1 中国科学院合肥物质科学研究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 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
以蛋白核小球藻为研究对象，通过毒性胁迫、光照胁迫和温度改变蛋白核小球藻的光合活性，研究蛋白核小球藻叶绿素荧光产量与光合活性参数Fv/Fm的变化关系。结果表明：3种不同生长环境下，蛋白核小球藻的叶绿素荧光产量随着Fv/Fm改变而发生较为明显变化，最大变化范围为235~668 （μg·L-1）-1；Fv/Fm与叶绿素荧光产量之间具有明显负线性相关性，线性优度R2超过0.91。该研究结果为发展更为准确的藻类叶绿素a质量浓度活体荧光检测方法提供了重要依据。
光谱学 浮游藻类 活体荧光法 叶绿素荧光产量 光合活性 浓度检测 光学学报
2023, 43(23): 2330001
1 上海第二工业大学智能制造与控制工程学院，上海 201209
2 上海第二工业大学计算机与信息工程学院，上海 201209
叶绿素的检测和监测在植物生理、水质状况、农业管理和生态系统健康等方面具有重要意义。笔者设计了一种基于微波光子滤波器（MPF）射频强度的叶绿素检测系统，该系统利用叶绿素质量浓度变化导致光纤端面反射率发生变化的原理，根据射频强度与叶绿素质量浓度之间的关系，实现对叶绿素的检测。该系统具有体积小、抗干扰能力强的特点，而且可以实现长距离检测。在该系统中，宽谱光源、微波信号源、掺铒光纤放大器、电光调制器、隔离器、光耦合器、光电探测器、频谱仪、光纤等构成了迈克耳孙干涉仪结构的微波光子滤波器。提取不同蔬菜的叶绿素溶液，采用该系统对叶绿素溶液进行检测，验证了其在植物叶绿素检测方面的可行性。采用该系统检测了叶绿素实验原液以及由叶绿素标准溶液配制的不同质量浓度梯度的叶绿素溶液，验证了射频强度与叶绿素质量浓度之间存在较好的线性关系，其中最大射频强度与叶绿素质量浓度的线性拟合度（R2）达到了0.9741，灵敏度为0.007881 dB/（μg·L-1），最小射频强度与叶绿素质量浓度的线性拟合度达到了0.9841，灵敏度为0.02258 dB/（μg·L-1）。上述实验结果表明该系统在高质量浓度叶绿素和低质量浓度叶绿素情况下均具有较好的传感性能。
传感 叶绿素 叶绿素质量浓度检测 微波光子滤波器 微波光子传感 光纤传感 中国激光
2023, 50(21): 2107403
安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
密封药瓶内的药物在储存过程中, 时常会因为保存方式不当, 产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差, 极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质, 影响其正常使用。 因此, 可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。 其中水汽(H2O)是空气中的常见气体且极易与药品产生反应, 药瓶中H2O浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。 实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接触到样品才能做出判断, 很难做到无损检测, 样品处理过程较为繁琐, 耗时耗力, 难以实现对大量药瓶的实时无损测量, 所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。 为了高效检测并实时监控密封药品存储容器(药瓶)内的水汽浓度, 提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的数字正交锁相解调算法, 并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。 药瓶采用长12 cm宽9 cm高64 cm的可透光聚乙烯(PE)材质; 中心波长为1 391 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为光源, 搭建了基于数字正交锁相解调算法的TDLAS药品检漏测量系统, 以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、 采样率对解调出的二次谐波信号(WMS-2f)幅值的影响。 在系统各项参数最优的情况下考察了不同光功率下WMS-2f信号稳定性, 并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的WMS-2f信号。 研究结果表明: 与常规锁相放大器解调算法相比, 数字锁相解调可编译性强, 系统结构更为紧凑, 成本更为低廉。 Allan方差分析显示在160 s内的状态下, 水汽检出限为18 ppm, 验证了该方法的稳定性与可靠性。
数字锁相解调 水汽浓度检测 药瓶检漏 Digital phase-locked demodulation TDLAS TDLAS Water vapor concentration detection Medicine bottle leak detection
1 南宁学院机电与质量技术工程学院, 广西 南宁 530200
2 桂林理工大学信息科学与工程学院, 广西 桂林 541006
为进一步提高甲烷浓度检测精度, 搭建了基于 TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术的甲烷浓度检测实验系统, 利用甲烷在波长 1653.72 nm处吸收强度很高且可以最大限度消除其他气体干扰的特性, 通过提取二次谐波信号实现甲烷浓度检测。然后分别采用 heursure硬阈值算法、heursure软阈值算法和 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法, 通过分析未去噪及小波变换去噪处理后得到的甲烷吸收信号谱图、甲烷二次谐波信号谱图、甲烷吸收信号的信噪比和均方根误差, 优选 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法。不同浓度的甲烷标气线性拟合实验及特定浓度的甲烷标气重复性实验结果表明: 通过小波变换(采用 sqtwolog固定阈值算法)能有效降低噪声干扰, 去噪处理后提取的二次谐波信号与甲烷真实浓度拟合优度 R2为 0.984, 拟合效果更佳。采用 TDLAS技术结合小波变换去噪算法, 实现甲烷浓度检测的同时也能提高甲烷浓度检测精度。
甲烷浓度检测 TDLAS技术 二次谐波信号 小波变换阈值算法 去噪处理 detection of methane concentration, TDLAS technolo
设计了一种带金属挡板的直波导耦合方形腔组成的表面等离子体（SPPs）波导结构。利用有限元法分析了该结构的磁场分布、Fano共振特性以及传感特性。仿真结果表明，设计的SPPs波导结构可以形成2个Fano峰，且Fano峰的位置可以通过谐振腔的结构参数进行调节。此外，该SPPs波导结构可用于折射率传感，其最高折射率灵敏度和品质因数分别为2220 nm/RIU（折射率单元）和5542。最后，利用该结构对葡萄糖溶液中葡萄糖的质量浓度进行了检测，其灵敏度为0.264 nm/（g·L-1）。所设计的SPPs波导结构在微纳传感领域有一定应用前景。
表面等离子体 法诺共振 折射率传感 浓度检测 灵敏度 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0123001
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
3 华中科技大学 鄂州工业技术研究院, 湖北 鄂州 436044
为了降低光学气体浓度传感器的制造成本, 利用 Zemax 光学设计软件设计并优化了一种适用于热光源的米级光程红外气体吸收池结构。结构由两个准直、聚焦光线的抛物面反射镜和五个用于增加光程的平面镜构成。仿真结果表明, 气体吸收池由于几何结构导致的光功率损耗仅为1%, 其光程达到了1049.75mm, 对比传统透镜结构的气体吸收池, 此结构具有体积小、光程长、损耗率低以及拓展性强等特点, 可应用于构建低成本、亚PPM级红外气体传感器。
光学设计 气体吸收池 反射式结构 气体浓度检测 optical design gas absorption cavity Zemax Zemax reflective structure gas concentration detection
特种光纤与光接入网重点实验室，特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海先进通信与数据科学研究院，上海大学，上海 200444
本文基于TDLAS技术，采用设计制备的微纳光纤气体吸收池，搭建了一套全光纤的NH3浓度检测系统。NH3检测系统的核心部分气体传感通过1.51 μm的微纳光纤完成，该系统检测结果表明，NH3在20000 ppm-100000 ppm浓度范围内，解调的二次谐波幅值与对应浓度之间具有良好的线性关系(拟合方程相关系数R=0.9962)。为了提高NH3浓度的检测性能，采用纳米金涂覆微纳光纤以增强光纤的倏逝场效应。根据实验结果，纳米金涂覆后的微纳光纤NH3浓度检测系统灵敏度有了很大提升，NH3浓度的检测下限可达到260 ppm。对不同浓度的NH3反复监测显示该检测系统稳定性良好，最大相对误差为5.38%，适用于长期稳定性的NH3监测，具有广泛的应用前景。
TDLAS技术 微纳光纤 纳米金涂覆 NH3浓度检测 technology of TDLAS microfiber gold-nanosphere coating NH3 concentration detection
1 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
2 山西农业大学工学院, 山西 太谷 030801
畜禽养殖中抗生素的不合理使用导致畜禽产品中抗生素残留问题时有发生, 进而通过食物链影响食品安全, 威胁人类健康。 准确、 快速检测出抗生素药物的含量对保障食品安全具有重要意义。 以残留较为常见的喹诺酮类诺氟沙星抗菌药为研究对象, 开展基于太赫兹光谱技术的诺氟沙星较大梯度和较小梯度的全浓度含量检测研究。 在较大梯度诺氟沙星样本中, 首先, 在1%~100%范围内设置了11个浓度, 完成较大梯度压片样本制备; 然后经太赫兹时域光谱系统扫描获取其时域光谱, 提取样本的吸收系数, 用卷积平滑S-G二项式拟合滤波去除噪声、 平滑样本光谱数据。 发现纯净的诺氟沙星在1.205 THz处存在一个强烈吸收峰, 在0.816 THz处存在一个弱吸收峰。 最后, 利用逐步回归和连续投影法(SPA)选择变量并结合特征吸收峰进行多元线性回归建模预测分析。 进一步在较小梯度诺氟沙星样本研究中, 首先在浓度100 μg·mL-1(0.01%)以下设置了29个浓度系列, 完成较小梯度溶液样本制备; 然后获得其太赫兹时域光谱, 用S-G二项式拟合滤波进行数据预处理, 发现各浓度的吸收光谱未出现明显差异, 最后利用逐步回归和连续投影法(SPA)选择变量结合特征吸收峰实现多元线性回归建模预测分析。 结果表明: 在较大梯度诺氟沙星样本中逐步回归选择变量的多元线性回归达到了模型最优(Rp=0.962, RMSEP=2.74%), 准确率优于当前已有最优预测模型(Rp=0.867, RMSEP=16.6%); 小梯度诺氟沙星样本的逐步回归选择变量的多元线性回归模型最优(Rp=0.728, RMSEP=18.79 μg·mL-1), 该方法有一定的预测能力, 但是准确率有待提升。 利用太赫兹光谱技术实现了较全浓度诺氟沙星的检测, 为后续诺氟沙星检测限的探索等进一步研究提供了一定的研究基础。
太赫兹时域光谱技术 诺氟沙星 浓度检测 喹诺酮 吸收系数 抗生素残留 Terahertz time domain spectroscopy Norfloxacin Concentration detection Quinolone Absorption coefficient Antibiotic residue 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2710
1 天津大学微电子学院, 天津 300072
2 天津市成像与感知微电子技术重点实验室, 天津 300072
使用网络分析仪测量了宽频带200 MHz~10 GHz内葡萄糖水溶液的介电特性。测量结果表明,当频率不变时,葡萄糖水溶液的介电常数和电导率均随葡萄糖浓度的增大而减小。单阶Debye模型和二阶多项式被用于拟合各浓度下葡萄糖水溶液介电特性的测量数据,有效量化了介电特性随浓度和频率的变化关系。基于Debye模型参数建立了三维耳垂色散模型和天线收发结构。仿真结果表明,S21信号与葡萄糖浓度之间在相当宽的频带范围内都保持着稳定的、规律性的响应关系,该响应关系可通过二次多项式表达。基于S21的微波无创血糖检测方法可用于未知血糖浓度的评估。
探测器 无创血糖浓度检测 介电特性 葡萄糖水溶液 Debye模型 色散建模 S21 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 230401
