢測出射光路,爲後續實現軟件剔除歧義檢測值及光源補償提供參考[10]
 
2.2 數據融合調理模塊
 
數據融合調理模塊主要由嵌入式硬件結合軟件算法組成。硬件電路包括微弱信號濾波放大電路和基
 
于 S3C6410(Samsung 公司,16/32 位 RISC 微处理器)主控芯片的 Linux 系统电路。信号滤波放大电路完成了对硅光电池输出信号的放大、滤波等调理工作[11];嵌入式系统实现采集信号的补偿和融合分析处理,从而得到农药抑制率,并通过 QT 界面显示。
 
2.3 单传感器数据融合采集
 
檢測系統中對矽光電池所得電壓值的分析及抑制率數值融合**關重要。該系統觀測值有限,且存在同相分布幹擾等影響[12]。結合溫度補償和多傳感器信息融合思想,采用信息融合算法。將多次采集數據分組,看作多個同精度傳感器采集數據[13],根據極大似然估計思想,定義邊界距離並計算相互支持度,用加權值作爲**終采樣值後計算抑制率並融合傳感數據得到**終抑制率,增強數據可信度和真實性。
 
補償及光電探測器每秒采集的 n×m 個采樣值分爲 n 組,每組 m 個數據,組成一個數據矩陣 Z(Zij 爲矩陣中第 i 行第 j 列的采樣值)。將整體采樣值看作由 n 個獨立同精度傳感器檢測同一個物理量[14]。分別計算每個傳感器的采樣均值 zˉi 和方差 σi2 。設 αi 爲各個傳感器的權值,則由 n 個傳感器所得的 Z 的融合方差 σ2 是 αi 的


2.4 检测原理
 
采用酶抑制法检测農藥殘留,即有机磷和氨基甲酸酯类农药能够特异性地抑制胆碱酯酶活性,从而减弱胆碱酯的水解产物与显色剂的颜色反应:当農藥殘留浓度高时,乙酰胆碱酯酶的活性被抑制,导致乙酰胆碱水解产物减少。而该水解产物可与特定显色剂发生显色反应,故在同等条件下该水解产物量的多少直接关系显色反应的显著情况。同理可得農藥殘留浓度低时的情况,进而可用吸光度值来度量该显色反应程度,实现对農藥殘留量的检测。
 
采用恒溫水浴降低溫度幹擾[17],恒流源驱动同型号 LED 点光源。引入光源光强信号的检测作为补偿参考值,降低光源温度漂移[18]及外界光信號幹擾。補償檢測器位于入射光路上,多次實驗得到入射和補償檢測光強比值 k,實現軟件標定,用于檢測中剔除歧義檢測值及實現比例補償。檢測入射光路的光強值並結合比值 k 反演光源光强,再取其与吸收后光强检测值的差值得到被吸收的光强值。当入射光路检测值异常,较正常值大 10%时,剔除该组检测值。利用融合算法处理光电探测器检测的电压信号得到抑制率,**大限度地减小检测误差,增强检测结果的可信度和真实性。
 
3 實驗及結果分析
 
3.1 實驗試劑及步驟
 
参照 GB5009.199-2003 标准分别配制 pH 8.0 磷酸盐缓冲液、显色剂和底物[19]。称取 0.12 g 乙酰胆碱酯酶
 
粉末加入 6 mL 磷酸盐缓冲溶液中,溶解作为胆碱酯酶溶液。综合考虑各影响因素[20],实验中水浴恒温装置将检测温度稳定在 37 ℃。将待测液用缓冲液定容** 12.5 mL,依次加入 0.5 mL 酶液和 0.5 mL 显色剂,摇匀静置 15 min 后取 2.5 mL 该混合液于比色池中,加入 0.1 mL 底物并迅速将其和空白标准对照液比色池同时放入仪器中,抑制时间为 180 s,计算得抑制率并显示在 QT 界面。
 
3.2 检测结果分析
 
3.2.1 稳定性
 
爲衡量該檢測系統的穩定性,每間隔兩天進行一次實驗,每次實驗分別配比不同濃度西維因,連續兩

 
3.2.3 抗光干扰能力测试
 
吸光度的檢測極易受到外界雜光幹擾。爲驗證該檢測系統的抗光幹擾性能,對不同濃度敵敵畏、伏殺磷和馬拉硫磷檢測液分別在黑暗環境和室外陽光條件下進行對比實驗,補償光路結合 k 值补偿得光源光强并求得抑制率。发现稳定性基本不变(小于 2%)。表明补偿光路的引入有效增强检测系统的抗光干扰性能。
 
3.2.4 现场检测
 
驗證該檢測系統實用價值,對現場檢測中的樣本提取時間、溫度及植物中次生物[19]等因素的影响进行评测。按照国标进行前处理并限定具体条件进行现场检测。选用超声波提取仪在 30 ℃温度下提取样本 6 min 后的上清液作为检测液[20]。校准检测系统,将已知浓度的配比溶液喷洒到回收率已知的农作物样品上,再进行残留农药提取。通过回收率换算**终残留浓度,并与相同标准配比检测液进行对比。发现喷洒浓度、回收率及抑制率符合逻辑关系,与气相色谱对比可知,在检出的抑制率大于 70%的样品中,验证符合率在 85% 以上,且由表 2 可得,传感器检测所得抑制率与农药浓度的对应关系与国标基本相同。增加农药种类及实验作物,选取不同前处理方法降低不同检测物质的假阳性[24],当抑制率大于 50%时,不同农药检出限均在 0.5~ 5.0 mg/kg 范围内,满足现场检测要求。