基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法技术

本申请提供了一种基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法，其包括高光谱图像采集、校正裁剪、利用阈值对新图像分割、提取感兴趣区的平均光谱并标准化、使用随机森林模型识别污染籽粒的步骤。本申请的方法利用高光谱成像技术结合化学计量学方法，建立了随机森林判别模型，可以对玉米籽粒中是否污染了AFB11进行判别，操作简单，可满足快速、无损等在线检测需求。在线检测需求。在线检测需求。

【技术实现步骤摘要】
基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法


[0001]本申请属于高光谱成像应用领域和毒物检测领域，具体地，本申请提供了一种基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法。

技术介绍

[0002]黄曲霉毒素是某些曲霉属真菌产生的有毒次级代谢产物，对人类和其他动物有很强的致癌性(可诱发肝癌)、致突变性和致畸性，是自然界中毒性最强的化合物之一。目前已知的十几种黄曲霉毒素中，以黄曲霉毒素B1(AFB1)毒性最强，污染玉米籽粒后，即便是十亿分之一的含量(ppb量级)，长期食用也会造成人类和其他动物死亡。采用经济、高效的检测方式对被黄曲霉毒素污染的玉米籽粒进行判别和剔除，对防止污染籽粒流入食物链、减少死亡和疾病负担至关重要。
[0003]检测黄曲霉毒素的传统化学方法，如酶联免疫、薄膜层析等，操作费时费力、检测材料造价昂贵、且往往需要有专业人员操作，很难满足大宗玉米籽粒的快速无损检测需求。本领域总需要一种操作简单、速度快的适用大宗玉米籽粒的黄曲霉素检测方法。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，我们利用高光谱成像技术结合化学计量学方法，建立了一种能够快速、无损鉴别以玉米为代表的谷物中是否被黄曲霉毒素污染的方法。
[0005]一方面，本申请提供了一种基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤一，选择不同品种的玉米在生长阶段接种产毒黄曲霉菌，获得黄曲霉毒素污染的玉米籽粒，采用高光谱成像仪器对所述样品进行数据采集；
[0007]步骤二，对采集的高光谱图像进行黑白校正和裁剪预处理；
[0008]步骤三，使用波段运算对不同灰度图像进行计算，构建玉米籽粒与背景差异明显的新图像；
[0009]步骤四，利用阈值对新图像分割，掩膜得到只包含籽粒的感兴趣区；
[0010]步骤五，提取感兴趣区的平均光谱，并进行Z
‑
socre标准化；
[0011]步骤六，建立随机森林判别模型；
[0012]步骤七，应用模型识别毒素污染籽粒。
[0013]进一步地，所述黄曲霉毒素为AFB1。
[0014]进一步地，步骤一中所述的不同品种玉米采用杂交玉米TZEI11*PHW53和转基因玉米DKC62
‑
08。
[0015]进一步地，接种的产毒黄曲霉菌型号为NRRL 3357。
[0016]进一步地，黄曲霉毒素污染的玉米籽粒选自产毒黄曲霉菌接种区域的周围。
[0017]进一步地，采集的高光谱数据波段范围为400
‑
1000nm。
[0018]进一步地，用于波段运算的两个灰度图像，是根据玉米籽粒和背景板的光谱曲线
中，玉米籽粒反射率差值相差最大的两点所在波段确定的。
[0019]进一步地，步骤四中，应用阈值将步骤三得到的新图像中背景等无关区域选中，掩膜将玉米籽粒所在区域标记为1，将背景区域标记为0。
[0020]进一步地，步骤五中还包括使用高效液相色谱仪串联柱后衍生定量检测籽粒中黄曲霉毒素。
[0021]进一步地，步骤五中还包括将得到的所有籽粒平均光谱数据按照2：1的比例随机分为训练集和验证集。
[0022]进一步地，在步骤五中，将标记为1的玉米籽粒区域分别选为不同的感兴趣区，每个感兴趣区为一个玉米籽粒，并计算每个籽粒的平均光谱。
[0023]进一步地，步骤七的识别标准为判别准确率。
[0024]本申请中的黄曲霉毒素优选AFB1。
[0025]本专利技术地有益效果主要在于：
[0026]本专利技术所述的玉米籽粒中AFB1鉴别方法，利用高光谱成像技术结合化学计量学方法，建立了随机森林判别模型，可以对玉米籽粒中是否污染了AFB11进行判别，操作简单，可满足快速、无损等在线检测需求。
附图说明
[0027]图1为籽粒伪彩色图像和对应不同区域的光谱曲线；
[0028]图2为阈值选择和背景区域选择。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面通过具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。在以下的实施方法中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
[0030]另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
[0031]实施例1试验材料
[0032]实施例中选用的玉米籽粒，来自自然生长过程中接种了产毒黄曲霉菌的玉米植株，包括转基因玉米DCK62
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08和杂交玉米TZEI11*PHW53两个品种。两种玉米分别种植在26个不同的种植实验区内，每个实验区内有4行植株，每行种植12棵玉米。在玉米植株开花20天后，选取每个实验区中间两行中间的12棵玉米植株上的玉米籽粒，用灭菌手术刀划破部分玉米外皮，伤口长度约5厘米，并在伤口处接种浓度为106个孢子/mL的产毒黄曲霉菌孢子悬浮液(本研究中接种的菌株型号为NRRL 3357，为野生高产毒黄曲霉菌)，作为实验组，剩
余未接种的玉米植株(共36棵)作为控制组。玉米收获后干燥，每个实验区内挑选一个接种组和一个控制组样本，在黑光灯下，从实验组接种真菌的玉米籽粒周围挑选3个有黄绿色荧光的完整籽粒，作为潜在被污染玉米籽粒；从控制组玉米植株上挑选1粒健康完整的籽粒，作为实验对照玉米籽粒；最终用于本研究的玉米籽粒共104粒。
[0033]实施例2建模过程
[0034]建立玉米籽粒中是否存在超过安全标准的AFB1的判别模型，其包括以下步骤：
[0035]步骤一：采集玉米籽粒的高光谱图像数据，波段范围在400
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1000nm。采集玉米籽粒高光谱图像过程中，为保障实验人员的身体健康，待测玉米籽粒被放置在白色Teflon板上，并加盖高透有机玻璃的盖子，防止样品在转移和数据采集过程中，有毒孢子飘散到空气当中。
[0036]步骤二：采集白色标准板的图像作为白参考，关闭光源并盖上镜头盖后采集的图像作为黑参考，用黑白参考对采集到的高光谱图像进行黑白校正，以抑制仪器本身和暗电流带来的随机噪声。
[0037]步骤三：将高光谱数据中背景板和标签等无关区域进行裁剪，只保留中间样本区域用于后续分析，以减少噪声信息，提高后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱成像技术的玉米籽粒中黄曲霉毒素鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，选择不同品种的玉米在生长阶段接种产毒黄曲霉菌，获得黄曲霉毒素污染的玉米籽粒，采用高光谱成像仪器对所述样品进行数据采集；步骤二，对采集的高光谱图像进行黑白校正和裁剪预处理；步骤三，使用波段运算对不同灰度图像进行计算，构建玉米籽粒与背景差异明显的新图像；步骤四，利用阈值对新图像分割，掩膜得到只包含籽粒的感兴趣区；步骤五，提取感兴趣区的平均光谱，并进行Z
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socre标准化；步骤六，建立随机森林判别模型；步骤七，应用模型识别毒素污染籽粒。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述黄曲霉毒素为AFB1。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤一中所述的不同品种玉米采用杂交玉米TZEI11*PHW53和转基因玉米DKC62
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08；优选地，接种的产毒黄曲霉菌型号为NRRL 3357；优选的，其中黄曲霉毒素污染的玉米籽粒选自产毒黄曲霉菌接种区域的周围。4.根据权利要求1所述的方法，其中采集的高光谱数据波段范围为400
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【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，王伟，贾贝贝，张海澄，郭笑欢，杨敏莉，魏超杰，鹿瑶，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：