中国是丝绸之路的发源地, 染色历史源远流长。 文物及艺术品中的有机染料蕴含着制作年代、 原料来源、 染色工艺及保存状况等丰富的信息, 但因染料成分复杂、 含量低、 易于降解, 其鉴定一直是文物分析领域的难点。 拉曼光谱作为一种指纹光谱在文物及艺术品中染料分析方面具有独特的优势。 系统阐述了显微拉曼光谱法(MRS/μ-Raman)、 近红外傅里叶变换拉曼光谱法(NIR-FT-Raman)、 表面增强拉曼光谱法(SERS)、 共振拉曼光谱(RRS)法的原理、 特点、 局限性以及在染料鉴定中的研究进展和发展方向; 分类归纳总结出了黄栀子、 姜黄等染料的拉曼光谱特性; 对比分析了紫茜素在采用不同波长激光器激发下的荧光现象; 介绍了以自制的灰绿色银胶颗粒为基底, 联合薄层色谱(TLC) 分离技术及SERS鉴定茜草中的色素, 表明银溶胶微粒产生的表面增强效应可显著降低拉曼光谱荧光背底。 指出拉曼光谱作为一种快速、 便捷的结构定性测试手段在文物和艺术品染料分析中应用前景广阔, 提出多种拉曼光谱技术相结合、 拉曼光谱技术与分离技术相结合以及拉曼光谱技术与远距离传导技术相结合是拉曼光谱技术的发展趋势。

采用拉曼光谱和红外光谱解析了常温条件下环丁醇的各个振动模式及其与分子构象间的关联, 结果表明液态环丁醇以赤道–反式构象为主, 并含有少量的赤道间扭式构象。 在此基础上结合差示扫描量热技术和变温拉曼光谱, 原位研究了环丁醇的温致相变过程和分子构象随温度的变化。 结果表明, 冷却至140 K的过程中, 环丁醇并未结晶固化, 而是保持亚稳定的无序液体状态, 即出现过冷现象, 继续降温至138 K出现玻璃化转变。 升温过程中, 在170 K时出现放热峰, 同时有新的拉曼峰出现, 并且拉曼峰的半高宽和强度发生明显的突变, 表明环丁醇由无序结构转变为有序的结晶相。 因此, 我们获得了环丁醇的温致相变序列: 液态→过冷液体→玻璃态→结晶态→液态。 通过对环丁醇不同分子构象的拉曼特征峰的定量分析, 证实环丁醇在降温过程中, 反式构象和间扭式构象的比例未发生明显改变, 即没有发生构象变化。 然而升温时, 伴随170 K时结晶态的转变, 反式构象特征峰的相对强度减小, 表明部分分子由赤道–反式构象转变为赤道–间扭式构象。 该研究结果对进一步理解和研究其他有机小分子的温致相变和构象变化具有指导意义。

采用共聚焦显微拉曼光谱对毛竹薄壁细胞、 薄壁纤维过渡细胞和纤维细胞进行研究。 通过构建偏最小二乘(PLS)定量区分模型来对这三种细胞中的差异进行分析, 结果表明, 该区分模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.810和0.800, 均方根误差(RMSE)分别为0.323和0.332。 根据这一模型的回归系数, 发现三种细胞的区别主要体现在1　095, 1　319和1　636 cm-1三个波数, 这三个波数分别为纤维素、 半纤维素和木质素的指纹特征峰。 以这三个波数为自变量建立多元线性回归(MLR)模型, 该回归模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.644和0.643, 均方根误差(RMSE)分别为0.442和0.443, 表明三种细胞在这三个波数处存在明显的差异。 对小波变换基线消除后的拉曼光谱信号进行化学成像分析, 结果显示, 纤维素微纤维与纤维轴成一个很大的角度, 这一结构有利于提高细胞的弹性模量和硬度。 半纤维素和纤维素微纤维通过氢键相连, 并在范德华力的作用下紧密地结合在一起, 因此在拉曼化学成像中可以看到半纤维素和纤维素有相似的分布规律。 三种细胞的细胞角和胞间层都高度的木质化, 从细胞壁外层到内层木质化程度逐渐降低, 表明细胞壁的木质化从细胞角和胞间层开始, 且木质化程度并不完全。

拉曼光谱强度与物质量存在的线性关系会受到许多复杂因素破坏, 包括激发光源、 聚焦、 散射、 折射等, 导致定量效果不佳。 各种因素的干扰效应, 总体上分成加性和乘性效应, 而消除乘性效应的难度会更大一些。 光谱序列信号可视为向量, 信号强度对应向量的模量, 而体现向量本质的方向属性不会受模量变化的影响。 根据这一原理, 利用向量的方向确定性, 将信号的强度度量转换成空间角度度量, 建立了一种消除乘性效应的方法。 首先, 选择一个与待定量组分相近而与背景空间近似正交的基准向量, 并定义移动窗口; 然后, 计算移动窗口内的光谱向量与基准向量的夹角, 所得值存储为矩阵, 完成角度描述转换。 角度矩阵消除了乘性效应的干扰, 而定量关系仍然近似线性, 只要将该矩阵的秩满足多元统计建模要求, 就可以用于多元校正, 并得到良好结果。 研究采用甲醇-乙醇-异丙醇混合体系, 验证了消除乘性效应后改进的定量效果, 对于积分时间波动的预测值与实际值, 直接PLS方法的相关系数r为0.911 9, 预测标准偏差（RMSEP）为0.110 2; 采用MSC预处理的r为0.906　0, RMSEP为0.100　8; 而本文提出的VAPLS的r为0.998 7, RMSEP为0.015 2。 结果表明向量角转换度量处理后, 光谱的乘性干扰得到了有效校正, 拉曼定量分析准确性得到了提高。

用时频方法分析拉曼光谱和近红外光谱。 经验模态分解光谱成为特征模态分量, 模态分量比重计算显示拉曼光谱能量均匀分布于各个分量, 而近红外光谱的低阶特征模态分量只承载了较少的原光谱有效信息。 真实光谱和数值实验均显示, 经验模态分解视拉曼光谱为调幅信号, 具有高频能量吸附特性; 视近红外光谱为调频信号, 在一阶特征模态分量中可以较好实现高频窄带解调。 一阶特征模态分量希尔伯特变换显示, 经验模态分解拉曼光谱时易出现模态混叠现象。 进一步在时频域分析玉米叶片近红外光谱, 经验模态分解后截掉低能量的一、 二阶分量, 用剩余特征模态分量重构光谱信号, 均方根误差为1.001 1, 相关系数为0.981 3, 两个指标反映出重构精度较高; 分解趋势项表明在近红外光波段, 吸光度随着波长的减小呈现递增趋势; 特征模态分量的希尔伯特变换显示, 657 cm-1是碱胁迫光谱特有频率, 可作为碱胁迫光谱特征频率来辨识。

拉曼光谱因其具有无损、 非接触以及原位的技术优势被广泛应用于科学研究领域。 但是, 当前拉曼光谱主要应用于定性研究, 即根据拉曼波数偏移进行物质分子的鉴别, 相比之下, 拉曼光谱定量分析则明显不足。 因此, 有必要进一步开展拉曼光谱定量方面的研究。 根据拉曼光谱原理分析可知, 拉曼光谱定量研究应当根据相对强度比进行, 也就是在定量化过程中需要选择一个参考系, 可以分为内标法和外标法。 拉曼光谱定量可以根据被测分子与该参考系的拉曼强度比值进行, 通过这个方法可以消除测试条件的影响。 对水溶液而言, 可将液态水的OH伸缩振动作为内标, 进行拉曼光谱定量分析。 本文研究了Na2SO4-H2O, K2SO4-H2O以及NaCl-Na2SO4-H2O体系的拉曼光谱特征。 通过将水分子的OH伸缩振动（2 750~3 900 cm-1附近）拟合为两个高斯谱峰, 并以ISO2-4/IW为参数来确定溶液中的硫酸根离子浓度, 其中ISO2-4为硫酸根离子的特征峰强度, IW为水的两个高斯谱峰强度之和。 实验结果表明, 水溶液中SO2-4浓度与拉曼强度比ＩSO2-4/IW之间有较好的线性关系, 其中, R2=0.997 73, 符合定量要求。 据此, 本文应用拉曼光谱定量分析, 建立了一种相对快速、 准确测量水溶液中SO2-4浓度的方法。

合成并以元素分析、 红外及电镜等方法表征Fe3O4/羟丙基-β-环糊精聚合物磁性纳米材料(CM-HP-β-CDCP-MNPs), 以此作为固相萃取剂, 建立磁性固相萃取-紫外可见光谱法分离分析孔雀石绿的新方法。 考察影响吸附和洗脱的条件（pH, 萃取剂用量, 洗脱剂类型用量, 萃取用洗脱时间等）。　结果表明: 室温下, pH　7.0时, CM-HP-β-CDCP-MNPs能快速定量吸附孔雀石绿（吸附率92%）; 乙醇在30 min内可脱附孔雀石绿（脱附率90%）; CM-HP-β-CDCP-MNPs可重复使用5次。 在最佳实验条件下, 该方法的富集倍数为7.5, 检出限为5.6 ng·mL-1, 线性范围为0.08～8.00 μg·mL-1, 测定样品中的孔雀石绿结果令人满意。 利用红外光谱初步讨论Fe3O4/羟丙基-β-环糊精聚合物纳米材料吸附机理。

硝酸盐含量是水体质量指标之一, 对于水质质量监测尤其重要。 本文搭建了一种水体中硝酸盐在线原位监测系统, 采用紫外吸收光谱法（190～240 nm）计算水样吸光度, 并通过建立的偏最小二乘模型测定硝酸盐浓度, 可用于海洋, 河流, 湖泊等多种水体。 该自动在线监测系统不需要进行水样预处理, 无二次污染, 能够快速, 可靠, 灵敏地直接测定现场水样的硝酸盐含量。 本系统使用光程为1cm的流通式样品池, 并采用参考光路消除系统误差。　将系统测量模型得到的不同水样的硝酸盐浓度值与实验配制浓度值相比较, 结果表明二者的线性拟合曲线的相关系数r为0.999　98, 具有良好的相关性。 对采集的浓度数据进行系统误差分析, 得到其平均相对误差为0.65%, 说明系统精确度高, 并且稳定性很好。 还通过对烟台海岸进行的现场海水测试, 其海水硝酸盐含量约为0.2　mg·L-1左右, 以及在水样加标回收实验中, 加标回收率皆在 95%～110%内, 验证了系统的可靠性和实用性, 可用于实际水体硝酸盐监测。

在柴油、 汽油、 重质燃料油等成品油和原油等溢油油源的区分方面, 荧光光谱结合模式识别手段得到了广泛的应用。 传统的三维荧光光谱分析方法虽然能够获得溢油样品丰富的成分信息, 但难以适应现场应用的要求, 目前还停留在实验室检测的阶段。 发展适用于现场应用的原油识别方法, 对于海洋溢油污染的快速响应与处理意义重大。 面向激光雷达的需要, 发展了一种基于激光诱导时间分辨荧光手段、 结合支持向量机（SVM）模型的原油识别方法, 从时间和波长两个不同维度出发, 通过对时间窗口和波长范围的选取进行优化, 获得了理想的油种识别准确率。 实验结果表明通过选取ICCD探测延时为54～74 ns可以将分类正确率从全谱线数据的83.3%提高到88.1%。 通过选取波长范围为387.00～608.87 nm的谱线数据, 可将疑似油种的分类正确率从全谱线数据的84%提高到100%。 激光荧光雷达在实际工作中, 受波浪、 运载平台晃动等因素的影响, 探测延时会出现一定的波动。 本文介绍的分类识别方法通过时间和波长两个维度的筛选, 更加适用于现场探测数据的识别, 并进一步凸显了原油时间分辨荧光光谱特征, 为疑似油种分类识别过程中数据量的压缩提供了重要依据。

多环芳烃为优先控制污染物, 但是由于其含量很低, 多组分多环芳烃荧光峰相互重叠, 所以常规荧光光谱法无法对其荧光峰进行有效解析。 采用二维荧光相关分析方法对三种多环芳烃, 蒽、 菲和芘的混合溶液进行荧光峰解析。 根据研究目标, 按照三种多环芳烃浓度比的不同配制了三种混合物体系, 共27个样本, 每种体系的三种溶液浓度彼此间按规律递增和递减。 在此基础上, 以浓度为外扰, 构建了各体系的同步和异步二维荧光相关谱。 同步谱中, 在425, 402, 381, 373, 365, 393及347 nm处产生自相关峰。 以未被覆盖的菲在347 nm处荧光峰为线索, 通过其与各波长处荧光交叉峰的正负, 判断出了402, 381, 425和452 nm处荧光峰源于混合溶液中的蒽; 373与393 nm处荧光峰源于混合溶液中的芘; 365, 356及347 nm处荧光峰源于混合溶液中的菲。 通过异步谱解析出菲的385 nm处荧光峰, 证明了异步谱比同步谱具有更好的光谱分辨率。 研究结果表明, 采用二维荧光相关方法对光谱严重重叠的多组分多环芳烃的解析是可行的, 并具有一定的优势, 可推广到对环境中其他污染物质的检测。

偏振探测能够获取新的反应目标属性的信息。 相对于传统遥感观测, 多角度偏振信息具有更稳定的相关性和规律性。 植被是地表最典型的地物之一, 利用光与植被相互作用后表现出的偏振特性可以进行植被相关性质研究。 RSP（research scanning polarimeter）是美国研制的星载偏振遥感探测器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型样机, 提供有九个光谱偏振通道, 通过对航空飞行试验获取的扫描偏振数据预处理得到的稳定的多角度、 多波段偏振探测信息分析, 可以得到植被的光学特性和微物理特性。 以植被密集区、 植被稀疏区（接近裸地）为研究对象, 根据仪器飞行时姿态信息进行配准, 对比分析了可见光波段和近红外波段在-30°和65°观测天顶角下的强度反射特性和偏振反射特性。 结果表明, 植被密集区和植被稀疏区在不同的观测角度均表现出规律的偏振度特性, 偏振反射在接近热点区域能量小, 相比于常规强度反射在接近热点区域反射能量大, 可有效防止因反射能量过强影响探测器的稳定性, 根据在可见光波段植被密集区偏振度高于植被稀疏区, 在近红外波段植被密集区偏振度低于植被稀疏区的反射特性, 说明探测器在研究区域的植被密集区接收的可见光波段信号以单次散射为主而在近红外波段以多次散射为主。

低变质煤干馏热解生产兰炭、 煤焦油、 煤气被认为是其清洁高效转化利用的最佳途径。 现有主流生产工艺普遍对原煤具有一定的粒度要求, 煤焦油产量较低、 质量不高, 煤气中H2, CH4, CO等有效组分含量较低。 为进一步提高低变质煤热解时煤焦油收率和质量, 提出将微波热解低变质煤产生的煤气循环通入微波热解反应器中, 进行低变质煤-循环煤气微波共热解。 结合FTIR及GC-MS等对热解产品的分析表征, 系统考察了微波功率、 热解时间、 煤样粒度对热解产品收率及组成的影响。 研究结果表明: 低变质煤在循环煤气流量为0.4 L·min-1、 微波功率为800 W、 热解时间为40 min、 煤样粒度为5～10 mm的工艺条件下热解, 所得固体产品兰炭收率达62.2%, 液体产品（煤焦油和热解水）收率达26.8%。 不同微波功率及热解时间下所得兰炭红外谱线基本重合; 不同粒度煤样热解所得兰炭中—OH, CO, CC和C—O官能团含量差别较大。 提高微波功率、 延长热解时间、 减小煤样粒度均有利于煤焦油的轻质化。

非相干光宽带腔增强吸收光谱作为高灵敏检测技术, 已成功应用于多种大气痕量气体浓度的测量。 根据腔增强吸收光谱技术测量原理可知, 若已知测量气体准确浓度, 镜片反射率随波长的变化曲线、 有效吸收长度、 光学腔内有无测量气体吸收前后的光辐射变化, 可测量出待测气体的吸收截面。 SO2由于a3B1—X1A1自旋禁阻跃迁, 在345～420 nm波段吸收截面较低（～10－22 cm2/molecule）, 其测量有一定难度, 而准确的弱吸收截面对于卫星反演大气痕量气体浓度以及大气研究等方面均有重要意义。 采用365 nm LED光源的宽带腔增强吸收光谱实验装置测量357～385 nm波段范围SO2的弱吸收, 获得该波段SO2弱吸收截面, 并与已公开发表的SO2吸收截面进行对比, 相关系数r为0.997　3, 验证了非相干光宽带腔增强吸收光谱技术准确测量气体弱吸收截面的适用性。

植被在陆地碳循环和气候系统中发挥着重要作用, 近几十年来众多研究集中于分析植被生长状况的动态变化。 拥有大面积高海拔区域的青藏高原是“世界的第三极”, 其植被生长状况对全球变暖现象十分敏感。 而由光谱的可见光红波段和近红外波段反演产生的NDVI, 则是监测植被生长状况的最有效工具之一。 通过一元线性回归模型, 在青藏高原地区利用2000年到2014年的MODIS资料将GIMMS NDVI数据集从1982到2006年的时间序列扩展至2014年。 相比已有的研究, 因考虑了尺度变化引起的残差, NDVI扩展数据集的精度得到进一步提高。 该方法可以为今后不同NDVI数据集耦合提供一种新的思路。 利用1982年到2014年的NDVI新数据集可以发现以下结果: 青藏高原植被生长季的生长存在明显的增长趋势（0.000 4 yr-1, r2=0.585 9, p<0.001）, 春、 夏和秋季的增长率分别为0.000 5（r2=0.295 4, p=0.001）, 0.000 3（r2=0.105 3, p=0.065）和0.000 6（r2=0.436 7, p<0.001）。 因高原植被生长, 促进该区域碳积累效应, 故青藏高原植被在1982到2014年间是一个稳定的碳吸收区。 结合高原温度和降水资料分析植被生长状况增长的原因, 虽二者都具有增长趋势, 不过生长季及春、 夏和秋季的NDVI变化状况同温度的相关性显著高于降水。 在空间分布上, 各区域植被增长趋势同温度、 降水变化都具有明显的空间异质性。

纳米金已在在药物靶向传输体系、 疾病检测、 分子识别、 生物标签等领域有着广泛的应用, 但是, 由于纳米金的表面效应, 大量的表面原子具有巨大剩余成键能力, 使得纳米金粒子较容易团聚、 沉聚, 影响了其稳定性。 为了实现对肿瘤靶标之一-癌胚抗原的痕量检测, 需要制备出对癌胚抗原检测具有良好的增色效应与荧光增敏效应的纳米材料。 该工作采用纳米金的硫醇衍生法制备了一种新型的硫醇衍生化的纳米金材料, 并对此新型硫醇衍生化的纳米金材料的特性用透射电子显微镜, 紫外-可见吸收光谱, 荧光发射光谱和红外光谱等方法进行了研究。 紫外-可见吸收光谱, 荧光发射光谱的实验结果表明, 在新的配体乙二硫醇存在下, 有更多的电子从配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上, 导致荧光增强。 这种新型硫醇衍生化的纳米金与癌胚抗原作用时表现出增色效应与荧光增敏效应, 而纳米金与癌胚抗原作用时看不到这种增色效应与荧光增敏效应。 红外方法的研究结果表明, 这种材料的蛋白增色机理为当硫醇衍生化纳米金与癌胚抗原蛋白作用时, 体系中蛋白的—OH表现出更多的面外弯曲振动, 有利于电子从硫醇衍生化纳米金配合物向蛋白转移而导致其增色和荧光增敏效应。 因而这种新的硫醇衍生化纳米金材料比纳米金将具有更好的生物检测应用价值。

利用正交设计分别配制含有三种防腐剂、 四种甜味剂的模拟水样, 采用核独立成分分析（KICA）处理模拟水样与加入不同含量标准品的饮料样品的紫外光谱(UV)数据, 得到其中待测添加剂或背景成分的UV轮廓的独立组分(IC)信息, 以IC的系数矩阵进行支持向量回归（SVR）分析, 建立模拟样品中防腐剂与甜味剂的UV-KICA-SVR预测模型。 添加不同含量水平添加剂的碳酸饮料样品, 采用KICA处理其测试得到的UV光谱数据, 得到与添加剂对应的IC信息及量, 加入量与预测量线性回归方程截距即为饮料中添加剂含量。 利用化学计量学“盲源信号分离”方法提取饮料样品中的待测添加剂IC信息与样品基质信息, 利用SVR对解析得到的IC信号回归分析建模, 改进传统单一组分测定的标准加入法, 建立了碳酸饮料样品中防腐剂和甜味剂高通量筛查分析的新方法。 方法用于测定碳酸饮料中山梨酸钾, 苯甲酸钠、 对羟基苯甲酸甲酯钠三种防腐剂与糖精钠、 安赛蜜, 阿斯巴甜和甘草酸铵四种甜味剂含量, 检测限(LOD)为0.2～1.0 mg·L-1, 测定结果与传统的色谱方法相当。

利用超景深三维视频显微镜、 激光显微共聚焦拉曼光谱仪、 能量色散型X射线荧光分析显微镜, 对一幅清代工笔画中云龙纹、 水波纹所用颜料及技法进行研究。 实验结果表明, 画作中人物衣服首先以人工合成颜料巴黎绿（Paris green, Cu(CH3COO)2·3Cu(AsO2)2）整体填色, 再用铁红（Hematite, α-Fe2O3）描绘出云龙纹、 水波纹, 绿色、 红色颜料共同呈现纹饰内区的暗黄色, 此后再以Cu-Zn-Pb合金黄铜粉末勾描出“金边”。 此外在画作中还发现了人工合成的群青（Ultramarine, (Na, Ca)7－8(Al, Si)12(O, S)24［SO4, Cl2(OH)2］）, 结合巴黎绿、 群青合成成功的年份, 确定了画作完成的时间上限。

氮素是影响生菜产量和品质的重要因素, 光谱技术是检测作物氮素含量最有效的手段之一。 通过获取不同氮素水平下生菜冠层的反射光谱, 对其进行FDSGF（first-order derivative based savitzky-golay filt）滤波后, 利用后向区间偏最小二乘算法（BiPLS）、 遗传算法（GA）及连续投影算法（SPA）对特征波长进行梯度提取, 最终从2 151个波长点中提取了8个与生菜氮素最为相关的特征波长。 分别利用多元线性回归（MLR）、 径向基函数神经网络（RBFNN）及极限学习机（ELM）三种算法建立了基于特征波段或特征波长的8个生菜冠层氮素含量检测模型。 结果表明: BiPLS-GA-SPA-ELM模型（RMSEC=0.241 6%, Rc=0.934 6, RMSEP=0.284 2%, Rp=0.921 8）的预测结果优于其他模型, 为指导合理施肥和开发便携式仪器提供了理论基础。

常用的宫颈癌筛查方法有TBS(the bethesda system)分类法和细胞DNA定量分析法两种, 而同时利用多重染色方法在同一张细胞涂片上对细胞质进行巴氏染色和对细胞核进行Feulgen染色进行宫颈癌筛查的研究仍然是空白。 多重染色筛查方法的难点在于非DNA物质的吸光度会干扰DNA物质的吸光度。 因此建立了一套多光谱成像系统, 并基于吸光度的线性叠加特性, 利用多元线性回归方法建立了吸光度剥离模型, 通过该模型成功地将DNA物质的吸光度剥离出来进行DNA定量分析, 实现了两种常用方法的完美结合。 通过一系列实验证明了, 利用模型剥离出的DNA物质的吸光度与实测的DNA物质的吸光度在检验水平为1%的情况下在统计学上没有显著差异, 而且实际应用测试中的统计数据也显示在置信水平为99%的情况下使用该分析方法筛查得到的四倍体细胞的DNA指数的置信区间与癌细胞的DNA指数判别区间没有交集, 验证了这种基于多光谱成像技术的多重染色的DNA定量分析方法的准确性和可行性, 在宫颈癌乃至其他癌症的早期诊断和筛查中有巨大的市场应用潜力与广阔的应用前景。

通过开展土壤分散性高光谱测量实验, 首次明确了舟曲泥石流源区土壤分散性敏感波段位置、 建立了土壤分散性高光谱探测模型、 探讨了土壤分散性高光谱探测机理。 结果表明, （1）傅里叶变换可以将光谱从时间域转换为频率域, 实现对光谱信号与噪声的分离。 通过开发矿物组分精细鉴别系统, 实现了光谱去噪, 为构建土壤分散性高光谱探测模型提供了高保真数据源; （2）基于多元线性回归分析法建立的土壤分散性高光谱探测模型在研究区具有较好的预测能力, 所确定的敏感波段位置及其反射率与土壤分散性具有较高的相关性; （3）分析矿物光谱结果表明, 土壤分散性高光谱探测的敏感波段位置实际上反映了土壤矿物组分及其所吸附的离子类型, 揭示了导致土壤分散的深层原因: 与舟曲泥石流源区土壤分散性关系最为密切的是钠离子, 其次是方解石、 蒙脱石和伊利石, 与绿泥石、 高岭石、 pH值、 石英、 钾长石、 斜长石等的相关性较弱。 其原因主要是与钠离子所具有的离子价低、 半径小、 水化力强的特点, 方解石所具有的水溶性特点, 蒙脱石所具有的层间结合力极弱、 易吸附钠离子的特点, 伊利石在高PH值条件下所具有的强吸附阳离子、 高土壤分散性的特性有关。

种子纯度是衡量种子品质的重要指标。 提出一种基于近红外(874～1　734 nm)高光谱技术实现玉米种子可视化鉴别的方法。 采集4个品种共384个玉米种子样本的高光谱图像数据, 随机选择288个样本作为建模集, 剩余96个样本作为预测集。 对玉米种子光谱曲线进行分析后, 通过连续投影算法（SPA）选取7个特征波段作为输入, 结合偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)模型, 对预测集进行预测, 获得较好的分类效果, 其中RC=0.917　7, RMSECV=0.444　2; RCV=0.911　5, RMSECV=0.459　9, 建模集和预测集的总体鉴别率分别为78.5%和70.8%。 通过图像处理技术提取高光谱图像中每个玉米颗粒的平均光谱数据, 输入建立的SPA-PLS-DA模型, 在计算生成的鉴别图中以不同颜色标识不同类别, 实现了混杂玉米种子样本的可视化鉴别。 对3份不同组成的混杂种子样本进行鉴别, 达到了较好的可视化效果。 结果表明, 通过可视化鉴别技术, 可以直观方便地观察混杂种子样本中不同品种种子的分布和数量, 为农业生产中种子的纯度鉴别和筛选提供了帮助。

鉴于晚疫病可对马铃薯造成毁灭性灾害, 对受晚疫病胁迫的马铃薯叶片进行了高光谱图像特征研究。 旨在探索马铃薯叶片的高光谱图象特征与晚疫病害程度的关联, 以实现准确、 快速、 无损的晚疫病诊断。 采用60片马铃薯叶片, 对其中48片采用离体方式接种晚疫病菌, 所剩12片作为对照, 染病前后连续观测7天, 得到染病和健康样本。 健康和染病样本按照染病时间和染病程度不同采用374～1　018 nm波段范围的可成像高光谱仪分别采样, 基于ENVI软件处理平台提取图像中感兴趣区的光谱信息, 并采用移动平均平滑、 导数处理、 光谱变换、 基线变换等预处理方法提高信噪比, 建立了最小二乘支持向量机（LS-SVM）的识别模型。 9个模型中, 基于原始光谱(不预处理)和光谱变换预处理后的数据所建立的模型预测效果最好, 识别率均达到了94.87%。 表明基于高光谱成像技术可以实现晚疫病胁迫下马铃薯病害程度的有效区分。

运用两种光谱仪（SPAD-502叶绿素仪与Sunscan植物冠层分析仪）分析了华北平原不同耐热型春玉米品种的光合性能对灌浆期高温的光谱学特征响应。 田间试验于2011年—2012年在河北省吴桥县进行。 品种选用天玉198、 兴玉998与天润606, 设置2个播种期（4月15日与4月25日）, 于灌浆期测定3个光谱特征值, 即叶绿素相对含量（SPAD）、 叶面积指数（leaf area index, LAI）与光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）。 结果表明, 播种期4月15日与4月25日相比, 春玉米灌浆期≥33 ℃日最高气温的天数与日均温分别增加了3.5 d和0.8 ℃, 而日照时数、 降雨量、 气温日较差及生育期长短均相似; 天玉198与兴玉998、 天润606相比, 耐热指数（stress tolerance indices, STI）分别高2.9%, 11.0%; 根据STI由大到小的顺序, 将天玉198、 兴玉998与天润606分别定为耐热型、 较耐热型与不耐热型品种; 播种期4月15日, 天玉198比兴玉998、 天润606的产量分别高4.1%, 13.7%, SPAD分别高12.5%, 19.6%, LAI分别高5.3%, 5.6%, PAR分别高4.0%, 14.0%; 播种期4月25日, 产量分别高1.3%, 2.8%; SPAD分别高3.5%, 6.0%, LAI分别高1.7%, 4.1%, PAR分别高-4.4%, 0.9%; 三个品种在高温胁迫环境下产量差异显著, 耐热型品种具有显著的产量、 SPAD与LAI优势（p＜0.05）。 播种期4月15日相对于4月25日, 天玉198、 兴玉998、 天润606的产量分别降低了3.2%, 5.9%, 12.6%; SPAD分别降低了8.6%, 12.4%, 15.7%; LAI分别降低了11.7%, 17.6%, 19.8%; PAR分别降低了3.4%, 11.3%, 14.5%; STI与SPAD的降幅（r=-0.883, p＜0.05）、 LAI的降幅（r=-0.853, p＜0.05）均呈显著负相关, 与PAR的降幅（r=-0.923, p＜0.01）呈极显著负相关; SPAD的降幅与PAR的降幅（r=0.872, p＜0.05）呈显著正相关; LAI的降幅与PAR的降幅（r=0.943, p＜0.05）呈极显著正相关。 综上所述, 耐热型春玉米品种在灌浆期受高温胁迫时, 能够在个体层面保持相对较高的叶绿素含量, 在群体层面保持相对较高的叶面积, 进而保持了较高的光能截获与利用, 削弱了高温对光合的抑制程度, 缩小了产量降幅, 实现了高产与稳产; 品种的耐热性可以通过其光谱特征（SPAD, LAI和PAR）对高温的响应作为鉴定与评价的主要指标之一, 为利用光谱特征研究玉米耐热性提供了依据。

针对日益严重的植源性中药材中二氧化硫（SO2）浓度超标问题, 研究基于最新的三重串联四极杆电感耦合等离子体质谱（ICP-MS/MS）技术建立了一种快捷、 准确的二氧化硫检测方法。 该方法可以有效地降低背景中多原子离子的干扰, 提高检测灵敏度与标准曲线的线性范围。 使用氧气作为反应气, 对32S16O2-4和34S16O2-4的检出限分别为5.48和9.76 μg·L-1, 线性范围0.02～100 mg·L-1(r> 0.999）。 0.5　g中药样品加入6 mL硝酸和2 mL双氧水, 使用微波消解方式对样品进行消解。 选用柑橘叶标准参考物质对方法的可靠性进行考察, 样品平行处理测定6次后所得浓度值在标准值范围内。 结果表明, 本方法可以实现中草药中SO2浓度的准确测定, 样品处理过程以及样品中背景元素不会对定量结果的准确性产生干扰。

质谱法和化学计量学方法相结合对混合物中苯甲醛, 异辛烷, 乙酸丁酯, 苯乙酮四种物质进行定量分析。 将混合物的质量色谱图数据分别用特征选择-多元线性回归（MLR）和全谱-偏最小二乘法（PLS）这两种方法对四种物质进行定量分析。 苯甲醛特征选择和全谱建模的RMSEP分别为0.062和0.091; 异辛烷特征选择和全谱建模的RMSEP分别为0.048和0.057; 乙酸丁酯特征选择和全谱建模的RMSEP分别为0.021和0.020; 苯乙酮特征选择和全谱建模的RMSEP分别为0.010和0.032。 结果表明苯甲醛, 异辛烷, 苯乙酮特征选择的结果均优于全谱建模的结果, 乙酸丁酯特征选择的结果和全谱建模的结果相近。

为了指导水稻的田间施肥, 解决因过量施肥造成资源的大量浪费以及环境污染, 特别是水体富营养化等问题, 搭建了基于紫外激光诱导荧光技术的荧光光谱探测系统, 以研究水稻叶片的氮水平与荧光强度的相关性。 文中先用植物营养测定仪(TYS-3N)测定水稻叶片氮含量和叶绿素含量（样本为水稻分蘖期的倒二叶, 采集于中国江汉平原地区）, 再用搭建的测量系统采集了不同氮水平的荧光光谱。 获得了不同氮水平下水稻叶片的荧光光谱数据库, 分析了荧光光谱参数F740/F685（为峰值740, 685 nm处的荧光强度比）与氮水平的相关性, 发现氮含量的变化对水稻叶片荧光光谱特性影响明显。 通过该实验验证了荧光参数的峰值比F740/F685与氮含量呈明显的线性正相关, 相关系数（r）为0.871　8, 均方根误差（RMSE）为0.076　82。 实验表明采用激光诱导荧光光谱探测技术具有快速无损等优点, 且有一定潜力用于定量测量植被营养元素的含量, 为采用荧光技术对农作物施氮管理提供了支持。

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）和傅里叶变换远红外光谱（FT-Far-IR）技术研究了大米中西维因在太赫兹频段的吸收光谱特征, 并结合化学计量学方法对大米中西维因进行了测定。 样品的制备采取待测农药西维因与大米粉末混合压片的方法模拟真实检测情景, 无需样品的分离富集。 分别将样品在1.8～6.3 THz特征波段内的Far-IR吸收光谱数据和在0.5～1.5 THz特征波段内的THz-TDS吸收光谱数据随机划分为训练集和验证集。 采用偏最小二乘回归（PLSR）方法建立定量分析模型, 将校正均方根误差（RMSECV）、 预测均方根误差（RMSEP）、 预测相关系数（Rv）作为模型性能评判的依据, RMSECV, RMSEP越小, Rv越大, 则所建立的模型越好。 两种检测技术均得到较好的结果。 其中, 运用Far-IR技术所得数据建立的定量分析模型预测相关系数(Rv)为0.99, 校正均方根误差（RMSECV）为0.007 7, 预测均方根误差（RMSEP）为0.008 6; 运用THz-TDS技术所得数据建立的定量分析模型预测相关系数为0.98, 校正均方根误差（RMSECV）为0.002 5、 预测均方根误差（RMSEP）为0.004 4。 该研究为定量检测粮食中的农残提供了一种新方法。

温度是激光诱导等离子体特性研究最重要的参数之一, 为降低光谱连续背景对Boltzmann平面法计算等离子体温度的精密度的影响, 利用小波变换对等离子体光谱进行分解, 并采用软阈值法对代表光谱基线的低频信号进行扣除。 选择合适的小波分解层数L及阈值系数α能有效提高Boltzmann图的线性相关度, 即有更高的拟合系数R2, 从而提高等离子体温度的计算精密度。 对低合金钢样品417～445 nm波段LIBS光谱采用db4小波函数进行分解、 基线扣除和信号重构, 选用12条Fe原子谱线建立Boltzmann图, 由Boltzmann图拟合直线的斜率计算得到等离子体温度。 对L和α系数进行了优化选择, 研究发现, 采用8层小波分解时Boltzmann图具有较高的R2, 而α的选择与时延td有关, td≤4.0 μs时, α=0.3可获得最佳R2值, 之后随td的增大, α逐渐减小; 在td≥6.5 μs后, α=0, 即光谱低频信号被完全扣除, 说明基线对光谱特征谱线的干扰随时延的增加逐渐减弱。 基线扣除后各时延的等离子体温度降低约2 000～3 000 K, 温度随时延的增加逐渐降低, 与等离子体膨胀过程中温度逐渐下降的物理过程相吻合, 且变化过程中的波动变小。

利用热释电晶体实现了一个X射线激发源, 并以此激发源和高能量分辨率的硅漂移探测器构建了一个X射线荧光分析谱仪。 首先通过分析计算热释电晶体厚度和靶厚度对产生X射线的影响选定了激发源的设计参数; 然后测量了激发源发射的X射线本底, 其能量范围在1～27　keV, 包含有Cu和Ta的特征X射线, 最大强度在每秒3　000个计数以上, 对本底的测量同时显示出谱仪的探测器部分对Cu的8.05　keV特征峰的分辨率达到210　eV, 具有很高的能量分辨率; 最后使用该谱仪测试了Fe, Ti和Cr等三种单质样品和高钛玄武岩样品, 测试结果表明该谱仪可以有效的分析出样品的元素成分。 由于这种X射线荧光分析谱仪的各组成部分体积都很小, 进一步便携化后非常适合于非破坏、 现场和快速的元素分析场合。

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低, 光能利用率高及无运动部件等优势, 逐渐成为光谱仪领域的研究重点。 研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。 为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题, 对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。 首先, 导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。 然后, 提出了两个过程来解决谱带混叠, 一是通过调整DMD编码条纹, 使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。 最后, 通过对谱线曲率半径为5.8×104, 7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正, 拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。 结果表明: 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后, 分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、 并且方法简单、 有效。

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一, 人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。 近年来, 利用组织光学特性, 特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点, 为肿瘤早期诊断、 代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。 双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、 散射系数等, 具有测量准确、 快速, 适用范围大等优点, 作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。 利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统, 分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件, 建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。 在此基础上, 测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数, 实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确, 多次测量标准偏差在3%以内, 不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比, 偏差小于3.4%。

以对叔丁基硫杂杯［4］芳烃（TCA）为受体、 苝和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）分别为荧光体和自组装模板剂, 通过在水中的胶束自组装作用制备得到一种新型的“ON–OFF”型Cu2+荧光化学传感器。 论文选用荧光猝灭率为考察指标, 详细考察了受体TCA用量、 自组装模板剂SDBS浓度、 Cu2+浓度和共存金属离子等影响因素对胶束自组装荧光化学传感器Cu2+检测性能的影响情况。 实验结果表明, 当受体TCA与荧光体苝的摩尔浓度比值达到1 000, 自组装模板剂SDBS浓度为50 mmol·L-1, 该荧光化学传感器对水中铜离子具有较好的检测能力, 待测Cu2+浓度在一定浓度范围内与荧光猝灭率呈线性相关。 此外, 荧光化学传感器的Cu2+检测性能基本不受Pb2+, Cd2+, Mn2+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al3+, Ni2+, Zn2+等共存金属离子干扰。 该胶束自组装荧光化学传感器对Cu2+的选择性检测性能主要归因于胶束表面活性剂分子层中TCA受体对Cu2+的识别作用, 而传感器荧光猝灭主要基于胶束内部的电荷转移或能量转移机制。

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理, 由Ge20Ga5Sb10S65-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。 当生物分子之间发生相互作用时, 引起生物分子层折射率的变化, 从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。 在此基础上, 根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱, 重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比, 在灵敏度、 分辨率、 动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。 另外, 通过对比研究, 深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。 最后, 利用近红外光作为提出的传感器的入射光, 分析了在近红外区域传感器性能的改善。 研究结果表明: 单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳; 反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%, 使传感器的输出信号具有较大的信噪比; 在可见光区域, 当入射光波长为632.8 nm时, 提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍, 是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍, 提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍; 利用Ge20Ga5Sb10S65棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域, 当入射光为1 000 nm时, 传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。 该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。

针对传统的信号处理方法无法有效区分不同振动入侵信号, 提出一种基于EMD-AWPP和HOSA-SVM算法的振动信息特征提取与识别方法, 用于解决分布式光纤振动入侵检测系统的高精度信号识别问题。 处理不同振动类型时, 该方法首先利用基于经验模态分解的自适应小波包处理算法, 不仅对信号的低频部分进行了分解, 而且对高频部分即信号的细节部分也进行了更好的时频局部化处理, 改善了信号特征提取精度, 减少传感信号异常值的影响; 其次采用高阶谱分析中的双谱和双相干谱, 精确提取包含不同振动入侵信号类型的特征矢量; 最后在BPNN参比模型的基础上, 用粒子群算法优化SVM的识别参数, 使识别模型具有更强的自适应和自学习能力, 克服了神经网络易陷入局部最优的不足之处, 实现不同振动入侵信号的特征矢量识别。 分析结果表明, 针对不同类型的入侵源识别, 该方法可以有效剔除随机噪声的影响, 提取传感信息的特征矢量, 降低异常值的影响, 算法的预测类别与输出类别几乎一致, 振动识别的精确率达到95%以上, 识别效果明显强于BPNN网络的检测算法, 提高了信息分析的准确性。

在近红外光谱分析中, 向前间隔偏最小二乘法（FiPLS）和向后间隔偏最小二乘法（BiPLS）是常用的基于波长变量选择的建模方法, 其模型精度较高, 但贪婪搜索特性较强, 导致选出的波段并不能较好地反映待测成分的信息。 针对该问题, 提出一种基于两者组合策略的光谱特征波段选择方法（FB-iPLS）。 在光谱分段的基础上, 既利用FiPLS选取有用波段, 同时利用BiPLS删除无用波段, 来交互执行特征变量的选择与删除, 对目标特征波段进行双向选择, 用于提高模型的稳健性。 用该方法建立水中乙醇含量的定量预测模型, 并与FiPLS和BiPLS算法对比。 由于光谱分段大小会对模型的结果有影响, 该实验还考查这三种方法在不同光谱分段处的结果。 在光谱划分60段时, 提出的FB-iPLS方法取得最佳预测性能, 其校正集与验证集相关系数r分别为0.967 7, 0.967 0, 交互验证均方根误差RMSECV分别为0.088 8, 0.057 1。 与FiPLS和BiPLS相比, 该方法无论在不同光谱分段区间还是在各自最优与最差分段处, 模型的整体预测性能都有所提高。 实验结果表明, 提出的方法能改善BiPLS与FiPLS贪婪搜索的特性, 对特征波段的选取更高效、 更具代表性, 能进一步提高模型的预测性能。

报道了地面长波红外遥测的新进展, 具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程。 演示装置基于角锥反射镜Michelson干涉具, 构成了空间调制干涉; 采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件, 通过对数据立方体的采集、 重组、 基线校正、 切趾、 相位校正和傅里叶变换等处理, 实现了长波红外波段高光谱成像。 自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6×10-8 W·(cm-1·sr·cm2)-1, 与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当; 反映了技术的先进性,并留有较大的改进空间。 通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线, CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11.5 μm。 文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例, 研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法。 在复杂背景和低试验浓度情况下, 从同一波数的红外光谱切片上, 观察不出乙醚蒸气的存在, 但是进行了差谱处理后, 可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布。 高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域, 相对于宽波段热成像方法, 具有灵敏度高、 抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势。