转基因食物带来的安全性问题是人们所关心的。目前以欧洲为主的许多发达国家正在对这个问题进行着激烈的辩论。这场争论在中国消费者中也造成了一定影响，而且随着技术的发展以及产品投放市场，人们将会更加关注。所谓转基因食品，就是利用生物技术，将某些生物的基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在性状、营养品质、消费品质等方面向人类所需要的目标转变，以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是转基因食品。

   那么，当越来越多的转基因食品呈现在我们面前时，消费者有权知道自己购买的商品是否是转基因食品。目前有不少的消费者虽然已接受了转基因食品，但仍有人认为食用转基因食品可能会对健康造成危害。因此对转基因食品的鉴别技术成为热点......

        近年来太赫兹时域光谱技术的出现为生物检测提供了一种新方法。太赫兹(terahertz，THz)辐射是频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射。其波长在3 000~30 μm之间，其特殊的频段位置(位于电子学和光子学之间的过渡区) 使其在理论研究和实际应用中都具有极高的研究价值。有机分子和生物分子在 THz 频段的光谱特征与其大幅度振动及分子间的互作用相关，不同基因片段转录的氨基酸结构不一样，导致在 THz 波段出现的吸收峰位不一样。而且THz 波的能量非常低(约 1~10 meV)，不会对生物大分子造成伤害。这些特性在对生物大分子的检测时显得尤为重要。

    无论是出于对公众消费者权益的保障与负责亦或是对食品、农业与生态安全方面的考虑，都需要建立起一种科学、合理、透明的机制，对转基因农作物及其产品进行安全监管与科学评价。所以，针对转基因农作物的无损检测技术被寄予了厚望。

         科学家们对抗草甘膦转基因大豆（DP4546RR）、 普通的皖豆 28（Wandou28） 以及抗草甘膦转基因大豆和皖豆 28 杂交的品种（DP4546×Wandou28）进行了太赫兹光谱探测。挑选形态、大小且无破损的 DP4546RR、Wandou28 和 DP4546RR×Wandou28三类大豆种子各60 个样品，总共180个样品。对每个样品采用 TAS7500TS HF1太赫兹时域光谱系统进行光谱扫描。为保证实验数据的准确性， 每个样品均扫描 5次，然后取平均得到实验样品的太赫兹时域光谱信息，总共获得 180 个样品的光谱数据。

图1    转基因大豆（DP4546RR）、非转基因大豆（Wandou28） 

和杂交大豆（DP4546RR×Wandou28）的平均时域光谱图

图2     转基因大豆（DP4546RR）、 非转基因大豆（Wandou28） 

和杂交大豆（DP4546RR×Wandou28） 的平均频域光谱图。

        接下来主要采用反射式太赫兹成像模式对样品进行测试，基本原理就是利用太赫兹成像系统记下待扫描样品的表面每一点的 THz 反射脉冲，然后对反射数据进行处理和分析，获得样品的太赫兹图像。对转基因大豆（DP4546RR）、普通大豆（Wandou28）和杂交大豆（DP4546RR×Wandou28） 进行太赫兹反射成像，在大豆种子成像角度对转基因大豆进行分析。

图3     大豆种子表面反射强度

（a） 转基因大豆；（b） 普通大豆；（c） 杂交大豆

图4     大豆种子的穿透深度

（a） 转基因大豆；（b） 普通大豆；（c） 杂交大豆

        从图 3 中能够明显看出， 转基因大豆（DP4546RR） 的表皮反射强度明显高于非转基因大豆（Wandou28）和杂交大豆（DP4546RR×Wandou28）。同样， 从图4中可以观察到， 转基因大豆（DP4546RR） 的种皮厚度要低于非转基因大豆（Wandou28） 和杂交大豆（DP4546RR×Wandou28）。总体成像结果表明， 太赫兹成像提供了一种可视化的直观方式对转基因大豆种子的识别方法。

    综上所述，太赫兹波能够穿透大豆等有机物，窥探到生物体内部的信息，使得利用太赫兹光谱成像技术鉴别转基因大豆（DP4546RR）成为可能。结果表明，在两种不同介质间会发生反射和折射现象， 根据菲涅尔定理， 获得其反射或折射系数，为太赫兹成像提供了理论上的依据，同时根据两个不同介质表面发射的太赫兹脉冲又可以间接获得大豆种皮厚度。正因如此，利用太赫兹光谱成像技术可以实现转基因大豆鉴别。

       选取不同种类的转基因棉种子（ 陆中6号、鑫秋ｋ638、鲁棉研36号，均购于中国农业科学生物技术研究所）。采用透射式太赫兹时域光谱系统，中心波长为 800nm的激光器，为保证结果的准确性，系统内注入氮气直至内部相对湿度达到 0.2％以下。室内相对湿度为 25％ ，恒温292Ｋ。将不同种类转基因棉种子分别去壳，烘干后碾压成粉末，然后用压片机对转基因棉种子粉末进行压片，制作165个带测样品。

图1  3种转基因棉种子及参考信号THz时域光谱图

图3   3种转基因棉种子THz吸收峰光谱图

        大多数分子振动频率都在太赫兹频段内，主要表现在分子的低频集体振动模式，其位置和强度与分子机构、所处的环境及分子间相互作用等因素有关。对于不同转基因棉种子其内部分子结构不一样可以表现为太赫兹时域及频域响应的差异，如图1和2所示。图3所示为3类转基因棉种子在太赫兹下的特征吸收峰，从图3中可以看出3种转基因棉种子均呈现出独特的吸收峰，其中鲁研棉36号的吸收峰位于在0.57、0.80、0.98THz；鑫秋638号的吸收峰位于0.57、0.5、0.94THz；新陆中6号的吸收峰位于0.55THz。由此，可以根据不同转基因棉种子呈现出的不同吸收峰对转基因棉种子进行区分。

        同样采用了太赫兹时域光谱及成像系统，对转基因水稻种子和非转基因水稻种子进行无损检测分析。实验选取的非转基因水稻种子是皖粳97水稻种子，转基因水稻种子则是将苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis，BT）目标基因转录至皖粳97中。为了避免因不同的生长环境对实验结果造成干扰， 两类水稻种子种植在同一区域， 生长环境及条件均保持一致，且样品收成干燥处理后，用密封袋密封保存在 4℃的干燥环境下。从下图2中，根据种子的太赫兹频域图像清晰度可以推断转基因水稻种子的特征频率在 0.8 THz 左右。

图2   不同频率下转基因水稻种子太赫兹图像（频谱最大值成像）

        为了消除随机噪声，提升信噪比，每个水稻种子样品均结合太赫兹图像提取样品中心像素大小的区域的平均光谱。下图1为转基因和非转基因水稻种子太赫兹时域光谱图，图2为经过快速傅里叶变化后的频域光谱图。转基因和非转基因水稻种子在频域范围内虽然存在吸收峰，但吸收峰均存在 0.6 - 0.8 THz 范围内，因此不能直接对两者进行定性判别。两类样品在频域范围内的区别主要集中在 0.1 – 1.2 THz 范围内。

图1   转基因、非转基因水稻种子时域光谱图

图3   转基因、 非转基因水稻种子光谱数据的前三个主成分构成的三维散点分布图

        从下图可以看出：稀疏表示特征提取，使得特征向量的类间距离增大， 同时使得类内距离减小，很大程度上提高了分类算法的正确率。同时，在对转基因、非转基因水稻种子的太赫兹光谱分类识别上，PCA+SR+RF 分类模型得到了较好的分类结果，为转基因水稻太赫兹光谱快速、无损检测提供了新的有效方法和思路。 

图5   不同分类模型对预测集的分类效果图

（a）SVM（b）PCA+SR-SVM 

（c）RF（d）PCA+SR-RF