一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法

2023-06-14 01:46:36

專利名稱：一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及農業領域中的農業用的農藥殘留快速檢測裝置，特別是一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法。
背景技術：
隨著農業技術的發展，為了高產、高效的生產各類果蔬來滿足人們的日常生活需要，各種各樣的農藥用於防治果蔬病蟲害，因此不可避免得在果蔬表面形成農藥殘留。過多的農藥殘留不僅危害消費者安全，而且成為阻礙我國農產品出口的綠色貿易壁壘。農產品檢測中心配備的高精度分析儀器靈敏度高、專業性強、檢測方法複雜，且均應在實驗室中，價格昂貴。我國果蔬生產相對分散，果蔬要保持新鮮，即採即賣，由採收到市場銷售所經歷的時間很短，監控部門沒有足夠的時間把市場上的果蔬作為樣本用專業分析儀器進行分析，因此研發一種果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法已成為果蔬產業健康發展的必然需求。拉曼散射是光與物質非彈性散射的一種現象，是重要的光譜分析技術，因其靈敏度高、快速、無損、所需樣品極少、並可利用顯微光路對樣品進行微區檢測和成像檢測等優點，已在固體物理、半導體物理、催化、表面、生物化學、材料表徵和寶石鑑定等領域得到廣泛應用。德國、以色列和紐西蘭等國的專家，應用近紅外光譜技術，研製了可攜式檢測設備，實現了水果糖度、缺陷、成熟度等的快速檢測，但因信號弱、測精度低等問題，無法用於果蔬農藥殘留的檢測。專利CN101059439A採用調解多模石英光纖內芯的方法獲得雷射拉曼光譜，因有移動部件，檢測精度受振動等因素的影響；專利CN101493416A採用532nm雷射誘導光譜，難以克服螢光效應的影響；專利CN201247201採用光電倍增管和光子計數器作為探測器，只能探測到電子振動，檢測的靈敏度受到了限制。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法，以實現果蔬農藥殘留的快速檢測和初步篩選。本發明是通過以下技術方案實現的。本發明包括硬體裝置和軟體系統；其中
1、硬體裝置，包括拉曼探頭、拉曼光譜探測器和數據採集裝置；
1)拉曼探頭包括雷射器、光纖、緊固螺母、透鏡、帶通濾光片、雙向色性濾光片、樣品支架、探頭外殼、反光鏡；
2)拉曼光譜探測器包括光纖耦合器、透鏡、小孔、聚焦鏡、準直鏡、光柵、探測器、截止濾光片；3)數據採集裝置包括數據線、處理器、RS232線纜和顯示屏； 2、軟體系統包括拉曼光譜採集模塊、分析模塊和指紋圖譜庫模塊；其中
1)拉曼光譜採集模塊實現拉曼光譜的採集、存儲、讀取、硬體參數設置；
2)分析模塊實現拉曼光譜讀取、保存、顯示、定性、定量分析方法和數學模型等；
3)指紋圖譜庫包括圖譜歸一化處理、特徵峰檢索、標準圖譜比對、圖譜更新升級等功能。一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，包括硬體裝置和軟體系統；其中軟體系統包括拉曼光譜採集模塊、分析模塊和指紋圖譜庫模塊；硬體裝置包括拉曼探頭、拉曼光譜探測器和數據採集裝置；拉曼探頭包括雷射器、光纖、緊固螺母、透鏡、帶通濾光片、雙向色性濾光片、樣品支架、探頭外殼、反光鏡；拉曼光譜探測器包括光纖耦合器、透鏡、小孔、聚焦鏡、準直鏡、光柵、探測器、截止濾光片；數據採集裝置包括數據線、處理器、RS232線纜和顯示屏；顯示屏、RS232線纜、處理器、雷射器、光纖、緊固螺母、透鏡、樣品支架、探頭外殼、反光鏡、光纖耦合器、小孔、聚焦鏡、準直鏡、光柵、探測器、截止濾光片、 數據線均固定在外殼上；顯示屏通過RS232線纜與處理器連接，處理器通過數據線與截止濾光片連接，截止濾光片設於探測器上，雷射器連接光纖，光纖通過緊固螺母固定在探頭外殼上，透鏡、帶通濾光片、雙向色性濾光片、毛玻璃、反光鏡、帶通濾光片、透鏡均依次固定在探頭外殼上，探頭外殼下設有樣品，樣品安放在樣品支架上，探頭外殼通過光纖連接光纖耦合器的一側，光纖耦合器的另一側依次設有透鏡、小孔、聚焦鏡、準直鏡和光柵。一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其中光纖耦合器15另一側設有的兩塊透鏡與另一塊透鏡之間設有小孔。一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中 第一、開啟裝置，待軟體系統自動進入檢測界面，開啟雷射器；
第二、通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖為止；
第三、將噴施了不同濃度的敵敵畏和甲胺磷農藥的樣品，放置於室溫環境風乾3、天后，放置於樣品架上進行採集拉曼光譜；
第四、手握探頭，將探頭貼於待測樣品表面，雷射光源發出的光照射到待測樣品表面後，與樣品表面分子發生非彈性散射，產生拉曼散射，經探頭反射至探測器，並經數據線傳入處理器；
第五、將雷射拉曼光譜代入拉曼指紋圖譜庫，檢索特徵峰，進行定性判別，確定為那種農藥或哪幾種農藥殘留，代入農藥殘留預測模型，進行定量預測，得到相應農藥殘留的濃度。一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」 中採用的技術參數如下雷射器的雷射波長為780nm，雷射器功率為10—30毫瓦、積分時間 2000毫秒、平均次數10次。發明的有益效果是裝置結構緊湊，功耗低，穩定性強，便於隨身攜帶，適合現場檢測。檢測過程中裝置不移動，檢測結果不受外部振動影響，檢測精度高，速度快，可同時快速實現果蔬農藥殘留的定性判別和定量分析，滿足了現場採樣和快速檢測的需求。
本發明採用780nm雷射器，可以更好的消除螢光效應對檢測結果的影響；採用雙透鏡加小孔的共焦方式，有效避免了焦平面意外的雜散光。


圖1是本發明的總體結構示意圖。圖2是本發明檢測噴施不同濃度敵敵畏的臍橙的雷射拉曼光譜圖。圖3是本發明檢測噴施不同濃度甲胺磷的臍橙的雷射拉曼光譜圖。

顯示屏1、RS232線纜2、處理器3、雷射器4、光纖5、緊固螺母6、透鏡7、 帶通濾光片8、雙向色性濾光片9、毛玻璃10、樣品支架11、固定在外殼12、探頭外殼13、反光鏡14、光纖耦合器15、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18、光柵19、探測器20、截止濾光片21、 數據線22。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例進一步詳細描述本發明
實施例1、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，包括硬體裝置和軟體系統；其中軟體系統包括拉曼光譜採集模塊、分析模塊和指紋圖譜庫模塊；硬體裝置包括拉曼探頭、拉曼光譜探測器和數據採集裝置；拉曼探頭包括雷射器4、光纖5、緊固螺母6、透鏡7、帶通濾光片8、雙向色性濾光片9、樣品支架11、探頭外殼13、反光鏡14 ；拉曼光譜探測器包括光纖耦合器15、透鏡7、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18、光柵19、探測器20、截止濾光片21 ；數據採集裝置包括數據線22、處理器3、RS232線纜2和顯示屏1 ；顯示屏1、RS232 線纜2、處理器3、雷射器4、光纖5、緊固螺母6、透鏡7、樣品支架11、探頭外殼13、反光鏡14、 光纖耦合器15、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18、光柵19、探測器20、截止濾光片21、數據線 22均固定在外殼12上；顯示屏1通過RS232線纜2與處理器3連接，處理器3通過數據線 22與截止濾光片21連接，截止濾光片21設於探測器20上，雷射器4連接光纖5，光纖5通過緊固螺母6固定在探頭外殼13上，透鏡7、帶通濾光片8、雙向色性濾光片9、毛玻璃10、 反光鏡14、帶通濾光片8、透鏡7均依次固定在探頭外殼13上，探頭外殼13下設有樣品，樣品安放在樣品支架11上，探頭外殼13通過光纖5連接光纖耦合器15的一側，光纖耦合器 15的另一側依次設有透鏡7、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18和光柵19。實施例2、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其中顯示屏1、 RS232線纜2、處理器3、雷射器4、光纖5、緊固螺母6、透鏡7、樣品支架11、探頭外殼13、反光鏡14、光纖耦合器15、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18、光柵19、探測器20、截止濾光片21、 數據線22均固定在外殼12上；顯示屏1通過RS232線纜2與處理器3連接，處理器3通過數據線22與截止濾光片21連接，截止濾光片21設於探測器20上，雷射器4連接光纖5，光纖5通過緊固螺母6固定在探頭外殼13上，透鏡7、帶通濾光片8、雙向色性濾光片9、毛玻璃10、反光鏡14、帶通濾光片8、透鏡7均依次固定在探頭外殼13上，探頭外殼13下設有樣品，樣品安放在樣品支架11上，探頭外殼13通過光纖5連接光纖耦合器15的一側，光纖耦合器15的另一側依次設有透鏡7、小孔16、聚焦鏡17、準直鏡18和光柵19。其餘同實施例1。實施例3、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其中光纖耦合器15另一側設有的兩塊透鏡7與另一塊透鏡7之間設有小孔16。實施例4、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中 第一、開啟裝置，待軟體系統自動進入檢測界面，開啟雷射器4 ；
第二、通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖為止；
第三、將噴施了不同濃度的敵敵畏和甲胺磷農藥的樣品，放置於室溫環境風乾3、天后，放置於樣品架上進行採集拉曼光譜；
第四、手握探頭，將探頭貼於待測樣品表面，雷射光源發出的光照射到待測樣品表面後，與樣品表面分子發生非彈性散射，產生拉曼散射，經探頭反射至探測器20，並經數據線 22傳入處理器3 ；
第五、將雷射拉曼光譜代入拉曼指紋圖譜庫，檢索特徵峰，進行定性判別，確定為那種農藥或哪幾種農藥殘留，代入農藥殘留預測模型，進行定量預測，得到相應農藥殘留的濃度。實施例5、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」中採用的技術參數如下雷射器4的雷射波長為780nm，雷射器4功率為10— 30毫瓦、積分時間2000毫秒、平均次數10次。其餘同實施例4。實施例6、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」中採用的技術參數如下雷射器4的雷射波長為780nm，雷射器4功率為10毫瓦、積分時間2000毫秒、平均次數10次。其餘同實施例4或5。實施例7、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」中採用的技術參數如下雷射器4的雷射波長為780nm，雷射器4功率為20毫瓦、積分時間2000毫秒、平均次數10次。其餘同實施例4或5。實施例8、一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其中「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器4功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」中採用的技術參數如下雷射器4的雷射波長為780nm，雷射器4功率為30毫瓦、積分時間2000毫秒、平均次數10次。其餘同實施例4或5。本發明選用的雷射器4的波長為780nm，具體實施效果見表1和表2，以預測相關係數R越高，預測均方根誤差RMSEP越小，實施效果越好。表1以臍橙表面的敵敵畏殘留為例，不同參數設置下的實施效果對比結果
權利要求
1.一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，包括硬體裝置和軟體系統； 其特徵在於軟體系統包括拉曼光譜採集模塊、分析模塊和指紋圖譜庫模塊；硬體裝置包括拉曼探頭、拉曼光譜探測器和數據採集裝置；拉曼探頭包括雷射器(4)、光纖(5)、緊固螺母(6)、透鏡(7)、帶通濾光片(8)、雙向色性濾光片(9)、樣品支架(11)、探頭外殼(13)、反光鏡(14)；拉曼光譜探測器包括光纖耦合器(15)、透鏡(7)、小孔(16)、聚焦鏡(17)、準直鏡(18)、光柵(19)、探測器(20)、截止濾光片(21)；數據採集裝置包括數據線(22)、處理器(3)、RS232線纜(2)和顯示屏(1)；顯示屏(1)、RS232線纜(2)、處理器(3)、雷射器(4)、 光纖(5)、緊固螺母(6)、透鏡(7)、樣品支架(11)、探頭外殼(13)、反光鏡(14)、光纖耦合器 (15)、小孔(16)、聚焦鏡(17)、準直鏡(18)、光柵(19)、探測器(20)、截止濾光片(21)、數據線(22)均固定在外殼(12)上；顯示屏(1)通過RS232線纜(2)與處理器(3)連接，處理器 (3)通過數據線(22)與截止濾光片(21)連接，截止濾光片(21)設於探測器(20)上，雷射器(4)連接光纖(5)，光纖(5)通過緊固螺母(6)固定在探頭外殼(13)上，透鏡(7)、帶通濾光片(8)、雙向色性濾光片(9)、毛玻璃(10)、反光鏡(14)、帶通濾光片(8)、透鏡(7)均依次固定在探頭外殼(13)上，探頭外殼(13)下設有樣品，樣品安放在樣品支架(11)上，探頭外殼(13)通過光纖(5)連接光纖耦合器(15)的一側，光纖耦合器(15)的另一側依次設有透鏡(7)、小孔(16)、聚焦鏡(17)、準直鏡(18)和光柵(19)。
2.如權1所述的一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其特徵在於 顯示屏(1)、RS232線纜(2)、處理器(3)、雷射器(4)、光纖(5)、緊固螺母(6)、透鏡(7)、樣品支架(11)、探頭外殼(13)、反光鏡(14)、光纖耦合器(15)、小孔(16)、聚焦鏡(17)、準直鏡 (18)、光柵(19)、探測器(20)、截止濾光片(21)、數據線(22)均固定在外殼(12)上；顯示屏 (1)通過RS232線纜(2 )與處理器(3 )連接，處理器(3 )通過數據線(22與截止濾光片(21) 連接，截止濾光片(21)設於探測器(20)上，雷射器(4)連接光纖(5)，光纖(5)通過緊固螺母 (6)固定在探頭外殼(13)上，透鏡(7)、帶通濾光片(8)、雙向色性濾光片(9)、毛玻璃(10)、 反光鏡(14)、帶通濾光片(8)、透鏡(7)均依次固定在探頭外殼(13)上，探頭外殼(13)下設有樣品，樣品安放在樣品支架(11)上，探頭外殼(13)通過光纖(5)連接光纖耦合器(15的一側，光纖耦合器(15)的另一側依次設有透鏡(7)、小孔(16)、聚焦鏡(17)、準直鏡(18)和光柵(19)。
3.如權1或2所述的一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其特徵在於光纖耦合器(15)另一側設有的兩塊透鏡(7)與另一塊透鏡(7)之間設有小孔(16)。
4.一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其特徵在於 第一、開啟裝置，待軟體系統自動進入檢測界面，開啟雷射器(4)；第二、通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器(4)功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖為止；第三、將噴施了不同濃度的敵敵畏和甲胺磷農藥的樣品，放置於室溫環境風乾3、天后，放置於樣品架上進行採集拉曼光譜；第四、手握探頭，將探頭貼於待測樣品表面，雷射光源發出的光照射到待測樣品表面後，與樣品表面分子發生非彈性散射，產生拉曼散射，經探頭反射至探測器(20)，並經數據線(22)傳入處理器(3)；第五、將雷射拉曼光譜代入拉曼指紋圖譜庫，檢索特徵峰，進行定性判別，確定為那種農藥或哪幾種農藥殘留，代入農藥殘留預測模型，進行定量預測，得到相應農藥殘留的濃度。
5.如權利要求4所述的一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測方法，其特徵在於「通過拉曼光譜採集模塊，調整雷射器(4)功率、積分時間、平均次數，通過調整以上參數，直到理想的拉曼光譜圖」中採用的技術參數如下雷射器(4)的雷射波長為780nm，雷射器(4)功率為10毫瓦、積分時間2000毫秒、平均次數10次。
全文摘要
本發明涉及一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置及方法。隨著農業技術的發展，為了高產、高效的生產各類果蔬來滿足人們的日常生活需要，各種各樣的農藥用於防治果蔬病蟲害，因此不可避免得在果蔬表面形成農藥殘留。一種基於雷射拉曼光譜的果蔬農藥殘留快速檢測裝置，其中顯示屏、RS232線纜、處理器、雷射器、光纖、緊固螺母、透鏡、樣品支架、探頭外殼、反光鏡、光纖耦合器、小孔、聚焦鏡、準直鏡、光柵、探測器、截止濾光片、數據線均固定在外殼上。本裝置結構緊湊，功耗低，穩定性強，便於隨身攜帶，適合現場檢測。檢測過程中裝置不移動，檢測結果不受外部振動影響，檢測精度高，速度快。
文檔編號G01N21/65GK102565023SQ20111045458
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者劉燕德, 孫旭東, 歐陽愛國, 蔡麗君, 郝勇 申請人:華東交通大學