基于近紅外光譜分析的蔬菜水果農(nóng)藥化肥殘留檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于食品衛(wèi)生安全檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蔬菜水果農(nóng)藥化肥殘留檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近紅外光譜分析法是一種可用于多組份同時(shí)測(cè)定、無(wú)損、快速檢測(cè)的分析方法。近紅外光譜是指波長(zhǎng)介于可見(jiàn)區(qū)和中紅外區(qū)之間的電磁波，是人們?cè)谖展庾V中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)非可見(jiàn)光區(qū)。近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)(O-H、N-H、C-H)振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致，通過(guò)掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)的特征信息，近紅外光譜化學(xué)信息比較豐富，當(dāng)同一基團(tuán)或不同基團(tuán)所在的化學(xué)環(huán)境不同時(shí)，它們對(duì)近紅外光吸收的波長(zhǎng)與強(qiáng)度也有明顯區(qū)別。而且利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有方便、快速、高效、準(zhǔn)確和成本較低，不破壞樣品，不消耗化學(xué)試劑，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)受到越來(lái)越多人的青睞。漫反射光是光源發(fā)出的光進(jìn)入樣品內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次反射、折射，衍射及吸收后返回樣品表面的光，因此漫反射光負(fù)載了樣品的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息。反之，如果在經(jīng)過(guò)大量的檢測(cè)之后得到與特定化學(xué)物質(zhì)相對(duì)應(yīng)的特定漫反射光的光學(xué)參數(shù)，即可通過(guò)對(duì)該種漫反射光的檢測(cè)來(lái)得知特定物質(zhì)的濃度。
[0003]近年來(lái)隨著農(nóng)民生產(chǎn)積極性的空前高漲和糧食種植面積的逐漸擴(kuò)大，農(nóng)藥的施用量也逐年增加，但是隨著農(nóng)藥的長(zhǎng)期施用，單位面積的施用量逐年增加，生產(chǎn)成本越來(lái)越大，同時(shí)也嚴(yán)重地危害人們的身體健康。農(nóng)藥在人體內(nèi)不斷積累，短時(shí)間內(nèi)雖不會(huì)引起人體出現(xiàn)明顯急性中毒癥狀，但可產(chǎn)生慢性危害，如:有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥可抑制膽堿酯酶活性，破壞神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能。有機(jī)磷類農(nóng)藥作為神經(jīng)毒物，還會(huì)引起神經(jīng)功能紊亂、震顫、精神錯(cuò)亂、語(yǔ)言失常等表現(xiàn)。農(nóng)藥殘留物的種類與數(shù)量與農(nóng)藥的化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)有關(guān)。農(nóng)藥的殘留性越大，在食品中的殘留量越多，對(duì)人體的危害也越大。殘留在食品中的農(nóng)藥不僅可以引起人的急性中毒，還具有慢性毒性，特別是致癌、致畸、致突變及對(duì)后代的影響，已越來(lái)越引起人們的重視。因此如何實(shí)現(xiàn)方便可靠地對(duì)蔬菜水果中農(nóng)藥化肥的殘留進(jìn)行檢測(cè)就有著十分重要的意義。
[0004]本發(fā)明是基于近紅外光譜分析進(jìn)而確定農(nóng)藥化肥殘留含量的新技術(shù)，該技術(shù)可以對(duì)蔬菜水果洗滌液中殘留的農(nóng)藥化肥的成分進(jìn)行快速的檢測(cè)，從而減小農(nóng)藥化肥對(duì)人體的危害，提高生活質(zhì)量，對(duì)人們健康生活和社會(huì)發(fā)展有著重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種基于近紅外光譜分析的蔬菜水果農(nóng)藥化肥殘留檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。
[0006]本發(fā)明提出的基于近紅外光譜分析的蔬菜水果農(nóng)藥化肥殘留檢測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光源、單色儀、探測(cè)器以及數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。其中，所述光源(圖1中模塊5，可以但不局限于鹵鎢燈)，用于產(chǎn)生足夠功率的輻射光束，輻射光束經(jīng)過(guò)探測(cè)器探頭照射到待測(cè)液體樣品表面，由待測(cè)樣品返回的漫反射光經(jīng)由探測(cè)器探頭送至單色儀(圖1中模塊2);所述單色儀是用來(lái)從具有復(fù)雜光譜組成的光源中或從連續(xù)光譜中分離出不同波長(zhǎng)的單色光的儀器，單色儀使能夠表征某一物質(zhì)的特定波長(zhǎng)的漫反射光通過(guò)，并濾除掉其他的光線；單色儀并不對(duì)入射的輻照光束與多種漫反射光分別處理，而是對(duì)入射的輻照光束一次性篩選出能夠表征所要檢測(cè)物質(zhì)含量指標(biāo)的散射光；所述探測(cè)器(圖1中模塊3)由光敏元件構(gòu)成，用于檢測(cè)經(jīng)單色儀篩選出的特定光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最終以數(shù)字信號(hào)形式輸出；所述數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)(圖1中模塊4)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而得出相對(duì)應(yīng)的表征某一物質(zhì)的含量。
[0007]本發(fā)明中，所述單色儀可以是但不局限于一套光學(xué)參數(shù)不同的棱鏡單色儀、光柵單色儀或者濾光片分光單色儀。
[0008]本發(fā)明中，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作用是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，并得到相應(yīng)農(nóng)藥化肥成分的濃度值。整個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可集成在單片機(jī)中。
[0009]本發(fā)明中，裝置利用近紅外光譜分析的方法，可以在經(jīng)過(guò)大量的檢測(cè)之后得到與特定化學(xué)物質(zhì)相對(duì)應(yīng)的特定漫反射光的光學(xué)參數(shù)，即可通過(guò)對(duì)該種漫反射光的逆向檢測(cè)來(lái)得知洗滌液樣品中該種物質(zhì)的濃度。
[0010]本發(fā)明中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在使用前應(yīng)先針對(duì)每一種被測(cè)物質(zhì)測(cè)定一系列參數(shù)值，得到漫反射光強(qiáng)度與該物質(zhì)活性濃度的函數(shù)關(guān)系，建立關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)而對(duì)洗滌液樣品進(jìn)行檢測(cè)。
[0011]本發(fā)明中，用于近紅外光譜分析的近紅外光處理元件的特點(diǎn)是僅能夠篩選出波長(zhǎng)一定的漫反射光，無(wú)需對(duì)入射光和出射光進(jìn)行分別處理，因此體積小巧。使用時(shí)通過(guò)更換已經(jīng)調(diào)制好的相應(yīng)的單色儀即可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。因此檢測(cè)裝置便攜，檢測(cè)物質(zhì)靈活多樣。
[0012]本發(fā)明中，探測(cè)器功能是將篩選過(guò)的特定波長(zhǎng)的漫反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因此僅需處理某一特定波長(zhǎng)的漫反射光信號(hào)，無(wú)需在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。
[0013]本發(fā)明裝置利用近紅外光譜分析方法，可用于對(duì)瓜果蔬菜洗滌液中殘留的農(nóng)藥化肥成分如有機(jī)磷、有機(jī)氯以及汞離子等重金屬的檢測(cè)，由于對(duì)分光系統(tǒng)即單色儀和探測(cè)器進(jìn)行了簡(jiǎn)單化處理，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠集成在很小的一個(gè)裝置中，并且可以通過(guò)更換相應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)多種物質(zhì)的目的。因此本發(fā)明具有功能多樣、檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便及裝置易于攜帶等特點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明提供的基于近紅外光譜分析的蔬菜水果農(nóng)藥化肥殘留檢測(cè)方法，具體步驟如下:
步驟A、選取一組已知活性濃度的物質(zhì)樣品(如有機(jī)磷、有機(jī)氯、汞離子等物質(zhì))作為校準(zhǔn)集，測(cè)出其近紅外光譜強(qiáng)度，建立該物質(zhì)活性濃度與光譜強(qiáng)度之間的定量數(shù)學(xué)模型，也稱校準(zhǔn)模型；
步驟B、再取另一組已知活性濃度的該物質(zhì)作為預(yù)測(cè)集，將預(yù)測(cè)樣品的近紅外光譜代入校準(zhǔn)模型，得到樣品的預(yù)測(cè)值，用預(yù)測(cè)值和實(shí)際樣品活性濃度之間的相關(guān)系數(shù)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)衡量所建校準(zhǔn)模型的可靠程度，對(duì)校準(zhǔn)模型不斷進(jìn)行訓(xùn)練，得到相關(guān)度最優(yōu)的該種物質(zhì)的強(qiáng)度一濃度關(guān)聯(lián)模型，并將每種檢測(cè)物質(zhì)的關(guān)聯(lián)模型存儲(chǔ)在裝置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中；
步驟C、選定相應(yīng)的光信號(hào)處理系統(tǒng)以及強(qiáng)度一濃度關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)行某項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)；步驟D、檢測(cè)完一項(xiàng)指標(biāo)后，如需檢測(cè)另外一種物質(zhì)，可以更換事先已經(jīng)制作好的光學(xué)處理零件，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的多樣化。
[0015]本發(fā)明步驟A中，通過(guò)大量對(duì)同一物質(zhì)不同活性濃度樣品的近紅外光譜分析，得到能夠表征其活性濃度的近紅外光譜譜峰，并建立相應(yīng)的計(jì)算模型。
[0016]本發(fā)明步驟A或步驟B中，分析物質(zhì)活性濃度和近紅外譜峰強(qiáng)度以及建立計(jì)算模型可以但不局限于使用偏最小二乘回歸法(PLSR)進(jìn)行分析。
[0017]本發(fā)明應(yīng)用分析近紅外光譜的方法對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的活性含量進(jìn)行探測(cè)和鑒定。與目前通用的檢測(cè)技術(shù)相比具有的有益的效果是:
(一)本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單色儀僅需針對(duì)某一散射光進(jìn)行處理，并且探測(cè)器在很大范圍內(nèi)的光譜上進(jìn)行掃描而采集和處理多個(gè)信號(hào)，因此裝置體積小，便于家庭日常生活使用；
(二)本發(fā)明可以通過(guò)更換不同參數(shù)的單色儀來(lái)檢測(cè)不同的物質(zhì)，因此可以很方便的根據(jù)蔬菜水果種類來(lái)選擇要檢測(cè)的物質(zhì)從而實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)的目的；
(三)本發(fā)明所基于的是近紅外光譜分析的原理，在測(cè)試過(guò)程中無(wú)有害物質(zhì)產(chǎn)生，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞；
(四)本發(fā)明所基于的是近