基于智能手機(jī)拍照的免疫層析快速檢測系統(tǒng) 中國農(nóng)科院質(zhì)標(biāo)所供圖
6月下旬的一天，曹振博士接到一家日本公司的來電，要就他們團(tuán)隊所研發(fā)的“5分鐘檢測殘留農(nóng)藥的AI系統(tǒng)”展開合作。
這套系統(tǒng)被稱為基于圖像識別的污染物快速檢測智能識別系統(tǒng)（以下簡稱識別系統(tǒng)），將傳統(tǒng)免疫層析技術(shù)結(jié)合上人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。像使用驗孕試紙那樣簡單，檢測時，將免疫層析試紙條插入被測樣品液體，靜置層析5分鐘后用手機(jī)微信小程序拍照識別，就能立刻在手機(jī)上看到多種農(nóng)藥殘留的檢測結(jié)果，檢測數(shù)據(jù)還可實時上傳分享。
跨國外企伸出橄欖枝，讓曹振感到驚喜的同時也有一些對技術(shù)保密的擔(dān)憂。所幸的是，他們已經(jīng)在國內(nèi)外布局了知識產(chǎn)權(quán)申請。
在團(tuán)隊首席科學(xué)家王靜的帶領(lǐng)下，曹振所在的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所（以下簡稱質(zhì)標(biāo)所）農(nóng)業(yè)化學(xué)污染物殘留檢測及行為研究創(chuàng)新團(tuán)隊，十多年前就認(rèn)準(zhǔn)了這個研究目標(biāo)。該項成果是在國家技術(shù)發(fā)明二等獎“農(nóng)產(chǎn)品中典型化學(xué)污染物精準(zhǔn)識別與檢測關(guān)鍵技術(shù)”研究基礎(chǔ)上的再一次突破。
“老大媽手里的彈簧秤”
吡蟲啉、克百威、腐霉利、多菌靈……常用農(nóng)藥殘留到底有多少？蔬菜貨架期短，如何快速檢測？
“在我國，農(nóng)藥殘留是社會關(guān)注度最高的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題?！蓖蹯o說。
我國仍有2億多小農(nóng)戶，集約化程度相對低、規(guī)模小而散、市場監(jiān)管難度大，對農(nóng)殘檢測時效性要求高，因此快檢技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)在我國具有特殊的現(xiàn)實意義。
如今，王靜團(tuán)隊研發(fā)的檢測系統(tǒng)能在幾分鐘之內(nèi)智能判斷農(nóng)藥殘留，解決了上述難題。
通過手機(jī)拍照智能化判讀試紙條檢測結(jié)果的解決方案，源于多年前團(tuán)隊的構(gòu)想，王靜說：“快速檢測智能化、便民化是大趨勢?！?/p>
王靜說，農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)是實施《中華人民共和國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》的需要；是政府實施風(fēng)險排查、科學(xué)監(jiān)管的有效技術(shù)手段；也是第一時間發(fā)現(xiàn)問題，企業(yè)保證產(chǎn)品安全自檢的需要；更是消費者參與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全共治的需要。
要滿足上述需求，必須打造出快速簡單、經(jīng)濟(jì)實惠、便民化的技術(shù)。中國農(nóng)科院的項目總指揮把這個目標(biāo)定為：像買菜時防止缺斤短兩“老大媽手里的彈簧秤”一樣方便。
兩大難關(guān)：免疫層析試紙+環(huán)境光可拍攝
這把彈簧秤可不容易做。
目前國際上使用手機(jī)拍照判讀試紙條，通常是在暗室中和固定光源條件下進(jìn)行。因為不同光強(qiáng)條件下獲取的圖片明暗程度不同，消除不同光強(qiáng)背景干擾是主要技術(shù)瓶頸。
世界上已經(jīng)有幾家公司推出了使用手機(jī)拍照的試紙條讀取裝置，主要是醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的。其中最先進(jìn)的一款，可以在環(huán)境光條件下讀取試紙條。但這項技術(shù)需拍照兩次：先拍條形碼識別試紙條信息，再拍試紙條上的檢測結(jié)果，且每次只能檢測一種物質(zhì)，是一種單通道檢測。目前，市場上還沒有成熟的免疫層析試紙條讀取裝置可用于環(huán)境光條件下農(nóng)藥多殘留檢測。
過去十多年，王靜團(tuán)隊潛心研究農(nóng)產(chǎn)品中典型化學(xué)污染物精準(zhǔn)識別與檢測關(guān)鍵技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗，儲備了一系列技術(shù)及產(chǎn)品。這套最新技術(shù)采用特異性抗體進(jìn)行識別與檢測，為識別系統(tǒng)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
王靜告訴《中國科學(xué)報》，農(nóng)藥屬于小分子化合物，特異性識別農(nóng)藥分子的抗體難以制備。這是農(nóng)藥小分子免疫試紙難做的主要原因。
我國允許使用的農(nóng)藥已有710種，其中化學(xué)農(nóng)藥達(dá)500多種，制備免疫層析試紙條需要開發(fā)針對每種或每類農(nóng)藥的特異性抗體，化學(xué)農(nóng)藥大多分子量小、抗原性和免疫原性差，需對其進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)改造后，再連接在大分子上制備出人工抗原，才能免疫動物產(chǎn)生特異性抗體。
“針對每一個農(nóng)藥開發(fā)其抗體，幾乎都包含分子結(jié)構(gòu)改造、有機(jī)化學(xué)合成、免疫學(xué)的系統(tǒng)創(chuàng)新研究，需要大量研究積累?！蓖蹯o說。
另一方面，在智能識別方面要突破不同環(huán)境光干擾的技術(shù)難題。
王靜團(tuán)隊研發(fā)的多通道試紙條搭載平臺和AI圖像識別算法是有機(jī)結(jié)合的整體，在此基礎(chǔ)上建立的背景扣除模型和算法，實現(xiàn)了對不同背景環(huán)境光干擾的消除。當(dāng)使用不同手機(jī)拍照時，算法也能最大程度上消除自然光干擾。
為產(chǎn)業(yè)化做好準(zhǔn)備
通過新型半抗原合成、抗體制備、標(biāo)準(zhǔn)化試紙條研發(fā)、手機(jī)智能圖像識別等技術(shù)結(jié)合，團(tuán)隊研發(fā)出農(nóng)藥多殘留免疫分析速測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用條形碼標(biāo)識每一批次試紙條的身份，吡蟲啉、克百威、多菌靈、腐霉利等農(nóng)藥試紙條在茶葉、果蔬中的多殘留檢測已經(jīng)開展示范應(yīng)用。
據(jù)悉，標(biāo)準(zhǔn)化試紙條和配套研發(fā)的多通道搭載平臺設(shè)計已獲專利授權(quán)。
基于圖像識別的智能化試紙條讀取軟件是一種人工智能圖像識別算法，可以做到圖像識別、截取、糾偏、分析和結(jié)果判定同時進(jìn)行，能自動識別試紙條T線和C線，并可通過提取T線和C線的色度值實現(xiàn)半定量判斷。
同時，檢測系統(tǒng)軟件已獲得國家軟件著作權(quán)登記。
王靜介紹，識別系統(tǒng)的主要特點是檢測速度快、多種目標(biāo)物同時檢測、智能化程度高、數(shù)據(jù)收集方便、系統(tǒng)兼容性好，特別適合政府監(jiān)管快速篩查、企業(yè)自查、消費者自檢。
目前，該團(tuán)隊正在研發(fā)下一代升級技術(shù)，相關(guān)專利和整體技術(shù)的PCT國際專利申請書即將提交；微信開發(fā)者賬號和專用域名已在北京市通信管理局備案。
經(jīng)測試，華為、蘋果、小米、OPPO、vivo手機(jī)均可用于膠體金試紙條檢測結(jié)果的半定量判定，且不同光源條件影響較小。檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與專業(yè)試紙條讀卡儀基本一致，整體系統(tǒng)已可應(yīng)用于實際檢測。
