通过检测人体呼出气体中的微量丙酮可以筛查出早期的糖尿病患者, 因此寻找能进行微量丙酮气体灵敏探测的材料是一个研究热点。本文计算4d金属杂质Mo、Ru、Rh、Ag掺杂金红石相SnO2(110)表面吸附丙酮分子后的表面电荷布居(氧化还原性能)、态密度、光学性质以及吸附稳定性, 讨论了4d金属杂质掺杂对金红石相SnO2(110)表面光学气敏传感特性的影响。研究结果发现: 各金属杂质对表面的氧化还原性能都有着不同程度的影响; 4d电子在费米能级附近形成杂质峰, 其中Ru-4d电子引入的杂质峰最大, 离费米能级最近, 对SnO2的禁带宽度改善最大; Ru掺杂对于金红石相SnO2(110)表面在可见光范围内(400~760 nm)的光学性质的改善相对于Mo、Rh、Ag掺杂也有着较大的优势; 所有的掺杂表面都能自发吸附丙酮分子, 吸附后稳定性为: Ru＞Rh＞Ag＞Mo。结论表明, Ru掺杂的SnO2作为较为有效的丙酮光学气敏探测材料, 有望通过探测人体呼出气体中的丙酮从而达到改善糖尿病的早期发现和诊断的效率。

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算了金红石TiO2(110)纯净表面以及掺杂N、掺杂Rh和N/Rh共掺表面吸附CO分子后的光学气敏传感特性。研究发现:纯净和掺杂表面吸附CO分子后均表现出光学气敏传感特性,其原因是表面氧空位的氧化作用;而N/Rh共掺杂对表面氧化性改善得最多,吸附CO分子后吸附距离最小,吸附能最大,稳定性最好,且易于实现。因此,相比于纯净及单掺杂体系,N/Rh共掺杂表面对气体有更好的光学气敏传感效应,是一种改进TiO2光学气敏传感材料的良好方式。

对成团泛菌(Pan)、 金黄色葡萄球菌金黄亚种(Sta)、 球芽孢杆菌(BG)和大肠杆菌(EH)四种生物战剂模拟物进行了培养和生长曲线测定, 四种菌的代时分别为0.99, 0.835, 1.07和1.909 h; 设计研制了近场小型荧光测量激光雷达, 266和355 nm波长分别用于测量生物战剂模拟物氨基酸段和NADH段二维荧光谱; 在可控的荧光测量腔室, 测得了分辨率为4 nm的营养态细菌液态气溶胶以及牛血清(BSA)、 卵清蛋白(OVA)两种毒素类模拟物液态气溶胶的二维荧光谱; 二维荧光谱数据表明, Pan, Sta, BG, EH, BSA和OVA气溶胶, 在氨基酸段的荧光谱形与标准荧光组分色氨酸较为一致, FWHM为60 nm, 受培养生化环境、 细菌内部荧光组分及比例的影响, 荧光分子激发态与基态间的能量差增大, 荧光谱带均存在不同程度的蓝/紫移; 在Pan, Sta, BG和EH营养细菌气溶胶中均检出了较弱的NADH荧光组分, 且水、 氮等的拉曼散射不能完全扣除, 光谱锯齿严重, FWHM为100 nm; 二阶求导后的二维荧光谱表明, 荧光谱的高阶处理和分辨识别是可行的。

基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和 弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355, 532, 1064 nm的顺次 进行线偏振测量。数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性; 利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，研究了卤化氢气体(HX，X=F、Cl、Br)在二氧化钛表面吸附和氧空位氧化特性。计算结果显示：1) 含有氧空位表面更容易吸附卤化氢气体，吸附方式为化学吸附，其中HF和HCl被表面氧空位还原，而HBr被表面氧空位氧化，吸附的稳定程度顺序为HF>HBr>HCl；2) 吸附卤化氢气体分子能极大地改善二氧化钛(110)表面的光学特性(包括介电常数、吸收系数和反射率等)，改善能力顺序为HF>HBr>HCl。

TiO2是一种广泛应用的无机金属氧化物半导体材料，利用掺入杂质来改善TiO2的光催化和光电转换性能已成为近年来研究的热点。采用密度泛函理论体系下第一性原理的平面波超软赝势方法研究了单N 掺杂、单Cu掺杂和N-Cu共掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明：N与Cu共掺杂后，由于N2p电子与Cu3d电子协同作用，在TiO2禁带中产生了新的杂质能级。其中一条处于稳态，另一条处于亚稳态，电子跃迁能有效减小，更有利于光生电子-空穴对有效分离，大大改善了TiO2的光催化性能。N 与Cu 共掺杂使TiO2 的光吸收系数曲线在可见光区发生了比单N 掺杂和单Cu掺杂更大的红移，反射率也增大。

对金属氧化物光学气敏传感材料TiO₂的探索与应用是当前研究的热点问题。采用基于密度泛函理论(DFT)中的平面波超软赝势方法，模拟计算CO₂分子在锐钛矿型TiO₂ (101)表面的吸附行为，对吸附能，吸附距离，电子态密度以及光学性质进行分析。结果表明：CO₂分子在含O空位表面的吸附效果优于无氧空位表面，且表面O空位的浓度越高，吸附效果越明显；分子平行于表面放置模型的吸附能为正值，吸附后的结构稳定，且以O端吸附为主，为此，分子平行于表面放置O端吸附于含两个O空位表面为最可能吸附模型；对电子态密度分析发现，当最佳模型吸附稳定后，含O空位表面为P型杂质，又有CO₂分子中的2p电子掺入，在费米能级附近出现新峰值，改善了TiO₂材料的光学性质，体现出较好的光学气敏传感特性。

提高TiO2光催化活性已成为近年研究的热点。选取第一过渡金属Cu 与Cr 共同掺杂金红石相TiO2，运用基于密度泛函理论体系下的平面波超软赝势方法探讨了Cu-Cr 共掺杂对金红石相TiO2电子特性和光学性质影响的微观机制。结果表明：Cu-Cr 共掺杂TiO2在禁带中形成了5 条新的杂质能级，其中价带顶的一条杂质能级主要是Cu3d 轨道的贡献，而费米面附近的4 条亚稳态杂质能级主要由Cr3d 轨道和O2p 轨道相互作用产生，有效减小了电子的跃迁能，改善了TiO2的光催化活性。Cu-Cr 共掺杂也改善了TiO2的光学性质，使光谱红移，反射率增大，对可见光的吸收和反射能力比单掺杂更稳定。

光学气敏材料吸附气体分子后导致光学性质发生变化，运用这一原理来检测环境中的气体成分，称为光学气敏效应。采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法，研究了光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附H2S分子的微观特性，计算了TiO2(110)表面吸附能、电荷密度、态密度和光学性质的变化。结果表明，TiO2最稳定的表面是终止于二配位O原子的(110)面，只有含有氧空位的表面才能稳定吸附H2S，且氧空位比例越高，越有助于H2S吸附于表面；表面吸附H2S以水平吸附方式为主，在氧空位比例达到33%时，吸附能为0.7985 eV；吸附的实质是表面氧空位具有氧化性，氧化了H2S分子。在可见光400~760 nm范围内，存在氧空位的TiO2(110)表面吸附H2S后都可改善表面的光学性质。氧空位缺陷浓度越高，改善材料对可见光的吸收和反射能力越强，光学气敏响应能力越佳。

研究光学气敏材料吸附气体后的光学气敏特性是气敏传感研究的热点问题。研究了金红石相TiO2(110)面吸附NH3的微观机制和光学气敏特性。结果表明，NH3分子容易被含氧空位缺陷的金红石相TiO2(110)面所吸附，且提高表面氧空位的比例，有利于NH3稳定吸附。表面吸附NH3分子以负电荷中心向下为主，当氧空位比例为33%时，吸附能为1.7313 eV。表面吸附NH3为化学吸附，NH3的H原子被还原而N原子被氧化。含氧空位的表面吸附NH3在可见光1.5~3.1 eV范围内，表面氧空位比例越大，其对可见光吸收和反射能力越强，光学气敏性越灵敏。