红外与激光工程
2023, 52(11): 20230134
花生是一种重要的油料作物, 易受曲霉菌感染从而产生黄曲霉毒素, 其中黄曲霉毒素B1(AFB1)对人畜具有较高威胁。 传统AFB1检测方法操作繁琐、 破坏物料以及耗时长等问题较为突出, 因此发展一种快速、 无损且适合在线的检测方法对花生生产及加工具有重要意义。 将从市场购买的市购花生, 于28 ℃和85%相对湿度环境中储藏至霉变。 在0, 4, 6, 7和8 d时间段, 再分别以0.15 m·s-1的速度动态采集其光谱和图像信息, 采集信息后利用酶联免疫吸附法(ELISA)测定花生中AFB1含量。 对光谱采用多元散射校正、 基线校正、 标准正态变量校正以及Savitzky-Golay平滑等方法预处理, 并对600~1 600 nm范围内的光谱数据进行主成分分析, 根据主成分权重系数确定8个特征波长(630, 1 067, 1 150, 1 227, 1 390和1 415 nm); 对图像采取灰度化和阈值分割等方法处理, 并提取12种图像颜色特征参数。 最后利用线性判别分析(LDA)以及支持向量机(SVM)建立花生样品的定性判别分析模型(以国家标准20 μg·kg-1为界限)。 ELISA结果表明, 花生AFB1超标率为58%; 可见-近红外图谱分析表明, 在1 180 nm等波峰处随着毒素侵染程度的加深, 吸光度逐渐降低; 机器视觉分析表明, 随着储藏时间的增加, 花生表面逐渐暗淡并有菌丝覆盖, 毒素侵染水平逐渐提高, 花生图像的RGB值总体下降。 通过主成分分析发现, 光谱呈现较明显的聚类趋势, 而图像及数据融合聚类趋势不明显。 根据全谱段、 特征波长构建的LDA和SVM模型均能够对超标和未超标样品进行快速识别, 其中基于全谱段的模型最佳识别率达92%, 基于特征波长的模型最佳识别率达88%; 相对于基于光谱信息建模, 非线性SVM模型在根据图像颜色特征参数建模分析上表现较优, 最佳识别率为90%; 结合花生样品内外部信息, 基于光谱和图像信息融合的SVM模型最佳识别率达到92%。 利用可见-近红外光谱以及机器视觉技术结合化学计量法, 实现花生AFB1含量超标与否的动态判别具有一定可行性, 为花生在线质量安全检测提供了理论基础。
花生 可见-近红外光谱 图像 信息融合 黄曲霉毒素B1 动态筛选 Peanuts Visible/near-infrared spectroscopy Image Information fusion Aflatoxin B1 Dynamic screening 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3865
1 南京林业大学机械电子工程学院, 江苏 南京 210037
2 南京财经大学食品科学与工程学院, 江苏 南京 210023
3 浙江农林大学农业与食品科学学院, 浙江 杭州 311300
小麦不仅是我国主要的粮食品种, 也是一种重要的饲料和工业原料。 小麦易受赤霉病感染从而产生呕吐毒素, 学名脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON), 具有一定致癌性, 对人畜健康构成严重威胁。 尤其近年来极端异常气候频发, 小麦DON污染风险呈不断上升趋势, 已成为影响其产品质量安全的主要因素。 然而, 传统DON检测方法过程繁琐、 耗时费力, 因此发展一种快速、 低成本且适用于在线的检测方法对小麦安全生产及加工具有重要意义。 首先从江苏各地收集不同赤霉病感染程度的小麦样品200份, 磨粉后利用超高效液相色谱-串联质谱联用法(UPLC-MS/MS)测定小麦中DON含量, 再利用光谱仪在线采集小麦的可见/近红外光谱。 数据处理步骤为: 采用多元散射校正以及二阶导数对光谱进行预处理, 同时根据竞争性自适应权重取样算法提取特征波长, 最后利用线性判别分析(LDA)与偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)建立小麦粉样品的定性分析模型(以国家标准1 000 μg·kg-1为界限), 根据偏最小二乘回归(PLSR)建立小麦粉样品DON含量定量分析模型。 UPLC-MS/MS结果表明小麦DON污染风险较高, 所测样品超标率约为50%。 可见/近红外光谱分析表明不同DON含量小麦样品光谱特征具有一定的差异, 原始光谱和二阶导数谱图可看出1 420 nm处DON含量越高, 吸光度越低。 由于DON绝对含量低而光谱仪的检测限有限, 通过主成分分析未能发现明显的聚类趋势, 但根据全光谱以及特征光谱所构建的LDA与PLS-DA判别模型均能够对超标和未超标样品进行快速识别与筛查, 最佳识别率达87.69%。 从定量分析结果来看, 所构建的小麦样品DON含量的PLSR模型结果不太理想, 最优模型结果: 预测集相关系数(rp)为0.688, 均方根误差(RMSEP)为727 μg·kg-1, 相对分析偏差(RPD)值为1.38, 模型精度和稳健性有待进一步提升。 利用可见/近红外光谱和化学计量学方法, 实现小麦DON含量超标与否的在线判别与筛查, 为我国小麦产品质量安全快速检测提供了技术参考。 但对DON含量的定量分析还需要进一步研究, 探究外部因素对模型的影响, 并拟扩大样品量, 收集不同地区、 不同品种的小麦样品, 提高模型的精度及普适性。
小麦粉 可见/近红外光谱 呕吐毒素 在线检测 快速筛查 Wheat flour Visible/near spectroscopy Deoxynivalenol On-line detection Rapid screening 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3904
成都信息工程大学 资源环境学院, 四川 成都 610225
由于镉在环境中具有高毒性和生物蓄积性, 对人体和环境会产生巨大的危害, 因而测定其在环境中的浓度是十分必要的。本研究基于镉(Ⅱ)-蛋白质-刚果红体系的共振瑞利散射和共振非线性散射光谱建立了测定环境水样中微量镉(Ⅱ)的新方法。在pH=4的BR缓冲溶液中, 镉(Ⅱ)与牛血清白蛋白溶液及刚果红溶液反应生成三元离子缔合络合物, 使该体系中的共振瑞利散射(RRS)、二级散射(SOS)和倍频散射(FDS)信号明显增强, 其最大散射波长分别位于波长560 nm(RRS)、690 nm(SOS)和352 nm(FDS)处。在优化的实验条件下, ΔI与镉(Ⅱ)浓度在一定范围内呈现良好的线性关系, 检出限分别为0.31 μg/L(RRS)、0.29 μg/L(SOS)、0.34 μg/L(FDS)。将该方法用于实验室废水、涪江河水和农夫山泉中镉(II)的测定, 水样中镉(Ⅱ)的回收率在93.2%~107.7%之间, 相对标准偏差在0.8%~3.1%之间, 取得了较理想的结果。
镉(Ⅱ) 共振瑞利散射 共振非线性散射 环境监测 刚果红 cadmium(Ⅱ) resonance Rayleigh scattering resonance nonlinear scattering environmental monitoring cong red
1 浙江省海洋水产研究所, 浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室, 浙江 舟山 316021
2 浙江大学环境科学系, 浙江 杭州 310058
溶解性有机质(DOM)是水环境中一类复杂的溶解性有机混合物, 不仅可影响污染物归趋及生物有效性, 且DOM自身属于消毒副产物(DBPs)前驱体。 为此, 如何高效去除水中DOM已成为当前环境污染控制与治理技术研究的热点问题之一。 以商品化腐植酸(HA)为DOM典型代表物质, 利用紫外可见吸收光谱结合二维相关光谱法(2D-COS)从动力学、 吸附等温线及热力学等角度研究了原始多壁碳纳米管(MWCNT)、 羟基化MWCNT及羧基化MWCNT与HA吸光组分间吸附行为。 2D-COS提高了HA一维吸收光谱分辨率, 经二维相关吸收光谱图分析显示3种MWCNTs对HA吸光组分的吸附变化顺序均为275 nm→400 nm, 表明MWCNTs与HA吸光组分间为非均相吸附行为。 动力学结果显示MWCNTs与275 nm处HA吸光组分间吸附速率高于MWCNTs与400 nm处HA吸光组分间吸附速率, 表明275 nm处HA吸光组分可优先吸附至三种MWCNTs上。 在25和35 ℃条件下, MWNCTs与HA吸光组分间吸附等温线表现为非线性, 且Freundlich模型拟合决定系数R2大于Langmuir模型拟合决定系数, 表明Freundlich吸附等温模型比Langmuir吸附等温模型更有利于描述MWCNTs与HA吸光组分间吸附等温线。 275 nm处HA吸光组分的饱和吸附容量(qmax)及相同给定平衡浓度下单点吸附系数Kd高于400 nm处HA吸光组分, 进一步表明MWCNTs与HA吸光组分间为非均相吸附。 此外, 当给定平衡浓度(ｃe=0.5 cm-1和ce=1.5 cm-1)越低, MWCNTs与HA吸光组分间结合能力越大, 即HA吸光组分浓度较低时更易与MWCNTs上高能吸附位点相结合。 相同平衡浓度下MWCNTs与特定HA吸光组分间吸附能力顺序表现为MWCNT8>MWCNT8-OH>MWCNT8-COOH, 表明功能化基团可影响MWCNTs与HA吸光组分间吸附特性。 另外, 相同条件下单点吸附系数Kd与MWCNTs比表面积间无显著相关性(p>0.05), 表明比表面积不是造成MWCNTs与特定HA吸光组分间结合能力差异的主要因素; Kd与MWCNTs中孔孔隙度间呈显著正相关(p<0.05)而与微孔孔隙度间无显著相关性(p>0.05), 这主要是由于HA吸光组分可进入MWCNTs中孔而难以通过MWCNTs微孔。 最后热力学分析结果显示Gibbs自由能变(ΔG0)<0、 焓变(ΔH0)>0和熵变(ΔS0)>0, 表明MWCNTs吸附HA吸光组分的过程为吸热反应, 可自发进行, 升温可促进MWCNTs对HA吸光组分的吸附, 且吸附过程中固液界面的无序性增加。 相同温度及吸光组分下, MWCNT8的ΔG0值小于MWCNT8-OH及MWCNT8-COOH, 进一步表明MWCNT8与特定HA吸光组分结合能力强于MWCNT8-OH及MWCNT8-COOH。 证明了2D-COS可识别HA中具有不同吸附行为的吸光组分, 二维相关吸收光谱技术可作为研究MWCNTs与DOM间非均相吸附行为的有效工具。 同时, 有助于更好地理解MWCNTs与DOM间相互作用特性及机理, 不仅可为水环境中DOM去除研究提供基础数据及新的研究思路, 且有利于更好地预测自然环境中MWCNTs及DOM迁移传输及环境归趋。
腐植酸 多壁碳纳米管 吸收光谱 二维相关光谱法 吸附 Humic acid Multiple-walled carbon nanotubes Absorption spectra Two-dimensional correlation spectroscopy Adsorption 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3334
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory for Quantum Optics, CAS, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Synergetic Innovation Center of Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 Shanghai Key Laboratory of All Solid-State Laser and Applied Techniques, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
4 e-mail: hwcai@siom.ac.cn
Based on dense wavelength-division multiplexing technology, frequency transfer and time synchronization are simultaneously realized over a compensated cascaded fiber link of 430 km, which is a part of the Beijing–Shanghai optical fiber backbone network. The entire cascaded system consists of two stages with fiber links of 280 and 150 km, respectively. To keep high symmetry and low noise, specific bi-directional erbium-doped fiber amplifiers are used to compensate the large optical attenuation of each fiber link. When the compensation servo is active in every stage, the cascaded system achieves the stability of 1.94×10 13 at 1 s and 1.34×10 16 at 104 s, for frequency transfer. It is also verified that the actual results of the cascaded system are in good agreement with the theoretical ones calculated from error theory. Simultaneously, after calibration of each stage, time synchronization is also realized. The final accuracy of the whole system is within 94 ps.
060.2360 Fiber optics links and subsystems 060.2340 Fiber optics components 120.7000 Transmission Chinese Optics Letters
2016, 14(7): 070602
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学与技术大学量子信息与量子科技前沿协同创新中心, 合肥 安徽 230026
3 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
通过级联方式在京沪光纤骨干网中实现了430 km的高精度频率传递。该级联系统包含了280 km和150 km两级系统,同时为了补偿光纤损耗,在两级链路中采用了低噪声高对称的双向掺铒光纤放大器。当每一级传递系统通过光学补偿方式达到稳定后，整个级联系统引入的频率不稳定度为在1 s处1.02×10-13和在104 s处8.24×10-17，实验结果验证了级联系统的实际结果与两级系统计算结果之间符合误差理论。
光纤光学 频率传递 级联系统 光学补偿
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院量子光学重点实验室, 上海 201800
3 中国科学技术大学量子信息与量子科技前沿协同创新中心, 安徽 合肥 230026
为实现准国土范围内高精度授时和守时，利用光纤传递铯钟、氢钟等高精度原子钟的时频信号，在实际光纤链路上验证其长距离传递性能。采用波分复用和双向双波长的传输方法，介绍了在275 km京沪干线上实现高精度时频传递的相关工作。针对长距离光纤链路的特点，探讨了链路损耗与散射、色散与频率噪声、补偿系统动态范围和反馈带宽等对时频传递性能的影响。实验获得了频率信号的秒稳定度达5×10-14和天稳定度达7×10-18的传递性能，同时，千秒尺度下的时间方差可达2.4 ps。
光纤光学 时频传递 时间同步 波分复用
重庆邮电大学 信号与信息处理重庆市重点实验室, 重庆400065
提出一种基于人眼视觉特性的红外图像增强算法。该算法采用符合人眼感知特性的LIP(Logarithmic Image Processing)模型, 并根据人眼视觉在图像变化区域比平滑区域敏感, 使用幂次变换方法对图像的高频和低频成分分别进行增强处理。实验结果表明: 所提算法相比传统算法能够有效增强图像细节信息,提高图像对比度, 明显改善红外图像的视觉效果。
红外图像 图像增强 LIP模型 人眼视觉特性 infrared image image enhancement LIP model human visual property
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
The joint transfer of frequency and one pulse-per-second time signals based on dense wavelength division multiplexing technology is demonstrated over a compensated cascaded fiber link of 230 km, consisting of two stages of fiber links with lengths of 150 km and 80 km . A bi-directional erbium-doped fiber amplifier is inserted in the center of 150 km fiber link to compensate for significant optical attenuation. After every stage has achieved the steady state by optical compensation, the Allan deviation of frequency signal of the cascaded system is 3.1×10-14 at 1 s and 6.3 × 10-18 at 104 s respectively; the time deviation of time signal is less than 3.5 ps at an averaging time of 102 s to 104 s. Further, it is verified that the stability of the cascaded link is the standard deviation of the stabilities of the two stages links for both frequency and time signals. After calibration, time synchronization is also realized and the accuracy is within 90 ps.
