基于智能手机拍照的免疫层析快速检测系统

　　6月下旬的一天，曹振博士接到一家日本公司的来电，要就他们团队所研发的“5分钟检测残留农药的AI系统”展开合作。

　　这套系统被称为基于图像识别的污染物快速检测智能识别系统（以下简称识别系统），将传统免疫层析技术结合上人工智能和物联网技术。像使用验孕试纸那样简单，检测时，将免疫层析试纸条插入被测样品液体，静置层析5分钟后用手机微信小程序拍照识别，就能立刻在手机上看到多种农药残留的检测结果，检测数据还可实时上传分享。

　　跨国外企伸出橄榄枝，让曹振感到惊喜的同时也有一些对技术保密的担忧。所幸的是，他们已经在国内外布局了知识产权申请。

　　在团队首席科学家王静的带领下，曹振所在的中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所（以下简称质标所）农业化学污染物残留检测及行为研究创新团队，十多年前就认准了这个研究目标。该项成果是在国家技术发明二等奖“农产品中典型化学污染物精准识别与检测关键技术”研究基础上的再一次突破。

　　“老大妈手里的弹簧秤”

　　吡虫啉、克百威、腐霉利、多菌灵……常用农药残留到底有多少？蔬菜货架期短，如何快速检测？

　　“在我国，农药残留是社会关注度最高的农产品质量安全问题。”王静说。

　　我国仍有2亿多小农户，集约化程度相对低、规模小而散、市场监管难度大，对农残检测时效性要求高，因此快检技术和产品研发在我国具有特殊的现实意义。

　　如今，王静团队研发的检测系统能在几分钟之内智能判断农药残留，解决了上述难题。

　　通过手机拍照智能化判读试纸条检测结果的解决方案，源于多年前团队的构想，王静说：“快速检测智能化、便民化是大趋势。”

　　王静说，农药残留快速检测技术是实施《中华人民共和国农产品质量安全法》的需要；是政府实施风险排查、科学监管的有效技术手段；也是第一时间发现问题，企业保证产品安全自检的需要；更是消费者参与农产品质量安全共治的需要。

　　要满足上述需求，必须打造出快速简单、经济实惠、便民化的技术。中国农科院的项目总指挥把这个目标定为：像买菜时防止缺斤短两“老大妈手里的弹簧秤”一样方便。

　　两大难关：免疫层析试纸+环境光可拍摄

　　这把弹簧秤可不容易做。

　　目前国际上使用手机拍照判读试纸条，通常是在暗室中和固定光源条件下进行。因为不同光强条件下获取的图片明暗程度不同，消除不同光强背景干扰是主要技术瓶颈。

　　世界上已经有几家公司推出了使用手机拍照的试纸条读取装置，主要是医疗卫生领域的。其中最先进的一款，可以在环境光条件下读取试纸条。但这项技术需拍照两次：先拍条形码识别试纸条信息，再拍试纸条上的检测结果，且每次只能检测一种物质，是一种单通道检测。目前，市场上还没有成熟的免疫层析试纸条读取装置可用于环境光条件下农药多残留检测。

　　过去十多年，王静团队潜心研究农产品中典型化学污染物精准识别与检测关键技术，积累了丰富的经验，储备了一系列技术及产品。这套最新技术采用特异性抗体进行识别与检测，为识别系统研发奠定了基础。

　　王静告诉《中国科学报》，农药属于小分子化合物，特异性识别农药分子的抗体难以制备。这是农药小分子免疫试纸难做的主要原因。

　　我国允许使用的农药已有710种，其中化学农药达500多种，制备免疫层析试纸条需要开发针对每种或每类农药的特异性抗体，化学农药大多分子量小、抗原性和免疫原性差，需对其进行分子结构改造后，再连接在大分子上制备出人工抗原，才能免疫动物产生特异性抗体。

　　“针对每一个农药开发其抗体，几乎都包含分子结构改造、有机化学合成、免疫学的系统创新研究，需要大量研究积累。”王静说。

　　另一方面，在智能识别方面要突破不同环境光干扰的技术难题。

　　王静团队研发的多通道试纸条搭载平台和AI图像识别算法是有机结合的整体，在此基础上建立的背景扣除模型和算法，实现了对不同背景环境光干扰的消除。当使用不同手机拍照时，算法也能最大程度上消除自然光干扰。

　　为产业化做好准备

　　通过新型半抗原合成、抗体制备、标准化试纸条研发、手机智能图像识别等技术结合，团队研发出农药多残留免疫分析速测系统。该系统使用条形码标识每一批次试纸条的身份，吡虫啉、克百威、多菌灵、腐霉利等农药试纸条在茶叶、果蔬中的多残留检测已经开展示范应用。

　　据悉，标准化试纸条和配套研发的多通道搭载平台设计已获专利授权。

　　基于图像识别的智能化试纸条读取软件是一种人工智能图像识别算法，可以做到图像识别、截取、纠偏、分析和结果判定同时进行，能自动识别试纸条T线和C线，并可通过提取T线和C线的色度值实现半定量判断。

　　同时，检测系统软件已获得国家软件著作权登记。

　　王静介绍，识别系统的主要特点是检测速度快、多种目标物同时检测、智能化程度高、数据收集方便、系统兼容性好，特别适合政府监管快速筛查、企业自查、消费者自检。

　　目前，该团队正在研发下一代升级技术，相关专利和整体技术的PCT国际专利申请书即将提交；微信开发者账号和专用域名已在北京市通信管理局备案。

　　经测试，华为、苹果、小米、OPPO、vivo手机均可用于胶体金试纸条检测结果的半定量判定，且不同光源条件影响较小。检测系统的准确性与专业试纸条读卡仪基本一致，整体系统已可应用于实际检测。