针对微型紫外光谱仪应用设计要求,开展了紫外光谱仪系统研究,完成了IV型光学系统设计。研制出在线实时分析的微型紫外光谱仪,对样机主要参数的测试表明:其工作波长为200~400 nm,分辨率达0.31 nm,波长准确性为±0.1 nm,信噪比为507∶1。通过12 h系统稳定性测试,结果表明该样机光谱波动小于0.47%,达到了光谱仪长期工作的稳定性要求。在25 ℃的实验条件下通过SO2气体对光谱仪性能进行测试,基于差分吸收光谱技术理论,完成了标准气体的差分吸收截面计算。通过连续24 h对质量浓度为20~100 mg/m 3的SO2进行测试,结果表明光谱仪测试数据反演质量浓度的波动性小于1%,线性误差小于0.6%,最大示值误差为-0.56 mg/m 3。

盐浴复合热处理技术是一种新型表面处理技术, 能增强工件的耐磨性、 耐腐蚀性和耐疲劳性, 在金属表面处理中得到广泛的应用。 氮化盐中氰酸根、 氰化物和铁离子的含量对该热处理技术的质量控制十分重要, 因此需要准确测定该三成分的含量以保证金属表面处理的质量。 针对目前业内所采用的化学滴定法难以满足自动化分析的技术要求, 基于分光光度法, 采用510, 620和697 nm三个不同波长的单色LED光源、 耦合光纤、 光电二极管搭建了一台半自动氮化盐三参数分析实验装置, 实现氰酸根、 氰化物和铁离子的快速准确测试。 该半自动实验装置除了光路系统外, 还有搅拌控制系统、 恒温控制系统、 数据采集电路系统。 氰酸盐检测采用间接检测方法, 先通过化学方法把氰酸根转变为铵根, 再根据标准GB 7481—1987水质铵的测定-水杨酸分光光度法, 通过对铵离子的测定(检测波长697 nm)间接测量氰酸根。 氰化物检测依据标准HJ484—2009水质氰化物的测定-异烟酸-巴比妥酸分光光度法(检测波长620 nm)。 铁离子含量的检测依据标准HJ345—2007水质铁的测定-邻菲啰啉分光光度法, 光谱检测特征波长为510 nm。 对LED光源光强稳定性进行了测试, LED光源一开始工作光强即达到稳定值; 测试了耦合光纤对LED光源的光谱影响, 单色光源通过耦合光纤和单光纤的光谱没有发生变化, 只是通过耦合光纤后光强值有所降低; 测试了搅拌对LED光源光强稳定性影响, 搅拌系统对光学系统没有影响。 利用实验装置测量出不同浓度氰酸根标准样品氰酸钾、 氰根标准样品氰化钾、 铁离子标准样品硫酸亚铁的吸光度, 基于朗伯比尔定律, 建立氰酸根、 氰化物和铁离子标样的拟合曲线, 其线性相关度R2分别为0.990 7, 0.999 6和0.998 1, 线性度高; 氰酸根、 氰根和铁离子的预测样品均值最大相对误差和最大相对标准偏差RSD分别为4.53%和1.04%, 2.29%和0.79%, 4.2%和0.7%, 说明三样品测试结果准确性高、 重复性好; 氰酸根、 氰根和铁离子的最低检出限LOD分别为0.017, 0.009和0.005 mg·L-1。 比较了用设计的氮化盐三成分半自动检测装置与传统化学滴定法测得的氮化盐样品中的氰酸根、 氰化物和铁离子含量, 设计的检测系统测试结果优于传统的化学滴定法, 其中测试的氮化盐样品的氰酸根、 氰化物和铁离子均值相对误差和相对标准方差RSD分别为4.17%和0.69%, 1%和0.58%, 4%和0.29%。 各项测试结果均达到设计要求, 为盐浴复合热处理技术氮化盐三成分半自动分析仪提供了理论和技术支持。 论文搭建的氮化盐三成分半自动检测装置的光路系统采用单色LED光源、 多进一出耦合光纤对光源分光, 实现多参数的快速准确检测, 整套光学检测系统无任何活动部件, 大大降低了光学检测系统带来的系统误差, 保证了测试的准确度和重复性。

综述了近年来国内外阵列检测型、光栅扫描型、滤光片型、傅里叶变换型和阿达玛变换型等多种类型微型近红外光谱仪关键技术的研究进展, 详细讨论了各种类型的优缺点、适合的应用领域及存在的问题。最后, 对微型近红外光谱仪的应用和发展趋势进行了总结和展望。

一种新的金属表面改性(quench-polish-quench, QPQ)盐浴复合热处理技术能大幅度提高金属表面的耐磨性和抗蚀性。 氮化盐中氰酸根离子(CNO-)的含量是QPQ工艺质量控制的重要参数。 研究采用分光光度和顺序注射法对氰酸根离子(CNO-)含量进行定量分析。 研究了将CNO-离子通过高温高压定量转化成铵根离子(NH+4), 再依据水杨酸分光光度法, 通过对NH+4的测定, 间接实现氰酸根离子含量的检测, 选取697 nm为定量分析谱线, 实验结果表明检测的线性范围0.02~0.6 mg·kg-1, 最低检出限为0.018 mg·kg-1, 基于顺序注射法实现QPQ工艺中CNO-含量全自动原位检测。 测量均值相对误差和相对标准方差分别为1.31%和0.92%, 测定结果满足要求, 精确度高和重复性好, 优于传统化学滴定法, 为盐浴复合热处理技术中氮化盐氰酸根的全自动原位测定仪器开发提供了理论和技术支持。

基于Fenton试剂和微型光谱仪, 实现了水质化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)和总磷(total phosphorus, TP)的在线测定。 该系统结合超声辅助, 基于Fenton试剂实现了常温常压下水中有机化合物和有机磷化合物的在线消解。 系统基于微型光谱仪实现了可见光光谱探测并采用多波长分光光度法分析光谱数据。 结果表明, 系统具有测定时间短, 低功耗, 结构简单和二次污染少的优点。 同时, 系统测定相对误差小于10%, COD和总磷检测限分别为2和0.008 mg·L-1, 灵敏度分别为0.021 3和0.452 6, 标准偏差分别为5.6%(15.0 mg·L-1 COD标样)和5.8%(0.010 mg·L-1 总磷标样)。 实际水样测定结果与国家标准分析方法比较无显著差异。

近红外光谱分析作为石油勘探过程中油品成分鉴别的一种重要手段，多年来引起人们的广泛关注和深入研究。针对石油勘探过程中油藏井温度高、空间局促等苛刻环境条件，研制了一种能够在高温环境中连续稳定工作的实用化微型近红外光谱分析仪，其体积为154 mm×66.5 mm×38 mm。该微型近红外光谱分析仪采用凹面光栅作为分光元件，针对油气特征波段进行理论计算和Zemax软件仿真，设计出通量高、杂散光少、成像优质的全息凹面光栅。探测器选用Hamamatsu公司二级半导体制冷线阵电荷耦合器件(CCD)，通过合理的光路设计和紧凑的结构布局，实现了在70 ℃的高温环境下稳定工作。通过标定及相关性能测试，结果表明：该微型近红外光谱分析仪光谱范围达到1550~1890 nm，分辨率优于4.8 nm，波长准确性±1.1 nm，信噪比1202∶1；利用该光谱分析仪对0#柴油和水的吸光度进行了应用实验，结果充分证明该系统的实用化水平。

近年来, 随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展, 光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜, 其作为近红外光谱仪的核心部件, 可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器, 以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜, 以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅, 背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明: 扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz, 最大扭转角度为±4.55°, 在800~1800 nm工作波长范围内, 整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。

针对微电子器件,提出了一种简单、低成本、便于批量加工的硅尖阵列制备方法。分析了各向异性和各向同性湿法腐蚀的特点,研究了不同腐蚀液中硅尖的形成机理和腐蚀速率,采用扫描电子显微镜(SEM)观测硅尖形貌。结果表明: 在质量分数40%KOH 腐蚀液中添加I2 和 KI,显著减小了削角速率,得到了呈“火箭尖”的硅尖阵列。各向同性腐蚀采用HNA腐蚀液,腐蚀的硅尖呈埃菲尔铁塔形。通过调整腐蚀液配比,氧化锐化后,硅尖尖端曲率半径小于15 nm。该硅尖阵列已成功应用于真空微电子加速度计之中。

针对目前国家标准分析方法检测水质总磷的技术不足, 提出一种常温常压条件下基于超声辅助Fenton试剂消解样品与光谱分析的水质总磷快速测定方法, 设计了在线分析实验系统, 研究了测定实验方法与技术, 针对实际环境水样, 展开了与国家标准分析方法的现场对比测试实验, 实验结果表明该消解方法在13.5 min内即可达到国家标准分析方法的消解率（97%～100%）, 检测周期为16 min, 解决了现有国家标准分析方法存在的技术不足, 对水质总磷快速在线监测仪器的研发提供了重要的实验基础与技术支持。

在线光谱水质检测仪器是现代水资源环境监测技术的重要发展方向之一, 具有多参数监测和准确度高、 重复性好的技术优势, 然在线被测水样的光谱信号处理是其关键核心技术, 为此, 基于连续光谱分析, 建立了在线被测水样光谱测量信号的数学模型, 提出了基于双波长光强比值不变性的光谱测量信号系统误差处理方法, 并结合小波多分辨率滤波噪声处理技术, 系统研究了基于在线被测水质参数光谱特征的背景干扰处理方法。 以上信号处理方法应用于自主研制的多参数光谱水质监测仪器, 在线检测标准环境水样及实际环境水样中的化学需氧量、 六价铬和阴离子表面活性剂等水质参数, 并与国家标准分析方法展开了现场对比测试, 仪器的关键参数重复性(相对标准偏差RSD≤10%)与准确度(实际水样比对试验相对误差A≤10%)均达到并优于国家环境保护技术标准要求, 表明该信号处理方法能够有效消除在线水质检测光谱测量信号的系统误差及噪声与背景干扰, 对于提升光谱水质监测仪器的技术性能具有重要的作用。