專利名稱：數(shù)字成像系統(tǒng)及其快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于食品安全檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字成像系統(tǒng)及其快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法。
背景技術(shù)：
統(tǒng)計(jì)資料顯示，在我國農(nóng)藥中毒及其導(dǎo)致死亡的事故中，殺蟲劑約占80%左右，而在殺蟲劑中，又以有機(jī)憐農(nóng)藥為主，約占90%。殘留在水果和蔬菜上的有機(jī)憐或環(huán)境中的有機(jī)磷進(jìn)入到有機(jī)體內(nèi)，大部分會(huì)對(duì)生物體內(nèi)膽堿酯酶有抑制作用，使其失去分解乙酰膽堿的能力，造成乙酰膽堿積累，引起神經(jīng)功能紊亂，從而導(dǎo)致肌體的損害。近年來，各國政府對(duì)農(nóng)作物中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留限量的要求越來越嚴(yán)格，從而增加了檢測的難度。目前有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測方法主要有波譜法、色譜法和色質(zhì)聯(lián)用法等。近年來，世界各國的專家都加速開展快速、靈敏、準(zhǔn)確、簡便的檢測方法的研究，主要有酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器和光譜檢測技術(shù)等。
波譜法是根據(jù)有機(jī)磷農(nóng)藥中某些官能團(tuán)或水解、還原產(chǎn)物與特殊的顯色劑在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生特定波長的顏色反應(yīng)來進(jìn)行定性或定量(限量)測定。該方法一次只能測定一種或相同基團(tuán)的一類有機(jī)磷農(nóng)藥，且靈敏度不高，只能對(duì)含有各種不同有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的樣品進(jìn)行粗選，呈陽性的樣品還需要用色譜法和質(zhì)譜法等來進(jìn)行確證實(shí)驗(yàn)。色譜法是目前有機(jī)磷農(nóng)藥的最主要檢測方法，根據(jù)檢測過程中的物理化學(xué)特性又可分為薄層色譜法、氣相色譜法和液相色譜法三類。缺點(diǎn)是時(shí)間長、操作復(fù)雜，儀器昂貴，難以大面積普及推廣。色質(zhì)聯(lián)用法是一種把氣相色譜法或液相色譜法與質(zhì)譜法聯(lián)合使用的方法。該方法既具備了色譜法的高分離效能優(yōu)點(diǎn)，又具備了質(zhì)譜法準(zhǔn)確鑒定化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可同時(shí)達(dá)到定性、定量的檢測目的，特別適合于農(nóng)藥代謝物、降解物的檢測和多殘留檢測等，特別適合于多殘留分析。但由于色質(zhì)聯(lián)用儀價(jià)格昂貴，目前在農(nóng)藥殘留檢測中還未得到普遍采用。酶抑制法是基于有機(jī)磷農(nóng)藥可以抑制乙酰膽堿酯酶的活性這一原理。在無有機(jī)磷農(nóng)藥存在時(shí)，乙酰膽堿在乙酰膽堿酯酶的作用下可以產(chǎn)生膽堿和乙酸，當(dāng)有機(jī)磷農(nóng)藥存在時(shí)，乙酰膽堿酯酶的活性受到抑制，作為其分解產(chǎn)物的乙酸也相應(yīng)減少，利用這一反應(yīng)特性，根據(jù)指示劑顏色或反應(yīng)液PH值的變化，達(dá)到有機(jī)磷農(nóng)藥檢測的目的。但酶試劑易失活， 導(dǎo)致反應(yīng)不穩(wěn)定，檢測結(jié)果誤差較大，重復(fù)性差，實(shí)際應(yīng)用中的確認(rèn)率大約為60% 70%。免疫分析法是利用抗原和相應(yīng)抗體在體外也能特異性結(jié)合的原理發(fā)展起來的一類特異靈敏的檢測技術(shù)。該方法有很強(qiáng)的特異性，一種試劑盒只能檢測單一有機(jī)磷農(nóng)藥而不能檢測農(nóng)藥的多殘留，并且對(duì)結(jié)構(gòu)類似的化合物有一定程度的交叉，還存在抗原提取不易、試劑盒成本高等問題。生物傳感器技術(shù)通常是指由一種生物敏感部件與轉(zhuǎn)換器緊密配合，對(duì)特定種類化合物或生物活性物質(zhì)具有選擇和可逆響應(yīng)的分析工具。當(dāng)待測物與分子識(shí)別元件(由具有識(shí)別能力的生物功能物質(zhì)如酶、微生物、抗原和抗體等構(gòu)成)特異性地結(jié)合后，產(chǎn)生的光、熱等通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等，由檢測器經(jīng)過電子技術(shù)處理，在儀器上顯示或記錄下來，從而達(dá)到分析的目的。但目前生物傳感器技術(shù)還處在起步階段，存在穩(wěn)定性差，使用壽命短等問題。光譜分析技術(shù)是利用光與物質(zhì)的相互作用來研究分子結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性，通過獲取光的發(fā)射、吸收和散射信息可獲得與樣品相關(guān)的化學(xué)信息，這是一種簡便、快速的無損檢測技術(shù)。但是直接使用光譜分析技術(shù)進(jìn)行有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測出現(xiàn)結(jié)果不穩(wěn)定、檢測精度難以滿足定量性的要求等問題，而傳統(tǒng)的圖像處理和光譜分析均無法全面地獲取被測目標(biāo)的光譜信息和空間信息。因此，雖然有機(jī)磷農(nóng)藥殘留帶來的食品安全隱患逐漸被人們重視，但是到目前為止，還沒有一種非常方便、快速的方法對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測。該發(fā)明方法針對(duì)我國目前最常用的三種含硫有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱(分子式C9H11CL3N03PS)、樂果(分子式 C5H12N03PS2)和辛硫磷(分子式C12H15N203PS)，利用圖I所示的數(shù)字成像系統(tǒng)獲取被測果蔬的數(shù)字圖像，經(jīng)過圖像處理和數(shù)據(jù)分析，建立含硫有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的預(yù)測評(píng)估模型，從而可以快速、方便地檢測其中一種農(nóng)藥在果蔬中的殘留含量。該系統(tǒng)主要包括光源、相機(jī)和鏡頭、濾光片及濾光片回轉(zhuǎn)輪、計(jì)算機(jī)等，其中濾光片回轉(zhuǎn)輪上可安裝6枚濾光片，濾光片敏感波長的確定是利用含硫有機(jī)磷農(nóng)藥和氯化鈀可以發(fā)生顯色反應(yīng)，利用分光光度計(jì)測其溶液的吸光度來確定。該方法可以通過濾光片回轉(zhuǎn)輪切換濾光片，從而方便、快捷地檢測三種農(nóng)藥，并為進(jìn)一步制作便攜式農(nóng)藥檢測儀提供了可行的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
一種數(shù)字成像系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括光源提供子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、光學(xué)平臺(tái)；所述光源提供子系統(tǒng)包括光源控制器、光源、光纖；所述圖像采集子系統(tǒng)包括鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)；其中，所述光源控制器、光源和光纖依次連接；所述鏡頭安裝在CMOS攝像機(jī)上；所述圖像采集卡安裝在COMS攝像機(jī)里；所述COMS攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)連接。所述圖像采集子系統(tǒng)還包括濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片；所述濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片固定于光學(xué)平臺(tái)上。所述系統(tǒng)還包括暗箱；所述鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片置于暗箱內(nèi)。利用上述數(shù)字成像系統(tǒng)快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法，所述有機(jī)磷農(nóng)藥為含硫有機(jī)磷農(nóng)藥中的毒死蜱、樂果或辛硫磷，該方法包括以下步驟I)被測果蔬樣品的預(yù)處理將果蔬樣品切碎，用乙醇萃取樣品中的有機(jī)磷農(nóng)藥，用氯化鈀作為顯色劑，醋酸作助溶劑，與有機(jī)磷農(nóng)藥溶液發(fā)生顯色反應(yīng)；2)利用分光光度計(jì)確定每種有機(jī)磷農(nóng)藥溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征波長，從而選定相應(yīng)敏感波長的濾光片；3)利用權(quán)利要求I所述的數(shù)字成像系統(tǒng)和選定的濾光片得到樣品灰度值和有機(jī)磷農(nóng)藥濃度，構(gòu)建被測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥含量的預(yù)測評(píng)估模型；4)對(duì)被測樣品進(jìn)行I)所示的預(yù)處理，利用數(shù)字成像系統(tǒng)得到該樣品的圖像灰度值，與步驟4)中的預(yù)測評(píng)估模型比較，如果預(yù)測模型判斷樣品特征處于含有殘留的區(qū)間內(nèi)，則說明待測樣品中含有毒死蜱、樂果或辛硫磷，同時(shí)根據(jù)灰度值，計(jì)算毒死蜱、樂果或辛硫磷殘留的濃度；如果預(yù)測模型判斷樣品特征處于不含殘留的區(qū)間內(nèi)，則說明被測樣品不含有毒死蝶、樂果或辛硫磷。所述步驟2)中對(duì)相應(yīng)敏感波長的濾光片的確定包括如下步驟a.含硫有機(jī)磷農(nóng)藥分別選用市售40wt%的毒死蜱、樂果和辛硫磷溶液，利用可見光分光光度計(jì)分別采集的不同濃度的可見光光譜圖；b.將不同濃度的毒死蜱、樂果和辛硫磷和一定量氯化鈀醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后，利用可見光分光光度計(jì)分別采集反應(yīng)后的可見光光譜圖；c.將上述兩個(gè)步驟中得到的可見光光譜圖進(jìn)行對(duì)比，篩選出特征波長；
d.根據(jù)每種農(nóng)藥的特征波長的范圍，確定數(shù)字成像系統(tǒng)中的相應(yīng)敏感波長的濾光片;經(jīng)過顯色反應(yīng)后光譜篩選和驗(yàn)證，氯化鈀醋酸溶液與毒死蜱發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰均在420nm附近，和樂果發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰在500nm附近，與辛硫磷發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰均在510nm附近，根據(jù)儀器的分辨率以及圖像采集系統(tǒng)的精度，分別以410nm-430nm、490nm-510nm、500nm-520nm作為檢測毒死蝶、樂果、辛硫磷的濾光片的敏感波長。所述步驟3)中果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥含量的預(yù)測評(píng)估模型的建立包含如下的步驟①利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)被測樣品進(jìn)行檢測驗(yàn)證，確保所有該品種樣品中不含有毒死蜱、樂果和辛硫磷及其它有機(jī)磷農(nóng)藥殘留；②分別對(duì)樣品人工噴灑不同濃度的毒死蜱、樂果或辛硫磷農(nóng)藥，進(jìn)行步驟I)中的顯色反應(yīng)預(yù)處理，并進(jìn)行標(biāo)注；③通過CMOS攝像機(jī)和鏡頭采集該波長下的有機(jī)磷農(nóng)藥溶液圖像，利用灰度閾值分割技術(shù)，用于將所拍攝到灰度圖像轉(zhuǎn)換成為二值圖像；其具體步驟是a)選擇圖像灰度中值作為初始閾值T ；b)利用閾值T把圖像分割成兩個(gè)區(qū)域，分別計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域的灰度均值；c)對(duì)兩個(gè)灰度均值再取平均作為新閾值T ；d)重復(fù)步驟b)和c)直到新閾值與上個(gè)閾值的差小于給定值；e)根據(jù)最后得到的閾值T對(duì)圖像進(jìn)行二值化；④通過形態(tài)學(xué)方法對(duì)步驟3)所得到的二值化圖像進(jìn)一步處理，去掉圖像中燒杯邊緣的部分。使用的是開啟，即先腐蝕、再膨脹，從而得到白色的溶液部分，并取為I和黑色的背景部分，并取為O;⑤用步驟④得到的圖像與原始圖像進(jìn)行相乘，從而得到只含有有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分的灰度圖像；從而進(jìn)一步得到有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分圖像的灰度值；⑥將圖像的灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型。本發(fā)明的有益效果是檢測果蔬中常用含硫有機(jī)磷農(nóng)藥殘留時(shí)，只需要對(duì)被測樣品進(jìn)行簡單的顯色反應(yīng)預(yù)處理后，利用數(shù)字成像系統(tǒng)中的濾光片回轉(zhuǎn)輪切換濾光片，得到樣品在不同敏感波長下的數(shù)字圖像，通過分析該圖像在特征區(qū)間的特征值，用其特征值匹配預(yù)測評(píng)估模型，就可以判斷出相應(yīng)農(nóng)藥殘留是否超標(biāo)，如果有農(nóng)藥殘留會(huì)得到精度較高的估計(jì)值。全部分析過程只需要5-10分鐘，其檢測靈敏度可以達(dá)到O. 5mg/kg。


圖I為數(shù)字成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為不同濃度樂果(16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm)體系和O. 5wt%的氯化IE醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)前在450nm 700nm的吸光度光譜對(duì)照?qǐng)D。圖3為不同濃度樂果(16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm)體系和O. 5wt%的氯化鈕!醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后在450nm 700nm的吸光度光譜對(duì)照?qǐng)D。圖4 為不同濃度(16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm、0. 5ppm)下毒死蝶和 O. 5wt% 的氯化鈀醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后在400nm 700nm的吸光度光譜圖。圖5為含有不同濃度辛硫磷(16口口111、8口口111、4口口111、2口口111、]^口111、0.5口口111)體系和 O. 5 wt%的氯化鈀醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后在350nm-650nm的吸光度光譜圖。圖6為經(jīng)過預(yù)處理后的有機(jī)磷溶液原始圖像和經(jīng)過區(qū)域分割和形態(tài)學(xué)處理之后的二值化圖像。
具體實(shí)施例方式下面通過附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。如圖I所示，數(shù)字成像系統(tǒng)包括光源提供子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、光學(xué)平臺(tái)；所述光源提供子系統(tǒng)包括光源控制器、光源、光纖；所述圖像采集子系統(tǒng)包括鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)。其中，所述光源控制器、光源和光纖依次連接；所述鏡頭安裝在CMOS攝像機(jī)上；所述圖像采集卡安裝在COMS攝像機(jī)里；所述COMS攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)連接。所述圖像采集子系統(tǒng)還包括濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片；所述濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片固定于光學(xué)平臺(tái)上。所述系統(tǒng)還包括暗箱；所述鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片置于暗箱內(nèi)。實(shí)施例I(I)樣品制備將O. 5克氯化鈀固體用3ml冰醋酸溶解10分鐘，加去離子水稀釋至100ml，配制成 O. 5wt%的氯化鈕!溶液；配置濃度分別為16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、Ippm的樂果溶液各2 ml。將每個(gè)濃度的樂果溶液均勻噴灑在5個(gè)無公害綠色菠菜上,在室溫下晾干待用。(2)預(yù)處理過程取5組各IOg噴灑有不同濃度樂果溶液的菠菜樣品，將其切碎并和乙醇混合攪拌 40分鐘，取上清液5ml，并用過濾紙過濾。對(duì)5組樣品分別加入2ml配制好的氯化鈀醋酸溶液，充分震蕩后靜制5分鐘。(3)選定濾光片利用分光光度計(jì)采集其樣品加和不加氯化鈀醋酸溶液的可見光光譜信息，如圖 2-3所示。掃描譜區(qū)為300nm 900nm，光譜采集間隔為Icm-I，實(shí)驗(yàn)采用氯化鈀醋酸溶液為參比在室溫下進(jìn)行光譜采集，用相關(guān)系數(shù)法確定500nm為特征波峰，從而確定濾光片的敏感波長。
( 4 )建立預(yù)測評(píng)估模型為防止外部環(huán)境光的干擾，整個(gè)系統(tǒng)(除計(jì)算機(jī)及光源外)安置在一個(gè)封閉的光屏蔽艙內(nèi)，通過切換濾光片固定輪來切換濾光片，獲取敏感波長下的菠菜葉片的數(shù)字圖像。首先利用灰度閾值分割技術(shù)，用于將所拍攝到灰度圖像轉(zhuǎn)換成為二值圖像，然后通過形態(tài)學(xué)方法對(duì)所得到的二值化圖像進(jìn)一步處理，去掉圖像中燒杯邊緣的部分。使用的是開啟，即先腐蝕、再膨脹，從而得到白色的溶液部分，和黑色的背景部分；對(duì)得到的圖像與原始圖像進(jìn)行相乘，從而得到只含有有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分的灰度圖像；從而進(jìn)一步得到有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分圖像的灰度值；將圖像的灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型，見表I。結(jié)果樣品在所測范圍內(nèi)，其數(shù)字圖像的灰度值與樂果農(nóng)藥的濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此可以把500nm作為判斷樂果農(nóng)藥是否存在的特征波長，并可根據(jù)其灰度值作定量分析。實(shí)施例2
(I)樣品制備將O. 5克氯化鈀固體用3ml冰醋酸溶解10分鐘，加去離子水稀釋至100ml，配制成
O.5wt%的氯化鈕!溶液；配置濃度分別為16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm、0. 5 ppm的毒死蝶溶液各2 ml。將每個(gè)濃度的毒死蜱溶液均勻噴灑在6個(gè)無公害綠色菠菜上，在室溫下晾干待用。(2)預(yù)處理過程取6組各IOg噴灑有不同濃度毒死蜱溶液的菠菜樣品，將其切碎并和乙醇混合攪拌40分鐘，取上清液5ml，并用過濾紙過濾。對(duì)6組樣品分別加入2ml配制好的氯化鈀醋酸溶液，充分震蕩后靜制5分鐘。(3)選定濾光片利用分光光度計(jì)采集其樣品加和不加氯化鈀醋酸溶液的可見光光譜信息。掃描譜區(qū)為300nm 900nm，光譜采集間隔為lcm-1，實(shí)驗(yàn)采用氯化鈀醋酸溶液為參比在室溫下進(jìn)行光譜采集，用相關(guān)系數(shù)法確定500nm為特征波峰，從而確定濾光片的敏感波長。如圖4為不同濃度(16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm、0. 5ppm)下毒死蝶和O. 5wt%的氯化IE醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后在400nm 700nm的吸光度光譜圖( 4 )建立預(yù)測評(píng)估模型為防止外部環(huán)境光的干擾，整個(gè)系統(tǒng)(除計(jì)算機(jī)及光源外)安置在一個(gè)封閉的光屏蔽艙內(nèi)，通過切換濾光片固定輪來切換濾光片，獲取敏感波長下的菠菜葉片的數(shù)字圖像。首先利用灰度閾值分割技術(shù)，用于將所拍攝到灰度圖像轉(zhuǎn)換成為二值圖像，然后通過形態(tài)學(xué)方法對(duì)所得到的二值化圖像進(jìn)一步處理，去掉圖像中燒杯邊緣的部分。使用的是開啟，即先腐蝕、再膨脹，從而得到白色的溶液部分，和黑色的背景部分；對(duì)得到的圖像與原始圖像進(jìn)行相乘，從而得到只含有有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分的灰度圖像；從而進(jìn)一步得到有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分圖像的灰度值；將圖像的灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型，見表I。結(jié)果
樣品在所測范圍內(nèi)，其數(shù)字圖像的灰度值與毒死蜱農(nóng)藥的濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此可以把420nm作為判斷毒死蜱農(nóng)藥是否存在的特征波長，并可根據(jù)其灰度值作定量分析。實(shí)施例3(I)樣品制備將O. 5克氯化鈀固體用3ml冰醋酸溶解10分鐘，加去離子水稀釋至100ml，配制成 O. 5wt%的氯化鈕!溶液；配置濃度分別為16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm、0. 5 ppm的辛硫磷溶液各2 ml。將每個(gè)濃度的辛硫磷溶液均勻噴灑在6個(gè)無公害綠色菠菜上，在室溫下晾干待用。(2)預(yù)處理過程 取6組各IOg噴灑有不同濃度辛硫磷溶液的菠菜樣品，將其切碎并和乙醇混合攪拌40分鐘，取上清液5ml，并用過濾紙過濾。對(duì)6組樣品分別加入2ml配制好的氯化鈀醋酸溶液，充分震蕩后靜制5分鐘。(3)選定濾光片利用分光光度計(jì)采集其樣品加和不加氯化鈀醋酸溶液的可見光光譜信息。掃描譜區(qū)為300nm 900nm，光譜采集間隔為Icm-I，實(shí)驗(yàn)采用氯化鈀醋酸溶液為參比在室溫下進(jìn)行光譜采集，用相關(guān)系數(shù)法確定500nm為特征波峰，從而確定濾光片的敏感波長。圖5為含有不同濃度辛硫磷(16ppm、8ppm、4ppm、2ppm、lppm、0. 5ppm)體系和O. 5wt%的氯化IE醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后在350nm-650nm的吸光度光譜圖。(4)建立預(yù)測評(píng)估模型為防止外部環(huán)境光的干擾，整個(gè)系統(tǒng)(除計(jì)算機(jī)及光源外)安置在一個(gè)封閉的光屏蔽艙內(nèi)，通過切換濾光片固定輪來切換濾光片，獲取敏感波長下的菠菜葉片的數(shù)字圖像。首先利用灰度閾值分割技術(shù)，用于將所拍攝到灰度圖像轉(zhuǎn)換成為二值圖像，然后通過形態(tài)學(xué)方法對(duì)所得到的二值化圖像進(jìn)一步處理，去掉圖像中燒杯邊緣的部分。使用的是開啟，即先腐蝕、再膨脹，從而得到白色的溶液部分，和黑色的背景部分；對(duì)得到的圖像與原始圖像進(jìn)行相乘，從而得到只含有有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分的灰度圖像；從而進(jìn)一步得到有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分圖像的灰度值；將圖像的灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型，見表I。結(jié)果樣品在所測范圍內(nèi)，其數(shù)字圖像的灰度值與辛硫磷農(nóng)藥的濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此可以把510nm作為判斷辛硫磷農(nóng)藥是否存在的特征波長，并可根據(jù)其灰度值作定量分析。表I三種農(nóng)藥的一元回歸模型及相關(guān)系數(shù)的平方值
農(nóng)藥種類fmm[HWWm
一元回歸模型y=-O. 6901-0. 0528x420 y=2. 8197-0. 1026x500y=0. 7874+0. 0337x510
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括光源提供子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、 光學(xué)平臺(tái)；所述光源提供子系統(tǒng)包括光源控制器、光源、光纖；所述圖像采集子系統(tǒng)包括鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)；其中，所述光源控制器、光源和光纖依次連接；所述鏡頭安裝在CMOS攝像機(jī)上；所述圖像采集卡安裝在COMS攝像機(jī)里；所述COMS攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集子系統(tǒng)還包括濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片；所述濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片固定于光學(xué)平臺(tái)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的一種數(shù)字成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括暗箱； 所述鏡頭、CMOS攝像機(jī)、圖像采集卡、濾光片回轉(zhuǎn)輪和濾光片置于暗箱內(nèi)。
4.利用權(quán)利要求I所述的數(shù)字成像系統(tǒng)快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法，所述有機(jī)磷農(nóng)藥為含硫有機(jī)磷農(nóng)藥中的毒死蜱、樂果或辛硫磷，其特征在于，該方法包括以下步驟1)被測果蔬樣品的預(yù)處理將果蔬樣品切碎，用乙醇萃取樣品中的有機(jī)磷農(nóng)藥，用氯化鈀作為顯色劑，醋酸作助溶劑，與有機(jī)磷農(nóng)藥溶液發(fā)生顯色反應(yīng)；2)利用分光光度計(jì)確定每種有機(jī)磷農(nóng)藥溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征波長，從而選定相應(yīng)敏感波長的濾光片；3)利用權(quán)利要求I所述的數(shù)字成像系統(tǒng)和選定的濾光片得到樣品灰度值和有機(jī)磷農(nóng)藥濃度，構(gòu)建被測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥含量的預(yù)測評(píng)估模型；4)對(duì)被測樣品進(jìn)行I)所示的預(yù)處理，利用數(shù)字成像系統(tǒng)得到該樣品的圖像灰度值，與步驟4)中的預(yù)測評(píng)估模型比較，如果預(yù)測模型判斷樣品特征處于含有殘留的區(qū)間內(nèi)，則說明待測樣品中含有毒死蜱、樂果或辛硫磷，同時(shí)根據(jù)灰度值，計(jì)算毒死蜱、樂果或辛硫磷殘留的濃度；如果預(yù)測模型判斷樣品特征處于不含殘留的區(qū)間內(nèi)，則說明被測樣品不含有毒死蜱、樂果或辛硫磷。
5.權(quán)利要求4所述的利用數(shù)字成像系統(tǒng)快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法，其特征在于，所述步驟2)中對(duì)相應(yīng)敏感波長的濾光片的確定包括如下步驟a.含硫有機(jī)磷農(nóng)藥分別選用市售40wt%的毒死蜱、樂果和辛硫磷溶液，利用可見光分光光度計(jì)分別采集的不同濃度的可見光光譜圖；b.將不同濃度的毒死蜱、樂果和辛硫磷和一定量氯化鈀醋酸溶液發(fā)生顯色反應(yīng)后，利用可見光分光光度計(jì)分別采集反應(yīng)后的可見光光譜圖；c.將上述兩個(gè)步驟中得到的可見光光譜圖進(jìn)行對(duì)比，篩選出特征波長；d.根據(jù)每種農(nóng)藥的特征波長的范圍，確定數(shù)字成像系統(tǒng)中的相應(yīng)敏感波長的濾光片;經(jīng)過顯色反應(yīng)后光譜篩選和驗(yàn)證，氯化鈀醋酸溶液與毒死蜱發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰均在420nm附近，和樂果發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰在500nm附近，與辛硫磷發(fā)生顯色反應(yīng)后的特征吸收峰均在510nm附近，根據(jù)儀器的分辨率以及圖像采集系統(tǒng)的精度，分別以410nm-430nm、490nm-510nm、500nm-520nm作為檢測毒死蝶、樂果、辛硫磷的濾光片的敏感波長。
6.權(quán)利要求4所述的利用數(shù)字成像系統(tǒng)快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法，其特征在于，所述步驟3)中果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥含量的預(yù)測評(píng)估模型的建立包含如下的步驟①利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)被測樣品進(jìn)行檢測驗(yàn)證，確保所有該品種樣品中不含有毒死蜱、樂果和辛硫磷及其它有機(jī)磷農(nóng)藥殘留；②分別對(duì)樣品人工噴灑不同濃度的毒死蜱、樂果或辛硫磷農(nóng)藥，進(jìn)行步驟I)中的顯色反應(yīng)預(yù)處理,并進(jìn)行標(biāo)注；③通過CMOS攝像機(jī)和鏡頭采集該波長下的有機(jī)磷農(nóng)藥溶液圖像，利用灰度閾值分割技術(shù)，用于將所拍攝到灰度圖像轉(zhuǎn)換成為二值圖像；其具體步驟是a)選擇圖像灰度中值作為初始閾值T；b)利用閾值T把圖像分割成兩個(gè)區(qū)域，分別計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域的灰度均值；c)對(duì)兩個(gè)灰度均值再取平均作為新閾值T；d)重復(fù)步驟b)和c)直到新閾值與上個(gè)閾值的差小于給定值； e)根據(jù)最后得到的閾值T對(duì)圖像進(jìn)行二值化；④通過形態(tài)學(xué)方法對(duì)步驟3)所得到的二值化圖像進(jìn)一步處理，去掉圖像中燒杯邊緣的部分。使用的是開啟，即先腐蝕、再膨脹，從而得到白色的溶液部分，并取為I和黑色的背景部分，并取為O ;⑤用步驟④得到的圖像與原始圖像進(jìn)行相乘，從而得到只含有有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分的灰度圖像；從而進(jìn)一步得到有機(jī)磷農(nóng)藥溶液部分圖像的灰度值；⑥將圖像的灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于食品安全檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種數(shù)字成像系統(tǒng)及其快速檢測果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的方法。此種數(shù)字成像系統(tǒng)包括光源提供子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、光學(xué)平臺(tái)。利用數(shù)字成像系統(tǒng)構(gòu)建圖像灰度值作為因變量，樣本濃度作為自變量構(gòu)建一元線性回歸模型，檢測時(shí)，只需要對(duì)被測樣品進(jìn)行簡單的顯色反應(yīng)預(yù)處理后，利用數(shù)字成像系統(tǒng)中得到樣品在不同敏感波長下的數(shù)字圖像，通過分析該圖像的灰度值，用其匹配預(yù)測評(píng)估模型，就可以判斷出相應(yīng)農(nóng)藥殘留是否超標(biāo)，如果有農(nóng)藥殘留會(huì)得到精度較高的估計(jì)值。全部分析過程只需要5-10分鐘，其檢測靈敏度可以達(dá)到0.5mg/kg。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102692388SQ20121020375
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者夏錦聞, 孫明, 李文, 李民贊 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)