水质类型的判别是实现光谱法水质参数准确检测的重要前提。针对直接光谱法水质检测系统采集的光谱数据信息冗余较大的问题, 利用主成分分析消除信息指标间的相关性,实现光谱数据的降维和特征信息提取。采集某化工厂和某溪水水样的紫外-可见光谱数据, 利用主成分分析联合Fisher判别的方法建立判别模型,以12组水样光谱数据作为训练样本,6组作为测试样本,对模型的判别能力进行 论证和检验,并与传统的Fisher判别模型进行对比实验。实验结果表明,利用主成分分析联合Fisher判别模型可以有效消除信息冗 余带来的影响,相比传统的Fisher判别模型具有分类精度高、回代误判率为零、计算时间短等优点,计算时间由传统Fisher判别 方法的0.6733 s减少到0.6012 s。该方法为直接光谱法水质类型判别工程实用化提供了一种高效手段。

降钙素原(Procalcitonin, PCT)对于反映患者炎症甚至败血症患病程度具有重要意义。为实现低浓度PCT的免标记检测, 利用极大倾角光纤光栅(Excessively Tilted Fiber Grating, Ex-TFG)的低温度交叉敏感性和高折射率灵敏度的优点, 在光纤的表面修饰金黄色葡萄球菌(Staphylococcus Aureus Protein A, SPA), 再将PCT单克隆抗体固定在SPA分子层, 从而构成对PCT具有特异性检测功能的免疫传感器。实验结果表明: 降钙素原含量为0.5ng/mL时, 谐振波长红移约13pm; PCT的浓度为200ng/mL时, Ex-TFG的红移量基达约125pm; 浓度为1000ng/mL时, 红移量趋于饱和, 最大红移量约150pm。通过对实验数据拟合, 发现Ex-TFG谐振波长的红移量与PCT浓度之间的关系满足Langmuir模型, 相关性系数为0.98。该方法为低浓度PCT的检测提供了一种免标记、快速的检测方法。

消除噪声影响对提高直接光谱法水质检测系统的测量稳定性和精度都具有重要意义。 直接光谱法在线水质检测系统通常采用长寿命、 无需预热的脉冲氙灯和适用于复杂检测环境的工业级光谱探测装置。 针对整个光谱探测系统受到光源、 光路和光电转换器件的严重影响, 测定的光谱数据含有大量噪声这一实际问题, 提出了基于小波变换的压缩感知去噪算法, 并与传统小波阈值去噪方法进行了比较实验。 针对化学需氧量为200 mg·L-1的邻苯二甲酸氢钾标液的紫外-可见光谱数据进行去噪处理, 采用压缩感知去噪算法, 将信号在小波域内分解, 得到含噪高频系数; 采用随机高斯矩阵作为压缩感知算法的观测矩阵, 压缩比设置为2, 对高频系数进行观测; 选择正交匹配追踪算法恢复高频小波系数的稀疏性, 从而达到去噪目的。 同时针对传统的小波阈值去噪, 采用daubechies4作为小波基的软阈值滤波方法对光谱数据进行去噪处理。 为验证去噪算法的可行性, 采集某溪水和城市生活污水的光谱信号分别采用以上两种方法进行去噪处理, 实验结果表明: 基于小波变换的压缩感知去噪算法适用于紫外-可见光谱法在线水质检测系统, 该方法能在保留水样原始光谱信号的吸收特征的前提下有效地去噪, 且去噪效果优于小波阈值去噪算法。 与小波阈值去噪算法相比, 信噪比提高了12.201 5 dB, 均方根误差减小了0.009 3, 峰值信噪比增加了5.299 dB。 不仅避免了小波阈值去噪过程中阈值的选取依靠主观判断问题, 而且在重构过程中有效地抑制了噪声, 为直接光谱法检测水质参数提供了一种新的解决方案。

提出一种基于81°倾斜光纤光栅(81°-TFG)的新城疫病毒(NDV)免疫传感器。分析81°-TFG传感器的基本原理和传感特性。利用金黄色葡萄球菌蛋白A(SPA)修饰81°-TFG的表面,然后将自制的高纯度新城疫病毒单克隆抗体(MAbs)通过SPA分子固定于81°-TFG表面,从而制成对NDV抗原特异性检测的传感器。实验结果表明:该免疫传感器对NDV的探测极限在0.1 ~0.2 ng/mL之间,检测饱和点约为1.0 ng/mL;在0~1.0 ng/mL范围内具有良好的线性度(R²约为 0.982),灵敏度约为342 pm/(ng·mL ^-1);且该传感器具有良好的可重用性和对NDV抗原的高度特异性,并能用于NDV的临床检测。相对于传统的免疫荧光技术、酶联免疫等生化检测方法,本文提出的方法具有免标记、操作简便、快速检测等优点。

为提高现有光纤pH值传感器的检测灵敏度和检测范围, 降低弯曲以及温度交叉敏感的影响, 提出以pH值敏感型智能水凝胶为敏感膜的细直径极大倾角光纤光栅(Thin Excessively Tilted Fiber Grating, Thin-Ex-TFG)pH值传感器。理论上分析了影响传感器灵敏度的因素, 研究了提高传感器灵敏度的方案。然后, 制作出不同封装厚度的Thin-Ex-TFG pH值传感器, 进行实验研究。实验结果表明: Thin-Ex-TFG pH值传感器相比基于光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的pH值传感器, 检测灵敏度(最大可达-0.704 nm/pH)和响应范围(pH值2~7)均有提高; 与标准直径极大倾角光纤光栅相比, 其检测灵敏度也有所提升。此外, 增加水凝胶涂覆厚度或减少光纤光栅包层直径均能有效地提高pH值检测的灵敏度, 实验结果与理论分析吻合。