太赫兹时域光谱技术在转基因物质检测上的识别方法研究

摘要

随着基因工程技术的发展，人类可以在生物体中植入外源基因，使物种在保留本身特性的同时也具备其它新的特性，如:抗虫性、抗逆性等。这些转基因物种对人类健康、生态环境、伦理道德等带来潜在的威胁，因此对转基因生物进行检测和鉴别至关重要。目前，较为常用的转基因检测方法主要为蛋白质和DNA检测两种，虽然这些方法能够有效的鉴别出转基因生物，但是也存在许多不足，例如:蛋白质检测是适合对未加工产品的检测，DNA检测费用高操作复杂等。太赫兹(THz)技术是目前一个非常前沿的热点领域，由于THz波的独特性质，如较强的透视及安全性、良好的光谱分辨能力等，使得其在物质检测等方面具有非常广阔的应用前景。
　　本研究主要是利用光谱分析技术、光学和化学计量学等领域的知识，以转基因物质（包括转基因棉花、转基因甜菜及其亲本）为研究对象，进行基于THz光谱技术的快速无损检测和鉴别研究。本文的研究目的是证明利用THz光谱分析技术进行转基因产品快速无损检测和鉴别研究的可行性，建立基于THz光谱分析技术的转基因产品的快速无损检测方法体系，为制备具有自主知识产权的转基因产品检测仪器提供有效的方法依据。
　　本文的主要研究内容如下:
　　(1)利用太赫兹时域光谱技术对转基因棉花品种进行鉴别方法研究。提出了一种基于自适应仿射传播聚算法的改进的支持向量机鉴别模型，成功的应用到转基因棉花品种的太赫兹光谱识别和分类中。通过研究多种转基因棉花的太赫兹特征谱线，获取其在0.2THz-2.0THz频段内的太赫兹光谱信息用来形成鉴别的特征参数。首先，在循环迭代中，利用自适应仿射传播聚类算法对未标记的训练样本进行聚类和标记，并不断的更新支持向量机的训练数据，直到标记完所有未标记样本，最终确定最优鉴别模型;然后，将待测样品添加到鉴别模型中进行鉴别分析，由于所建鉴别模型能够对样本进行自动类别标记，而不需要人为标记模型的训练样本，从而有效的减少了人为标记带来的误差。研究结果表明，该模型对转基因棉花的品种鉴别具有较高的识别率，为太赫兹光谱技术应用于转基因棉花品种的鉴别提供了一种简单有效的方法。
　　(2)对光谱特性相似度较高的转基因物质进行了识别分析研究。为改善传统模式识别方法的不足，本文提出了一种基于仿生模式识别——超香肠神经元网络和主成分分析的识别方法，以典型的转基因棉花、转基因甜菜及其亲本为研究对象，验证该识别模型的可行性和有效性。首先，利用主成分分析法对转基因物质的原始太赫兹光谱信息进行特征提取，然后，将获得的特征信息代替原始光谱信息作为超香肠神经元网络的输入信息，建立转基因物质的识别模型，对待测样品进行识别。实验结果表明，该方法能在保证识别率的同时，可以有效的对非同类样本进行拒识，从而实现对太赫兹光谱信息相似的转基因物质的鉴别，为太赫兹在转基因生物检测上提供了一种更加有效的方法。
　　(3)首次提出了利用特异材料结合太赫兹光谱技术对转基因物质进行辨别分析。利用特异材料的复杂边界条件的特点，制各了一种可以提供负的磁响应的劈裂共振环(Split Ring Resonator，SRR)结构体系。由于不同物质的液体的介电常数不同，通过在SRR空隙中添加不同转基因物质的液体膜来对SRR进行调制，不同的液体膜会使SRR高频电响应峰出现不同的红移，利用不同红移程度就可以实现对转基因物质的辨别。该方法最大的特点是不需要知道物质成分及复杂的光谱信息就能实现对不同物质的辨别。实验结果表明，利用共振劈裂环的太赫兹电磁响应峰能够很好的鉴别转基因物质，利用共振劈裂环不同的电磁响应极快地实现对不同转基因物质的辨别，这为太赫兹光谱技术在转基因物质检测上的提供了更加广泛的应用。

目录

声明

摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 转基因技术的现状与发展

1．1．2 转基因技术发展带来的问题

1．2 转基因的主要鉴别方法及存在的问题

1．2．1 主要鉴别方法

1．2．2 现有方法存在的问题

1．3 太赫兹光谱检测转基因生物的可行性

1．3．1 太赫兹波原理

1．3．2 太赫兹光谱检测转基因生物的可行性

1．4 光谱检测转基因产品的国内外研究现状

1．5 国内外研究的不足及借鉴之处

1．5．1 存在的不足

1．5．2 借鉴之处

1．6 课题研究对象、目的、内容、创新点及技术路线

1．6．1 课题研究对象

1．6．2 课题研究目的

1．6．3 研究的内容

1．6．4 本文的创新点

1．6．5 课题技术路线

1．7 本章小结

第二章 太赫兹时域光谱系统及实验技术

2．1 太赫兹概述

2．1．1 太赫兹空隙

2．1．2 太赫兹电磁波的性质

2．2 太赫兹的产生和探测

2．2．1 宽频带的THz辐射源

2．2．2 THz电磁波的探测

2．3 太赫兹时域光谱技术

2．3．1 太赫兹时域光谱技术的特点

2．3．2 THz-TDS实验系统

2．3．3 THz-TDS系统光学常数的提取

2．4 THz-TDS实验技术

2．4．1 样品制备技术

2．4．2 透射型THz-TDS系统的实验过程

2．5 本章小结

第三章 基于自适应仿射传播聚类的转基因棉花品种的鉴定方法研究

3．1 引言

3．2 支持向量机的基本知识

3．2．1 支持向量分类机

3．2．2 SVM参数的优化

3．3 自适应仿射传播聚类算法

3．3．1 仿射传播聚类算法

3．3．2 自适应仿射传播聚类算法

3．4 基于自适应仿射传播聚类算法的支持向量机

3．5 基于自适应仿射传播聚类的转基因棉花品种的鉴定

3．5．1 样品简介、来源及预处理

3．5．2 转基因棉花的太赫兹特征光谱

3．5．3 识别模型的建立

3．5．4 待测样品的鉴定

3．6 小结

第四章 基于超香肠形神经元网络的转基因物质的辨别方法研究

4．1 引言

4．2 仿生模式识别的相关理论

4．2．1 传统模式识别方法的不足

4．2．2 仿生模式识别的数学理论

4．2．3 单权值神经元网络

4．2．4 超香肠神经元网络的实现

4．2．5 仿生模式识别的应用

4．3 基于超香肠神经元网络的转基因物质的辨别

4．3．1 样品简介、来源及预处理

4．3．2 转基因物质的太赫兹特征光谱

4．3．3 转基因物质的光谱特征提取

4．3．4 超香肠神经元网络辨别模型的建立

4．3．5 基于超香肠神经元网络的转基因物质的辨别

4．3．6 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 基于共振劈裂环的转基因物质的识别方法研究

5．1 引言

5．2 SRR材料和它的电磁性质研究现状

5．2．1 SRR材料在THz领域的研究现状

5．2．2 共振劈裂环(SRR)等效负磁导率媒质

5．3 SRR实验样本的制备

5．4 基于SRR的太赫兹响应峰的转基因物质识别

5．4．1 SRR开口环在THz波段的透射谱

5．4．2 样品简介、来源及预处理

5．4．3 转基因甜菜及其亲本的太赫兹特征光谱

5．4．4 转基因生物液体膜对SRR样品THz透射谱的调制

5．4．5 误差分析

5．4．6 结果分析与讨论

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 进一步研究展望

参考文献

致谢

作者简介