基于智能手機拍照的免疫層析快速檢測系統 中國農科院質標所供圖
6月下旬的一天，曹振博士接到一家日本公司的來電，要就他們團隊所研發的“5分鐘檢測殘留農藥的AI系統”展開合作。
這套系統被稱為基于圖像識別的污染物快速檢測智能識別系統（以下簡稱識別系統），將傳統免疫層析技術結合上人工智能和物聯網技術。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分鐘后用手機微信小程序拍照識別，就能立刻在手機上看到多種農藥殘留的檢測結果，檢測數據還可實時上傳分享。
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保密的擔憂。所幸的是，他們已經在國內外布局了知識產權申請。
在團隊首席科學家王靜的帶領下，曹振所在的中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所（以下簡稱質標所）農業化學污染物殘留檢測及行為研究創新團隊，十多年前就認準了這個研究目標。該項成果是在國家技術發明二等獎“農產品中典型化學污染物精準識別與檢測關鍵技術”研究基礎上的再一次突破。
“老大媽手里的彈簧秤”
吡蟲啉、克百威、腐霉利、多菌靈……常用農藥殘留到底有多少？蔬菜貨架期短，如何快速檢測？
“在我國，農藥殘留是社會關注度最高的農產品質量安全問題。”王靜說。
我國仍有2億多小農戶，集約化程度相對低、規模小而散、市場監管難度大，對農殘檢測時效性要求高，因此快檢技術和產品研發在我國具有特殊的現實意義。
如今，王靜團隊研發的檢測系統能在幾分鐘之內智能判斷農藥殘留，解決了上述難題。
通過手機拍照智能化判讀試紙條檢測結果的解決方案，源于多年前團隊的構想，王靜說：“快速檢測智能化、便民化是大趨勢。”
王靜說，農藥殘留快速檢測技術是實施《中華人民共和國農產品質量安全法》的需要；是政府實施風險排查、科學監管的有效技術手段；也是第一時間發現問題，企業保證產品安全自檢的需要；更是消費者參與農產品質量安全共治的需要。
要滿足上述需求，必須打造出快速簡單、經濟實惠、便民化的技術。中國農科院的項目總指揮把這個目標定為：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：免疫層析試紙+環境光可拍攝
這把彈簧秤可不容易做。
目前國際上使用手機拍照判讀試紙條，通常是在暗室中和固定光源條件下進行。因為不同光強條件下獲取的圖片明暗程度不同，消除不同光強背景干擾是主要技術瓶頸。
世界上已經有幾家公司推出了使用手機拍照的試紙條讀取裝置，主要是醫療衛生領域的。其中最先進的一款，可以在環境光條件下讀取試紙條。但這項技術需拍照兩次：先拍條形碼識別試紙條信息，再拍試紙條上的檢測結果，且每次只能檢測一種物質，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境光條件下農藥多殘留檢測。
過去十多年，王靜團隊潛心研究農產品中典型化學污染物精準識別與檢測關鍵技術，積累了豐富的經驗，儲備了一系列技術及產品。這套最新技術采用特異性抗體進行識別與檢測，為識別系統研發奠定了基礎。
王靜告訴《中國科學報》，農藥屬于小分子化合物，特異性識別農藥分子的抗體難以制備。這是農藥小分子免疫試紙難做的主要原因。
我國允許使用的農藥已有710種，其中化學農藥達500多種，制備免疫層析試紙條需要開發針對每種或每類農藥的特異性抗體，化學農藥大多分子量小、抗原性和免疫原性差，需對其進行分子結構改造后，再連接在大分子上制備出人工抗原，才能免疫動物產生特異性抗體。
“針對每一個農藥開發其抗體，幾乎都包含分子結構改造、有機化學合成、免疫學的系統創新研究，需要大量研究積累。”王靜說。
另一方面，在智能識別方面要突破不同環境光干擾的技術難題。
王靜團隊研發的多通道試紙條搭載平臺和AI圖像識別算法是有機結合的整體，在此基礎上建立的背景扣除模型和算法，實現了對不同背景環境光干擾的消除。當使用不同手機拍照時，算法也能最大程度上消除自然光干擾。
為產業化做好準備
通過新型半抗原合成、抗體制備、標準化試紙條研發、手機智能圖像識別等技術結合，團隊研發出農藥多殘留免疫分析速測系統。該系統使用條形碼標識每一批次試紙條的身份，吡蟲啉、克百威、多菌靈、腐霉利等農藥試紙條在茶葉、果蔬中的多殘留檢測已經開展示范應用。
據悉，標準化試紙條和配套研發的多通道搭載平臺設計已獲專利授權。
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、分析和結果判定同時進行，能自動識別試紙條T線和C線，并可通過提取T線和C線的色度值實現半定量判斷。
同時，檢測系統軟件已獲得國家軟件著作權登記。
王靜介紹，識別系統的主要特點是檢測速度快、多種目標物同時檢測、智能化程度高、數據收集方便、系統兼容性好，特別適合政府監管快速篩查、企業自查、消費者自檢。
目前，該團隊正在研發下一代升級技術，相關專利和整體技術的PCT國際專利申請書即將提交；微信開發者賬號和專用域名已在北京市通信管理局備案。
經測試，華為、蘋果、小米、OPPO、vivo手機均可用于膠體金試紙條檢測結果的半定量判定，且不同光源條件影響較小。檢測系統的準確性與專業試紙條讀卡儀基本一致，整體系統已可應用于實際檢測。
