1 南华大学电气工程学院超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001
2 南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001
数值研究了由同心C3型孔和圆环孔单元结构组成的复合超表面在近红外波段内的表面等离子体三重法诺共振效应与光学传感现象。研究结果表明，通过改变C3单元结构的对称性破缺不仅能够诱导产生可调的多重法诺共振效应，还能构建基于该效应的自参考光学传感。此外，通过改变圆环单元结构的内半径能够实现基于法诺凹陷深度的辐射监测传感。该研究为设计紧凑、可调谐的法诺共振光子器件提供了新的视角，同时可将周期性亚波长金属纳米结构扩展至生物传感和光通信领域的相关应用。
光电子学 表面等离子体光子学 表面等离子体 光学传感和传感器 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0925001
1 河海大学理学院, 江苏 南京 210098
2 江南大学理学院, 江苏 无锡 214122
3 山西医科大学基础学院化学教研室, 山西 太原 030051
4 中交建机场勘测设计研究院, 广东 广州 510000
5 中交第四航务工程勘察设计院有限公司, 广东 广州 510000
近年来年份白酒市场中行业规范有所缺失, 因此年份白酒的研究具有深远意义和市场价值。 白酒中单体物质的浓度会随着白酒的年份改变, 检测白酒中单体浓度可用来鉴定白酒质量及其年份。 基于国内某品牌年份原桨白酒的三维荧光光谱, 对其中乙酸浓度进行了建模研究。 对原始光谱进行了小波分解和求导预处理。 研究发现小波分解第一层和第二层呈噪声特征, 浓度信息主要分布在第三层和第四层信号中。 不同激发波长的荧光发射光谱强度分布不同, 如何选择合适的激发波长目前还没有一个统一的方法。 根据小波分解信号引入有效信号强度概念并获得了合适的建模激发波长(200 nm); 导数光谱的细节特征比原始光谱丰富, 光谱求导可以提高光谱的分辨率。 研究了乙酸浓度与荧光光谱的相关性, 原始荧光光谱与乙酸浓度之间相关性较小, 小波分解光谱和导数光谱与浓度的相关性达0.8以上, 且呈现出更多离散化的相关性特征峰。 因此, 小波分解光谱和导数光谱中包含更多乙酸浓度信息且分布比原始光谱更广。 基于荧光光谱和模拟退火法研究了乙酸浓度偏最小二乘法(PLS)多元回归模型。 研究发现原始光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差高达70.03 mg·L-1, 模型效果较差; 小波分解光谱和导数光谱由于光谱之间多重相关性降低且分辨率提高的特点, 模型预测效果更好, 其中二阶导数光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差和相关系数分别为20.32 mg·L-1和0.999 8, 建模效果最好。 基于1 000次循环执行模拟退火算法建模得到的光谱信息密度曲线显示出二阶导数光谱比原始光谱包含更多的乙酸浓度信息。 以乙酸为例, 为年份白酒中物质浓度预测提供了一种简易的光学方法, 研究方法对研究多组分渐变体系浓度预测具有一定的参考价值。
荧光光谱 年份白酒 乙酸 模拟退火算法 Fluorescence spectrum Year liquor Acetic acid Simulated annealing algorithm 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2159
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 河海大学理学院, 江苏 南京 210098
为了探究金属失效与金属靶材厚度的关系,使用纳秒激光诱导冲击波,获得高压冲击压强。建立了该激光诱导的冲击波加载下TC4钛合金靶材的力学仿真模型,根据计算结果预测TC4靶材损伤情况。根据仿真模型,进行对应的激光加载实验,分析实验结果,并与模拟的结果作对比。当靶材厚度为0.05 mm,纳秒激光脉宽为10 ns,单脉冲能量为7 J,频率为1 Hz,光斑直径为5 mm时,仿真结果预判靶材发生损伤,实验结果和模拟结果一致。
激光光学 纳秒激光 有限元分析 失效分析 激光与光电子学进展
2019, 56(16): 161403
1 南华大学 机械工程学院, 湖南 衡阳 421001
2 南华大学 电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
3 超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室, 湖南 衡阳 421001
为提高医用TC4钛合金表面熔覆羟基磷灰石(HA)涂层的植入稳定性和生物活性, 采用激光熔覆方法制备出不同含硅量的CaP生物陶瓷涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了熔覆层组织形貌和物相组成。结果表明: 添加SiO2(1wt.%、3wt.%)后形成Ca2SiO4相, 熔覆层中部组织细化。通过电化学腐蚀和体外SBF浸泡实验研究了SiO2含量对涂层耐腐蚀性和生物活性的影响。电化学腐蚀结果表明: 随着SiO2含量的增大, 涂层表面腐蚀电流密度逐渐减小; 体外SBF浸泡结果表明: 添加SiO2可以加快涂层表面类骨磷灰石的形成, 其中, 添加SiO2为1wt.%时涂层表面类骨磷灰石呈均匀分布。因此, 低含量SiO2可以提高生物陶瓷涂层的耐腐蚀性和生物活性。
激光熔覆 TC4钛合金 SiO2-HA涂层 耐腐蚀性能 生物活性 laser cladding TC4 titanium alloy SiO2-HA coating corrosion resistance bioactivity 红外与激光工程
2019, 48(6): 0606007
1 河海大学理学院, 江苏 南京 210098
2 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094
3 北京航空工程技术研究中心, 北京 100076
利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法, 研究了中等气压、 中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。 理论上, 采用基于流体模型的COMSOL软件仿真, 建立一维等离子体放电模型, 以Ar气为工作气体, 研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。 实验上, 依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极, 采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气, 测量了不同气压、 不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。 通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线, 分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度, 并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。 结果表明: 当气体压强为300~400 Pa、 输入功率为600~800 W时, 等离子体近似服从玻尔兹曼分布, 此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。 仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数, 增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围, 扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合, 为中等气压容性耦合等离子体在工业与**上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。
容性耦合等离子体 COMSOL仿真模拟 光谱法诊断 Capacitive coupled plasma COMSOL simulation Spectrum diagnosis 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1007
1 南华大学 机械工程学院, 湖南 衡阳 421001
2 南华大学 电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
采用5 kW横流CO2激光器对表面预涂覆HA和SiO2混合粉末的TC4钛合金激光熔覆获得低含硅量生物陶瓷涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)分析熔覆层的显微组织与物相成分, 通过模拟体液(SBF)浸泡实验初步探讨涂层的生物活性, 并通过电化学腐蚀中的动电位扫描实验研究涂层在SBF中的腐蚀行为。实验结果表明, 低含硅量生物陶瓷涂层与基体呈冶金结合, 在SBF中熔覆层的腐蚀电位与基材相比提高了84.4 mV, 腐蚀电流密度下降了约6倍, 在SBF中浸泡7天后熔覆层表面沉积了大量的类骨磷灰石, 熔覆层表现出良好的耐腐蚀性和生物相容性。
激光熔覆 TC4钛合金 含硅生物陶瓷涂层 生物活性 耐腐蚀性能 laser cladding TC4 titanium alloy SiO2-HA coating bioactivity corrosion resistance 红外与激光工程
2018, 47(3): 0306003
1 河海大学理学院, 江苏 南京 211100
2 南京航空航天大学理学院, 江苏 南京 210016
采用荧光光谱法、紫外可见吸收光谱法以及同步荧光光谱法研究了米格列奈钙与牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用。实验结果表明,米格列奈钙对牛血清白蛋白的荧光有较为明显的猝灭作用,其猝灭机制为动态猝灭,遵循Stern-Volmer方程;根据F rster的非辐射能量转移理论,计算出米格列奈钙分子与牛血清白蛋白分子的结合距离为5.461 nm;用同步荧光光谱技术探究了米格列奈钙对BSA构象的影响,结果发现,当激发和发射波长差为60 nm时,荧光峰位发生了微小的蓝移,说明BSA色氨酸残基附近的外围微环境受到了米格列奈钙分子的影响,极性减弱, BSA的疏水性增强。
光谱学 光学 荧光猝灭 荧光光谱 米格列奈钙 牛血清白蛋白 蛋白质构象 光学学报
2017, 37(11): 1130002
1 南华大学 电气工程学院,湖南 衡阳 421001
2 南华大学 机械工程学院,湖南 衡阳 421001
运用分子动力学模拟的方法,采用LAMMPS程序模拟了六方晶格结构的4H-SiC材料辐照下级联碰撞过程。先建立4H-SiC晶体结构模型,再模拟了不同能量的初始碰撞原子(PKA)级联碰撞产生点缺陷的演化。模拟结果表明,总的点缺陷包括空位缺陷、间隙原子和反位缺陷,并以空位缺陷和间隙原子为主,给出空位缺陷与间隙原子的空间分布图；级联碰撞产生的空位缺陷数量与PKA能量成线性关系；空位缺陷与间隙原子的空间分布,特别是空位缺陷与间隙原子聚集区域,与PKA能量有密切关系。上述结果为分析4H-SiC基材电子器件在辐照环境下电学性质变化提供理论基础。
分子动力学 级联碰撞 缺陷 4H-SiC 4H-SiC molecular dynamics cascade collision defect
1 河海大学理学院, 江苏 南京 210098
2 中交建机场勘测设计研究院, 广东 广州 510000
3 中交第四航务工程勘察设计院有限公司, 广东 广州 510000
4 南京航空航天大学理学院, 江苏 南京 210016
利用人体血清240 nm激发波长荧光光谱在220～900 nm波段针对血糖浓度进行建模分析。 在模拟退火算法和偏最小二乘算法的基础上进行建模波长变量筛选方法的改进。 基于变量入选模型统计频率和无关变量消除法, 分别进行了波长的初选和精选过程。 同时, 加入了主成分数自适应特性等加快收敛速度、 减小计算量的措施。 该模型对比了线性、 三次样条函数、 高斯函数作为偏最小二乘法插入基函数的情况下, 分别对原始光谱、 Daubechies小波分解第三层和第四层细节信号光谱建模。 结果显示, 该模型避免了主成分参数尝试导致的时间成本, 在参数自适应的过程中很快趋于稳定并得到对应条件下的最佳建模主成分数。 其波长变量筛选能力使得对独立样本的分析预测效果有了显著的提升, 最佳建模预测效果达到0.25 mmol·L-1, 达到了血糖检测的医用要求。 加入了非线性建模条件使得模型有明显的改善, 基于样条函数的效果总体最好, 其次为基于高斯函数的情况。 对原始光谱进行小波分解, 得到的细节信号光谱建模效果更为可观。 总体而言第四层细节信号光谱建模效果略优于第三层细节信号光谱。 模型筛选波长变量的频率意味着在所给实验条件下的血糖浓度信息在不同波段的分布情况, 这为血糖在血清成分中的物理化学特性提供了一定程度上的统计解释。
荧光光谱 血糖 模拟退火算法 变量选择 Fluorescence spectrum Glucose Simulated annealing algorithm Variable selection 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2817
1 江苏大学化学化工学院, 江苏 镇江 212013
2 海南精细化工重点实验室, 海南 海口 570228
研究了具有生物相容性的低聚壳聚糖衍生物与活性药物牛血清白蛋白(BSA)之间的作用。 合成了聚合度为20的窄分子量分布低聚壳聚糖 (NLCS20)的3种衍生物: N-马来酰化低聚壳聚糖(MNLCS)、 N-羧甲基低聚壳聚糖(CNLCS)和N-琥珀酰化低聚壳聚糖(SNLCS)。 通过紫外光谱(UV)、 荧光光谱和等温滴定微量热仪(ITC)研究了NLCS20衍生物与BSA之间的相互作用。 结果表明, BSA的构象在NLCS20衍生物溶液微环境中没有发生变化, 活性也没有受到影响。 NLCS20衍生物与BSA的作用过程是放热的且是自发进行的, 主要作用力是氢键和疏水作用。 说明低聚壳聚糖衍生物能够作为潜在的亲水药物如活性医药蛋白或氨基酸的运输载体。
低聚壳聚糖 衍生物 牛血清白蛋白 作用 Low molecular weight chitosan Derivative Bovine Serum Album Effect 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1814
