基于智能手機(jī)拍照的免疫層析快速檢測(cè)系統(tǒng) 中國(guó)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(lái)電，要就他們團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的“5分鐘檢測(cè)殘留農(nóng)藥的AI系統(tǒng)”展開(kāi)合作。
這套系統(tǒng)被稱(chēng)為基于圖像識(shí)別的污染物快速檢測(cè)智能識(shí)別系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)識(shí)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(yàn)孕試紙那樣簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)，將免疫層析試紙條插入被測(cè)樣品液體，靜置層析5分鐘后用手機(jī)微信小程序拍照識(shí)別，就能立刻在手機(jī)上看到多種農(nóng)藥殘留的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)數(shù)據(jù)還可實(shí)時(shí)上傳分享。
跨國(guó)外企伸出橄欖枝，讓曹振感到驚喜的同時(shí)也有一些對(duì)技術(shù)保密的擔(dān)憂(yōu)。所幸的是，他們已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外布局了知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)。
在團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家王靜的帶領(lǐng)下，曹振所在的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)標(biāo)所）農(nóng)業(yè)化學(xué)污染物殘留檢測(cè)及行為研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，十多年前就認(rèn)準(zhǔn)了這個(gè)研究目標(biāo)。該項(xiàng)成果是在國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)“農(nóng)產(chǎn)品中典型化學(xué)污染物精準(zhǔn)識(shí)別與檢測(cè)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(chóng)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(cè)？
“在我國(guó)，農(nóng)藥殘留是社會(huì)關(guān)注度最高的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題?！蓖蹯o說(shuō)。
我國(guó)仍有2億多小農(nóng)戶(hù)，集約化程度相對(duì)低、規(guī)模小而散、市場(chǎng)監(jiān)管難度大，對(duì)農(nóng)殘檢測(cè)時(shí)效性要求高，因此快檢技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)在我國(guó)具有特殊的現(xiàn)實(shí)意義。
如今，王靜團(tuán)隊(duì)研發(fā)的檢測(cè)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(guò)手機(jī)拍照智能化判讀試紙條檢測(cè)結(jié)果的解決方案，源于多年前團(tuán)隊(duì)的構(gòu)想，王靜說(shuō)：“快速檢測(cè)智能化、便民化是大趨勢(shì)?！?/p>
王靜說(shuō)，農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)技術(shù)是實(shí)施《中華人民共和國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》的需要；是政府實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)排查、科學(xué)監(jiān)管的有效技術(shù)手段；也是第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，企業(yè)保證產(chǎn)品安全自檢的需要；更是消費(fèi)者參與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全共治的需要。
要滿(mǎn)足上述需求，必須打造出快速簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、便民化的技術(shù)。中國(guó)農(nóng)科院的項(xiàng)目總指揮把這個(gè)目標(biāo)定為：像買(mǎi)菜時(shí)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(guó)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?yàn)椴煌鈴?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(xiàng)技術(shù)需拍照兩次：先拍條形碼識(shí)別試紙條信息，再拍試紙條上的檢測(cè)結(jié)果，且每次只能檢測(cè)一種物質(zhì)，是一種單通道檢測(cè)。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)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(cè)。
過(guò)去十多年，王靜團(tuán)隊(duì)潛心研究農(nóng)產(chǎn)品中典型化學(xué)污染物精準(zhǔn)識(shí)別與檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)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(shí)別與檢測(cè)，為識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
王靜告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，農(nóng)藥屬于小分子化合物，特異性識(shí)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(guó)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(kāi)發(fā)針對(duì)每種或每類(lèi)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(duì)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(dòng)物產(chǎn)生特異性抗體。
“針對(duì)每一個(gè)農(nóng)藥開(kāi)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(shuō)。
另一方面，在智能識(shí)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(duì)研發(fā)的多通道試紙條搭載平臺(tái)和AI圖像識(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)，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(guò)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(shí)別等技術(shù)結(jié)合，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出農(nóng)藥多殘留免疫分析速測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用條形碼標(biāo)識(shí)每一批次試紙條的身份，吡蟲(chóng)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(cè)已經(jīng)開(kāi)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(tái)設(shè)計(jì)已獲專(zhuān)利授權(quán)。
基于圖像識(shí)別的智能化試紙條讀取軟件是一種人工智能圖像識(shí)別算法，可以做到圖像識(shí)別、截取、糾偏、分析和結(jié)果判定同時(shí)進(jìn)行，能自動(dòng)識(shí)別試紙條T線(xiàn)和C線(xiàn)，并可通過(guò)提取T線(xiàn)和C線(xiàn)的色度值實(shí)現(xiàn)半定量判斷。
同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件已獲得國(guó)家軟件著作權(quán)登記。
王靜介紹，識(shí)別系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是檢測(cè)速度快、多種目標(biāo)物同時(shí)檢測(cè)、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(fèi)者自檢。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)下一代升級(jí)技術(shù)，相關(guān)專(zhuān)利和整體技術(shù)的PCT國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)即將提交；微信開(kāi)發(fā)者賬號(hào)和專(zhuān)用域名已在北京市通信管理局備案。
經(jīng)測(cè)試，華為、蘋(píng)果、小米、OPPO、vivo手機(jī)均可用于膠體金試紙條檢測(cè)結(jié)果的半定量判定，且不同光源條件影響較小。檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與專(zhuān)業(yè)試紙條讀卡儀基本一致，整體系統(tǒng)已可應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。
