基于太赫兹时域光谱及成像技术对转基因作物鉴别分析的初步研究

摘要

转基因作物潜在的危险性一直是人们关注的焦点，其检测技术研究是转基作物品标识以及监管的首要工作和关键。传统转基因检测方法操作过程繁琐、成本高、周期长，且对研究对象具有破坏性，无法适应当前农业生产过程中实时监测的需求。因此，研发一种无损、快速、精确的转基因检测技术已成为农业生产中的重要任务。太赫兹辐射是频率介于0.1-10THz的电磁波，具有低能性、相干性和指纹谱性等，在对蛋白质、DNA、氨基酸等生物大分子取得了很好的检测效果，在无损检测领域具有广阔的应用前景，己成为本世纪科研的热点领域。本文利用太赫兹时域光谱及成像技术针对社会关注的热点转基因作物（转基因大豆、转基因水稻）进行鉴别分析研究。完成的主要研究结果如下:
　　1)利用太赫兹时域光谱系统获取转基因大豆、普通大豆以及杂交大豆样品的太赫兹时域光谱;通过快速傅里叶变换得到样品的频域谱，基于频域谱和主成分提取三种大豆的主成分特征，采用粒子群优化算法解决最小二乘支持向量机(LS-SVM)的参数寻优问题，通过对比实验表明本方法建立的模型最优，鉴别结果正确率达到95％。
　　2)根据菲涅尔反射定律，获取太赫兹时域光谱在大豆种子种皮表面以及内表面的反射或折射系数，完成了大豆种子反射强度及种皮厚度的太赫兹成像，以可视化成像的方式实现转基因大豆的鉴别。
　　3)结合水稻种子的太赫兹图像，实现区域光谱信号提取。针对常规水稻和BT转基因水稻主成分特征不明显问题，提出运用K-SVD算法，构建转基因水稻及其亲本的太赫兹光谱数据超完备字典，并通过正交匹配追踪(OMP)算法分别求解稀疏系数，构建多特征稀疏系数的随机森林算法，提高了泛化能力和分类效果。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 转基因技术的发展现状

1．1．2 转基因的主要鉴别方法及存在问题

1．2 太赫兹时域光谱及成像技术研究现状及进展

1．2．1 太赫兹时域光谱技术

1．2．2 太赫兹光谱成像

1．3 太赫兹光谱检测转基因生物的可行性

1．4 本文的研究内容及章节安排

1．4．1 研究内容

1．4．2 本文的章节安排

1．5 本章小结

第二章 实验装置及技术路线

2．1 太赫兹波的简介

2．2 太赫兹波的产生与探测技术

2．2．1 太赫兹辐射的产生

2．2．2 太赫兹辐射的探测

2．3 TAS7500TS HF1太赫兹时域光谱成像装置

2．3．1 反射型THz-TDS光谱成像系统

2．3．2 透射型THz-TDS光谱成像系统

2．3．3 太赫兹成像方式

2．3．4 TAS7500TS HF1系统配置

2．3．5 实验操作步骤

2．4 本章小结

第三章 基于太赫兹时域光谱及成像技术的转基因大豆无损检测

3．1 引言

3．2 样品来源

3．3 样品的太赫兹光谱分析

3．4 基于支持向量机的转基因大豆光谱分类

3．4．1 主成分分析算法

3．4．2 支持向量机算法

3．4．3 PCA-LS-SVM算法

3．4．4 分类结果及分析

3．5 太赫兹成像技术对转基因大豆的鉴定和识别

3．5．1 反射式太赫兹波谱计算

3．5．2 转基因大豆种子反射式太赫兹成像结果分析

3．6 本章小结

第四章 基于稀疏表示和太赫兹时域光谱技术的转基因水稻种子无损检测

4．1 引言

4．2 样品来源

4．3 样品光谱数据获取

4．3．1 样品太赫兹光谱图像获取

4．3．2 结合太赫兹光谱图像对样本光谱数据提取

4．4 样品的太赫兹光谱分析

4．5．1 稀疏表示的基本原理

4．5．2 字典的学习优化

4．5．3 随机森林

4．5．4 实验结果与讨论

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究与结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文