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基于光电技术的农药残留快速检测与降解的关键技术研究

申报人：巫家航 申报日期：2025-01-09

基本情况

2025年批次
基于光电技术的农药残留快速检测与降解的关键技术研究 学生申报
创新训练项目
理学
物理学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
随着农业的快速发展，农药的广泛使用导致农药残留问题日益严重。本项目设计并开发一种快速检测、高效降解、智能控制于一体的光电检测系统，该系统基于紫外光降解和光电转换原理，通过设计LED光源，使农药残留降解效率最佳，同时利用光电检测系统和智能控制端实时监测农药残留浓度的变化，实现快速检测。此光电检测系统在食品安全领域有实际应用价值，为保障食品质量安全、推动农业可持续发展提供参考。
1.Sb2Te3化合物的合成与输运性能调控（202410596487 ）
2.申请发明专利名为：一种基于金的超表面太阳能光热转换器（专利号为：202411814670.7），负责人为第二发明人（第一为老师） 
本项目指导老师主要研究图像分析、理解与识别；图像信息隐写与分析取证，并且主持国家自然科学基金项目1项；主持省部级项目2项；主持广西重点实验室项目1项；主持校级项目3项；参与国家自然科学基金项目3项。主持校级教改项目2项，参与教育部光电教指分委教改项目2项，参与校级教改项目2项。
本课题是指导教师的主要研究方向，指导教师非常支持本项目的开展，并将在理论和实验上予以详细指导，以及在经费上予以必要支持。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
巫家航 物理与电子信息工程学院 光电信息科学与工程 2022 光学系统的设计与优化
冯铭湄 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2022 电路设计与信号处理
韩思雪 物理与电子信息工程学院 通信工程 2023 系统封装与机械结构设计
张珊停 物理与电子信息工程学院 光电信息科学与工程 2024 系统测试与性能评估
钱尼华 物理与电子信息工程学院 光电信息科学与工程 2022 光学探测器研发与集成

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
顾慈勇 物理与电子信息工程学院 否
卢佩 计算机科学与工程学院 否

立项依据

随着全球农业的快速发展，农药的广泛使用导致农药残留问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。本项目旨在研发一种高效、环保、智能化的农药降解系统，通过紫外光降解和光电转换技术的有机结合，实现对农药残留的快速、精准检测和有效降解。一方面，致力于将农药残留浓度降低至安全标准以下，确保农产品的质量安全，保障消费者的健康权益；另一方面，减少农药残留对土壤、水体和空气的污染，促进农业生态环境的可持续发展，为解决农药残留问题提供切实可行的技术方案。
1. 紫外光源装置优化
我们对紫外灯光源模块进行了优化，选取了适宜波长的紫外光源，并调整了光源功率以提高降解效率和稳定性，确保了紫外光照射对农药残留的有效降解。此外，我们设计并优化了紫外光照射装置的结构，包括光源模块、样品池和定时控制开关，以增强操作的便捷性和装置的稳定性，同时确保了紫外光照射的均匀性，提高了农药残留降解的一致性和有效性。
2. 光电转换检测模块研发
2.1.紫外-可见吸收光谱基本理论
当光波与原子、离子或分子作用时，光子和它们之间就会存在碰撞，光子的能量可以在一非连续的过程被接受体吸收，由此产生吸收光谱。具体包括紫外-可见吸收光谱、原子吸收光谱、 红外吸收光谱等。紫外-可见吸收光谱是基于分子轨道中电子跃迁而产生，对于一个分子， 其总能量主要包括分子转动能量、原子振动能量以及电子运动能等，可用下式表示：
E总 ≈ E振动+E转动+E电子（1）
式中E振动、E转动、E电子三种能量的变化均为量子化，双原子分子的能级示意图如图1.1所示。
图1.1双原子分子的能级示意图（A、B为电子能级）
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根据图1.1可知，电子能级中包含振动能级，而振动能级中又包含转动能级。由量子理论知，若分子的能量和其较高与较低能级间能量差相等，则分子被电磁辐射时，该分子吸收辐射能量，形成吸收光谱：
ΔE = E2 - E1 = ΔE振动 + ΔE转动+ΔE电子=hv
2.2.朗伯-比尔吸收定律
光的吸收定律， 是研究光吸收的最基本定律， 主要包括两条定律： 第一条定律为波格（Bouguer）于 1729 年以及朗伯（Lamert）于 1768 年先后发现，一般称为朗伯定律；第二条定 律是比尔（Beer）在 1852 年提出的，称为比尔定律，这两条定律合成朗伯-比尔定律。如图 1.2 所示，当平行单色光照射到气体或液体等均匀介质时，存在三种情况：透过介质、 被介质反射和吸收，而入射光被介质吸收的程度、介质厚度 l 和介质浓度 c 之间存在以下关系 ：A= lg I0 / I = kcl 式中，A 表示吸光度，I0 表示入射光强度，I 表示透射光强度，k 表示吸光系数，上式称之为朗伯-比尔定律表达式。

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图 1.2 光通过均匀介质示意图
吸光度具有加和性，如果溶液中含有多种对光产生吸收的物质，那么该溶液对该波长入射 光总吸光度应该等于溶液中每一成分的吸光度之和，具体分析如下：设相同厚度的不同溶液的 吸光度分别为 A1 ，A2 ， … ，An ，则：
即若干相同厚度不同介质的总吸光度等于各个分层介质吸光度之和：
A = lg = A1 +A2 +…+An
筛选适合农药残留检测的特定波长光源，优化光路设计，提高光传输效率和稳定性。选用高灵敏度的光电转换器件，如光电倍增管或高性能光电二极管，降低检测限，提高检测灵敏度；设计精密的信号调理电路，对光电转换后的微弱电信号进行放大、滤波和模数转换，确保信号的准确性和稳定性。开展大量实验，建立不同农药种类和浓度与光电检测信号之间的数据库，运用数据处理算法实现对农药残留浓度的精确计算和实时监测。
3. 数据处理与智能控制系统开发
基于微控制器或嵌入式系统平台，搭建数据处理与控制系统的硬件架构。开发高效的数据采集、传输和存储模块，确保系统能够实时获取和处理光电检测信号以及其他传感器数据。运用先进的算法，如机器学习算法、模糊逻辑控制算法等，建立农药降解过程的动态模型，实现对降解过程的智能控制。根据实时监测的农药残留浓度和反应条件，自动调整臭氧发生器的输出功率、反应时间、搅拌速度等参数，优化降解效果，提高系统的智能化程度和自适应能力。
4. 农药降解反应机理与动力学研究
深入研究紫外光与不同类型农药分子的化学反应机理，确定反应的活性位点和主要反应路径。分析降解过程中的中间产物和最终产物，评估其环境安全性和生物毒性。建立农药降解的动力学模型，研究反应速率与农药浓度、紫外光强度、温度、pH值等因素之间的关系。通过实验数据拟合和理论分析，确定反应的级数、速率常数和活化能等动力学参数，为系统的优化设计和实际应用提供理论指导。
5. 系统集成与性能测试评估
将紫外光发生装置、反应容器、光电转换检测模块、数据处理与控制系统等进行有机集成，优化系统布局和连接方式，确保各模块之间协同工作稳定可靠。制定全面的性能测试方案，对系统的农药残留检测精度、降解效率、稳定性、重复性等性能指标进行系统测试。在不同农药种类、浓度、反应条件下进行实验，评估系统的适用性和可靠性。与现有农药降解技术和产品进行对比分析，突出本系统的优势和特色。 
  法国20世纪初期臭氧首次被应用于给水消毒，应用广泛。国外对臭氧降解药物残留进行了相应实验，Ong KC等对谷硫磷、盐酸抗螨脒等进行实验，研究结果表明，都能实现降解效果，同时降解也会随着PH值以及温度增加而提高。Chiron S等用臭氧实现虫螨磷的降解，并结合气相以及液相-质谱方法分析降解后相应成分。Chelme-AyalaP 等用臭氧以及过氧化氢来降解水中溴草腈和氟乐灵，实验结果表明如果单独使用臭氧降解，其降解率低于50%，过氧化氢结合后在其降解率会超过60%。另外还有人对臭氧结合其他降解技术进行不同药物降解实验的研究，并对比分析不同降解方法降解的效果。Chang C N等人研究了臭氧氧化工艺对丙烯腈和苯乙烯的预处理，Cataldo等人对臭氧分解甲微毒素和食物污染进行了研究，Valsania M C等人对臭氧处理中甲酚降解的研究，Poznyak T等人,研究臭氧对水酚和氯化酚的降解。Beltrán等人研究了臭氧在水中的化学降解。
国内也有人对此做了深入的实验研究。杨学昌等人用高浓度臭氧来处理果蔬中的农药残留。伍小红等人研究对象是有机磷农药，研究表明利用浓度为1.17 mg/L的臭氧水可以降解有机磷农药。刘超等人介绍了氧化技术对多类代表性的农药的降解效能、降解效率等内容。王琼等人研究臭氧水处在不同浓度、不同处理时间、不同PH以及不同处理方式对哈密瓜中4种残留农药（马拉硫磷、毒死蜱、高效氯氰菊酯和百菌清）降解效果，研究结果表明哈密瓜当中4种农药的降解率会随着臭氧浓度的增加、浸泡时间延长均有不同程度的提高，臭氧水动态处理30 min效果是最佳，马拉硫磷、毒死蜱、高效氯氰菊酯、百菌清4种农药的降解率分别为90.87%、85.62%、78.31%和85.26%。韩辉锁对臭氧催化氧化处理高浓度农药废水的理论研究，林国峰等人实现臭氧联合过氧化氢降解水中甲基托布津研究，陈立新等人研究臭氧对蔬菜水果中农残的降解，徐维微研究了臭氧处理对草莓果实中多菌灵、百菌清的降解及品质的影响，袁爱华实现对臭氧化降解水中啶虫脒的研究，徐慧等人对臭氧降解8种蔬菜中农药残留研究，申元丽等人研究臭氧氧化降解。
除草剂草甘膦，沈吉敏等人研究了臭氧化去除水中敌敌畏效能及机理，吕微等人对臭氧降解蔬菜残留有机磷农药的效果研究，孟娟等人对臭氧降解氧化乐果效果研究，刘芳 等人通过臭氧对有机磷农药残留降解效果及检测方法的研究。
紫外线消毒是一种新兴的消毒工艺。紫外线消毒有明显杀菌作用，紫外设备占地面积小，操作十分简单，重要的是无二次污染。紫外线消毒安全性高。但是对于紫外线消毒是否成功，没有直接计量，因此耗能高。Zaleska A等人采用UV/TiCVOs技术对水溶液中林丹、DDT与甲氧氯三种有机氯农药光降解进行实验研究，实验结果表明在150分钟之内它们的降解率分别为50%、85%和99%。Nieto LM等人采用紫外光对初榨橄榄油当中农药残留进行降解实验，证实紫外光是一种在不损害橄榄油品质的同时能达到有效降解农药的方法，另外根据降解时间与温度不同，降解率范围：7%～80%。Jay L等人研究了反应条件对UV/TiO2光催化降解苯酚的影响。Hora P I等人实现紫外光照射下部分硝化废水中药物化合物的光降解。Fu Y S等人通过UV/H2O2在水中光化学降解三氯生。 Chowdhury M I H 等人以氧化锌为催化剂，在紫外光作用下甲橙光催化降解。刘新社等 通过利用紫外线照射水果表面从而使水果中的农药残留发生降解。丁春生等人利用紫外光降解饮用水中三氯乙腈的研究，杜斌对紫外光降解水中磷酰基乙酸的特性研究，顾雍 等人紫外光光降解水中的四溴双酚，屠灏然对光催化降解染料废水研究，卢海青等人对苹果汁中展青霉素的紫外降解效果及动力学研究。
  上世纪50年代中，典型优先污染物检测分析方法主要有比色法、生物检测法以及化学法等，这些检测方法在检测农药类型范围较窄、灵敏度不高等缺点;直到60年代，色谱法在典型优先污染物分析当中得到广泛的应用；80年代以后，用液相色谱法特别是高效液相色谱对典型优先污染物的检测技术取得进一步的发展。目前来说，国际上被用来检测典型优先污染物的方法主要有色谱法、质谱法、免疫分析法、酶抑制法、生物传感器法、直接光谱分析法等。
（1）直接光谱法。基于物质的光谱特性，就可以实现定性定量检测，例如荧光光谱、紫外吸收光谱、傅里叶变换红外光谱等，用光谱几乎涵盖整个电磁波段。直接光谱法测量步骤简单，只需要极少量的样品，就能实现污染物的检测。拉曼光谱分析法具有易于得到全波段振动光谱和高的表面检测灵敏度等优点，典型优先污染物检测上得到了广泛应用。
（2）色谱法。利用混合物当中各组分保留作用的不同产生差速迁移从而使混合物得到分离的一种物理化学方法。主要有以下几种，气相色谱，高效液相色谱，色谱-质谱联用，超临界流体色谱等方法。色谱法是污染物监测当中比较经典以及常用的方法，具有灵敏度高、准确性好的优点，但是各种色谱设备主要依靠进口，价格十分昂贵，样品的预处理较为复杂，难度较高，不易推广。
（3）免疫分析法。免疫分析法具有实时检测、成本低、灵敏度高等优点。该方法具有安全可靠、方便快捷、分析成本低、灵敏度高、适于现场测定等优点。
（4）酶分析法。大部分是利用有机磷对乙酸胆碱酯酶的活性有抑制作用的原理，通过测定吸光度的大小或者颜色的变化用来反映抑制率的大小，来判断污染物是否超标。 
1. 环保优势
紫外光降解农药残留过程中不会产生如化学氧化法中出现的有害副产物，也无需像使用化学药物处理时担心药剂残留，符合绿色环保的发展理念，有效避免了传统降解方法可能带来的二次污染问题；系统的高效降解能力能够显著减少农药残留对土壤、水体和空气的污染，促进农业生态环境的良性循环，为农业可持续发展提供有力保障。
2. 实时监测和控制
光电转化模块通过光纤传感器能够对食品加工过程中的温度、湿度、气体浓度等关键参数进行实时监测和控制。这种实时监测能力对于确保食品安全和质量至关重要，尤其是在农药残留检测中，能够及时识别和控制潜在的风险，做出判断。
3. 高灵敏度和快速检测
紫外-可见光谱技术以其检测灵敏度、准确性高的特点，在农药残留检测中展现出优势，但局限于实验室。光电转化模块可以利用这一技术，通过光电转化系统，将光谱对待测物的响应特性转变为电信号的变化，从而反映农药残留量浓度随时间的变化规律，使得检测更加灵敏和迅速。
4. 无损检测
基于光电转化模块的检测技术能够进行无损的农药残留检测，这对于保持食品的完整性和减少检测过程中的损耗具有重要意义。
5. 便携性和操作简便
利用光电转化模块开发的便携式农药残留检测系统操作简单，专业性要求低，更具普适性。这使得检测工作可以在更广泛的场合进行，不仅限于实验室环境。


5.1技术路线图：本项目的技术路线如下图所示 
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5.2拟解决的问题
探索紫外光对农药降解后，分别利用相应紫外-可见光谱技术和光电检测系统探究快速检测茶汤中农药残留的机制。攻克产生紫外光的技术难题，提高紫外光产生效率，降低能耗，解决紫外光强度不稳定等问题，确保系统在长时间运行过程中的稳定性和可靠性；优化光电转换检测模块的性能，提高检测灵敏度和抗干扰能力，解决检测信号漂移、背景噪声干扰等问题，实现对农药残留浓度的高精度、实时监测；完善智能控制算法，提高系统对复杂农药残留情况和变化环境的适应性，实现精准、高效的降解控制，克服传统控制方法的局限性；解决系统集成过程中的兼容性问题，确保各模块之间无缝对接、协同工作，提高系统的整体性能和稳定性。

5.3预期成果
1.探索紫外线对农药的降解作用，阐明降解原理；
2. 设计和搭建基于光电技术的农药残留快速检测与降解关键技术研究的系统，各项性能指标达到预期目标，系统稳定性和可靠性满足实际应用需求。
2.明确紫外光对农药降解的影响规律和作用机制，建立完善的农药降解动力学模型和智能控制算法模型。
3.通过设计系统实现农药降解和检测优化；
4.申请专利1项，发表学术论文1-2篇。
 
第一阶段（2025年1月-2025年2月）
完成文献调研和技术方案设计，组织团队成员进行深入讨论和专家论证，确定系统的整体架构、技术路线和关键技术参数；按照采购清单，完成设备和材料的采购工作，搭建实验平台，包括LED光源、反应容器、光电转换检测模块的硬件组装和初步调试；开发数据处理与控制系统的基本框架，实现数据采集、传输和简单处理功能，建立初步的人机交互界面。
第二阶段（2025年3月-2025年6月）
对紫外灯光源模块进行了优化，选取了适宜波长的紫外光源，并调整了光源功率以提高降解效率和稳定性，确保了紫外光照射对农药残留的有效降解。此外，还需设计并优化了紫外光照射装置的结构，包括光源模块、样品池和定时控制开关，以增强操作的便捷性和装置的稳定性，同时确保了紫外光照射的均匀性，提高了农药残留降解的一致性和有效性；完善光电转换检测模块，进行光路优化、光电转换器件性能测试和信号调理电路调试，建立农药残留浓度与光电信号之间的定量关系模型，开展标定和校准实验，提高检测精度。
完成数据处理与控制系统的算法开发和集成，实现对降解过程的初步智能控制，包括根据实时监测数据自动调整臭氧发生器输出功率和反应时间等基本功能；进行系统集成和初步测试，对整体性能进行评估，分析存在的问题并进行针对性改进，确保各模块之间协同工作基本正常。
第三阶段（2025年7月-2025年10月）
进一步优化系统性能，针对不同类型、不同浓度的农药进行大量降解实验，优化降解参数，提高降解效率和普适性，建立农药种类与降解效果之间的数据库；开展系统稳定性和可靠性测试，进行长时间连续运行实验，模拟实际应用场景中的各种工况，检测系统在不同环境条件下的性能变化，确保系统在实际应用中的稳定性和可靠性；完善系统的显示与通信功能，实现远程监控、数据传输和存储功能，开发手机APP或上位机软件，方便用户实时查看系统运行状态和数据；整理实验数据，撰写学术论文，准备专利申请材料，总结研究成果，与相关领域专家进行交流和研讨，进一步提升研究水平。
第四阶段（2025年11月-2026年2月）
对系统进行全面优化和性能评估，与现有同类产品进行对比分析，从技术指标、经济成本、操作便利性等方面突出本系统的优势，形成详细的性能评估报告；制作项目成果展示资料，包括宣传册、演示视频、技术报告等，为项目推广和产业化做准备，积极寻求与企业合作，推动技术成果转化；总结项目研究成果，撰写项目结题报告，申请项目验收，整理项目文档和资料，归档保存。 
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
紫外-可见光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、光电传感器系统的设计经验以及在食品安全领域的应用分析经验能更好地分析紫外光对各种物质降解过程；光纤传感技术、基于压缩感知的联合变换相关图像识别研究、光学处理技术融合压缩感知的数字图像加密研究有利于开发手机客户端对降解物质实时监控；待测无紫外-可见吸收光谱的确定对光源的选取，为本项目提供更好技术支持。

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
紫外光降解技术相对成熟，其降解效率高，能有效分解多种有机和无机污染物，相关原理和反应机制也已被深入研究。学校有基础实验设施，市场上有多种规格和类型的LED光源、反应器等设备可供选择，包括不同的形状、光源强度等参数，能满足不同规模场景的需求。
紫外光制备设备、配套设施及运行能耗成本较低。同时，探索紫外光与其他处理技术的联合应用，减少臭氧使用量；紫外光辐射强、易老化，对人体健康和环境有潜在危害，需要特殊的安全防护和监测设备。可以完善安全操作规程和标准，对操作人员进行专业培训，配备个人防护用品和定期更换LED光源。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 论文出版、仪器设备购置费、实验装置试制费、材料费 3800.00 6200.00
1. 业务费 5000.00 无 0.00 5000.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 5000.00 无 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 2000.00 无 1500.00 500.00
3. 实验装置试制费 2000.00 无 1500.00 500.00
4. 材料费 1000.00 无 800.00 200.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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