由于散射介质的散射特性, 入射光通过散射介质后相干性受到破坏形成散斑场, 使得传统光学成像系统无法聚焦探测内部物体的信息。根据波前整形原理, 通过反馈优化算法调控入射光束的相位, 在目标位置处将散斑调制为聚焦光斑, 光强增强。基于此方法, 在实验上搭建实验平台, 对空间光调制器(SLM)的每个像素加载系列等间隔相位, 一次采集多幅散斑图像, 应用局部最大优化算法实现对光束任意点聚焦, 并提出了一种得到不同大小区域的均匀的聚焦光斑的新方法, 为实现聚焦平面内的目标成像提供了新思路。

建立了内标表面增强拉曼光谱测定水性有机涂料中石墨含量的方法。以聚丙烯酸丁酯乳液为标准基材, 加入不同体积的石墨悬浮液, 并以硫氰酸钾(KSCN)为内标, 加入纳米银溶胶后制成不同石墨含量的工作样品, 采集拉曼光谱。1584 cm-1为石墨的特征峰(G峰), 2124 cm-1为内标的特征峰, 以两峰面积之比制作标准曲线, 线性关系良好, 5000目石墨和200目石墨的相关系数r2分别为0.9994和0.9934。对于5000目石墨, 最低检出限(LOD)为0.12%, 方法精密度为6.99%, 聚丙烯酸丁酯基材和聚醋酸乙烯酯基材的加样回收率分别为79.49%和76.29%, 均满足检测要求。该方法简便、快速、准确, 可作为含碳材料成分的水性有机涂料的质量控制手段。

本文介绍了一种基于金纳米棒自组装结构的SERS基底构筑方法。通过工艺参数可调控的溶剂蒸发诱导组装机制, 可以减少或去除溶胶成膜基底中出现的咖啡环效应, 得到致密均一的薄膜型SERS基底。该基底用于毒品SERS检测具有较高的灵敏性和较好的重现性, 将其与便携式拉曼光谱仪和含毒品尿液的快速前处理方法相结合, 可以用于涉毒人员尿液中毒品的检测分析, 因此有望应用于涉毒现场的快速检测。

采用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱对用传统染色方法模拟制作的茜草和化学纯茜素染色丝织品进行原位分析, 得到丝织品上化学纯茜素和茜草染料的原位表面增强拉曼光谱。该方法实现了茜草染料的原位快速检测, 相对于传统方法更加简便, 避免了复杂的染料剥离前处理过程, 在古代有机染料快速检测方面具有良好的应用前景。

利用表面增强拉曼光谱检测水溶液和果汁中的阿斯巴甜（APM）。首先制备了银溶胶活性基底, 并对相关特性进行了表征。其次对APM的拉曼特征峰进行了归属。然后通过对比性的实验研究确定了最佳促凝剂种类。最后对水溶液中的APM进行了表面增强拉曼光谱检测, 获得了检测限, 并利用逻辑回归分析方法实现了定量分析和回收率的测定。另外, 当果汁中APM浓度低至1000 mg/L时, 仍能够清晰分辨出其特征峰, 接近国家检测标准0.6 g/kg。

表面增强拉曼散射的机理主要来源于金属表面等离子体共振所产生的电磁场增强, 因而基底的电磁特性决定了其增强的性能。本文以干涉光刻方法制作的大面积均匀性一维纳米光栅为增强基底, 从实验和理论上探究其表面增强拉曼散射的偏振依赖特性。本文使用苯硫酚作为探针分子, 并采用633 nm和785 nm两种波长作为激发光源, 开展了等离子体共振与非共振状态下金属光栅表面增强拉曼光谱的偏振依赖特性实验研究, 并通过时域有限差分法对光栅电磁特性进行分析。研究发现, 光栅表面的电场无论是否激发表面等离子体共振, 其电场随入射光偏振方向都会呈现出sin函数的规律性变化, 拉曼光谱的峰值强度则呈sin2函数的变化规律;此外, 表面等离子体共振会进一步加大拉曼光谱的偏振依赖性。

本文采用静电纺丝法制备出不同前驱条件下的TiO2纳米纤维。用扫描电镜对样品的形貌进行表征, 结果表明纤维直径约为100 nm且表面粗糙;Ｘ-射线衍射和拉曼结果显示不同前驱条件制备的样品中锐钛矿相与金红石相的比例不同;利用紫外可见分光光度计测试TiO2纳米纤维对亚甲基蓝的光催化活性分析所制样品的光催化活性, 结果表明加热条件下样品的活性更高;原因是加热条件下金红石相的含量更多, 两相混合为电子跃迁提供更多的跃迁能级, 增加了光生电子和空穴的寿命, 从而减少两者的复合几率, 提高TiO2纳米纤维的光催化活性。

本文开展了变压器油中溶解糠醛的定量分析研究, 基于实验室搭建的拉曼光谱液体检测平台, 对不同浓度糠醛含量的变压器油样进行光谱信号检测及预处理, 运用主成分分析法对光谱数据进行数据降维并结合支持向量机建立油中溶解糠醛含量拉曼光谱定量分析回归模型, 检测下限为0.625 mg/L。结果表明, 拉曼光谱技术结合支持向量机能有效地对变压器油中溶解糠醛进行定量分析, 为实现油中溶解老化特征物的准确、快速检测提供新的手段。

在小角X射线散射实验中经常需要对各向异性结构样品进行旋转。针对传统样品架为固定方式, 旋转调整困难的特点, 本文设计了一款小角X射线散射专用的样品旋转装置。该装置主要由步进电机、高精度回转轴承、传动系统、样品架、控制器及配套软件等组成, 它具有结构简单、回转精度高、可远程控制的特点。在北京同步辐射小角X射线散射实验站应用该样品旋转装置对石墨纤维样品进行了测试, 验证了该装置的可行性。

为了鉴别形态相似的药用真菌紫色马勃、大马勃和脱皮马勃, 利用傅里叶变换红外光谱仪获取它们的光谱信息, 从光谱分析的角度对它们进行深入研究。三种马勃的光谱呈现出蛋白质、多糖类物质、酯类物质等的特征吸收峰, 但在吸收峰的相对强度和峰形上存在差异。通过傅里叶自去卷积、四阶导数法和曲线拟合分析技术相结合, 对指纹区叠加带1200~890 cm-1范围的光谱进行剥离, 挖掘出被叠加而掩盖的吸收子峰信息。剥离结果显示它们的多糖结构存在明显差异, 在1072 cm-1和1040 cm-1附近的多糖类物质C-O键和C-C键的吸收子峰上, 紫色马勃、大马勃与脱皮马勃差别较大。紫色马勃的光谱在943 cm-1、892 cm-1的吸收子峰表明其含有β-型糖苷键, 脱皮马勃在920 cm-1的吸收子峰表明其含有α-型糖苷键。研究表明傅里叶变换红外光谱能够提供药用真菌马勃的分子结构信息, 为三种真菌马勃的入药提供一种光谱鉴别技术手段。

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径, 以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布, 提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强, 然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对, 获得颗粒的数量分布, 进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布, 利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布, 并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比, 实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。

采用密度泛函理论的第一性原理计算研究了p型Na掺杂各向异性ZnO的能带结构、光学性质、介电性质、总态密度和不同原子的分态密度, 并系统分析了其热电输运性质。计算分析结果表明, p型Na掺杂ZnO为p型直接带隙半导体, 其带隙增大到1.3 eV, 其对于光子的吸收限向低能量光子移动, 体系费米能级附近的态密度大幅度提高, 这主要是p态电子贡献的;在费米能级附近的导带和价带中都出现了新的能级, 这些新的能级主要由Nas、Nap、Znp、Znd和Op电子形成, 且他们之间存在着强耦合相互作用。Na掺杂ZnO的电输运性质具有各向异性;其价带和导带中的载流子有效质量均较大;载流子输运主要由Nas、Nap、Znp和Op电子完成。

在交通肇事逃逸和刑事案件中, 常涉及对汽车前保险杠物证的检验鉴定, 本实验采集了31款车型的汽车前保险杠碎片的红外光谱图, 借助分类算法, 结合多元统计学中的主成分分析法和判别分析法, 建立数学模型, 对光谱数据逐步展开了挖掘与分析, 成功将31种汽车前保险杠样本分为了17类, 分类正确率达92.5%, 分类结果理想。本研究将现代仪器分析技术和多元统计法相结合实现了对汽车前保险杠碎片的分类和识别, 为现场物证的检验提供了一定的理论依据。

基于贵金属纳米粒子在折射率传感及探测中的应用, 本文运用离散偶极近似, 模拟计算了单一金纳米棒的远场消光光谱, 研究了其偶极局域表面等离子体共振波长的可调性及折射率的传感特性。研究表明, 通过调控金纳米棒的长径比, 纳米棒的局域表面等离子体共振波长在可见至近红外波长范围内广泛可调;在可见与近红外波长范围内, 该共振波长及对应的折射率灵敏度对纳米棒长径比的响应皆分别呈现出二次与线性的分段特征。此外, 利用金介电函数虚部随入射光波长的变化关系, 揭示了金纳米棒表面等离子体所对应的半高宽随该共振波长的变化规律;并利用长径比对金纳米棒的品质因子进行了优化, 得到了优化的长径比。本文的研究结果对未来设计和制造性能优异的基于局域表面等离子体共振的传感/探测基底和元器件具有重要的理论指导意义。

在模拟人体生理条件下, 对抗癌药物靛玉红(IDB)与鲱鱼精DNA的相互作用进行了荧光特性研究。IDB的加入使DNA和盐酸小檗碱(BR)体系的荧光强度明显降低, 且随着IDB加入量的增加, 荧光猝灭现象越发严重, 这表明嵌入DNA内部的BR分子受到了排挤, 脱离DNA分子内的疏水环境进入了外部的亲水环境。同时, IDB与DNA作用后的吸收光谱发生了红移和减色效应, 说明二者之间存在嵌插性的结合。磷酸盐效应及盐效应实验排除了静电和沟槽这两种结合方式。Scatchard方程进一步验证了IDB与DNA之间只存在单一的嵌插作用方式, 并由此得出两者的结合常数。

为了获取准确的粉体材料红外辐射特性参数, 本文对Al2O3粉体材料的红外辐射特性进行了以下研究: 对粉末样品进行积分球反射率和透射率的测量试验, 利用三热流近似法求解辐射传输方程, 结合粒子群算法反演粉末的散射系数和吸收系数。Al2O3粉体材料的辐射特性研究结果显示, 在4~7 μm波段散射系数和吸收系数均随波长和厚度的增加而减小, 且粉末层厚度越小, 粒子散射越强烈。该方法适用于获取常温下各种粉体材料的辐射特性参数, 并分析粉体材料的辐射特性参数及其与厚度等因素的关系。