华太极光光电技术有限公司产品开发部, 上海 200030
利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态 α-乳糖的光谱特性, 首先实验以传统透射式光谱技术为基准, 获得了 0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰; 其次, 取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与 1.8 mg的 α-乳糖, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰, 增加样品剂量对 0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响; 最后取相同剂量的 2份 α-乳糖, 一份过筛至 75 μm, 另一份未过筛, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰; 减小样品颗粒度, 在 0.53 THz, 1.36 THz附近吸收强度增加。
太赫兹时域光谱系统 衰减全反射 α-乳糖 Terahertz Time-Domain Spectroscopy system attenuated total reflection α-lactose 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(3): 311
渭南师范学院化学与材料学院, 陕西 渭南 714099
红外(IR)光谱是液体物质定性分析的重要工具。 液体IR光谱常用液膜法制样、 透射(TR)法测试, 所需用的盐窗价格昂贵、 易受力或受潮开裂且表面清洁不彻底或划伤容易造成测试干扰, 而且可拆卸液体池安装麻烦, 进样时混入空气也会造成测试干扰。 研究液体物质红外光谱的简便测试方法, 比较改进的TR法(用在一次性压制的KBr片上涂覆液体的涂片法制样)与衰减全反射(ATR)法在液体IR光谱测试中的优劣。 选取6种挥发性、 吸水性、 腐蚀性不同的液体试剂, 采用改进的TR法和ATR法测试其IR光谱, 比较两种方法所测谱图, 并与SDBS谱库中谱图进行比较; 同时研究扫描次数和分辨率对ATR法测试谱图的影响。 结果发现, 两种方法用于液体IR的定性分析都很准确。 改进的TR法简化了制样过程且避免了清洁盐窗, 降低了成本, 但水的干扰仍难以避免; 相比之下, ATR法无需制样, 更简便、 快速, 水的干扰基本可以忽略, 虽然谱图的整体强度和精细程度不如TR法, 但通过提高分辨率、 增加扫描次数可得到高质量的谱图。 对于易挥发液体, 用改进的TR法和ATR法测试时需加大液体用量; 对于强酸性和/或腐蚀性液体, 建议采用改进的TR法测试; 对于吸湿性液体, 用ATR法测试的谱图更容易解析。 相比之下, 除强酸性和/或腐蚀性液体外, 其余液体物质皆可用ATR法快速完成IR光谱的准确检测。
红外光谱 液体物质 涂片法 透射法 衰减全反射法 Infrared spectroscopy Liquid matter Smearing method Transmission method Attenuated total reflection method 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2143
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,激光与光电子研究所, 天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
3 陆军军医大学西南医院神经外科, 重庆 400038
冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。
医用光学 太赫兹波 衰减全反射 冲击性脑创伤 支持向量机 光学学报
2022, 42(10): 1017001
山东科技大学电子信息工程学院, 青岛市太赫兹重点实验室, 山东 青岛 266590
随着人口的增长和社会的迅速发展, 水资源短缺和水污染问题日益严重。 水质分类作为水质污染评估工作中的一项重要环节, 其意义和作用也更加突出。 基于太赫兹衰减全反射(THz-ATR)光谱和模式识别技术, 提出了一种水质分析模型。 利用太赫兹时域光谱系统和衰减全反射模块测量了纯净水、 自来水、 河水、 海水A和海水B五种水样的太赫兹衰减全反射光谱, 通过光学参数提取模型获得0.2~1.0 THz频率范围内五种水样的折射率、 吸收系数、 介电常数实部和介电常数虚部。 利用主成分分析(PCA)对折射率进行降维和特征提取, 分别作出样品在第一、 二主成分上的二维得分图和前三个主成分上的三维得分图, 结果显示, 基于折射率的主成分得分图可以明显的区分不同的水样。 为了进一步对不同水样进行准确分类, 将降维之后的数据输入到支持向量机(SVM)中构建水样分类模型, 每种水样随机选取其中的五分之三作为训练集, 剩余的数据作为测试集, 同时引入网格搜索(GridSearch)、 遗传算法(GA)和粒子群(PSO)三种优化算法对支持向量机参数进行优化。 结果显示, 基于网格搜索算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.414 2和2.0, 准确率为99.0%; 基于遗传算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.675 4和5.966 5, 准确率为99.5%; 基于粒子群算法的支持向量机最优参数c和g分别为3.154 9和12.589, 准确率为100%。 可以看出, 使用不同的优化算法得到的最优参数不同, 所构建的支持向量机分类模型都可实现正确的分类, 且分类准确率均高达99.0%以上。 研究结果表明, 利用粒子群优化算法基于折射率构建的PCA-SVM分类模型效果最优, 可以准确识别不同水样, 为水质分类奠定了基础。
太赫兹 衰减全反射 主成分分析 支持向量机 Terahertz Attenuated total reflection Principal component analysis Support vector machine
1 福建农林大学材料工程学院, 福建 福州 350108
2 福建工程学院生态环境与城市建设学院, 福建 福州 350108
利用衰减全反射红外光谱(ATR-IR)分析NaOH对水及1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯离子液体水溶液(EmimAc/水)氢键网络的影响, 研究结果表明, NaOH的加入会影响水分子的氢键对称性和类型, 对称性氢键谱带Ⅰ(3 218 cm-1)和Ⅱ(3 375 cm-1)随着NaOH浓度的提高而降低。 NaOH使水溶液氢键发生极化, 产生连续吸收带, 连续吸收带随着NaOH浓度的提高而增强。 水对EmimAc的阳离子和阴离子均有影响。 水分子的OH和EmimAc的COO-产生强的相互作用, 在3 400~3 200 cm-1产生宽的吸收谱带; 而水分子的质子和COO-作用使得C＝O吸收谱带红移。 水的加入使得EmimAc指纹区的谱带蓝移或吸收强度下降, 表明水可以破坏EmimAc原有的氢键网络, 形成“阴离子···HOH···阴离子”团簇, 减弱了离子液体阴、 阳离子之间的相互作用。 NaOH替代水与EmimAc混合, ATR-IR谱图的变化并不显著, 主要表现在谱带的吸收强度上。 与EmimAc/水相比, EmimAc/NaOH水溶液的ATR-IR谱的吸收强度更高, 表明NaOH水溶液对EmimAc氢键网络的破坏不如水显著。 由此可见, 可利用EmimAc/NaOH体系降低离子液体体系黏度, 并且降低离子液体使用成本, 对木质纤维原料预处理有一定的指导意义。
1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯 氢氧化钠溶液 衰减全反射红外光谱 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate Sodium hydroxide solution Attenuated total reflection spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3106
1 北京工商大学食品安全大数据技术北京市重点实验室, 北京 100048
2 中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081
应用太赫兹时域光谱技术结合区间偏最小二乘法筛选玉米种子水分THz特征波段, 并采用支持向量机构建基于特征谱区的抗非线性干扰的种子水分快速定量分析模型。 实验以郑单958玉米种子为例, 制备含水量范围9.58%~12.71%的种子粉末样本40组(每组取样3份), 采用衰减全反射(ATR)附件扫描得到120份样本太赫兹时域光谱, 根据SPXY(光谱-理化值共生距离算法)法划分得到训练集样本90份, 测试集样本30份。 种子水分对太赫兹波具有强烈吸收, 首先采用基于偏最小二乘线性回归的移动区间(mwPLS)、 独立区间(iPLS)、 后向区间(biPLS)和联合区间(siPLS)方法筛选最优特征谱区组合; 鉴于环境水分、 种子其他成分及系统噪声对种子水分太赫兹光谱存在不可避免的非线性干扰, 在上述光谱特征区间进一步采用基于RBF核函数的支持向量机和网格搜索法构建得到预测性能最优的种子水分快速定量分析非线性模型, 训练集均方根误差为0.021 2, 预测集均方根误差为0.069 7, 相对分析误差为12.345 7, 相较于传统偏最小二乘线性回归模型, 模型性能得到提升。 种子水分含量是影响种子贮藏安全和种子活力的重要因素, 实验结果表明: 太赫兹时域光谱结合化学计量学可以有效筛选种子水分特征吸收谱区, 建立抗干扰、 高精度的种子水分快速定量分析模型, 有望成为未来种子质量快速测定领域一项极具应用潜力的补充技术。
太赫兹时域光谱 衰减全反射 种子水分 谱区筛选 支持向量机 Terahertz time-domain spectral Attenuated total reflection Seed moisture Spectral region screening Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2005
渭南师范学院化学与材料学院, 陕西 渭南 714099
红外(IR)光谱是进行物质结构分析常用的工具, 广泛应用于各种固态、 液态、 气态材料的分析检测。 由于测试方法和制样过程直接影响IR测试结果的准确性, 研究了比较常用的衰减全反射(ATR)法与透射(TR)法在固体物质的IR光谱测试中的优劣。 选取3种常见高分子、 3种无机物以及3种有机小分子化合物作为研究对象, 分别用ATR法和TR法测试其IR光谱。 结合制样过程及谱图解析, 对谱图中异常现象进行了深入剖析。 TR法制样复杂、 干扰因素多: 样品与KBr混合研磨过程易吸收空气中水分, 对含N—H和O—H基团的样品分析会造成干扰; 样品太浓或太厚谱图会出现平头峰, 导致谱图无法解析; 样品颜色太深重时, 样片透光性差, 吸收峰强度整体减弱。 与TR法相比, ATR法无需制样, 省时省力且减少了吸水的可能性。 ATR法吸收峰的整体强度小于TR法, 因方法原理不同造成的。 尽管ATR法吸收峰的波数小于TR法几到几十cm-1, 但出峰位置在合理范围内, 定性分析不受影响。 由于ATR法测试时光进入样品的深度很浅(仅2~15 μm), 故谱图不会出现平头峰。 由于短波长的光不能穿透样品那么深, 故ATR法谱图中吸收峰的强度随波长的减小而减弱, 导致官能团区峰强度显著减小、 指纹区峰强度大大增强, 此问题可通过测试软件的“ATR校正”功能修正, 也可在定量分析中加以利用: 以测试的原始谱图对指纹区吸收峰定量, 以校正后谱图对官能团区吸收峰定量。 相比之下, ATR法不受样品颜色、 形状、 厚度限制, 测试简便、 快速、 准确、 无损、 样品可回收, 在高分子、 颜色深重以及易吸湿物质的IR测试上有明显优势。 故推荐广泛使用ATR法进行固体IR光谱检测。
红外光谱 固体物质 衰减全反射法 透射法 Infrared spectroscopy Solid matter Attenuated total reflection method Transmission method 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2775
宜春学院物理科学与工程技术学院电子信息工程系, 江西 宜春 336000
利用棱镜和金属膜组成Kretschmann模块,有机膜、金属膜和玻璃片组成衬底模块,当两个模块相互靠近时,就会构成以纳米空气间隙和有机膜为导波层的双面金属包覆波导结构。双面金属包覆波导结构中激发的导模共振的共振角与纳米空气间隙厚度之间呈线性关系,当选择其中一个模式的反射率曲线为探测信号时,就可通过测量其共振角的变化实现纳米空气间隙厚度的测量。数值模拟计算结果表明,这种结构可以实现0~100 nm范围内空气间隙厚度的测量,测量分辨率可达1 nm。
测量 衰减全反射 导模共振 双面金属包覆波导 超灵敏 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 212302
中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
大气气溶胶PM2.5是形成大气灰霾的主要因素,在中国大部分城市已成为首要污染物。2014年春节前夕对郑州市进行了为期一周的大气颗粒物PM2.5样品采集,利用偏最小二乘(PLS)多元变量定量分析模型,分析了郑州市SO2－4、 NO－3和NH+4三种水溶性离子的衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR), 并与离子色谱(IC)分析结果进行了对比。分析了郑州市春节前夕SO2－4、NO－3和NH+4的污染特征和趋势,初步判定了气溶胶的污染来源。
光谱学 偏最小二乘 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 水溶性离子 定量分析 spectroscopy partial least squares attenuated total reflection Fourier transformed in water-soluble ions quantitative analysis
