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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、適用范圍廣,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,但其抗干擾能力有限,重復性及穩定性差[7],需多次重復檢測才可用于初步篩查。因此,探索提升當前便攜式農殘檢測儀器的抗干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復性和穩定性,抗溫光干擾能力強,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檢測系統主要包括吸光度感知模塊和信號數據融合調理模塊。吸光度感知模塊記錄適宜溫度時的傳感器檢測值;信號數據融合調理模塊實現光源光強補償和電信號的融合處理。檢測系統整體結構如圖 1 所示。
 
2.1 吸光度感知模塊
 
吸光度感知模塊由點光源、前置補償檢測與光電信號采集模塊構成。包括兩個同型號藍紫色 LED[發射
 
波長為(410±5) nm]及硅光電池組成的光電探測器等。采用高增益反饋網絡結合偏置放大電路構成 LED 驅動電流源[8],盡可能保證兩個 LED 的初始光強一致[9];硅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后的光強**大限度地轉化為電信號,從而完成對吸光度信號的感知;補償模塊檢測出射光路,為后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 微處理器)主控芯片的 Linux 系統電路。信號濾波放大電路完成了對硅光電池輸出信號的放大、濾波等調理工作[11];嵌入式系統實現采集信號的補償和融合分析處理,從而得到農藥抑制率,并通過 QT 界面顯示。
 
2.3 單傳感器數據融合采集
 
檢測系統中對硅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,且存在同相分布干擾等影響[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,定義邊界距離并計算相互支持度,用加權值作為**終采樣值后計算抑制率并融合傳感數據得到**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 個采樣值分為 n 組,每組 m 個數據,組成一個數據矩陣 Z(Zij 為矩陣中第 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 為各個傳感器的權值,則由 n 個傳感器所得的 Z 的融合方差 σ2 是 αi 的


2.4 檢測原理
 
采用酶抑制法檢測農藥殘留,即有機磷和氨基甲酸酯類農藥能夠特異性地抑制膽堿酯酶活性,從而減弱膽堿酯的水解產物與顯色劑的顏色反應:當農藥殘留濃度高時,乙酰膽堿酯酶的活性被抑制,導致乙酰膽堿水解產物減少。而該水解產物可與特定顯色劑發生顯色反應,故在同等條件下該水解產物量的多少直接關系顯色反應的顯著情況。同理可得農藥殘留濃度低時的情況,進而可用吸光度值來度量該顯色反應程度,實現對農藥殘留量的檢測。
 
采用恒溫水浴降低溫度干擾[17],恒流源驅動同型號 LED 點光源。引入光源光強信號的檢測作為補償參考值,降低光源溫度漂移[18]及外界光信號干擾。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并結合比值 k 反演光源光強,再取其與吸收后光強檢測值的差值得到被吸收的光強值。當入射光路檢測值異常,較正常值大 10%時,剔除該組檢測值。利用融合算法處理光電探測器檢測的電壓信號得到抑制率,**大限度地減小檢測誤差,增強檢測結果的可信度和真實性。
 
3 實驗及結果分析
 
3.1 實驗試劑及步驟
 
參照 GB5009.199-2003 標準分別配制 pH 8.0 磷酸鹽緩沖液、顯色劑和底物[19]。稱取 0.12 g 乙酰膽堿酯酶
 
粉末加入 6 mL 磷酸鹽緩沖溶液中,溶解作為膽堿酯酶溶液。綜合考慮各影響因素[20],實驗中水浴恒溫裝置將檢測溫度穩定在 37 ℃。將待測液用緩沖液定容** 12.5 mL,依次加入 0.5 mL 酶液和 0.5 mL 顯色劑,搖勻靜置 15 min 后取 2.5 mL 該混合液于比色池中,加入 0.1 mL 底物并迅速將其和空白標準對照液比色池同時放入儀器中,抑制時間為 180 s,計算得抑制率并顯示在 QT 界面。
 
3.2 檢測結果分析
 
3.2.1 穩定性
 
為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 抗光干擾能力測試
 
吸光度的檢測極易受到外界雜光干擾。為驗證該檢測系統的抗光干擾性能,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 值補償得光源光強并求得抑制率。發現穩定性基本不變(小于 2%)。表明補償光路的引入有效增強檢測系統的抗光干擾性能。
 
3.2.4 現場檢測
 
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]等因素的影響進行評測。按照**標進行前處理并限定具體條件進行現場檢測。選用超聲波提取儀在 30 ℃溫度下提取樣本 6 min 后的上清液作為檢測液[20]。校準檢測系統,將已知濃度的配比溶液噴灑到回收率已知的農作物樣品上,再進行殘留農藥提取。通過回收率換算**終殘留濃度,并與相同標準配比檢測液進行對比。發現噴灑濃度、回收率及抑制率符合邏輯關系,與氣相色譜對比可知,在檢出的抑制率大于 70%的樣品中,驗證符合率在 85% 以上,且由表 2 可得,傳感器檢測所得抑制率與農藥濃度的對應關系與**標基本相同。增加農藥種類及實驗作物,選取不同前處理方法降低不同檢測物質的假陽性[24],當抑制率大于 50%時,不同農藥檢出限均在 0.5~ 5.0 mg/kg 范圍內,滿足現場檢測要求。
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