多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能, 是制作下一代光电探测器件的理想材料。 以石墨烯的带间隧穿理论为基础, 提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型, 纳米带的两端与源极和漏极相连, 夹在半导体基质和上下栅极之间。 利用这个模型, 建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制, 讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理, 研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系, 探讨了探测器的偏置电压, 耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响, 并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。 结果表明, 探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加, 受带隙, 耗尽层长度和偏置电压的影响, 最大的响应率约为103 A·W-1; 通过限制上栅压, 带隙等变量可以控制系统暗电流, 增大探测器的探测率, 最高探测率约为109 cm·Hz1/2·W-1。 多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收, 提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力, 实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测, 探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。

近年来, 我国频繁发生的灰霾污染事件和常态性的高细颗粒物浓度（PM2.5）, 已经引起了全世界范围的广泛关注。 卫星遥感能够对大气污染进行快速准确地监测。 然而在大气遥感领域具有代表性的中分辨率成像光谱仪(NASA/MODIS), 其云监测和暗像元反演算法通常把灰霾当做薄云、 雾或地表亮目标处理, 无法反演霾天的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)。 笔者研究了云、 雾、 霾、 地表覆盖等不同像元在可见光、 近红外以及红外通道的光谱特性。 基于MODIS数据, 参考相关的云监测和气溶胶反演算法, 选取多个对灰霾敏感的光谱通道, 计算表观反射率和亮度温度。 针对不同波段, 分别探讨了霾与薄云、 低层云、 雾、 浓密植被和地表亮目标等像元之间的光谱差异, 统计灰霾分布的阈值区间, 并设计基于MODIS卫星遥感数据的灰霾识别自动处理流程。 通过对2008年华北平原春夏两个重霾事件进行测试, 该算法的霾分布监测结果与卫星真彩图具有较好的一致性。 基于北京和香河AERONET站点观测的高AOD数据, 验证了本算法的霾识别率接近80%, 在一定程度能够弥补MODIS标准气溶胶算法用于灰霾天的不足。 最后, 分析了灰霾识别过程中的主要误差来源, 并提出了基于霾纹理特征, 以及其他辅助数据支撑的改进方法。

单金纳米棒（gold nanorod AuNR）的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。 由于金纳米棒（AuNRs）独特的局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance LSPR）特性, 金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。 根据该课题组的研究经验, 对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、 应用、 进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。 较为全面地介绍了: (1)AuNR散射光谱相关的各类技术, 包括: 暗场技术, 零差和外差技术, 光子晶体技术, 空间调制和偏振调制技术等； (2)AuNR散射光谱特性, 包括: 光谱线形函数, 线宽, 衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等； (3)相关光谱技术近年来的发展。 重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。 主要是基于AuNR线性的方法, 如直接和间接的散射检测方法。 注重强调了介质环境（如底物, 表面结合的分子或其他纳米材料等）的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。 特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究, 无论是直接的还是间接的散射的方法, 大都给出实验与理论模型精确的比较。 这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。

雾霾天气已经影响到了人们的日常生活, 对雾霾成分进行测量非常重要, 雾霾的主要构成成分为SO2和NO2及颗粒物。 目前对气体及颗粒物浓度进行同时测量的研究还很少, 用差分吸收光谱法(DOAS)对同时测量气体及颗粒污染物浓度进行了探索性研究。 通过对多组不同配比的SO2, NO2及颗粒物组成成分的吸收光谱进行了模拟, 由DOAS方法反演了各组分的浓度。 模拟单一组分时, 气体浓度从100变化至1 000 ppm, SO2浓度反演误差不大于0.17%, NO2误差不大于0.64%, 颗粒尺寸从100变化至500 nm, 浓度反演误差不大于2.08%。 模拟气体多组分时, SO2浓度与NO2浓度比在1∶10到5∶1的范围内时, 误差均较小, SO2误差不超过8%, NO2误差不超过5%, 然SO2与NO2浓度之比大于10, NO2的反演误差高于10%。 模拟同时测量SO2, NO2及颗粒物浓度时, 气体浓度的反演误差均在10%以内, 而颗粒物浓度的反演误差对系统的信噪比依赖较大, 当信噪比在40 dB以上时, 误差在10%以内, 而信噪比低于30 dB时, 误差高于20%。 通过上述研究结果表明, 差分吸收光谱法能很好地同时测量多种气体及颗粒物浓度, 用来测量分析雾霾成分。 然测量环境气体吸收差异过大时, 强吸收气体对弱吸收气体影响很大, 信噪比较低时, 颗粒浓度反演的误差也大为增加, 需要更好的滤波及去噪方法。

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、 散射作用影响的荧光光谱, 能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。 为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰, 从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱, 搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统, 实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。 提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数, 包括组织中血液体积分数、 血氧饱和度、 黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例, 进而计算可见波段范围内的组织光学参数； 然后, 根据组织光学参数和实测的漫反射光谱, 从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。 进行临床试验验证, 采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱, 并复原皮肤固有荧光光谱。 通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量, 并最终用于糖尿病无创筛查。 结果显示, 分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时, 在特异性水平同为75%时, 敏感性分别为69%和90%。

在课题组前期建立的计算双核分子体系解析势能函数的代数能量自洽法（algebraic energy consistent method, AECM）的基础上, 引入了经改进得到的精确研究双核分子完全振动能谱的变分代数法（variational algebraic method, VAM）, 获得了计算双核分子体系精确解析势能函数的变分代数能量自洽法(variational algebraic energy consistent method, VAECM)。 基于有限的精确实验振动能谱数据, 利用VAECM方法研究了Li2分子13Δg, 33Σ+g, 13Σ－g和b3Πu等4个电子态的完全振动能谱和解析势能函数。 获得了各电子态包含高阶的振动光谱常数、 完全振动能谱、 振动力常数fn和势能展开系数an, 并通过可调变分参数λ最终确定了VAECM解析势能函数的具体表达形式。 计算结果与其他方法的研究结果进行了比较, VAECM方法获得的振动能谱数据和势能解析表达形式能更好地描述这些电子态在渐近区和离解区的物理行为, 消除了利用前期AECM方法研究这些电子态在离解区出现的非物理势垒现象。

高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数, 气体中残余水汽含量即使是ppbv量级也会对产品质量产生影响。 气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线, 在该区域对水汽含量进行检测十分必要。 宽调谐范围、 高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展, 推动了该区域红外光谱检测技术的发展。 首次在中红外波段, 采用5.2 μm可调谐量子级联激光器, 基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置, 并开展了痕量水汽检测实验。 通过阿伦方差分析系统噪声水平, 确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。 根据HITRAN数据库, 模拟实验条件下1 905～1 925 cm-1范围内水汽的吸收截面, 选取最佳的检测谱线位置。 在常压和室温下, 对1 918 cm-1附近的水汽吸收光谱进行测量, 测定高纯氮气中的痕量水汽浓度, 检测结果与标称值一致。 在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8 ppbv。 分析结果表明, 中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、 环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。

利用波长为1 064 nm, 最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温, 一个标准大气压下对Mg合金冲击, 改变激光能量, 得到相应的Mg等离子体特征谱线。 分析谱线, 发现谱线有不同的演化速率, 同时得到了MgⅠ, MgⅡ离子谱线, 证明此实验条件下, 激光能量足够Mg合金靶材充分电离。 选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线, 利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度, 激光能量为500 mJ时, 等离子体温度为1.63×104 K。 实验结果表明: 在本实验条件下, Mg原子可以得到充分激发； 在200～500 mJ激光能量范围内, 等离子体温度随着激光能量的降低而衰减, 在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显, 200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓； 激光能量为300 mJ时, 谱线相对强度明显减弱, 低于350和250 mJ的谱线相对强度, 不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势, 证明发生了等离子体屏蔽现象, 高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。 此时的等离子体温度明显升高, 不符合变化趋势, 这是由于在发生等离子体屏蔽现象时, 激光能量被等离子体吸收, 导致等离子体温度上升。

太赫兹频谱对分子非局域振动模式的变化较为敏感。 因此, 其波形容易受到多种理化因素的影响, 会产生峰值改变、 频移, 甚至整体波形的变化, 单一地从固定峰值特征与物质的对应关系上进行组分分析和物质鉴别容易产生较大误差甚至错误。 针对此问题, 提出区别于局部特征提取方法的基于核优化相关向量机（KO-RVM）的整体图形特征提取方法, 并与支持向量回归算法（SVR）进行比较。 结果表明, 经过期望最大化算法进行基函数参数控制的RVM适用于太赫兹透射谱的特征提取, 可对每种物质的光谱数据进行稀疏表示, 控制提取图形特征的数量。 利用已提取特征构造的模型能够还原频谱曲线的整体特征, 对谱线各频段的拟合效果更加一致, 同时所提取的特征还可作为不同物质间太赫兹光谱相似性度量和共同特征发现的依据。

应用傅里叶红外光谱仪和激光拉曼光谱仪测试了RNA碱基在太赫兹波段（1～10 THz）的红外和拉曼光谱, 同时结合Guassian09软件和周期性边界条件下基于能量的分块方法（PBC—GEBF）, 分析了RNA碱基晶体的红外和拉曼光谱特征, 得到了所有特征峰位置及其对应的振动模式, 且计算光谱与测试光谱一致吻合, 表明碱基粉末样品为无定形晶体结构。 通过对红外光谱的分析可知, 在太赫兹波段, 腺嘌呤和鸟嘌呤都有6个红外活性振动模式, 胞嘧啶和尿嘧啶分别为6个和3个红外活性振动模式, 与实验结果相比, 除了鸟嘌呤6.35 THz处的弱吸收峰没能重现, 4.83和5.39 THz处的吸收峰简并； 胞嘧啶4.3和4.79 THz处吸收峰简并； 尿嘧啶3.32和3.82 THz处的吸收峰简并外, 其他吸收峰的位置和强度均被准确地模拟重现。 通过对拉曼光谱的分析可知, 理论和实验光谱基本一致, 除了尿嘧啶3.52和4.48 THz处特征峰简并； 鸟嘌呤7.26和8.03 THz, 3.57, 4.02, 4.49, 4.89和5.98 THz处特征峰简并外, 其他特征峰的位置和强度均被准确的模拟重现。 通过对特征峰的分析和辨认, 可知在1～10 THz, RNA碱基的振动模式均来源于晶格内分子的集体振动, 分子间的氢键和弱相互作用力对振动模式的贡献很大, 进一步分析可知, 在1～5.5 THz, 其振动模式来自所有原子参与的集体振动, 在5.5～10 THz, 振动模式来自于部分原子参与的集体振动。 此项研究对揭示RNA碱基在构成生物大分子结构、 生物大分子鉴定以及太赫兹波段光谱的形成机制等方面, 具有重要的理论和实际参考价值。

针对中药炮制前后成分变化会影响中药用药疗效的问题, 采用四种大黄炮制品为研究对象, 利用太赫兹时域光谱系统和化学计量学处理方法获得了中药大黄光谱数据, 按照中药大黄炮制品的种类对光谱数据进行了区分。 同时, 薄层色谱法研究显示大黄在不同炮制方法处理后, 其炮制品中基础物质蒽醌和鞣质类化合物含量发生变化, 而该实验获得的这四种大黄炮制品太赫兹光谱数据之间的关联性与上述变化规律相吻合。 这就说明太赫兹光谱技术对中药炮制品的物质成分是敏感的, 此方法可以为中药炮制过程中物质结构变化的研究提供重要参考。

基于太赫兹反射时域光谱技术, 分别利用迭代算法和遗传算法提取葡萄糖多晶太赫兹频段的两个光学参数, 即折射率和吸收系数, 并将遗传算法与迭代算法进行对比分析。 研究结果表明: 当将利用弱吸收近似条件所获得的光学参数作为迭代算法的初始值时, 采用迭代算法可以提高计算效率。 然而, 迭代算法对初始值敏感, 当初始值偏离实际值较大时, 迭代算法不能保证获得较高精度的光学参数； 遗传算法通过参数编码、 初始种群、 遗传操纵、 参数控制和条件约束等设计, 保证了算法的收敛性和种群多样性。 而且, 遗传算法的最优解并不依赖于初始种群。 与迭代算法相比, 采用遗传算法所获得的物质的光学参数拥有更高的精度。 因此, 在基于THz光谱技术提取物质的光学参数时, 本文建议采用智能优化的算法, 这样可以获得高精确度的光学参数。

采用可见/近红外光谱技术结合化学计量学方法对油茶籽油三元体系掺假进行定量检测研究。 将菜籽油和花生油按不同比例掺入纯油茶籽油中, 获得掺假样本。 采集纯油茶籽油及掺假样本在350~1 800 nm范围内的可见/近红外光谱数据, 随机分为校正集和预测集, 并从不同建模波段、 预处理方法及建模方法角度对掺假预测模型进行优化。 研究结果表明, 菜籽油、 花生油和总掺伪量的最优建模波段及预处理方法分别为750~1 770, 900~1 770 , 870~1 770 nm和多元散射校正(MSC)、 标准归一化处理(SNV)和二阶微分, 而最优的建模方法均为最小二乘支持向量机(LSSVM)。 对于最优掺假模型, 菜籽油、 花生油和总掺伪量的预测集相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.963, 0.982, 0.993和2.1%, 1.5%, 1.8%。 由此可见, 可见/近红外光谱技术结合化学计量学方法可以用于油茶籽油的三元体系掺假定量检测。

云相态是气候模式中的重要参数, 也是遥感反演过程中进行云滴有效半径、 云水含量等微物理参数反演的重要前提。 在研究了云层有效发射率光谱对云相态敏感性的基础上, 提出了基于云层有效发射率光谱的云相态表达特征, 包括800～900 cm-1区域的有效发射率斜率、 900～1 000 cm-1区域的有效发射率斜率、 上述两个区域的有效发射率斜率之差、 862.1与989.8 cm-1的有效发射率之比、 862.1与989.8 cm-1的有效发射率之差、 1 900.1与2 029.3 cm-1的有效发射率之比、 远红外窗区有效发射率平均值与900 cm-1有效发射率之比等7个特征。 建立了利用支持向量机进行云相态判别的方法, 开展了模拟数据验证试验, 并利用遗传算法优化了支持向量机的径向基核函数参数和惩罚因子。 将该方法用于处理ARM计划中SGP站点的AERI仪器获得的数据, 得到的云相态判别结果与Shupe提出的多仪器综合判别结果进行了比较。 结果表明, 利用红外波段不同窗区的有效发射率光谱特征可以实现发射率低于0.95的云层的相态判别, 建立的基于支持向量机的云相态判别方法与Shupe方法的总体判别结果较为一致, 但有约30%的云层由于发射率较大而标记为不透明云。 基于红外高光谱发射率数据的云相态判别技术充分考虑了光谱斜率、 比值和差值等信息, 是较为稳定有效的薄云相态判别方法。

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、 辐射效应以及云、 气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。 利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。 针对光谱数据的特点, 进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析, 在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。 具体特征参数包括: 热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、 中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、 热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、 1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。 研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性, 选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。 实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度, 并可通过经验关系计算云水路径。 研究表明, 该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当, 冰云的云滴有效半径相对偏小, 两者的云水路径反演结果差异较大。 该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。

可见光与红外热图像的彩色图像融合技术是现今国内外高性能夜视技术发展的重要方向之一, 该技术有效提高了人们对目标的探测和场景理解能力。 目前常用的色彩传递算法多属于基于单幅参考图像的全局色彩传递算法, 彩色融合图像的色调受到参考图像的影响较大, 在实际应用中难以保证对各类场景的适应性。 针对常规YUV空间色彩传递彩色图像融合算法的环境适应性问题, 通过对植物、 城镇和海天三类典型场景的分类与统计, 发现了典型场景在UV通道的均值和标准差具有的较为明显的分类特性, 由此提出了一种基于UV通道均值和标准差的自适应参考图像构造方法, 使得可见光与热红外彩色图像融合算法具有较常规算法更好的环境适应性, 融合图像的色彩具有较好的自然感, 且算法处理量较小, 对现有实时硬件融合处理算法的运算速度影响不大, 是一种环境适应性强的自然感彩色融合处理算法。

利用近红外光谱技术对食用植物油中的腐霉利进行定性检测研究。 以国家标准规定的腐霉利最大残留限量为界线, 将不同腐霉利含量的食用植物油样本分为合格组和不合格组。 采用QualitySpec台式近红外光谱仪采集两类样本的光谱, 利用无信息变量消除 (UVE)和子窗口重排分析(SPA)方法进行波长变量筛选, 并应用线性判别分析(LDA)、 偏最小二乘-线性判别分析(PLS-LDA)及判别偏最小二乘(DPLS)方法建立两类样本的分类模型。 结果表明, 近红外光谱技术可以对两类样本进行分类。 UVE方法可以有效筛选有用波长变量, 提高分类模型的性能。 UVE-DPLS所建立的分类模型性能最优, 其预测集样本的分类正确率、 灵敏度及特异性分别为98.7%, 95.0%和100.0%。

针对小麦品种多分类问题, 使用近红外光谱进行定性分析。 建模样本增加能够使模型包含信息增多, 但同时也会导致信息冗余, 增加建模时间和存储空间, 所以需要通过样本选择降低数据量。 如果盲目选择必然会使信息丢失, 模型效果将大打折扣, 因此, 在传统选择方法基础上, 提出k近邻-密度样本选择方法。 使用多天采集的小麦种子近红外漫反射光谱, 在对其原始光谱进行预处理和特征提取后, 分别使用随机抽样、 k近邻和k近邻-密度三种方法进行建模样本选择, 然后建立仿生模式识别模型和改进的仿生模式识别模型。 实验结果显示, 在建立的仿生模式识别模型中, 使用k近邻-密度样本选择方法的模型识别效果优于另两种方法, 且建模样本量大大降低； 而在改进的仿生模式识别模型中, 使用k近邻-密度样本选择方法识别效果明显优于随机抽样, 略好于k近邻方法, 但使用k近邻-密度方法所选择的样本数量远少于k近邻方法。 结果证明k近邻-密度样本选择方法不仅能够大大降低建模样本量, 而且保证了模型质量, 对解决小麦品种多分类问题有明显效果。

油气储层裂缝既是重要的储油空间, 又是油气运移的主要通道, 因此, 裂缝表征非常重要。 然而储层岩石具有强烈的非均质性, 如何精确表征非均质储层裂缝是需要亟待解决的问题。 利用显微红外光谱技术可以对矿物分子的光谱曲线进行分析, 得到不同的峰值特征, 精确获得岩石介质成分、 裂缝的大小、 裂缝充填物特性等。 以任丘潜山型碳酸盐岩非均质储层为例, 基于显微红外光谱技术, 通过分析岩心光片显微红外成像光谱图和不同特征区域的光谱曲线, 获得了目标样品岩石介质的物化特性和空间分布特征, 预测了裂缝可能发育的区域, 并分析了裂缝的有效性。 结果表明, 岩心样品主要介质为白云岩； 储层裂缝中含有烃类有机物和盐水包裹体, 它们主要赋存于白云岩介质中； 裂缝充填物中盐水包裹体所占比例为51.7%, 烷烃有机物所占比例为26.0%, 裂缝发育从岩心样品左上方区域延伸至右下方区域, 表明该延伸区域可能是流体运移的通道； 盐水包裹体会阻碍油气的运移, 导致裂缝的渗透率降低； 实验测得岩石裂缝宽度为1~1.5 mm, 属于大裂缝, 油气可以顺利通过, 因此, 裂缝的有效性好。 研究表明利用显微红外光谱成像技术表征非均质储层裂缝特征是切实可行的, 为非均质油气储层精确表征提供了一种新方法。

近红外光谱数据量大, 需要进行压缩, 以降低建立光谱校正模型的计算复杂度, 提高模型精度和稳健性。 为此, 提出了一种基于离散萤火虫算法（discrete firefly algorithm）的近红外光谱波长变量筛选方法。 首先采用蒙特卡罗方法剔除异常值, 并应用Kennard-Stone法进行校正样本的选择。 对通用萤火虫算法进行离散化处理, 改进了吸引度的自适应公式, 在移动公式中增加了牵引权重, 以适应离散化处理的影响和优化算法, 并在离散萤火虫算法中加入精英保留策略, 加快算法的收敛速度。 实验中找到DFA算法中的各项参数中的最佳值。 通过离散萤火虫算法优选波长变量, 建立发酵液中丁二酸含量的近红外光谱偏最小二乘回归（partial least squares regression）校正模型。 与标准遗传算法（genetic algorithm）优选波长方法进行了比较。 结果显示, 基于离散萤火虫算法的波长优选方法所建立的PLS校正模型, 其校正集的相关系数（R2c）为0.986, RMSEC为0.409, 预测集的相关系数（R2p）为0.969, RMSEP为0.458, 模型稳健性和精度都要优于全光谱建模以及遗传算法波长优选方法。 显示了DFA在近红外光谱数据筛选方面的优越性。

酸牛奶作为一种重要的发酵乳制品, 伴随着发酵过程, 其各种营养成分时刻发生着复杂的变化, 因此, 建立酸牛奶的快速高效检测技术可以实现对生产过程的实时监控, 这也是食品安全监管要达到的重要目标。 傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）因其快速、 高通量、 无化学污染、 可对掺假成分予以分辨等特点被广泛应用于食品安全领域。 以FTIR技术为核心, 利用氟化钙薄膜法, 将酸牛奶FTIR光谱图与其营养成分（能量值, 蛋白质、 脂肪、 碳水化合物和钠含量）对照, 建立了基于最小二乘法（PLS）的定量化预测模型。 结果表明, 该模型样品校正集的能量值, 蛋白质、 脂肪、 碳水化合物和钠含量的交叉检验R2值分别达到0.938 9, 0.926 6, 0.918 6, 0.941 8和0.977 1； 该模型用于预测, 其样品验证集的交叉检验R2值分别为0.920 5, 0.905 3, 0.908 5, 0.939 3和0.936 4。 由此可见, 该模型对酸牛奶各营养指标均具有较好的预测准确性, 在时间上具备较好的稳定性。 不同于传统的化学检测方法, 本研究为实现对酸牛奶品质的快速检测提供了一种较为可行的方法。 该方法作为乳制品质量监控技术的一项初步探索, 具有较好的应用前景。

利用近红外光谱结合偏最小二乘法实现对不同品牌盐酸左西替利嗪片剂有效成分的定量分析。 经内部交叉验证, 确定最佳波数范围和光谱预处理方法, 以及最佳主成分数, 建立最优PLS校正模型。 对验证集样品浓度进行预测, 得到均方根误差RMSECV、 决定系数R2分别为0.276和0.974。 该方法能够用于不同厂家盐酸左西替利嗪片的快速定量分析, 是一种有效的药品快速检验技术。

应用近红外光谱技术并结合化学计量学建立杜仲中松脂素二葡萄糖苷（PDG）和京尼平苷酸（GPA）含量测定模型。 以积分球漫反射方式采集近红外光谱数据, 应用一阶微分、 多元散射校正（MSC）等优选光谱数据预处理方法和竞争自适应加权采样（CARS）筛选最优波长变量, 采用偏最小二乘法（PLS）和交叉验证法建立PDG和GPA的定标模型。 PDG和GPA的定标模型显示出良好的预测效果, 其校正集的相关系数分别为0.961 5和0.958 3, 交互验证均方差分别为0.001 5和0.006 4。 表明此快速预测模型准确可靠, 适合快速测定杜仲中的PDG和GPA, 为杜仲质量控制在线化提供了新思路。Chemometrics Methods

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术, 具有光通量大、 高分辨率、 无移动部件等技术优势, 非常适用于行星探测任务中, 对行星表面的矿物及有机物进行分析, 探寻可能存在的生命标志物。 作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中, 对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、 光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。 文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述, 设计搭建了一套实验平台, 并进行了定标, 验证了其性能参数。 在此基础上, 获取了10 m处部分无机固体样品、 有机样品及天然矿物的拉曼散射信号, 对系统信噪比进行了估计。 由于装调精度不高、 光学器件缺陷等原因, 系统远非理想。 但测试结果表明, 对于大部分样品的主要拉曼散射峰, 系统信噪比优于5, 基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求, 依然可以证明这一技术的可行性。 空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷, 在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。 作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力, 可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、 非接触、 无破坏、 样品用量少、 高灵敏度等特点, 为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段, 成为分析科学的研究热点。 激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术, 具有空间分辨力高、 可层析探测的优势, 在物理化学、 材料科学、 生物医学、 考古及文物鉴定、 刑侦科学等众多领域应用广泛。 现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦, 因而在长时间的探测过程中会因环境变化、 系统漂移等问题导致系统离焦, 从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。 本文针对这一问题, 在现有共焦拉曼系统的基础上, 提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。 该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合, 通过寻找曲线最大值, 得到系统焦点, 进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后, 采集该点光谱信息, 从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置, 消除系统离焦对实验结果的影响, 实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。 通过仿真分析和实验结果表明: 本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响, 提高系统轴向定焦的准确度, 为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证, 是一种行之有效的定焦准确、 抗漂移强的拉曼光谱测量方法。

为揭示单味煎剂与方剂间的关系, 分别测试分析了生地当归药队、 单味药生地和单味药当归煎剂的表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering, SERS）光谱, 并对其进行谱峰归属。 本文主要针对存在于三种煎剂中的17个拉曼信号（538, 622, 732, 761, 835, 876, 959, 1 145, 1 245, 1 276, 1 326, 1 402, 1 456, 1 470, 1 518, 1 546和1 605 cm-1）进行讨论。 生地当归药队煎剂SERS光谱在538, 732, 761, 835, 876, 959, 1 145, 1 245, 1 276, 1 326, 1 402, 1 456, 1 470, 1 518和1 605 cm-1处, 出现15个明显的拉曼信号； 生地煎剂SERS光谱在538, 761, 835, 876, 959, 1 145, 1 245, 1 276, 1 326, 1 402, 1 470, 1 518和1 546 cm-1处, 出现13个明显的拉曼信号； 当归煎剂SERS光谱在538, 622, 732, 761, 835, 876, 959, 1 245, 1 326和1 402 cm-1处, 出现10个明显的拉曼信号。 生地当归药队煎剂SERS光谱保留了和未观察到生地和当归单味煎剂的某些拉曼峰, 且产生了生地和当归单味煎剂中所没有的拉曼信号（1 456和1 605 cm-1）, 即产生新药物成分。 生地当归药队煎剂所包含的药物成分并非是生地和当归单味药物煎剂所含药物成分的简单相加。 结果表明, SERS光谱可能为方剂研究提供一种高灵敏度、 快速准确和操作简单的检测方法。

常规CARS采用凸透镜聚焦多束激光于空间一点, 在满足相位匹配条件下产生携带该点温度信息的CARS信号。 常规CARS一次只能测量一个空间点的温度, 难以满足燃烧流场深入研究需要。 为了提高CARS测量能力, 使得CARS在一次测量中获得更多信息, 提出了线CARS测量方法。 线CARS测量方法在常规CARS基础上采用柱面凸透镜替换普通凸透镜, 使得聚焦位置由焦点变为焦线。 由于焦线上的点大部分满足相位匹配关系, 因此可以同时获得多点CARS信号。 后续光路同样采用柱面凸透镜替换普通凸透镜, 通过光谱仪和ICCD相机将CARS信号传输至计算机, 解析出聚焦线上CARS信号对应的温度信息, 实现CARS测量能力由“点”到“线”的提升。 基于平面火焰炉的燃烧实验结果表明: 线CARS可以一次有效测量200个空间点的温度信息, 空间测量长度约3.6 mm, 空间分辨率约18 μm, 测量结果相对不确定度优于7%, 在保持测量精度的同时有效丰富了单次测量信息。

谷胱甘肽(GSH) 是一种含有巯基的三肽分子, 参与许多细胞内生化过程, 具有抗氧化和整合解毒功能, 在生物体内以及医学, 食品等领域有着极为重要的作用。 GSH参与细胞内、 体液中的许多重要生化反应, 其在人体内含量的变化, 相应地提示了人体的健康问题。 目前对GSH的检测手段有表面增强拉曼光谱（SERS）、 电化学分析、 高效液相色谱（HPLC）等, 这些方法大都操作复杂、 耗时较长或者需要昂贵的仪器。 利用一种新型荧光银纳米团簇（Ag NCs）作为探针, 通过同时分析银纳米团簇的荧光强度变化以及荧光峰位置移动实现了GSH的高精度快速检测。 在检测过程中, GSH分子与荧光探针发生化学反应, 改变了荧光探针的光化学特性, 其荧光强度因发生猝灭而减弱, 且其荧光峰位置因配体的改变也发生移动。 通过对照组实验, 我们进一步证明了所发展的检测方法对GSH目标具有很好的特异性, 综合考察荧光强度和波长的变化数据可以很好地区分GSH以及其他结构类似的分子, 同时探针对于多种盐离子及氨基酸等不敏感, 能够很好地保证检测的准确性。 我们报导的荧光探针合成步骤简单, 过程绿色环保, GSH检测的响应速度快、 光谱波动较小、 相对误差小。 进一步的研究有望实现细胞内的GSH高精度检测及成像。

采用一种由原点矩法改造所得的特征压缩算法对荧光光谱数据进行预处理, 将处理后的数据与加权最小二乘支持向量机(WLS-SVM)算法结合, 建立鲁棒回归模型, 用以预测实际食用色素粉末的纯度。 以亮蓝和胭脂红这2种色素为例论述该方法对实际食用色素粉末纯度的预测效果。 首先, 利用FLS920荧光光谱仪测量获得两种色素的标准样本和实际样本在最佳激发波长下的荧光发射光谱数据, 利用由原点矩法改造所得的特征压缩算法对获取的荧光光谱数据进行压缩和变换, 一方面缩短了算法的运算时间, 另一方面也提高了模型的预测精度。 将预处理后的荧光光谱数据输入加权最小二乘支持向量机中建立浓度预测模型, 该模型对亮蓝、 胭脂红实际样本溶液给出的预测光谱与它们的实测光谱吻合程度好, 半高峰宽区间内的平均决定系数分别为0.662和0.931。 所有亮蓝、 胭脂红溶液的预测浓度和标称浓度之间具有良好的线性关系, 相关系数分别为0.997和0.992。 由此通过多项式拟合得到的亮蓝、 胭脂红粉末的预测纯度分别为61.0%和72.3%。

植物冠层内光照分布决定了植物物理过程与生态环境之间的交互关系, 是植物冠层叶绿素荧光动力学研究的重要基础。 光谱技术在构建植株冠层组分含量的预测模型中发挥了重要的作用, 而针对自由纺锤形苹果树冠层不同光照区域的叶绿素荧光性状研究文献报道较少。 因此, 以自由纺锤形苹果树为研究对象, 将苹果树冠层空间划分为5层, 每层划分为边长50 cm的立方体网格, 并测定各个网格空间的光照强度, 确定其光照分布情况。 以此为基础, 获取不同光照区域的光谱数据及对应叶绿素荧光性状参数值, 通过光谱一阶微分去除系统误差干扰, 确定红边区域（660～760 nm）的一阶微分光谱曲线, 利用BP神经网络建立红光范围（680～760 nm）内一阶微分光谱最大值与叶绿素荧光性状参数关系模型, 创新性地提出了苹果树冠层不同光照区域的叶绿素荧光性状计算方法。 并采用决定系数、 均方根误差、 平均绝对百分比误差等对模型进行有效性评价, 试验结果表明: 该叶绿素荧光计算方法的计算精度均在80%以上, 研究成果可为苹果树的整形修剪, 获取充足光照分布提供理论依据。

用荧光光谱和紫外-可见吸收光谱研究了20(S)-原人参三醇(PPT)与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用, 结果表明: PPT对BSA荧光的猝灭类型为静态猝灭。 在温度为298, 308, 318 K时的结合常数分别是0.926 3×103, 0.618 2×103, 0.414 4×103 L·mol-1, 结合位点均接近于1。 PPT与BSA结合过程中主要的驱动力为氢键和范德华力。 与PPT结合后, BSA分子中色氨酸残基部位的结构变得更加紧密。 依据Fster的荧光共振能量转移理论得出PPT与BSA的结合距离r为2.62 nm, 能量转移效率E为0.32。

层状硅酸盐是火星表面含水矿物的主要存在形式之一, 也是比较火星不同沉积物和水蚀作用程度的指示矿物, 因此构建其识别模型对研究火星的地质演化极其重要。 短波红外和热红外谱段对矿物的基团、 离子光谱响应机理不同, 具有不同的识别优势, 然而国内外联合两者识别层状硅酸盐矿物则鲜有研究。 基于USGS光谱库数据, 面向火星探测器紧凑型侦查成像光谱仪(CRISM)和热辐射成像系统(THEMIS), 在层状硅酸盐的光谱响应机理研究基础之上, 分别构建短波红外识别模型与热红外模型, 进而结合短波红外和热红外谱段, 基于Fisher判别分析构建层状硅酸盐的综合识别模型。 交叉验证表明, 综合模型识别精度优于短波红外模型和热红外模型, 对90.6%的矿物样本正确识别, 有效提高了层状硅酸盐的识别精度。

在双波段可见/近红外光谱系统（350~1 100和1 000~2 500 nm）中, 由于两台仪器性能有所不同, 导致在波段重叠区域对同一样品测得的反射率不同, 出现数据交叉现象。 针对此问题, 提出一种波段连接数据融合的方法, 以期对两个波段的光谱进行更好的应用。 首先采集60个生鲜猪肉样品表面的反射光谱信息, 利用Savitzky-Golay（S-G）平滑和标准正态变量变换进行预处理, 然后利用单一波段和双波段光谱数据与猪肉品质参数（颜色参数L*, a*, b*, pH和蒸煮损失率）理化值建立偏最小二乘预测模型, 并分析比较。 利用提出的波段融合方法对两个波段重叠区域出现的交叉进行处理, 处理后的双波段光谱融合数据对参数L*, a*, b*, pH以及蒸煮损失率建模, 验证集的相关系数分别为0.948 8, 0.920 0, 0.950 5, 0.930 1和0.903 5, 模型效果与未融合前相当甚至更优。 采用无信息变量消除法方法进行特征变量筛选, 利用优选后的特征变量建立了更为简化的模型。 实验结果表明, 所提出的波段融合方法能够对两个波段光谱数据实现较好的融合, 利用融合后的光谱数据有利于建立更简化、 性能更佳的预测模型。

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。 首先采用自主设计的透射光测量装置, 利用Analytical Spectral Devices (ASD) 光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度, 通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数, 最终得到其400~900 nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。 然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量, 为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。 单位浓度消光系数光谱测量结果表明, 硫化镉在675 nm出现极大值, 在550和830 nm出现极小值； 氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势； 两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。 反射率光谱测量结果表明, 硫化镉的反射率从500 nm开始快速增大至650 nm后趋于平缓； 氧化镉从525 nm开始呈近线性递增至900 nm； 二者都具有明显的光谱特征。 本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作, 并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线, 是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一, 为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口, 测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据, 同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。

采用一步法制备出2-硫醇基甲基苯并咪唑锌(MMBZ), 通过FTIR, UV-Vis, XRD, TG-DSC对其进行检测和表征, 揭示出MMBZ的微观结构和内在规律性。 FTIR揭示了MMBZ分子内部的各元素之间的化学键键型, 确定最终产物为MMBZ。 UV-Vis检测出MMBZ在219.6, 245.5和302.2 nm有三个吸收峰, 分别为MMBZ分子中S—C、 苯环、 含N五元杂环的n→σ*, π→π*, π→π*的电子跃迁产生的, 为企业MMBZ产品质量检测, 推测MMBZ的结构提供实验依据。 XRD谱图发现MMB作为MMBZ的配体, 仍然保留其单元基本结构, MMBZ分子呈非晶态结构。 TG-TG-DSC检测出MMBZ的质量变化与热效应两种信息, 在167.5, 155.3, 253.7, 324.8, 391.3 ℃吸热峰, 分别为杂质溶剂分解峰、 相变峰、 分解峰。 一步法制备环保复合型橡胶防老剂MMBZ, 方案切实可行, 本研究通过检测结果推测MMBZ结构, 关联MMBZ的性能, 探究其防橡胶老化机理, 开拓MMBZ应用范围, 提供基础实验数据。

研究2-（5-溴-2吡啶偶氮）-5-二乙氨基苯酚（5-Br-PADAP）分光光度法测定手掌面镀锌工具遗留印迹的锌含量。 考察了缓冲液用量、 pH、 显色剂用量等反应条件对测定的影响； 在优化好的条件下, 建立了标准曲线并测定了不同接触时间、 时间间隔条件下手掌面镀锌工具遗留印迹的锌含量。 研究结果表明, pH 8.0的硼砂-硼酸缓冲液4 mL, 1 g·L-1的5-Br-PADAP溶液0.2 mL以及10%曲拉通-X-100溶液1 mL为最佳测定条件, 在此条件下, Zn2+在0~14 μg范围内呈良好的线性关系, 回归方程为y=1.851 34x+0.002 29； 在接触时间10 s~5 min内, 手掌面镀锌工具遗留印迹锌含量呈上升趋势, 在5~10 min内趋于平缓, 在接触时间5 min时已基本达到饱和状态, 锌含量在0.425~2.377 μg·cm-2； 手掌面镀锌工具遗留印迹锌含量在间隔时间0~2 h急剧下降, 在2~7 h内下降的幅度逐渐变小, 当间隔时间达到7 h时, 锌含量仅为0.188 μg·cm-2, 与间隔0 h锌含量相比减少了约90%。 因此, 微量金属显现实验一定要尽早进行。 此外, 不同间隔时间条件下手掌面锌含量的变化规律与喷洒显现实验中遗留印迹强度变化并非完全对应, 这说明手掌面上的锌含量并非唯一可以影响不同间隔时间条件下遗留印迹强度的因素。 首次在实验中证实了Zn2+与蛋白质结合后可以被络合能力更强的5-Br-PADAP分子夺取出来而显色的假设。 运用此种宏观微观相结合的方法进行研究, 有利于对微量金属显现实验中各影响因素机理的探讨, 为进一步的研究奠定了基础。

建立不同采收期灯台叶紫外-可见光谱指纹图谱及HPLC指纹图谱, 结合主成分分析、 聚类分析对不同采收期灯台叶进行快速鉴别和品质评价, 确定最佳采收期, 推动傣药现代化发展进程。 通过单因素实验确定灯台叶紫外-可见光谱的最佳提取条件, 采集12个月份灯台叶紫外光谱数据, 平行3次, 扣除背景8点平滑后倒入SIMCA-P+11.5进行主成分分析, 以前三个主成分三维得分图快速鉴别不同采收期。 Agilent ZORBAX Eclipse XDB C18(250×4.6 mm, 5 μm)色谱柱, 以乙腈（B）-0.1%甲酸水（A）为流动相, 梯度洗脱（0～5 min, 5% B； 5～35 min, 5% B→26% B； 35～40 min, 26% B→56% B）, 流速1 mL·min-1, 进样量7 μL, 柱温30 ℃, 检测波长287 nm。 不同采收期灯台叶紫外-可见光谱根据吸收峰位置及变化的幅度可以将光谱分为三段, 第一段为235～400 nm, 第二段为400～500 nm, 第三段为500～800 nm。 第一段中吸收峰数目最多, 主要集中在270, 287和325 nm, 吸光度及其变化幅度最大, 体现出不同月份光谱图的指纹特征。 第二段吸收峰较少主要分布在410 nm和464 nm附近, 吸光度及其变化较第一段减小。 第三段图谱在665 nm处均有一个较大吸收峰, 吸光度无明显差异。 将UV-Vis光谱数据进行主成分分析, 不同月份样品在主成分得分图中离散分布, 同一月份样品相对集中, 可以将不同月份样品鉴别开。 HPLC指纹图谱结合聚类分析可将不同采收期样品分为Ⅲ类, 第Ⅰ类为3, 4, 5和7月份, 第Ⅱ类为6, 8和9月份, 第Ⅲ类为10, 11, 12, 1及2月。 结合共有峰面积可以看出同一类样品化学成分含量相近, 不同类之间差异较明显, 第Ⅲ类样品化学成分含量最高。 UV-Vis FP, HPLC FP结合主成分分析和聚类分析能快速鉴别不同采收期灯台叶并对其进行品质评价。 灯台叶最佳采收期为10月至次年2月, 即傣历中的冷季。

成熟度是影响种子活力的重要因素之一, 是种子质量的重要指标。 种子分级时将成熟种子和未成熟种子区分开来可提高种子批活力, 使种子批活力具有一致性。 采用400~1 000 nm波段范围的高光谱成像技术研究成熟和未成熟玉米种子, 找出二者区分度最高的特征波段图像, 通过图像处理方法进行种子分类。 选用主成分分析（PCA）法分析高光谱图像, 分析差异最明显的PC2主成分图像的各波段权重系数并提取出特征波段（501 nm）。 从70粒成熟度较低玉米种子样本高光谱图像上选取成熟和未成熟两类感兴趣区域, 采用偏最小二乘回归（PLSR）法分析两类感兴趣区域的平均光谱, 选取与成熟度相关的敏感波段（518 nm）。 采用波段比运算并结合KW检验, 分析两类感兴趣区域的平均光谱, 找出差异最大的最优波段比（640 nm/525 nm）。 以864粒玉米种子为研究对象, 提取特征波段对应的单波段图像和最优波段比对应的波段比图像, 采用图像处理技术分析图像并判别。 结果表明: 采用单波段灰度图像分割容易将玉米种子冠部的浅色部分误识别为种子成熟度较低的区域, 识别准确率低； 而采用640 nm/525 nm的波段比图像可以减轻这种不利影响, 平均正确识别率为93.9%。 该方法可以有效识别未成熟的玉米种子, 为进一步开发在线分级装备提供了依据。

高光谱成像技术具备图像和光谱的双重优势, 作为一种快速无损检测分析技术, 检测过程无损、 无污染和无接触。 高光谱成像数据包括样本的图像信息和光谱信息, 采集样本高光谱成像数据时, 样本的每个像素点都有一条光谱与之对应, 样本的每个波长都有一幅灰度图像与之对应。 研究采用高光谱成像技术无损检测不同稀释浓度的农药在赣南脐橙样品表面残留随时间变化的关系。 用蒸馏水把农药分别配置成1∶20, 1∶100和1∶1 000倍的溶液。 然后把不同浓度的溶液滴到30个洗净的脐橙表面, 将涂有农药的脐橙分别放置0, 4和20 d, 然后采集在900～1 700 nm波长范围的高光谱成像原始数据。 通过主成分分析获取930, 980, 1 100, 1 210, 1 300, 1 400, 1 620和1 680 nm共8个特征波长, 基于这些特征波长做第二次主成分分析, 应用PC-2图像并经过适当的图像处理方法对不同浓度及放置不同天数的农药残留进行无损检测。 采用高光谱成像技术检测三个时间段较高稀释浓度的果面农药残留都比较明显。 高光谱成像技术作为一种检测方法, 可用于评价各个时间段较高浓度的农药残留。

分别以富集有Cr, Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品及玻璃纤维滤膜为研究对象, 采用滤膜叠加的方式, 通过XRF光谱仪测量不同样品厚度下薄膜样品的XRF光谱, 根据测得的尼龙薄膜样品中Cr, Pb, Cd元素及玻璃纤维滤膜中Ca, As和Sr元素特征XRF性质的变化, 研究样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。 结果表明: 薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。 元素特征谱线能量越大, 元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少； 但由薄膜样品厚度增加引起的基体效应却越强, 相应特征谱线位置处的背景荧光强度就越大, 因此样品厚度增加所引起的基体效应对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。 对于特征谱线能量较低（能量小于7 keV）的元素, 以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度, 并不能有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度； 对于特征谱线能量较高的元素（能量＞7 keV）, 可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度, 薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内, 更有利于XRF光谱的测量与分析。 该研究为大气及水体重金属薄膜法XRF光谱分析中薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。

采用自主搭建的多光谱成像系统、 便携式X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer, XRF）、 激光拉曼光谱仪（laser Raman spectrometer, LRS）对5件战国时期多色硅酸盐制品的表面物质的光谱特性、 化学成分和物相结构进行了无损分析。 根据多光谱图像中的光谱响应情况, 对样品表面物质进行了区域划分, 并发现样品表面的多数蓝、 绿、 紫色系区域出现荧光现象。 XRF检测结果表明不同区域的化学成分存在明显差异, 但多数区域均以SiO2, PbO, BaO为主要化学成分, 5件样品基本属于铅钡硅酸盐体系, 而且出现荧光区域皆是铜离子致色。 LRS精确检测出各个区域中的玻璃相、 中国蓝、 中国紫、 石英、 赤铁矿、 铅白、 无定形碳等物相, 并发现产生可见发光二极管致近红外荧光的物质为中国蓝和中国紫。 利用X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD)验证了LRS检测结果的正确性。 本研究将多用于书画分析的多光谱成像面检测技术与常用于硅酸盐文物成分分析的XRF和LRS技术进行有效结合, 提出了一套更为高效的无损的分析古代多色硅酸盐制品的研究方法。 光谱图像与X射线荧光光谱、 激光拉曼光谱数据的结合, 将样品的光谱特性与化学构成联系起来, 有助于提高硅酸盐文物的分析效率, 加强对硅酸盐文物的整体认识, 和降低硅酸盐文物的受损风险。

过氧亚硝酸根作为生物体内高活性自由基, 能损伤多种生物大分子进而引起一系列重大疾病, 对其含量测定和反应机制的研究具有重要意义。 过氧亚硝酸根性质活泼, 反应速率快, 捕捉其动态过程十分困难。 本文首次利用流动注射分析仪探究在不同模拟酶血红蛋白和氯化血红素的催化下, 过氧亚硝酸根氧化酪氨酸体系的动力学特征。 结果表明: 过氧亚硝酸根在两种酶催化下氧化酪氨酸的过程均遵循Michaelis-Menten的动力学规律； 根据米氏常数Km和最大初速率Vmax, 推断其反应机制, 经模拟酶催化的过氧亚硝酸根能直接氧化与模拟酶结合后的酪氨酸快速生成酪氨酸二聚体, 未生成·OH和O－2·。 此外, 我们还检测了不同温度、 pH下两种模拟酶催化的速率常数, 得到血红蛋白催化该体系的最适条件为25 ℃和pH 8.0, 速率常数kcat=1.035×106 mol·L-1·s-1, 氯化血红素适宜在37 ℃和pH 9.5的条件下催化该体系, 速率常数kcat=6.842×105 mol·L-1·s-1； 比较动力学参数KHbm(4.46 μmol·L-1)VHeminmax(0.026 ΔIF/s), 发现最适条件下血红蛋白的速率常数大于氯化血红素, 得到血红蛋白对于该体系的催化活性高于氯化血红素。 以上结果为探究酶催化法测定过氧亚硝酸根含量及其反应机理提供动力学参数, 对于防治生物体内自由基引起的相关疾病与诊断新技术的开发奠定理论基础。

飞灰含碳量的定量分析需要不同含碳量梯度的飞灰样品作为定标之用。 通常做法是用煤粉按照快速灰化法的要求灼烧得到不同含碳量的灰样, 用于定标分析。 但是这与实际锅炉飞灰的成分存在一定差异, 需要对光谱特性的差异进行研究来指导实际定标工作。 因此, 对比了快速灰化法制备的不同含碳量的煤灰样品与锅炉飞灰在特征谱线强度、 等离子温度等等离子光谱特征方面的差异。 实验证明快速灰化法制备的煤灰样品的Fe, Mg和Al谱线强度强于锅炉飞灰样品, 飞灰等离子温度低于所制备的煤灰样品的等离子体温度, 这可能是不同处理过程的物理化学特性差异造成的。 用主成分分析法考察了导致光谱差异的主要原因, 认为Fe, Mg, Al和Si等元素是导致二者在光谱特性差异的主要因素, 这可能因为实验室内按照快速灰化法进行制样的飞灰相应矿物质组成不同所导致的。 在用灼烧后的煤灰定标未燃碳时, 应注意由于成灰过程不同所造成的Fe, Mg, Al和Si等元素含量和形态不同所带来的影响。

以La2O3, Zr(NO3)4和甘氨酸为原料, 采用燃烧法合成La2Zr2O7粉。 分别用发射光谱法(ICP-AES)、 能谱法(EDAX)、 X衍射法(XRD)、 红外光谱法(IR)和热重-差热法(TG-DTA)等对La2Zr2O7粉进行表征。 分别研究了热处理温度对La2Zr2O7粉的X衍射谱和红外光谱的影响。 La2Zr2O7粉的ICP-AES和EDAX分析结果表明, 用燃烧法可合成出La2Zr2O7粉。 不同温度热处理后La2Zr2O7粉的XRD分析结果表明, 当热处理温度为600 ℃时, 出现一个衍射峰, 且衍射峰较宽, 该结构为半晶型结构； 提高热处理温度, 衍射峰逐渐尖锐, 峰形变窄, 衍射峰逐渐增多； 热处理温度在750～800 ℃范围, 可得到烧绿石结构的La2Zr2O7粉。 在650～750 ℃热处理后La2Zr2O7粉的红外光谱分析结果与XRD分析结果相同, 热处理温度为750 ℃时, 可得到烧绿石结构的La2Zr2O7粉。 La2Zr2O7粉的TG-DTG分析结果表明, 在120～1 600 ℃范围, La2Zr2O7粉的结构稳定。

在观测空间目标时, 往往会受到地基观测仪器等因素的制约, 导致无法利用目标图像信息从外形上进行识别。 根据不同空间目标表面组成材料不同, 其产生的反射光谱会存在差异这一特性, 可利用空间目标特有的光谱信息进行识别分类。 基于此, 从光谱学角度对空间目标识别算法进行研究, 在K最近邻算法(KNN)的基础上, 采用了一种自适应权重局部超平面方法(AWKH), 算法主要在计算预测样本与超平面距离时加入对特征权重的考虑, 构建了以样本特征组间差与组内差的比值作为特征权重值的超平面模型, 从而提高了分类效果和分类效率。 为验证算法的分类效果, 本文进行了四组验证实验, 第一组实验将美国地质勘探局数据库中提取出的九种常用材料光谱随机选出三种混合成多类进行识别； 第二、 三组实验将四种常用空间目标材料的光谱作为纯物质光谱, 分别从可见光和近红外波段对其混合物质进行分类； 第四组实验通过实测四个方形模型样本六个面的光谱对其进行识别分类。 实验过程中将实验结果与目前常用的支持向量机（SVM）进行对比, 对比结果表明改进后的AWKH算法在识别精度和样本适用范围上具有更高的优越性。

在光纤通信中, 为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用, 设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器, 用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。 在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系, 一层是窄带滤光膜, 另一层是偏振分光膜。 采用TFCalc软件仿真, 设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm, 偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。 基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系, 实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。 结果显示, 窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm, 增益平坦度小于-0.05 dB, 相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽, 可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。 偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%, 相比仿真值略低, 但仍优于设计要求, 相比传统分光器的光信号强度保留效果更好, 具有更高的信噪比。 综上所述, 该分光器具有更好的应用价值和实用意义。

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求, 以及目前人工方式进行定标的不足, 调研国内外卫星定标的发展现状, 研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统, 并开展了卫星传感器自动化定标的试验。 根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标, 比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度, 并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量, 获得卫星定标中的漫总比数据； 同时, 辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量, 实现了大气-地表辐射特性的自动观测, 同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。 在2015年敦煌辐射校正场试验中, 辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、 地表反射率的数据, 为卫星传感器的定标提供了数据支持。 经过与传统测量仪器的对比, 地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%, 大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%, 漫总比的绝对偏差不大于0.015%。 采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标, 通道1~4的对比相对偏差小于1%, 通道5的偏差结果为7.24%, 验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。

为了提高拉曼光谱检测系统的时间分辨率, 常常需要采用较短的采样积分时间, 此时带有分子结构振动谱的有用拉曼信号可能完全淹没在噪声中, 严重影响信号的进一步分析, 因此有必要对测量所得的光谱信号进行噪声消除处理。 传统的消噪方法是基于信号与噪声在频域或统计特性之间的差异, 通过平滑滤波或取平均值的方法来消除噪声, 一般适用于噪声强度不高的情况, 对于信噪比较低的情况处理效果并不理想。 针对传统去噪方法的不足, 从信号重构的角度, 利用基于小波变换的谱峰识别、 半峰宽检测提取光谱特征参数, 再利用最小二乘拟合的方法, 能够有效地提取淹没于强噪声背景下的有用拉曼信号。 在仿真中, 运用该算法得到的光谱曲线光滑, 峰位置准确, 信噪比改善明显。 在实验中, 分别利用该方法处理头孢呋辛酯片和罗红霉素拉曼光谱数据, 得到了清晰的谱峰位置、 幅值及半峰宽信息, 实现了对短积分时间、 强噪声背景的拉曼信号的有效还原, 提高了检测系统的时间分辨率。 仿真和实验结果表明, 该方法需要调整参数少, 易于实现, 在信噪比比较低的情况下依然能够得到良好的去噪效果, 为进一步分析光谱数据提供准确可靠的信息。

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性, 具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。 然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一, 光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。 动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。 针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差, 提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法, 并进行了数值模拟仿真和实验验证。 实验结果表明, 校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ, 此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略, 提高了光栅光谱仪的光谱成像质量, 证明了所提出的方法的有效性。 此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。

偏振是电磁波的重要特性, 利用偏振信息研究地物的状态和性质被证明是一种有效的手段。 地物属性研究是地球观测中重要的课题, 偏振技术作为一种新兴手段, 逐渐得到国内外遥感界的关注。 目前, 国际上普遍缺乏使用广、 精度高的偏振传感器。 AirMSPI（Airborne Multiangle Spectro Polarimetric Imager）作为新型机载偏振传感器, 能够获取多波段多角度的偏振数据, 空间分辨率可达10 m。 选取2013年美国Tracy地区的航飞数据, 分析了线偏振度（degree of linear polarization, DOLP）与偏振二向反射因子（polarized bidirectional reflectance factor, pBRF）在470, 660和865 nm三个波段、 九个探测天顶角的变化规律。 研究发现, 地物前向散射方向包含大量偏振光, 其在入射主平面附近表现出强烈的非朗伯体效应。 同时, DOLP与pBRF和入射天顶角及探测天顶角的相对位置有关。 DOLP在入射及探测天顶角90°夹角附近最大, pBRF随着探测天顶角的增大而增大。 受大气影响, 蓝光波段的DOLP及pBRF数值相对较高, 但红光及近红外波段可有效减弱大气分子偏振散射效应, 包含更多地物偏振细节。 水体、 人工建筑、 居民区、 裸土和绿地偏振特性迥异, 偏振图像中地物甄别度高。 且由于分子多次散射的退偏作用, 传感器接收到的地物辐射中, 线偏振度与反射比具有高度负相关性, 相关系数普遍大于-0.8。 因此, AirMSPI能够提供高质量偏振数据, 作为地面、 星载偏振数据的有力验证, 为大气及地物参数反演提供重要支持。

近红外光谱分析技术凭借分析速度快、 样品预处理简单等特点, 被广泛用于农业、 医药、 环境、 石油化工等领域。 为实现高效率的现场检测, 便携式的近红外光谱仪越来越备受关注。 由于近红外光谱分析技术能够对多组分同时进行测定, 因此在该研究中使用便携式近红外光谱仪探索同时对稀溶液中多种重金属离子定量分析的可行性。 使用胺基改性聚合淀粉富集水中的镍离子和铜离子, 然后使用便携式近红外光谱仪直接采集胺基改性聚合淀粉的近红外漫反射光谱, 再借助光谱预处理方法和偏最小二乘回归法建立模型, 最后通过交叉验证和外部验证证明所建立模型的稳定性。 结果表明, 在其他干扰离子存在下, 氨基改性聚合淀粉仍能分别以99.5%和99.8%高效率地富集稀溶液中的镍离子和铜离子。 便携式光谱仪采集的近红外漫反射光谱分别经连续小波变换和多元散射校正结合卷积求导光谱预处理之后, 使用偏最小二乘回归能够得到相关系数分别为0.981 9和0.965 4的稳健模型, 实现了对稀溶液中镍离子和铜离子的同时测定, 并且检测到的镍离子和铜离子的最低浓度均为3.0 mg·L-1。 该方法不仅提高了近红外光谱分析技术的检测灵敏度, 同时也表明了便携式近红外光谱仪对多种重金属离子同时定量分析的可行性, 是一种拓宽近红外光谱分析技术的有益探索。

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统, 主要包括前置望远物镜、 准直镜、 Wollaston棱镜组、 成像镜和补偿滤光片。 此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。 光束经过Wollaston棱镜组分光, 为了使不同波长对应景物不至于重叠, 要求分束角度比较大, 这样进入成像镜的光线入射角度相对较大, 无疑增加了成像镜的设计难度。 分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点, 设计了一套完整的成像光谱系统。 全系统结构复杂, 光学系统的光阑必须匹配好。 为了使得不仅单个镜头成像质量良好, 而且镜组之间能够良好的衔接, 将前置望远物镜设计为像方远心结构, 准直镜设计为物方远心结构。 全系统采用多重结构, 使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限, 点列图中RMS值基本都在艾里斑以内, 系统成像质量良好。

光纤传感技术以其抗电磁干扰、 高精度、 易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。 针对光纤光栅声发射监测系统, 目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性, 基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件, 重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。 首先利用传输矩阵理论, 建立PS-FBG的动态应变传感模型, 利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。 通过数值仿真, 详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、 采样时刻、 衰减系数、 声发射频率及波长的响应特性。 结果表明, PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化, 具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移, 而带宽变化不明显； 随着动态应变场幅值越大, PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多, 透射窗口所对波长漂移很小； 一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大； 而当声发射波长为0.1～2 L时, 对PS-FBG光谱产生较大影响, 此时光谱畸变较严重, 在此范围外, 光谱形状不发生明显变化。 最后, 搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台, 分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性, 实验结果与仿真结果较好吻合。 表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同, 呈现一定规律性, 该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。

提出了一种用于精确模拟冷原子云的三维图像方案, 这个方案比先前通过探测激光的方法所获得的二维图像更加直观和立体。 该研究实现了冷原子云的模拟, 捕获原子的数量约为108。 原子云是几何三维形状, Rx=1.06 mm, Ry＝1.06 mm, Rz＝0.57 mm, 具有不同半轴长度的三轴椭圆体。

基于OH自由基的强氧化性（2.8 V）及脉冲放电等离子体（pulsed discharge plasma, PDP）与活性炭（activated carbon, AC）联合体系的协同作用, 依托于光谱检测技术简单、 准确性高、 灵敏度高等优点, 利用发射光谱技术测量了以O2作为载气的PDP/AC联合体系中产生的OH自由基的相对发射光谱, 用以表征体系中OH自由基相对生成量的变化。 通过考察PDP水处理体系中不同AC添加量、 脉冲峰值电压、 电极间距对OH自由基相对发射光谱强度的影响, 分析了影响OH自由基生成量的因素； 通过比较, 分析去离子水和酸性橙II（acid orange, AO7）溶液中OH自由基发射光谱强度的变化规律, 表征了OH自由基生成量的变化, 以说明PDP/AC的协同作用机理及OH自由基对有机物的氧化作用。 研究结果表明, 增加AC的添加量可以增强其在PDP体系中的催化效果, 导致PDP/AC联合体系中OH自由基的相对发射光谱强度的增加； 随着脉冲峰值电压的升高, 注入PDP体系中的能量增加, 从而增加了体系中OH自由基的产量； 电极间距增加导致PDP体系能量效率降低, 降低了OH自由基的产生量； 无论是以去离子水还是以AO7溶液为溶液相, PDP/AC联合体系中OH自由基的产量均高于其在单独PDP体系中的生成量, 且在PDP/AC联合体系和单独的PDP作用体系中, 去离子水中OH自由基的相对发射光谱强度均高于其在AO7溶液中的强度值, 这证明了AC对PDP体系中OH自由基生成的协同作用和有机物对OH自由基的消耗。

全氟壬酸(PFNA)是在血清中检测到第三多的全氟烷酸类(PFAAs)新型有毒环境污染物。 目前PFNA对人血清白蛋白(HSA)结构甚至是功能的影响还处于起步阶段, 借助于多光谱、 分子对接和等温滴定微量热(ITC)技术研究了PFNA和HSA相互作用的结合机理。 所有荧光数据均进行了内滤光校正以获得更准确的结合参数。 荧光结果表明PFNA通过动静态猝灭方式可以猝灭HSA的内源荧光。 取代实验和分子对接结果表明, PFNA主要通过极性键、 疏水力和卤素键键合在HSA亚域ⅡA疏水腔中, 最佳对接自由能为-26.54 kJ·mol-1, 表明PFNA分子与HSA有较大的结合亲和力。 ITC表明两者的结合属于两类结合位点模型并给出了相应的热力学参数: 第一类结合位点有较大的亲和力, 属于焓驱动, 静电力和卤键作为主要驱动力； 第二类结合位点亲和力较小, 主要驱动力是疏水力。 三维荧光光谱揭示PFNA与HSA生成复合物后, 可以改变HSA的构象, 引起Trp和Tyr残基微环境疏水性增强。 圆二色谱(CD)定量测定了HSA与PFNA作用前后的二级结构含量: α-螺旋、 β-折叠和β-转角含量分别降低14.3%, 5.3%和3.5%, 无规卷曲含量从14.4%增加到37.5%。 以上结果表明, PFNA与HSA的结合可以改变HSA的二级结构, 进而可能影响HSA的生理功能。 结果阐述了PFNA与HSA相互作用机理, 并且为PFNA在体内的运输和分配提供了可靠的生物物理和生物化学的相关依据。