1 中国科学技术大学，安徽 合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230026
4 合肥学院自动化系，安徽 合肥 230601
5 中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100084
6 粤港澳环境质量协同创新联合实验室，广东 广州 510000
7 国家环境保护大气复合污染来源与控制重点实验室，北京 100084
傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术已被广泛用于监测环境大气中的温室气体和痕量污染气体。本课题组基于便携式傅里叶变换红外光谱仪（EM27/SUN）收集的近红外太阳吸收光谱，利用非线性最小二乘拟合光谱反演算法，反演了深圳市沿海大气水汽及其稳定同位素HDO的柱浓度，并计算了水汽同位素比值δD以及水汽蒸散同位素。在2023年2月27日到3月11日观测期间，干空气柱平均摩尔混合比的平均值为3226.11 mg/kg，标准偏差为27.42 mg/kg，）与大气地表温度高度相关，相关系数为0.94。观测期间，水汽同位素比δD在-122.52‰和-16.54‰之间变化。利用Rayleigh蒸馏模型理解δD与水汽柱浓度之间的关系，结果发现ln（δD×1000+1）与ln（）之间有着显著的相关性（R=0.74），表明该地区大气水汽稳定同位素变化与水汽系数变化有着较大的相关性。最后，利用Keeling比值分析方法进行分析，结果显示，大气水汽蒸散同位素特征在（-289.92±8.89）‰和（21.79±7.19）‰之间变化。便携式FTIR光谱仪及其测量方法能够被用于准确观测大气水汽及其稳定同位素的时间变化，为海边大气水循环研究提供了基础数据。
光谱学 近红外光谱 傅里叶变换红外光谱技术 水汽 稳定同位素
1 中国农业大学营养与健康系, 北京 100193
2 北京小仙炖生物科技有限公司, 北京 100020
3 中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083
4 北京小仙炖生物科技有限公司, 北京 100020河北省燕窝鲜炖技术创新中心, 河北 廊坊 065700
食用燕窝可以调节肠道菌群, 改善人体免疫。采用傅里叶变换红外光谱技术对鲜炖燕窝进行光谱扫描, 并用特征的光谱吸收峰与服用燕窝后的小鼠肠道菌群进行关联性分析, 解析燕窝中的功能因子与肠道菌群的关联, 为探讨燕窝调控肠道机理奠定研究基础。 结果表明, 服用仙炖燕窝后肠道菌在属水平上: 有益菌Lactobacillus和Lachnospiraceae_NK4A136_group呈现上升趋势, 有益菌Faecalibaculum和Akkermansia呈现下降趋势; 有害菌Desulfovibrio、 Enterorhabdus和Candidatus_Saccharimonas均呈现下降趋势。 两个产品燕窝的红外差异光谱主要集中在1 700～1 200 cm-1波段范围, 主要为酰胺键、 芳香CC键以及羧基CO基团的分布区, 这些官能团与有益菌Lactobacillus和Lachnospiraceae_NK4A136_group呈现正相关, 与有害菌Desulfovibrio和Enterorhabdus呈现负相关。 随后利用高分辨质谱对相应的鲜炖燕窝产品进行物质解析, 发现主要成分有氨基酸类, 脂类(磷酸酯类、 脂肪酰、 鞘氨醇等), 酯类和唾液酸等物质, 这些物质与肠道菌呈现不同的相关性, 总的来说脂类物质中特别是一些磷酸酯类(磷脂酸、 磷脂酰胆碱、 磷脂酰甘油、 磷脂酰乙醇胺)和脂肪酰类物质与有害菌呈现负相关, 与有益菌呈现正相关。 这些物质所含有的特征官能团也可以与红外结果相对应。 以上结果表明, 傅里叶变换红外光谱技术可为探讨燕窝中功能因子调控肠道菌群研究提供理论依据。
鲜炖燕窝 傅里叶变换红外光谱 功能因子 肠道菌群 Fresh stewed bird′s nest Fourier transform infrared spectroscopy Functional factors Intestinal flora 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2452
1 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室（河海大学）， 江苏 南京 210024河海大学环境学院， 江苏 南京 210024
2 江苏环保产业技术研究院股份公司， 江苏 南京 210019
3 江苏省苏力环境科技有限责任公司， 江苏 南京 210019
环境条件的变化能够影响和改变溶解态有机质（DOM）的组成结构及化学特征， 进而影响其生物地球化学循环过程。 采用同步荧光光谱、 三维荧光光谱、 傅里叶变换红外光谱（FTIR）， 结合二维相关光谱分析方法， 研究了pH条件变化对DOM特性及其与Cu2+相互作用的影响。 结果表明， （1）随着pH值由5逐渐升高至10， DOM不同组分的荧光强度显著增强， 其中类腐殖酸组分变化最显著， 类富里酸组分变化最优先， 这是由于pH的变化引起的醛酮、 酚基、 羧基等相关基团暴露导致的。 （2）荧光光谱二维相关分析表明， pH的改变能够显著地影响DOM不同组分与Cu2+的结合能力， 但并不能影响其结合顺序。 三维荧光光谱结合平行因子分析共解析出3个荧光组分， 荧光组分的淬灭曲线非线性拟合结果更是定量验证了这一结果。 （3）FTIR结果表明高pH条件下DOM与Cu2+结合点位更多， 结合强度更强。 pH 5和pH 10条件下DOM官能团与Cu2+的结合顺序分别依次为: 多糖C—O>酚基>醛酮CO>芳香族C—H和多糖C—O>酰胺Ⅱ带C—N>酚基>脂肪族C—H>醛酮CO>羧基C—OH>芳香族C—H>羧基CO。 荧光光谱和FTIR的异谱二维相关分析进一步表明Cu2+与DOM类腐殖酸组分的相互作用滞后于酚基和芳基等基团。
荧光光谱 傅里叶红外光谱 溶解态有机质 二维相关 Fluorescence spectroscopy Fourier transform infrared spectroscopy Dissolved organic matter pH pH Two-dimensional correlation 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1628
1 中国国家博物馆, 北京 100006
2 金属文物保护国家文物局重点科研基地(中国国家博物馆), 北京 100006
二十世纪七十年代在对铁器进行保护修复时, 文物保护修复人员根据器物的锈蚀程度对器物进行了清洗、除锈、脱盐、粘接、封护等处理。时隔四十多年, 再次审视和查看当年保护修复过的四件铁器时, 为了更科学地了解当时使用的保护修复材料的现状, 本工作采用傅里叶变换显微红外光谱(Micro-FTIR)和热裂解气相色谱-质谱(Py-GC/MS)分析了铁器上的保护修复材料: 粘接剂和封护剂。显微红外非常适合分析微量有机物。Py-GC/MS在分析样品时无需对样品进行前处理, 可直接对样品进行热裂解分析;该方法操作比较简单、灵敏度高、能实现多组分混合有机样品识别, 非常适合用于评价文物上的混合有机材料。该工作既能为铁器上文物保护修复材料的现状提供科学评价方法, 也为评价过去使用过的保护修复方法、铁器的长久保存提供重要的指导。
铁质文物 粘接剂 封护剂 傅里叶变换显微红外光谱 热裂解-气相色谱/质谱 Iron artifacts Adhesive Sealing materials Micro-fourier transform infrared spectroscopy Pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry
Author Affiliations
Abstract
Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, Riyadh 11432, KSA
This work presents a new technique based on modulating the IR absorbance of each substance in a mixture in a chirped manner to reduce the effect of their partial spectral absorption overlap on the accuracy of determining their concentrations. This chirped spectral modulation CSM algorithm can deal with mixtures containing unknown substances rather than the substances whose concentrations are aimed. This novel algorithm, when compared to existing pattern recognition techniques, makes it easy to analyze the constituents of a mixture with high accuracy in the presence of traces of unknown components. It is found that the new algorithm can detect the presence of gas pollutants such as sulfur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen dioxide in a sample containing many other unknown polluting substances. This new algorithm is tested on air samples composed of predetermined percentages of air constituents and the results of calculations are compared with those of classical least squares CLS pattern recognition algorithm. The comparison showed that the new algorithm can detect down to very small traces of harmful gases such as NO2, and SO2, at least one order of magnitude less than those detected by the CLS approach. Finally, the new algorithm is used to examine collected air samples from an industrial zone, and in the middle and at the exit of a road tunnel in Riyadh area which showed that the percentages of sulfur dioxide, nitrogen dioxide, and carbon monoxide are well below the safe levels.
Pattern recognition techniques Environmental pollution monitoring techniques Pollution detection Fourier transform infrared spectroscopy Gas pollutants in the atmosphere Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023005
1 安徽大学电子信息工程学院, 安徽 合肥 230601
2 安徽大学互联网学院, 安徽 合肥 230039
利用傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 技术能够对有机物的成分及含量进行快速无损测量。作为重要的有机化工原料, 乙烯在塑料、醇类和纤维等大宗化学品的制造中有着广泛的应用, 但同时由于其易挥发性, 乙烯对环境和人体有着潜在的危害。为提高FTIR技术检测乙烯浓度模型的精度, 综合迭代保留信息变量法 (IRIV) 和模拟退火算法 (SA) 的优点, 提出了改进的IRIV-SA红外光谱波数优选算法。该方法在IRIV算法稳定选取大量光谱特征波数的基础上, 利用SA进一步筛选少量有效特征波数, 从而降低模型复杂度, 提高有机物光谱检测精度。实验首先利用IRIV-SA对乙烯红外光谱的浓度进行波数选取, 最终获取的特征波数由全光谱的271个变量降低至 5 个变量, 再利用特征波数进行建模, 结果表明其验证集相关系数、均方根误差为0.9989和0.3943, 预测集相关系数、均方根误差为0.9978和0.6652, 较全光谱建模精度有大幅提高。为进一步验证该算法的有效性, 同时建立IRIV、SA、CARS (自适应重加权采样算法)、SPA (连续投影算法) 以及IRIV-CARS、IRIV-SPA波数选取模型对相同数据集进行对比实验, 比对结果表明IRIV-SA算法优于上述 6 种波数选取方法, 是一种更有效的特征波数优选方法。
傅里叶变换红外光谱 乙烯 波数优选 迭代保留信息变量 模拟退火算法 Fourier transform infrared spectroscopy ethylene wavenumber selection iteratively retains informative variables simulated annealing algorithm
1 合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学纳米矿物与污染控制安徽省普通高校重点实验室, 安徽 合肥 230009
3 安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司, 安徽 马鞍山 243000
微生物的生长代谢往往受盐度的影响, 因此筛选出耐盐性强的菌株对含盐废水的生物处理意义重大。 选取一株从海洋分离具备耐盐异化金属还原的功能细菌(DMRB)——耐盐希瓦氏菌(Shewanella aquimarina XMS-1)作为研究对象, 探究盐度对XMS-1还原Fe3+过程及胞外聚合物变化的影响。 考察了不同盐度下XMS-1的Fe3+还原能力和胞外聚合物(EPS)的含量, 并采用三维荧光光谱(3D-EEM)、 拉曼光谱(Raman spectra)、 红外光谱(FTIR)及其对应的二维相关光谱(2D-COS)分析了XMS-1还原Fe3+过程中EPS的变化。 结果表明, 蛋白为XMS-1 EPS中主要物质, 占EPS含量的80%以上, 多糖的含量相对较少, 3%盐度条件下会促进XMS-1的EPS产量, 表明XMS-1在高盐环境中会分泌更多的EPS来保护细胞进行正常的生理活动。 Fe3+还原过程在盐度为1%~4%时得到促进, 而在盐度高于5%时则受到抑制, 过高盐度会抑制XMS-1的生长, 导致Fe3+还原率下降, 其中3%盐度下Fe3+还原率最高可达44.1%, 相对于对照组增加了2.18倍。 FTIR和Raman光谱结果显示XMS-1 EPS中含有羧基、 羟基、 氨基和羰基等金属离子氧化还原功能基团, 其中3%盐度下EPS中蛋白酰胺类和多糖类代表峰增强, 蛋白酰胺类代表峰变化显著, 含O-和N-基团参与了Fe3+还原过程。 此外3D-EEM结果显示, Fe3+还原过程结束后, EPS中色氨酸和酪氨酸两种荧光组分强度均下降, 结合2D-COS光谱结果分析, 发现色氨酸类蛋白在Fe3+还原过程中先发生了显著变化, 表明这两种荧光组分参与了Fe3+的还原过程, 其中色氨酸类蛋白在还原过程中作用更强。 本研究不仅丰富了对耐盐菌EPS胞外电子转移过程的认识, 也突出了EPS在自然环境中铁氧化还原转化的意义。
耐盐希瓦氏菌 Fe3+还原 胞外聚合物 傅里叶变换红外光谱 拉曼光谱 二维相关光谱 Salt-tolerant Shewanella aquimarina XMS-1 Fe3+ reduction Extracellular polymeric substances Fourier transform infrared spectroscopy Raman spectra Two-dimensional correlation spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1320
1 吉林农业大学食药用菌教育部工程研究中心, 吉林 长春 130118
2 吉林农业大学植物保护学院, 吉林 长春 130118
平菇是我国大宗食用菌品种之一, 产量位居我国食用菌的第三位。 平菇不仅味道鲜美, 而且含有丰富优质的蛋白质及具有多种生物活性的平菇多糖, 深受消费者喜爱。 市场上的平菇产品众多, 质量参差不齐, 并且现有营养成分分析方法耗时长、 成本高, 难以满足平菇等大宗食用菌的营养成分检测需求。 傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术具有检测速度快、 操作方便、 可同时分析多种化合物、 安全环保等特点, 将其与化学计量学结合, 构建数学模型, 能满足对平菇等大宗农产品营养成分的快速检测、 分析及评价。 以平菇为研究对象, 在全国范围内收集主栽平菇样品85份, 分别进行红外光谱扫描, 并运用多元散射校正(MSC)、 标准正态变换(SNV)、 正交信号校正(OSC)、 光滑加一阶导数(F-G D)、 光滑加二阶导数(S-G D)等5种光谱数据预处理方法, 通过比较模型验证集回归系数, 确定平菇蛋白质模型最佳预处理方式为OSC结合S-G D, 平菇多糖模型最佳预处理方式为OSC结合F-G D。 在最佳光谱预处理下, 采用LASSO算法对7458个光谱波段进行特征波段提取, 获得平菇蛋白质特征波数93个, 平菇多糖特征波数92个, 压缩率达到98%。 将特征波数与化学方法检测得到的平菇蛋白质、 多糖含量值进行拟合, 建立PLS模型。 结果显示, 蛋白质模型校正集回归系数R2为0.999 8, RMSECV为0.047 7, 验证集回归系数R2为0.987 2, RMSEP为0.506 8, RPD为8.840 6大于3； 多糖模型校正集回归系数R2为0.999 9, RMSECV为0.020 1, 验证集回归系数R2为0.980 3, RMSEP为0.292 9, RPD为7.119 8大于3, 模型拟合效果均较好, 预测能力及稳健性良好。 该研究为傅里叶变换红外光谱技术在食用菌营养成分含量快速预测方法的建立提供参考, 为平菇产品的营养品质评价的建立提供基础, 促进平菇乃至其他食用菌产品的优质化发展。
平菇 傅里叶变换红外光谱 化学计量学 含量预测 Pleurotus ostreatus Fourier transform infrared spectroscopy Stoichiometry Content prediction 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1262
1 合肥学院自动化系, 安徽 合肥 230061
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
高准确和高精度测量环境大气CO2浓度, 对于监测区域和城市温室气体的排放至关重要。 基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术, 利用便携式FTIR光谱仪采集近红外太阳吸收光谱, 基于非线性最小二乘算法, 反演获得了2016年9月至2020年5月期间合肥地区环境大气的CO2柱浓度。 观测结果表明, CO2气体的柱浓度有着明显的季节变化, 在春季出现最大值, 夏季下降速度快, 秋季达到最小值。 柱平均干空气混合比浓度XCO2的日均值位于(401.23±0.60)和(418.41±0.31) ppm之间, 而2017年观测的月均值有着6.96 ppm的季节幅值。 并且, 观测期间XCO2呈现逐年增长的趋势, 年平均增长率为(2.71±0.66) ppm·yr-1。 为了验证便携式FTIR光谱仪观测的准确性和可靠性, 我们将其观测结果与高分辨率FTIR仪器同步测量结果进行比较, 发现观测的XCO2的偏差均值为1.32 ppm, 二者的相关系数r为0.97, 两个数据显示高度一致性。 同时将观测结果与GOSAT卫星数据作了横向比较, 两个数据的平均偏差为(0.63±1.76) ppm, 二者的相关系数r为0.86, 显示出地基数据与卫星数据有高相关性。 最后, 将合肥站点2020年秋季观测数据与上海站点同期观测数据进行了比较, 发现上海站点与合肥站点的CO2柱浓度变化基本一致, 合肥观测点的XCO2日均值位于(415.09±0.84)和(417.80±0.67) ppm之间, 上海观测点的XCO2日均值位于(411.87±1.07)和(416.63±1.70) ppm之间, 表明同步观测期间合肥的CO2柱浓度略高于上海市。 地基FTIR光谱仪的观测结果可为追踪合肥地区温室气体的碳源与碳汇提供基础数据。
二氧化碳 柱浓度 傅里叶变换红外光谱技术 季节变化 Carbon dioxide Total column Fourier transform infrared spectroscopy Seasonal variation 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1036
北京科技大学科技史与文化遗产研究院, 北京 100083
考古出土/出水的饱水木质文物保存状态千差万别, 内部降解不均匀、 差异大, 又有取样的限制, 造成许多必需的材性定性定量分析和保护效果评价测试难以进行, 因此亟需开发实验室可控制备的人工降解饱水木材技术, 以获取大量重复性好、 性质均匀的样品供研究使用。 以健康黄松为原料, 探索使用NaOH-真空浸渍-高压水热的联用法制备人工降解饱水木材, 取得了初步的成功。 制备的人工降解饱水木材的最大含水率(MWC)为260%, 340%和575%, 分别达到国际上普遍认定的低、 中、 高度降解饱水考古木材的MWC水平。 红外光谱(FTIR)显示制备的人工降解饱水木材纤维素结构保存较为完好, 氢键部分断裂; 半纤维素显著降解, 主链、 侧链有断裂现象, 1 732 cm-1特征峰消失; 木质素有部分降解, 1 508 cm-1处木质素芳香环骨架振动等吸收峰相对强度降低并发生偏移。 近红外反射光谱(NIR)显示, 制得的样品的三大素均发生降解, 半纤维素降解程度最高, 木质素次之, 木质素相对含量升高, 表现为C=O相对含量增加。 在1 536~1 580 nm区域形成宽峰且峰强度降低, 表明纤维素结晶区分子内部、 分子间氢键结构均发生断裂。 NaOH-真空浸渍-水热联用法与国际上现用的常压高浓度NaOH浸渍法相比, 所需NaOH溶液浓度从50%以上降低到1%、 处理时间从数月缩短至10 h, 制备效率大大提升, 所制得的饱水木材的最大含水率显著增大, 与考古木材相近, 细胞壁化学结构降解程度显著增大。 NaOH-真空浸渍-水热联用法有望实现在实验室可控、 快速、 大量制备不同降解程度的人工降解饱水木材, 对饱水木质文物保护水平的提高具有一定的促进意义。
饱水木质文物 人工老化 红外光谱 近红外反射光谱 Waterlogged wooden artifacts Artificial degradation Fourier transform infrared spectroscopy Near infrared reflectance spectroscopy 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2941
