新型高光谱大气臭氧传感器大多计划搭载地球静止轨道平台, 其对大视场范围和时间范围内的臭氧总量提取提出了更高的需求。 TOMS V8算法在低轨卫星大气臭氧传感器得到广泛的应用和发展, 但其在大观测几何条件下的提取精度不足, 因此如何提高TOMS算法在新型传感器上的提取精度是当前亟待解决的问题。 利用MODTRAN大气辐射传输模型模拟了晴空场景TOMS算法标准廓线各观测几何条件下的地球紫外后向散射辐射, 分析了各观测几何条件下后向散射辐射亮度与臭氧总量拟合模型, 并根据模型拟合精度情况, 得到了不同观测几何条件下后向散射辐射随臭氧总量的变化关系, 提出了改进的臭氧总量初值估算模式。 对改进模式与传统模式的臭氧总量初估结果表明, 传统模式依赖于指数模型的拟合精度, 而改进模式依赖于对数模型的拟合精度, 指数模型和对数模型均表现出高的拟合精度, 但对数模型的拟合精度比指数模型在整个臭氧浓度范围内平均高约0.9%。 改进模式使臭氧总量初估的总体精度得到改善, RMSE降低约0.087%～0.537%, 并且在较大观测几何和臭氧总量低值区（175～275 DU）间则更加显著。 在臭氧总量低值区间以及较大观测天顶角和太阳天顶角条件下, 改进模式具有更高的估算精度和更大的适用范围。 该改进的臭氧总量初值估算模式可为日后TOMS算法的更新提供支持和参考依据。

介绍了基于紫外LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱装置, 并将其应用于实际大气中的HONO和NO2浓度的探测。 中心波长为365 nm的UV-LED出射光被耦合到~1.76 m长, 由两片高反射率镜片组成的光学谐振腔内, 透过腔的光由便携式CCD光谱仪接收。 高反射率镜片的反射率由NO2和O2-O2的吸收谱来校正, 在353～376 nm的测量范围内, 最高反射率为0.999 17。 在120 s的采集时间内, HONO和NO2的探测极限(1σ)分别为0.6和1.8 ppbv。 将该装置测量的连续56 h大气中NO2浓度的变化与配备蓝光转换器的NOx分析仪测量的结果进行比较, 线性相关系数R2=0.89, 斜率为1.09, 截距为3.45。 基于该装置探测了实验室大气中的HONO和NO2昼夜浓度变化, 24 h内的HONO浓度在0~5.3 ppbv之间波动, 平均浓度为1.8 ppbv, NO2浓度变化范围为5~51 ppbv, 平均浓度为21.9 ppbv。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种新型光谱分析方法, 近年来被逐渐应用于燃烧诊断领域。 在甲烷/空气混合气中建立了一套LIBS测试系统, 利用H, O, N不同特征谱线强度比实现了对甲烷、 空气燃空当量比的定量测量。 在“门控”模式下, 比较分析了H656/O777与H656/N746这两种定标曲线对燃空当量比的测量效果, 发现H656/O777可以实现更好的预测精度与更高的灵敏度;“非门控”模式可以利用更多的谱线强度比(H656/O777, H656/N+500, H656/N+567和H656/N746)进行标定测量, 其中H656/O777的测试效果最好。 比较分析了“门控”与“非门控”两种检测模式对标定测量的影响: “门控”检测模式在拟合优度与预测精度方面都要略优于“非门控”模式。 此外, 在保持聚焦点能量密度相同的情况下, 研究了1 064, 532和355 nm三种不同激光波长对H, O和N特征谱线及H656/O777标定曲线斜率的影响: H, O和N特征谱线强度、 信噪比以及H656/O777标定曲线的斜率均随激光波长的增加而增加。 在三种波长中, 1 064 nm的激光最适合作为LIBS技术的光源, 定量测量甲烷/空气混合气当量比。 最后, 分别从等离子体电子密度、 温度对谱线强度与分布函数的影响方面, 对以上实验结果给出理论上分析与说明。

天然气水合物是一种重要的潜在能源。 用激光拉曼光谱法表征气体水合物能够为研究水合物形成机理和开采方法提供重要信息。 系统介绍了激光拉曼光谱法的基本原理, 综述了激光拉曼光谱仪在气体水合物微观表征上的各种实际应用。 通过激光拉曼测试可分析水合物气体组成、 推测结构类型, 再利用经验公式或者相对定量法可计算出其大/小笼的气体占有率和水合数;利用原位拉曼技术可以观测水合物形成和分解的微观过程, 解析气体分子进入和离开笼子的进程、 进行水合物形成和分解过程中气体浓度变化及水合物形成过程中气体溶解度的测定, 辨识水合物系统中的相变过程, 进而研究水合物形成和分解动力学;激光拉曼光谱法还可用于研究超高压条件下气体水合物的结构及其变化过程。 原位拉曼光谱能够对深海天然气水合物及其环境在原位进行表征;利用拉曼成像技术可以对水合物晶体表面进行系统测定, 探求气体组分在晶体表面的分布。 随着激光拉曼技术的发展及与其他设备联用水平的提高, 激光拉曼光谱仪向便携, 高灵敏度发展, 能够更广泛深入地进行气体水合物微观研究。

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚, 是一种较为新颖的痕量气体探测手段, 本文以大气中的水汽作为测量目标, 开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。 理论上, 首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析, 得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案, 并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。 实验中, 以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源, 采用激光器波长调制和2次谐波探测技术, 首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。 QEPAS系统经过优化后, 获得了5.9 ppm的探测极限, 同时对不同浓度的水汽进行了测量, 实验数据线性拟合后, 得到R-Square为0.98, 证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。 最后, 运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术, 对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量, 实验结果表明, 该系统性能稳定, 具有良好的连续测量能力, 可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。

采用微波等离子体化学气相沉积方法(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)在高沉积气压(34.5 kPa)下制备多晶金刚石, 利用发射光谱(optical emission spectroscopy, OES)在线诊断了CH4/H2/O2等离子体内基团的谱线强度及其空间分布, 并利用拉曼(Raman)光谱评价了不同O2体积分数下沉积出的金刚石膜质量, 研究了金刚石膜质量的均匀性分布问题。 结果表明: 随着O2体积分数的增加, C2, CH及Hα基团的谱线强度均呈下降的趋势, 而C2, CH与Hα谱线强度比值也随之下降, 表明增加O2体积分数不仅导致等离子体中碳源基团的绝对浓度下降, 而且碳源基团相对于氢原子的相对浓度也降低, 使得金刚石的沉积速率下降而沉积质量提高。 此外, 具有刻蚀作用的OH基团的谱线强度却随着O2体积分数的增加而上升, 这也有利于降低金刚石膜中非晶碳的含量。 光谱空间诊断发现高沉积气压下等离子体内基团分布不均匀, 特别是中心区域C2基团聚集造成该区域内非晶碳含量增加, 最终导致金刚石膜质量分布的不均匀。

采用红外, 紫外光谱分析不同体系下氢键对部分水解高分子聚丙烯酰胺光谱的影响。 研究表明, 高分子聚丙烯酰胺中的酰胺基与部分水解的羧酸基能形成分子内氢键导致酰胺基中游离-NH2特征吸收峰向低频方向移动;聚丙烯酰胺在水溶液中随浓度的增大主要形成分子内氢键使最大吸收波长发生红移;在含中等浓度钠离子和钙离子的水溶液体系下, 分子内氢键和分子间氢键同时存在, 在含高浓度钠离子和钙离子体系下, 则主要形成分子间氢键。 不同体系下, 氢键对聚丙烯酰胺光谱的影响不同: 在水溶液体系下, 其最大吸收波长红移8 nm, 在钠离子单独存在的体系下, 最大吸收波长红移4 nm, 在钙离子和钠离子同时存在的体系下, 最大吸收波长红移2 nm。

应用英国Edinburgh FLS920P稳态-瞬态荧光光谱仪, 对互为同分异构体的胭脂红、 苋菜红分子的吸收光谱和荧光光谱实验检测, 得到二者的光谱特性参数, 并进行对比。 分别采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）对这两种分子的基态和激发态结构进行优化, 将所得基态分子构型进行频率计算, 结果显示均无虚频存在, 进而比较两分子构型在不同能态下的差异。 在此基础上, 应用TD-DFT并结合极化连续介质模型（PCM）在6-311++G(d, p)水平上分别计算二者的吸收光谱和荧光光谱, 对两种分子的发光机制、 荧光光谱特性差异与分子结构的关系进行了分析。 结果表明, 两种分子的基态结构均为非平面, 它们中的两个萘环不共面, 存在一定的夹角;苋菜红含有分子内氢键, 且氢键所在萘环的平面性要优于胭脂红分子对应的萘环部分;激发态时二者各自的两个萘环均共平面。 量子化学计算得到的光谱理论值与实验结果较为吻合, 说明优化所得胭脂红与苋菜红的分子构型基本合理。 与苋菜红相比, 胭脂红右侧萘环结构的平面性稍差, 分子从激发态跃迁回到基态经历了更多的振动和转动, 损耗了更多的能量, 导致用来产生荧光光子的能量减少, 因此, 胭脂红的荧光发射波长更长。 本文首次得到胭脂红、 苋菜红分子基态与激发态下的分子结构信息, 并找出二者光谱特性差异的原因, 结果可为研究同分异构体分子的光谱特性与分子结构的关系提供参考。

转炉炼钢的铁水终点温度是衡量铁水是否符合出钢要求的一个重要指标, 目前仍主要依靠人工经验进行控制, 其预测精度难以保证。 为了能够有效的预测终点铁水的温度, 并能满足不同的转炉炉口尺寸的要求, 提出了一种基于炉口火焰温度测量的转炉终点铁水温度预测的新方法。 利用可以采集可见光和近红外波段的微型光谱仪作为关键器件构建了炉口火焰辐射信息的采集系统, 实现对转炉炼钢现场的炉口火焰辐射信息进行实时、 有效的采集。 同时综合考虑了炉口火焰的实际温度范围和现场的测量距离, 通过改进的系统标定方法, 对所构建的辐射信息采集系统进行标定, 并利用双波长法获得了炉口火焰的辐射温度。 鉴于炉口的火焰温度与炉内的铁水温度之间存在着一定的联系, 还利用所测得的火焰温度以及与铁水温度相关的转炉吹炼过程参数, 建立了基于支持向量机的炉内铁水温度的回归预测模型。 对68炉现场采集到的转炉吹炼数据进行验证实验后表明该方法的预测精度要优于人工经验, 且接近采用副枪的铁水温度测量方式, 可为中小型转炉的终点温度预测提供一种有效可行的方案。

采用高温固相法在N2-H2还原气氛下合成了一系列Sr3(PO4)2∶Eu2+蓝色荧光粉, 通过X射线衍射仪(XRD)、 荧光光谱仪(PL)对荧光粉的晶体结构、 激发和发射光谱进行了表征。 结果表明: 微量的Eu2+掺杂不会改变其晶体结构;Sr3(PO4)2∶Eu2+荧光粉在310～390 nm范围内可以有效的被激发, 激发峰位于359 nm;发射光谱为主峰位于438 nm宽带发射（带宽约为150 nm）, 对应于Eu2+的4f65d1→4f7跃迁. 通过高斯拟合发现, Eu2+至少占据了Sr3(PO4)2两种不同的Sr2+格位, 形成两个发光中心（430和459 nm）. 当Eu2+的掺杂浓度为7%时, 其具有最大的发光强度, 继续增大Eu2+的掺杂浓度, Sr3(PO4)2∶Eu2+的发射光谱会出现浓度猝灭现象, 且其发射峰会随着铕离子浓度增加而发生红移。 Sr3(PO4)2∶Eu2+荧光粉在近紫外区有着强而宽的吸收带, 与近紫外LED芯片发射相匹配, 相对发光强度是蓝色荧光粉BaMgAl10O17∶Eu2+(BAM) 的1.3倍, 是一种很有前途的白光LED用蓝色荧光粉材料。

使用共沉淀法制备不同掺杂浓度的CeO2∶Eu3+的荧光粉, 并利用XRD, 激发和发射光谱对其光学性质进行了研究。 PL激发光谱中出现300～400 nm的源于基质CeO2的强吸收宽带以及较弱的Eu3+的7F0-5D2(467 nm) 吸收峰。 由于Ce4+和Eu3+半径十分接近, 因而Eu3+在CeO2中具有较高的固溶度。 当高浓度Eu3+掺杂CeO2时, 出现了7F0-5D2(467 nm) 吸收峰的极大增强。 在467 nm激发下获得了Eu3+的5D0—7F1(592 nm) 和5D0—7F2(612 nm)跃迁的特征红光发射。 与电荷迁移带激发下获得的红光相比, 在467 nm蓝光激发下获得的红光强度是其5倍。 7F0—5D2(467 nm) 的强电子吸收与蓝光LED芯片的输出波长相匹配, 在蓝光激发下获得明亮的红光发射。 因此, Eu3+掺杂CeO2荧光粉是一种有潜力的用于白光LED的红色荧光粉。

采用油相合成法得到了疏水性、 单分散的LaPO4∶Ce3+, LaPO4∶Ce3+/LaPO4和LaPO4∶Ce3+/LaPO4∶Ce3+/LaPO4核壳结构纳米晶。 利用X射线衍射（XRD）、 透射电镜（TEM）、 傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光致发光光谱（PL）等分析技术对产物的结构、 形貌以及发光性能进行了表征。 结果表明: 所有样品均为单斜相结构, 样品的衍射峰呈现宽化现象, 可能由于合成的纳米颗粒尺寸较小;Ce3+掺杂LaPO4纳米晶显示了Ce3+的特征发射, 在342 nm处是一个宽带谱, 发光强度随着Ce3+掺杂浓度的增加先增加后减小, 在浓度为6 at%时发光强度最大, 发光强度减弱可能由于浓度猝灭导致的;LaPO4∶Ce3+/LaPO4和LaPO4∶Ce3+/LaPO4∶Ce3+/LaPO4核壳结构纳米晶光致发光强度比LaPO4∶Ce3+纳米颗粒分别提高了41%和95%左右, 这可能是由于纳米晶颗粒尺寸的变大及表面钝化效应共同作用的结果;样品的红外光谱数据显示, 在1 545和1 461 cm-1处出现了分别对应于—COO－的非对称和对称伸缩振动的两个吸收峰, 这两个峰的间隔为84 cm-1, 样品表面有机物的修饰机制可能是羧基的氧原子以双齿模式与金属镧离子发生了配位。

选取了在化工、 医药生产中常见的中间体——二甲基苯甲酸作为研究对象, 利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究了室温条件下, 二甲基苯甲酸的六种同分异构体在太赫兹波段的吸收光谱。 实验结果表明, 在0.2～2.2 THz波段范围内, 六种物质的特征频谱响应有非常明显的区别, 而红外光谱仪的测量结果则显示, 在1 450～1 700 cm-1波段范围内不同的异构体表现出相似的吸收特征。 利用密度泛函理论(DFT)对六种物质的吸收频谱进行计算, 并对它们的吸收峰产生的原因进行分析, 可知在1 450～1 700 cm-1范围内六种物质的吸收峰均是由苯环的骨架伸缩振动和羧基上CO的伸缩振动引起的, 而在0.2～2.2 THz波段, 由于六种物质分子中整个苯环与相对位置不同的三个支链之间存在面外相对摆动, 造成了集体振动模式的差异, 从而表现出不同的吸收特征。 通过分析发现, 六种样品在两个频率范围分别表现出的差异和相似的吸收特征, 源于其分子结构间的差异性和相似性, 而利用太赫兹波段吸收特征的差异, 可以实现对二甲基苯甲酸六种同分异构体的鉴别。 上述研究结果表明, 利用太赫兹和红外光谱技术研究同分异构体光谱特性的差异性和相似性是可行的, 也为快速鉴别二甲基苯甲酸异构体种类和检测该化工中间体的纯度提供了一条有效的途径。

二氧化钒薄膜在光的照射下, 会从绝缘体相变为金属, 伴随有电导率的剧变, 该现象称之为光致绝缘体-金属相变。 二氧化钒薄膜的这种相变对于太赫兹波段的调制器或者其他功能器件有重要应用。 利用太赫兹时域光谱技术研究了二氧化钒薄膜光致绝缘体-金属相变前后的透射光谱变化, 分析了该薄膜的这种光致相变在太赫兹波段的特性。 实验中二氧化钒薄膜相变成金属的过程分别通过连续激光照射和飞秒激光照射实现。 两种照射方式下, 均观察到了明显的太赫兹波形变化, 并且随着照射光功率的增大, 信号的幅度衰减以及时域波形畸变逐渐加剧。 进而通过对透射太赫兹时域信号的傅里叶变换光谱分析发现, 在照射光功率增加时, 不但该薄膜的透射光谱幅值在下降, 而且其谱线形状也在随之改变, 其原因为二氧化钒薄膜的色散特性在光照条件下逐渐趋向金属性所致。 为清晰的描述光致相变的色散特点, 用二氧化钒薄膜光照前后透射光谱的幅度差定义了透射率调制函数来描述上述现象。 在透射率调制函数曲线上, 能够明显的看出二氧化钒的这种光致相变在太赫兹波段具有强烈的频率相关性质, 并且随照射光功率变化呈规律性演化。 进一步对比发现, 虽然连续光和飞秒激光照射方式都能引发光致相变, 但在同样透射光谱情况下, 对应的激发光功率存在明显不同, 对这两种照射方式下的相变效率差别进行了分析和讨论。

超材料是通过人工方式做成的具有特殊电磁特性的亚波长周期性金属结构, 通过合理的设计样品结构, 可以实现自然界中传统材料无法实现的电磁现象。 超材料可以广泛用于电磁隐身、 完美吸收、 负折射率等研究领域, 近些年, 随着太赫兹技术的发展, 太赫兹超材料器件被广泛研究。 由于硅（Si）对于太赫兹波的透过率较高, 通常选取Si作为基底材料。 但Si硬度较高、 不易弯曲且易碎等缺点限制了THz超材料的应用。 聚合物材料聚酰亚胺具有柔性, 作为基底, 克服了传统硅基底的缺点, 透过率可以与Si匹敌, 而且其表面光滑, 适合传统光刻技术加工。 对聚酰亚胺在太赫兹波段光学性质的测试结果表明, 此种材料的折射率在1.9左右, 透过率达到80%以上。 设计了一种双开口谐振环结构, 研究了其太赫兹波透射性质以及随太赫兹波的入射角度和样品曲率的变化规律, 发现透射峰强度和峰位均不发生改变。 此结果展示了将平面滤波延伸到曲面滤波领域的可能性, 若将聚酰亚胺基底做薄, 为今后太赫兹频段隐身衣的研究提供基础。 将不同结构的两种样品叠加在一起制成宽谱滤波器, 50%的带宽达到181 GHz。 此种宽带滤波器制作简单, 滤波效果显著, 为太赫兹波段宽带滤波器的制作提供一种新思路。

运用THz-TDS技术和Far-FTIR技术在干燥氮气和真空环境下分别测量了阿奇霉素干混悬剂、 胶囊、 片剂、 分散片等不同物理形态的药品在0.2～5.0 THz波段的光谱。 其中, 阿奇霉素干混悬剂在0.2～15.0 THz波段内存在较为明显的吸收峰, 且对比国产和进口产品的特征峰可以发现, 国产药品在几个主峰上都表现出谱线增宽, 且有部分多余小峰出现, 可能是由于结晶度不纯和杂质引起的。 而国产阿奇霉素胶囊、 片剂、 分散片则由于填充辅料、 样品颗粒较大、 样品含量少等原因致使吸收基线随频率增高而上扬, 上述特征峰在0.2～2.7 THz波段发生不同程度的变弱和频移。 同时, 对不同浓度进口阿奇酶素干混悬剂与聚乙烯的混合物作了分析, 根据浓度与吸收强度呈现的线性正相关关系, 可以较为准确地分析出有效成分的浓度, 从而实现对阿奇霉素类混合体系药品的质量检测和评估。

蜂胶有抗菌、 抗病毒、 保肝、 抗癌等功效, 被誉为“紫色黄金”, 而当前蜂胶市场制假掺假现象愈演愈烈。 为快速鉴别蜂胶的真假与优劣, 以41种中国蜂胶、 一种美国蜂胶和两种树胶为实验材料, 利用傅里叶变换红外光谱仪采集其红外谱图, 以青海蜂胶为参照样品分析相似度, 并利用主成分分析法进行数据解读。 结果表明, 所有蜂胶在2 848.53～2 849.08和2 916.76～2 917.74 cm-1两个区域都存在特征峰, 而树胶在这两个区域内无特征峰。 树胶的特征峰区域为1 150～1 300和1 550～1 650 cm-1。 通过这些差异可以快速甄别蜂胶和树胶, 鉴别真假蜂胶。 以具有较高品质的青海蜂胶为参照物, 匹配性分析显示, 树胶与蜂胶完全不匹配, 而42种蜂胶样品均与青海蜂胶有较高的匹配度（>80%）, PCA结果显示, 蜂胶和树胶, 以及不同气候带、 不同颜色的蜂胶可以较好区分开来。 本研究首次基于红外光谱技术对不同蜂胶进行分析, 有望建立蜂胶真假及优劣鉴定的新方法。

氧化亚氮（N2O）的过量排放会对臭氧层造成破坏, 合理施肥和采取减排措施对减缓温室效应具有重要的现实意义。 本文利用FTIR光谱法研究了施肥和水分对白菜地土壤排放N2O的影响。 为了提高系统的灵敏度, 我们利用多个反射镜加长了光程。 通过比对施肥前后N2O红外光谱和NIST谱库N2O红外光谱, 最终选取2 160～2 225 cm-1作为定量计算N2O的特征波段。 研究发现, 施肥和水分能促进白菜地土壤N2O气体排放, 这为农田N2O的减排和减缓温室效应提供了理论依据。 最后, 还研究了施肥后土壤N2O的昼夜排放规律, 结果表明, N2O白天的排放量高于晚上, 通过和前人研究结果对比, 验证了此方法的可行性。 本文研究证实, 基于长光程的FTIR光谱法是一种测量土壤排放N2O气体规律的快速有效方法, 它可以对施肥后的白菜地土壤N2O气体排放进行测量, 相对其他传统测量方法具有高速、 简便等优势。

为解决高速飞行器红外辐射特性研究中高温气体辐射参数计算问题, 在转动平滑谱带（smeared rotational band, SRB）模型的假设下, 首次提出基于贝叶斯估计的跳转马尔科夫链蒙特卡罗（reversible jump Markov chain monte carlo, RJMCMC）方法来计算高温流场中气体组分红外光谱物性参数。 仿真计算和实验测量表明, 仅需很少的先验知识, 且不需要相关跃迁系数, 该方法可以很好的估计主要振动跃迁带的位置, 所提取的SRB模型参数的变化规律与SRB理论模型结果一致, 利用拟合参数计算得到不同温度下谱带积分发射和吸收系数与逐线计算的结果非常近似。

傅里叶变换近红外光谱（Fourier transform near infrared spectroscopy, FT-NIR)可以反映微生物细胞的分子振动信息, 特异性鉴别不同类别的微生物。 为了建立准确、 有效的脂环酸芽孢杆菌种间分类鉴定的方法, 文章基于FT-NIR技术进行了如下探究: （1）收集了7株不同种的标准菌近红外漫反射光谱数据并进行预处理, 运用化学计量学中的主成分分析（principal component analysis, PCA）和线性判别分析（linear discriminant analysis, LDA）对其种间水平区分与判别的可行性进行探索。 结果表明: PCA模型能对7株标准菌进行正确区分, LDA模型Ⅰ判别准确率为100%, 初步证明该方法可以对脂环酸芽孢杆菌种间水平进行分类鉴定。 （2）为了提高模型的稳健性和实用性, 在上述标准菌建模的样品中加入分离菌, 用41株菌的光谱信息依照上述方法进行数据分析后建立LDA种间判别模型Ⅱ。 结果表明: 选取其中15个样本进行评估, 模型Ⅱ准确率为86.67%, 菌种信息更全面、 可信性更高。 因此, FT-NIR技术结合化学计量学方法可以准确、 有效地进行脂环酸芽孢杆菌的种间分类鉴定。

提出了一种可克服背景光对田间光谱测量影响的方法。 采集田间水果光谱时, 环境背景光的干扰强, 难以获取样品有效光谱信息。 在田间采用套袋方式遮挡现场光线能得到较理想的结果, 但检测效率低, 仪器暗场校正和参考光谱校正等方法有利于减小模型误差, 但不能有效消除环境光照的干扰。 通过在测量探头前加装快门, 打开快门时测得样品在仪器光源和背景光共同作用下的现场光谱, 关闭快门时测得样品仅在现场环境光线作用下的背景光谱, 将背景光谱从现场光谱中扣除进行背景光校正。 利用偏最二乘法建立田间(背景光校正前、 后)以及室内样品光谱建立黄花梨糖度预测模型, 预测值与真实值的相关系数分别为0.1, 0.69, 0.92, 均方根误差分别为0.89°Brix, 0.42°Brix, 0.27°Brix, 预测集的RPD分别为0.79, 1.69, 2.58, 结果表明实验所采用的背景光校正方法可有效减小田间环境光照对黄花梨可见/近红外光谱采集的影响, 可用于田间水果的近红外光谱采集, 有利于充分发挥可见/近红外光谱技术在果实采收前的田间管理、 采收成熟度检测等方面的潜力。

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是一种基于探测吸附于金属基底表面分子振动光谱的快速无损检测方法, 目前广泛应用于表面吸附、 电化学催化、 传感器、 生物医学检测和痕量的检测与分析等领域。 本实验采用直流磁控溅射技术在BK7玻璃基底上沉积一层厚度为50 nm的金属铜薄膜, 在Ar离子轰击作用下获得不同表面粗糙度的金属铜薄膜样品, 从而制备具有不同表面增强拉曼光谱活性的金属基底。 实验样品分别通过X射线衍射仪（XRD）、 原子力显微镜（AFM）、 分光光度计、 拉曼光谱仪表征其结构、 表面形貌及光学性质。 测试结果表明铜膜在Ar离子束轰击前后, 样品X射线衍射谱的峰值强度没有发生变化, 说明其晶相结构未发生改变;随着离子束能量的增加, 薄膜表面粗糙度改变, 光学散射强度随着表面粗糙度的增加而增强;离子束薄膜表面改性后, 以罗丹明B(Rh B)为探针分子, 表征薄膜样品表面增强拉曼的活性, 通过对比不同样品表面Rh B的拉曼光谱, 发现其光谱强度随金属铜薄膜样品表面粗糙度的增加而增强。

选用CVD制备的石墨烯作为拉曼增强的基底, 以激光器波长λ=532 nm的显微拉曼光谱仪对偶极分子DREP分子的石墨烯拉曼增强效应进行了探究。 通过对石墨烯上与SiO2片上DREP分子的拉曼强度的对照, 发现单纯DREP/SiO2分子浓度很低时, 拉曼峰基本不存在, 直到达到一定浓度1×10－5mol·L-1时, 其拉曼峰才出现;随着浓度的增加, DREP分子的拉曼信号和荧光信号都增加;而DREP/Graphene/SiO2在1×10－7mol·L-1时即出现了拉曼信号, 随着浓度的增加, 拉曼信号增加很快而荧光信号增加并不明显。 结果表明石墨烯可实现DREP分子的拉曼增强, 并能猝灭荧光背底, 提高拉曼信号与荧光信号之比。 对比了不同偶极矩的DREP和DR1P分子, 表明偶极矩越大, 其增强因子越大, 增强程度越强。 分析了DREP分子在石墨烯上的拉曼增强的机制。 DREP分子是尾端接芘的经过改性的偶氮苯分子, 其尾端的芘与石墨烯于界面处通过π—π相互作用进行电子转移, 改变石墨烯的能级结构使得其发生P型掺杂, 发生拉曼增强的机制是化学机制。 DREP分子的石墨烯拉曼增强效应有助于我们研究石墨烯以及石墨烯表面拉曼增强机制, 比如石墨烯的载流子转移, 化学增强机制的原理, 以及如何从电磁机制效应分离出化学机制。

碱性橙Ⅱ是一种非食用物质, 可能被非法用于食品染色。 本文以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为表面活性剂, 采用化学合成法制备了均匀的纳米金表面增强拉曼散射活性基底, 建立了灵敏快速检测碱性橙Ⅱ的拉曼光谱检测方法。 运用多元变量分析方法验证各浓度之间存在显著性差异, 选取碱性橙Ⅱ在1 594 cm-1处的拉曼特征峰, 单变量分析表明拉曼散射强度与碱性橙Ⅱ浓度的对数呈线性相关, 线性范围0.001 mmol·L-1 ～ 0.5 mmol·L-1, 相关系数r=0.990 2。 将本法应用于腐竹中碱性橙Ⅱ的测定, 在添加浓度为50和500 μg·g-1时, 添加回收率为82.4%～116.9 %, 相对标准偏差为3.8%～4.0%。 与常规化学分析技术相比, 本法具有无损、 快速、 环保、 消耗化学试剂少、 所需样品量少等特点, 适于对大规模样品进行筛查。

小牛血清去蛋白药物能够促进缺氧细胞对氧与葡萄糖的摄取和利用, 改善外周及脑部的血液循环障碍和营养失调, 促进烧伤创伤愈合, 调节中枢神经系统等诸多药理药效。 单磷酸腺苷（AMP）为该药物的活性成份之一, 构建了以β-环糊精（β-CD）修饰的硫化锌量子点为能量供体, 3-羟基黄酮为能量受体的能量共振转移荧光探针。 研究发现AMP能够引起该探针在526 nm处的荧光发射峰强度的猝灭, 并且AMP的浓度与探针的荧光强度的Stern-Volmer曲线呈现良好的线性关系, 线性相关系数为0.996, 该探针能够应用于药品中AMP的检测。

分别将量子点和超顺纳米磁珠作为荧光探针和磁信号探针应用于免疫反应中, 构建了检测莱克多巴胺的荧光免疫和磁免疫层析的分析方法, 并成功应用于尿液中莱克多巴胺的检测。 两种方法均基于免疫竞争模式, 在荧光免疫分析方法中, 量子点偶联上识别莱克多巴胺的抗体, 样品中莱克多巴胺和包被在ELISA板上莱克多巴胺的完全抗原竞争结合量子点, 样品中莱克多巴胺的浓度越高, ELISA板上吸附的量子点越少, 所测荧光强度值越低, 该方法的检出限为1 ng·mL-1, 检测时间为4 h。 在磁免疫层析方法中, 检测线上特异性捕获的纳米磁珠颜色的深浅和尿液中莱克多巴胺浓度成反比例关系, 即莱克多巴胺的浓度越高, 检测线的颜色越浅, 该方法的定性检出限为10 ng·mL-1, 检测时间为15 min。 两种方法各有优缺点, 基于量子点的荧光免疫分析法在痕量检测和定量分析方面具有优势, 而磁免疫层析法更适合于现场快速检测。

基于量子点和超顺磁纳米颗粒分别构建了沙门氏菌的荧光免疫和磁驰豫时间（magnetic resonance switch, MRS）免疫传感的分析方法, 并应用于水样中沙门氏菌的检测。 在荧光免疫分析方法中, 利用偶联有沙门氏菌捕获抗体的磁探针对样品中沙门氏菌进行富集, 然后加入偶联有沙门氏菌检测抗体的量子点荧光探针, 基于双抗夹心的模式对水样中沙门氏菌的含量进行了测定。 量子点的荧光强度和样品中沙门氏菌的浓度呈正相关, 检出限是102 cfu·mL-1, 检测时间为2 h。 在MRS免疫反应过程中, 偶联有沙门氏菌捕获抗体的超顺纳米磁珠会特异性地结合沙门氏菌, 导致超顺纳米磁珠由原来的分散状态转变为聚集状态, 从而引起其相邻水分子的质子横向弛豫时间（spin-spin relaxation time, T2）的改变, 通过测定T2的改变量ΔT2实现水样中沙门氏菌的检测。 结果表明MRS传感器检测沙门氏菌的检测限是103 cfu·mL-1, 检测时间是0.5 h。 比较了这两种方法在检测沙门氏菌方面的优劣及应用潜力。

以1,3-交替二乙酯硫杂杯［4］芳烃和7-羟基香豆素为原料, 分步取代杯芳烃下沿, 合成得到1,3-交替香豆素-硫杂杯［4］芳烃荧光探针1。 在DMSO/H2O (φ, 3/7, pH 7)溶液中, 探针1发射的强荧光被Fe3+选择性猝灭;Fe3+使探针1的紫外吸收显著增强。 相同条件下其他常见金属离子的加入对探针1的荧光及吸收光谱无影响, 探针在水溶液介质中仅对Fe3+高选择性识别, 荧光和吸收光谱法的检测限均达10－8 mol·L-1。 光谱滴定、 等温滴定量热及质谱法均测出探针1与Fe3+形成1∶1配合物, 作用常数达105 L·mol-1。 从摩尔结合自由能和结合熵分别表明配合作用为自发过程。 同时, 在DMSO/H2O (φ, 1/9, Tris-HCl, pH 7, 0.1 mol·L-1 NaCl）介质中, 探针1能选择性猝灭识别牛血红蛋白（BHb）, 线性范围在0.2～3.0 μg·mL-1, 检测限达0.12 μg·mL-1。 为一种选择性识别Fe3+和BHb的杯芳烃荧光探针。

秸秆还田是秸秆资源化和减量化的主要途径之一, 是国家“十二五”期间的重要政策导向。 还田秸秆能够发生天然腐殖化, 逐步完成溶解性有机质(DOM)的生成和转化过程。 现阶段, 针对黄土地区环境因子对秸秆腐殖化调控作用的研究较少, 从荧光光谱角度分析腐殖化组分与金属离子的结合特性也有待完善。 以荧光光谱法为切入点, 探讨温度和铅离子对秸秆腐殖化DOM三维荧光光谱峰位和峰强的影响, 借助修正型Stern-Volmer方程推算Pb(Ⅱ)-DOM的配位参数, 辅以Van’t Hoff方程揭示结合过程的热力学特性。 结果表明: 腐殖化温度没有引起DOM荧光峰位的明显偏移, 三维荧光光谱中没有发现新荧光峰的出现或已有荧光峰的消失, 荧光峰强随温度的升高而降低。 铅离子浓度的增加导致DOM主要荧光峰强下降, 这是铅离子对DOM组分的荧光猝灭作用。 经修正型Stern-Volmer方程计算可知: 铅离子对可见光区类富里酸组分的配位能力最强, 较大的配位荧光基团比例f值暗示DOM中较多的活性基团与铅离子发生配位作用, 猝灭机理以静态猝灭为主。 配位过程自发、 吸热, 反应体系分子组成的复杂性和无序度较低。 三维荧光光谱能够有效揭示温度和铅离子对秸秆腐殖化DOM性质的影响。

由于沙地通常处在半干旱地区, 在风蚀作用下表面结构特征会有所改变, 同时, 沙地表面粗糙度与组成成分的时间与空间变化也是研究风蚀模型所必须的输入信息。 作为一种非接触的探测手段, 遥感技术有助于实现对沙地表面粗糙程度在时空尺度上的研究。 为了利用反射特性描述沙地表面结构特征, 以人为模拟的粗糙沙地表面为研究对象, 基于野外实测多角度高光谱反射信息, 分析了沙地表面粗糙度变化对反射信息分布的影响, 并且结合双向反射模型, 试图利用模型参数反演粗糙度特征。 通过研究发现, 如果按照入射方向与沙地表面沙垄方向分类来看, 与入射方向平行或者垂直均会对沙地表面反射分布特性有所改变。 当沙垄方向与入射光方向垂直时, 会使后向散射的反射峰值增加;而沙垄方向与入射光平行时, 会使后向散射峰值向主平面两侧扩张。 双向反射模型可以模拟沙地表面的反射特性, 根据模型参数的变化也可以表示出沙地表面的粗糙度变化特性。 这表明双向反射信息可以用于量化沙地表面结构特征, 而且有助于了解结构特征对沙地光学特性的影响, 也为研究颗粒介质固有光学特性以及反演沙地表面结构特征提供依据。

地表温度（Ts）是土壤湿度和植被生长状态等因素的综合反映, 利用植被指数和Ts能够监测土壤湿度的时空分布特征。 利用农田气候模型CUPID的Ts模拟结果, 发展了利用温度与叶面积指数（LAI）的新型土壤水分反演方法（advanced temperature vegetation dryness index, ATVDI）。 前人研究表明归一化植被指数（NDVI）容易达到饱和状态, 因此利用LAI代替NDVI开展土壤水分反演。 利用CUPID模型模拟结果构建LAI-Ts散点图, 分析Ts随LAI与土壤湿度的变化特征, 利用对数关系式改进了温度植被干旱指数（TVDI）中相同土壤湿度时Ts与植被指数之间的线性关系, 建立了ATVDI方法。 在实际应用中, 首先利用LAI与Ts的散点图确定对数曲线的上边界与下边界, 然后采用查找表的方法将每个像元对应的Ts变换为研究区最小叶面积指数对应的Ts。 以陕西省关中作为研究区, 利用MODIS的LAI和Ts产品（MOD11A2和MOD15A2）以及野外观测土壤湿度数据对ATVDI模型进行验证, 结果表明该方法具有较高的监测精度, R2达到0.62。 此外, ATVDI的计算结果具有一定的物理意义, 使得不同时期的监测结果具有一致性, 因而可更好地满足不同空间尺度土壤湿度的动态监测。

利用紫外吸收光谱法、 荧光光谱法、 等温量热滴定法、 氢核磁共振技术等研究了八元瓜环(Q［8］)与富电子客体吲哚乙酸(IAA)及缺电子客体甲基紫精(MV2+)在水溶液中的超分子相互作用, 探讨了主客体作用体系的作用机制, 作用位点, 作用模式及热力学等性质。 紫外吸收光谱及荧光发射光谱研究结果表明Q［8］与IAA及Q［8］与MV2+在水溶液中均形成了包结计量比为1∶1的主客体配合物, 等温量热滴定法研究结果显示Q［8］/IAA及Q［8］/MV2+体系的ΔH＜0, ΔG＜0, 表明上述超分子体系是发进行且是放热反应。 当在Q［8］/IAA二元体系中加入MV2+时, MV2+能与Q［8］/IAA体系在水溶液中形成1∶1∶1型三元主客体配合物, IAA的吲哚环及亚甲基部位受到了瓜环的屏蔽作用进入了Q［8］的空腔, MV2+吡啶环部位也进入Q［8］的空腔, 也即IAA及MV2+均相互协同进入Q［8］空腔而与Q［8］形成了主客体配合物, 原因可能是由于富电子客体IAA与缺电子客体MV2+之间的电荷相互转移诱导作用引起的。 上述研究结果为瓜环在富电子客体及缺电子客体超分子自组装方面的应用提供了一定的理论依据。

近年来可见-近红外光谱技术在农业污染监测中应用越来越广泛, 但在果树的重金属污染研究中应用较少。 本文以纽荷尔脐橙(Citrus sinensis［L.］Osbeck cv. Newhall)为研究对象, 采用盆栽方法, 通过添加镉（Cd）形成不同污染程度的土壤, 然后定期监测叶片中Cd含量及其光谱, 分别建立了基于光谱指数的线性回归预测模型, 以及基于偏最小二乘回归（PLSR）的Cd含量高光谱预测模型。 结果表明: Cd更容易向新叶迁移和聚集, 在高Cd污染的土壤中这种现象更加明显;新叶光谱在700～730 nm之间反射率升高, 发生红边蓝移现象, 老叶光谱没有显著变化;基于光谱指数建立的线性回归模型的R2达到0.8左右, 而利用PLSR方法建立的预测模型精度普遍高于线性回归模型, 其R2达到0.9左右, 并且标准归一化（SNV）的光谱预处理方法可以显著提高PLSR模型的预测精度。 研究显示, 可见-近红外光谱技术在脐橙重金属污染监测上有很好的潜力。

重金属是土壤中最具代表性的污染物之一, 重金属的赋存形态直接关系到其生理毒性和迁移行为, 是重金属污染研究的重要方向。 重金属形态与环境条件关系密切, 鉴于土壤系统的高度复杂性, 相近条件下的重金属形态转化行为也可能不尽相同。 相关研究目前尚未有统一定论, 成为有待验证的理论问题。 在实验了解秸秆腐殖化DOM性质 (紫外光谱、 三维荧光光谱和红外光谱) 的基础上, 借助Tessier连续提取-AAS法分析DOM作用下铅的形态转化规律, 据此建立溶解性有机碳 (DOC) 与有机结合态铅的线性关系, 并辅以FTIR明确DOM官能团对铅形态转化的贡献。 结果发现: DOM紫外吸收主峰位于229 nm处, 荧光组分集中于λex/em=250/350 nm, λex/em=250/450 nm和λex/em=330/450 nm区域, 归属为紫外区类富里酸和可见光区类腐殖酸荧光峰。 DOM的官能团组成比较复杂, —OH, CO, N—H等振动峰比较明显。 DOM能够影响黄土铅的赋存形态, 其存在有助于降低可交换态、 铁锰氧化态和残渣态铅含量, 但对碳酸盐结合态铅含量影响甚微。 DOC含量与有机结合态铅含量正相关(r=0.691 8), 表明DOM可以有效络合铅离子;DOM中的—OH, CO, —COOH等基团对铅离子的形态转化具有关键作用。

近年来, 重金属污染引起了人们广泛关注。 传统的重金属检测方法需要依赖大型仪器, 预处理繁琐耗时, 因此急需发展重金属的快速高灵敏检测技术。 基于金纳米颗粒(AuNPs)的比色法传感器具有分析操作简单、 灵敏度高、 成本低等特点, 在环境监测、 食品安全以及化学和生物分析领域得到了广泛关注和应用。 本文基于纳米金(AuNPs)特性与Fenton反应原理, 构建了一种用于水中Cu2+检测的简单快速、 高灵敏检测方法。 该方法利用Cu2+与抗坏血酸钠（sodium ascorbate, SA）发生Fenton反应, 生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH）, ·OH将附着在纳米金表面的单链DNA（ssDNA）裂解, 使得金纳米粒子失去保护, 容易在一定的盐浓度下发生聚集, 从而引起吸光度值的变化。 实验结果表明, 最优的反应条件为pH 7.9, 11 mg·L-1 ssDNA, 8 mmol·L-1 SA以及70 mmol·L-1 NaCl, 金纳米粒子在700和525 nm处的吸光度比值（A700/A525）与Cu2+浓度成线性关系。 该方法对Cu2+检测线性范围为0.1～10.0 μmol ·L-1, 检出限为24 nmol·L-1(3σ)。 对饮用水, 自来水及湖水的Cu2+加标回收率可以达到87%～120%, 表明该方法能够用于实际水样的Cu2+检测。

牧草生物量是天然和人工草场产出的一个重要指标, 能直接反映牧草的长势, 它的实时监测是制定合理的草地管理和放牧制度的前提。 然而, 传统的样方法费时、 费力很难满足草地生物量监测的实时性要求。 近年来, 随着高光谱遥感的发展, 为草地的快速、 无损的监测提供了可能。 通过对内蒙古天然和人工草地生物量及其冠层光谱数据分析, 探讨了不同类型光谱指数在估算牧草生物量的鲁棒性。 研究表明, 由于冠层结构和生物量的影响, 不同类型草地冠层的光谱反射存在巨大的差异, 从而使现有光谱指数对天然草地和不同品种人工草地牧草生物量的预测能力存在显著的差异(R2=0.00～0.65)。 在荒漠草原低生物量的条件下, 受土壤背景影响不同光谱指数预测能力较小, 而在青贮玉米高生物量条件下, 基于红光的光谱指数容易发生饱和失去敏感性。 把不同草地类型的数据结合后进行简单比率和归一化窄波段光谱指数的波段优化, 与出版的光谱指数相比优化后的归一化光谱指数(normalized difference spectral index, NDSI）显著提高了牧草生物量的预测能力, 预测生物量模型的决定系数最高(R2=0.72)。 敏感性分析进一步证明了基于波段优化算法的优化光谱指数NDSI, (ration spectral index, RSI）有最低的噪声, 从而能更好的预测牧草生物量。 波段优化算法可以有效提高遥感估算草地牧草生物量的精度, 光谱指数及其优化波段的选择会直接影响模型的预测能力。

以六水合硝酸镉为镉源, 硝酸锌为锌源, 通过硼氢化钠还原硒单质制得NaHSe, 并作为硒源, 通过胶体化学法制备了一系列具有不同组分的水溶性Cd1-xZnxSe三元量子点。 利用X射线粉末衍射仪（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析所制得的Cd1-xZnxSe的晶体结构和形貌, 表明所制得三元量子点为立方结构, 呈规则球状, 平均粒径约为4 nm。通过改变三元量子点的Cd和Zn元素的配比, 调节Cd1-xZnxSe的能带结构, 有效调控其光谱学性质;与ZnSe和CdSe等二元量子点相比, Cd1-xZnxSe的紫外可见光吸收光谱及荧光发射光谱都发生明显的红移。采用直接浸渍法, 制备Cd0.5Zn0.5Se三元量子点敏化TiO2纳米管（TNTs）复合材料（Cd0.5Zn0.5Se@TNTs）。TEM结果显示Cd0.5Zn0.5Se三元量子点紧密结合在纳米管表面, 红外谱图表明TiO2和Cd0.5Zn0.5Se之间形成Ti—Se键, 有利于提高复合材料的稳定性。相对于纯TNTs, 复合材料的紫外可见光吸收光谱在可见光区的吸收明显增强, 吸收带边从400 nm红移至700 nm左右;同时, 复合Cd0.5Zn0.5Se三元量子点后, 可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合, 提高复合材料在可见光区域的光催化效率。可见光照射60 min后, 催化剂Cd0.5Zn0.5Se@TNTs对罗丹明B（RhB）光降解率可达到100%, 分别约为纯TNTs和纯Cd0.5Zn0.5Se的3.3倍和2.5倍。

采用高光谱成像技术（420～1 000 nm）对山楂的缺陷（表面的损伤以及虫害区域）进行识别研究。 共采摘了134个样品, 包含损伤果46个、 虫害果30个、 损伤及虫害果10个和完好果48个。 考虑到山楂的花萼、 果梗与损伤、 虫害的RGB图像有相似的外观特征, 容易造成误判, 利用高光谱成像系统采集了损伤、 虫害、 完好、 花萼和果梗五个区域一共230个山楂样本的高光谱图像, 并提取相应的感兴趣区域（region of interest, ROI）, 得到了样本的光谱数据。 使用标准归一化（standard normalized variate, SNV）, 卷积平滑（savitzky golay, SG）, 中值滤波（median filter, MF）, 多元散射校正（multiplicative scatter correction, MSC）方法进行光谱预处理, 建立偏最小二乘（partial least squares method, PLS）判别分析模型, 结果表明经过SNV预处理后的预测结果较好。 最后选取SNV作为预处理方法。 应用回归系数法（regression coefficients, RCs）从全波段中提取10条特征波段（483, 563, 645, 671, 686, 722, 777, 819, 837和942 nm）, 利用Kennard-Stone算法将各类样本按照3:1的比例随机分成训练集（173个）和测试集（57个）, 并对其建立最小二乘支持向量机（least squares-support vector machine, LS-SVM）判别模型, 山楂缺陷的正确识别率为91.23%。 然后, 运用主成分分析（principal componentanalysis, PCA）进行10条敏感波段下单波段图像的数据压缩, 分别采用“sobel”算子和区域生长算法“Regiongrow”识别出86个缺陷山楂样本的边缘与缺陷特征区域, 得出单损伤、 单虫害和损伤及虫害样本的识别率分别为95.65%, 86.67%和100%。 研究结果表明: 采用高光谱成像技术可以对山楂的损伤、 虫害、 花萼和果梗进行定性分析和特征识别, 该研究为山楂的缺陷无损检测提供了理论参考。

稀土元素的特征谱带基本不随赋存状态的不同而变化, 不能用于矿物种类的探测, 却能够证实其自身的存在。 通过研究稀土元素及其化合物在遥感可见光-近红外波段的光谱特征, 分析了稀土元素含量与特征谱带吸收指数的定量关系。 以内蒙古白云鄂博稀土富集地区为例进行试验, 通过采集矿区典型岩矿标本的光谱、 测试分析样品中Nd含量, 表明Nd含量与各特征谱带的吸收深度、 吸收指数均存在明显的正相关线性关系, 相关性均在0.778以上。 其中, 726～772 nm谱带的吸收指数与Nd含量相关性最好, 达到0.937。 在此基础上, 结合HJ-1A-HSI高光谱遥感数据的波段设置, 构建了定量反演Nd含量的最优模型, 并以此反演了区域Nd元素遥感地球化学异常信息。 结果表明: 与1∶20万水系沉积物地球化学异常对比, 二者总体相关性良好。 为快速获取区域稀土元素地球化学异常提供了新的手段。

重金属矿山开采活动对生态环境造成了复杂的影响, 而植被的生长状况是矿山周围生态环境变化的重要指示因子。 常规的对植被中重金属元素富集程度的估计方法往往依赖于大量的野外调查数据以及实验室化学分析方法, 需要耗费大量的物力与时间。 而通过光谱分析方法能够非接触地获取植被中的重金属含量信息。 然而, 从高光谱遥感卫星数据中反演植被重金属含量信息仍然是个比较困难的工作。 从众多的卫星数据波段中找到对特定重金属元素敏感的波段是植被重金属含量提取的关键。 该工作探索了一种基于统计分析的方法从国产卫星（HJ-1）高光谱数据中实现特征波段发现与重金属含量提取, 该方法基于野外实测数据集与环境星高光谱遥感图像, 选取叶片铜离子含量作为重金属铜污染程度的指示因子, 利用44组德兴铜矿植被覆盖区的叶片铜离子含量数据与逐步多元线性回归与交叉验证方法, 实现了环境星高光谱反射光谱与叶片铜离子含量的统计建模。 将统计模型应用于德兴铜矿研究区, 生成了德兴铜矿植被覆盖区叶片铜离子含量分布图。 结果表明, 该工作建立的重金属含量估计模型具有明显的统计学意义, 叶片铜离子含量对516 nm附近的冠层反射光谱最为敏感。 矿区铜含量制图结果表明, 德兴铜矿植被覆盖区铜离子含量的分布范围介于0～130 mg·kg-1之间, 铜离子含量在德兴市东南角和铜矿周围的植被覆盖区域含量最高, 均介于80～100 mg·kg-1之间。 制图结果可以为德兴铜矿重金属铜污染的预防与治理提供基础数据支持。

提出了利用高光谱成像技术结合化学计量学方法实现在线无损预测光伏电池中乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）胶膜层压温度的方法。 四类EVA胶膜层压的温度控制在128, 132, 142和148 ℃。 采集的高光谱波段范围在904.58～1 700.01 nm之间。 每类样本建模集包含90个样本, 预测集包含10个样本。 从获得的EVA胶膜高光谱图像中选取150×150像素大小的感兴趣区域, 并以该区域内所有的像素点包含的光谱反射率平均值作为该样本的光谱特征曲线。 分别采用偏最小二乘回归法、 多分类支持向量机法和大间隔最邻近法对高光谱薄膜样本层压温度进行建模和预测。 权重回归系数图表明短波和长波近红外波段高光谱数据对层压温度预测都有贡献。 由于EVA高分子材料反射高光谱数据表现出了较强的非线性性, 偏最小二乘法预报性能受到较大影响, 为95%, 而基于核方法的预测模型在高维特征空间一定程度消除了EVA高分子材料测量光谱非线性特性的影响, 较为准确地反映原始EVA高分子材料光谱数据与层压温度之间的关系, 比较上述三种模型的预测精度可知, 大间隔最邻近模型对EVA胶膜层压温度的预测精度率最高, 达到100%。 结果表明, 应用高光谱成像技术在线无损预测EVA胶膜层压温度是可行的, 为实现光伏电池夹层中EVA高分子材料封装温度自动监测与控制创造了条件。

云开地块西南缘的庞西垌复式岩体由外而内、 由上而下依次为花岗片麻岩、 片麻状花岗岩和花岗岩, 即由高级变质岩渐变过渡至岩浆岩。 X射线荧光光谱、 等离子体质谱对三类岩石的分析结果表明, 三类岩石皆属于过铝质岩石系列, 造岩组分和微量元素具有渐变过渡的特征。 在花岗片麻岩演化为花岗岩的熔融、 分异过程中, Al2O3, CaO, MgO与TiO2等造岩组分含量逐渐增高, SiO2含量逐渐降低;稀土元素总量整体升高, 稀土元素中轻稀土含量逐渐增高, 而重稀土含量逐渐降低, 显示出轻重稀土分异增强的特征, 在多期演化过程中, 形成了具有亲缘演化基因的庞西垌花岗质岩石系列。 这表明云开地块表变质壳岩石的重熔可能是花岗质岩石的重要成因。 其演化机制可能是, 表壳岩石在发生熔融之后SiO2最先脱离母岩不断熔出, 重稀土可能随着SiO2熔体逐渐向上富集;而Al2O3, CaO, MgO, TiO2以及轻稀土相对SiO2则向下富集。

建立了硅藻土助滤剂中多个重金属元素的分析方法。 以氢氟酸、 硝酸和磷酸为混合试剂采用微波消解法对硅藻土助滤剂进行密闭消解, 应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法对消解液中的Be, Cr, Ni, As, Cd, Sb, Sn, Tl, Hg, Pb等10个元素进行测定。 研究了高硅基体存在时所产的质谱干扰, 首先通过优化仪器工作参数以及待测元素同位素的选择, 最大程度地避免了质谱分析过程中的多种干扰, 然后选择动态反应（DRC）技术消除了其它质谱干扰, 多元素（Li, Sc, Y, In, Bi）内标溶液的使用消除了基体效应, 维持了分析信号的稳定。 分析结果显示, 10个待测元素的检出限在3.29～15.68 ng·L-1之间, 相对标准偏差（RSD）≤4.62%, 加标回收率为90.71%～107.22%。 方法的灵敏度高, 准确度和精密度好, 可用于硅藻土助滤剂的质量控制和安全评价。

为探讨我国主要经济海藻中稀土元素的含量及分布特征, 应用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对我国海藻主产地采集的30份海带、 30份紫菜和15份浒苔样品的15种稀土含量进行检测研究。 检测结果表明不同海藻中稀土元素含量不同, 浒苔中15种稀土元素的总量最高, 为16 012.0 ng·g-1, 海带和紫菜中的含量相当, 分别为3 887.4和4 318.1 ng·g-1。 海带样品中15种稀土的含量在7.9～1 496.4 ng·g-1范围, 紫菜中各稀土元素的含量范围为8.2～1 836.6 ng·g-1, 浒苔中稀土元素含量最高, 在19.2～6 014.5 ng·g-1范围, 其中含量最高的三种稀土元素分别是铈Ce（6 014.5 ng·g-1）、 镧La（2 902.9 ng·g-1）和钕Nd（2 601.0 ng·g-1）。 不同海藻中不同种类稀土元素的含量分布不同, 海带中平均含量最高的是Ce（1 496.4 ng·g-1）, 其次为La（689.1 ng·g-1）, 紫菜中平均含量最高的是Y（1 836.6 ng·g-1）, 其次为Ce（682.8 ng·g-1）;浒苔中平均含量最高的是Ce（6 014.5 ng·g-1）, 其次为La（2 902.9 ng·g-1）。 三种海藻对轻稀土元素的富集能力远高于重稀土元素, 海带、 紫菜和浒苔中轻稀土元素分别占总稀土含量的90.9%, 87.3%和91.1%。 浒苔富含稀土元素为浒苔资源的有效利用开辟新的研发方向, 提供重要数据支持。

以下辽河平原11年长期定位试验为平台, 采用原状土柱淋溶实验, 通过比较不同用量有机肥处理土壤重金属积累情况及其淋溶特征, 探讨了雨养农业条件下有机培肥措施对土壤表层重金属（Cu, Zn, Cd和Cr）积累的影响, 阐述了重金属在土壤表层(0～20 cm)中的积累特征明确了重金属元素的淋溶特点和垂直迁移规律(0～60 cm)。 研究表明, 随着有机肥用量增加, 表层土壤中Cu, Zn, Cd和Cr的含量都随之升高, 积累速度为Cd＞Cu＞Zn＞Cr。 根据中国土壤环境质量标准(GB15618－1995), 即使施入50 t·ha-1有机肥料, 也未造成表层土壤Cr, Cu和Zn的污染, 其中Cr仍符合Ⅰ类土壤质量标准, 而Cu和Zn符合国家Ⅱ类土壤质量标准, 但对Cd而言, 此时表层土壤含量已接近国家Ⅲ类土壤质量标准阈值, 存在较大风险, 应引起足够重视。 土柱淋溶实验表明, 只有个别淋溶液Cu和Cd浓度属于国家Ⅲ类水质量标准（GB/T14848—93）, 其余均符合国家Ⅱ类及以上水质标准, 且所有淋溶液Cr的含量都符合国家Ⅰ类水质标准, 表明在下辽河平原, 即使有机肥使用量达到50 t·ha-1时, 仍未对地下水构成任何风险。 另外, 淋溶液中的重金属含量均随土层深度增加呈现下降趋势(Cr除外), 表现出重金属不易下移的特点, 但相对而言, Zn和Cr向深层土壤淋溶能力较强, Cu和Cd则更易积累在表层土壤。

近些年海量恒星光谱数据的获取使得恒星三个基本参数（表面有效温度Teff, 表面重力log g, 金属丰度［Fe/H］）的自动测量方法研究成为一个重要的研究课题, 相应对恒星大气物理参数测量的研究将对科学家研究宇宙演化等重大科学问题具有重要的意义。 但是目前国内外针对此问题所做的研究并不是很广泛深入, 且已有的一些方法还不能够完全准确地估计出恒星的大气物理参数。 因此本文研究了一种基于质量估计的恒星大气物理参数自动测量方法, 该方法计算量比较小, 其主要思想是首先建立一些质量分布, 将原始光谱数据经过质量估计算法映射到新的质量空间, 然后在质量空间利用支持向量机回归对恒星的三个基本物理参数进行估计。 在实验中, 从SDSS-DR8光谱数据库中选择部分实测光谱数据来进行训练和测试, 并将该方法预测出的参数结果与SSPP给出的参数值进行了对比, 取得了比较理想的结果。 实验结果表明, 该研究方法的准确率更高, 预测结果更稳定, 训练所用的时间短, 在恒星大气物理参数自动测量上是行得通的, 可以有效地测量恒星的大气物理参数。

在时间调制傅里叶变换光谱仪中, 直线运动型动镜很难精确驱动, 容易引起倾斜和剪切的问题。 旋转型动镜可以解决该类问题。 介绍了一种转镜式傅里叶变换光谱仪方案, 并对其进行了原理分析和光程差公式推导, 提出了工程设计约束条件。 该光谱仪由一个分束器, 两个固定平面镜, 两面平行固定在一个转轴上旋转的平面反射镜, 前置镜, 后置镜及探测器组成。 通过原理介绍得出, 该光谱仪结构简单, 两条分光光线经同一平面镜反射后干涉, 使仪器更容易装调;通过光程差推算得出, 该光谱仪容易实现大光程差, 光谱分辨率高;通过工程设计约束及仿真分析得出, 该光谱仪需要在高速旋转的条件下实现高分辨率采样, 容易实现精确运动控制, 稳定性好, 测量速度快。

从经典迈克尔逊干涉仪结构出发, 主要分析了四种旋转型干涉仪的结构特点, 以及干涉仪的光程差与旋转角度之间的关系。 通过设定参数, 使用干涉仪光程差表达式对这四种旋转型干涉仪的光程差作了模拟仿真。 在干涉仪光程差表达式基础上, 对这四种旋转型干涉仪的旋转速度与旋转角度之间关系也作了模拟仿真。 通过对干涉仪光程差的模拟仿真和比较, 能够直观地反映出干涉仪光程差与旋转角度之间的关系。 在要求运动速度误差控制在3%以内情况下, 讨论了四种旋转型干涉仪的旋转角度范围。 通过对干涉仪的光程差分析和仿真, 这对于研究干涉仪的结构和性能分析具有很好的借鉴意义。

为了测量半导体激光器在电流调谐下的动态波长, 提出了基于光纤延时自外差法的测量方案, 阐述了测量原理, 研究了拍频与动态波长的递推关系。 应用该实验系统测量了分布反馈式半导体激光器调谐的动态波长特性, 与由光谱仪测量的稳态波长特性比较。 结果表明, 动态波长与稳态波长随电流变化特性有着类似的非线性规律, 在20~100 mA调谐范围内二者差异小于0.002 nm。 此外, 通过气体CO2的两条吸收谱线与HITRAN谱库中标准吸收线位置比对, 辨识出半导体激光器调谐的动态波长, 该辨识出的动态波长值与由延时自外差法推算出的动态波长值比较, 二者误差为1 pm, 进而验证了该测量系统的可靠性。

针对可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）连续检测技术中, 二次谐波背景信号存在漂移的现象, 提出改变激光器中心电流实时提取背景信号, 以消除连续检测过程中背景信号的漂移对浓度反演的影响。 依据波长调制理论推导了二次谐波背景信号的理论表达式, 并分析了实际情况下影响二次谐波背景信号的因素。 给出激光器在不同工作温度时电流和输出光强度之间的关系曲线, 并分析了改变激光器中心电流实时提取背景信号的可行性。 结合背景信号搜索方法设计了基于LabVIEW的背景信号提取流程图。 设计以氨气为检测对象的TDLAS实验系统, 选取了氨气的吸收谱线以及对应的吸收中心电流。 在激光器电流全工作区间内只存在唯一吸收峰的情况下, 确定实验中各参数的数值及搜索背景的电流范围。 实验结果表明: 该方法可实时提取谐波背景信号。 结合线性最小二乘法拟合反演可有效地减小检测误差及背景信号对浓度反演精度的影响, 提高浓度的检测精度及准确性。 在连续检测实验中, 反演浓度的标准差由2.688 3降到1.856 1, 减小背景信号漂移对检测浓度准确性的影响, 提高了连续检测的准确性。

基于耦合模理论, 首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换, 划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。 分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性, 包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。 在此基础上, 研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况, 结果表明, 相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区, 包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。 最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应, 进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案, 当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内, 光栅周期靠近相位匹配转折点时, 将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径, 将进一步提高传感器的分辨本领。

针对当前痕量Hg2+检测大多是借助于大型化学分析仪器在实验室条件下完成而无法满足现场检测需求的现状, 基于量子点荧光淬灭原理设计了一种反射式痕量Hg2+检测传感器, 主要包括荧光感知和电信号处理两个模块。 荧光感知模块主要由激光光源、 光路准直及光电探测器构成, 实现了荧光信号的激发和感知。 电信号处理模块完成了对感知信号放大滤波等处理, 最终在linux系统的QT界面中显示Hg2+浓度。 该传感器系统实现了仪器的小型化与低成本。 试验表明Hg2+浓度在15.0×10-9～1.8×10-6 mol·L-1范围内, 传感器检测结果具有很好的线性关系, 回归拟合方程为V0/V=1.309 13+3.37ｃ, 其中ｃ为Hg2+浓度, 单位为μmol·L-1; V0为空白检测值, 单位为mV）, 线性度为0.989 26。 离子抗干扰实验中, Ca2+, Mn2+, Pb2+对Hg2+检测结果有微弱影响(4％～7％), 其他常见离子的影响(＜3％)可以忽略, 表明传感器具有优越的选择性。 传感器响应时间为35 s, 并具有良好的重复性和选择性, 实现了痕量Hg2+的现场快速有效检测。

天然方柱石是一种典型的硅酸盐类的发光矿石, 针对天然高发光效率方柱石的生成条件及化学成份, 采用高温固相法在1 100 ℃弱还原气氛下合成了Na4Ca4Al6Si9O24(方柱石), 并合成了一系列掺杂Ce3+, Tb3+ 的荧光粉, 对其晶体结构做了讨论。 通过分别对单掺Ce3+, Tb3+和共掺Ce3+, Tb3+样品发光性质的研究, 发现共掺杂的样品其在545 nm处由于Tb3+的5D4→7F5跃迁发光强度远远大于单掺Tb3+的样品。 最后通过掺杂不同浓度Ce3+样品发光性质的研究, 以及其荧光寿命和能量传递机理分析, 结果表明随着Ce3+掺杂浓度的变化, 样品的Tb3+的5D4→7F5跃迁（545 nm）发光强度及寿命也随着变化, 并发现Ce3+对Tb3+存在能量传递, 且当Ce3+和Tb3+的质比为0.02∶0.03时能量传递效率最高。 通过色坐标的测量, 发现随着Ce3+浓度的改变, 样品的发光可在绿色区域进行调节。 因此, 认为Na4Ca4Al6Si9O24∶Ce3+, Tb3+荧光粉有望成为新型白光LED荧光粉。

现场光谱观测是水色遥感真实性检验的基础。 传统基于航次站位观测获取的水体光谱数据少, 难以满足快速变化的近岸水体遥感产品真实性检验的需求。 为此, 国际上开始发展水体光谱连续观测系统, 但目前近岸水体光谱连续观测系统仍较少, 特别是在高浊度、 高动态的水体。 针对该问题, 在杭州湾建立了一套基于海上塔台的高浑浊水体光谱高频观测系统。 该系统每3 min获取一次水体光谱数据, 实现与过境卫星观测时间的匹配。 本文重点开发了基于海上塔台特点的水体光谱高频观测数据的处理方法, 实现了晴空、 耀斑、 阴影、 弱光照等自动判别, 并对处理结果进行了检验。 结果表明, 塔台观测获得的归一化离水辐亮度光谱与船测结果具有较高的一致性, 相关系数大于0.99, 平均相对误差为9.96%。 此外, 对塔台水体高频观测系统的长期观测能力进行了评价, 结果表明, 尽管系统运行一年之久, 系统与便携式地物光谱仪ASD同步观测获得的水体归一化离水辐亮度在谱形和数值上一致性均较好, 相关系数大于0.90, 平均相对误差为6.48%。 同时, 利用系统高频观测的水体光谱可有效监测悬浮物浓度随潮汐的快速动态变化。 杭州湾塔台水体高频观测系统为进一步开展浑浊水体水色卫星遥感产品真实性检验提供了丰富的现场光谱数据, 特别是高时间分辨率的静止轨道水色卫星遥感产品的真实性检验。

通过卫星影像利用水稻不同物候期的特征对其进行识别是目前在水稻信息提取方面比较有效的方式。 首先根据水稻区别于其他植被的显著特征, 即水稻生长前期稻田的下垫面含有大量水的特性, 将用于提取水域信息的归一化水体指数(normalized difference water index, NDWI)合理地应用在水稻前期的信息提取中, 并且利用两个物候期的NDWI做比值, 扩大了水稻与其他地物之间的差异。 再借助归一化植被指数(normalized differential vegetation index, NDVI）在不同物候期的增长变化特征可以进一步提高水稻信息提取的精度。 研究发现充分利用水稻在不同物候期的特殊性, 并结合与水稻特性相关的指数, 将NDWI和NDVI两种指数同时用于水稻提取, 确定合理、 准确、 有效的提取方法是提高水稻提取精度的主要途径。 本文以安徽省来安县的水稻为研究对象, 基于2013年7月12日和8月30日获取的两幅高分一号卫星WFV影像数据, 利用水稻分蘖期和抽穗期的NDVI和NDWI构建了水稻信息提取模式, 有效地提取出了来安县的水稻信息分布并进行制图, 最后结合在研究区野外实地考察的信息数据对提取结果进行验证和评价。 研究结果表明利用该模式能够快速、 准确地从遥感影像上获取水稻分布信息, 具有很好的普适性。

采用自然环境暴露和田间埋土试验, 利用质量变化、 红外光谱和电镜扫描技术研究自行研发的包膜肥料用改性聚乙烯醇膜材料的降解性。 自然暴露和田间埋土试验结果表明, 研发的膜材料均具有一定的降解性, 且降解率随培养时间增加呈现上升的趋势。 两种试验条件下, 降解率最高的膜材料可达到35%以上, 其中柠檬酸作为改性剂研发的膜材料降解性远远强于环氧树脂作为改性剂研发的膜材料。 柠檬酸/聚乙烯醇/硅藻土复合膜材料因硅藻土的添加使得降解性能进一步增强, 强于未改性的膜材料。 而环氧树脂/聚乙烯醇膜材料虽然有一定的降解性, 但是相较于对照差别不显著, 添加硅藻土之后也不能明显增加其降解率。 红外光谱表征结果显示, 膜降解后一些主要基团CO, CC, CH的数量较对照有所减少, 透射率增强, 这说明膜发生了一定的降解。 电镜扫描结果显示膜降解后表面变粗糙、 凹凸不平, 也说明该膜材料具有一定的降解性。 红外光谱和电镜扫描的结果与质量变化试验的结果相一致, 能够更客观地表征膜材料的降解性。 研发的聚乙烯醇改性后的膜材料既能有效控制养分释放, 又能在自然环境中自行降解, 又不对环境造成危害, 适合作包膜肥料用的膜材料。

单倍体技术已发展成为玉米遗传研究及现代玉米育种的重要技术之一, 单倍体籽粒的鉴别筛选是其中的重要环节。 目前单倍体籽粒主要是依赖于籽粒的R1-nj遗传标记通过人工肉眼观察颜色的有或无进行鉴别, 费时费工。 而且部分材料由于标记颜色很难从籽粒外部观察到, 导致人工筛选准确率较低。 基于可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法, 探索利用可见光光谱鉴别玉米单倍体籽粒的可行性。 同时, 由于每季用于诱导单倍体的育种材料不尽相同, 模型须能够鉴别未参加建模的材料的单倍体。 本研究以9个遗传背景的单倍体和杂交籽粒共284粒作为试验材料, 利用便携式紫外-可见光光纤光谱仪采集单个玉米籽粒的可见光漫透射光谱。 光谱数据经平滑、 矢量归一化预处理和主成分分析, 基于支持向量机方法建立单倍体和杂交籽粒判别模型。 每次选择1个背景的样本作为测试集, 其余背景的样本作为建模集对模型进行交叉验证。 模型交叉验证平均正确判别率达到92.06%。 其中8次测试正确判别率在85%以上。 结果表明利用可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法, 并使模型可鉴别未参与建模材料的单倍体具有可行性。 并且基于该方法有望建立玉米单倍体籽粒的自动化快速筛选系统, 提高玉米单倍体育种效率。

旨在提出一种微波酸溶/石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤和沉积物中铍的方法。 文中优化了仪器工作条件、 阐述了校准曲线的绘制情况、 讨论了土壤和沉积物的前处理过程（包括微波升温程序及消解体系的选择）以及考察了共存元素的干扰情况。 实验表明, 采用硝酸/氢氟酸/盐酸体系-微波消解进行样品前处理, 应用塞曼扣背景-石墨炉原子吸收光谱法测定土壤/沉积物中铍, 具有操作简单、 无需基体改进剂、 共存离子无干扰、 再现性和重复性好等优点。 在最优的实验条件下, 当取样量为0.200 0 g, 定容体积为25 mL, 该方法测定土壤铍的方法检出限为0.004 9 mg·kg-1, 方法测定下限为0.020 mg·kg-1。 该法用于测定土壤标样和实际样品, 不管是实验室内的方法比对, 还是实验室间的方法验证, 都获得较好的准确度和精密度。