Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of All Optical Network and Advanced Telecommunication Network of EMC, Institute of Lightwave Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
2 System Integration Department, China North Industries Corp., Beijing 100053, China
An in-fiber Mach-Zehnder interferometer is proposed for the discrimination of strain and temperature. The sensor is based on two cascaded standard single mode fibers using three peanut tapers fabricated by simple splicing. The cascaded structure excites more frequency components, which induce four sets of interference dips in the transmission spectrum. One set of the spectrum dips have different sensitivities to temperature and strain from those of the other three. The sensor can discriminate strain and temperature by monitoring the wavelength shifts of two spectrum dips. Repeated experiments are taken both for strain and temperature increasing and decreasing scenarios. Experimental results show that Dip 1 has an average strain sensitivity of -0.911 pm/με and an average temperature sensitivity of 49.98 pm/℃. The strain sensitivity for Dip 2 is negligible and its average temperature sensitivity is 60.52 pm/℃ The strain and temperature resolutions are ±3.82 με and ±0.33 ℃.
Mach-Zehnder interferometer peanut taper simultaneous measurement single mode fiber strain sensor temperature sensor Photonic Sensors
2023, 13(1): 230122
华北作物改良与调控国家重点实验室, 华北作物种质资源研究与利用教育部重点实验室, 河北省作物种质资源实验室, 河北农业大学农学院, 河北 保定 071001
花生籽仁中的糖含量是影响食味品质的重要指标, 建立快速测定糖含量的方法可有效提高食用型花生的检测效率。 样品外观颜色是影响近红外分析的重要因素之一, 按样品外观颜色分类定标(校正)更有利于提高模型的预测性能。 研究选择不同糖含量的花生种质332个, 采用色差仪将花生种质按种皮颜色分成黑紫色、 红色和粉色三大类。 采用3,5-二硝基水杨酸法、 蒽酮乙酸乙酯法、 蔗糖酶法分别测定籽粒中的总糖、 可溶性糖及蔗糖含量。 总糖含量分别在6.42%~39.53%(黑紫色籽粒)、 9.66%~39.71%(红色籽粒)和8.52%~38.84%(粉色籽粒)之间; 可溶性糖含量分别在2.4%~14.32%(黑紫色籽粒)、 2.94%~13.75%(红色籽粒)和2.19%~14.53%(粉色籽粒)之间; 蔗糖含量分别在0.92%~7.53%(黑紫色籽粒)、 1.05%~7.23%(红色籽粒)和0.95%~7.99%(粉色籽粒)之间, 变异系数均在33%以上。 采用瑞典波通DA7250型近红外分析仪(950~1 650 nm)采集籽粒的近红外光谱值, 选用基于全波段的偏最小二乘回归法(PLSR), 通过对比单一和复合预处理方法, 对比模型的相关系数和误差确定最佳预测模型。 分别建立了黑紫色、 红色、 粉色花生籽仁的总糖含量、 可溶性糖含量和蔗糖含量的近红外光谱定标模型, 共计9个模型, 预测相关系数(Rc)在0.883~0.925之间, 预测均方根误差(RMSEC)在0.370~1.988之间。 对总糖含量所建立的模型中, 粉色种皮花生的预测相关系数Rc可达0.925, RMSEC为1.705; 对可溶性糖含量所建模型中, 黑紫色种皮花生的预测相关系数Rc可达0.921, RMSEC为0.667; 对蔗糖含量所建的模型中, 粉色种皮花生的预测相关系数Rc可达0.914, RMSEC为0.435。 并分别用15份种质进行外部验证, 9个模型的预测相关系数Rp在0.892~0.967之间, 预测均方根误差RMSEP在0.327~2.177之间。 本研究建立的近红外光谱模型可同步、 快速地检测花生籽粒中的多种糖含量, 为高糖含量的鲜食花生育种提供了技术支持。
花生 近红外光谱分析 种皮颜色 蔗糖含量 可溶性糖含量 总糖含量 Peanut Near-infrared spectroscopy analysis Seed coat color Sucrose content Soluble sugar content Total sugar content 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2896
滁州学院生物与食品工程学院, 安徽 滁州 239000
目前传统氧化稳定性评价方法无法提供油脂氧化历程和不同产物变化动态信息等特点, 因而不能成为理想评价方法。 同步荧光光谱技术具有一定灵敏度和准确度, 且适合较长时间的固定检测。 以不同工艺花生油作为研究对象, 采用OXITEST油脂氧化稳定性仪进行加速氧化试验, 获取氧化诱导曲线, 同时采集氧化期间油脂三维同步荧光光谱数据与理化指标, 通过同步荧光光谱结合平行因子法(PARAFAC)和人工神经网络(ANN)等化学计量学快速分析油脂氧化进程。 结果表明, 以诱导期作为油脂稳定性评价指标, 冷榨花生油氧化稳定性较热榨花生油差, 主要原因在于热榨方式的高温焙炒, 使得其具有抗氧化物质, 进而提高了油脂的氧化稳定性。 氧化曲线清晰地表明氧化进程存在诱导期(IP)、 氧化期和静止期三个阶段, 结合三维荧光光谱图, 明显得出在氧化过程中花生油原油激发波长在300~400 nm的荧光峰强度在进入诱导期后, 荧光强度减弱, 荧光波长出现红移现象; 进入氧化期后, 在400~450 nm之间有新的荧光峰生成, 然后荧光峰强度呈现增强状态, 直至静止期。 现象的产生主要是由于油脂氧化过程中生成的小分子氧化产物, 致使荧光光谱产生斯托克位移(Stocks shift)。 运用PARAFAC法对同步荧光光谱数据进行降维处理, 显示当组分数为6, Δλ为70 nm时载荷值最大, 不同样品间差异最显著。 选定该波段二维荧光光谱数据作为ANN模型输入值, 分别以酸价和过氧化值作为模型输出值, 对不同工艺花生油的氧化过程数据进行建模训练。 结果显示训练集、 测试集模型相关系数R均接近1.0, 均方根误差均较小, 说明该模型能较好地反映油脂氧化过程状态。 本研究结果表明同步荧光光谱结合化学计量学能快速实时监控食用油在氧气影响下贮藏过程中的氧化历程, 为油质控制提供理论依据。
同步荧光 花生油 氧化稳定 化学计量学 Synchronous fluorescence spectroscopy Peanut oil Oxidative stability Chemometrics 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3113
重金属铬的污染会严重威胁到土壤和水体的环境安全, 而水中的六价铬化合物则具有很强的迁移性、富集性和氧化性等特性, 更具有危害性且难以处理。吸附法是一种能简单、高效地处理含重金属污水的处理技术。在磁力搅拌条件下采用花生壳生物炭分别与高岭土和膨润土混合制备而成两种生物炭-黏土材料, 并分别对这两种生物炭-黏土的表面特性进行表征。结果发现所选用的两种黏土均能不规则地负载在生物炭的表面。吸附实验结果显示, 生物炭-高岭土(Biochar@Kaolin)吸附铬(VI)的能力显著高于生物炭-膨润土(Biochar@Bentonite)。从吸附动力学方程的分析可以看出, 合成的两种生物炭负载黏土吸附水中的铬(VI)均符合伪二级动力学方程。从吸附等温线分析中可以得到, Biochar@Bentonite吸附铬(VI)的过程符合Langmuir模型, 而Biochar@Kaolin吸附铬(VI)的过程符合Freundlich模型。研究结果显示, 采用生物炭-黏土的复合材料修复环境中的重金属污染具有广阔的应用前景。
吸附 花生壳 黏土-生物炭 adsorption peanut shell clay-biochar Cr(VI) 铬(VI)
延安大学化学与化工学院, 延安市分析技术与检测重点实验室, 陕西 延安 716000
碳量子点(CQDs)是一种新型的荧光碳纳米功能材料, 其良好的生物相容性和优异的光学性能引起了人们的广泛关注。 选用富含蛋白质、 脂肪和碳水化合物的花生仁(Peanut, PN)及水为原料, 无需添加任何其他试剂, 在水热反应釜中于190 ℃反应20 h, 可一步合成绿色发光CQDs。 透射电镜(TEM)结果显示, 所制备的花生碳量子点(PN-CQDs)的粒径大约在10 nm左右, 分布较为均匀; X射线衍射谱(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示PN-CQDs晶型为无定型碳, 表面富含—OH、 —COOH、 含氮官能团等亲水性基团, 具有良好的水溶性。 紫外-可见光谱(UV-Vis)和荧光发射光谱(FL)表明, PN-CQDs在275 nm处有一明显的吸收峰, 为CQDs紫外特征吸收峰; 该PN-CQDs具有激发波长依赖性, 荧光发射峰的位置随激发波长的变化而移动; 当激发波长λex为326 nm时, 发射波长λem为408 nm处的荧光强度最大, PN-CQDs发出蓝色的荧光。 以硫酸奎宁为参照物, 利用参比法测得PN-CQDs的荧光量子产率φ为5.0%。 基于该PN-CQDs良好的发光特性, 以其为探针, 构建了“关-开”型荧光体系用于多巴胺(Dopamine, DA)的高灵敏度检测。 研究表明, 在pH 3.80的HAc-NaAc缓冲介质中, Ce(Ⅳ)存在下, PN-CQDs与Ce(Ⅳ)之间的电子转移反应和Ce(Ⅳ)与该PN-CQDs表面基团结合使PN-CQDs发生的聚集作用共同导致PN-CQDs在λex/λem=326 nm/408 nm处的荧光发生猝灭, 荧光信号“关闭”; 当加入DA后, DA与结合于PN-CQDs表面的强氧化性Ce(Ⅳ)发生反应, 从而将Ce(Ⅳ)从PN-CQDs表面移除, PN-CQDs的荧光得以恢复, 荧光信号重新 “打开”。 在优化的实验条件下, DA浓度与PN-CQDs在λex/λem=326/408 nm处的荧光恢复值ΔF呈良好线性关系, 线性范围为2.5×10-7～1.0×10-5 mol·L-1, 决定系数R2为0.997 6, 检出限为9.0×10-8 mol·L-1。 探讨了体系的荧光“猝灭-恢复”机理, 对PN-CQDs和PN-CQDs-Ce(Ⅳ)体系进行了荧光寿命拟合, 其加权平均荧光寿命分别为6.02与5.15 ns, Ce(Ⅳ)对PN-CQDs荧光猝灭类型为动态猝灭; 反应中生成的Ce(Ⅲ)于λex/λem=251/350 nm处的荧光对DA的测定无影响。 该方法灵敏、 简便、 快速, 应用于实际样品中DA的测定, 加标回收率(平均值±SD)在97.5%±1.3%～103%±1.5%之间, 结果满意。 该研究提供了一种新的DA荧光检测方法, 实现了对DA的准确测定。
碳量子点 荧光探针 多巴胺 硫酸高铈 花生 Carbon quantum dots Fluorescence probe Dopamine Cerium sulfate Peanut 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1093
南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏 南京 210023
提出并研究了一种基于稀土光纤双花生结(RDDFP)的光纤温度传感器。采用稀土掺杂光纤制备双花生结,利用其包层模和纤芯模干涉对温度的敏感特性,结合稀土光纤中稀土离子的强热光效应,实现对温度的高灵敏度感知与测量。通过理论和实验研究并对比掺铒光纤双花生结(EDDFP)和掺镱光纤双花生结(YDDFP)两种稀土光纤花生结中的模式干涉和热敏感效应。实验结果表明,相比于普通光纤双花生结,RDDFP具有更强的热光效应和更高的温度灵敏度。其中,EDDFP温度灵敏度为1286 pm/℃,YDDFP温度灵敏度为-2343 pm/℃。基于RDDFP的光纤温度传感器具有灵敏度高、重复性高、全光纤、制作简单、结构紧凑等优势,在电力系统、建筑、航空航天以及海洋开发领域等具有良好的应用前景。
传感器 掺铒光纤双花生结 掺镱光纤双花生结 高灵敏度 温度传感 热光效应
吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子国家重点实验室, 长春 130012
为了实现低成本的温度和应变同时测量, 利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形, 再将小球熔接到一起形成花生型结构; 然后在距离花生结构15mm处, 将两根单模光纤端面错位一定距离, 对其进行熔接形成J型结构; 最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现, CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.0125dB/℃和52.9pm/℃, 应变灵敏度分别为0.0152dB/με和-11.44pm/με。结果表明, 基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量, 且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点, 在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。
光纤马赫-曾德尔干涉仪 花生结构 J型结构 温度和应变同时测量 fiber Mach-Zehnder interferometer peanut structure J-shape structure simultaneous measurement of temperature and strain
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
为了能够快速、 无损地评价花生的质量, 确保储藏与食用安全, 开发了一种基于近红外光谱技术的花生产毒霉菌污染程度的定性定量分析方法。 首先对经过Co-60强辐射杀菌后的新鲜花生样品分别接种谷物中五种常见产毒霉菌(黄曲霉3.17、 黄曲霉3.3950、 寄生曲霉3.395、 寄生曲霉3.0124、 赭曲霉3.6486), 并于适宜条件下(26 ℃、 RH 80%)储藏9 d。 其次, 利用近红外光谱仪采集了不同时期花生样品在12 000～4 000 cm-1波段范围内的漫反射光谱, 运用主成分分析(PCA)、 判别分析(DA)和偏最小二乘回归(PLSR)建立了分析模型。 结果显示, 接种不同霉菌的样品随着储藏时间的延长均能得到有效区分, DA模型对储藏0, 3, 6与9 d花生的感染单一霉菌和多种霉菌的总体判别正确率分别达到100%和99.17%, PLSR模型对样品中的菌落总数的预测结果为: 有效决定系数(R2P)为0.874 1、 交互验证均方根误差(RMSECV)为0.276 Log CFU·g-1, 剩余预测偏差(RPD)为1.92。 结果表明, 近红外光谱技术可以作为一种可靠的分析方法对花生受霉菌侵染的状况进行快速分析, 从而确保贮藏期间花生的质量安全。
近红外光谱 花生 快速检测 产毒霉菌 Near infrared spectroscopy Peanut Rapid detection Toxigenic fungal 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1397
中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工综合性重点实验室, 北京 100193
花生中蛋白质含量与分布能够显著影响花生制品品质。 利用高光谱图像结合化学计量学研究可视化花生中蛋白质含量分布的可行性。 从校正后的花生图像的感兴趣区域（region of interest, ROI）中提取光谱信息, 通过传统化学方法测定蛋白质含量。 比对了不同光谱预处理和回归算法, 以二阶导数（the second derivative, 2nd-der）为最佳的光谱预处理方法, 偏最小二乘法（partial least squares, PLS）为最佳的回归算法。 基于预处理后的光谱和花生蛋白质的化学值, 建立全波长PLS模型, 全波长模型具有良好的性能（校正集相关系数为0.91, 校正集标准偏差0.86; 预测集相关系数为0.86, 预测集标准偏差为0.69）。 利用回归系数法（regression coefficient, RC）从全波长模型中选择14个特征波长, 建立2nd-der-RC-PLS特征波长模型, 模型性能（校正集相关系数为0.86, 校正集标准偏差1.03; 预测集相关系数为0.80, 预测集标准偏差为0.77）与全波长模型相当。 采用2nd-der-RC-PLS算法将花生高光谱图像转变成蛋白质含量分布图。 成对t检验判断凯氏定氮法与高光谱法无显著性差异。 结果表明结合化学计量学的高光谱成像技术为测定花生中蛋白质含量分布提供了一种高效非破坏性方法。
高光谱成像技术 化学计量学 花生 蛋白质 可视化 Hyperspectral imaging (HSI) Chemometrics Peanut Protein content Visualization
1 天津理工大学 计算机与通信工程学院 教育部通信器件与技术工程研究中心, 天津 300384
2 青岛大学 电子信息学院, 山东 青岛 266071
设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器, 其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成, 封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化, 故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度, 而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0 mT变化到20 mT时, 马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11 nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5 nm/℃和0.011 4 nm/℃.因此, 可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.
光纤传感器 马赫-曾德尔干涉仪 锥结构 花生锥结构 磁场 温度 Fiber sensor Mach-Zehnder interferometer Taper structure Peanut-shape structure FBG FBG Magnetic field Temperature 光子学报
2016, 45(12): 1206004
