激光共振电离光谱技术是一种利用一路或多路激光将待测原子选择性共振激发与电离, 通过测量离子信号来研究原子能级结构的光谱技术。 研建了一套激光共振电离光谱装置, 用于原子高激发态能级结构参数的测量。 分别从该装置的总体结构、 关键技术和应用实例等方面进行了详细介绍。 该套装置主要包括高调谐精度的染料激光器系统、 高效的激光离子源系统和高分辨率的飞行时间质量分析器。 染料激光器系统包括3台多纵模可调谐染料激光器和1台单纵模可调谐染料激光器, 均为脉冲工作方式, 重复频率为10 kHz, 泵浦源均为532 nm的Nd∶YAG固体激光器。 激光离子源系统包括原子化源、 激光与原子相互作用区和离子光学透镜组三部分组成, 样品在原子化源中被电加热实现原子化, 喷射出的原子被激光选择性激发、 电离, 产生的离子被离子传输透镜整形成能量分散小、 束窄的离子束。 飞行时间质量分析器采用了反射式结构设计、 脉冲垂直推斥技术和偏转板调节技术。 利用此装置, 实验测定了U原子的自电离态光谱, 获得了U原子一条较佳的三色三光子共振电离路径, 对应激光的波长分别为591.7, 565.0和632.4 nm。 此系统还可用于测量同位素位移和原子超精细结构等参数。 另外, 由于此系统中联用了质量分析器, 因此可用于样品多元素分析、 痕量元素分析、 同位素丰度分析。

在K2+CO2中, 受激发射泵浦得到K2(E=3 500和4 000 cm-1)高位振动态, 研究了高振动激发K2与CO2碰撞产生的CO2全分辨转动态分布。 利用高分辨瞬时激光诱导荧光(LIF)测量了CO2(0000)J=2～74的转动和平移能量轮廓, 利用双高斯函数拟合, 分别确定各转动态的产生和倒空线宽, 从而得到碰撞产生的Doppler展宽、 平移温度和平移能。 对于K2不同的激发能E, 能量转移的机制是相似的, 为振动-转动/平移弛豫机制。 但碰撞出现部分的平移温度均超出池温, 而碰撞倒空部分的平移温度均略低于池温, 平移能随E的增加而增大, E增加14%, 平移能增加40%。 CO2(0000)转动态分布的半对数描绘给出了双指数分布, 对于K2 E=3 500 cm-1, 低J态分布Ta=(523±60) K, 高J态分布Tb=(1 890±210) K。 Ta接近池温, 说明低J态为近弹性碰撞, 属单量子弛豫过程, 而高J态为非弹性碰撞, 属多量子驰豫过程。 对于K2 E=4 000 cm-1同样有双指数行为, 低J分布Ta=(620±65) K, 高J分布Tb=(2 240±250) K。 高振动态K2(E)与CO2碰撞, E=4 000 cm-1比E=3 500 cm-1的Ta和Tb均约高19%, 说明转动分布对于K2不同能量是敏感的, 但弹性和非弹性分支比是基本相同的, 弱碰撞约占82%, 强碰撞约占18%。

由于光谱谱线存在自然展宽、 多普勒展宽、 碰撞展宽等, 使混合气体中多种成分的吸收光谱信号出现相邻谱峰重叠现象, 给混合气体组成成分的定性或定量检测带来较大的困难。 现有的方法在获取先验知识、 处理精度、 运算效率等方面存在不足。 提出基于时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法, 结合小波的多尺度观测能力和分形的自相似度的度量能力, 识别、 定位和解析光谱信号中的重叠峰。 首先利用小波对具有重叠谱峰的光谱信号进行光谱频率域和尺度域的分析, 然后对该时频域的光谱信号在同一光谱频率下的多尺度数据进行自相似性度量和分形计算。 逐频率计算后得到光谱信号在频率域的分形维数曲线。 该曲线体现了光谱信号在不同尺度的自相似性, 其极值位置与光谱信号的各独立峰的位置具有相关性。 依据此特性, 结合分形曲线的特征参数, 最后利用神经网络解析出对应混合气体成分的混叠在一起的各个独立谱峰。 该方法利用小波的多分辨率特性, 对信号进行不同尺度的精细度量。 分形模型则提高了系统解析复杂信号的能力, 对重叠程度高的多谱峰重叠信号也有很强的处理能力。 借助人工神经网络, 实现了整个算法的自动测量。 通过实验结果分析, 验证了算法的有效性, 并讨论影响算法效果的主要因素。

光动力疗法(PDT)是一种高效、 安全、 微创的新型治疗方法, 国产光敏剂血卟啉单甲醚(HMME)介导的光动力疗法由于其成分单一、 单态氧产量高及光敏周期短, 临床上已用于脑胶质瘤和鲜红斑痣的治疗。 为了进一步提高光动力疗效, 本研究基于晶种生长法制备稳定粒径均一的吸收峰在530 nm的阳离子金纳米球。 采用毒性低且阴离子电解活化作用强的聚(四-苯乙烯磺酸钠)(PSS)进行修饰。 利用静电吸引力将钛源TiCl3水解的TiOH2+与其结合并氧化制备AuNP@TiO2核壳, 通过改变NaHCO3量制得不同TiO2壳层厚度的AuNP@TiO2核壳, 并进一步将其与HMME结合制备结合体。 采用紫外-可见吸收光谱、 红外光谱、 激光纳米粒度仪和透射电镜对所制样品进行表征。 结果表明新型的光敏剂粒径均匀, 结构稳定。 最后采用细胞实验验证了其光动力疗效。 总之, 该研究合成了新型的Au@TiO2-HMME纳米光敏剂, 通过人口腔表皮样癌细胞系KB细胞与新型核壳纳米结构的光动力作用, 与纯HMME相比, 在最优条件下可提高约35%的细胞杀伤率。

硫代巴比妥酸是目前多晶型种类较丰富的一类固体药物。 利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对硫代巴比妥酸晶型Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ和水合晶型进行表征分析, 得到明显不同的太赫兹光谱, 表明THz光谱技术可以有效鉴别硫代巴比妥酸不同类多晶型。 硫代巴比妥酸晶型Ⅳ为异构多晶型, 它在0.65 THz处的宽峰以及1.02, 1.41 THz处的吸收峰明显区别于晶型Ⅰ和Ⅱ简单的物理混合。 运用密度泛函理论(DFT)对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的两种可能结构进行了分子结构优化和光谱模拟, 模拟结果显示其中的结构a在0.41/0.47, 0.89和1.35 THz处具有吸收峰, 与实验结果较吻合。 由此推断晶型Ⅳ由硫代巴比妥酸异构体A的硫酮键中的S7和异构体B酰胺中的H23构成第一处氢键, 异构体B硫酮键中的S20和异构体A酰胺中的H13形成第二处氢键。 本文还结合理论模拟结果对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的振动模式进行归属。

玻璃纤维增强复合材料被广泛应用于航天、 航空及其他军民各领域, 它在制备和使用过程中通常会出现多个缺陷。 太赫兹时域光谱成像技术有望成为玻璃纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。 在太赫兹时域光谱成像过程中, 可以选取时域或频域波形中的不同参数来进行成像。 对于不同的缺陷, 能够有效地对其进行检测的参数是不一样的。 采用基于小波分解的图像融合方法将多幅不同参数获取的太赫兹反射图像结合起来, 得到一幅包含所有缺陷信息的新图像。 研究表明, 基于小波分解的图像融合方法在太赫兹无损检测中的应用, 能够获取单一参数成像无法检测的缺陷信息, 为复合材料太赫兹图像后期处理提供了新的技术方法。

流体包裹体是研究矿物晶体演化的重要手段之一, 它能反映矿物演化最原始的信息(温度、 压力、 pH值等)。 在演化过程中, 温度压力等外界因素直接影响包裹体的数量和大小, 从而影响晶体的各种性质。 本文利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS), 对不同生长温度下KCl晶体内部的包裹体进行了检测, 得到了样品的时域、 频域和吸收系数曲线, 并通过显微镜观察、 计算得到了样品内部包裹体的面积, 建立了包裹体面积和吸收系数的对应关系模型。 通过对样品的吸收系数和样品内部包裹体面积的对比, 可以看出二者具有相同的变化趋势, 即晶体内部包裹体面积越大, THz吸收系数越大, 说明THz吸收系数可以反映不同生长温度的晶体内部包裹体面积的变化情况, 解析包裹体面积对太赫兹光学参数的影响, 为流体包裹体的研究提供了一种新的有效途径。 该研究创新点在于利用THz-TDS快速检测晶体内部包裹体面积的变化情况, 说明了太赫兹技术完全可以用于包裹体的研究中, 为包裹体的研究提供了一种全新的快速、 无损的检测方法。

可见光无线通信(visible light communication, VLC)是将LED照明技术和光通信技术相结合的一种新兴技术。 针对目前LED照明通信光源显色性差、 光效低且色温不可调等问题, 依据多基色LED白光通信原理进行了相关研究, 以Yoshi等提出的高斯分布形式作为基色LED的光谱模型, 利用国际照明委员会(CIE)推荐的一般显色指数(Ra)和美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)推荐的一般色质指数(Qa)评价光源的显色性。 采用遗传算法, 在2 700~6 500 K色温范围内优化出单个色温以及色温可调光源满足显色性最优的光谱组合, 并基于Ra和Qa大于80的原则优化出色温可调光源光视效能(luminous efficacy of radiation, LER)最优化的光谱组合。 最后根据实验结果分析了光源的显色性、 光视效能和色温可调性三者之间的关系。 结果表明: 三基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为613 nm/541 nm/464 nm, 此时Ra和Qa的最小值分别为81.2和81, 可以满足一般条件下的照明通信需求; 四基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为620 nm/562 nm/505 nm/449 nm, 此时Ra和Qa的最小值分别为96.7和92.2。 在特殊照明场所或要求较高的通信速率时, 应采用四基色白光LED作为照明通信光源。 仿真得到了三基色和四基色白光LED的最佳光谱组合, 为宽通道可见光通信光源的设计提供了参考依据。

海水化学需氧量(COD)是海水中有机污染物的综合指标, 是海洋环境监测最重要的项目之一。 现有的海水COD测量方法耗时长、 体系复杂, 无法满足海洋在线监测的需求。 采用臭氧发光机理实现海水COD的分析, 同时借助微芯片技术, 设计了高集成度的新型海水COD分析系统, 同时对系统中臭氧和水样流速、 水样加热温度、 样品盐度及过滤精度等影响测定的因素进行优化筛选。 实验结果表明, 该系统的测量范围为0.1～10 mg·L-1, 检出限0.08 mg·L-1, 与国标方法测量结果有很好的一致性, 同时具有结构简单, 测试时间短等优势, 满足海水COD现场分析的需求。

针对润滑脂分类, 提出了基于布谷鸟搜索的红外光谱波段筛选方法, 有效剔除了易受噪声等环境影响的红外光谱区域、 实现了对庞大光谱数据进行特征选择和降维处理、 通过筛选光谱最优波段建立了更加准确高效的润滑脂分类模型。 以三类不同稠化剂润滑脂的红外光谱数据为研究对象, 采用主成分分析法(PCA), 对不同波段的红外光谱数据进行压缩, 以提取的红外光谱主要成分作为输入, 润滑脂稠化剂类别作为输出, 通过布谷鸟搜索法(CS), 对主要成分权重和分类核参数进行准确度寻优训练, 建立分类识别预测模型。 对所建立的模型再进行分类准确性测试, 得到模型测试结果准确度, 建立红外光谱波段和测试准确度之间的联系, 得到润滑脂最优类别识别模型和最优分类波段。 对所建立的模型再进行分类准确性测试, 结果显示: 经过布谷鸟搜索法训练加权后的主要特征呈现明显聚类现象, 可以得到分类核, 实现对润滑脂种类的准确识别; 在搜索过程中提供了区分不同润滑脂的推荐波段和特征峰, 使对润滑脂的正确鉴别概率由全波段建立分类模型的94.44%提高到筛选后特征波段建立分类模型的100%, 并减少了运算时间、 提高了搜索运行效率。

针对模型转移中S/B算法对于非线性问题的局限性, 在传统S/B算法进行线性拟合、 偏最小二乘法求参数的基础上加以改进, 提出了引入变量的高次幂、 使用Lagrange插值法与Newton插值法求待定系数和插值多项式来解决两组数据的非线性问题。 为了验证改进算法的有效性, 先对主机样品建模并分别预测主机和子机样品, 然后通过实验数据和评价指标, 筛选出最佳函数关系进行子机模型校正, 并分别用改进的S/B算法和传统的S/B算法对子机未知样本进行预测。 实验结果表明: 直接用主机原模型对子机预测的值与真实值差距较大, 利用改进的S/B算法(H-S/B)比传统的S/B算法预测值更接近真实值。 改进的S/B算法提高了预测值的准确性, 解决了传统S/B算法的非线性问题, 实现了更好的模型转移效果, 增强了网络化模型应用的通用性。

鸭梨黑心病是鸭梨的主要生理病害, 直接影响鸭梨的出口创汇; 准确快速鉴别鸭梨黑心病对于梨的出口业具有重要现实意义。 探讨可见/近红外漫透射光谱在线检测鸭梨黑心病的可行性, 选取80个正常鸭梨和70个黑心鸭梨作为建模集, 建模集被分为校正集和预测集以求获得最优模型。 未参与建模的30个正常梨和20个黑心梨作为预测集, 用于评价模型的预测能力。 鸭梨的可见/近红外漫透射光谱, 在5个/秒的速度下采集。 建模集能量谱经标准正交变换(SNV)和多元散射校正(MSC)处理后, 分别建立健康梨和黑心梨的偏最小二乘判别模型(DPLS)、 峰面积判别模型(DPA)、 主成分判别模型(DPCA)。 用建模集模型判别预测集鸭梨, 经比较, DPLS模型的判别准确率最高, 黑心梨正确识别率达到100%。 实验结果表明: 可见/近红外漫透射光谱结合DPLS判别方法, 可以实现黑心鸭梨的在线检测。 相比传统的人工破损方法, 在线检测可为梨出口贸易提供技术支撑和科学参考依据。

为加快紫苏优质育种进程, 采用近红外光谱(NIRS)技术, 结合线性偏最小二乘法(PLS), 以250份全国范围内收集的紫苏资源为研究材料, 分别较好的建立其种子中含油量, 棕榈酸(C16∶0), 硬脂酸(C18∶0), 油酸(C18∶1), 亚油酸(C18∶2), a-亚麻酸(C18∶3)含量的六个近红外光谱校正模型。 结果显示, 六个模型的校正决定系数(RSQ1)分别为: 0.98, 0.91, 0.92, 0.92, 0.85, 0.93; 交叉验证决定系数(1-VR)分别为: 0.97, 0.89, 0.89, 0.91, 0.85和0.91; 外部验证相关系数(RSQ)分别为: 0.98, 0.91, 0.89, 0.90, 0.80和0.89, 且定标标准误差(SEC)分别为0.99, 0.21, 0.1, 0.94, 0.81, 0.92; 交叉验证标准误差(SECV)分别为1.16, 0.23, 0.11, 1.05, 0.92, 1.02和预测标准误差(SEP)分别为0.97, 0.21, 0.11, 1.12, 0.99, 1.14。 结果表明, 此六个校正模型质量均较高。 这些首次建立的快速无损的近红外分析模型, 可为紫苏资源开发提供指导, 对紫苏油分品质育种具有重要意义。

表面增强拉曼(SERS)作为一种分析手段, 具有高灵敏度、 高选择性、 高重复性、 非破坏性等优点, 在过去的几十年中, 被广泛应用在成分检测、 环境科学、 生物医药及传感器等领域。 其中以金、 银等贵金属纳米颗粒薄膜在表面增强拉曼(SERS)活性基底方面得到了更为广泛的应用。 SERS技术一个关键的因素是如何制设计并备具有大面积、 高增强能力及高重复性、 可循环使用的SERS基底。 通常, 贵金属纳米颗粒规则阵列结构的单元颗粒电磁增强特性及其颗粒间的电磁耦合增强特性的综合作用可大力提升SERS基底的探测性能。 然而, 利用传统微纳米加工方法如光刻、 电子束光刻等方法制备得到的贵金属纳米阵列结构的表面粗糙度不够理想。 结合光刻与化学置换方法制备金纳米颗粒四方点阵列孔洞结构, 并研究其作为SERS基底的电磁增强特性。 具体研究利用光刻法在硅衬底上制备了规则排列的四方点阵列孔洞结构, 用磁控溅射在其表面镀上金属铁膜; 接着在衬底上旋涂浓度为1.893 8 mol·L-1的氯金酸液膜, 在孔洞内铁和氯金酸发生置换反应, 进而孔洞生成金纳米颗粒, 最终得到金纳米颗粒四方点阵SERS活性基底。 采用罗丹明6G(R6G)分子作为探测分子测试不同金纳米颗粒阵列结构基底的SERS谱。 实验结果表明, 随着化学置换反应时间的延长, 金纳米颗粒排列更加紧凑有序, SERS谱增强性能更好。

用于食品安全、 环境污染、 毒品、 化学战剂检测等的现场快速检测要求检测设备便携、 快速和准确。 目前的常规实验室检测方法虽然能够实现准确检测, 但是其实时性较差, 无法满足现场快速检测的要求。 因此, 设计开发了基于等离激元增强拉曼光谱的便携式快速检测仪, 能够实现对滥用添加剂、 违禁食品添加剂、 农药残余、 毒品、 化学战剂和环境水污染等大量有害物质的现场快速定性检测。 该检测仪基于ARM嵌入式系统开发, 编写了其操作交互界面和底层驱动程序, 实现了拉曼光谱数据自动标定和特征谱图快速识别等算法。 在仪器中搭建了检测物质拉曼光谱的标谱数据库, 数据库根据检测科目进行分类, 每种科目包含该类别的多种物质, 每种物质均包含其高中低多种浓度的标准品和样本谱图。 设计实现了大类科目的辨识比对算法和GPU硬件加速算法, 实现了对某一类科目的所有物质的快速比对, 与传统的纯CPU算法实现相比较, 在辨识速度上提高了20倍以上。 通过市场购买的功能饮料、 违规葡萄酒与果汁等实际样品对所制备的样机仪器进行测试, 测试结果符合预期, 具有良好的灵敏度与重现性, 满足了现场快速检测的要求。

采用金胶颗粒作为活性基底, 氯化钠溶液作为活性剂, 并采用表面增强拉曼光谱(SERS)技术建立一种检测鸭肉中萘夫西林残留的检测方法。 首先分析了奈夫西林水溶液的SERS特征峰及其归属。 然后分析了奈夫西林在鸭肉提取液中的SERS特征峰, 确定了鉴定鸭肉中奈夫西林残留的拉曼特征峰, 并选取521与1 449 cm-1处的拉曼峰强度进行条件的优化。 最后应用内标法对鸭肉提取液中萘夫西林的残留量进行定量分析。 结果表明, 鸭肉提取液中萘夫西林的质量浓度范围在0.2~10 mg·L-1 时, 应用拉曼峰强度比值所建立的四种标定曲线均具有良好的线性关系, 决定系数均大于0.95。 其中三种标定曲线具有较高的准确度, 其回收率介于88%~144%。 由此可见, 应用SERS检测鸭肉中萘夫西林的残留是可行的, 该方法简便、 快速, 为检测禽肉类食品中萘夫西林的残留提供了技术支持。Enhanced Raman SpectroscopyPENG Yi-jie, LIU Mu-hua, ZHAO Jin-hui*, YUAN Hai-chao, LI Yao, TAO Jin-jiang, GUO Hong-qingOptics-Electrics Application of Biomaterials Lab, College of Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, ChinaAbstract A new method using Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) was established for the rapid detection of Nafcillin residues in duck meat, and Au nanoparticles were used as enhancement substrate while NaCl solutions were used as active agent. In this research, the SERS characteristic peaks of Nafcillin solutions as well as their vibrational assignment were analyzed. Then, the SERS characteristic peaks of Nafcillin in duck extract were analyzed and determined for the identification of Nafcillin residues in duck meat, and the Raman intensities of nafcillin residues in duck meat extracted at 521 and 1 449 cm-1 were applied to optimize the detection conditions. Lastly, the internal standard method was used to quantitatively analyze the nafcillin residues in duck meat. It was revealed that 4 calibration curves built by Raman peaks intensities ratio had a good linearity when the residues concentrations of nafcillin in duck were 0.2~10 mg·L-1, and the determination coefficients were larger than 0.95. Three of the calibration curves using Raman peaks intensities ratio had superior accuracy with the recoveries of 88%~144%. The results showed the detection of nafcillin residues in duck meat using SERS was feasible, and the method was simple, rapid and accurate providing the technical support for detect the nafcillin residues in poultry meat food.Keywords Au nanoparticles; SERS; Duck meat; Nafcillin

针对硫化锑含量采用化学分析方法检测存在操作复杂、 检测时间长的问题, 提出了一种基于拉曼光谱高斯分峰拟合的硫化锑含量快速检测方法。 采用拉曼光谱系统测定锑矿样品的拉曼谱图, 对原始拉曼谱图进行平滑去噪、 背景扣除、 谱段选择及归一化等预处理。 基于高斯曲线的高斯峰、 峰面积、 半高宽和峰位置等信息, 建立单个高斯峰的数学模型, 提出高斯分峰拟合算法对光谱进行拟合, 采用状态转移算法对高斯峰模型进行优化求解, 得到表征光谱信息的特征参量, 结合偏最小二乘回归方法, 确定特征参量和硫化锑含量之间的关系, 从而建立模型, 实现对硫化锑含量的预测。 实验中通过训练样本建立校正模型, 对测试样本进行预测, 同时从训练样本中随机挑选出检验样本, 利用已建立的模型, 对其硫化锑含量进行预测, 以检验模型的正确性和外推性。 实验结果表明: 与预处理后全光谱建模相比, 采用高斯分峰拟合后建立的预测模型的预测效果更好, 证明了模型的正确性和良好外推性。 因此, 拉曼光谱结合高斯分峰拟合算法应用于锑矿中硫化锑含量的检测是可行的, 且测量过程更简单, 适用于矿物成分的快速分析。

实时准确地获取作物叶绿素含量的三维空间分布信息, 是作物营养、 栽培和育种等科学研究和生产领域密切关注的问题。 该研究以水稻植株为研究对象, 采用改造后的普通单反相机加载近红外滤光片的方法, 多角度获取水稻植株的多光谱图像。 基于不同波段不同通道的组合图像计算多种植被指数, 将其结果与对应的实测SPAD值之间建立水稻植株叶绿素(SPAD)预测模型, 并筛选出最优预测模型。 研究结果表明, 近红外760 nm波段的R通道与可见光G通道构建的GNDVI植被指数, 与实测SPAD值建立的二次函数预测模型能够很好地反演水稻植株叶绿素(SPAD)含量, 其中, R2=0.758, RMSE=1.532。 在此基础上, 利用多角度成像三维建模方法建立具备纹理信息的水稻三维模型, 将最优预测模型应用于水稻综合纹理图, 得到水稻叶绿素含量三维空间分布信息, 从而实现水稻生长情况以及叶绿素养分分布状况的快速无损检测。

针对柴油机润滑油被燃油稀释的状态监测的问题, 研究了基于紫外荧光技术的柴油机润滑油被燃油稀释的检测方法, 设计搭建了检测实验装置。 利用峰值发射波长为365 nm的紫外LED作为发射光源, 发射的紫外光通过400 nm低通滤光片过滤后进入石英比色皿中的油样, 并激发油样产生荧光, 产生的荧光通过400 nm高通滤光片过滤后, 利用探测波长范围为400～800 nm的光电传感器采集油样的荧光信号, 利用万用表读取油样的荧光强度。 设计开发了信号的放大和测量系统。 高、 低通滤光片的组合使用, 减少了紫外光源所发射的紫外光对油样的荧光强度测量的干扰。 利用该实验装置, 测量了润滑油中柴油含量分别为20.3 Wt.%, 10.0 Wt.%, 5.0 Wt.%, 2.5 Wt.%, 1.5 Wt.%和0.7 Wt.%以及不含柴油的空白油样的荧光强度, 经拟合得到柴油含量与荧光强度的方程。 最后, 为了检验该方法测量润滑油中柴油含量的准确性, 采用柴油含量为7.5 Wt.%油样进行验证, 利用该实验装置, 测量了验证油样的荧光强度, 代入拟合方程, 计算得到油样中的柴油含量, 结果表明通过该方法测量的油样中柴油含量与油样的实际柴油含量的相对误差为0.5%, 实现了实验室条件下润滑油被燃油稀释的精确测量。

采用F-7000荧光光谱仪分别研究了14种苯系物在不同浓度时的三维荧光光谱特征, 探讨了各物质三维荧光光谱特征与其结构特性之间的关系。 结果表明: 苯环上取代基的结构、 位置及数量均会影响苯系物的荧光特征。 其中苯、 甲苯、 乙苯、 丙苯、 异丙苯、 二甲苯、 均三甲苯荧光峰λех/λеm=205~215 nm/280~295 nm; 苯乙烯荧光峰λех/λеm=230/345 nm; 苯酚的两个荧光峰λех/λеm=220/300和270/295 nm; 苯胺两个荧光峰λех/λеm=235/335和280/335 nm; 氯苯有一个荧光峰λех/λеm=215/290 nm; 硝基苯无明显荧光信号。 由于甲基、 乙基等烷基与苯环直接相连的碳原子扩大了苯环刚性平面, 1 mg·L-1浓度条件下, 与苯相比较: 甲苯和乙苯的荧光强度FI分别增强了10.62和9.45倍, λех红移5 nm; 对二甲苯、 三甲苯、 间二甲苯、 邻二甲苯的FI增强倍数分别为5.49, 4.87, 2.14和1.33, 说明烷基类取代基中与苯环共面、 非共面碳原子的数量都会影响物质的荧光特性。 苯乙烯的乙烯基团扩大刚性平面的同时, 不饱和双键降低了其激发所需能量, 苯乙烯浓度为0.002 mg·L-1的荧光强度与10 mg·L-1的乙苯荧光强度相当, λех相对乙苯红移了20 nm。 给电子基团—OH和—NH2对苯环荧光强度的影响介于烷基与不饱和键之间, 其n电子与苯环π体系形成了P-π共轭结构, 刚性平面扩大, 荧光强度增强, 荧光光谱红移; 含得电子基团—NO和—Cl类物质的n→π1*跃迁属于禁戒跃迁, 产生的激发态分子数较少, 同时系间窜越作用强于π1*→S1, 理论上荧光较弱或不发荧光, 实验结果与理论一致。

提出了一种光谱重叠的多种矿物油混合物组分含量测定的新方法。 将偏最小二乘方法(PLS)推广至三维扩展(tri-PLS), 不需要解决特征值问题。 利用该方法对柴油、 汽油和煤油混合物的三维荧光光谱进行研究, 根据样本序列、 激发波长、 发射波长构造出三维数据矩阵, 结合浓度矩阵应用tri-PLS法建立校正模型, 对实验样本进行预测, 实验结果表明tri-PLS方法的建模精度比常用的平行因子法优越。

使用FLS920P型荧光光谱仪测量了20个合成色素胭脂红溶液样本的荧光发射谱, 实验表明: 胭脂红的最佳激发波长为300 nm, 在此波长激发光下, 荧光峰值波长为440 nm。 同时测量相同条件下超纯水的光谱数据作为参考光谱, 进行与胭脂红溶液光谱数据的相关计算, 构建以浓度为外扰的荧光相关光谱。 采用sym8小波函数4尺度降噪, 将降噪后的同步相关光谱数据、 自相关光谱数据应用偏最小二乘回归(PLSR)算法进行预测, 建立溶液中胭脂红含量的定量模型, 结果表明: 采用同步相关光谱建模的预测相关系数为99.863%, 预测均方根误差为0.414 μg·mL-1; 而采用自相关光谱建模的预测相关系数为99.940%, 预测均方根误差为0.303 μg·mL-1。 对比可知, 自相关光谱数据有效地避免了信息冗余, 预测结果更为可靠。 该方法无需样本处理, 操作简单, 为食品安全检测提供了一种新的思路。

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。 首先, 基于GaN薄膜的透射光谱, 结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n0、 线性吸收系数α0、 光学带隙Eg等线性光学性质。 采用飞秒激光Z扫描技术, 得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果, 结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。 在激发光子能量接近GaN带隙情况下, 低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收, 这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。 闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n2=－(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1, 它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。 为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制, 采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。 实验结果表明, 在低光强下, 饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收, 高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程, 其自由载流子弛豫时间约为17 ps。 该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。

使用太赫兹时域光谱(THz-TDS)、 傅里叶红外光谱(FTIR)和傅里叶拉曼光谱(FT-Raman)技术在室温下对γ-氨基丁酸(GABA)、 苯甲酸(BA)及其研磨和溶剂共晶体进行表征分析。 FTIR, FT-Raman及THz光谱都能够分辨原料物质及GABA-BA共晶体。 其中THz实验结果显示了GABA-BA研磨和溶剂共晶体位于0.93, 1.33, 1.57 THz的吸收峰明显区别于原料物质, 这体现了不同物质在THz波段具有明显的指纹特征。 为确认GABA-BA共晶体的晶型结构, 分别采用FTIR和FT-Raman光谱进行光谱归属。 通过FTIR的光谱归属推断GABA-BA共晶体由GABA中的氨基H23和BA中的羰基O1构成第一个氢键, 氨基中的N18结合BA中的羟基H15形成第二个氢键。 FT-Raman光谱中, 原料物质GABA中位于576, 886, 1 250, 1 283, 1 337, 1 423和1 470 cm-1处归属于—CH2, —NH2弯曲振动的Raman散射峰在GABA-BA共晶体内消失, 判定GABA中的氮原子N18亦可作为氢键受体, 从而验证了GABA-BA共晶体的晶型结构。 此外, 为了进一步说明溶剂pH值对GABA-BA共晶体的形成条件的影响, 利用THz-TDS, FT-Raman光谱确认了该共晶体在溶剂条件2.00≤pH≤7.20可稳定地生成。 这一研究结果同时也为利用THz-TDS, FT-Raman光谱技术辨别固体物质晶型结构、 晶型形成条件提供了实验及理论依据。

近百年来, 因为酞菁在信息等很多领域都有很广泛的应用, 所以一直是科学家研究的热点课题。 随着科技的不断发展, 人类社会不断进步的需要, 具有新功能的新式酞菁合成工作, 依旧是酞菁科技工作者的目标。 为此, 改变合成路线, 合成了新型的酞菁材料: 4,8,15,22-四［3,3-4(羟苯基)-3H-异苯并呋喃酮］酞菁镍(铜), 3-［3, 3-二(4-羟苯基)-3H-异苯并呋喃酮］邻苯二腈分别与铜和镍盐反应, 以正戊醇为溶剂, 用1,8-二氮杂二环(5,4,0)十一碳-7-烯(DBU)为催化剂, 在一定温度下合成4,8,15,22-四［3,3-二(4-羟苯基)-3H-异苯并呋喃酮］酞菁。 通过对合成产物进行测定, 证明合成物质是目标产物, 并研究其相关紫外光谱, 荧光光谱和光致发光光谱的谱学性质。

基于紫外吸收光谱的COD测量方法, 尽管具有快速、 实时、 免试剂、 无污染等优势。 但该方法对于组分多变的水样适应性不强, 构建的单一计算模型不能适用于所有待测水样类型, 导致其在复杂环境下测量准确度较低, 从而限制了其应用领域。 本研究提出一种基于水样类型识别的测量方法。 其过程包括: 动态识别水样类型→自动选择相应的“吸光度(Auv)-COD”算法模型→计算COD。 该方法有效提高了紫外光谱法COD测量的准确度和适用性。 该研究在传统的光谱识别技术的基础上, 针对COD实际测量的特点加以改进。 选取水样吸光度曲线的形貌特征作为水样类型的表征参数, 利用LM-BP神经网络作为识别算法。 并引入了“历史数据队列”、 “历史识别因子”的概念, 在此基础上形成了级联的神经网络结构。 该算法实现了COD测量应用中的高准确度的光谱识别, 进而提高了复杂环境下COD测量的精度。 大量实验测试和结果表明, 与传统的光谱识别技术相比, 该方法在COD测量应用中具有更好的鲁棒性和准确性。 水样类型识别准确率达98%以上。 同时算法结构简单, 计算量小, 适用于资源受限的小型化COD测量仪。 当仪器在复杂多变的水环境中进行测量时, 采用该算法测量得到的COD精度有显著的提高。 该方法的提出为光谱COD测量法在水体组分多变场合的应用及提高其测量精度提供了技术保证, 可望解决传统紫外光谱COD测量法难以适应变化和复杂水环境应用的问题。

富营养化是河口港湾一个重要的生态环境问题。 传统的富营养化监测与评价需要依靠费时费力的人工采样、 实验室分析测定, 周期较长, 难以实现现场实时快速监测与评价。 本文依据2009年2月、 5月、 8月和10～11月在厦门湾海域的有色溶解有机物(CDOM)与主要环境要素的调查资料, 探讨了利用CDOM的光学性质反演COD, TN, TP等富营养化参数的可行性。 结果表明: (1)厦门湾表层水体CDOM存在明显的空间和季节性变化, 九龙江河口区的丰度最高; (2)陆源输入及浮游植物的现场生产是水体中CDOM的主要来源, 因此可建立利用盐度和叶绿素a浓度估算厦门湾CDOM丰度的经验算法, 该经验算法的相关系数达0.96, 经验算法估算值与实测CDOM之间的相对误差为11.1%±0.71%, 精度较高; (3)厦门湾各个季节COD, TN, TP与CDOM吸收系数、 荧光组分之间有很好的相关性, 总体表现春夏较高、 秋季次之、 冬季最差; (4)结合上述研究成果, 利用厦门湾已建立的水质自动监测系统实时获取的盐度、 叶绿素a以及经验公式推导出的CDOM荧光资料, 有望克服COD, TN和TP等富营养化指标只能通过人工采样和实验室分析获取的缺点; 实现对海域富营养化程度的快速监测与评价。

在轨运行的传感器辐射性能由于受到元部件老化、 外太空辐射等因素的影响, 会发生变化, 通过传感器在轨定标可以及时追踪传感器在轨运行期间的辐射性能变化。 利用Terra/MODIS(Terre卫星中分辨率成像光谱仪)参考, GF-1/WFV(高分-1号卫星视场传感器)传感器为目标, 基于敦煌校正场的实测地表光谱数据, 在考虑两传感器成像时刻的不同观测角度、 光谱响应、 大气条件和地表特性的匹配贡献的基础上, 获得交叉定标光谱匹配因子, 进一步得出WFV自发射后的时间序列交叉定标系数。 以此辐亮度定标系数得到的表观辐亮度值与MODIS表观辐亮度值进行比对, 开展光谱匹配因子对GF-1/WFV定标系数的影响分析。 分析认为: 在不同波段, 光谱匹配因子变化趋势总体一致, 大于0.9的光谱匹配因子比重分别为53.1%, 75%, 81.2%和93.8%; 辐亮度定标系数的时间序列变化趋势与光谱匹配因子的时间变化趋势呈现负相关; 匹配因子越接近1, 两传感器辐亮度值的相对偏差越小。

为了同时解决纳米指印显现试剂的灵敏度、 专属性以及安全性等方面的问题, 设计出氧化锌/聚酰胺-胺树形分子纳米复合材料(ZnO/PAMAM G5.0)的构架, 并探索了相关的合成条件、 产物的荧光性能及其在潜指印显现方面的应用前景。 实验结果表明, ZnO纳米颗粒可以在PAMAM G5.0树形分子的模板作用下控制生成; 合成产物在中波紫外光的激发作用下可以发出蓝色可见光; 当锌离子与树形分子的负载比介于10～100范围内时, 合成产物的荧光性能呈现先增长后下降的趋势, 并在负载比为60时得到最强光致发光效果; 对于经“502”熏显法固定后的潜指印样本, ZnO/PAMAM G5.0纳米复合材料可以通过胺解反应途径对其进行有效的增显。 ZnO/PAMAM G5.0纳米复合材料有望引领纳米指印显现试剂新的发展方向。

广西河池市所产的软玉主要颜色是白色、 青白色, 少量墨绿色和黑色, 是近两年才出现的品种, 但是在市场上却占有不小份额, 与其他产地相比, 本区大部分软玉质地干, 油脂光泽弱, 且多数不透明, 没有“水线”, 常具有白色或者灰白色条带状包体以及褐色或者黑色“花瓣”状包体, 市场上直接以“花瓣玉”进行销售。 通过常规测试、 拉曼光谱(Raman)、 X光粉晶衍射(XRD)等测试, 研究结果表明: 广西河池软玉折射率为1.616～1.632, 样品相对密度平均值为2.895, 紫外荧光下样品均显示为惰性; 样品的玉质部分和条带部分拉曼谱峰与标准软玉拉曼峰基本一致, 主要峰值集中在225, 370, 676, 1 029和3 677 cm-1, 拉曼光谱和XRD测试表明玉石中的白色条带状包体的矿物组成依然为软玉, 但是与周边玉石部分的软玉有不同的排列方式和颗粒大小, 因此肉眼观察显示出条带状, 并与正常玉石部分相比具有不同的颜色和透明度特征; 经测试和计算发现研究样品结晶度平均值为0.963, 大于新疆软玉样品的结晶度平均值0.843, 与青海软玉结晶度0.96相近, 反映出该区软玉的结晶程度较高, 晶体颗粒相对较大的特征, 预示其结晶过程冷却缓慢的特点, 样品的结晶度好且同时颗粒排列比较不规则, 造成玉石整体透明度下降。 LIBS测试软玉中铍/硅强度比(IBe/ISi)显示新疆软玉为0.003～0.008, 青海软玉为0, 辽宁软玉为0.004～0.006, 韩国软玉为0.1～0.16, 俄罗斯软玉为0.03～0.05, 广西河池软玉与青海软玉相同为0。

利用光谱检测和数据挖掘实现不同种类动物血液光谱数据的精确识别与分类具有重要意义, 目前尚未见到较为完善及普适的相关研究报道。 实验采集了鸽、 鸡、 鼠、 羊四种动物全血和红细胞溶液(浓度为1%)的荧光光谱数据; 基于小波变换的软阈值去噪方法, 首先对原始光谱数据进行去噪处理, 并确定了717个原始特征(包括荧光峰强度值、 荧光峰连线斜率等4类特征); 提出以“区分度统计量”为核心的特征提取方法, 结合主成分分析法和平均影响值算法, 实现了对717个原始特征到2个识别特征的高效筛选; 进一步建立了径向基核函数的支持向量机分类器, 对四类不同动物的全血荧光光谱数据实现了准确率为100%的识别分类, 对红细胞荧光光谱数据实现了94.69%～99.12%的识别率; 最后蒙特卡洛交叉验证的结果表明所提出的思路和方法对于动物全血溶液的识别分类具有较好的泛化能力, 能对荧光光谱数据进行准确的识别分类, 因此能够在进出口检查、 食品安全、 医药等领域发挥重要作用。 针对动物血液荧光光谱, 提出的基于“区分度统计量”的特征提取方法, 相比于传统的人为特征选取方法, 能够从大量原始特征中自动提取少量且有效的识别特征, 具有较强的普适性和高效性, 为其他领域的光谱特征提取和识别分类提供了一种新的思路。

实时监测发酵液中固形物含量的变化, 对控制厌氧发酵过程的稳定性具有重要作用。 研究中采用近红外高光谱技术结合化学计量学方法, 对水葫芦和稻草秸秆混合厌氧发酵过程中的固形物含量进行定量检测研究。 与传统2540G(APHA, 1990)标准方法相比, 近红外高光谱技术具有无损、 快速的优点。 实验过程中, 首先获取发酵液样本的高光谱信息, 应用移动平均平滑法(MAS)进行光谱预处理, 并采用竞争自适应重加权采样算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)和Random frog算法提取光谱特征信息, 然后基于全谱和所选特征波长下的光谱信息分别建立总固形物含量(TS)和挥发性固形物含量(VS)的校正模型, 建模方法包括偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)。 研究表明, SPA-LS-SVM模型的预测结果最好, 其中TS的预测均方根误差(RMSEP)及相关系数(Rp)分别为0.005 8和0.841; 而VS的RMSEP和Rp分别为0.004 1和0.874。 结果表明, 利用近红外高光谱结合化学计量学方法可以实现厌氧发酵液中的固形物含量的检测, 为布置光谱传感器以便定量检测厌氧发酵过程中的固形物含量奠定了理论依据。

为研究煤矸石充填复垦土壤重金属含量快速有效的监测方法, 以淮南创大生态园煤矸石充填复垦田间试验小区为研究区域, 首先采用化学方法监测土壤(0～20 cm)重金属(Cu, Cr, As)含量, 然后采用ASD(analytical spectral devices) FiSpec4型高光谱仪测量土壤样品的反射光谱, 提取光谱特征, 并对光谱进行一阶微分变换、 二阶微分变换及倒数对数变换; 将变换后的各光谱特征参数与监测的土壤重金属含量进行相关性分析, 并依据相关性分析结果选择显著相关的波段作为相关因子供建模使用。 采用多元逐步回归(stepwise multiple liner regression, SMLR)分析、 偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)及人工神经网络(artificial neural network, ANN)三种方法分别建立基于光谱反射率估算土壤重金属含量的预测模型, 并采用回归模型进行精度评定, 然后确定各重金属含量的最佳预测模型。 实验结果表明, 经过微分变换的光谱波段与土壤重金属含量达到了显著相关; 重金属Cu和Cr的一阶微分光谱的人工神经网络模型为最佳预测模型, 重金属元素As的二阶微分光谱的偏最小二乘回归模型为最佳预测模型。

冬小麦遭受晚霜冻害后, 生理生态方面会发生显著变化, 其中又以株高要素的变化最为显著。 提取了包括红边位置、 红边振幅在内的15个光谱特征参数, 以及包括株高、 穗长、 穗下节间长和倒二节间长变化率4个株高要素, 通过相关分析, 筛选出与光谱特征相关性最好的株高变化率参数, 并建立逐步回归模型。 结果表明: 仅有株高变化率在2013和2014年两期试验中均与光谱特征参数达到显著相关; 将两期试验数据合并后, 则穗长、 穗下节间长和倒二节间长的变化率也均达到显著相关。 综合考虑模型的Adj.R2和显著性水平(Sig.)可知, 模型拟合效果最好的是穗长变化率, 其次是株高, 穗下节间和倒二节间长变化率。 比较模型的RMSE可知, 模型预测精度最高的是穗下节间长变化率。 该研究对在冻害胁迫条件下用光谱特征参数预测小麦株高各要素的变化提供了很好的参考, 对研究晚霜冻害低温胁迫下冬小麦株高要素变化的规律具有指示性意义。

室温, 常压下, 利用Nd∶YAG脉冲激光器产生的波长为1 064 nm, 脉宽12 ns, 能量分别180, 230和280 mJ的脉冲激光冲击Ti靶, 使用中阶梯光栅光谱仪检测了三种激光能量下对应的光谱。 调节延时器DG645的延迟时间, 检测了延迟0～500 ns时间范围内Ti等离子体对应激光能量下的发射光谱, 分析光谱, 可以得到了九条不同的的TiⅠ 和TiⅡ等离子体谱线, 证明在该实验条件下, Ti靶能够充分吸收能量电离且离子谱线具有不同的演化速率, 利用Saha-Boltzmann法计算并分析Ti等离子体电子温度, 实验结果表明: 相同的延迟时间, 激光能量越大, 谱线相对强度越大, 电子温度越高, 谱线相对强度的变化量随激光能量的变化量增大而增大; 在延时0～150 ns内, 三种激光能量下的等离子体电子温度和谱线的相对强度都随延迟时间的增加而快速下降, 其中280 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度下降速率较快; 在150～250 ns范围内, 电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加有一个缓慢的上升, 180 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度的上升速率较快。 250～500 ns范围内, 三种激光能量下的电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加而缓慢下降。

液相放电能够产生各种活性物质, 其中羟基自由基(OH), 氢自由基(H)被认为是引发液相化学反应的主要活性物种, 但由于其活性强寿命短的特点, 测量比较困难, 由于缺少标准样品, 定量测量更为困难。 用光学方法测量自由基是一种直接测量方法, 其特点是瞬时在线测量, 能立即获得数据, 进行时间和空间分布测量。 为了研究微波水中放电产生的自由基特性, 利用发射光谱诊断技术对微波水中放电产生的活性物质进行了在线检测, 考察了微波功率、 反应器内部压强对OH自由基相对光谱强度的影响, 并观测了等离子体中OH自由基强度的空间分布; 同时, 估算了微波液相等离子体中的电子激发温度。 实验结果表明, 微波水中放电可以产生大量的OH, H, O自由基, 其中OH自由基的相对光谱强度最强, 并随微波功率的增加呈现明显上升的趋势, 随反应器内部压强的增大而迅速减弱; 以OH为主的自由基主要产生于电极尖端附近。 微波液相等离子体的电子激发温度约为0.33×104 K。

采用电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)法测定野生皂荚中多种微量元素的含量。 皂荚样品以HNO3+H2O2+HCl为混合消解试剂经微波消解后直接测定。 在MS/MS模式下向碰撞反应池中通过氧气或氨气, 分别利用氧气质量转移、 氧气原位质量和氨气质量转移消除多原子离子质谱干扰。 通过分析国家标准参考物质绿茶(GBW10052)和芹菜(GBW10048)验证方法的准确性和精密度, 所测定结果与参考值基本一致, RSD≤7.8%。 采用所建立的方法分别分析了来自中国云南和重庆武陵山区野生皂荚中的12种微量元素(V, Cr, Co, Cu, Zn, Fe, Mn, Ni, As, Cd, Hg, Pb), 12种微量元素的检出限为0.29～21.36 ng·L-1。 结果显示, 野生皂荚12种分析元素中Fe含量最高, 其次为元素Zn, 重金属元素As, Cd, Hg和Pb的含量远低于《中国药典》限量标准。 该研究为野生皂荚中微量元素的安全评价和监管提供了科学方法和数据。

六氟化硫(SF6)气体因其优良的绝缘和灭弧性能, 被广泛应用于高压绝缘设备中。 然而, 当存在H2O和O2等杂质时, SF6气体在局部放电等作用下分解成的低氟化物会进一步与杂质发生反应生成稳定的氟硫氧化物和氢化物, 使得设备绝缘性能下降, 危害电网安全, 因此检测和分析SF6中微水、 微氧及其分解产物具有重要意义。 采用激光诱导击穿光谱技术测量了SF6中的痕量O含量。 利用CaF2作为窗口材料, 解决了窗口材料在不断腐蚀作用下引起的激发能量逐渐衰减以及窗口材料与SF6气体击穿产物反应引入的污染影响测量结果的问题, 消除了由激发条件改变引起的等离子体状态的变化; 通过测量不同O含量的SF6气体激光诱导击穿光谱, 结合迭代小波分析对实测光谱进行基线校正和降噪处理, 通过定标曲线获得了O元素检测限为38 ppm。 利用偏最小二乘法建立了稳定的定量分析模型, 改善了定量分析模型的稳定性和精度。

工业的发展及城市化进程的深入, 造成大量耕地土壤遭受重金属污染, 土壤重金属元素的准确检测对制定土壤重金属防治决策提供有效参考。 本研究应用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合化学计量学方法对土壤中的铅(Pb)和镉(Cd)元素进行定量分析。 根据土壤重金属污染的不同程度, 人为制作了含有Pb和Cd元素的15个浓度梯度的土壤样本, 并采集各个样本的LIBS谱线。 采用剔除异常光谱和数据归一化来减少试验误差和噪声。 综合土壤LIBS发射谱线中Pb和Cd元素谱峰信息以及美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准原子光谱数据库, 选取了Pb, Cd元素的分析谱线与分析谱线区间, 对比分析基于多元线性回归(MLR)、 偏最小二乘回归(PLSR)、 最小二乘支持向量机(LS-SVM)和反向传播人工神经网络(BP-ANN)算法, 建立分析谱线区间与对应Pb和Cd元素浓度之间的定量回归模型。 结果表明, 非线性的LS-SVM和BP-ANN的模型的预测性能优于线性MLR和PLSR模型, 这可能是因为非线性模型能够通过自适应较好地解决土壤基体效应的影响。 研究表明, LIBS技术结合多元化学计量学方法能够为土壤重金属准确检测提供新的分析手段, 为制定农业土壤重金属防治决策提供有效的理论基础。

铜阳极泥是一种重要的冶金工业副产品, 因其中含有多种贵金属和有价金属元素, 铜阳极泥的综合回收利用日益受到关注。 铜阳极泥预处理富集渣中富含的Sb难以用常规方法溶解, 有必要建立一种准确、 简便的测试方法实现Sb的定量分析。 采用X射线荧光光谱、 X射线衍射光谱和场发射扫描电镜能谱分析等多种光谱学分析手段对富集渣的化学成分、 物相和微观结构做了全面分析, 结果表明, 富集渣的化学组成和物理结构复杂, 组分化学性质稳定且共生紧密。 Sb以高锑酸金属化合物的形式存在, 结构稳定化学惰性强。 采用Na2O2熔融法消解试样, 合成标准样品做标准系列, 用火焰原子吸收光谱法测定了富集渣中Sb的含量值为8.23%, 相对标准偏差为0.97%。 该方法的检出限为0.072%, 加标回收率为94.9%~99.2%。 本方法溶样彻底, 不需贵重试剂和仪器, 方法简单易行。 采用与样品基体相近的合成标准样品, 消除了样品化学成分复杂所造成的共存物质干扰。 通过标准样品测试验证和其他仪器方法比对, 证明本方法灵敏度高, 准确性好, 可用于铜阳极泥预处理渣料中Sb的定量测定。

在分光光度法分析高浓度锌溶液中痕量钴离子浓度的过程中, 由于基体离子Zn(Ⅱ)与待测离子Co(Ⅱ)化学性质相近且基体离子浓度过高, 导致Co(Ⅱ)的光谱信号与Zn(Ⅱ)的光谱信号重叠, 大部分Co(Ⅱ)的光谱信号被Zn(Ⅱ)的光谱信号掩蔽, 在部分波长段溶液的吸光度与浓度呈现很强的非线性, 混合溶液加和性不佳, 因此无法通过全波段信息实现痕量Co(Ⅱ)浓度的检测。 该研究提出了间隔相关系数-偏最小二乘法对溶液的紫外可见光光谱进行波长点的筛选并建立吸光度-浓度模型。 首先设计实验获取锌钴混合溶液光谱图; 其后使用间隔分区的方法根据预测均方根误差这一指标挑选出Co(Ⅱ)的最优特征区间段, 以减少高浓度锌液的掩蔽作用并去除空白信息; 再在Co(Ⅱ)敏感区域使用相关系数法对吸光度矩阵进行波长点的精选, 所筛选出的点能最大程度保留Co(Ⅱ)灵敏度和线性度; 最后利用筛选出的波长建立PLS模型并计算出Co(Ⅱ)浓度。 将所提方法与全波段偏最小二乘, 分区偏最小二乘, 蒙特卡罗无信息变量消除偏最小二乘及竞争自适应加权偏最小二乘进行了分析比较, 结果表明所提出的方法所需波长数分别减少89.1%, 40%, 72.3%和81.7%, 模型精度分别提高64.6％, 33.3%, 38.7%和24.3%, 样本最大相对误差5.45%, 平均相对误差2.21%, 妥善的解决了高浓度锌液背景下痕量钴离子浓度检测问题。

中药的质量控制和评价在现代化医学发展中起着至关重要的作用。 为了客观和高精度的鉴别中药材特性, 实现对中药材质量稳定性的控制, 利用XRF, PXRD和FTIR对广藿香的主要组分及微结构进行测定, 建立了基于XRF, PXRD和FTIR鉴别中药材主要组分及产地特征的新方法。 实验结果表明, 广藿香中含有K, Ca, Cl, Si和P等多种元素, 独有的元素特征谱是广藿香形成药效好的道地药材的部分物质基础。 广藿香含有大量的晶态物质及少量非晶态物质, 且Ca在其中以CaC2O4·H2O状态存在, 被检样品中该晶体物质含量的多少与相关锐峰的强弱成正比。 对FTIR谱峰进行了归属与分析, 提供了醇类、 黄酮及草酸钙等物质的化学组分信息。 该法联用XRF, PXRD和FTIR技术从元素、 原子和分子微观层面客观地表征了广藿香主要组分及微结构的相关信息, 避免了单独使用某种方法的片面性, 能避免因复杂的前处理导致样品固有组分的改变, 具有快速、 简洁、 再现性好及易于接受等优点, 为广藿香及其他中药材的质量控制和品质评价提供一种新方法。

结合X射线衍射(XRD)、 扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)方法, 对现代盐湖沉积环境下, 新疆艾比湖滨岸盐碱土中碳酸盐的分布特征、 存在形式以及与其他土壤原生、 次生矿物之间的关系进行探讨, 结果表明: 艾比湖滨岸盐碱土中的原生矿物主要是石英和长石, 粘土矿物主要为绿泥石和伊利石, 土壤矿物的风化程度顺序为北部>西部>东部, 西部样点的现代盐湖化学沉积作用最为显著, 北部样点则生物风化过程十分强烈; XRD方法和气量法分别测得的碳酸盐含量之间呈极显著正相关关系, 判定系数R2达0.640 9。 当盐碱土中含有较高的绿泥石时, 碳汇潜力会增加, 同时, XRD方法对碳酸盐相对含量的鉴定误差也明显增加, 衍射峰形变得复杂, 碳酸盐含量明显被低估, 低估原因可能与有机质含量高导致的弥散散射增加及粘土矿物含量高使得类质同象现象增加有关; 西部和北部土壤矿物溶蚀强烈, 石膏以纤维状或长柱状晶体分散或放射状分布于方解石晶体之间, 方解石则以异质成核形式呈颗粒状或片状在其他矿物或底质表面生长, 表现为次生碳酸盐形貌特征。

应用中国科学院云南天文台丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪, 对18颗近太阳样本恒星进行了高色散光谱观测, 获得这些恒星高质量的高色散光谱。 表明原中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16 m折轴光谱仪搬迁、 改造获得成功, 达到并超过了预期的效果。 以丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪观测获得的高质量的高色散光谱为基础, 应用高斯拟合方法测量了样本中17颗年轻类太阳恒星锂吸收线的等值宽度, 并计算了锂元素丰度。 应用Hall给出的经验公式, 计算了这些年轻恒星的Ca ⅡΗ和Κ(λ=395.0 nm)辐射强度。 讨论了锂元素丰度和表明恒星色球活动的Ca H和K线辐射强度之间的关系。 发现锂元素丰度值高的年轻恒星, 其Ca H和K线辐射更强。 考虑到恒星自转速度随恒星年龄的变化, 小质量主序前恒星随着恒星年龄的增加, 自转明显的加快; 主序恒星随着恒星年龄的增加, 自转逐渐变慢。 我们的结果支持恒星自转越快, 其活动性也就越强, 以及色球活动较强的恒星具有高的锂元素丰度值。

大规模光谱巡天项目如LAMOST等产生了海量极具研究价值的观测数据, 如何对此数量级的数据进行有效的分析是当前的一个研究热点。 聚类算法是一类无监督的机器学习算法, 可以在不依赖于领域知识的情况下对数据进行处理, 发现其中的规律与结构。 恒星光谱聚类是天文数据处理中一项非常重要的工作, 主要对海量光谱巡天数据按照其物理及化学性质分类。 针对LAMOST巡天中的早M型矮恒星的光谱数据, 使用多种聚类算法如K-Means, Bisecting K-Means和OPTICS算法做了聚类分析, 研究不同聚类算法在早M型恒星数据的表现。 聚类算法在一定程度依赖于其使用的距离度量算法, 同时研究了欧氏距离、 曼哈顿距离、 残差分布距离和上述三种聚类算法搭配下的表现。 实验结果表明: (1)聚类算法可以很好地辅助分析早M型矮恒星的光谱数据, 聚类产生的簇心数据和MK分类吻合得非常好。 (2)三种不同聚类算法表现不尽相同, Bisecting K-Means在恒星光谱细分类方面更有优势。 (3) 在聚类的同时也会产生一些数量较少的簇, 从这些簇中可以发现一些稀有天体候选体, 相对而言OPTICS适合用来寻找稀有天体候选体。

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法, 解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。 从工作距的角度, 比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。 在大工作距要求下, 采取第一种思路, 即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上, 引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。 建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型, 给出了改进型Dyson光谱成像系统。 设计结果表明: 改进型Dyson光谱成像系统具有12 mm工作距, F/1.8相对孔径, 在0.38～0.9 μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45 nm, 以及接近衍射极限的优良成像性质, MTF在全波段全视场100 lp·mm-1线处大于0.7, 最大像面均方根值半径小于1.2 μm。 同时, 系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制, 保证了获取光谱数据的一致性。 改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点, 而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适, 易于装配。 解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题, 可为大气遥感、 农林调查、 海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统, 对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。

高精度的大气探测光谱仪应用十分广泛, 但是由于太阳发出的自然光与大气作用后所产生的(部分)偏振光会影响设备的探测精度, 所以该类光谱仪通常需要去除入射光的偏振影响。 论文针对大气超光谱成像探测设备的消偏需求, 提出了一种新型的双H-V(horizontal-vertical)消偏器。 由于晶体的双折射结构在光学原理上可以产生消偏效应, 所以消偏器材料通常为双折射晶体, 但是该结构同时又会产生双像, 从而降低光谱仪的成像质量。 针对此问题, 结合该大气超光谱探测设备中空间维像元合并的特点提出了一种异型双H-V消偏器。 它不同于传统双H-V消偏器中两子H-V楔角相等的结构, 所提出的异型双H-V消偏器两个子H-V楔角不同, 从而使其在光谱维及空间维对应不同的双像距, 在满足退偏度要求的同时保证了成像质量, 很好的解决了高消偏度与高成像质量之间的矛盾。 论文详细阐述了消偏器的设计方案, 并针对消偏效果与成像质量进行了分析, 消偏器的退偏率优于98.8%, 并且在空间方向双像所占像元数仅为合并像元的8.7%。

通过聚光波导提高光的转换和收集效率, 是提高太阳能电池效率、 减少电池用量、 降低光伏发电系统成本的重要途径。 利用PMMA作为波导基质材料, Rhodamine 6G(罗丹明6G)作为荧光染料, 通过涂覆方法, 在表面积为50 mm×50 mm、 厚度为5 mm的洁净PMMA衬底上制备出了荧光层厚度约为32 μm的平面波导型聚光器, 并研究了荧光染料的掺杂浓度对其聚光比和光伏性能的影响。 结果表明, 当掺杂浓度为0.250%时, 聚光器的聚光比和器件的光伏性能达到了最优, 分别为0.45%和0.49%。

高光谱遥感技术是一种有效的监测石油类污染手段, 目前主要应用于海上溢油方面, 而关于土壤石油烃污染的研究较少。 针对土壤石油烃污染研究不足的现状, 选取柴油、 汽油和机油三种石油烃, 开展了石油烃污染紫色土的光谱特征实验研究, 分析了紫色土在不同种类石油烃污染及不同污染浓度条件下的光谱特征, 提取了含有不同种类石油烃的紫色土光谱吸收特征波段。 在此基础上, 经过7种光谱变换和相关性分析, 筛选出与石油烃含量最敏感的光谱变量, 分别采用单变量回归法和多元逐步线性回归法建立了估算模型, 并对模型进行了验证。 研究表明: 含有柴油、 机油和汽油的光谱在1 200, 1 700和2 300 nm附近均出现了吸收特征, 光谱吸收深度表现为: 机油>汽油>柴油; 多元逐步线性回归法优于单变量回归法, 其建立的柴油、 机油和汽油的估算模型决定系数均大于0.95, 校正均方根误差小于0.47, 验证均方根误差小于0.56, 估算精度较高。

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。 仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉, 通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。 某一时刻, 目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点, 两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。 平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同, 因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。 根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。 利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。 针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题, 提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。 为缓解拼接全景图中的间断线效应, 将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。 对拼接后的干涉图像进行了降维、 去直流、 寻址、 切趾、 相位校正、 傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理, 完成了光谱复原工作。 复原光谱分辨率为194 cm-1, 优于设计指标(250 cm-1)。

通过系统分析绿色植被在紫外可见波段光谱的产生机理, 得出绿峰和红边是由叶绿素产生的。 从叶绿素的结构上看, 它属于卟啉类化合物, 为了进一步探究红边产生的机理, 合成了四苯基卟啉、 四(4-甲氧基苯基)卟啉、 四(4-磺酸钠苯基)卟啉、 四吡啶基卟啉、 四甲基卟啉、 四(4-甲氧基苯基)卟啉合锌和四(4-甲氧基苯基)卟啉合铜, 并采用紫外可见光谱、 红外及核磁进行表征。 通过对其紫外可见光谱的系统分析, 提出“红边”不仅限于叶绿素, 而是卟啉类化合物特有的光谱特征, 红边是由卟啉环a2u(π)-eg(π*) 跃迁产生的Q带所致。 其位置不仅与卟啉的浓度相关, 与卟啉化合物外侧取代基类型也有关系, 金属卟啉对红边的位置影响较大。

基于三聚氰胺与铜离子配位反应并抑制AT-双链铜纳米颗粒合成, 构建了一种新型的“turn-off”策略检测三聚氰胺。 当三聚氰胺存在时, 与铜离子发生配位反应, 使得后期合成铜纳米颗粒的铜离子浓度不够, 导致铜纳米颗粒荧光减弱。 在最优化实验条件下, 对三聚氰胺检测的线性范围为1~150 μmol·L-1, 检出限达0.5 μmol·L-1。 此外, 该方法还可以检测牛奶样品中的三聚氰胺, 回收率良好。

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、 测量精度低、 系统结构复杂等特点, 提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。 从AOTF和LCVR的工作原理出发, 介绍了系统的基本探测原理; 根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法——该方法选取四个固定的LCVR控制电压, 同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制, 得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。 此外, 设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器, 并对其进行定标, 实现了不同波长下光波的精确调制。 搭建实验样机, 以偏振方向分别为0°, 90°和45°的三个偏振片P1, P2, P3作为偏振测量目标, 测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图; 以画有夹角为30°的红色、 绿色、 蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标, 对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像, 得到了与红色、 绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。 结果表明, 该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量, 而且系统结构简单、 成像质量良好。