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农药喷雾施药现场监测和农产品检测中都需要对农药浓度进行检测。现今农药浓度检测主要是通过实验室专门仪器,如气相色谱仪、高效液相色谱仪一质谱仪联用、分光光度计和近红外光谱仪进行检测。实验室专门仪器检测虽然灵敏且准确,但成本高,同时所需仪器昂贵且笨重,不适合在线检测;而某些农药浓度现场快速检测技术,如速测卡检测技术,则通过显色变化进行检测,需要应用图像处理等方法对颜色变化进行处理,再进行定量分析,操作复杂。酶传感技术是应用于农药浓度快速检测是目前的一个前沿性研究方向。通过酶传感器及其配套电路的传感、转换作用,可以实现农药浓度的现场检测,对酶传感技术在农药浓度检测的研究与应用是很有前景的发展方向。本文研究了基于酶传感的农药浓度检测技术方法,通过对农药浓度酶传感检测技术的三电极电路模型进行简化,并应用于装置配套电路的调理,研制了酶传感便携式农药浓度速测装置,并对装置性能进行分析测定实验。主要研究内容包括:
⑴农药浓度酶传感检测技术的研究与酶电极制备。研究分析了AChE酶抑制原理和恒电位计时电流技术,选取丝网印刷电极作为基底电极,设计了传感器的敏感元件-丝网印刷酶电极,同时确定了AChE酶的固定方法,利用新型纳米复合材料硫化镉-石墨烯(CdS—G)处理技术进行丝网印刷电极工作电极修饰;分析了酶电极的性能,通过电化学阻抗图谱法,对修饰电极的涂层电荷转移电阻阻抗值进行测定。结果表明该复合材料可减小电极涂层的电子转移阻抗值。
⑵酶传感技术的三电极系统等效电路模型简化与应用。在研究电解池三电极系统等效电路模型的基础上,确定了适用于本课题酶传感技术的三电极等效电路简化模型;并利用该模型对仪表的控制精度和采样精度进行检测,结果表明仪器电压控制精度偏差在0.6 mV以内,采样电流值与实测电流值相对偏差在1μ A以内,因此该模型适合于三电极系统的模拟,可应用于研制装置的信号调理电路的调试。
⑶酶传感农药浓度速测装置设计。设计了农药浓度检测的酶电极配套电路,由单片机C8051F040、Ⅰ/Ⅴ转换放大电路和转接口组成,实现了恒电位条件下的酶电极的微电流信号测量。测量结果表明调理电路测量精度达10-8A,最大偏差小于3×10-8A,放大倍数在5×105范围内可调,能够实现对农药浓度的在线定量检测。
⑷农药浓度速测装置性能测定及实验。首先利用简化的三电极电路模型进行配套电路控制电压精度和采样精度的测试;然后在实际测量中,对装置检测所需时间T(s)、装置可检出的线性浓度范围和最低检出限进行了测定。结果表明,该装置在西维因农药浓度为5ng/mL-2μg/mL范围内,酶抑制率与西维因浓度的对数log[carbaryl]呈线性关系,线性相关系数为0.978,最低检出限为1.7ng/mL。装置对农药浓度的响应趋于稳定的时间小于161s,从而为农药浓度数量级为μg/L的现场快速测量提供了一种便携式实用装置。