为了检测金属材料生产、使用过程中的厚度损失及表面裂缝损伤,对比分析了激光干涉仪和电磁超声换能器(EMAT)对金属激光超声信号探测的准确度和实用性。采用激光干涉仪表面波信号与纵波信号相结合的方法探测了铝板厚度,并根据背面纵波信号测量了铝板表面裂痕缺陷深度;采用EMAT表面波信号确定铝板裂痕缺陷的位置,纵波信号确定铝板的厚度。结果表明,相比激光干涉仪的复杂激光超声信号接收光路,EMAT铝板测厚及裂痕缺陷位置检测的误差均在4%以下,且裂痕缺陷位置的预测值不会随着表面裂痕缺陷深度的减小而增加。可见,采用激光超声与电磁超声相结合的方法可有效地降低检测条件的复杂性,提高激光超声的实用性。

基于三维荧光光谱法,以含有不同类型润滑油、机油、柴油、汽油的土壤样品为研究对象,分别提取不同土壤样品的三维荧光光谱,然后计算不同样品的荧光强度均值、标准差、重心横纵坐标、相关系数、长轴斜率、偏度和峰度等7个特征参数,并作为不同油类的识别特征。对7个特征参数进行主成分分析(PCA),前3个主成分累计贡献率为88.79%,但经聚类分析发现5w-40型润滑油和15w-40型润滑油的主成分混叠较强,无法准确实现分类。将经PCA得到的3个主成分作为反向传输人工神经网络的输入量,将石油烃有机物的种类作为输出量,以进行油类识别,综合识别率达到95.6%。实验结果表明,基于三维荧光光谱方法直接从油污土壤中识别污染油可行,该方法为后续研究基于三维荧光光谱识别土壤中油类污染物提供了技术支持,具有较好的应用前景。

针对藻类叶绿素荧光信号微弱难以准确检测的问题,提出了基于m序列调制技术的叶绿素荧光检测系统。 分析了荧光检测电路的噪声特点,设计了基于T型电阻反馈网络的I/V转换电路和二级放大电路；根据m序列解调原理, 设计了双极性转换电路、移相电路和基于AD630的荧光信号解调电路。将系统应用于蛋白核小球藻叶绿素荧光检测, 结果表明,对于叶绿素浓度为10 μg/L的蛋白核小球藻,测量相对标准偏差为2.61%。在0～100 μg/L叶绿素 浓度范围内,检测系统输出直流电压值与蛋白核小球藻叶绿素浓度之间的线性相关系数达到0.998。

诱导击穿光谱技术（LIBS）具有实时快速、 多元素同时探测的优势, 并且无需样品预处理, 检测成本低, 是土壤重金属定量分析检测的一种重要分析手段。 将LIBS技术应用于冶炼厂区周围土壤中重金属的含量分布分析研究, 利用Cu, Pb和Cr三种元素的特征谱线强度分析了冶炼厂区周围土壤中Cu, Pb和Cr三种元素的含量分布。 实验结果表明冶炼厂区土壤LIBS光谱中Cu和Pb两种元素的特征谱线强度分布与实际含量分布呈较好的线性关系, 而Cr元素的特征谱线强度分布与实际含量分布相关性较差。 为了提高Cr元素含量分布分析的准确性, 利用CF-LIBS结合Saha方程应用于土壤Cr元素的含量分布分析中。 实验结果表明基于CF-LIBS计算的Cr和Si两种元素含量比值分布与土壤Cr元素的实际含量分布之间具有良好的一致性。 相比于其他的化学分析方法, LIBS技术结合CF-LIBS可以快速的对区域土壤重金属元素的含量分布进行检测, 因此将LIBS技术与CF-LIBS相结合用于土壤重金属的含量分布检测中, 为污染区域的重金属防治提供方向。

利用课题组自主研制的便携式激光诱导击穿光谱测量系统定量分析土壤及固体废弃物中四种重金属元素Pb, Cd, Cr和Cu。 实验采用中心波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源, 工作频率为3 Hz, 单脉冲能量为100 mJ, 脉冲宽度为6 ns; 以高分辨率、 宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和增强型电荷耦合器件为谱线分离与探测器件, 探测范围为200~500 nm, 分辨率为0.08~0.12 nm。 为了提高光谱强度及检测灵敏度, 通过半球空间约束装置对等离子进行约束, 并采用多芯光纤实现多通道不同角度光谱信号收集, 接收角度为45°。 实验时激光重复频率为2 Hz, 延时为1.5 μs, 门宽为1.05 ms。 文章创新性地将曲线拟合代替直线拟合用于标准加入法定量分析基质未知样品中重金属元素, 有效提高了测量结果的准确性, 尤其是低浓度的土壤样品, 直线拟合无法定量分析重金属含量, 相比而言, 曲线拟合相关系数更高, 测量结果更接近国标方法, 可以满足一级土壤污染的检测。 七个土壤及固体废弃物样品检测的相对误差如下, 直线拟合相对误差分别为: Pb 1.26%~79.38%, Cr -22.44%~82.06%, Cu 15.09%~190.50%, Cd 32.76%~167.96%, 曲线拟合相对误差为分别Pb -4.19%~11.92%, Cr -38.31%~9.26%, Cu -7.24%~26.86%, Cd -10.52%~12.94%, 相对误差平均值为10.47%。

针对水体重金属污染检测的需求, 研究了以高纯石墨片为水体富集基底, 样品多次富集结合等离子体空间约束的水体重金属LIBS检测方法, 并对Pb, Cu, Cd, Ni等不同重金属元素的测量稳定性及检测限进行了分析。 实验采用波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q激光器, 分辨率为0.1 nm的光纤光谱仪分别对上述水体中重金属元素含量的特征光谱进行分光探测。 结果表明, 样品多次富集结合空间约束方法能够有效地提高水体重金属检测的灵敏度及稳定性并降低元素检测限, 空间约束条件下特征光谱强度增强约2.5倍, 光谱稳定性也得到提高, 相对标准偏差由非约束情况下的11.34%降低至8.77%。 对不同浓度的Pb, Cu, Cd, Ni四种重金属元素进行检测并建立定标曲线, Pb, Cu, Cd, Ni的检测限均低于国家工业废水排放标准的1/6, 满足工业废水重金属的检测需求, 为工业废水重金属的减排控制与超标排放预警监测提供了一种有效方法和技术支持。

为了提高水体重金属LIBS检测的灵敏度以及降低元素检测限, 采用LIBS结合铝电极富集方法对水体中的重金属Pb, Cd, Ni进行了分析。 研究并优化了电极富集方法中关键参数—富集电压U, 分析了LIBS特征谱线的光谱强度与富集电压大小之间的关系, 得出重金属元素特征光强随着富集电压先增加后减小, 在1.2　V处光谱强度达到最大值, 选择了最优富集电压值为1.2　V。 研究了Pb, Cd, Ni三种重金属元素的光谱稳定性, 其特征谱线光谱强度的相对标准偏差(RSD)分别为5.98％, 4.25, ％和5.27％, 说明该实验方法得到的谱线具有较高的稳定性。 在0～ 0.13 mg·L-1范围内配制系列样品进行实验并对元素进行定量分析, 得到Pb, Cd, Ni三种重金属元素的检测限分别为1.2, 3.1和1.7 ppb。 结果表明: LIBS结合铝电极富集方法能够有效地提高特征谱线的稳定性以及降低元素的检测限, 为提高水体重金属LIBS的检测灵敏度和分析能力提供了方法支持。

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性, 采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe, Pb, Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。 研究了4条特征谱线FeⅠ: 404581 nm, PbⅠ: 40578 nm, CaⅠ: 42267 nm和MgⅠ: 518361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系, 获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为10 μs。 在单脉冲和双脉冲条件下, 得到了4条特征谱线FeⅠ: 404581 nm, PbⅠ: 40578 nm, CaⅠ: 42267 nm和MgⅠ: 518361 nm光谱强度的增强倍数分别为223, 231, 242和210; 分析了特征谱线FeⅠ: 404581 nm和CaⅠ: 42267 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系, 双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比; 比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性, 在双脉冲条件下, 等离子体温度最大升高了730 K, 电子密度最大增加了18×1016 cm-3。 单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1, 再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。 以上结果表明: 再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性, 为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。