桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西桂林541004
为了实现微细等离子体的精准灭菌，设计了新型微细等离子体射流装置，并对该装置产生的含氧活性粒子（Reactive Oxygen Species， ROS）和含氮活性粒子（Reactive Nitrogen Species， RNS）分布范围及其灭菌范围进行研究。淀粉碘化钾混合溶液里的碘离子可以被微细等离子体射流产生的ROS，RNS氧化成碘单质，根据淀粉遇碘变蓝的显色原理，使用含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基表征该装置射流中ROS，RNS的分布范围。将菌液涂布在琼脂培养基上，使用微细等离子体射流装置在相同的条件下处理不同的时间，于生化培养箱中37 ℃培养以进行灭菌范围的表征。最后在Ts2FL尼康倒置荧光显微镜下进行观察。实验结果表明，在交流电压幅值为5 kV，中心频率为10 kHz，作用时间为10，20和30 s时，灭菌范围分别控制在30，65和75 μm的直径内。等离子体射流与处理物体表面不直接接触和等离子体与物体表面直接接触两种作用方式相比，前者的灭菌范围更小，更容易实现精准控制。该装置将目前毫米量级的灭菌范围提高到了微米量级，对等离子体医学研究具有重要意义。
微细等离子体 灭菌 淀粉碘化钾混合溶液 微米级 micro plasma sterilization starch-potassium iodide mixture micron scale
1 华中农业大学工学院, 湖北 武汉 430070
2 农业农村部长江中下游农业装备实验室, 湖北 武汉 430070
3 华中农业大学交叉科学研究院, 湖北 武汉 430070
对近红外光谱(NIRS)分析技术结合化学计量学方法定量检测混合溶液中鲜味物质浓度及其鲜味强度的可行性进行探讨。以谷氨酸钠与肌苷酸二钠所构成的鲜味物质混合溶液为研究对象,获取不同鲜味强度的样本并采集其近红外光谱数据。基于偏最小二乘回归法结合竞争性自适应移动窗口区间组合(CMIC)新算法,以及多种常用变量优化算法分别建立混合溶液中鲜味物质浓度和混合溶液鲜味强度的检测模型。实验结果表明,最优的混合溶液中鲜味物质浓度和混合溶液鲜味强度检测模型均是基于CMIC算法建立的简化模型,预测决定系数分别为0.8886、0.9182和0.8097。因此,NIRS分析技术结合化学计量学方法可应用于定量检测混合溶液中鲜味物质浓度及其鲜味强度。
光谱学 近红外光谱 混合溶液 鲜味物质 鲜味强度 竞争性自适应移动窗口区间组合算法
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
3 深圳市盐田港集团有限公司, 广东 深圳 518081
水是一种有限的资源, 对农业、 工业乃至人类的生存都是必不可少的, 良好的水环境是可持续发展的重要保障。 对水质信息的科学监测, 是实现水资源优化配置与高效利用的基础。 联合国环境署(UNEP)与世界卫生组织(WHO)指出, 应当加强发展中国家的水质监测网络, 包括数据质量的保证和分析能力的提高。 光谱法作为一种新兴的水质分析方法, 相比传统的化学水质监测方法, 具有“响应速度快、 多参数同步、 绿色无污染”的特点。 传统单波长、 多波长的线性模型依赖于水体对特定波长的吸收特征, 不适用于多组分混合溶液且普适性较差。 因此, 提出了一种基于IERT的非线性全光谱定量分析算法, 建立适用于多组分混合溶液浓度预测模型, 达到利用全光谱信息来预测浓度信息的目的。 利用实验室配置的COD, BOD5和TOC多组分混合溶液与NO3-N、 浊度、 色度多组分混合溶液作为实验样本, 使用光谱仪采集样本的光谱曲线, 通过全光谱数据进行浓度预测实验, 结果显示, 对于COD, BOD5和TOC多组分混合溶液, 本算法对于三种组分的决定系数(R2)分别为0.999 3, 0.991 4和0.999 3, 均方根误差(RMSE)分别为0.024 4, 0.057 7和0.000 4; 对于NO3-N、 浊度、 色度多组分混合溶液, 决定系数(R2)分别为0.983 4, 0.868 4和0.981 0, 均方根误差(RMSE)分别为0.100 5, 0.326 4和0.120 2。 通过对比本算法与偏最小二乘(PLS)、 支持向量机回归(SVR)、 决策树(DT)、 极端随机树(ERT)对于同一组数据的实验结果, 表明: 在两组多组分混合溶液的实验中, 本算法对于其中各组分的决定系数(R2)均为最优, 相比于其他对比算法均方根误差(RMSE)均有大幅减少。 本算法可利用光谱信息对多组分混合溶液进行定量分析, 在计算时间相当的情况下, 可有效的提高浓度预测精度, 减少定量分析的均方根误差, 可为光谱法水质监测提供一种新的有效途径。
光谱法水质监测 紫外可见光谱技术 光谱定量分析 多组分混合溶液 极端随机树 Spectroscopic water quality monitoring Ultraviolet visible spectroscopy technology Spectral quantitative analysis Multi-component mixed solution Extreme random trees 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3922
1 广东工业大学 机电工程学院 激光微纳加工研究中心, 广州 510006
2 广东工业大学 实验教学部, 广州 510006
为了使用低成本的红外光纤激光器对蓝宝石进行高效率高质量的加工, 采用激光诱导背向湿式刻蚀方法进行了理论分析和实验验证, 研制了一种新型的活性高且稳定性高的混合溶液, 硫酸铜的质量浓度为28g/L、次磷酸钠的质量浓度为40g/L、氨水的质量浓度为45g/L、pH值为12。在相同的加工条件下, 采用硫酸铜水溶液和混合溶液对蓝宝石进行切割。结果表明, 蓝宝石在混合溶液中的切割效率高出硫酸铜水溶液中的5倍左右; 采用混合溶液对蓝宝石进行成形切割, 加工出了高质量的异形蓝宝石零件。此研究对提高低功率激光作用下蓝宝石的加工效率有一定的指导意义。
激光技术 混合溶液 激光诱导背向湿式刻蚀 蓝宝石 成形切割 laser technique mixed working solution laser-induced backside wet etching(LIBWE) sapphire forming cutting
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学太赫兹研究中心, 天津 300072
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
4 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
太赫兹生物医学是当前光谱研究领域的前沿热点, 其主要难点在于如何在有效避免水分干扰的同时, 实现复杂生物体系组分的精准分析。 太赫兹光谱产生于分子振动的信息, 其吸收谱较弱, 吸收峰严重重叠, 且多组分复杂样品的太赫兹光谱往往不是各组分光谱的简单叠加, 难以用传统的峰高、 峰面积标定技术进行定量计算。 但采用多元校正技术可以方便地实现太赫兹光谱的定量分析, 使太赫兹光谱成为一种快速、 简便且适用范围广泛的分析技术。 以KCl和NaCl的无机盐混合体系为典型研究体系, 两种组分的浓度范围均为0.1～2 mol·L-1, 浓度间隔为0.1 mol·L-1。 获取20组浓度配比不同的混合溶液的吸收系数和折射率, 巧妙利用水溶液体系中无机金属离子的水合氢键作用, 由此采集无机盐溶液体系的太赫兹时域光谱, 提取各组分的特征信息, 建立多尺度数据驱动的定量分析模型, 有望实现水溶液中无机金属离子的定量分析。 针对太赫兹光谱数据规模大、 基质干扰强及数据关联复杂等特点, 构建复杂二维小波变换、 多变量筛选、 贝叶斯数据挖掘、 深度学习和数据关联性分析技术为一体的算法数据库, 由此构建基于多尺度数据驱动的太赫兹光谱解析方法。 论文依据正交实验的原则, 构建具备良好数据结构特征的混合溶液数据集, 引导后续的光谱解析方法准确提取无机金属离子水合氢键信息。 在此基础上, 发展自适应算法, 寻找光谱数据变量与浓度间的关系, 并采用变量筛选技术, 从原始光谱数据中提取无机盐水合氢键的特征信息, 最终构建浓度与特征信息之间的数据驱动模型。 计算结果表明, KCl和NaCl组分的预测误差分别为8.0%和9.1%, 能有效满足大部分应用的检测精度要求。 多尺度数据驱动模型方法充分利用太赫兹光谱信号的时域和频域多尺度特性, 实现数据预处理与多元校正的一体化运算以避免重要信息丢失, 具备高度自适应特征。 因此, 基于数据驱动建模的太赫兹光谱分析新方法为太赫兹生物医学研究提供了新思路。
混合溶液 太赫兹时域光谱 数据驱动建模 定量分析 Mixed solution Terahertz time-domain spectrum Data-driven modeling Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3731
1 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
利用激光诱导击穿光谱技术对混合溶液中的Cu, Mg, Zn和Cd四种重金属元素进行实验测量, 实验中采用波长为1 064 nm, 脉宽10 ns, 重频10 Hz的激光器。 在蒸馏水中加入CuSO4, Mg(NO3)2, Zn(NO3)2和Cd(NO3)2四种溶质, 配置7种不同Cu, Mg, Zn和Cd浓度的混合溶液, 采用统计探索性数据分析方法处理LIBS实验数据, 得到水溶液中Cu, Mg, Zn和Cd元素的定标曲线, 拟合度系数R2均大于099, 计算出Cu, Mg, Zn和Cd四种元素的检测限分别为562, 471, 1367和443 ppm, 单一溶质CuSO4溶液中的Cu元素的LOD值为398 ppm。 最后对单一溶质和四种溶质的LIBS检测结果差异进行了分析。 研究结果表明激光诱导击穿光谱技术在环境水污染多种重金属元素检测方面具有潜在的应用前景。
激光诱导击穿光谱 液体射流 混合溶液 检测限 Laser induced breakdown spectroscopy Liquid jet Mixture solution Limit of detection 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1885
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 河北工业大学信息工程学院, 天津 300401
3 天津师范大学物理与电子信息学院, 天津 300387
多维漫透射光谱技术利用传统的近红外透射测量方式, 增加一维扫描装置, 获得透射方向上的径向光谱, 并利用多点漫透射光谱对复杂混合溶液进行成分分析。 实验设计了基于氙灯光源、 精密电控平移台和光谱仪的检测装置, 选用Intralipid-20%, India Ink和C6H12O6共配制225种成分含量不同的混合溶液, 分别测量距其透射中心点0～5 mm(间隔0.25 mm)范围内的20点漫透射光谱信号, 以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫透射光谱信号进行建模分析。 实验得到India Ink含量和Intralipid-20%含量随漫透射光位置点的增加建模及预测的精度提高, C6H12O6含量随漫透射光位置点的增加建模及预测精度没有明显变化。 结果表明, 增加不同位置信息的漫透射光谱信号, 能够提高复杂混合溶液中强吸收物质和强散射物质的信噪比, 对于弱吸收弱散射物质有望在提升系统精度的前提下提高其预测能力。
复杂混合溶液 多维漫透射光谱 成分分析 偏最小二乘回归 Complex mixed solution Multi-dimensional Component analysis Partial least square regression 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2194
1 天津大学， 精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津300072
2 天津师范大学物理与电子信息学院， 天津300387
采用高光谱技术对复杂混合溶液进行检测分析， 同时利用被测物质的吸光度和散射特性信息以提高光谱的信噪比。 实验设计了高光谱采集装置， 采集生物组织模拟液(Intralipid-10%)的漫反射高光谱图像， 并用Monte Carlo方法和漫射近似理论对其进行了正向和反向推导， 获得了632 nm波长下， Intralipid-10%吸收系数为0.002 0 cm-1， 与标准参数相对误差为11.1%； 约化散射系数为63.35 cm-1， 与标准参数相对误差为6.49%， 基本符合标准参数的误差范围， 验证了该高光谱检测系统的准确性。 还利用该高光谱系统对不同厂家出品的牛奶、 果汁等样本进行了高光谱采集， 得到不同样本间差异较传统二维光谱更为明显的结果， 充分证明了高光谱方法在复杂混合溶液成分分析中具有很强的可行性。
复杂混合溶液 高光谱 成分分析 漫射近似理论 Complex mixed solution Hyperspectral Composition analysis Monte Carlo Monte carlo simulation Diffusion approximation
1 天津大学, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津师范大学物理与电子信息学院, 天津 300387
为了进行复杂混合溶液的成分检测, 该文提出了一种基于多维漫反射光谱技术的浓度检测方式, 通过信号中携带的不同成分的多种光学性质来进行分析。 实验设计了基于超连续谱激光光源、 精密电控平移台和光谱仪的检测装置, 选用Intralipid-20%溶液作为研究对象, 用蒸馏水配制体积百分数1%～20%的溶液, 分别测量距其入射点1.5～13 mm(间隔0.5 mm)范围内的24点漫反射光谱信号, 以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫反射光谱信号进行建模与预测。 得到建模精度最高的为距离入射位置最近的1点～13点对应的光谱信号所建立的模型, 预测精度最高的为距离入射位置最近的1点～7点对应的光谱信号所建立的模型。 结果表明, 增加不同位置信息的光谱信号, 能够提高光谱的信噪比, 与传统光谱技术仅利用吸光度或反射率等单一光学性质的方法相比, 增加了被测物质散射特性的影响, 利用被测物质多种光学性质的变化提高了建模及预测的精度, 为基于多维光谱的复杂混合溶液检测提供了基础。
复杂混合溶液 多维漫反射光谱 成分分析 偏最小二乘回归 Complex mixture Multi-dimensional diffuse reflectance spectroscopy Component analysis Partial least squares regression
1 天津大学， 精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津300072
2 天津科技大学， 海洋科学与工程学院， 天津300457
3 天津师范大学物理与电子信息学院， 天津300387
为了克服传统光谱检测复杂混合溶液的分析方法中光谱重叠严重、 信噪比低的缺点， 本工作提出将高光谱法引入复杂混合溶液的检测。 因为高光谱法可以利用多模式光子所携带的被测物质多种光学性质的信息进行溶液成分含量分析， 与传统光谱检测方法仅利用被测物质单一吸收特性的变化相比， 高光谱法同时还可利用空间信息增加光谱信号的信噪比， 提高建模精度和可靠性。 为了验证高光谱检测复杂混合溶液的可行性， 本工作利用Monte Carlo模拟了脂肪乳Intralipid-墨水Ink模型在650～1 100 nm范围内漫反射光强的分布情况， 得到了复杂混合溶液的漫反射光强分布随波长变化有明显区别的现象， 证明了高光谱法能够同时利用被测物质多种光学特性（如吸收、 散射、 各向异性因子）随波长变化的关系提高光谱信号的信噪比， 有望显著增强对复杂混合溶液成分的分析能力。
复杂混合溶液 高光谱 漫反射 蒙特卡罗仿真 成分分析 Complex mixed solution Hyperspectral Diffuse reflection Monte carlo simulation Component analysis 光谱学与光谱分析
2011, 31(11): 3014
