中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
多环芳烃(PAHs)是一类在自然环境中常见且广泛存在的有毒有害有机物。 其主要来源有自然界的各种微生物以及植物的生物合成, 富含植被区域的天然火灾, 火山的喷发物, 化石燃料以及人为工业碳氢化合物的不完全燃烧和运输过程中的石油泄漏等。 多环芳烃的毒性较为强烈, 具有生物致癌性, 遗产毒性和致突变性。 它对于人体呼吸系统, 循环系统, 神经系统有着多方面的危害, 是一种重要的有机污染物, 因此有必要对多环芳烃的现场监测和分析方法进行研究。 目前对于多环芳烃的分析方法主要有化学分析法和光谱分析法。 化学分析法包含有前处理的化学滴定法, 液相色谱法(LC), 高效液相色谱法(HPLC), 气相色谱质谱法(GC-MS); 光谱学分析法涉及紫外吸收光谱, 荧光光谱和三维荧光光谱等。 三维荧光光谱同时获得激发波长和发射波长的信息, 因而包含的光学信息十分丰富, 灵敏度高, 光谱特征显著, 在实际水体的现场检测和水体样本混合组分的快速研究有明显的优势。 常见的三维荧光光谱解析方法有平行因子分析法(PARAFAC), 多维偏最小二乘法(N-PLS)等。 平行因子分析是分析多环芳烃重叠三维荧光光谱的一种有效方法。 但有时由于多种组分的荧光较弱, 它对三维荧光光谱的欠定分析并不能得到令人满意的结果。 为了从两个样品中提取更多的成分, 提出一种基于奇异值分解(SVD)和PARAFAC的方法。 首先对每个观测样本进行奇异值分解, 根据累积贡献率选取合适的奇异值, 构造新的伪样本来突出微弱的荧光信号。 然后, 将两个观测样品及其对应的伪样品输入PARAFAC, 恢复组分光谱。 为验证所提方法的有效性, 对三组不同荧光强度的多环芳烃重叠三维荧光光谱进行了分析。 结果表明, 从两个混合样品中提取并识别出6个多环芳烃的纯组分光谱, 其分辨发射和激发光谱与标准光谱的相似性均在0.80以上。
欠定分析 弱荧光信号 平行因子分析 奇异值分解 多环芳烃 Underdetermined analysis Weak fluorescence signal Parallel factor analysis Singular value decomposition Polycyclic aromatic hydrocarbons 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3494
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 福建师范大学光电与信息工程学院，福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
本文提出了一种用于实现大视场紧凑型的增强现实眼镜显示器的方法。采用平面波导以及嵌入的窄带负滤光膜来完成图像的传导和耦合。整个光学系统结构简单，并且具有体积小、质量轻的优点。在此方法下，通过建立光线在波导中的几何导光模型，分析了图像传导的约束条件，得到了波导结构的设计参数以及其与显示视场角之间的关系。根据计算结果，制作了一个3 mm 厚的波导耦合器件来进行原理验证。实验结果表明，利用设计的波导元件及搭建的增强现实眼镜显示器的光学系统可以实现虚拟图像的传导以及其与真实环境的融合，测得的显示视场角约为50°。
增强现实 眼镜显示器 波导 视场角 augmented reality smart glasses waveguide field of view
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 合肥学院生物与环境工程系, 安徽 合肥 230601
3 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽 铜陵 244000
利用激光诱导荧光技术可对土壤中石油类污染物快速检测, 不同土壤物理性质下, 污染物荧光发射特征具有一定差异。 为实现外场检测时快速制备合适的土壤样品, 实验研究了土壤疏松度、 颗粒度、 湿度与土壤中石油类污染物荧光强度及光谱稳定性之间的关系。 压片机压强大于2 MPa时土壤样品荧光光谱的稳定性较好, 九种不同疏松度的土壤样品荧光强度的相对标准偏差为3.51%。 不同粒径的机油土壤样品荧光强度差异较小, 其中100目土壤样品的荧光光谱RSD值为2.25%。 结果表明, 土壤样品表面呈平整洁净时, 所得样品荧光光谱的稳定性较好, 土壤疏松度和颗粒度对荧光光谱的影响较小。 湿度对土壤样品荧光发射的影响较大, 当土壤湿度低于10%, 荧光强度变化较小; 湿度范围大于10%时, 荧光强度变化较大。 为利用LIF技术对外场土壤中石油类污染物检测时, 快速有效制备土壤样品及准确测量提供参考。
激光诱导荧光光谱 土壤 颗粒度 疏松度 湿度 Laser-induced fluorescence spectroscopy Soil Bulkiness Particle size Soil moisture 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3541
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学检测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对水体有机物离散三维荧光光谱测量,设计了基于可变增益与积分放大技术的微弱荧光信号高灵敏、 大动态范围检测电路和控制软件,进行了实验验证并应用于水体有机物离散三维荧光在线测量系统。 在电路设计中,自动程控CMOS多路模拟开关根据输入信号强度实现了前置增益放大器的调节,基于 开关型电荷积分器实现了微弱脉冲荧光信号的同步积分放大。结果表明所设计电路最低检测电流为0.09 μA, 动态检测范围为0.09 μA～0.21 mA, 检测限提高了79.25倍。 在水体有机物离散三维荧光测量系统的应用中,保证了系统的检测灵敏度, 并提高了荧光信号的动态检测范围,实现了水体有机物的高精度测量。
光谱学 微弱荧光信号 可变增益 同步积分 水体有机物 spectroscopy weak fluorescence signal variable gain synchronous integral organic matter in water
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
针对活体荧光光谱不稳定引起的蓝藻门活体藻类定量误差问题，以实验室培养的4种类6个生长期的48个蓝藻样品为研究对象，通过测量样品叶绿素a和藻蓝蛋白的含量，结合藻类活体三维荧光光谱，研究了不同藻种种类、生长期和生长环境下蓝藻细胞色素组成和色素荧光效率的差异；定量分析不同条件对藻类活体荧光光谱不稳定性的影响，获得了不同条件下的光谱不稳定性权重谱；在此基础上，构建基于加权平均方法的蓝藻门活体藻类加权荧光光谱；比较了加权荧光光谱与不同条件下归一化荧光光谱对样品集的测量结果。结果表明：加权荧光光谱能有效降低荧光测量法对藻种种类、生长期、生长环境的依赖性，提高蓝藻门叶绿素浓度的测量准确性；测量结果的相对误差为0.1%~30.4%，平均相对误差为12.8%，相对误差最大可降低104.1%。
光谱学 三维荧光光谱 活体荧光 加权平均法 蓝藻 叶绿素a
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 合肥学院, 安徽 合肥 230601
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
土壤有机物污染源广、 危害程度高、 监测手段有限, 是继水污染、 大气污染又一个引起全球关注的环境问题。 土壤有机污染快速在线检测分析对农业生产、 土壤调查、 土质修复有着重要的意义。 激光诱导荧光（LIF）光谱技术是一种基于光致发光的物质成分和含量分析技术, 具有样品使用量少、 预处理过程简单、 检测速度快等特点, 在环境科学、 生物分析、 生命科学等众多领域有广泛应用。 国内外研究人员展开大量研究工作, 已形成较完善的方法体系及技术设备。 文章介绍了LIF测量系统的组成结构和工作原理, 综述了现阶段LIF技术在土壤有机污染物检测研究进展, 重点包括土壤中油类污染物、 多环芳烃污染物、 有机农药污染物的识别及定量分析方法等, 以及仪器开发过程中涉及的相关问题, 给出了LIF技术在土壤有机污染物检测方面的发展趋势, 为进一步发展基于LIF技术的土壤有机污染物现场快速检测仪器提供参考。
激光诱导荧光光谱 油类 多环芳烃 有机农药 发展趋势 Laser-induced fluorescence spectroscopy Oil Polycyclic aromatic hydrocarbons Organic pesticides Development tendency
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室安徽光学精密机械研究所，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 桂林电子科技大学，广西 桂林 541004
4 安徽省环境光学监测技术重点实验室，合肥230031
5 合肥学院，合肥 230601
为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线，基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术。采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程，并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析；对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析，获取快相荧光动力学信息；采用同步脉冲采样积分技术，对微弱弛豫荧光进行积分，实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量，并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明，系统信噪比达到23.8 dB；暗适应与光适应下，本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段.
快相和弛豫荧光 叶绿素荧光动力学 同步采样积分 光合作用参数测量 Fast phase and relaxation fluorescence Chlorophyll fluorescence kinetics Synchronous sampling integral technique Photosynthetic parameters measurement
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
溶解性有机物的荧光组份由于受到金属离子的影响其荧光强度受到变化, 从而为溶解性有机物的定量分析带来挑战。 利用三维荧光结合平行因子分析方法研究了Cu(Ⅱ), Fe(Ⅲ), Ni(Ⅱ), Sr(Ⅱ), Hg(Ⅱ), K(Ⅰ), Mg(Ⅱ) 和Mn(Ⅱ)八个金属离子对典型溶解性有机物荧光组分的荧光猝灭作用, 五个水样来源各不相同。 实验表明水样被平行因子成功分解为三个荧光组分(色氨酸、 腐殖酸、 富里酸), 这三个荧光组份的荧光得分随着Fe(Ⅲ), Cu(Ⅱ), Hg (Ⅱ)和 Ni(Ⅱ)浓度的增加呈线性或指数下降。 在这四种离子中, Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)对腐殖酸和富里酸的荧光猝灭作用明显大于Hg (Ⅱ)和 Ni(Ⅱ)。 Sr(Ⅱ), K(Ⅰ), Mg(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)基本没有影响。 其中Fe(Ⅲ)对于三个荧光组分的荧光猝灭都有较好的分析。 由于只考虑Fe(Ⅲ) 和Cu(Ⅱ)的影响, 对于含有金属离子的饮用水的荧光强度的校正曲线也被建立。 不同来源的饮用水中荧光组份的荧光得分的衰减规律也是不一样的, 因此水样的来源也是测量时需要考虑的因素。 实验证实了金属离子对溶解性有机物的荧光猝灭作用以及其他因素比如Fe(Ⅲ) 和Cu(Ⅱ)和溶解性有机物本身的多样性都是我们荧光测量典型荧光组份时需要考虑的。 表明三维荧光结合平行因子分析方法是一个有效的准确测量溶解性有机物荧光组份的工具。
金属离子 饮用水 三维荧光-平行因子 猝灭作用 Metal ions Drinking water EEM-PARAFAC Quenching 光谱学与光谱分析
2017, 37(7): 2317
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省环境光学监测技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 安徽 合肥 230026
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院， 广西 桂林 541004
4 合肥学院电子工程系， 安徽 合肥 230601
根据生物膜能流理论和电子传递模型，结合快相与弛豫两种激发条件，对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算，提出植物光合作用参数反演方法。利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率；利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面；利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数。对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量，结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性，光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%，其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714。该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段。
光谱学 叶绿素荧光动力学 光合作用参数反演 线性最小二乘算法 快相与弛豫荧光
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽 铜陵 244000
3 解放军陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
以氢氧化钠和硫化钠为沉淀剂采用共沉淀法同时富集水体中的Cr, Cd和Pb, 通过对Cr(OH)3, Cd(OH)2和PbS沉淀均匀悬浮液抽滤以制成Cr, Cd和Pb均匀分布的薄膜样品并进行能量色散XRF光谱测量, 以实现水体中Cr, Cd和Pb的同时快速分析与检测。 研究了富集过程中的反应时间和反应物摩尔比对薄膜样品XRF光谱强度的影响, 确定了富集过程的最佳反应条件为沉淀反应时间为5 min, OH-与Cr3+的最佳摩尔比为50, OH-与Cd2+的最佳摩尔比为50, S2-与Pb2+的最佳摩尔比为2; 对富集后不同浓度的薄膜样品进行了均匀性检验, 富集区域6个不同位置荧光强度的相对标准偏差均小于48%, 说明富集后的薄膜样品具有较好的均匀性; 将不同浓度薄膜样品的理论浓度值与ICP-MS方法测得的浓度值进行对比分析, 验证了该富集方法对水样中Cr, Cd和Pb的富集率均能达到90%以上; 根据薄膜样品的荧光强度与ICP-MS测得的浓度值, 建立了基于该富集方法的水体中Cr, Cd和Pb的X射线荧光光谱定量分析方法, Cr, Cd和Pb校准曲线的线性相关系数分别为0997 3, 0995 0和0999 8, 当实际采集水样体积为50 mL时, Cr, Cd和Pb的检出限分别为74, 296和85 μg·L-1, 均低于《污水综合排放标准 GB 8978—1996》中Cr, Cd和Pb的最高允许排放浓度, 因此该方法能够实现工业生产及生活排放污水中Cr, Cd和Pb的同时快速分析与检测。 该研究为基于X射线荧光光谱法的水体多种重金属同时快速在线监测提供依据。
X射线荧光 重金属 共沉淀 膜富集 同时快速检测 X-ray fluorescence Heavy metal Coprecipitation Film enrichment Simultaneous and rapid detection 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1912
