基于生物传感器的农药残留检测仪开发与推广示范
徐大为
-/现代农业
在我国，农产品中农药残留量过高，严重危害到国民健康。发达国家对进口农产品设定的检测标准也日趋严格，严重影响到我国农产品的出口。随着经济发展和人民生活水平的提高，“安全”、“健康”成为民众食品消费的主题。为此，加速健全农产品质量安全保障体系、建立有效的监督检测机制已成为我国目前食品安全管理的首要任务。由于我国检测部门普遍使用的快速检测仪器检测灵敏度低、取样量大、检测时间长，不利于现场检测和推广普及，迫切需要一种快速、高效的农药残留检测仪器。因此，发展可靠、便携、精确的农产品快速安全检测技术和产品有着广阔的市场前景。在这样的背景下，我们2010年开始了相关内容的研究，天津农学院工程技术学院（当时的名称为机电工程系，下同）在2011年底以主持人为张伟玉教授提出了基于生物传感器的农药残留检测仪开发与推广示范的国家星火计划项目申请，得到了国家科技部的批准，2012年10月18日颁发了立项证书，项目号：2012GA610032。（二）技术原理及性能把含有抗原或抗体生物膜固定在石英晶体土，抗原与抗体结合后生物膜的质量会发生的变化会引起石英晶体谐振频率的变化，以此原理开发出了能够对有机氯、有机磷等杀虫和杀菌剂进行检测的压电晶体式生物传感器，进行传感器测量电路及测量方法的设计和优化后，最终开发出具有自主知识产权的、符合国标《GB5009.199-2003》和农业部《NY/T761-2008》标准的农药残留快速检测仪。对甲胺磷、氧化乐果、敌敌畏和西维因的检出限分别为0.005～0.1、0.005～0.1、0.05～1和0.05～5（mg/kg）（三）技术的创造性与先进性谐振式传感器的零点输出具有一定的初始频率，测量参数引起的频率变化量比初始频率小很多。怎样高分辨率测量有一定初始频率的小频率增量问题国内外一直未能很好地解决。本项目从高分辨率测量谐振式传感器输出信号入手，对小频率增量的测量方法、逻辑混（差）频器的输入输出特性、频率测量的方法及算法进行了深入研究，并取得以下创新成果：1、提出了一种对压电式生物传感器进行高分辨率测量的方法。2、理论上研究了D触发器差频器的输入输出特性；提出了输入信号需要满足的条件，找出了产生测量误差的主要原因；提出了为减少误差，输入信号与D触发器的连接方式及参考信号的取值范围；通过对测量数据的有机取舍，得到了比较高的测量分辨率。3、理论上研究了逻辑门混频器的混频特性，进行了归类，选出了作为混频器的最佳逻辑门；在此基础上，通过理论分析，提出了基于异或门，仅使用一阶RC滤波器、特性优良的差频电路，并通过实验验证了理论的正确性。4、通过理论分析，提出了一种电路简单、测量分辨率高的连续计数间隔标记的频率测量方法及算法（标记法），并通过实验对理论进行了验证。5、进行了谐振式传感器高分辨率测量方法的比较。使用D触发器对待测信号和参考信号进行差频，以D触发器输出信号的周期为闸门，连续对基准信号进行计数，得到测量数组，对测量数组中的数据进行有机取舍，能得到较高的测量分辨率且电路简单，可供使用谐振式传感器的有高温和高可靠性要求的现场仪器仪表使用；标记法的测量分辨率远远高于混（差）频法，在进行一定的技术实现方法完善后，有望成为一种电路简单、成本低、高分辨率的频率测量方法，应用前景相当广阔。（四）技术的成熟度，适用范围和安全性技术处于小批量试生产阶段，还有许多方面需要完善。能快速、安全的检测果蔬中有机磷和氨基甲酸酯类农药的含量，在各级蔬菜检测中心、集贸市场、超市、蔬菜种植基地、饭店等单位对果蔬中的农药残留进行检测。（五）应用情况及存在的问题本项目在已有技术的基础上，进行了技术的理论与实践完善，开发出了能对有机氯、有机磷等杀虫和杀菌剂进行检测的压电晶体式生物传感器，进行传感器测量电路设计，最终开发出具有自主知识产权的农药残留快速检测仪，能快速检测果蔬中有机磷和氨基甲酸酯类农药的含量，可广泛应用于蔬菜、水果、茶叶、粮食、水及土壤中的有机磷和氨基甲酸酯类农药残毒含量的检测，特别适用于农业基地和专业户采摘前速测，农贸批发市场、蔬菜配送中心现场速测，超市、菜场、酒楼、食堂、家庭果蔬加工前速测，还适用于农产品无公害监督检测中心、工商局、技术监督局等，社会效益显著。未来几年，国内整个蔬菜水果类农产品农药残留快速检测的年市场规模将稳定在2亿元左右，相信在本项目开发出的仪器进一步完善后，经济效益也将十分巨大。小批量生产了10台仪器，在物美超市、人人乐超市、华润万家超市、红旗农贸批发市场和天津农学院学生食堂等示范基地进行了实际试用，历时2个月，结果表明仪器操作方便，可靠性高。
