用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测方法及系统与流程

本发明涉及食品安全检测，特别涉及一种用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测方法及系统。

背景技术：

1、食品中农药残留超标是影响食品安全的重要因素之一，其中有机磷农药因杀虫效果好、价格低廉而被广泛应用于农业生产，但过量使用会导致其在农产品中残留，对人体神经系统和免疫系统造成损害。目前，食品中农药残留的检测方法主要分为实验室仪器分析法和现场快速筛查法两大类。

2、实验室仪器分析法如高效液相色谱法（hplc）、气相色谱-质谱联用法（gc-ms）等，具有检测灵敏度高、准确性好的优点，但存在样品前处理复杂、检测周期长（4~24小时）、仪器设备昂贵（数十万元）、需要专业操作人员等缺点，无法满足基层监管部门和生产企业现场快速筛查的需求。

3、现场快速筛查法主要包括酶抑制法、免疫分析法和荧光传感法等。其中，酶抑制法操作简单、成本低，但存在特异性差、假阳性率高达30%以上的问题；免疫分析法灵敏度高、特异性强，但抗体制备周期长（3~6个月）、成本高，且易受环境温度和ph值影响；荧光传感法具有灵敏度高、响应速度快、操作简便等优点，成为近年来快速检测领域的研究热点。

4、然而，现有的荧光传感检测方法仍存在以下亟待解决的技术问题：

5、单荧光信号检测稳定性差：易受环境光、激发光强度波动、试纸均匀性等因素的影响，检测结果变异系数超过10%；

6、信号提取准确性低：多采用固定阈值法提取有效区域，无法有效消除图像噪声、光谱串扰和检测区不均匀性的影响，导致定量误差超过15%；

7、缺乏完善的质量控制机制：无有效的试纸有效性校验和异常预处理机制，试纸失效率高达20%，且无法区分真实阳性和假阳性结果；

8、定量模型适应性弱：未考虑试纸批次差异和环境温湿度的影响，不同批次和不同环境条件下的检测结果偏差超过25%；

9、检测通量低：单次仅能检测一种农药，无法满足多种农药同时筛查的需求。

10、针对上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测方法及系统，通过多种技术的有机融合，显著提高了检测的准确性、稳定性和抗干扰能力。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测方法及系统，用以解决上述提出的技术问题。

2、本发明提供一种用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测方法，包括：

3、步骤1：初始信号采集：采用内置固定参数激发光源的便携式图像采集装置，对未施加待测样品的比率荧光传感试纸拍摄初始荧光图像；

4、步骤2：试纸有效性校验：由处理器对所述初始荧光图像进行rgb三通道分离，提取对应参比荧光信号发射波段的第一颜色通道、对应响应荧光信号发射波段的第二颜色通道，经均值滤波去噪后读取检测区的平均灰度值，分别得到初始参比荧光强度、初始响应荧光强度，计算初始强度比值；

5、若所述落入所述有效初始比值区间内，执行酶活性快速验证，验证通过后判定试纸合格并执行步骤3；

6、若所述未落入所述有效初始比值区间内，对所述异常进行预处理，并预处理后执行双维度验证和酶活性快速验证，均通过后执行步骤3，否则，基于处理器直接输出试纸失效提示并允许用户选择重新放置试纸或更换试纸后重新开始检测；

7、步骤3：样品反应与标准化信号采集：将待测食品样品的提取液施加至合格比率荧光传感试纸的检测区，根据实时环境温度t动态调整反应时长，待反应完成后，获取反应后参比荧光强度、反应后响应荧光强度，计算反应强度比值；

8、步骤4：定量计算与筛查判定：计算反应强度比值相对于初始强度比值的相对偏离量：，将所述输入预标定的三级校正相对偏离量-农药浓度线性对应关系模型，得到待测食品样品中的农药残留浓度；

9、当所述超过预标定的筛查阈值时，对样品进行复核处理并基于处理器输出第一警示信号；当所述未超过预标定的筛查阈值时，判定为样品合格，并基于处理器输出第二警示信号；当检测结果超出线性范围上限时，自动提示用户将样品提取液稀释后重新检测，并对稀释后的结果乘以稀释倍数得到最终浓度。

10、优选的，所述比率荧光传感试纸的基底上依次设置有定位区、独立酶活性验证区和检测区；

11、所述检测区设置有至少3个通过疏水隔离圈相互隔离的平行检测子区，每个检测子区和酶活性验证区均固定有第一荧光材料与对应不同种类有机磷类农药的酶修饰第二荧光材料；

12、所述疏水隔离圈为石蜡印刷形成，宽度为0.5mm，高度为0.1mm，检测子区和酶活性验证区直径均为2mm，相邻区域间距为1.5mm。

13、优选的，由处理器对所述初始荧光图像进行rgb三通道分离，包括：

14、步骤201：对初始荧光图像执行rgb三通道全波段拆分，得到r、g、b三个独立的单通道原始图像，并基于预标定的荧光-通道匹配关系，从三个单通道原始图像中，提取对应参比荧光信号发射波段的第一颜色通道、对应响应荧光信号发射波段的第二颜色通道；

15、步骤202：对提取得到的第一颜色通道、第二颜色通道的原始图像，分别执行3×3滑动窗口的算术均值滤波处理，得到两个去噪后的单通道图像，并对每个去噪后的单通道图像，扣除实时采集的暗场背景灰度值，并执行0-255区间的线性归一化处理，对应得到第一颜色通道校正图像、第二颜色通道校正图像，其中，所述线性归一化以预标定的标准荧光强度对应的灰度值为255；

16、步骤203：对第一颜色通道校正图像、第二颜色通道校正图像，分别以3×3像素滑动窗口为单位，计算每个像素点的局部信噪比特征值，其中，所述局部信噪比特征值为窗口内像素灰度均值与窗口内灰度标准差的比值；以预标定的信噪比阈值为基准，筛选出局部信噪比特征值高于基准的有效信号像素，剔除低于基准的噪声像素，分别生成对应颜色通道校正图像的有效像素掩码矩阵；

17、步骤204：基于实时修正的光谱串扰系数矩阵，结合有效像素掩码矩阵，分别对颜色通道校正图像的有效像素值执行交叉串扰解耦计算，对应得到第一颜色通道纯净信号图像、第二颜色通道纯净信号图像；

18、步骤205：根据预标定的参比荧光信号、响应荧光信号分别在r、g、b三通道的发射峰积分占比，对步骤204得到的各rgb通道纯净信号图像执行加权融合，分别生成对应参比荧光信号的第一通道灰度矩阵、对应响应荧光信号的第二通道灰度矩阵，其中，所述第一通道灰度矩阵、第二通道灰度矩阵对应试纸物理上的同一检测区，二者空间坐标完全匹配，且所述预标定的通道响应权重系数，通过单组分荧光材料在各rgb通道的响应强度标定得到。

19、优选的，在通道权重自适应融合之后，还包括：

20、步骤206：分别计算第一通道灰度矩阵、第二通道灰度矩阵的全局灰度方差与有效像素占比，基于预建立的参数映射模型，自适应标定密度聚类的邻域半径与最小样本数，生成对应两个通道的聚类参数组；

21、步骤207：基于对应聚类参数组，对第一通道灰度矩阵、第二通道灰度矩阵分别执行dbscan密度聚类，初步分割出若干个候选有效区域，剔除离散噪声像素簇，分别生成两个通道的候选有效区域集，其中，所述dbscan密度聚类采用欧氏距离作为距离度量方式；

22、步骤208：对两个通道的候选有效区域集执行像素级空间坐标匹配，计算同一坐标范围内两个通道候选区域的空间重合度；若空间重合度大于等于第一合格重合度阈值，将对应区域标记为待校验有效区域；若空间重合度小于第一合格重合度阈值且大于等于第二合格重合度阈值，对该区域执行局部灰度二次甄别，计算两个通道在该区域内对应像素灰度值的皮尔逊相关系数，若相关系数大于等于预设系数，则标记为待校验有效区域，否则直接剔除；若空间重合度小于第二合格重合度阈值，直接剔除该候选区域；

23、步骤209：对所有待校验有效区域，将邻域半径缩小至第一层标定值的n1倍，执行二次密度聚类，分割出区域内的核心有效子区域与边缘过渡子区域；

24、若缩小后未找到核心有效子区域，则将邻域半径调整为第一层标定值的n2倍重新聚类；

25、计算核心有效子区域的灰度变异系数，若灰度变异系数小于等于预标定的均匀性阈值，将该核心有效子区域标记为合格有效子区域；

26、若灰度变异系数大于预标定的均匀性阈值，直接剔除该待校验有效区域；

27、步骤210：统计所有合格有效子区域的总数量与总面积占比，若总数量大于等于1且总面积占比落入对应规格试纸检测区的预设尺寸范围，锁定该区域为最终有效检测区；

28、否则，自动调整聚类参数组，优先按照预设步长放大邻域半径，若2次放大后仍不满足条件，再按照1个单位的步长减小最小样本数，重新执行步骤207到步骤210，若3次迭代后仍不满足锁定条件，判定试纸放置异常或图像采集失效，输出检测预警并允许用户重新放置试纸后重新采集图像；

29、步骤211：对锁定的最终有效检测区，分别读取第一颜色通道纯净信号图像、第二颜色通道纯净信号图像中对应区域的所有像素灰度值，计算算术平均值，分别得到初始参比荧光强度、初始响应荧光强度。

30、优选的，对所述异常进行预处理，包括：

31、调取初始荧光图像对应的采集元数据、环境光监测数据、第一颜色通道与第二颜色通道的灰度分布数据、有效像素掩码矩阵，确定偏离有效初始比值区间的异常类型；

32、从原因-校正对照表中匹配与所述异常类型一致的校正方案，对初始荧光图像执行定向校正处理后，重新计算初始强度比值，得到预处理结果。

33、优选的，预标定的三级校正相对偏离量-农药浓度线性对应关系模型的构建，包括：

34、采用与待测样品同品类的无农药残留空白基质，制备空白基质提取液，配制覆盖最大残留限量0.01倍～10倍的梯度农药标准工作溶液，并以农药浓度c为横坐标、相对偏离量均值为纵坐标，经加权最小二乘拟合得到基础线性模型，其中，k、b为系数；

35、对每一批次比率荧光传感试纸，抽取不少于10支合格试纸，测定覆盖线性范围的至少5个梯度标准浓度点的实测值，每个浓度3个平行样，采用加权最小二乘法拟合得到该批次的线性模型，计算斜率校正因子、截距校正因子，将、嵌入基础线性模型得到批次校正模型，其中，校正因子与同批次试纸的有效初始比值区间绑定存储；

36、预建立覆盖10℃~40℃、30%~80%相对湿度的温湿度修正系数矩阵，包括斜率修正系数和截距修正系数，现场检测时采集实时环境参数，采用双线性插值法得到对应修正系数，对批次校正模型进行二次修正，得到最终线性模型。

37、优选的，对样品进行复核处理，包括：

38、重新调用步骤1采集的初始荧光图像与步骤2得到的初始强度比值，重新验证初始信号的有效性，包括有效区域提取正确性、灰度值线性区间符合性；

39、同时，对步骤3的反应后荧光图像执行多次重复采集，每次采集间隔1分钟，每次采集均执行暗场背景校正与通道串扰校正，得到3个复核偏离量；

40、取3个复核偏离量中的最大值作为最终复核偏离量，若最终复核偏离量超过筛查阈值，判定为疑似超标；

41、若最终复核偏离量仍超过筛查阈值：

42、单检测子区试纸：直接输出红色超标风险警示信号，提示送实验室进行确证检测；

43、多检测子区试纸：根据各检测子区的响应值组合，调用预建立的交叉反应校正矩阵求解方程组，计算各农药的真实浓度；

44、若校正后任意农药浓度超过对应最大残留限量，输出红色超标风险警示信号，提示送实验室确证；

45、若最终复核偏离量低于筛查阈值，判定为样品合格，同时生成黄色假阳性风险警示信号，记录至检测报告；其中，所述超标风险警示信号、假阳性风险警示信号即为第一警示信号。

46、本发明提供一种用于食品中农药残留快速筛查的荧光传感检测系统，包括：

47、初始信号采集模块，用于采用内置固定参数激发光源的便携式图像采集装置，对未施加待测样品的比率荧光传感试纸拍摄初始荧光图像；

48、试纸有效性校验模块，用于由处理器对所述初始荧光图像进行rgb三通道分离，提取对应参比荧光信号发射波段的第一颜色通道、对应响应荧光信号发射波段的第二颜色通道，经均值滤波去噪后读取检测区的平均灰度值，分别得到初始参比荧光强度、初始响应荧光强度，计算初始强度比值；

49、若所述落入所述有效初始比值区间内，执行酶活性快速验证，验证通过后判定试纸合格并启动样品反应与标准化信号采集；

50、若所述未落入所述有效初始比值区间内，对所述异常进行预处理，并预处理后执行双维度验证和酶活性快速验证，均通过后启动样品反应与标准化信号采集，否则，基于处理器直接输出试纸失效提示并允许用户选择重新放置试纸或更换试纸后重新开始检测；

51、样品反应与标准化信号采集模块，用于将待测食品样品的提取液施加至合格比率荧光传感试纸的检测区，根据实时环境温度t动态调整反应时长，待反应完成后，获取反应后参比荧光强度、反应后响应荧光强度，计算反应强度比值；

52、定量计算与筛查判定模块，用于计算反应强度比值相对于初始强度比值的相对偏离量：，将所述输入预标定的三级校正相对偏离量-农药浓度线性对应关系模型，得到待测食品样品中的农药残留浓度；

53、当所述超过预标定的筛查阈值时，对样品进行复核处理并基于处理器输出第一警示信号；当所述未超过预标定的筛查阈值时，判定为样品合格，并基于处理器输出第二警示信号；当检测结果超出线性范围上限时，自动提示用户将样品提取液稀释后重新检测，并对稀释后的结果乘以稀释倍数得到最终浓度。

54、与现有技术相比，本技术的有益效果如下：

55、1、设计了带独立酶活性验证区的比率荧光传感试纸：验证区与检测区通过疏水隔离圈完全隔离，仅向验证区滴加底物溶液进行酶活性验证，检测区保持完整可用，实现了非破坏性单片试纸有效性验证，解决了传统方法验证后试纸无法使用的问题，同时将试纸失效率从20%降低至2%以下。

56、2、提出了基于dbscan自适应聚类的多通道信号融合提取方法：与现有固定阈值法相比，能够自动适应不同的检测场景和试纸状态，有效消除了图像噪声、局部污渍和检测区不均匀性的影响，信号提取准确性提高了3倍以上。本发明选择dbscan算法而非k-means等其他聚类算法的原因在于：dbscan算法不需要预先指定聚类数量，能够自动发现任意形状的聚类，并且对噪声不敏感，特别适合于试纸有效区域提取这种存在大量噪声且聚类数量不固定的场景。通过优化空间重合度计算方法和判定规则，有效解决了弱信号下有效区域提取失败的问题。

57、3、建立了三级异常预处理与双维度验证机制：将异常分为采集类、信号类和失效类三级，对可校正异常执行定向校正并进行双维度验证，既避免了过度校正产生的虚假合格信号，又有效降低了试纸失效率。

58、4、构建了修正后的三级校正定量模型：同时考虑了基质效应、批次差异和环境温湿度的影响，修正了原有批次校正公式的数学错误，将批次校正因子同时作用于斜率和截距，并增加了温湿度对截距的校正。该模型将不同条件下的检测结果偏差从25%降低至5%以内，解决了现有技术定量模型适应性差的问题。

59、5、设计了优化的双维度阳性结果复核与交叉反应校正机制：通过基准二次校验排除初始信号异常导致的假阳性，通过多次重复采集并取最大值排除随机噪声导致的假阳性，将假阳性率从30%降低至3%以下；通过交叉反应校正矩阵实现多农药混合样品的准确定量，混合农药样品的定性准确率从65%提高至98%，定量误差从25%降低至6%。

60、6、开发了带疏水隔离圈的多检测子区试纸：采用石蜡印刷技术制作疏水隔离圈，有效防止了样品提取液的横向扩散，解决了多子区检测的交叉污染问题，相邻子区间的交叉污染率＜1%。配套开发了多子区信号处理流程，可实现单样品中多种有机磷农药的同时检测，检测通量提高了3倍以上。

61、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

62、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。