研究了飞秒脉冲经过光子晶体光纤时超连续谱产生的物理机制。 采用输出波长可调谐的钛宝石光参量放大器作为泵浦源, 光纤光谱仪测量不同泵浦功率和不同泵浦波长条件下光子晶体光纤产生的超连续谱的光谱图, 对进行了归一化处理后的不同泵浦功率和不同泵浦波长条件下的超连续谱进行对比, 分析影响光子晶体光纤超连续谱差异的物理机制。 实验结果表明, 当泵浦波长不变时, 随着入射泵浦脉冲平均功率的增大, 波峰增多, 谱宽也逐渐加宽并伴随着出现能量向短波方向集中的现象, 泵浦功率到达一定强度时, 超连续谱的宽度最后到达饱和, 谱的包络趋于稳定; 入射光功率稳定在300 mW时, 超连续谱的宽度和形状皆受到泵浦波长影响, 在760～840 nm范围内, 泵浦波长越长, 波峰数越多, 泵浦脉冲波长离零色散点越近, 光子晶体光纤产生的超连续谱谱宽会越宽, 超连续谱的形状相对越平坦。

在B3LYP, MP2, CCSD水平理论下, 分别对CCl2分子1A1态和CCl-2分子2B1态进行了几何结构优化和谐振频率分析。 在考虑“Duschinsky效应”情况下, 通过Franck-Condon因子计算模拟了CCl-2离子的光电子能谱带。 计算表明弯曲振动模与对称伸缩模发生了模式混合, 即“Duschinsky效应”在该体系中不能简单忽略。 数值模拟的CCl-2在1A1-2B1电子态跃迁中振动分辨的理论谱与实验测量到的光电子能谱能够较好吻合, 并对其中的振动谱线进行了归属和标识。 结合ab initio计算和IFCA方法, 对Murray, Leopold, Miller和Lineberger推荐的CCl-2的几何构型参数进行了再确认。

制备并研究了Ce3+和Tb3+掺杂碱土硼酸盐(LKZBSB)玻璃及该体系玻璃的光致发光特性, 观察到起源于Ce3+和Tb3+发光中心的蓝紫色和绿色荧光。 波长为487, 543, 586和621 nm的发射峰分别归属于Tb3+的5D4→7F6, 5D4→7F5, 5D4→7F4和5D4→7F3发射跃迁, 389 nm的宽带发射峰归属于Ce3+的5d→4f电偶级允许跃迁。 通过Ce3+引入, LKZBSB玻璃中Tb3+可见光发射的有效激发波长范围显著扩大, 尤其在中波紫外激发下, Ce3+/Tb3+共掺样品中Tb3+的绿光发射强度相对于Tb3+单掺样品, 增强系数高达73倍。 结果表明, 在Ce3+/Tb3+掺杂LKZBSB玻璃中, 紫外辐射可有效转换成可见光, 作为光转换层对增强型太阳能电池的研发具有重要的应用价值。

以MADN为空穴传输层, 主-客掺杂体系［Alq3∶0.7 Wt%rubrene］为发光兼电子传输层, 构建了双层结构的高效率黄绿光OLED器件。 该器件的黄绿光由主发光体Alq3通过不完全能量转移到客发光体rubrene实现, 电致发光峰值位于560 nm, 1931CIE色坐标为(0.46, 0.52), 最大发光效率达到了7.63 cd·A-1, 比相应的NPB做空穴传输层的双层结构器件提高了30%。 通过构建以MADN或NPB为空穴传输层的空穴单载流子器件并进行阻抗谱分析, 结果表明MADN可以作为一种非常有效的空穴传输层, 其空穴迁移性略低于NPB, 这恰好弥补了OLED器件中空穴迁移比电子迁移快这一缺陷, 为改善OLED发光层中载流子的平衡性创造了条件, 从而提高了器件的发光效率。 此外, MADN做空穴传输层的双层结构OLED的发光效率与传统三层结构器件(MADN和Alq3分别作为空穴传输层和电子传输层)基本相当, 表明了这种双层结构器件在简化器件结构的同时并不以牺牲发光效率为代价, 发光层［Alq3∶0.7 Wt%rubrene］兼具有优良的电子传输性能。

以氟化钠和稀土硝酸盐为原料, 柠檬酸钠为表面活性剂, 采用水热法制备出微米级NaYF4∶Yb3+, Er3+上转换发光材料。 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)和荧光光谱仪对所制备样品的晶相、 形貌和发光特性进行了研究。 结果表明, 通过调节NaF/RE3+的比例(5, 6, 7, 8, 9, 11), 实现了样品从立方相到六方相的转变, 样品的立方相和六方相的X射线衍射峰分别与标准卡片PDF#77-2042和PDF#16-0334完全匹配。 由扫描电镜图可以看出, 样品的结晶度高, 分散性好, 形貌从棒状转变为六边形片状。 样品的上转换荧光光谱显示, 随着NaF/RE3+的比例增大, 样品的红绿光发射峰均增强, 样品的520和539 nm处的绿光发射峰对应的是Er3+的2H11/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2的能级跃迁, 而653 nm处的红光发射峰对应的是Er3+的4F9/2→4I15/2的能级跃迁。 由样品的色度坐标图得出, 调节NaF/RE3+的比例还可以实现样品的光色可调, 随着NaF/RE3+的比例增大, 样品的整体发光光色实现了从黄光区到近红光区的移动。 由上述结果可以得出, 通过相对简单的实验方法, 温和的实验条件和相对低廉的材料成本, 仅通过改变原材料中单一组分(NaF)物质的量, 就达到了样品NaYF4∶Yb3+, Er3+晶相、 形貌转变以及发光光色移动的良好控制。 荧光材料的晶相和形貌对其上转换发光的影响在光子器件和生物分析的研究中具有重要的潜在应用。

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源, 已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。 本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置, 在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽, 并采用发射光谱的方法, 对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。 在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光, 钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。 在电压保持不变的条件下(13.5 kV), 等离子体羽长度随气体流量增加而增大; 在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1), 羽长度随外加电压的增大而增大。 在气体流量一定的条件下, 放电电压和放电电流呈反比例关系, 即电压随着电流的增大而减小, 说明放电属于辉光放电。 采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱, 通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。 结果表明, 电子的激发温度随外加电压的增大而降低, 随着工作气体流量的减小而升高。 利用放电的基本理论对上述现象做了解释。 这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。

卷烟烟气的快速、 实时分析对于研究卷烟烟气在抽吸过程中的逐口传递规律, 探究吸烟与健康的关系具有十分重要的意义。 为准确分析卷烟烟气中CH4的逐口释放特征, 基于TDLAS技术, 结合改造后的商用单孔道吸烟机, 建立了卷烟烟气在线分析系统。 以装有CH4(体积分数为0.4‰)的集气袋模拟卷烟, 验证了本系统的逐口稳定性, 二次谐波峰值稳定在1.39附近。 利用该系统, 选择中心波长在1653.72 nm的半导体激光器对四种品牌卷烟烟气中的CH4进行了逐口在线分析。 实验结果表明, 卷烟烟气中CH4的含量随着抽吸口数的增加而增加。 烤烟型卷烟的总量和逐口含量均明显大于混合型卷烟, 烤烟型和混合型卷烟分别在400～900和200～600 ppm范围内逐口递增。 同时不同类型烤烟型卷烟烟气中CH4的总量和逐口含量也有差别。 与传统的逐口分析方法相比, 本系统抗干扰能力强, 能够有效避免烟气中其他气体干扰, 并且可在卷烟抽吸间隔完成逐口检测, 无需样品前处理, 大大提高了检测效率。 该技术在卷烟烟气的逐口在线检测方面具有较好应用前景。

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。 太赫兹波频率在0.1～10 THz之间, 波段位于红外和微波之间。 太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大, 如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。 选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究, 首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点, 进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。 实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息, 反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合, 与吸收系数和厚度相关, 离散效应得到了很好的消除, 相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。 此新方法尤其适用于结构简单的样品, 能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。

聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide, PMI)泡沫复合材料具有众多优良特性, 被广泛应用于航天航空、 **、 船舶、 汽车及高速列车等各个领域。 而作为新型的夹层结构材料, 其太赫兹(Terahertz, THz)波段的性能检测尚未见报道。 基于THz时域光谱分析方法, 对国内外两种型号的PMI泡沫复合材料在太赫兹波段透射及反射的实验获得的时域波形、 功率密度谱进行了分析比较, 基于MATALB编程、 Origin8.0数据处理, 应用时域、 频域方法计算分析了不同厚度的德固赛(型号: Rohacell WF71)、 美沃科技发展有限公司生产的(型号: SP1D80-P-30) PMI泡沫复合材料的透射率(传输函数)、 吸收率、 反射率以及折射率等光学参数。 研究结果表明: 通过对比空气、 氮气中的不同测量结果, 解释了湿度对测量结果的影响。 PMI泡沫复合材料的折射率为1.05左右, 功率谱的衰减是由于测试平台本身信号较弱、 样品较厚且PMI泡沫的内部微结构的散射, 造成THz波在>0.6 THz波段表现出明显的衰减。 该结论为THz波段在PMI泡沫复合材料方面的应用提供了理论依据, 同时也为太赫兹无损探伤(non-destructive testing, NDT)技术在PMI泡沫复合材料方面的应用做了一个良好的铺垫。

特征提取和分类是太赫兹光谱识别的关键。 部分物质在太赫兹波段内没有明显的吸收峰, 难以人工定义、 提取特征及分类识别, 为此, 结合深度信念网络(deep belief network, DBN)和K-Nearest Neighbors (KNN)分类器的优点, 提出了一种基于DBN的太赫兹光谱识别方法。 首先利用S-G滤波和三次样条插值对ATP, acetylcholine_bromide, bifenthrin, buprofezin, carbazole, bleomycin, buckminster和cylotriphosphazene在0.9～6 THz内的太赫兹透射光谱进行归一化处理; 然后由两层受限波尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)构建DBN模型, 并采用逐层无监督的方法训练模型, 以自动提取太赫兹光谱特征; 最后用KNN分类器对8种物质的太赫兹透射光谱进行分类。 结果表明, 使用DBN自动提取的光谱特征, KNN分类器、 BP神经网络、 SOM神经网络和RBF神经网络的分类准确率达到了90%以上, 且KNN分类器的识别率优于其他三种分类器; 采用DBN自动提取物质的太赫兹光谱特征大大减少了工作量, 在海量光谱数据识别中具有广阔的应用前景。

太赫兹时域光谱仪的测量速度是一个非常重要的指标, 为了提高光谱仪的测量速度需要提高延迟线的扫描速度。 实验研究了扫描速度、 时间常数、 采样率对太赫兹时域光谱仪信号品质的影响。 研究结果表明, 当时间常数为10 ms时, 提高扫描速度不会对信号幅度造成较大改变; 而当时间常数为30, 100和300 ms时, 随着扫描速度的提高, 信号幅度会迅速降低, 且时间常数越大信号幅度衰减越快, 因此, 为了避免在提高测量速度时导致信号品质的劣化, 应尽量设置较小的时间常数。 另一方面, 当采集一定时域长度的信号时, 扫描速度越高, 采集到的采样点数越少, 时域波形失真越严重, 因此在提高扫描速度时, 不仅需要减小锁相放大器时间常数, 同时还需要相应的提高采样率以避免因采集点数减少而造成信号波形的失真。 该结果可为提高太赫兹时域光谱仪的测量速度提供参考。

光子计数成像探测器作为探测微弱光的重要手段, 由微通道板, 解码阳极以及后续的读出电路组成, 其中解码阳极的性能直接影响着探测器的成像质量。 作为一种电荷分割型阳极, Vernier阳极利用周期性的正弦电极区域替代了楔条形阳极(WSA)的线性电极, 可获得高的成像分辨率和大的电极活动区域。 根据Vernier阳极的设计原理对Vernier阳极进行了仿真和设计, 首先, 介绍了矢量形式的阳极解码, 确定了阳极设计参量为阳极周期长度, 电极振幅及电极波长; 其次, 分析了各阳极设计参量对探测器成像的影响, 利用Labview软件分别模拟了电子云, Vernier阳极板以及其相互作用成像情况, 确定了Vernier阳极周期长度与粗调波长之间的关系以及设计参数一定时, 成像达到最佳的电子云大小, 依照模拟结果和实际的加工条件, 设计和制备了周期为891 μm, 绝缘沟道为25 μm, 振幅为50 μm, 粗调数为5的九路Vernier阳极。

为了能从交通事故现场的微量物证中检测出道路标线涂料, 并进一步区分其厂牌, 选取国内三个不同厂牌的热熔型反光道路标线涂料及其配方原料, 利用一维红外光谱(FTIR)、 二阶导数光谱(SD-IR)、 二维相关光谱(2D-IR)进行三级鉴定研究。 实验结果表明, 三个厂牌的涂料在一维谱图上峰形相似度很高, 只是吸收峰波数有一定的差异, 在1 435 cm-1附近都有宽强吸收峰, 879, 2 955, 2 919, 2 870 cm-1附近也有较强吸收峰, 经过分区域局部放大并与每种配方原料图谱比对分析, 可将三个厂牌涂料加以区分, 700～970和1 370～1 660 cm-1区域内主要反映出三厂牌涂料的重质碳酸钙相对含量不同, 2 800～2 960 cm-1区域内主要反映出聚乙烯蜡(PE蜡)、 乙烯醋酸乙烯树脂(EVA)、 邻苯二甲酸二辛酯(DOP)的相对含量不同。 二阶导数谱图不仅验证了一维光谱分析的结果, 而且进一步扩大微观差异, 并在512～799 cm-1区域内反映出石英砂相对含量的不同。 在1 351～1 525 cm-1范围内的二维红外相关光谱中, 自动峰出现的位置和个数有着更为显著的差异。 因此, 红外光谱三级鉴定是一种快速有效识别、 区分热熔型反光道路标线漆的方法, 并且表观分辨率逐级提高。

臭氧是地球大气中一种重要的痕量气体, 在光化学反应和气候变化中都扮演着非常重要的角色。 高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气臭氧信息, 但是由于热红外受大气温度影响较大, 臭氧反演精度会有所下降。 为此详细讨论和分析了温度对臭氧吸收光谱和权重函数的敏感性, 以及对臭氧反演精度的影响。 首先利用逐线积分辐射传输模型LBLRTM, 分别模拟计算了六种不同标准大气模式下, 1K的随机温度误差对大气透过率和辐射值的影响, 发现1 K温度随机误差和臭氧浓度5%～6%的变化引起的辐射值变化量一致。 接着利用CRTM辐射传输模型, 针对搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(National Polar-orbiting Partnership)平台上的CrIS(Cross-track Infrared Sounder)红外高光谱观测数据, 计算了1K的随机温度误差对大气臭氧权重函数的影响, 并计算了由1K温度误差所导致的热红外高光谱资料大气臭氧廓线反演误差, 结果显示CrIS对于臭氧的敏感区位于10～100 hPa之间, 且1 K的温度误差和6%的臭氧浓度变化引起的权重函数变化量相当。 最后以CrIS作为实验数据, 在最优估计法框架下, 通过特征向量统计法获取臭氧廓线的先验知识, 并将大气温度廓线和大气臭氧廓线都作为未知量, 进行同步迭代反演。 将反演结果和配对的世界臭氧紫外数据中心WOUDC的站点数据进行比较, 发现在反演中加入大气温度廓线进行同步迭代后, 反演结果有显著提高, 尤其在平流层与真值几乎一致, 最大相对误差不超过20%, 在对流层反演结果相对较差, 最大相对误差不超过50%, 优于欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasting)臭氧模式数据集ERA-Interim。

血红蛋白氧合与脱氧的周期循环在体内驱动红细胞结构与功能调节中发挥着重要作用, 已引起广泛关注; 但是对体外培养的红细胞在单个活态水平上进行携氧功能随孵育时间动态变化研究未见报道。 本研究应用显微激光共聚焦拉曼散射技术, 采集不同时间的活态红细胞拉曼光谱, 分析表征血红蛋白携氧能力特征峰(1 636和1 562 cm-1)和构象敏感的酰胺Ⅲ谱带(1 240～1 300 cm-1)随时间变化规律; 同时结合扫描电镜观察相应RBC形态。 结果发现, 在0～24 h内, 结构稳定、 变构协同功能正常的血红蛋白发生着携氧量增加与减少和构象R态与T态交替变化, 与此同时扫描电镜下双凹圆盘型红细胞也发生“伸长”与“收缩”交替变化。 本结论不仅为体外研究红细胞携氧功能提供来自单个活细胞内的多水平特征参数, 同时也为体外开展针对红细胞筛选活性组分、 评价药物药效和毒副作用研究开拓思路。

木材细胞壁的改性机理研究是改良木材处理试剂, 优化木材处理工艺, 提高木材密度、 力学、 尺寸稳定性等各项性能的关键。 以人工林杉木为研究对象, 采用合成的水溶性低分子量酚醛树脂(PF)对杉木试材进行逐步的真空加压浸渍处理, 通过高精度、 高分辨的X射线衍射仪(XRD)、 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和核磁共振仪(NMR)(采用交叉极化/魔角旋转法进行连续测试)对处理和对照试样的相关物理和化学性能进行了对比分析, 研究结果表明: 水溶性低分子量PF处理后, 试样的结晶度与未处理的对照样相比, 数值降低明显, 平均降低率分别为12.67%, 11.91%和6.26%。 结合FTIR和NMR 13C的检测谱图发现, 水溶性低分子量PF改性后的杉木与对照杉木相比, 没有增加新的酯类、 醚类等官能团特征峰和化学位移, 认为水溶性低分子量PF不能与杉木发生明显的化学反应, 但会进入到结构较松散、 空隙尺寸较大、 相对面积较多的管胞细胞壁中的非结晶区, 形成物理性的充填, 最终引起杉木相对结晶度的降低。 本研究对于研发新型木材改性试剂、 优化木材改性处理工艺具有重要的参考价值, 研究结果还将为进一步探明木材细胞壁的改性机制、 丰富木材细胞壁的改性理论提供重要的依据。

针对近红外光谱检测中存在的模型传递问题, 即在某一测试环境或仪器上建立的定性定量预测模型不适用于其他检测环境或仪器所采集的数据, 该研究以土壤有机质为研究对象, 采用FIR算法开展了此方面的研究工作。 首先, 在山西境内不同地方采集了59个壤土土壤样本, 选用ASD公司的FieldSpec3光谱检测仪, 分两批次对土壤样本进行了近红外光谱检测。 第一批测试土样称为“源机样本”为50个, 第二批测试土样称为“目标机样本”为9个; 然后, 随机选取“源机样本”中的41个样本作为校正样本, 其余9个样本作为预测样本, 采用偏最小二乘(PLS)定量预测方法建立了土壤有机质的定量预测模型, 预测样本的预测相关系数为0.961, 预测样本标准差(RMSEP)为0.600%, 预测样本标准偏差(SEP)为0.597%, 说明采用该方法可以很好地预测“源机样本”。 当采用上述模型对9个“目标机样本”进行预测时, 发现其预测相关系数为负值, 表明采用该模型直接对“目标机样本”进行预测是不可行的。 最后, 采用FIR模型传递算法对“目标机样本”进行了处理, 当窗口大小为p=516时预测效果提高, 预测相关系数为0.706, RMSEP为0.662%, SEP为0.430%, 说明FIR可以实现不同测试条件下获得谱图的传递, 实现模型的共享。

利用衰减全反射-傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱技术探讨了气溶胶颗粒物中SO2-4, NO-3, NH+4三种水溶性无机离子的快速无损测量方法。 利用IC法测量三种无机离子含量的对照值, 结合偏最小二乘(PLS)法建立了三种无机离子的定量分析模型, 并对模型进行了评价; 利用马氏距离判别法对异常值进行了判别与剔除, 并探讨了不同光谱预处理方法和不同光谱范围对建模结果的影响, 确定了最佳建模参数。 结果表明剔除异常值之后经二阶微分处理的模型预测性能较好, SO2-4在1 220～900 cm-1光谱范围内预测性能较好, NO-3在1 521～900 cm-1光谱范围内预测性能较好, NH+4在1 521～1 220 cm-1光谱范围内预测性能较好, 预测均方根误差分别为1.736 7, 1.023 9和1.482 3。 所建立的模型为实现对大批量气溶胶样品中三种无机离子的实时快速定量分析建立了基础。

高光谱成像技术因具有图谱合一的特点在作物品种鉴别方面具有较大潜力, 但目前研究大多只提取利用了光谱信息, 对图像信息没有进行有效利用。 本文利用近红外高光谱成像仪采集了强筋、 中筋、 弱筋3个类型共计6个品种的单粒小麦种子高光谱图像, 提取了长、 宽、 矩形度、 圆形度、 离心率等12个形态特征, 并对图像中的胚乳和胚区域进行分割建立掩膜, 提取了胚乳和胚区域的平均光谱信息。 采用PLSDA和LSSVM方法建立基于图像信息的判别模型, 结果表明强筋、 弱筋两者二分类的识别率能达到98%以上, 强筋、 中筋两者二分类的识别率只能达到74.22%, 说明近红外高光谱图像的形态信息能够反映品种间差异, 但单独利用图像信息进行分类时准确度可能欠佳。 采用SIMCA, PLSDA和LSSVM方法建立了胚乳和胚区域光谱信息的多分类模型, 胚乳区域的分类效果较胚区域略好, 说明籽粒不同部位的形状差异会影响分类效果。 进一步融合光谱信息和图像信息, 采用SIMCA, PLSDA和LSSVM方法建立融合模型, 识别率较单独的图像或光谱信息模型均略有提升, PLSDA方法从原来的96.67%提升到98.89%, 表明充分挖掘高光谱图像所包含的形态特征和光谱特征可有效提高分类效果。

为研究水稻土的光谱特征及其对不同土壤组分的响应规律, 研究采集江西省发育于红粘土(RC)和红砂岩(RS)的两个水稻土时间序列为研究对象。 以水稻土时间序列为研究对象的优势在于, 样本有相同的土地管理背景, 母质和种稻时间成为土壤发育过程中的两个主导差异因素, 进而能够对土壤有机质(SOM)和母质特征在光谱上的响应特征进行研究。 使用Cary 5000分光光度计采集样品在350～2 500 nm波段的漫反射光谱信息, 并从土壤层次、 成土时间和成土母质三个方面, 论述了在VNIR波段水稻土中的主要有机质和无机矿物组成的光谱响应特征和规律。 实验结果表明: 对于单一母质的时间序列土壤样品而言, SOM增加是人为水耕条件下土壤演变的重要趋势之一, 用PC_1 Score表征的整体反射率与SOM含量间可建立精度较高的模型(R2RC=0.91, R2RS=0.79), 且在SOM含量低值区也能保证较高精度; 1 400, 1 900和2 200 nm三个波段处的吸收强度主要与母质中的矿物有关, 在土壤剖面中下层土壤受人为作用较弱、 土层吸收强度较大, 且相同母质的土壤光谱, 在这三个波段有相同的吸收峰强度比值, 可作为判断母质同质的依据; 母质成分的差异会显著影响土壤光谱的波形以及吸收强度, 在建模中充分考虑母质因素将使模型更具解释性。

近红外光谱技术(NIRS)以其低成本、 高效、 环保、 无损的优势在日粮和畜产品品质分析中得到广泛应用。 饲料品质参数(如粗蛋白)的获取对于日粮营养的合理搭配不可或缺, 传统的近红外光谱技术将日粮的近红外光谱与日粮品质参数的化学测定值进行回归, 建立预测模型对日粮品质参数进行检测。 然而, 在放牧条件下日粮近红外光谱的难以获取限制了这一传统建模方法在动物营养中的应用。 作为动物代谢性产物, 动物粪便不仅包含有日粮信息也携带有动物自身信息。 近年来, 基于动物粪便近红外光谱和日粮信息(日粮植物学成分、 化学成分及其消化率)建立的回归模型, 也已被用于动物日粮信息的检测。 简要介绍F.NIRS在动物性别、 品种鉴定及繁殖和寄生虫感染状态检测中的应用。 NIRS在动物粪肥分析中的应用结果表明NIRS能够对粪肥中主要成分含量进行快速分析。 尽管F.NIRS预测准确性有待提高, 但已显示出其作为快速、 有效的分析工具用于检测日粮品质参数及动物生理状态的潜力。 相关的英文评述性文章业已出版, 但在中国F.NIRS的研究和应用非常欠缺。 期望本文的呈现有助于F.NIRS在国内的发展。 推荐将NIRS作为快速分析工具用于对粪肥主要成分(DM, OM, TS, VS, TN, TKN和NH3-N)含量进行检测。

探索使用近红外反射和透射光谱法(波长范围908.1~1 677.2 nm)鉴定玉米杂交种纯度, 并对两种方法进行比较。 对光谱进行一阶导数、 矢量归一化的预处理后, 使用主成分分析(PCA)和正交线性判别分析(OLDA)提取光谱特征, 使用支持向量机(SVM)分别建立两个玉米品种(农华101和京玉16)的种子纯度鉴定模型。 反射近红外光谱建立的农华101和京玉16的正确鉴定率分别为100%和90%。 但反射光谱法受种子摆放位置的影响很大, 胚面和非胚面光谱有较大差异。 透射光谱法建立的京玉16和农华101纯度鉴定模型的正确鉴定率均为98%, 胚面和非胚面的光谱相似度很高。 结果表明, 利用近红外反射和透射光谱法鉴定玉米杂交种纯度是可行的; 透射光谱法更适于分析单籽粒玉米种子。

木质纤维生物质资源的开发利用是当前国内外广泛关注的重大课题, 为了提高木质纤维的利用效率、 降低开发成本, 人们亟需掌握木质细胞壁抗降解机理, 深入了解细胞壁复杂的化学组成和分子结构。 红外显微光谱作为一种可进行微区分析和无损检测的新技术, 具有检测速度快、 灵敏度高、 制样简单等优点, 已经被广泛运用在生物质原料及生物质预处理过程分子结构变化等的研究中。 它能够快速准确地提供木质纤维细胞的化学组成和分子结构等信息, 可用于植物细胞壁的区域化学研究。 本文在简述红外显微光谱技术原理及具体实验方法的基础上, 综述了红外显微光谱技术在探究木质纤维细胞壁化学组成及结构方面的应用进展, 对细胞壁主要组分的原位分布、 经预处理后组成的变化以及分子排列方向三个方面进行了总结。 并对其在木质纤维细胞壁研究的应用前景进行了展望: 提高显微镜的放大倍数、 提高化学成像图的空间分辨率、 与其他检测手段和仪器联合使用等。 以期为木质纤维细胞壁的组分研究提供新手段。

微生物驱动下, 纤维素分解及转化在腐殖质形成中具有重要作用。 采用红外光谱辅以元素分析的技术手段对单一真菌(木霉、 青霉和黑曲霉)及复合菌液体摇瓶培养70 d后菌体残留物的类腐殖质(类胡敏酸HLA和类胡敏素)结构进行了分析对比。 结果表明: (1)两技术手段的结合有助于菌体残留物HLA分子结构的阐明, 然而在表征残留物类Hu结构方面, 尚需进一步探讨; (2)木霉有利于其所形成菌体残留物HLA分子的缩聚作用, 而青霉则更有利于该组分的降解; (3)青霉和复合菌对残留物HLA分子表现为氧化降解作用; (4)复合菌和黑曲霉均有助于培养液无机氮化合物向残留物HLA和类Hu组分中有机氮成分的转移, 促使其氨基C含量增加, 为腐殖化进程提供氮源。

胃癌患者能够得到早期诊断对其治疗具有十分重要的意义, 疾病状态下的血红蛋白拉曼光谱检测在血液代用品的高铁血红蛋白含量检测中以及血氧饱和定量测定中占很大优势。 本实验采用微波加热法制备银胶体粒子, 依次对20例胃癌患者和11例健康人的血红蛋白进行表面增强拉曼光谱分析。 采用SERS谱峰归属分析结果显示胃癌患者血红蛋白中的酪氨酸、 苯丙氨酸和吡咯环的含量均低于正常人。 本文还讨论了血红素的分子结构, 在血红蛋白和氧气结合的前后, Fe2+分别处于高低自旋态, 离子半径也随着与氧结合缩小了0.075 nm从而滑落入卟啉环平面中央的孔隙之中。 这种空间的拉伸变化会牵动与铁相连的F8His, 使得珠蛋白中两股螺旋之间空隙缩小, 导致将HC2酪氨酸排挤出空隙。 利用这一机理, 对血红蛋白1 560 cm-1的吸收峰进行研究, 证实了胃癌患者酪氨酸含量确实低于正常人。 为了能得到更加明显的诊断区分, 利用降维的思想, 采用主成分分析(PCA)的方法对所有的拉曼光谱进行多元统计分析, 得出三维的诊断散点图。 为了更加精确的得出诊断准确率, 用判别分析得出诊断的灵敏度和特异性分别为90.0%和90.9%, 总判别正确率为90.3%。 此项研究表明: 对氧合血红蛋白的表面增强拉曼光谱诊断分析有希望成为一项新型的胃癌诊断技术应用于医学领域。

乙醇含量拉曼光谱检测中, 拉曼光谱信号中的各种噪声及光谱荧光造成的基线漂移和样品池背景等, 影响了校正模型的预测精度。 利用总体平均经验模态分解, 将光谱信号分解成若干无模态混叠的内在模式分量, 根据排列熵的信号随机性检测判据判断出代表背景信息和噪声信息的内在模式分量, 将其置零即可同时消除拉曼光谱中的噪声与背景。 将总体平均经验模态分解与排列熵相结合的预处理方法应用于乙醇含量的拉曼光谱检测中, 并与小波变换和平均平滑滤波做了对比。 实验结果表明: 应用总体平均经验模态分解与排列熵相结合的方法能够有效的同时消除乙醇含量拉曼光谱检测中的噪声和背景信息, 提高校正模型的预测精度, 且使用简便, 无需参数设置, 对乙醇含量拉曼光谱检测具有实用价值。

植物的水分和能量代谢在其生命活动中起着至关重要的作用。 尽管用热红外成像技术研究此类功能已有报道, 直接用于林木生长状态检测的研究为数不多。 本研究通过创建温差指数缩小了观测间的热温波动, 提高了热像温度观测的精度, 增加了被测对象间的可比性。 在此基础上, 用热红外成像技术检测了侧柏［Platycladus orientalis (L.) Franco］伐根面以及生长锥木芯之边材与心材的差异和变化, 研究了侧柏树干和鳞叶的水分和能量代谢的关系。 结果发现随活力状态的变化侧柏林木边材与心材树液(sap)比值不同, 而且不同活力状态的侧柏其鳞叶同样表现出热温的差异。 相对于叶面积与边材面积的比值而言, 热红外光谱更多地反映了树液的状态而不是木材的比例。 边材和心材的树液比反映在热红外成像设备中的则是边材与心材的热温比值, 该指标有潜力早期反映侧柏树木健康。 柏肤小蠹(Phloeosinus aubei Perris)和双条杉天牛(Semanotus bifasciatus Motschulsky)等蛀干害虫是常见的侧柏衰弱木、 濒死木、 枯立木、 伐倒木和新栽幼树上寄生的害虫。 经过大量的热红外成像观测, 侧柏衰弱木和蛀干害虫受害木边材和心材热温比明显地增大。 因此, 该技术有潜力成为检测侧柏林木活力和确定受害状况的重要指标, 成为侧柏生态公益林抚育和经营管理的重要依据。

在农田尺度下, 土壤表层因理化性状、 粗糙度、 作物根系和秸秆残茬等引起的空间异质性较为明显, 样点间含水量差别相对较小, 这对基于近红外漫反射光谱技术的表层土壤含水量原位测定带来极大的挑战。 本研究分别利用基于单一波长(1 200, 1 400, 1 450, 1 820, 1 940, 2 000和2 250 nm)反射率构建的指数衰减模型、 基于归一化土壤湿度指数(NSMI)和相对吸收深度(RAD)构建的线性模型、 基于土壤含水量高斯模型(SMGM)所得的拐点宽度(σ)、 函数中心振幅(Rd)和高斯曲线面积(A)三个参数构建的线性或二次模型, 以及基于波长区间反射率构建的偏最小二乘模型(PLS), 对土壤体积含水量(VMC)进行定量分析。 结果表明: (1)在单一波长反射率构建的所有指数衰减模型中, 2 000 nm波长显示出最佳验证效果, RMSEp最低(2.463), RPD最大(1.06); (2)与RAD相比, NSMI的验证精度更令人满意, R2(0.312)和RPD(1.224)更高, RMSEp(2.133)更低; (3)在SMGM模型参数以及PLS模型拟合VMC的验证结果中, Rd具有最佳拟合精度, 其R2(0.253)和RPD(1.175)最高, RMSEp(2.222)最低; (4)总的来看, NSMI指标构建的线性模型是所有方法中精度最高的, 而且计算过程简单, 易于操作, 可作为表层土壤含水量原位测定的首选方法。

氨基酸与儿茶素是茶叶品质的重要组成成分。 祁门红茶在加工过程中, 氨基酸与儿茶素含量发生了显著的变化, 而且不同加工阶段差异性很大, 但目前在生产中缺乏快速在线检测方法。 为了实现对祁门红茶加工过程中氨基酸和儿茶素含量快速测定, 试验以鲜叶、 萎凋叶、 揉捻叶、 发酵叶和干燥后毛茶为原料, 获取近红外光谱并利用化学方法检测氨基酸和儿茶素含量。 对采集的原始光谱进行标准正态变量变换(SNVT)预处理, 利用联合区间偏最小二乘回归法(Si-PLS)构建氨基酸和儿茶素含量近红外回归模型, 相关系数与交互验证均方根误差作为评价模型的有效指标。 结果表明, 利用Si-PLS方法建立氨基酸含量的模型最优组合包含20个光谱区间并联合4个子区间和9个主成分因子, 校正集的相关系数、 校正均方根误差分别为0.955 8和1.768; 预测集的相关系数、 预测均方根误差分别为0.949 5和2.16。 儿茶素含量的模型最优组合包含20个光谱区间并联合3个子区间和10个主成分因子, 校正集的相关系数、 校正均方根误差分别为0.940 1和1.22; 预测集的相关系数、 预测均方根误差分别为0.938 5和1.17。 所建立模型准确性较好, 这为茶叶加工过程中茶叶品质的在线监控提供了理论依据。

钛材质量控制的关键是控制精TiCl4中杂质含量。 精TiCl4是海绵钛生产的关键环节, 海绵钛中杂质与精TiCl4中杂质含量成4倍富集关系。 需要分析氧杂质的来源, 对精TiCl4中氧杂质进行严格控制。 精TiCl4中TiOCl2含量的测定具有重要意义。 TiOCl2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, 利用波长范围7 800～440 cm-1的硒化锌窗片(10×1 mm)和玻璃池体(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TiOCl2杂质含量。 实验得出TiOCl2的检出限为17.8 mg·kg-1, 样品回归方程Y=1.0118X, 相关系数r为0.996 3, 加标TiOCl2样品的回归方程Y=1.940 0X, 相关系数r为0.997 0, 线性关系较好。 测定精TiCl4中TiOCl2含量为833.8 mg·kg-1, 标准偏差(SD)为40.0 mg·kg-1, 方法精密度相对标准偏差(RSD)在0.95～1.94之间, 加标回收率在88.5%～93.1%之间。 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TiOCl2含量, 可满足精TiCl4中TiOCl2分析的要求。

提出了利用可见/近红外高光谱成像技术检测高温障碍胁迫下番茄叶片色差的方法。 首先采集380~1 023 nm波段范围内60个高温障碍胁迫和60个健康番茄叶片的高光谱图像, 同时获取全部叶片的色差值(L*, a*和b*), 然后提取所有样本的高光谱图像中感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值。 基于不同预处理方法建立偏最小二乘(partial least squares, PLS)预测模型, 再利用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)提取特征波长并建立SPA-PLS预测模型。 最后分别基于全波段和特征波段建立偏最小二乘-判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)模型。 结果显示, 全波段中基于原始光谱信息建立的模型效果最好, 3个色差值的预测集决定系数(determination coefficient, R2)分别是0.818, 0.109和0.896; 基于特征波长建立的模型预测集R2分别是0.591, 0.244和0.673; 所有模型预测集的总体识别率均大于77.50%。 结果表明, 可见/近红外高光谱成像技术检测番茄叶片色差值(L*和b*)和识别高温障碍样本是可行的。

牛奶蛋白质的分析和监测是奶制品行业中不可或缺的环节利用可见光/近红外反射光谱(350～2 500 nm)进行纯牛奶中真蛋白质含量的快速定量反演。 分别通过ASD地物光谱仪和CEM真蛋白质测定仪采集牛奶样本的反射光谱数据以及蛋白质含量数据, 对比分析不同的光谱预处理方法和波段筛选方法, 得到特征波段, 最后利用主成分回归(PCR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型建立牛奶反射光谱和蛋白质含量之间的定量校正模型, 并对其预测能力进行比较, 从而确定最优的牛奶中真蛋白质含量反演模型。 实验结果证明: (1)比较不同光谱预处理方法, 发现多元散射校正与二阶微分联合使用效果较好; (2)相对于全光谱建模, 适当的特征变量优选有助于提高建模精度, 缩短建模时间; (3)PCR的验证集决定系数R2P为0.952 2, 验证集均方根误差RMSEP为0.048 7, 而LS-SVM的R2P为0.958 0, RMSEP为0.048 2, 其预测精度要优于PCR。 研究表明, 可见光/近红外高光谱反射率数据可以为牛奶真蛋白质含量的检测提供一种快速、 无损的新方法。

水质指纹携带了水样的发光有机物组成的信息, 可以作为一种新方法来弥补COD和TOC等传统理化参数只能给出有机物总量信息的不足。 印染废水是我国水量最大的工业废水之一, 其特点是水量大、 污染重, 含有大量发光有机物质, 且难降解, 其对自然水体的危害尤为明显。 对我国某印染废水处理厂废水进行了连续采样, 对水样的水质指纹特征进行了研究。 结果表明, 该厂印染废水水质指纹特征比较明显, 水质指纹上主要有激发波长/发射波长分别为230/340和280/310 nm左右的两个峰, 其中230/340 nm处的强度最强, 280/310 nm处的强度次之, 各峰波长和强度比较稳定。 该印染废水的两个水纹峰的峰强呈正相关关系, 线性相关系数为0.910 8, 斜率为1.506。 激发波长/发射波长为280/310 nm的强度与230/340 nm强度比值的平均值为0.777, 范围为0.712～0.829。 对该印染污水水质指纹的可能荧光物质进行分析, 结果表明生活污水和苯胺类物质的水质指纹与该印染污水的水质指纹不同, 而几种大量使用的染料的水质指纹与该印染污水的水质指纹大致相同, 所以染料的大量使用可能是导致印染废水产生上述典型水质指纹特征的主要原因。 水质指纹可以用于水体水质预警。

除草剂废水作为难处理的工业废水之一, 具有含盐量高、 可生化性差、 难生物降解等特点。 该废水含有的溶解性有机物与难溶解性有机物均以含氮有机物为主, BOD∶COD=0.045, C∶N∶P=692∶426∶1。 实验采用吹扫捕集、 静态顶空、 固相微萃取、 固相萃取、 液液萃取与气相色谱/质谱联用, 定性分析了莠去津、 乙草胺除草剂生产废水中主要有机污染物, 并研究了废水及主要污染物的紫外吸收光谱、 三维荧光光谱。 定性结果显示, 废水中含有氯代烃、 苯系物和均三嗪类、 酰胺类除草剂等38种挥发性、 半挥发性有机物, 其中莠去津、 乙草胺等除草剂占87.99%。 受单环或杂环类物质的影响, 废水在波长210～230和250～270 nm范围内有紫外吸收, 且氨基基团导致其紫外吸收红移20 nm。 废水在λex/λem=200～280/300～400 nm产生了5个荧光峰a(225/305 nm), b(265/365 nm), c(275/305 nm), d(285/390 nm), e(320/375 nm)。 不同官能团特征有机物三维荧光结果显示, λex/λem=215～230/290～340 nm附近区域为不饱和键荧光区, 废水中该区域主要荧光贡献物质为烯烃、 苯环、 杂环; λex/λem=270/300 nm附近区域为酚羟基、 羰基荧光区, 废水中该区域主要荧光贡献物质为苯酚类、 酮类。

实验测定了不同产区熟地黄的三维同步荧光光谱, 提取其特征参数, 发现不同产区熟地黄的有效荧光成分相似, 并建立了谱-效关系, 为临床用药剂量提供参考。 进一步, 对不同产区熟地黄的同步荧光发射光谱分别求一阶导数和二阶导数, 放大了同步荧光发射谱的肩带, 可区分光谱的细微变化, 建立了鉴别不同产区熟地黄的导数同步荧光光谱方法。

采用紫外-可见吸收光谱法定性检测有机物蒸气。 用聚乙烯薄膜做介质, 用紫外-可见分光光度计检测有机物蒸气, 获得大豆油、 葵花籽油、 花生油、 油菜籽油、 芝麻油、 棉花籽油和油桐种油植物油蒸气, 以及丙酮、 乙酸乙酯、 95%乙醇和冰乙酸有机化合物蒸气的紫外-可见吸收光谱图。 结果显示: 通过仪器调零, 很好地清除聚乙烯薄膜的紫外-可见吸收光谱, 获得了所检测植物油蒸气和有机化合物蒸气的紫外-可见吸收光谱, 对不同的植物油和不同的有机化合物均有很好的区分性, 检测所获得的各植物油蒸气紫外-可见吸收光谱图的λmax、 λmin、 吸收峰的数目、 位置、 拐点均不一致, 可以很好的区分各种植物油, 对有机化合物也有很好的检测。 方法的重现性好, 葵花籽油蒸气10次检测所得的紫外-可见吸收光谱图完全一致。 实验结果表明, 聚乙烯薄膜作为紫外-可见吸收光谱定性分析用的介质, 用于植物油和有机化合物蒸气的检测, 具有分析速度快、 重现性好、 准确可靠、 成本低等特点, 可提供有机物蒸气的特征信息和有机化合物的结构信息, 为化合物和有机物蒸气的鉴定提供新的检测方法。

利用密度泛函与自洽反应场理论在B3LYP/6-31+G(d)水平下分别计算气态及24种不同极性溶剂中4,4’-二溴二苯醚(4,4’-dibrominated diphenyl ethers, BDE-15)的分子振动光谱(红外光谱、 拉曼光谱), 以气态分子振动光谱为基准, 筛选出对溶剂极性敏感的特征振动作为指标构建溶剂对BDE-15振动光谱溶剂化效应指标体系, 探究溶剂对BDE-15分子振动频率、 红外/拉曼峰强溶剂化效应及综合效应, 并寻求显著增强BDE-15分子特征振动频移/强度的溶剂。 研究表明: 从分子振动频率角度, 溶剂极性敏感的(频移>1 cm-1)分子特征振动均为伸缩振和面外弯曲振, 但24种溶剂对BDE-15分子振动频率溶剂化效应并不显著; 从分子振动峰强角度, 24种溶剂对BDE-15分子振动光谱峰强的增强效应主要发生在红外光谱的中低频区及拉曼光谱的高频区, 其中起显著增强(红外/拉曼效应指标值分别大于6与5)的溶剂为醇类、 乙腈、 二甲亚砜、 硝基苯; 不同极性溶剂对BDE-15拉曼峰强溶剂化效应及综合效应指标值均表现出随溶剂介电常数增长由线性到对数的增长趋势, 而红外峰强只保留低介电常数溶剂时的线性关系。 利用上述BDE-15分子振动光谱峰强增强方法对BDE-153, BDE-154和BDE-209进行验证, 醇类、 乙腈、 二甲亚砜、 硝基苯对三者的振动光谱红外/拉曼峰强的效应指标值分别大于6与5, 且最大峰强增倍数皆大于33, 说明所建BDE-15分子振动光谱增强特征振动方法有助于进一步开展基于分子振动光谱的PBDEs同系物间辨识研究。

光谱解混是高光谱技术中的关键部分, 对地物成分的定量分析至关重要。 线性光谱解混方法在计算端元丰度时, 大多需要涉及矩阵求逆或方阵行列式的计算, 导致软件实现的计算复杂度高, 且硬件实现困难。 同时, 当端元数量增加时, 算法的计算量也会随之呈指数级快速增长。 论文基于传统的正交子空间投影方法, 利用正交原理, 提出了一种新的光谱解混方法——正交向量投影。 该方法首先利用Gram-Schmidt过程计算每个端元的最终正交向量分量, 并将其作为代表端元的投影向量。 然后对于任意的待解混光谱向量, 直接将其投影到该正交向量上。 最后, 计算得到投影分量的长度与正交向量的长度比, 即为该正交向量所代表端元的无约束丰度。 该过程避免了正交子空间投影和最小方差方法中计算复杂、 实现困难的矩阵求逆运算, 更便于并行计算的设计和硬件实现。 通过理论的推导分析, 证明了该算法与正交子空间投影和最小方差方法是完全一致的。 另外, 由于算法避免了矩阵相乘和求逆运算, 简化了解混过程, 通过对不同算法复杂度的具体分析, 也证明该算法相对其他算法可以对端元数量降低一个量级。 最后, 在模拟数据和实际图像上分别进行实验测试, 结果的分析和比较, 也说明了算法的有效性。

根据目标物诱导核酸分子构象发生变化, 导致体系共振光散射强度增大的原理建立了检测Hg2+的新方法。 当溶液中有Hg2+ 存在时, 基于 “T-Hg2+-T” 特异性结合作用, 促使Hg2+特异核酸探针的构象发生变化, 由单链状态变为刚性双链结构, 使体系共振光散射强度增大。 在波长566 nm处, 当汞离子浓度在7.2×10-9～9×10-8mol·L-1范围内时, 体系的共振光散射增强程度ΔI与汞离子的浓度(c)具有良好的线性关系。 其线性方程为ΔI=5.12c+3.55(r=0.999 5)。 将该方法用于环境水样中汞离子的测定, 相对标准偏差(RSD)小于1.9%; 样品加标回收率为99.4％～104.3％。 该方法以Hg2+的高度特异性核酸探针作为识别元件, 通过控制Hg2+浓度的变化调节共振光散射强度的变化, 将Hg2+的检测转化为对DNA分子构象变化的检测, 该转化有利于增强体系共振光散射强度, 提高方法灵敏度, 该共振光散射检测方法能检测到浓度为2.16×10-9mol·L-1的Hg2+。 同时, 由于“T-T” 错配碱基对对Hg2+的特异结合能力, 显著提高了该分析方法对Hg2+的选择性。 另外, 该方法操作简便、 不需标记。

我国地域辽阔, 各地光气候有很大区别, 为了扩大和提高太阳能与天然光的利用范围及利用效率, 采用一种便携式的光谱扫描仪, 对我国不同光气候分区的7个代表性城市(昆明、 西宁、 北京、 深圳、 南京、 南昌和重庆)一天中不同太阳高度角对应时刻的地面直射日光光谱在380～780 nm可见光谱段进行了跟踪观测, 分析了不同光气候分区城市一天中不同太阳高度角对应时刻的日光光谱变化规律, 比较了不同光气候分区城市的日光光谱曲线, 总结了日光光谱辐射强度的影响因素。 分析表明: 不同光气候分区城市一天中不同太阳高度角对应时刻的日光光谱辐射强度不同, 但日光光谱功率的分布和走向基本一致, 总体呈先上升后下降的趋势, 最大峰值出现在475 nm附近, 380～475 nm之间光谱功率分布曲线出现陡升, 475～700 nm之间曲线有下降趋势但基本平稳, ＞700 nm曲线出现了反复的较大起伏; 不同光气候分区城市的日光光谱功率分布曲线的分布和走向也基本一致, 没有明显的与不同光气候分区直接相关的日光光谱功率分布差异性规律; 日光光谱辐射强度与太阳高度角和日面状况密切相关。

数字图像分析技术因其高效、 快速等特点, 已被广泛应用于作物长势和氮素营养状况的无损监测领域。 获取作物冠层覆盖度及可见光光谱亮度值及其衍生的色彩指数, 需要从作物冠层图像中准确分割出作物图像。 研究以冬小麦与背景(土壤)在可见光波段反射率的差异为依据, 利用基于CIEL*a*b*色彩空间a*分量的最大类间方差法和基于sRGB和CIEL*a*b*两个色彩空间的随机森林算法对冬小麦冠层图像进行了分割, 并比较了图像分割精度。 结果表明, 三种方法均具有较高的分割精度, 其中基于随机森林算法的图像分割效果明显好于最大类间方差法, 而基于sRGB和CIEL*a*b*两个色彩空间的随机森林算法的图像分割效果差异较小。 研究结果表明, 随机森林算法可直接利用冠层图像可见光波段的三个色彩分量(R, G和B)分割冬小麦冠层图像。

采用微乳液法、 油酸辅助溶剂热法、 超声波辅助溶剂热法分别合成了LaCeF3∶Tb微晶。 使用超声波辅助溶剂热法合成LaCeF3∶Tb微晶鲜有报道。 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 荧光光谱(PL)等方法对样品的晶相、 形貌和发光性能进行了表征。 XRD结果表明产物结晶良好, 微晶与标准卡片PDF#38-0452(六方相LaCeF3)对应; SEM图像显示产物形貌、 尺寸均一; 在250 nm光的激发下, 纳米粒子发出强绿色光, 主要发射峰分别归属于Tb3+的5D4→7F6(489 nm), 5D4→7F5(543 nm), 5D4→7F4(585 nm)和5D4→7F3(621 nm)跃迁。 通过对LaCeF3和LaCeF3∶Tb光谱的研究证明了Ce→Tb能量传递的存在。 计算了Tb在不同方法合成的LaCeF3微晶中的临界掺杂浓度。

气体的光谱吸收率是Lambert-Beer定律对气体进行定性定量分析的重要依据, 光谱吸收率积分值是描述气体吸收特性的一个重要参量。 根据所测气体的吸收光谱图, 通过从HITRAN数据库中查询得到所需数据, 选择其中一条吸收光谱, 计算出光谱吸收率在频域上的积分值, 然后把积分值代入Lambert-Beer定律便可以求出所测气体的浓度值。 计算光谱吸收率的积分值, 能够避开复杂的线型函数的计算, 不需要通过标准气体进行校准, 从而更加简捷、 快速地求出气体浓度值。 鉴于温度变化会引起相应的压强的变化, 同时在压强不随温度变化以及压强随温度共同变化这两种情况下, 对光谱吸收率积分值随温度的变化规律进行了研究。 总结出在这两种情况下, 光谱吸收率在频域上的积分值总是随着温度的增加而增加, 当增加到一定温度时, 光谱吸收率在频域上的积分值随着温度的增加而减小, 最后趋于稳定, 但是两种情况下光谱吸收率积分值变化趋势的范围有所不同。 最后通过实验验证计算光谱吸收率在频域内的积分值时需要同时考虑温度的变化以及温度导致的相应的压强的变化, 此时吸收率积分值相对误差约为1%; 只考虑温度的变化而不考虑压强随温度的变化, 吸收率积分值的相对误差值大于1%而且逐渐变大。 研究温度对光谱吸收率积分值的影响, 可以在使用光谱吸收率积分值计算气体浓度时, 选择合适的温度范围即更稳定的吸收区, 从而减少温度对测量结果带来的误差。

土壤有机质是土壤肥力的重要体现, 土壤水分是限制利用光谱技术进行土壤属性光谱监测的重要因子之一。 为了研究土壤水分对土壤有机质光谱监测精度的影响和实现土壤有机质(soil organic matter, SOM)的准确、 实时监测, 对151份麦田土壤样品的土壤水分、 土壤有机质和土壤光谱进行了测定。 基于土壤含水量(soil water content, SWC)分类法和归一化土壤水分指数(normalized difference soil moisture index, NSMI)光谱参数分类法对麦田土壤样品进行分类, 并对土壤含水量、 土壤有机质和土壤光谱参数之间的关系进行研究。 结果表明: 以土壤含水量对土壤样品进行分类后, 各分组之间的土壤有机质光谱监测精度各异, 且都高于不分组条件下(5%～20%)土壤有机质光谱监测精度, 表明土壤水分确实影响土壤有机质的光谱监测。 土壤含水量低于10%和高于20%时, 土壤水分对土壤有机质光谱监测精度的影响较小, 表明此时的土壤水分状态易于土壤有机质的光谱监测。 另一方面, 以NSMI光谱参数对土壤样品进行分类后, 各分组条件下的土壤有机质光谱监测的拟合精度优于基于土壤含水量的分类方法, 通过R2, RMSE和RPD模型验证参数的验证, 各模型可靠, 表明利用NSMI光谱参数的分类方法, 在一定程度上可以实现对土壤自然条件下土壤有机质的实时、 准确监测。 但是, 所提到的两种土壤分类方法在本质上一样, 说明仍然可能存在最优的土壤分类方法, 来克服和消除土壤水分对土壤有机质光谱监测精度的影响。 为土壤水分和土壤有机质的大面积遥感提供一定的理论基础。

运用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对皮蛋壳中Cu元素直接进行检测, 获得样本中Cu元素的特征谱线信息, 采用湿法消解结合原子吸收分光光度计(AAS)测量样品中Cu元素的真实含量。 由于LIBS检测的精度和准确度受到样品基体复杂, 环境噪声, 系统噪声, 激光能量稳定性等一系列因素的影响, 采用传统的单变量赛伯-罗马金拟合方式对样品的LIBS相对强度和浓度进行线性拟合不能满足定性分析的要求, 因此, 采用一种多变量的分析-偏最小二乘(PLS)对LIBS光谱数据进行了处理, 比较分析了不同点数平滑处理和五种预处理方法对PLS建模精度和准确度的影响。 分析得出采用11点平滑结合多元散射校正(MSC)预处理能有效地提高PLS建立的模型的相关系数, 降低均方根误差和平均相对误差, 有效提高了模型的准确性。 研究结果表明, 激光诱导击穿光谱技术能够准确地直接检测皮蛋壳中重金属Cu的含量, 下一步的工作将对皮蛋进行批量试验, 寻找出蛋壳与蛋清、 蛋黄中重金属Cu的数量关系, 实现通过LIBS检测皮蛋壳便可知蛋清、 蛋黄中重金属含量的目标, 为农产品质量安全提供新的快速无损检测技术方法。

以沈阳生态实验站一组长期定位试验为平台, 研究长期施用厩肥对农田土壤Cu, Zn和Cd含量及收支平衡的影响, 试验处理分别为CK(不施有机肥), M1(施10 t·ha-1有机肥)、 M2(施用量25 t·ha-1) 和M3 (施用量50 t·ha-1)。 结果表明: 长期施用厩肥会造成土壤中Cu, Zn和Cd的逐步积累, 且积累量随着施肥量的提高而增加, 三种重金属在各处理中(CK, M1, M2, M3)的年均增长率分别为2.83%, 6.56%, 7.54%, 8.96%; 0.03%, 3.44%, 4.53%, 6.64%和1.51%, 8.01%, 10.27%, 16.08%。 从试验开始6年后, M3处理土壤Cd含量已非常接近国家三级土壤质量标准的限制阈值(1 mg·kg-1, GB15618—1995); 至试验第12年, 所有施有机肥处理的土壤Cu含量均降为国家三级土壤质量标准(≤400 mg·kg-1), 因此必须给予足够的重视。 尽管土壤中重金属呈逐年积累态势, 但籽实中Cu, Zn和Cd含量均远低于国家食品污染标准(GB2762—2005; GB13106—91; GB15199—94), 表明重金属超标农田生产的农产品未必超标。 Cu, Zn和Cd在作物秸秆中的含量远大于籽实中含量, 不同处理作物重金属平均移出量表现为M3＞M2＞M1＞CK。 CK, M1, M2, M3处理Cu, Zn和Cd的年均移出量分别为35.68, 47.80, 63.65, 69.64; 249.14, 375.22, 375.16, 444.44和0.83, 1.39, 1.64, 1.66 g·ha-1。 有机肥中重金属含量也随年份而改变, 表现为Cu和Zn含量逐年增加, Cd含量呈减少态势。 M1, M2和M3处理土壤年平均残留Cu, Zn和Cd量为2 283.0, 5 763.7, 11 585.4; 2 483.3, 6 771.4, 13 849.2和4.8, 13.9, 29.5 g·ha-1, 但是由于有机肥中重金属量年际变化范围较大, 年平均残留量只能反映多年的平均趋势, 准确推断土壤中重金属残留量还要根据当年施入的有机肥的情况而定。

由于用Energy-Dispersive X-Ray Fluorescence(EDXRF)测量白云鄂博矿中铈元素含量的基体效应主要来自铁和钙, 而这两个元素含量的变化非常大, 使得通常用的标样方法不适用。 以白云鄂博矿元素平均含量为基础制备一组测试样品, 采用最小二乘法线性多元拟合来确定铁、 钙对铈含量和X射线荧光光谱信号之间的线性关系系数的影响。 这样确定的系数反映了铈在测量时发出的荧光强度被铁增强和被钙吸收的基体效应, 且适用于大幅度变化的场合。 当系数被用来通过EDXRF测量白云鄂博矿中铈的含量时相对误差小于10％。

X射线光电子能谱(XPS)能给出固体材料表面元素的定性、 定量和化学态信息, 是炼油催化剂最重要的表征手段之一。 对XPS在加氢催化剂、 超深度脱硫吸附剂、 稀土改性Y型分子筛等典型炼油催化剂研究中的应用作了阐述和举例说明。 对Mo(W)-Co(Ni)/Al2O3(SiO2)型硫化态加氢剂, 阐述了其无水无氧转移方法; 总结了S(2p), Mo(3d), W(4f), Co(2p)和Ni(2p) XPS谱的识别、 分峰拟合方法及各元素的典型化学态, 从而获得活性金属的硫化度及催化剂硫化不完全原因。 对S Zorb超深度脱硫吸附剂, 介绍了利用XPS激发的ZnLMM俄歇峰获得Zn存在形式的方法, 并研究了吸附剂的破碎机理和失活原因; 通过XPS和氩离子刻蚀XPS研究了S元素在吸附剂表面及其随深度的分布情况; 利用原位XPS研究了待生剂中含S和含Ni物种在临氢条件下的转化行为, 为吸附剂再生条件的选择提供支持。 对铈离子改性Y分子筛, 通过分析XPS定量结果和Ce(3d)化学态研究了铈离子在改性Y分子筛中笼内外的存在情况, 结果表明液相法比固相法利于铈离子向分子筛内迁移。

古琴的材质特性及制作工艺影响着古琴的品质, 同时古琴形制与琴腔布局关系到古琴工艺的完善与传承, 因此在不破坏古琴结构的前提下获取内部琴腔特征与参数十分重要。 利用CT无损检测技术对古琴整体进行扫描, 得到了琴腔构造断层图, 从而研究了古琴面板木纹纹理、 面板底板的连接方式和内部缺陷, 并运用Mimics软件中的面绘制法实现了古琴琴腔构造的三维重建, 使CT断层扫描图像由二维转换为三维立体, 更加完整全面地展现古琴琴腔构造形态, 最后获得古琴具体琴腔尺寸。 实验研究表明, 仲尼式与落霞式古琴琴腔构造差异显著, 其中仲尼式琴腔表面起伏变化较大, 落霞式琴腔表面趋于平缓; 仲尼式琴腔体积小于落霞式, 琴项位对比明显。 通过利用CT无损检测技术实现了对古琴内部信息的准确获取, 这对于探究古琴的制作工艺及质量检测起到重要的技术支撑作用, 同时也为其他传统珍贵器具内部结构的无损研究提供参考依据。

距离度量是光谱巡天数据处理中的一个重要研究内容, 其定义了一种不同光谱间的距离计算方法, 以此为基础可进行光谱的分类、 聚类、 参数测量及离群数据挖掘等工作。 距离度量方法的好坏在一定程度上影响了分类、 聚类、 参数测量及离群数据挖掘的效果及性能, 同时随着大规模恒星光谱巡天项目的开展, 如何针对恒星光谱定义更为有效的距离度量方法成为其数据处理中一个非常关键的问题。 基于此问题, 在充分考虑到恒星光谱的特点及其数据特征的基础上, 提出一种新的恒星光谱间的距离度量方法: 残差分布距离。 该距离度量有别于传统计算恒星光谱间距离计算方法, 利用该方法计算恒星光谱间的距离时, 首先将两条光谱归一化到同一尺度下, 然后计算对应波长处的残差, 以残差谱分布的标准差作为距离度量。 该距离度量方法可用于恒星分类、 聚类以及恒星大气物理参数测量等应用中。 本文以恒星光谱细分类为例来比较检验该距离度量方法, 结果表明该方法定义的距离在分类时能更为有效的刻画不同类别光谱间的差距, 可以很好的用于相关应用中。 同时还研究了信噪比对该距离度量方法的影响: 残差分布距离一定程度上受光谱信噪比影响, 信噪比越小, 对距离的影响越大; 在信噪比大于10之后, 残差分布距离对分类的影响很小。

由于传统方法制作的梯度光栅, 工艺条件苛刻, 制作过程复杂, 难以控制, 制作成本高, 周期较长, 提出了一种成本低、 工艺简单、 可大量制备梯度光栅的工艺方法, 采用基于刚性薄膜/柔性衬底的自组装工艺和氧等离子体(Plasma)的方法制备了微米尺度的梯度光栅, 利用Plasma时间的可控性和聚二甲基硅氧烷(PDMS)优异的弹性制得所需要尺寸的光栅。 首先在聚乙烯对苯二酸脂(PET)薄膜上旋涂一层PDMS薄膜, 待PDMS薄膜固化后将双层薄膜弯曲并用Plasma处理, 在其表面生成一层刚性氧化层, 借助柔性的PET对刚性层施加均匀应力, 当应力超过临界值时, 在PDMS基底上自组装形成光栅褶皱结构。 由于弯曲时预应力的变化, 所以在PDMS薄膜上会形成周期和高度呈阶梯状的的光栅褶皱, 也就是梯度光栅。 采用可见光作为梯度光栅的性能测试光源, 选用一级衍射光作为检测对象, 从图谱中可以看出以PDMS为基底制备的光栅具有很好的衍射效应, 并可实现很好的分光效果。 实验表明: 梯度光栅具有明显的衍射现象, 并且衍射角变化显著, 可广泛用于应力测量。 这种方法制备的柔性梯度光栅也可以作为微型应变装置来检测应力的变化, 未来有望用于微型光谱仪、 扫描仪、 光通讯等领域中。

干涉型光谱仪获取光谱的干涉数据信息, 数据处理过程中将干涉信息进行一系列光谱复原, 最终得到光谱信息数据。 光谱定标处理是干涉型光谱仪光谱反演的重要环节, 直接决定了光谱信息的可用性和准确度。 介绍了干涉型光谱仪光谱定标的基本思路, 并在此基础上提出了一种基于总光程差精确解算的光谱定标方法。 由于干涉型光谱仪总光程差难以精确测量, 而总光程差解算是光谱定标的核心和关键, 基于此情况, 提出了遍历总光程差, 分析光谱漂移, 最终确定干涉型光谱仪总光程差的总体思路。 定标处理中将所有总光程差可能值带入光谱复原流程, 进行光谱复原与分析, 最终得到光谱漂移最小的总光程差, 即为总光程差解算值。 该方法可以精确解算干涉型光谱仪的总光程差, 进而对干涉型光谱仪进行高精度光谱定标。 同时介绍了详细、 完整的光谱定标流程, 最终得到干涉型光谱仪各个波段的中心波长值、 波数分辨率等。 最后设计了典型的干涉型光谱仪主要参数, 并生成了该光谱仪的模拟干涉数据, 利用该方法对模拟数据进行光谱定标, 并对光谱定标结果进行了精度分析和验证, 证明该方法波数分辨率定标精度优于0.000 25 cm-1。

研究了山梨酸钾在水溶液和橙汁中的荧光特性, 结果表明在两种溶液中山梨酸钾的荧光特性虽然有很大的区别, 但是它们的荧光特征峰都存在于λex/λem=375/490 nm。 从二维荧光光谱可以看出, 橙汁中山梨酸钾的浓度和相对荧光强度关系错综复杂, 两者不再满足线性关系。 为了准确测定橙汁中山梨酸钾的浓度, 提出了一种微粒群(PSO)算法优化的误差逆向传播(BP)神经网络的新方法。 两组预测浓度的相对误差分别为1.83%和1.53%, 预测结果表明该方法具有可行性。 在浓度范围为0.1~2.0 g·L-1内, PSO-BP神经网络能够完成橙汁中梨酸钾浓度的准确测定。

天然脂肪球主要由甘油三酯构成, 以不同大小的球状形式分泌而得。 不同大小的脂肪球的球体和膜组成成分不同, 从而影响了脂肪在乳中的存在形式和最终的乳品功能特性。 然而, 不同大小的脂肪球成分的差异尚未完全阐明。 利用拉曼光谱测定特定大小脂肪球及膜的脂质和脂肪酸组成。 拉曼光谱能够从单个脂肪球获得特定拉曼信号, 并且在不破坏天然脂肪球构型的情况下进行测定。 结果显示, 小脂肪球在2 885/2 850 cm-1处条带信号较高, 表明小脂肪球趋于形成结晶态的脂肪球膜包裹流动态的甘油三酯内核的结构。 此外, 小脂肪球与大脂肪球相比, 1 655/1 443 cm-1的条带信号较低, 表明小脂肪球的脂肪酸不饱和程度较高。 总之, 从本实验结果可以推断, 用特定的小脂肪球分离而得的稀奶油在熔化时较大脂肪球难熔化, 搅拌耗时更多, 但能形成更柔软的黄油。

制备了La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy微粒和纳米金, 分别用La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy微粒替代部分的纳米金, 研究了La-Au, Ce-Au, Nd-Au, Sm-Au, Eu-Au, Gd-Au, Dy-Au微粒分别对银染效果的影响及其紫外可见(UV-Vis)吸收光谱。 与纳米金相比, La-Au, Ce-Au, Nd-Au, Sm-Au, Eu-Au, Gd-Au, Dy-Au微粒可延长银染后的斑点持续的时间, 其中Nd-Au微粒的效果最好, 斑点持续的时间为30 min, 是纳米金的2.7倍; 可大幅度加深斑点的颜色, 其中Nd-Au, Sm-Au微粒的效果最好, 用Nd微粒替代部分的纳米金, 纳米金用量降低了80%, 但还能提高银染法的灵敏度。 在200～800 nm范围, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy微粒和纳米金溶液的UV-Vis吸收光谱只有一个吸收峰, λmax分别为275, 277, 276, 276, 278, 277, 278和521 nm; La-Au, Ce-Au, Nd-Au, Sm-Au, Eu-Au, Gd-Au, Dy-Au微粒混合液的UV-Vis吸收光谱有两个吸收峰, λmax(RE)和λmax(Au)分别为276和522 nm, 276和522 nm, 276和523 nm, 276和523 nm, 276和522 nm, 276和522 nm, 276和523 nm, 纳米金和La微粒的吸收峰的波长发生了红移, Ce, Eu, Gd, Dy微粒的吸收峰的波长发生了蓝移, Nd, Sm微粒的吸收峰的波长不变, 纳米金与稀土微粒可能有相互作用。