一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米鉴别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，应用激光诱导击穿光谱仪采集转基因玉米及非转基因玉米样本在激光烧蚀后等离子体发射的特定谱线，经过预处理后，采用PLS模型的回归系数选择特征波长；分别将预处理后的全谱及特征波长作为输入，样本的类别作为输出，建立PLS‑DA,SIMCA及ELM判别分析模型，模型的建模集及预测集识别率均在92％以上，尤其是基于全谱的PLS‑DA模型判别效果最佳，建模集和预测集的识别率均达到了100％。本发明专利技术实现了转基因玉米的快速鉴别，检测速度快，鉴别精度高、操作简单、成本低，为高效的转基因安全管理提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米鉴别方法
本专利技术涉及转基因玉米鉴别技术，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米的快速鉴别方法。
技术介绍
随着现代生物技术的发展，转基因技术的研究得到飞速发展和推广。运用转基因技术能培育高产、高抗、优质，适应不良生态环境的优良品种，同时降低农药化肥的施用量，有利于环境保护。但是，由于外源基因的导入，转基因作物及食品存在一定的安全隐患。因此，转基因产品检测技术的研究对实施系统、高效的转基因安全管理显得尤为重要。传统的转基因检测主要有聚合酶链反应技术，蛋白质免疫印迹法，酶联免疫吸附等。这些方法虽然具有较高的准确性和灵敏度，但在样本检测时需提取DNA和蛋白质导致样本破坏，而且费时费力，程序复杂，成本较高，非专业人员难以胜任，无法满足转基因与非转基因农产品的实时在线快速鉴别的要求。针对转基因玉米的识别，公开号CN106546541A的专利技术专利申请文件提供一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别方法，包括：利用高光谱仪器获得转cry1Ab/cry2Aj-G10evo基因玉米和非其亲本玉米的高光谱图像；通过图像处理的方法获得感兴趣区域光谱信息，进行光谱数据预处理；分别利用所有的光谱和提取的特征光谱建立PLS和SVM辨别分析模型。激光诱导击穿光谱技术(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)是近年来兴起的原子分析技术，可用于样品元素的定性及定量分析。其基本原理是利用高能激光光源聚焦到待测样品表面，使样品被激发产生等离子体，等离子体发射与元素对应的特征光谱，且光谱的信号强度与对应元素的含量具有一定的量化关系。该技术无需对样品进行繁琐的前处理、对样品的破坏性小，检测速度快，而且可以实现多元素同时检测，已广泛的应用于工业、医药、考古、环境及食品安全监测等领域。
技术实现思路
本专利技术公开了一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法。具有成本低，检测速度快，识别精度高等特点。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，包括：1)制备实验样本，分别取等量的转基因与非转基因的玉米籽粒，碾磨成粉并压片，制得数量相等的转基因与非转基因的实验样本，用不同的整数值标记两类样本，记为Y；2)利用激光诱导击穿光谱仪，获得实验样本不同位置的光谱信号，获取的光谱数据记为X；3)对所获取的光谱信号进行预处理，经过预处理的数据记为X’；4)针对所述的实验样本，用经过预处理的数据X’进行主成分分析；5)以经过预处理的数据X’作为输入，以类别标签Y作为输出建立偏最小二乘法模型，用模型中的回归系数进行特征波长选择；6)通过k-means方法建立建模集和预测集；分别基于全谱和选择的特征波长，建立PLS-DA，SIMCA和ELM判别分析模型。本技术方案中，判别分析模型基于不同的原理和方法对样本进行判别分析，判别效果不同，可以从中选择最优的模型进行应用。作为优选的，步骤2)中所用的信号采集系统的参数采用响应面法进行优化，得到的最优参数为：激光能量为60mJ；激光波长为532nm；延时时间为1.5us；积分时间为10us。作为优选的，步骤2)中样本信号采集时，为了防止采集数据点的波动，得到有效可靠的信号，每个样本采集16个点，每个点累积5次。作为优选的，步骤3)预处理方法中采用小波变换方法进行降噪处理，采用面积归一化进行数据归一化处理以减少数据点的波动；作为优选的，步骤5)中特征波长选择时先选择回归系数大于15且谱线明显的波长，再根据数据库中对选择的波长进行匹配，保留可以匹配的波长作为特征波长。利用上述选择的特征波长可以减少建模的输入变量，在保证一定精度的条件下提高模型的运行速度，节约计算时间。作为优选的，步骤6)中PLS-DA判别分析模型中，采用留一交互验证防止模型的过拟合。作为优选的，步骤6)中SIMCA判别分析模型，是使用模型的主成分得分来推断任一输入所对应的类别；Rmax＝max(Rk)+0.5SrRmin＝min(Rk)-0.5Sr上式中max(Rk)和min(Rk)分别为第K类样本的最大和最小得分值Sr为主成分得分的标准偏差；当未知样本的主成分得分在Rmin到Rmax之间，就被判定为第K类。相对于现有技术，本专利技术具有的有益效果是：(1)实现了转基因玉米的识别。(2)利用LIBS技术进行转基因玉米鉴别，具有操作简单，成本低、快速高效等特点。有效克服了传统检测方法程序复杂，成本较高，对样品破坏大等缺点。(3)选择了具有代表性的特征波长，有利于便携式传感仪器的开发。附图说明图1为转基因及非转基因玉米样本前三个主成分的得分图；图2为转基因及非转基因玉米样本PLS模型的回归系数与波长的关系图。具体实施方式下面结合实施例和附图来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，包括：(1)制备实验样本，从浙江省农科院质量标准研究所获取转双价基因(cry1Ab/cry2Aj-G10evo)玉米籽粒及其亲本玉米。然后分别取转基因与非转基因的玉米籽粒600颗，取5粒玉米碾磨成粉，取0.2g玉米粉压成片，每片为一个样本，得到转基因与非转基因的压片样本各120个。(2)采集样本的LIBS光谱信号。实验前将实验仪器预热30min使其达到稳定状态。按照延时1.5us，积分时间10us，能量60mJ对仪器参数进行设置。将样本置于位移平台，调整程序设定位移平台的移动路径，打开激光器，使激光击打样本的16个不同点位，每个点位累积采集5次光谱信号。(4)对所获取的信号进行小波变换降噪、面积归一化、求平均预处理，经过预处理后的光谱数据记为X’。(5)对预处理后得到的光谱数据X’进行主成分(PCA)分析，获得样本前三个主成分的得分图，如图1所示，图中转基因玉米和非转基因玉米样本都成簇分布。(6)以经过预处理的数据X’作为输入，以类别标签Y作为输出建立偏最小二乘法(PLS)模型，作出模型的回归系数与波长的关系图，如图2所示。用模型中的回归系数(BW)进行特征波长选择。选择回归系数大于15且谱线明显的波长，再根据数据库中对选择的波长进行匹配，保留可以匹配的波长作为特征波长，共选出特征波长30个，主要对应于元素C,Mg,Si,Al,Ti,Ca,Fe,H,K,O。(7)将预处理后得到的光谱数据X’及挑选出的30个特征波长作为输入，分别建立基于全谱及特征波长的PLS-DA，SIMCA,ELM判别分析模型，结果如表1所示。表1基于全谱及特征波长的PLS-DA,SIMCA,ELM模型结果在全谱和特征波长的判别分析模型中，PLS-DA模型效果最优，全谱的建模集和预测集的准确率都达到了100％。特征波长的建模集和预测集的准确率分别达到了99.38％和98.75％。上述结果表明，本专利技术的方法能够快速有效的识别转基因玉米，具有良好的应用前景和可观的市场价值。以上所述仅为本专利技术的较佳实施举例，并不用于限制本专利技术，凡在本专利技术精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，其特征在于，包括步骤：1)制备实验样本，分别取等量的转基因与非转基因的玉米籽粒，碾磨成粉并压片，制得数量相等的转基因与非转基因的实验样本，用不同的整数值标记两类样本，记为Y；2)利用激光诱导击穿光谱仪，获得实验样本不同位置的光谱信号，获取的光谱数据记为X；3)对所获取的光谱信号进行预处理，经过预处理的数据记为X’；4)针对所述的实验样本，用经过预处理的数据X’进行主成分分析；5)以经过预处理的数据X’作为输入，以类别标签Y作为输出建立偏最小二乘法模型，用模型中的回归系数进行特征波长选择；6)通过k‑means方法建立建模集和预测集；分别基于全谱和选择的特征波长，建立PLS‑DA，SIMCA和ELM判别分析模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，其特征在于，包括步骤：1)制备实验样本，分别取等量的转基因与非转基因的玉米籽粒，碾磨成粉并压片，制得数量相等的转基因与非转基因的实验样本，用不同的整数值标记两类样本，记为Y；2)利用激光诱导击穿光谱仪，获得实验样本不同位置的光谱信号，获取的光谱数据记为X；3)对所获取的光谱信号进行预处理，经过预处理的数据记为X’；4)针对所述的实验样本，用经过预处理的数据X’进行主成分分析；5)以经过预处理的数据X’作为输入，以类别标签Y作为输出建立偏最小二乘法模型，用模型中的回归系数进行特征波长选择；6)通过k-means方法建立建模集和预测集；分别基于全谱和选择的特征波长，建立PLS-DA，SIMCA和ELM判别分析模型。2.如权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，其特征在于，所述步骤2)中所用激光诱导击穿光谱仪的参数采用响应面法进行优化，得到的最优参数为：激光能量为60mJ；激光波长为532nm；延时时间为1.5us；积分时间为10us。3.如权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的转基因玉米快速鉴别方法，其特征在于，所述步骤2)中样本信号采集时，每个样本采集16...

【专利技术属性】
技术研发人员：何勇，刘小丹，刘飞，申婷婷，王唯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33