TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、 速度快、 灵敏度高、 非接触测量等难以取代的优势, 成为燃烧过程诊断等应用的首选, 可以有效用于氧气测量。 DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、 功耗低、 寿命长、 线宽窄、 波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择, 而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。 根据TDLAS氧气测量系统工作要求, 采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、 温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析, 发现出射光谱窄线宽、 高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显, 电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、 调谐速率约0.023 nm·mA-1, 温度越高阈值电流越大、 PI曲线也并非严格线性, 温度调谐特性曲线线性较好、 波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。 可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显, 影响氧气测量精度。 温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除, 电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。 为了进一步解决电流波长调谐非线性问题, 根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合, 考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。 这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合, 方案合理、 实现简单且不影响测量过程。 实验证明, 补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm, 远小于补偿前的22 pm, 效果明显, 为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。

采用熔体法生长Ⅱ-Ⅵ族碲化物体单晶时, 不同的生长条件及热经历过程会导致生长态晶体材料中, 占主导的点缺陷类型存在较大的差异, 进而影响了晶体的物理性能及器件的使用。 低温光致发光(PL)谱作为一种无损检测方法, 可以用于研究不同条件下生长的Ⅱ-Ⅵ族碲化物体单晶中的点缺陷和杂质的能级状态。 对比富Te条件下生长的未掺杂ZnTe和CdTe晶体在8.6 K下的PL谱可以发现, 电阻率较低的p型ZnTe晶体, 其PL谱中, 电子到中性受主复合发光峰(e, A0)强度高于施主-受主对复合发光峰(DAP), 而高电阻率阻n型CdTe晶体则刚好相反, 这可能是由于生长速率及降温过程的热经历不同导致占主导的本征点缺陷类型不同造成的。 按化学计量比生长的未掺杂CdZnTe晶体, 其PL谱中自由激子发光峰(D0, X)占主导, 而(e, A0)峰强度高于DAP峰, 变温PL谱测试表明当温度高于15 K时, (e, A0)峰与DAP峰逐渐叠加在一起。 In掺杂导致在富Te条件下生长的CdZnTe晶体的PL谱中产生明显的A中心复合发光峰, 与导带的能量差约为0.15 eV, 主要与In补偿Cd空位形成的复合体［In+CdV2-Cd］-有关, 且其强度与In掺杂元素的含量成正比。

提出了一种三维矩阵的奇异值分解算法, 该法适合处理具有三维矩阵数据的模式识别和分类模型等领域实际问题, 该算法与二维矩阵奇异值分解算法类似, 通过求解约束条件极值问题获得, 该算法与已有的三线性分解算法比较, 相对简单, 计算速度快, 适合处理数据量大的实际问题, 该算法也很容易推广到更高维阵列的光谱数据。

在空气与氩气组成的混合气体放电中, 首次研究了由中心点和外层晕组成的单丝。 从照片中观察单丝结构, 发现混合气体中氩气所占的比例越重, 单丝的直径随之越小, 同时中心点和外层晕的亮度有明显的差异, 说明中心点和外层晕可能处于不同的等离子体状态。 实验对单丝结构进行了光学时空分辨测量, 研究了中心点和外层晕两层结构的微观特性。 利用发射光谱法, 详细地研究了该单丝结构的中心点和外层晕的等离子体参数随氩气含量的变化关系。 实验根据氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线计算了中心点和外层晕的分子振动温度; 通过氮分子离子N+2(391.4 nm) 第一负带系谱线与氮分子N2(394.1nm)谱线强度比, 反映中心点和外层晕的电子平均能量随氩气含量的变化关系; 利用氩原子763.2 nm(2P6→1S5)和772.077 nm(2P2→1S3)两条谱线的相对强度比法, 估算了中心点和外层晕的电子激发温度。 结果表明: 中心点的光信号对应着第一个电流脉冲, 且其光信号较弱; 而外层晕的光信号同时对应着第一个和第二个电流脉冲, 且其光信号较强。 在相同的氩气含量条件下, 外层晕比中心点的分子振动温度、 电子平均能量以及电子激发温度均要高。 随着氩气含量从30%逐渐增大到50%, 中心点和外层晕的分子振动温度是逐渐减小的, 而电子平均能量和电子激发温度均是逐渐增大的。

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR), 测量了L-抗坏血酸与硫胺素在0.10~3.50 THz的光谱特性。 给出了两种维生素的分子模型, 详细分析比较了抗坏血酸与硫胺素在两种方法测量下吸收光谱的异同。 结果表明: 利用太赫兹时域光谱和傅里叶红外光谱测得的特征吸收谱在0.70~3.00 THz完全吻合, 而在较低频段0.30~0.50 THz, 两种样品的傅里叶红外光谱展现了太赫兹时域光谱所没有的特征峰, 同时硫胺素样品在8.00~12.00 THz范围内, 8.75, 8.85, 9.00, 9.30和10.30 THz出现指纹峰; 研究了样品掺杂不同比例聚乙烯粉末时THz吸收光谱的差异, 抗坏血酸对太赫兹吸收较弱, 总结了两种维生素的折射率曲线与其吸收峰的对应关系; 结果对抗坏血酸和硫胺素的分析识别以及维生素太赫兹光谱数据库的建立具有重要参考意义。

观察傅里叶变换红外光谱技术无创、 原位、 快速诊断胃癌淋巴结转移的可行性。 联合使用衰减全反射探头及傅里叶变换红外光谱仪测量新鲜离体胃周淋巴结红外光谱, 发现每条光谱在吸收波长3 000～1 000 cm-1之间循序出现13条谱带, 依据病理检测结果将淋巴结分为转移组及非转移组, 比较两组淋巴结红外光谱的峰位和相对峰强等指标结果, 最后进行标准统计学分析。 36例胃癌患者, 共检测淋巴结720枚, 其中转移性淋巴结180枚, 未转移540枚; 与非转移淋巴结相比, 转移淋巴结红外光谱有如下特征: (1)与核酸相关的峰强比I1 240/I1 460(p=0.015)和I1 080/I1 460(p=0.034)显著升高, 提示转移淋巴结细胞的核酸含量增多; (2)与蛋白相关的I1 640/I1 460(p=0.001)和I1 546/I1 460(p=0.027)峰强比值升高, 表明转移淋巴结组织的蛋白质含量明显升高; (3)与脂类相关的I2 855/I1 460和 I1 740/I1 460显著降低(p＜0.001), 提示癌组织脂类含量相对减少; (4)I1 160/I1 460(p=0.023)显著降低, 表明恶性细胞糖类物质的减少。 研究结果显示, 傅里叶变换红外光谱分析技术有望成为术中原位、 在体和快速诊断胃癌淋巴结转移的新方法。

傅里叶变换红外光谱分析物质分子结构具有独特的优势。 为认识成煤有机质在微生物降解和热解阶段的生烃演化特征及物质结构变化特征, 采用密封体系生烃热解和厌氧微生物降解岩样生烃物理模拟实验及傅里叶变换红外光谱分析等技术手段, 研究了成煤母质(木本泥炭)的生烃演化特征(包括热解作用生成热成因气和微生物降解作用生成生物成因气的生烃潜力)及发生微生物降解和热解作用前后样品的分子结构变化特征及其机理。 结果表明随模拟温度的升高, 热解气烃类气体(主要为CH4)累计产率逐渐增加, 非烃类气体(如CO2)分别在250和375 ℃出现两个产气高峰; 随煤岩镜质组反射率的升高, 微生物对其降解能力逐渐减弱; 镜质组反射率介于1.6%～1.8%的泥炭热解样没有气体产出; 泥炭经热解作用后, 羟基含量随热解温度的升高先减少后增多, 醛羰基、 亚甲基和磷酸根的含量降低, 芳香酸酯呈不单一减少趋势, 伸缩振动S-O键在350 ℃之后的样品中出现且含量逐渐增加, 说明其对微生物降解具抑制作用; 泥炭经微生物降解作用后, 酚、 醇羟基、 醛羰基、 芳香酸酯、 亚甲基和磷酸根的相对含量都大幅下降, 且这些基团的分子间作用力相对减弱。

棉花是一种重要的油料作物。 建立快速、 无损检测棉花种子含油量的方法, 对于棉花油分育种工作中的材料鉴定、 筛选具有重要意义。 利用近红外光谱仪采集118份不同油分含量棉花种籽的近红外漫反射光谱, 结合化学方法测定验证, 建立了棉籽油分含量快速无损检测的近红外模型。 光谱预处理方法采用一阶导数＋多元散射校正(MSC), 光谱范围5 446～8 848 cm-1, 主成分维数为5, 以基本覆盖陆地棉棉籽含油量范围的106份试验材料为校正样品集, 利用偏最小二乘法(PLS)建立了棉籽仁油分含量近红外反射光谱(NIR)校正模型。 校正模型决定系数R2=0.975, 校正标准差SEC=0.67。 用外部验证样品集进行外部验证, 对所建模型的实际预测能力进行检验。 结果表明, 油分含量预测值与化学值相关系数r=0.978, 预测结果误差范围0.1%～1.7%, 建立的模型具有很好的预测性。 利用建立的模型对784份育种材料进行了油分含量预测, 结果显示, 该模型应用可以加快棉花育种材料的油分鉴定。

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对天然石灰石、 模拟白灰面以及采自陶寺遗址和殷墟遗址的白灰面进行了分析检测, 以探明陶寺和殷墟遗址白灰面所用原料。 结果显示, 人工烧制石灰碳化后所形成的方解石, 其ν2/ν4比值高达6.31, 明显高于天然石灰石中的方解石, 从而表明人工烧制石灰碳化所形成的方解石较之天然石灰石中的方解石具有较高的晶体无序度; 随着研磨程度的增加, 天然石灰石中的方解石和人工烧制石灰碳化形成的方解石, 其ν2和ν4值逐渐减小, 人工烧制石灰碳化形成方解石的ν2-ν4特征趋势线斜率较高, 从而为考古出土人工烧制石灰的判定提供了一种简便、 有效的方法。 根据此判别方法, 陶寺和殷墟遗址的白灰面很可能是采用人工烧制石灰所制备的, 表明中国古代先民在距今4300多年的新石器时代晚期已掌握了石灰烧制技术。

利用傅里叶红外光谱法和计算机辅助分析法研究壁材乳清蛋白和阿拉伯胶在油脂微胶囊形成过程中的相互作用。 结果表明, 经高压均质和喷雾干燥后, 乳清蛋白的酰胺A带向高波数方向移动, 这可能是由于乳清蛋白和阿拉伯胶发生了共价交联, 而酰胺Ⅰ带向高波数移动了6.1 cm-1则是由于蛋白质分子内的氢键作用力减弱所致。 对酰胺Ⅰ带图谱进行高斯拟合后发现, 乳清蛋白质二级结构中α-螺旋的含量由19.55%下降至17.50%, β-折叠的含量由30.59%下降至25.63%, 共减少了7个百分点。 这表明蛋白质分子内的氢键作用力减弱, 致使蛋白质分子的刚性结构减弱, 韧性结构增强, 使蛋白质分子表现出一定的柔性。 SDS-PAGE电泳研究结果表明, 乳清蛋白-阿拉伯胶复合物中产生分子量较大的共价产物。 喷雾干燥过程中乳清蛋白与阿拉伯胶发生了共价交联, 使得复合物的乳化活性得到提高。 用环境扫描电镜观测不同壁材制备的油脂微胶囊的表面结构, 发现乳清蛋白-阿拉伯胶复合物为壁材制备的油脂微胶囊具有良好的韧性, 微孔少, 结构致密。

利用600～1 100 nm波段研究花生品种的可见-近红外反射光谱, 对选取的三种具有代表性的花生种子进行实验。 使用近红外光纤光谱仪采集光谱数据, 对原始光谱进行小波分析以提取光谱特征, 再用主成分分析方法进行聚类分析, 最后把每一个样品的前4个主成分得分作为识别模型的输入, 品种类别作为模型的输出, 以马氏距离作为判别函数, 建立了线性判别分析模型。 对于每个品种的50个样品, 随机挑选30个样本作为训练集, 剩余的20个样本作为预测集。 该识别模型对3个花生品种的平均正确识别率为95%。 表明该方法能有效的识别花生种子, 得到较好的分类效果, 为花生种子品质的区分和鉴别提供了一种新方法。

精TiCl4是海绵钛生产的关键环节, 且海绵钛中杂质碳和氧(C, O)与精TiCl4中杂质C和O含量成4倍富集关系, 因此, 钛材质量控制的关键是控制精TiCl4中杂质C和O的含量。 为了控制精TiCl4中的C和O, 需要分析C和O杂质的来源, 对精TiCl4中杂质进行严格控制。 测定精TiCl4中CO2的含量, 对精TiCl4中杂质C和O的分析具有重要意义。 CO2具有红外吸收谱线, 因而能够利用红外光谱实现测定, 然而精TiCl4与空气中水气接触极易发生水解反应, 生成强腐蚀性的盐酸烟雾, 不能使用常规的红外吸收池进行测定。 根据Lambert-Beer定律, 被测组分浓度(ｃx)与吸光度(A)～样品光程(L)曲线的斜率成正比, 本研究利用波数范围7 800～440 cm-1的硒化锌窗片(10 mm×1 mm)和玻璃池体(42, 22, 12, 7和4 mm光程)组装成一套红外吸收池, 采用加标法测定精TiCl4中CO2杂质含量。 实验得出CO2的检出限为0.92 mg·kg-1, 样品回归方程Y=0.031 1X, 相关系数ｒ为0.997 2, 加标CO2样品的回归方程Y=0.131 7X, 相关系数ｒ为0.998 6, 线性关系较好, 测定精TiCl4中CO2含量为1.53 mg·kg-1, 标准偏差(SD)为0.04 mg·kg-1, 方法相对标准偏差(RSD)在0.53%～1.27%之间, 加标回收率在89.2%～96.8%。 此红外吸收池安全简便、 容易拆洗、 可重复使用, 通过一次加标样品定量分析精TiCl4中CO2含量, 可满足精TiCl4中CO2分析的要求。

选择印尼苏拉威西岛Kolonodale和中国云南元江两处红土型镍矿床中的硅酸盐型镍矿石作为研究对象, 利用X射线衍射和傅里叶红外吸收光谱分析技术, 系统对比研究了不同产地红土型镍矿石的矿物学属性。 研究结果表明, 不同类型的硅酸盐型红土镍矿石各自显示出独特的红外光谱特征, 这有助于指导对该类型矿石进行分类。 其中, 印尼Kolonodale矿床的硅酸盐型红土镍矿石可细分为蛇纹石类、 蒙脱石+蛇纹石类和硅镁镍矿类等三种不同类型, 中国元江矿床的硅酸盐型红土镍矿石可细分为蛇纹石类和滑石+蛇纹石类等两种类型, 且元江镍矿石中矿物结晶度普遍优于印尼镍矿石。 利用红外吸收光谱在区分矿物多型方面的优势, 明确了利蛇纹石是两个矿床中蛇纹石类红土镍矿石的主要矿物类型, 而未发现纤蛇纹石和叶蛇纹石存在的明显证据。 红外吸收光谱特征还指示, 矿石中蛇纹石类载镍矿物在OH摆动带的频率发生变化能指示Ni(Fe)对Mg的类质同象置换。 随着Ni(Fe)对Mg置换比例的增大, 蛇纹石矿物中的OH摆动带向高频移动。

费米共振是分子内和分子间发生的基团间的振动耦合和能量转移现象。 有关外场中费米共振的认识、 拉曼光谱的研究方法及应用均待开发和推广。 本文系统阐述了利用高压DAC技术、 变温技术特别是课题组独创的变换溶剂浓度、 LCOF等方法获得的有关费米共振的研究成果, 即分子场、 压力场、 温度场等外场对分子内和分子间费米共振的影响: (1)分子场中 a. 由C5H5N在CH3OH和H2O中拉曼光谱变化研究表明溶剂效应对费米共振有明显影响; b. 通过改变溶液浓度发现了其他方法未能发现的费米共振双线对非对称移动及双线对中倍频的基频亦受费米共振调谐的现象; c. 溶液中的氢键、 反氢键使分子基团重组而对费米共振产生显著影响; d. C7H8和m-C8H10分子间发生会费米共振, 且费米共振特性随溶液浓度明显改变; (2)压力场中 a. 随压强增加谱线蓝移, 且频差Δ随压强改变而引起W改变; b. 随压强增加CCl4在C6H6中的ν1+ν4～ν3的W减小速度比纯液体中快, 费米共振消失提前。 这表明, 压强引起的费米共振现象可揭示溶剂效应机理; (3)温度场中 温度会影响分子费米共振特性, 且对不同分子影响亦不同, 温度对CO2的费米共振影响较大, 而对CS2几乎无影响。 本文对分子谱线的认证与归属、 分子构象的确定及异构体的鉴别、 氢键对分子结构与性质的影响等方面的研究提供了系统的理论与实验依据。

荧光干扰是拉曼光谱检测过程中常见的干扰因素之一, 而移频激发法是一种有效的克服荧光干扰的检测手段。 移频激发法利用两个波长相近的激光分别激发被测物质, 并将获得的拉曼光谱进行差谱。 由于两次激发的荧光背景相同, 而拉曼特征峰会产生平移, 因此可有效地消除荧光背景的干扰, 进而利用一定的算法还原拉曼特征峰。 移频激发法的关键在于两个激发光波长的稳定性, 不稳定的波长差将严重影响对拉曼特征峰的还原效果。 本文研制了一种拉曼光谱测试系统, 该系统的双波长LD模块能够产生两个波长稳定的激发光(分别为784.7和785.8 nm), 满足移频激发法的测试要求。 影响激发光波长稳定性的因素主要是光功率和温度, 本系统中对这两个因素均进行了实时的监控, 以保证激发光波长的稳定。 系统的硬件部分主要包括ARM主控板、 双波长LD模块及其驱动电路、 温度控制板、 数字光开关、 光谱检测光路和光纤探头(两个高功率的蝶形封装激光器); 软件部分可自动获取被测物质的拉曼光谱图, 并对其进行后续的处理。 在稳定性测试实验中, 对系统驱动电源电流和激光器温度的稳定性均进行了测试。 测试结果显示, 电流波动范围小于0.01 mA、 温度变化范围小于0.004 ℃, 能够有效地保证激发光波长的稳定性。 最后, 对某品牌花生油进行了拉曼光谱检测, 并对检测结果进行了处理, 获得了良好的效果。

对海水中溶存气体(甲烷、 二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节, 由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势, 被视为发展海洋溶存气体探测技术的首选, 而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键。 针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一问题, 设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统, 开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究。 研究发现, 信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小, 所收集的信号越强、 信噪比越大, 当夹角为30度时, 信噪比是垂直方向的16倍; 近共心腔直线型多次反射模式, 与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍。 采用最优化实验条件, 该系统与常规拉曼系统相比, 信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。 根据该系统对空气中CO2的相应强度(空气中CO2的浓度为0.648 mg·L-1), 以三倍于噪声强度计算检测限, 估算出该系统对CO2的探测灵敏度约为0.19 mg·L-1, 依据CO2与CH4拉曼散射截面比为1/6, 估算该系统对甲烷的检测限约为11.5 μg·L-1。

海洋沉积物孔隙水是研究海洋环境、 地质与生物地球化学等问题的重要信息载体。 高度还原的缺氧孔隙水普遍含有大量的溶解态硫化物(H2S和HS-)。 这些硫化物既是孔隙水调查的重要研究对象也关系到另一重要地化参数-pH值。 成分逸散、 化学平衡破坏使传统非原位分析方法测定的海洋沉积物孔隙水硫化物浓度和pH值具有不确定性, 难以反映原位地化信息。 深海原位激光拉曼技术为解决这一问题提供了新的手段。 孔隙水硫化物在拉曼光谱曲线上表现为位于2 550~2 620 cm-1的明显拉曼重叠峰, 包括H2S的H-S伸缩峰(2 592 cm-1)和HS-的H-S伸缩峰(2 572 cm-1)。 本研究在实验室条件下(25 ℃, 0.1 MPa)对基于内标定法的H2S与HS-拉曼光谱定量分析进行了可行性研究, 证实该技术可行且精度良好。 H2S与HS-作为一组共轭酸碱对, 其浓度比与pH值呈函数关系。 通过配制不同pH值的含硫化物溶液并进行拉曼光谱分析, 发现这一关系在拉曼光谱上表现为特征拉曼重叠峰形态和H2S, HS-分峰强度的规律性变化, 即硫化物拉曼光谱参数与溶液pH值之间存在一定的耦合关系。 基于谱峰分解和相关分析, 提出了一种全新的含硫化物孔隙水pH原位测定方法。 可测定硫化物拉曼重叠峰可分辨情况下的孔隙水pH, 在本研究中为6.11~8.32, 涵盖了已知的绝大多数孔隙水pH值范围。 该研究为获取海洋沉积物孔隙水的高保真数据提供了新的技术参考。

碱水解法以其方便高效成为稻秸发酵制沼气中广泛采用的化学预处理方法, 但是碱水解对于稻秸细胞壁中高聚物成分及其空间致密交联结构的作用机理有待深入研究。 采用共聚焦显微拉曼光谱和透射电镜研究了NaOH碱处理对稻秸厌氧发酵产沼气的影响。 首先对未处理稻秸和碱处理稻秸进行微米级空间分辨率的拉曼光谱面扫描, 然后对这两类样本进行主成分分析, 发现累计贡献率达99%的前两个主成分空间中两类样本分别呈射线状分布, 两类样本分界线清楚表明碱处理导致稻叶组织的拉曼光谱响应特性发生了明显变化; 进一步分析前两个主成分的载荷图, 发现拉曼峰1 739, 1 508和1 094 cm-1是影响主成分的重要谱带, 而这三个拉曼峰分别归属于半纤维素、 木质素和纤维素的拉曼散射效应; 结合半纤维素、 木质素和纤维素的拉曼特征峰和显微图像信息实现了组织细胞中三种成分的化学成像分析, 发现碱处理破坏了稻叶组织中上述三种成分的致密空间结构, 并使它们的含量明显减少, 尤其是木质素。 由此得出结论: 共聚焦显微拉曼光谱可实现稻叶组织细胞中半纤维素、 木质素和纤维素的无损检测, 结合显微空间信息可实现稻秸中三种成分的化学成像分析, 该研究有助揭示碱处理促进秸秆厌氧发酵产沼气的作用机理。

结合污水处理流程, 分别采集重庆市某污水厂晴天和雨天的污水, 用三维荧光光谱分析了污水中的溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)的荧光特性。 结合DOM的DOC ( dissolved organic carbon, DOC)、 COD(chemical oxygen demand, COD)、 荧光指数(f450/500)和紫外区富里酸和可见区富里酸的荧光强度比值r(A, C)的变化特征, 分析了雨天径流污染对污水DOM 的影响。 实验表明: 该污水厂DOM的荧光指纹与典型城市生活污水有较大差异, 主要成分为低激发波长类色氨酸(Peak S), 长激发波长类色氨酸(Peak T)次之; A2/O工艺对雨天和晴天的类蛋白物质的去除效果相当, 但是雨天的类富里酸以及DOC和COD的去除率较晴天高, 经过生化处理后的荧光峰均发生细微的红移; 晴天和雨天污水的DOM 荧光指纹差异明显, 雨天紫外富里酸(Peak A)荧光中心由晴天的240～248/390～440 nm蓝移到240～250/370～400 nm。 虽然晴天和雨天的DOM种类相同, 但是雨水径流使富里酸的来源复杂, 组分比例发生了较大变化, 雨天色氨酸(Peak S)的比例下降了10%, 紫外富里酸(Peak A)的比例上升7%。

在采集多个含油气盆地油样和岩样基础上, 利用显微荧光光谱和有机地化参数研究了次生作用对原油和油包裹体荧光颜色及光谱参数的影响。 结果表明, 原油次生蚀变主要通过改变原油中饱/芳比来影响荧光参数, 其中生物降解和水洗作用使原油荧光颜色、 谱形发生改变, 并使荧光参数发生红移, 气侵分馏和裂解作用使得原油荧光参数发生蓝移, 混源作用则使两端元油分别发生红移和蓝移。 通过原油和油包裹体的QF-535频率直方图可以定性识别研究区的次生作用或主成藏期。 建立研究区衡量次生变化的参数与QF-535的关系式, 可半定量判别原油遭受次生蚀变的程度。 在显微荧光测试中应该剔除遭受过拉伸或渗漏、 热裂解和光氧化作用的油包裹体。

运用Gaussian 09W量子化学程序包, 对胭脂红分子进行基态和激发态几何结构构型优化, 计算得到激发态电子结构、 分子前线轨道和发射光谱等信息; 应用英国Edinburgh FLS920P 光谱仪, 实验测定胭脂红溶液的荧光光谱。 比较荧光发射光谱的计算值与实验值, 吻合较好, 说明优化所得构型基本合理。 进一步对比胭脂红分子基态和激发态结构, 分析荧光光谱产生的机理, 发现胭脂红分子激发态几乎呈平面结构, 为强荧光物质, 其荧光由139→137轨道的跃迁产生。

糖尿病引起患者全身多部位发生慢性并发症, 严重危害患者的生命安全, 成为其致死致残的主要原因。 糖尿病患者体内的高血糖环境引发的组织内氧化应激反应增加是糖尿病并发症的重要发病机制之一, 而蛋白非酶糖基化反应和脂质过氧化反应过程与氧化应激密切相关。 从糖尿病并发症的发病机理出发, 以氧化应激为基点, 运用光谱法对17种中药提取物抗氧化应激反应的活性进行综合考察。 利用大鼠肝脏体外脂质自氧化反应结合紫外光谱法对中药提取物抑制脂质过氧化反应的能力进行评价, 中药黄芩和槐米具有较强的抑制活性, 富含黄酮类、 生物碱类及木脂素类提取物表现出较好的脂质过氧化反应抑制作用, 而皂苷类成分的活性相对较弱。 以牛血清白蛋白/葡萄糖(果糖)体系为糖基化筛选模型, 利用荧光光谱法对体外避光孵育反应体系进行研究, 中药槐米、 黄芩和知母表现出了较强的非酶糖基化反应抑制能力。 由17种中药提取物抗氧化应激反应的结果分析, 富含黄酮类成分中药的抗氧化应激作用强于生物碱类、 木脂素类和萜类的, 皂苷类中药的活性相对较弱; 而体外综合活性较好的中药槐米和黄芩可作为下一步研究的主要对象。 本研究为进一步的药理活性研究提供了一定的理论指导, 为开发防治糖尿病并发症的中药新药奠定基础。

为实现对Fe3+高选择和简便检测, 基于镁铝层状双氢氧化物(MgAl LDH)层板的Al3+的可调控性及易与8-羟基喹啉(8-HQ)发生配位作用, 设计制备了8-HQ插层配位的高荧光性8-羟基喹啉镁铝层状双氢氧化物(MgχAl-8-HQ LDH), 同时采用IR, XRD, UV-Vis及分子荧光光谱仪表征其结构和性能。 IR分析表明8-HQ与铝离子生成C-O-Al和C-N-Al配位键; XRD揭示8-HQ插入MgAl LDH的层板间, 致(003)衍射峰向2θ低角度方向移动, 衍射峰强度随Mg与Al摩尔比增加而增强; 因MgAl LDH层间的8-HQ与Al3+配位, 致8-HQ在314 nm处的吸收峰消失, 同时在376 nm处出现了金属离子与配体之间的跃迁吸收峰; 荧光分析表明: MgχAl-8-HQ LDH的荧光强度随Al3+含量降低而增强, 当镁铝离子物质的量之比为4∶1时, 荧光强度显著强于8-羟基喹啉铝。 通过研究金属离子对Mg4Al-8-HQ LDH粒子荧光光谱的影响, 发现该粒子对金属离子表现出显著的选择和差异性, 尤其对Fe3+具有高选择性。 进一步研究［Fe3+］对Mg4Al-8-HQ LDH粒子的溶液颜色及荧光强度的影响表明: 在10－6～10－2 mol·L-1内随［Fe3+］增加, Mg4Al-8-HQ LDH粒子溶液的颜色由浅黄色变成墨绿色, 故可实现上述浓度范围内Fe3+的比色传感; 同时其荧光强度显著降低, 当［Fe3+］为10－3 mol·L-1可完全猝灭其荧光, 当-log［Fe3+］为3～6时, -log［Fe3+］与溶液荧光强度呈负相关函数关系, 可实现对Fe3+的高选择和灵敏性荧光传感检测, 据此本实验成功建立了Mg4Al-8-HQ LDH粒子荧光和比色双重传感检测Fe3+的新方法。

为探究一种快速、 可靠的肉苁蓉属中药材检测方法, 实验采用荧光光谱成像技术结合模式识别方法对肉苁蓉属三种中药材: 荒漠肉苁蓉、 管花肉苁蓉和沙苁蓉进行鉴别研究。 实验中发现肉苁蓉样品存在较显著的荧光特性, 采集来自不同产地、 不同批次以及不同超市购买的三种肉苁蓉属药材的40个样品的荧光光谱图像, 对图像进行去噪、 二值化处理后, 根据光谱立方体绘制每个样本的光谱曲线, 将所得450～680 nm波段范围内的光谱数据作为鉴别分析的研究对象, 应用主成分分析法(PCA)对三种肉苁蓉的光谱数据进行降维处理, 再结合Fisher判别方法对三种肉苁蓉进行鉴别。 分别比较多元散射校正(MSC)、 标准正态变量校正变换(SNV)以及一阶微分(FD)三种数据预处理方法对鉴别模型的影响, 并根据主成分的累积贡献率和主成分因子数对判别模型效果的影响对主成分因子数进行优化。 分析结果表明: 一阶微分预处理后提取前四个主成分进行Fisher判别的鉴别效果最佳, PCA结合Fisher判别建立肉苁蓉属三种药材的判别模型原始判别的准确率达到100%, 交叉验证的准确率达到95%。 由此可见, 利用荧光光谱成像技术结合主成分分析及Fisher判别对肉苁蓉属三种药材的鉴别分析是可行的, 而且具有操作简便、 快速、 可靠等优点。

分别以高温固相法、 溶胶-凝胶法和水热-热解法制备了Ce3+掺杂的YAG黄色荧光粉, 通过X-射线衍射(XRD)、 场发射扫描电镜(FESEM)及荧光光谱(PL)进行表征, 考察YAG∶Ce3+黄色荧光粉的晶相、 形貌及发光性能对制备方法的依赖性。 实验表明, 三种方法都实现了Ce3+取代Y3+的位置进入晶格, Ce3+掺杂的YAG荧光粉在晶体结构上都保持立方晶体结构。 高温固相法所得样品为不规则球形, 粒径尺寸较大; 溶胶-凝胶法所得样品为纳米尺度范围, 细小颗粒团聚严重, 水热-热解法所得样品形貌为球形结构且分散性较好, 粒度在10 μm左右。 荧光光谱显示, 三种样品都可被460 nm蓝光有效激发, 在550 nm处产生宽带发射, 但样品发光强度及量子效率差异较大, 该现象主要是由样品形貌及粒径尺寸的差异引起的。

研究大气偏振光谱在太阳天顶角SZA、 观测天顶角VZA和相对方位角RAA构成的观测几何变化时的特征。 采用离散坐标法求解大气矢量辐射传输方程, 结合真实大气环境与结构参数, 以MODTRAN太阳参照光谱仿真大气层顶初始光谱, 考虑下垫面反照、 气溶胶垂直分层与成分混合比及痕量气体吸收的影响, 仿真计算相对方位角为0°和90°时0.4~3 μm波段大气偏振光谱, 丰富大气偏振光谱信息。 仿真结果表明: (1)相对方位角为0°时, 偏振度DoP和Q/I随SZA的变化分别呈“V形”和倒“U”形, U/I很微弱, 量级低于10-7, V/I在任何观测几何下都很微弱; (2)晨暮时段, 若太阳不在视场内, 大气偏振度在波长0.51和2.75 μm附近为极大值, 在1.5 μm附近为极小值。 因此, 在不同的观测几何条件下, 选择相应的波段和偏振信号, 将有利于实体目标探测。

为了进一步揭示等离子体强化甲烷点火过程的化学动力学机理, 设计和搭建了介质阻挡放电等离子体激励空气的实验系统, 实验测量了在空气中介质阻挡放电等离子体激励器产生的发射光谱, 利用光谱技术分析了等离子体激励空气产生的若干活性粒子, 给出了零维均质点火模型以及敏感性分析和化学路径分析的计算方法, 模拟了不同初始温度下NO和O3对甲烷点火延迟时间的影响, 并分析了活性粒子NO和O3强化甲烷点火的化学动力学过程。 研究表明: 介质阻挡放电等离子体激励空气主要产生N2和O2的若干激发态粒子, 并最终转化成存活时间较长的活性粒子NOx和O3, 等离子体对甲烷点火过程的影响可以简化成活性粒子NOx和O3对甲烷点火过程的影响; CH3的氧化速率决定了甲烷点火过程的快慢, 在自点火过程中CH3的氧化路径是反应式R155和R156, 初始温度较低时R155和R156的反应速率慢, 所以甲烷的点火延迟时间长; NO缩短点火延迟时间是由于CH3的氧化路径由自点火过程中的反应式R155和R156改为反应式R327 CH3O2+NO=CH3O+NO2和R328 CH3+NO2=CH3O+NO; O3强化甲烷点火过程同样是由于O3改变CH3的氧化路径, 从化学动力学上缩短点火延迟时间。

为了确定添加氦气对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜的影响, 采用发射光谱法(OES)在线诊断了CH4-H2-He等离子体的发射光谱特性, 研究了He对等离子体内基团空间分布的影响; 并利用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼(Raman)光谱对不同He体积分数下沉积出的金刚石膜进行了表征。 结果表明: 随着He体积分数的增加, 等离子体内Hα, Hβ, Hγ, CH和C2基团的谱线强度均呈上升趋势, 其中Hα基团的谱线强度增加最大。 光谱空间诊断发现He的加入导致等离子体中各基团的空间分布均匀性变差, 造成沉积出的金刚石膜厚度极不均匀。 沉积速率测试表明, He的加入导致碳源基团相对浓度增加, 有利于提高薄膜的沉积速率, 当He体积分数由0 vol.%增加至4.7 vol.%时, 沉积速率提高了24%。 SEM测试结果表明, 随着He体积分数的增加, 金刚石膜表面形貌由(111)晶面取向向晶面取向混杂转变, 孪晶生长明显。 高He(4.7 vol.%)体积分数下由于C2基团的相对浓度较高, 导致二次形核密度增加。 此外, 由于基片台受到等离子体的刻蚀和溅射作用, 导致薄膜沉积过程中引入了金属杂质原子。 二次形核和杂质原子的存在使得孪晶大量的产生, 薄膜呈现出压应力。

氮素(nitrogen, N)是果树生长发育的必需重要元素, 及时准确地无损检测果树的氮素水平对果实增产、 合理施肥以及减少环境污染等具有重要意义。 研究了基于高光谱成像技术进行柑橘冠层含氮量预测及可视化的可行性。 实验采用高光谱成像光谱仪ImSpector V10E(Spectral imaging Ltd., Oulu, Finland)分别采集柑橘叶片实验室样本和野外整个植株冠层的高光谱图像。 利用ENVI软件提取每个叶片样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱数据作为整个样本的光谱数据进行分析, 同时采用杜马斯燃烧法快速定氮仪(Elementar Analytical, Germany)测定叶片样本的含氮量。 通过简单相关分析和双波段植被指数(TBVI)的获取, 建立基于光谱数据的含氮量预测模型。 计算表明, 基于811和856 nm的双波段植被指数(TBVI)能够建立最佳的柑橘叶片含氮量预测模型(R2=0.607 1)。 在此基础上, 计算上述TBVI的冠层图像, 把基于该TBVI的含氮量预测模型导入到TBVI图像中计算生成冠层含氮量的预测分布图。 图中直观地显示柑橘嫩叶、 中叶、 老叶的含氮水平从高到低分布, 实现了冠层含氮量的可视化。 结果表明, 利用高光谱成像技术可以实现柑橘冠层氮素水平的检测和诊断, 这为实施基于每颗果树信息的变量施肥技术提供了参考信息。

提出了一种基于填充柴油类半透明液体光学腔的透射光谱反演其介质光学常数的新方法(IDTM), 通过测量填充水光学腔的透射光谱并反演水的光学常数进行了方法验证。 采用Bruke V70傅里叶红外光谱仪实验测量了填充柴油光学腔在波长2~15 μm的透射光谱, 基于新方法反演得到柴油在部分波长区域的光学常数, 进而计算得到了其热辐射物性参数。 研究结果表明: (1)在波段为2.0~2.5 μm, 新方法(IDTM)反演水的光学常数同文献结果基本一致。 (2)IDTM反演液体光学常数精度同MCDTM基本一致, 且明显高于SODTM和SDTM。 (3)柴油在波长2~15 μm范围透光性能较差, 其中存在2.4, 3.4, 6.9, 7.3和13.8 μm等5个强吸收区域。 (4)柴油的光学常数和热辐射物性参数光谱选择性很强, 在不同波段其值差距较大。

为了提高飞行器壁板裂纹修补结构的安全性, 对基于光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特征的航空铝合金修补结构疲劳裂纹扩展长度及角度监测方法进行了研究。 修补结构在疲劳载荷的作用下, 裂纹发生扩展, 其尖端附近会产生不均匀应变场, 在其作用下FBG传感器反射谱发生变形, 通过检测反射谱变形达到监测裂纹扩展的目的。 建立了实验样件的模型, 使用有限元方法计算得到不同角度下裂纹扩展到不同长度时的应变分布, 使用传输矩阵数值计算方法得到相应的FBG反射谱。 提取反射谱的主峰偏移、 反射谱面积、 次峰峰值和三峰峰值等变形特征, 建立并训练人工神经网络(ANN), 通过ANN建立反射谱变形特征同裂纹扩展情况的关系, 实现了对修补结构裂纹扩展的精确监测, 监测裂纹长度误差在0.5 mm之内, 角度误差在5°之内。 解决了修补结构的裂纹扩展精确监测问题, 对提高飞行器安全以及节约维护成本有着重要意义。

采用聚丙烯酰胺直接氮烷基化的方法, 在PAM的侧链上引入了烯丙基, 通过自由基引发交联并水解, 合成了聚丙烯酰胺自由基交联的弱凝胶, 并研究了其结构、 凝胶形成过程以及NaCl浓度对凝胶表观粘度的影响。 结果表明: 交联比的改变, 对交联时间、 破胶时间和凝胶强度均有影响, 随着交联比的增大, 交联时间减少, 凝胶强度略有增大; 聚丙烯酰胺衍生物交联体系的表观粘度随着NaCl质量浓度的增加而增加, 具有良好的抗盐性能。

水体高光谱中的混合效应问题是水体定量遥感中的难点。 已有研究表明, 仅依赖标量光谱信息难以解决复杂的水体混合光谱问题。 广域水体污染物除光谱信息之外, 还具有明显的空间分布特性。 充分利用其空间维信息, 可以作为遥感光谱维信息的有益补充, 有利于水体复杂光谱的解混。 以巢湖为例, HJ-1A HSI高光谱数据为数据源, 辅以水面光谱测量数据, 在空间地统计学和遗传算法理论基础上, 利用地统计学中的变异函数模拟相邻空间两像元的分布差异, 将邻域像元空间变异函数作为遗传算法目标函数的约束条件, 建立基于协同克里格遗传算法的湖泊水体高光谱反演混合光谱空间信息分解模型, 并对悬浮物浓度反演结果进行检验。 结果显示, 与常规混合光谱分解模型相比, 混合光谱空间信息分解模型对悬浮物浓度的预测值与实测值相关系数为0.82, 均方根误差9.25 mg·L-1, 相关系数提高了8.9%, 均方根误差下降了2.78 mg·L-1, 表明该模型对悬浮物浓度具有较强的预测能力。 该方法将水体的空间信息与光谱信息有效结合, 可以避免水色参数光谱信号弱导致反演结果失真, 同时由于高光谱波段多、 信息量大, 带来信息提取计算量大而复杂等问题, 也为复杂水体混合光谱模型的求解和模型反演精度的提高提供了有效途径。

露天生物质燃烧是重要的大气污染物排放源, 导致空气质量恶化并引起气候变化。 卫星遥感数据能够提供大尺度、 多时相的监测信息, 然而燃烧火点监测和火烧迹地监测两种方式都存在着局限性。 以美国东南部地区为研究区域, 通过结合卫星遥感获取的高分辨率燃烧面积数据及多时相的燃烧火点数据, 建立时空匹配模型估算露天生物质燃烧过火面积。 通过分析植被燃烧前后的光谱变化特征, 基于高分辨率的Landsat-5 TM4波段(0.84 μm)与7波段(2.22 μm)数据, 利用差分归一化燃烧比(dNBR: the differential normalized burn ratio)提取燃烧面积数据; 而燃烧火点数据则通过分析燃烧植被的热红外光谱特征利用MODIS 4与11 μm波段数据提取。 结果显示, 该地区燃烧面积与燃烧火点数量之间相关系数达0.63, 并且二者之间的比例关系随植被类型而发生变化, 林地、 草地、 灌木、 耕地和沼泽五种植被类型对应的像元燃烧面积分别为0.69, 1.27, 0.86, 0.72和0.94 km2。 通过与美国火灾中心(national interagency fire center, NIFC)地面调查数据比对, 模型估算的美国东南部过火面积数据较为精确, 而同期的MODIS燃烧面积产品(MCD45)及燃烧源清单产品(global fire emissions database, GFED)遗漏了该区域大量的小面积燃烧事件。 因此, 本研究建立的过火面积估算模型能够提供更为精确的排放源参数信息, 有利于区域空气质量模式准确地模拟露天生物质燃烧排放状况。

为了快速、 准确、 直观估测尖椒叶片的营养水平和生长状况, 利用高光谱成像技术结合化学计量学方法对不同叶位尖椒叶片氮素含量(nitrogen content, NC)的分布进行了可视化研究。 按照叶片位置采摘尖椒叶片, 并采集高光谱数据, 然后测定相应叶片的SPAD和NC。 提取出叶片的光谱信息后, 采用Random-frog(RF)算法提取特征波段, 分别选出5条与10条特征波段。 针对选取的特征波段和全波段, 分别建立偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)模型, 结果表明采用特征波段建立的PLSR模型性能较好(SPAD: RC=0.970, RCV=0.965, RP=0.934; NC: RC=0.857, RCV=0.806, RP=0.839)。 根据预测模型计算尖椒叶片高光谱图像每个像素点的SPAD与NC, 从而实现SPAD与NC的可视化分布。 事实上叶片的SPAD在一定程度上可以反映含氮量, 二者分布图的变化趋势基本一致, 验证了可视化结果的正确性。 结果表明: 运用高光谱成像技术可以实现对不同叶位尖椒叶片氮素分布的可视化研究, 这为监测植物的生长状况和养分分布提供理论依据。

超透射现象自15年前发现以来激起了研究人员广泛的兴趣。 基于超透射的生化检测技术也于近10年发展起来, 因具有免标记、 实时检测、 灵敏度高等优点, 其应用研究方兴未艾。 文章首先简单要介绍了超透射, 概括了超透射机理和影响因素的研究进展, 然后论述了超透射应用于生化检测上的发展, 着重介绍了国际上三个有一定代表性的研究团队的研究过程及成果, 最后展望了超透射生化检测技术的发展趋势和应用前景。 该文为国内外相关领域的科研人员进一步开展研究提供参考。

车用汽油样品用异辛烷溶剂适当比例稀释, 直接进入电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定硅元素。 考察了稀释溶剂及稀释比例、 标准物质类型、 样品冷却温度、 汽油样品组成等因素对硅含量测定的影响。 结果表明, 汽油样品用异辛烷按1∶1的比例混溶, 在雾化室冷却温度为-10 ℃时, 直接进入ICP-OES测定硅含量效果最佳。 在优化的工作条件下, 该方法在0.1～10.0 mg·kg-1硅含量范围内线性良好, 线性相关系数达0.999 96, 检出限为0.012 mg·kg-1, 回收率在95.8%～98.4%之间, 相对标准偏差小于3.0%。 该法简便、 快速、 准确度高, 适用于车用无铅汽油、 车用乙醇汽油和低比例甲醇汽油中微量硅的快速检测。

采用光谱在线技术(OES)检测了大气压Ar/NH3 DBD等离子体中的主要粒子为NH, N, N+, N2, Ar, Hα, OH。 NH是NH3分解的产物, 激发态Ar*和NH3分子的潘宁碰撞生成激发态中性粒子NH(ｃ１Π)和NH(Ａ ３Π)。 674.5 nm处N原子谱线表明等离子体中产生了N活性原子, 为大气压Ar/NH3同轴介质阻挡放电等离子体合成ε-Fe3N磁性颗粒提供了可能。 研究了各主要粒子谱线强度随NH3流量和外加电压峰峰值的变化规律, 研究结果表明: NH3流量相同时, 随外加电压峰峰值升高, 各粒子谱线强度均逐渐增强; 外加电压峰峰值相同时, 各谱线强度随NH3流量增加先增强后减弱。 外加电压峰峰值相同时, 随NH3流量增加, N活性原子谱线强度先增强后减弱, NH3流量为20 mL·min-1时, N活性原子谱线强度最强。 NH3流量相同时, 随外加电压峰峰值升高, N活性原子谱线强度逐渐减小, 主要是由于大气压Ar/NH3 DBD放电模式由多脉冲大气压辉光放电转变为丝状放电造成。 多脉冲大气压辉光放电的微放电通道之间相互重叠, 各个微放电之间相互影响, 导致随外加电压峰峰值升高各谱线强度的增加速率较快。 当外加电压峰峰值从4 600 V升高到6 400 V时, 大气压Ar/NH3 DBD的放电模式由单脉冲APGD转变为二脉冲APGD, 属于均匀大气压介质阻挡放电, 随外加电压峰峰值升高谱线强度的增加速率较快, 利于合成ε-Fe3N磁性颗粒。

目前, 文物保护工作者已普遍认识到保护过程会对文物带来一定影响, 产生“保护性损伤”。 然而, 关于“保护性损伤”的量化研究仍罕见报道。 为探讨常用清洗试剂对“华光礁Ⅰ号”沉船出水瓷器的保护性损伤, 本文利用ICP-AES测试了各步骤浸泡实验溶出液中的元素组成, 发现浸泡液中Al, Fe, Mg三种元素的含量较高, 且具有一定规律。 利用这三种元素作为指标, 对出水瓷器的保护性损伤进行了量化评估。 研究结果表明, 清洗能力强的试剂, 对陶瓷本体的损伤也较大; 保存较好的器物, 所受“保护性损伤”更小; 每种清洗剂都会对瓷器造成一定程度的损坏, 连中性试剂(如H2O)同样可以溶解出一定量胎体组分; 而普遍认为的较为温和的清洗试剂在长时间浸泡陶瓷器时, 对瓷器本体的损伤已非常接近强酸短时间浸泡的影响。 故在此特别强调, 在实际的文物保护过程中, 应切实认识到各种清洗剂对陶瓷本体产生的损害, 并同时考虑累积损伤。 如此, 方能安全有效的保护海洋出水瓷器。

激光诱导击穿光谱(LIBS)具有分析速度快、 非接触测量、 表面微区分析以及易于实现在线实时监控分析等优点。 通过LIBS对块状钢铁样品表面进行扫描分析, 实现了钢中酸不溶铝含量的定量表征。 铝的异常信号采用Nalimov迭代法剔除, 以剩余信号强度的平均值加三倍标准偏差作为阈值强度, 高于阈值强度的信号认为由酸不溶铝产生, 反之由酸溶铝产生。 在用含量校准曲线获得钢中总铝的含量后, 分别根据酸不溶铝信号总强度或信号总个数与总铝信号之比, 计算钢中酸不溶铝的含量。 几种钢铁标准样品及实际生产板坯样品中酸不溶铝含量的对比分析结果表明, 根据铝信号总强度获得的分析结果与传统湿法分析结果吻合得更好, 可用于快速定量表征钢中酸不溶铝的含量。

正交双波长双脉冲的激光剥离-激光诱导击穿光谱技术能够在较少样品烧蚀的前提下获得高的光谱分析灵敏度, 因此该技术可以从根本上解决在单脉冲激光诱导击穿光谱技术中空间分辨本领与光谱分析灵敏度之间的矛盾。 为了消除在该光谱技术中的实验参数对光谱信号强度及其定量分析结果的影响, 实验研究了银饰品中杂质铜的光谱信号与银元素的光谱信号的相关性。 研究结果表明: 324.75 nm的铜原子辐射线与328.07 nm的银原子辐射线的强度呈很高的线性相关性, 因此选择以银328.07 nm的光谱线作为内标线, 采用内标法就可以消除双光束激光的空间几何配置以及剥离激光脉冲能量等实验参数对铜原子辐射信号的影响, 从而可以采用正交双波长双脉冲激光剥离--激光诱导击穿光谱技术开展银饰品中铜杂质含量的定量分析。 选择银328.07 nm的光谱线作为内标线, 基于内标法建立了铜的校正曲线。 当激光烧蚀坑洞直径约为17 μm时, 当前实验条件下银饰品中铜元素的检出限可以达到44 ppm。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种被广泛使用的物质元素检测技术。 由于它的探测结果受多种因素的影响, 因此, 分析比较不同实验条件对LIBS光谱测量的影响对LIBS检测有着重要的意义。 通过采用四川省北川县中联水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥制成的水泥压片, 利用八通道光纤光谱仪AvaSpec-2048-USB2-RM、 延时触发器DG645进行了LIBS检测。 针对影响水泥几种重要技术指标的金属元素Mg, Al, Na, K进行了分析。 主要对比了激光频率、 同一点测量次数对不同金属元素光谱信号强度的影响, 得出在本实验条件下的最佳实验参数: 10 Hz为最佳激光频率, 激光频率为10 Hz时元素Mg, Al, Na, K所得到的光谱强度比8 Hz时分别提高了67.66%, 47.88%, 84.59%, 43.36%。 由于压片样品在放置过程中, 表面会有少量的氧化、 潮解, 在以测量10次求一次平均所得结果进行记录的条件下, 以第三、 四次记录结果为最佳。

建立了一套直流放电产生氮气等离子体装置, 该装置以碳纳米管修饰ITO电极为阳极, 铝平板为阴极, 两极间距~80 μm。 在室温低电压(低于150 V)对氮气进行气体放电, 利用发射光谱法对氮气放电过程中的活性物种进行了诊断研究。 在直流电压下, 观测到氮气发射光谱中能量最强最清晰的谱带N2(C3Πu), 强度比较弱的Gaydon’s Green带系N2(H3Φu-G3Δg), 以及820 nm附近氮原子的发射谱线(4p-4p0), 发现氮分子的亚稳态是导致一系列激发态氮原子和氮气电离的主要因素, 与交流电下(1.1 kV)产生的发射光谱相比, 直流电下氮原子谱线光谱较强, 且在500~800 nm范围检测到一个宽的分子谱带。 考察了氧气与氢气对氮气发射光谱的影响, 氧气对氮气的激发态有猝灭作用, 使氮气发光强度降低, 但其发射光谱图的谱型相似, 都检测到氮气的第二正带系、 Gaydon’s Green带系及氮原子谱线。 当氮气与氢气的体积比为1∶1时, 氮气的第二正带系及Gaydon’s Green带系都会受到很大的影响, 说明加入的氢气可抑制氮等离子体激活, 导致氮气的发光强度明显减弱, Gaydon’s Green System消失不见。 碳纳米管修饰的ITO电极能使击穿电压降低, 在10 V的低电压下, 通过光电倍增管可观察到气体弱电离产生的光信号。

对西南印度洋中脊壬液区海底新鲜和蚀变玄武岩样品进行了原位元素地球化学分析, 发现其中的蚀变矿物主要为绿鳞石。 电子探针及能谱线扫分析显示杏仁状绿鳞石从核部到边部具有K含量降低而Na含量有所升高的特点, 指示边部绿鳞石转化为皂石。 绿鳞石为低温(<50 ℃)的氧化条件下的蚀变矿物, 而皂石则在较低水/岩值、 还原性更强的条件下形成, 转化过程暗示了蚀变环境由氧化环境转化为还原环境。 以电子探针为内标, 利用LA-ICP-MS对蚀变矿物做原位的稀土元素分析, 大部分结果均有Eu正异常的特点, 指示了蚀变流体从氧化性向还原性转变, 并且还原性流体对早期蚀变矿物进行了叠加改造。 而蚀变区和未蚀变区的基质长石原位稀土元素对比研究则表明后期还原性热液蚀变流体对稀土元素进行了淋滤, 从而导致了蚀变区稀土总量下降且出现Eu正异常的特点。 由此可见, 热液系统中淋滤作用具有重要意义。

矿物粒度是影响矿物光谱特征的一个重要因素, 探索不同粒度下矿物光谱曲线的变化情况以及相同粒度下不同矿物的光谱差异, 不仅是高光谱矿物遥感信息识别的关键, 也为研究矿物随着粒度变化而产生的光谱差异提供理论基础。 利用地物光谱仪对采集的六种矿物进行观测, 获取了不同粒度下的反射率光谱曲线, 同时生成一阶微分光谱曲线, 进而分析了不同粒度下各种矿物的光谱变化特征, 对比了相同粒度下不同矿物的光谱差异, 探索高光谱遥感识别矿物的可能波段。 结果表明: 各种矿物的光谱曲线均会随着粒度的改变而产生较大的差异, 但变化规律不尽相同, 紫苏辉石的整条光谱曲线都会随着粒度的增加而下降, 叶蛇纹石、 赤铁矿、 高岭石、 绿泥石的光谱曲线在特定的波长范围内随着粒度的增加而下降, 橄榄石的光谱与粒度大小不存在直接的相关性; 相同粒度下, 不同矿物的光谱反射率在大部分波段范围内差异较大, 为实现矿物高精度识别提供了可能; 叶蛇纹石、 高岭石、 绿泥石具有较多的宽度较窄、 强度较小的吸收峰, 而赤铁矿、 橄榄石、 紫苏辉石的光谱曲线相对平滑, 吸收和反射峰的数量较少。 本研究旨在为矿物光谱库的构建以及矿物的高光谱技术识别提供基础数据和理论支撑。

作为一种快速、 现场检测的分析方法, 便携式X射线荧光光谱(FP-XRF)可以在土壤重金属分析领域获得广泛应用。 然而, FP-XRF的测定精度受到一些因素的影响, 制约了它的应用。 前人的研究已经发现, 当元素含量较低时, FP-XRF的测定精度不佳。 在现场检测时也会受到土壤湿度效应和粒径的影响。 但是尚未有研究对上述因素的影响类型和影响程度进行深入探究。 本文以Ni为例, 根据准确度和精密度, 研究了Ni含量与FP-XRF测定精度的关系, 得出了这种影响的临界值; 比较了现场测定中土壤湿度效应和粒径对准确度和精密度的影响程度。 实验表明,FP-XRF的测定精度与Ni含量相关, 临界值为400 mg·kg-1。 Ni的浓度低于400 mg·kg-1时, 相对标准偏差(RSD)和相对不确定度同时降低, 即测定精度随着Ni含量的升高而提高; Ni的浓度高于于400 mg·kg-1时相对标准偏差(RSD)和相对不确定度不再有明显变化, 即测定精度不再与Ni含量有关。 现场检测中, 土壤水分贡献的相对不确定度为3.77%, 粒径贡献的相对不确定度为0.56%。 土壤湿度效应对准确度和精密度的影响程度都要高于土壤粒径。

连续冷却铸造5083铝合金板较大塑性变形量冷轧后的组织、 织构及性能与再结晶处理工艺关系的研究有限。 对冷轧压下量约为91.5%的CC5083与CC5182铝合金板分别进行室温入箱式电炉、 随炉不限速升温到不同温度退火2 h和分别进行直接入不同温度盐炉退火30 min、 出炉水冷至室温后, 采用偏光金相显微镜观察组织、 采用X射线衍射检测织构, 进一步对比研究较大压下量冷轧后退火工艺与再结晶组织和织构关系。 结果显示: (1)电炉退火CC5083铝合金板的再结晶开始及晶粒长大温度为343 ℃, 晶粒长大后形状为长条状(创新点); 盐炉退火CC5083铝合金板的再结晶开始温度为343 ℃; 二者再结晶完成温度都为371 ℃。 (2)CC5182铝合金板分别在电炉与盐炉454 ℃以上退火, 晶粒开始显著长大; 电炉退火与盐炉退火CC5083铝合金板再结晶开始温度分别高于电炉与盐炉退火的CC5182铝合金板, 盐炉退火CC5083铝合金板再结晶晶粒长大温度高于另外三种方式退火; CC5182铝合金板盐炉退火再结晶晶粒长大温度高于电炉退火的。 CC5083和CC5182铝合金冷轧板表层再结晶及再结晶晶粒长大温度明显高于内层的(创新点)。 (3)四种方式退火再结晶晶粒长大温度及相同温度退火时织构转变程度有差异(创新点); 退火过程中织构检测结果与金相组织观察结果反映的再结晶进程不很一致。

X射线递变能量成像是依次获取复杂结构件在递变能量下的局部有效信息, 并通过多谱融合获取完整结构信息。 但是目前的能量选择主要以人工设定管电压步进为主, 无法匹配检测对象的有效厚度变化率, 成像效率及射线利用率较低。 基于递变能量成像规律, 提出一种最佳X射线管电压预测算法。 该方法通过对检测物体进行变能量预扫描, 提取图像序列中有效厚度(高质量区域)和临近厚度(预测区域), 建立有效厚度的图像灰度与管电压、 X射线光谱之间的物理模型, 及临近厚度灰度差与电压的函数模型, 进而得到临近厚度最佳成像时的能量预测模型。 通过模型求解, 实现了能量的自适应预测。 以不同厚度钢块为对象, 利用该算法逐一预测各个厚度钢块最佳成像时的管电压, 并与实际值对比。 实验结果显示, 在低能时可跨3~4 mm准确预测, 高能时可跨7~10 mm预测, 精度可以达到95%以上。

X射线医学成像能观察到患者体内病变组织, 对医学诊断有重要参考价值。 针对传统医学X射线图像噪声强、 层次感差和器官组织重叠的问题, 提出利用多能谱X射线成像结合独立成分分析(independent component analysis, ICA)进行图像去噪和目标提取。 首先ICA结合稀疏编码收缩法对图像降噪预处理以保证目标提取精度; 然后根据图像中各目标组成特性, 分离图像中每个像素对应的目标厚度矩阵; 最后ICA以盲分离理论获得收敛矩阵重建出目标对象。 在ICA算法中, 借助于主观评价标准, 发现当收敛次数大于40时目标分离成功; 当幅值尺度在［25, 45］区间内, 目标图像对比度高且失真较小。 同时, 通过观测实验得到的三维峰值信噪比图表明: ICA算法中收敛次数和幅值对图像质量有较大影响, 当重建图像的对比度和边缘信息均达到较好效果时, 收敛次数与幅值为85和35。

薄膜量热计和闪烁探测系统是国内常用于Z箍缩辐射总能量测量的两种诊断手段。 两种方法基于完全不同的诊断原理, 通过对比其诊断结果可以提高Z箍缩X射线总能量测量的精度, 加深对Z箍缩的理解。 采用上述两种诊断装置对“强光一号”加速器Z箍缩实验中多种材料和构型的负载辐射总能量进行了测量。 结果表明, 对于Al丝阵负载, 无论是单排还是双排平面丝阵, 随着负载参数的变化, 两种手段总能量测量结果均发生改变且呈正比, 二者符合较好; 但对于镀膜W丝阵两种方法的诊断结果差异较为明显, 随着丝间距的增大, 量热计测量结果明显减小, 但闪烁探测系统的测量结果却变化较小, 二者不再呈比例关系。 通过模拟计算对产生上述现象的原因进行了分析, 可以得出如下结论: (1)闪烁探测系统对低能光子响应较高, 且响应能谱范围较量热计宽, 因此所有的总能量测量结果比量热计测量结果略大; (2)Al丝阵等离子体辐射能谱分布范围较宽, 主要辐射能段处于两种测量手段响应都比较平坦的区间内, 因此两种手段测量结果符合较好; (3)W丝阵辐射主要集中在1 keV以下的软X射线能段, 处于镍薄膜全吸收范围内, 因此量热计测量结果应该是比较准确的; (4)对于闪烁探测系统测量结果对镀膜W丝阵负载参数不敏感的现象, 一种可能的解释是: 随着W丝阵丝间距增大, 等离子体滞止时刻的温度减低, 导致能谱软化, 但辐射谱型向闪烁体灵敏度较高的方向移动。 因此虽然总能量降低了, 但闪烁探测系统的测量结果变化却不大; (5)辐射中电子的影响同样不可忽视。

SDSS DR8海量光谱中包含许多有研究价值的稀有天体, 如特殊白矮星(DZ, DQ, DC)、 碳星、 白矮主序双星、 激变变星等, 如何在海量光谱中自动搜寻稀有天体有着极其重要的意义。 提出一种基于核密度估计和K-近邻(K-nearest neighbor, KNN)相结合的方法在SDSS DR8 信噪比大于5的546 383个恒星光谱中搜寻稀有天体。 首先对光谱进行高斯核密度估计, 选取概率最小的5 000个光谱作为稀有类, 概率最大的300 000个光谱作为普通类, 然后进行KNN分类, 同时也将5 000个稀有光谱的K个最近邻也作为稀有的天体, 结果共有21 193条光谱。 为了方便分析, 对这些光谱聚类后进行人工检查。 这些光谱主要包括由于数据缺失、 红化、 流量定标不准引起的问题光谱、 行星状星云、 没有物理联系的光谱双星、 类星体、 特殊白矮星(DZ, DQ, DC)、 碳星、 白矮主序双星、 激变变星等。 通过和SIMBAD, NED, ADS及一些主要的文献交叉验证, 我们新发现了3个DZ白矮星、 1个白矮主序双星、 2个伴星为G型星的激变变星, 3个激变变星的候选体、 6个DC白矮星, 1个DC白矮星候选体和1个 BL Lacertae(BL lac)候选体。 还发现了1个有CaⅡ三重发射线和MgⅠ发射线的DA白矮星和1个光谱上表现出发射线的晚M恒星但测光图上像是一个星云或星系。

为实现红外光谱仪器的小型化, 通过分析现有小型光谱仪, 提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。 平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。 在平板波导光谱仪中, 光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播, 看起来像是整个光学系统被压扁了。 在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小, 从而显著减小光学系统的尺寸。 该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、 波导结构设计。 先根据像差理论设计Czerny-Turner结构, 目标是保证光谱分辨率及校正像差; 然后根据几何光学理论设计波导结构, 包括平板波导和两个柱面透镜, 目标是压缩光束并校正像散; 最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化, 以获得最优的光学系统。 据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪, 工作波段为8~12 μm, 数值孔径为0.22, 采用线阵探测器。 通过Zemax软件对结果进行分析和评价, 表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm, 工作波段内光谱分辨率达到80 nm, 满足设计指标要求。 证明了该优化设计方法是可行的, 所得系统尺寸小、 性能高。

为了在矿井中实现快速、 便携式的甲烷浓度检测, 同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期, 设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法, 建立了井下甲烷浓度无线检测系统。 系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变, 从而获得了两个相近波长的激光, 其中一个在甲烷的特征吸收峰上, 而另一个基本不被吸收。 实验中将两束光分别照射被测气室时, 两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。 实验结果显示, 调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中, 输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变, 由1 650.888 nm改变为1 651.020 nm。 通过HITRAN光谱数据库可知, 波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰, 而波长1 651.020 nm适合作参考波长。 在此基础上, 对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试, 采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。 两种检测结果相近, 但随着浓度不断地增高, 该系统的检测误差相对平稳, 略优于甲烷检测仪。 系统的检测误差均低于0.050%, 在不采用昂贵的锁相器、 检相电路的条件下, 实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、 高分辨率、 宽波段、 全谱瞬态直读等诸多优点, 是先进光谱仪器的代表之一。 在中阶梯光栅光谱仪民用化、 商品化的发展趋势之下, 其二维谱图图像处理的地位越来越重要。 目前, 国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长, 但这种方法难以达到较为理想的要求。 为了提升运算速度、 波长提取精度以及成像误差补偿能力, 提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。 利用谱图还原算法, 将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图, 通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪, 实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。 先将二维谱图转换为一维图进行图像处理, 使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善, 还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。 采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验, 并使用该算法进行数据处理。 实验结果表明, 不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差, 而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度, 波长误差小于0.02 nm, 满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。

针对资源三号卫星(ZY-3)多光谱影像特点, 提出了一种改进型反射率基法, 实现相机在轨辐射定标。 该方法以ZY-3 Level 1A 级影像为数据源, 建立严格的几何模型获取定标点处准确的观测几何参数, 降低因影像重采样和成像几何产生的误差对辐射定标精度的影响。 基于山东东营遥感综合实验, 利用两点法和多点法获取ZY-3多光谱相机在轨辐射定标系数。 与官方定标系数相比, 多点法的定标精度高于两点法定标精度。 通过分析各定标点与拟合直线间的离散程度后发现, 水体定标点的残差较大, 其中绿波段残差值约为67.39%。 以置信度95.4%为标准, 可将水体定标点判识为误差点。 在剔除水体后, 采用多点法获得的定标系数除近红外波段相对差异优于5%以外, 其他波段相对差异均优于2%。 该结果表明该改进型反射率基法能够获得精度可靠的绝对定标系数, 可以为其他类似卫星在轨辐射定标提供参考依据。