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1、现代仪器 ()二八年第二期54基于嵌入式系统的多功能食品安全检测仪张永忠 吴舒辞 （中南林业科技大学电子与信息工程学院 长沙 410000）摘 要 本文介绍吸光光度法在食品安全检测中的原理与应用，并利用现代电子技术设计一款适合当前市场需要、功能完善、轻便的多功能多通道食品安全检测仪。 关键词 吸光光度法 食品安全检测 多功能食品安全检测仪 食品安全问题已引起国家有关部门的高度关注，加强食品安全的监督管理成为各级政府的重要任务之一。农药残留、亚硝酸盐、二氧化硫、甲醛等物质是食品中严格限制使用的，现在对这些物质的检测方法一般是现场采样带回实验室进行化学分析，这种分析方法检测精度高，但操作复杂，检测
2、速度慢，检测成本高，仪器价格也很高，不适合用于食品现场的检测。现研制的多功能食品安全检测仪能同时、快速地检测目前市场上常用的 12 种有害成分或添加剂 ： 农药残留、亚硝酸盐、二氧化硫、甲醛、吊白块、甲醇、铅、镉、铬、过氧化值、氨基酸态氮、丙二醛。仪器功能齐全，操作方便，使用简单，将成为目前食品安全检测行业的主要仪器。1 检测原理吸光光度法是基于不同物质对光的选择性吸收 原理的一种分析检测方法，这种方法具有检测灵敏 度、精度高的优点，分析化学领域广为使用的分光 光度计就是基于这一原理2。1.1 农药残留检测1,6农药残留物的主要成分是有机磷和氨基甲酸 酯，它们能抑制中枢和周围神经系统中乙酰胆碱
3、酯 酶的活性，造成神经传导介质乙酰胆碱的积累，影 响正常传导，使昆虫中毒致死，根据这一毒理学原 理，对农药残留进行检测。 根据目前国家标准，使用乙酰胆碱酯酶测定 残留农药。以乙酰胆碱为底物，在乙酰胆碱酯酶 （ACHE）的作用下，乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸， 胆碱和二硫双对硝基苯甲酸（DNTB）产生显色反 应， 使反应液呈黄色（在 420nm 处有最大吸收峰） 。 根据酶促反应动力学原理，在没有有机磷和氨 基甲酸酯类农药存在时，底物在酶的催化作用下发 生水解，反应速率可以用吸光度值随时间的变化率K0来表示。当有机磷和氨基甲酸酯类农药加入到 酶的显色体系中时，农药抑制酶的活性，影响显色体系的反应速度
4、，此时体系吸光度随时间的变化率 为 Kt，则有机磷和氨基甲酸酯类农药对酶的活性的抑制率 Y 的计算公式如下 ： %10000=KKKYt式中，K0： 空白样品的吸光度随时间变化曲线的斜 率值 ;Kt： 样品溶液的吸光度随时间变化曲线的斜率值。 采用乙酰胆碱酯酶测定残留农药时，当酶完全 水解底物乙酰胆碱时，溶液显黄色，其抑制率为0，当酶活性被农药抑制而部分水解乙酰胆碱， 测定溶液显淡黄色，出现对应的抑制率，当酶完全 被农药抑制，测定溶液显无色，抑制率为 100%， 这样就可以建立起农药残留量与酶活性抑制率之间 的关系。因而可以通过测定抑制率的大小来显示农 药残留的毒性程度。 选用波长为 420n
5、m 的光源，再利用光电检测 器，就可以直接测量出黄色溶液在 420nm 波长下 的吸光度值 A，同时通过计时，测量出单位时间内 吸光度的变化率 K A/t。目前实验室采用分 光光度计测定时，分别测定空白和不同浓度的农 药样品溶液反应 3min 时吸光度的变化值，计算 K0 和 Kt，并转换为抑制率值，建立农药残留量和抑 制率之间的校正模型，通过抑制率的大小就可以估 算出农药的浓度。1.2 其它物质的检测原理1，6其它物质的检测采用试剂显色， 分光光度计法。 物质吸收由光源发出的特定波长的光，在一定的条 件下其吸收程度与该物质的浓度成正比，所以可利 用物质的特定吸收光谱对其进行定性定量的分析，
6、这就是吸光度法。 物质对单色光吸收的强弱以及溶液浓度与液层 厚度的关系，遵循 Lambert-Beer 定律 ： 一束单色 光经过溶液后，光能被吸收的程度与溶液的浓度和 厚度成正比。其表达式为 ：二八年第二期55仪器评介A=KrCL 式中，A 为吸光度，K 为吸收系数，C 为物质 浓度，L 为溶液厚度（比色皿厚度） 。 如果溶液厚度 L 不变，则 ： A=KC 式中，K 为吸收系数，在一定条件下，K 越大， 表示物质对光的吸收越强。A 为吸光度，可以通过 检测入射光和透射光来求出： A=lgI0/I，I0： 入射光， I ： 透射光（见图 1） 。图 1 光检测原理图 仪器设计时入射光强度测量
7、不方便，以没有放 置比色皿时的光强代替，由于测量时比色皿等结构 的影响，则吸光度与浓度的关系成为 ： A=KC+b。如果配制一系列已知的不同浓度的测定物溶液，按一定方法显色后，分别测得吸光度。则可确定这种测定物的K值和b值 （见图2） 。 对某一特定的仪器，其 K 和 b 值是一定的，且可以在出厂时测定并保存。图2 吸光度与浓度的关系 测量时，仪器根据测定的溶液吸光度值，由图 2 即可计算出浓度。2 系统设计2.1 系统光源与光检测设计 由于不同物质的敏感波长不同，所以测不同的 物质时，采用的波长也不相同，表 1 为本仪器所测 项目对应的敏感波长。在分光光度计中，光源由白 色光源经过棱镜等光学
8、方法分出所要求的波长。在 本仪器中，由于检测的元素已经确定，所需要的光 源也就确定。为实现光度测量系统的微型化，使用 发射波长固定的发光二极管作为微型单色光源。实 验表明，入射光的单色性会影响校正曲线的线性范 围，在待测物浓度较高时，会出现对 Lambert-Beer 定律的偏离 , 从而导致分析结果的误差。在光度分光传 感器单色 光源析中，待测物的浓度一般较低，如果采用单色性满 足要求的微型光源，配以高灵敏度的检测器，采用 高选择性的分析方法或采用一定的数据处理技术 , 则完全可以在 max20nm 甚至更宽的范围内对待 测物进行定量分析，同时保证分析结果具有足够的 精度与准确性。表 1 测
9、不同物质时的对应波长6待测物名称敏感波长（nm）氨基酸态氮400甲醛、吊白块413农药残留420过氧化值440铅、镉510亚硝酸盐513铬540二氧化硫550甲醇590随着电子技术的飞速发展，采用高集成度的光 电元件，可以将传统分光光度计上多种功能的部件 集成在一块很小的芯片上，完成光电转换、信号放 大甚至模数转换等功能，使得仪器更加微型化。本 仪器采用 OTP101 作为光电转换器件，可以将光信 号转换成 05V 的电压信号。 为适应多参数检测，设计可以同时安装 3 组发 射 / 接收光信号的比色池，一台仪器上同时安装 16 个比色池，这 16 个比色池分成 4 组，操作时以组 为单位同时检
10、测，根据市场需求的不同，每组检测 比色池的组合（见表 2） 。表 2 比色池检测项目分组 组号检测项目波长（nm）1氨基酸态氮400铅、镉510农药残留4202铬540铅、镉510农药残留4203亚硝酸盐513二氧化硫550过氧化值4404甲醇590亚硝酸盐513甲醛、吊白块413理论上检测结果与检测用的入射光强无关，但 实际上由于受电路非线性及 AD 转换器的抗噪能力 的影响，要求入射光强能保持在一个合适的值，又现代仪器 ()二八年第二期56由于发光二极管的发光效率会因波长的不同而不同，所以对不同波长的发光二极管要使用不同的电流驱动，为此我们设计以下光源与检测电路（见图 3） 。X62X41
11、X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114U1VDD8OUTB7REF6AGND5DIN1 SCLK2 CS3 OUTA4U3VrefP02 P03 P04P05 P06 P07Q1Q2VCCR2C2VCCR112DS1LED0R312DS2LED0Vss1-IN2-V31MF4 OUTP5COM8U2VOUT1P10 P11 P12 P13 P14IN11 IN22 IN33 IN44 IN55 IN66 IN77 IN88 IN99 IN1011 IN1112REF-13REF+14CS15 DO16 DI17 CLK18 EOC19V
12、CC20 GND10U4VCCVrefC3104C1C4C5图3 光源强度控制与光强检测原理图 在 CPU 系统中保存有各种 LED 所需要的电流 值（见图 3） ，CPU 根据用户选择，由 U3（DA 转 换器）输出 LED 所需要的电压值，经过八选一开 关切换和三极管放大后向 LED 提供电流。U2 为光 电转换器件，它的输出与光强成正比，可以直接送 给 U4 进行 AD 转换，得到光强值，再交给微处理 器处理。2.2 系统结构设计4,5为便于扩展，系统采用主从式结构，主机采用ARM 处理器，负责用户界面显示与操作、结果存 贮与打印、与计算机通讯等功能，从机采用 51 系 列单片机控制，
13、负责光源的控制与光电信号的采集。 主机与从机之间采用 CAN 总线连接，以便可以扩 展从机的数量。图4 系统框图 图 4 中，D1 为主控制 CPU 系统，D2 为电源 与看门狗电路，是系统可靠工作的保证，D3 为微 型打印机，用于打印检测报告，D4 为彩色液晶显 示器，用于操作时的人机交互、显示检测结果，D5 为 CAN 总线通道二，用于需要时与多台检测 仪相连，便于集中控制，D6 为 RS232 接口，用于 与计算机连接，用户可以在计算机上设置与控制仪 器，并保存检测结果，D7 为键盘，D8D11 是分 机控制板，每块板控制 4 个比色池，共 12 个光源 与光强检测通道。检测时，用户的检
14、测命令通过键盘输入，D1经过判断、选择后，经过 CAN 总线 1 向相应的分 板送出检测命令，分板收到命令后，先通过 DA 转 换送出 LED 所需要的电源，再起动对应的 AD 转 换器检测光电信号，并通过 CAN 总线 1 送回给D1， D1 接收到 DA 结果后， 计算机出浓度值并显示、 保存，由用户选择可以打印检测报告或将结果通过RS232 送往上位计算机。3 测试结果与结论在实验室，对不同浓度待测物进行检测，并与 专业分光光度计（型号： 723N ）检测结果比较（见 表 3） 。表 3 检测结果比较检测 项目检测样品 实际浓度分光光度计 检测结果食品检测 仪检测结果相对误差 （%）农药
15、 残留 *0.4mg/L32.930.93.00.8mg/L56.552.37.41.6mg/L75.676.51.1甲醛*4mg/L3.824.030.812mg/L12.4612.242.025mg/L25.7926.234.9亚硝 酸盐*3mg/L3.023.217.06mg/L6.126.559.212mg/L11.9412.282.3二氧 化硫*2.02mg/L1.882.187.94.04mg/L3.894.449.98.08mg/L7.748.798.8* 农药残留 : 以分光光度计测定数值为准进行比较， 检测结果为抑制率， 单位 ： %。* 其余为与实际浓度比较，单位 ： mg
16、/L。 由表 3 比较结果可见，误差在 10% 以内，完 全能满足对食品检测的要求。目前，产品通过有关 部门组织的技术鉴定，应用于食品安全检测，具有 良好的市场推广前景。 参考文献1 刘慧闫，树刚，朱力 . 食品中农药残留快速检测方法的研 究，中国农学通报，2003，19(4) ： 1381412 姚家彪，赵颖 . 红外光谱在食品安全检测中的应用，现代 仪器，2006，(2) ： 20223 蔡汝秀，何治柯，刘志洪 . 分光光度分析，分析实验室，2001，20(5) ： 96108 4 杜春雷 . ARM 体系结构与编程，北京 ： 清华大学出版社，2003 5 邬宽明 . CAN 总线原理和应用系统设计，北京 ： 北京航 空航天大学出版社，1996 6 食品安全检测相关国家标准 ： GB/T5009-2003, GB/T7471-1987, GB/T7466-1987（上转第 49 页）二
