吳 昂，朱娟花，江 敏，何玉靜，李會(huì)芹

(1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002;2．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450002)

化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種快速、靈敏的新興分析技術(shù)，具有靈敏度高、線性范圍廣以及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種檢測(cè)［1］．目前，國內(nèi)普遍使用的化學(xué)發(fā)光分析儀是屬于流動(dòng)注射式的，調(diào)試過程繁復(fù)費(fèi)時(shí)，價(jià)格較貴，不適于化學(xué)發(fā)光檢測(cè)的需要［2］．國外的化學(xué)發(fā)光儀主要是德國的Luminstar、美國的Luminmax和美國的Dynex化學(xué)發(fā)光酶標(biāo)儀等，這些儀器是科研用通用儀，采樣頻率低，而且價(jià)格昂貴，不適合基層推廣［3－5］．江敏等［6］、劉炎超等［7］基于 PIC 單片機(jī)研制開發(fā)化學(xué)發(fā)光食品安全檢測(cè)儀，采用獨(dú)創(chuàng)的瞬穩(wěn)靜態(tài)注射方式［6－9］，測(cè)試精度基本達(dá)到流動(dòng)注射分析技術(shù)的水平，價(jià)格不到進(jìn)口儀器的十分之一且可以綜合檢測(cè)水樣中的多項(xiàng)指標(biāo)．目前，研究人員除了研究測(cè)試儀器，也都注重分析軟件的開發(fā)．如微弱化學(xué)發(fā)光/生物發(fā)光檢測(cè)儀的分析軟件可以實(shí)現(xiàn)文件管理、測(cè)量參數(shù)管理和譜圖處理等功能．精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)零、增益控制、濾波器截止頻率調(diào)整、采樣速率設(shè)定和外部信號(hào)輸入接口等功能［8］．BPCL－1微弱化學(xué)發(fā)光與生物發(fā)光測(cè)量儀的分析軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等多項(xiàng)功能．這些軟件中，大多軟件不能生成詳細(xì)的分析報(bào)告，也沒有對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)在采集的任意時(shí)刻處理、刪除和重測(cè)的功能，導(dǎo)致無法及時(shí)去除不合理的數(shù)據(jù)，影響最終分析結(jié)果 ．作者研制的食品安全檢測(cè)儀的檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，并能生成詳細(xì)的分析報(bào)告．

1 食品安全檢測(cè)儀組成

食品安全檢測(cè)儀由硬件和軟件2部分組成(圖1)．

圖1 食品安全檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 The diagram of the food safety testing instrument

硬件部分包括樣品進(jìn)給系統(tǒng)、光電信號(hào)采集、儀器控制系統(tǒng)和通信模塊4個(gè)部分．進(jìn)樣機(jī)構(gòu)采用靜態(tài)瞬穩(wěn)注射式機(jī)構(gòu)，控制進(jìn)樣閥門以相同的速度打開，使被測(cè)物和發(fā)光試劑以相同流速進(jìn)入反應(yīng)池，以確保相同樣品的測(cè)試重復(fù)性．進(jìn)樣機(jī)構(gòu)裝在暗盒中，以避免室內(nèi)光線對(duì)樣品發(fā)光測(cè)量的影響．光電信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)量樣品反應(yīng)的微弱發(fā)光，并將光電二極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，儀器控制系統(tǒng)由 PIC微控制器及 RS232接口電路、EEPROM存儲(chǔ)電路、液晶顯示器、鍵盤等構(gòu)成，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)曲線．通信模塊將實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào)通過RS232接口送計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的控制命令．

軟件部分包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件．下位機(jī)軟件為單片機(jī)控制程序，用C語言編程，包括參數(shù)設(shè)置模塊、測(cè)試模塊和查詢模塊，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和選擇，檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和顯示，處理結(jié)果的保存和打印等功能．上位機(jī)軟件為安裝在計(jì)算機(jī)上的檢測(cè)軟件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)、分析和處理，擬合/顯示回歸曲線及相關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)所有操作人員實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析報(bào)告的生成，測(cè)試數(shù)據(jù)、曲線和表格的保存和打印等功能．

2 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

采用VB 6．0，Matrix VB 和MS SQL Server 2000開發(fā)環(huán)境，開發(fā)和食品安全檢測(cè)儀器配套的數(shù)據(jù)測(cè)試及分析軟件．與其他分析軟件相比，此食品安全檢測(cè)儀測(cè)試系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更多的功能:(1)數(shù)據(jù)采集方面:可以自動(dòng)識(shí)別和選擇串口號(hào)，高速采集數(shù)據(jù)，傳輸過程中在任意時(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)查詢、處理、刪除和重測(cè)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的回歸分析和RSD的計(jì)算．(2)數(shù)據(jù)分析方面:可以計(jì)算樣品的測(cè)定值、平均值、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、回歸方程和相關(guān)系數(shù)，計(jì)算時(shí)自動(dòng)減除空白，可以成批處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)價(jià)測(cè)試過程的正確性和熟練性，生成和打印分析報(bào)告等．(3)數(shù)據(jù)顯示方面:自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)擬合圖形，自動(dòng)選取數(shù)據(jù)曲線縱向/橫向坐標(biāo)．(4)數(shù)據(jù)打印方面:軟件得到的所有的曲線和表格都能導(dǎo)出到word或Excel進(jìn)行保存和打?。浖軌?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析和統(tǒng)計(jì)，可以彌補(bǔ)儀器由于硬件原因而使得測(cè)試數(shù)據(jù)不能大量保存及圖表不能完全顯示等缺點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)更多的功能，使儀器的使用更加靈活、方便．

2．1 軟件設(shè)計(jì)

圖2 儀器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig．2 Design diagram of the instrument detection system software

食品安全檢測(cè)儀檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示．圖2中主要包括數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示和統(tǒng)計(jì)幾部分．上位機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)通過R232串口讀取發(fā)光儀中測(cè)得的微量元素的峰值和發(fā)光面積，所需濃度等參數(shù)由VB設(shè)計(jì)界面輸入，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)光值和質(zhì)量濃度值計(jì)算舍棄值個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)．計(jì)算舍棄值個(gè)數(shù)、均值和S/RSD時(shí)采用VB編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的回歸分析及圖形顯示時(shí)調(diào)用Matrix VB．如果數(shù)據(jù)不合理，可以刪除后重測(cè)，根據(jù)分析結(jié)果決定最終需要保存的發(fā)光值．系統(tǒng)可以比較多組微量元素的分析結(jié)果，并能夠根據(jù)要求按任意項(xiàng)排序．分析報(bào)告是顯示實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)情況，包括實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其回歸分析的圖形和結(jié)果．

2．2 數(shù)據(jù)處理

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定溶液質(zhì)量濃度，主要是根據(jù)已知溶液的質(zhì)量濃度和其發(fā)光值以及待測(cè)溶液的發(fā)光值，求待測(cè)溶液的質(zhì)量濃度．本儀器中，根據(jù)已知質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)其相應(yīng)的發(fā)光值，一般測(cè)試3～5組不同質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)，每組測(cè)量不多于10個(gè)平行發(fā)光值．對(duì)于這些平行數(shù)據(jù)，舍棄掉偏離均值較遠(yuǎn)的值，將剩下的平行數(shù)據(jù)求均值，作為在此質(zhì)量濃度下的發(fā)光值．得到幾組不同質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)后，采用最小二乘法擬合出回歸方程Y=a0+a1X，表示溶液的質(zhì)量濃度和發(fā)光值的對(duì)應(yīng)關(guān)系．根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，再測(cè)量未知質(zhì)量濃度的樣品的發(fā)光值Y，帶入回歸方程，可求得其質(zhì)量濃度X．曲線的擬合效果根據(jù)相關(guān)系數(shù)r來檢驗(yàn)，r值越接近于1擬合效果越好．在軟件中通過求解標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差判斷測(cè)試的數(shù)據(jù)是否符合要求．

3 主要功能模塊的設(shè)計(jì)

食品安全檢測(cè)儀檢測(cè)系統(tǒng)包括用戶界面、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫3個(gè)部分．用戶界面和數(shù)據(jù)處理由VB6．0及 Matrix VB實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫用 SQL Server 2000工具開發(fā)．

檢測(cè)系統(tǒng)包含5個(gè)功能模塊:通信模塊、查詢模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、分析報(bào)告模塊和幫助模塊，系統(tǒng)的框圖如圖3所示．

圖3 儀器數(shù)據(jù)處理軟件框圖Fig．3 Block diagram of the instrument data processing software

3．1 通信模塊

通信模塊主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和分析，包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、回歸分析和數(shù)據(jù)查詢/更改4個(gè)部分．參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置測(cè)試人員編號(hào)、姓名、標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度．如果某個(gè)編號(hào)和姓名已經(jīng)注冊(cè)，再次測(cè)試時(shí)可以只用輸入編號(hào)而不用輸入姓名，但是如果輸入了和注冊(cè)姓名不一致的姓名，軟件會(huì)提示錯(cuò)誤后，更正為注冊(cè)的姓名．

數(shù)據(jù)傳輸包括串口設(shè)置、數(shù)據(jù)接收、保存等．串口設(shè)置可以選擇傳輸速率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位，默認(rèn)設(shè)置為“9 600，n，8，1”．軟件能夠從 COM1和COM2口中自動(dòng)選擇1個(gè)空閑端口進(jìn)行通信．軟件從儀器接收到微量元素的發(fā)光值后，顯示在通信界面左邊的文本框中，當(dāng)部分或全部數(shù)據(jù)接收完后，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫．

回歸分析能對(duì)剛剛保存的數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合出標(biāo)準(zhǔn)曲線，在新的界面顯示標(biāo)準(zhǔn)曲線、標(biāo)準(zhǔn)方程和相關(guān)系數(shù)．查詢功能可以查看本次保存的數(shù)據(jù)，以及計(jì)算后得到的棄值個(gè)數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差．如果對(duì)某行或某項(xiàng)數(shù)據(jù)不滿意，可以選中后點(diǎn)擊相應(yīng)按鍵刪除數(shù)據(jù)．系統(tǒng)還有“重新測(cè)試”和“重新保存”的功能．

參數(shù)設(shè)置及通信模塊實(shí)驗(yàn)界面如圖4所示，圖中顯示了數(shù)據(jù)接收、查詢及回歸分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

圖4 參數(shù)設(shè)置及通信界面Fig．4 parameter setting and communication interface

3．2 查詢模塊

查詢模塊能夠查詢所有的歷史記錄．查詢時(shí)可以根據(jù)測(cè)試時(shí)間、測(cè)試日期、編號(hào)3個(gè)查詢條件的任意組合查詢數(shù)據(jù)，表格顯示當(dāng)前查詢條件下的所有數(shù)據(jù)，以及計(jì)算后得到的舍棄數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)、均值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差．查詢結(jié)果可以打印或保存．

3．3 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的線性分析和統(tǒng)計(jì)排名(圖5)．統(tǒng)計(jì)前先輸入所有要統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)員的測(cè)量信息，包括編號(hào)、姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)名稱等．統(tǒng)計(jì)時(shí)可以選擇“統(tǒng)計(jì)單個(gè)實(shí)驗(yàn)員實(shí)驗(yàn)結(jié)果”或“統(tǒng)計(jì)所有實(shí)驗(yàn)員實(shí)驗(yàn)結(jié)果”．統(tǒng)計(jì)所有實(shí)驗(yàn)員實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，還可以選擇任意一個(gè)統(tǒng)計(jì)的項(xiàng)目按要求對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)按升序或降序排列．統(tǒng)計(jì)分析的項(xiàng)目主要有棄值個(gè)數(shù)、所有樣品的測(cè)定值、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、實(shí)際計(jì)算值和機(jī)器計(jì)算值之差、回歸方程和相關(guān)系數(shù)等．可以保存或打印統(tǒng)計(jì)結(jié)果．

圖5 統(tǒng)計(jì)分析界面Fig．5 the interface of statistical analysis

在實(shí)驗(yàn)人員信息表格中，選中某個(gè)實(shí)驗(yàn)員，點(diǎn)擊“生成標(biāo)準(zhǔn)曲線”按鈕，將對(duì)此實(shí)驗(yàn)員的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并顯示回歸曲線、標(biāo)準(zhǔn)方程和相關(guān)系數(shù)等信息．

食品安全檢測(cè)儀檢測(cè)軟件能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析和處理;能自動(dòng)擬合并動(dòng)態(tài)顯示回歸曲線及相關(guān)信息;能自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告;生成的所有曲線和表格都能保存和打印;能夠統(tǒng)計(jì)所有操作人員實(shí)驗(yàn)情況，并按要求排名;能夠評(píng)價(jià)操作人員測(cè)試過程的正確性和熟練性．

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本系統(tǒng)在河南農(nóng)大迅捷測(cè)試技術(shù)有限公司實(shí)際測(cè)試．采用高錳酸鉀－魯米諾體系測(cè)試溶液中高錳酸鉀的含量．Luminol分析液的濃度為2．5×10－4mol·L－1，pH 值為 13，KMnO4分析液質(zhì)量濃度為3．00 ×10－7g·mL－1，每次測(cè)量時(shí)各取 2 mL 混合后測(cè)試．儀器工作方式設(shè)為:增益倍數(shù):2，測(cè)試時(shí)間:15 s．標(biāo)準(zhǔn)1～標(biāo)準(zhǔn)5的質(zhì)量濃度分別為0，4．00 ×10－8，1．00 ×10－7，1．60 ×10－7，2．20 × 10－7mg·L－1．檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)此組測(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如表1所示．

表1 溶液中高錳酸鉀含量的檢測(cè)結(jié)果Table 1 the test results of potassium permanganate content in solution

由表1可以看出，棄值個(gè)數(shù)、均值標(biāo)準(zhǔn)偏差和RSD數(shù)據(jù)正確．?dāng)M合的回歸方程為:Y=－731 673．2+8．797 767×1013X(X為質(zhì)量濃度，Y為發(fā)光面積)，相關(guān)系數(shù)為0．998 5．RSD≤4%，儀器穩(wěn)定性高．可以看出，測(cè)試系統(tǒng)的回歸分析圖坐標(biāo)設(shè)置合理，回歸曲線及各個(gè)數(shù)值點(diǎn)顯示清楚，數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確，滿足實(shí)驗(yàn)要求．

5 結(jié)語

基于化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)的食品安全檢測(cè)儀的硬件平臺(tái)，開發(fā)了配套的數(shù)據(jù)檢測(cè)及分析軟件．軟件借助微機(jī)的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理，并能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示處理結(jié)果，所有的結(jié)果都可以保存或打?。同F(xiàn)有的化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)分析軟件相比，此軟件能生成詳細(xì)的分析報(bào)告，能夠?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)在采集的任意時(shí)刻處理、刪除和重測(cè)的功能，及時(shí)去掉不合理的數(shù)據(jù)，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確．軟件的使用解決現(xiàn)有流動(dòng)注射式化學(xué)發(fā)光分析儀不符合測(cè)試需要的諸多問題，彌補(bǔ)了食品安全檢測(cè)儀由于硬件原因而使得測(cè)試數(shù)據(jù)不能大量保存及圖表不能完全顯示等缺點(diǎn)，使儀器的使用更加靈活、方便．實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，此檢測(cè)軟件界面友好、簡單易用、能屏蔽和糾正用戶的誤操作、圖形顯示清晰準(zhǔn)確，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求．

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