多丝熔化极气体保护焊中, 由于电弧间的相互干扰, 电弧工作状态不稳定, 进而影响焊接过程稳定性和焊接质量。 基于Boltzmann作图法测量电子温度场和Stark展宽法研究了多丝工作条件下电弧的电子温度分布和电子密度分布, 结合高速摄影获得的定量化结果, 给出电弧间干扰的定量化分析。 光谱诊断结果表明双丝情况下, 当加入电弧工作电流大于原电弧时, 原电弧电子温度中心向新加入电弧稳定偏移, 而且偏向新电弧一侧电子密度明显增加, 而新电弧工作电流等于原电弧时, 电弧电子温度和电子密度分布都反映出原电弧工作状态不稳定。 三丝情况, 由于加入第三根电弧, 导致中间电弧电子温度分布变得复杂, 而其电子密度分布接近于单丝工作情况。

计算了常压下3 000～25 000 K范围内熔化极气体保护焊(GMAW)保护气体Ar, CO2, 82%Ar-18%CO2及其与Fe蒸汽的混合物的平衡成分。 上述气体被看作一种Ar-CO2-Fe等离子体, 等离子体中的39种粒子被分为5种主元粒子和34种非主元粒子。 根据化学方程, 非主元粒子由主元粒子表示以减少未知数的个数和求解量, 再利用牛顿迭代法对平衡方程进行求解, 最终实现了成分求解。 计算结果表明, Ar气随着温度升高依次发生一次电离和二次电离, CO2气体除了在高温时发生原子电离外, 在低温时(T<8 000 K)还存在CO2, O2, CO等分子的解离, 82%Ar-18%CO2混合气则既有解离又有电离。 Fe的加入会增加等离子体的电子密度, 特别是在15 000 K以下。 等离子体成分的确定为GMAW电弧等离子体辐射属性计算以及电弧中Fe蒸汽浓度的光谱测定奠定了基础。

过渡金属硫化物黄铁矿是一种优异的光伏材料, 掺杂改性是提高黄铁矿光伏性能的一种重要手段。 为了探究不同Co掺杂量对黄铁矿的晶体结构和吸光性能的影响, 采用热硫化法在360℃时制备出了纳-微米黄铁矿样品。 利用Ｘ射线衍射(XRD)和多功能场发射扫描式电子显微镜(FESEM)分析了样品的晶体结构、 形貌特征和晶粒尺寸; 利用能谱仪(EDS)分析了样品的化学成分, 并通过紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)表征了样品的光吸收性能和禁带宽度的变化。 结果表明, 掺Co并未改变黄铁矿的立方晶型结构, 但与未掺杂黄铁矿相比, 样品结晶度变差, 晶粒发生团聚, 尺寸在1～1.45 μm范围内; 掺Co量的增加会导致晶粒尺度略微减小, 但影响不大。 EDS检测表明, 实际样品的掺杂并不均匀, 当掺Co量小于7 at%时, 测试值小于名义掺杂量; 而当掺Co量大于7 at%时, Co易发生富集。 S/(Fe+Co)的比值在1.92～2.05范围内, 表明样品内部的点缺陷数量的变化。 反射光谱表明制备样品的禁带宽度Eg在0.57～0.72 eV之间。 禁带宽度Eg随着掺杂量的增加, 呈现出先减小(Co 3 at%)后增加(Co 5～9 at%)的趋势。 掺Co量从0%增加3 at%时, 样品内部产生的点缺陷数目增多, 形成的附加能级会导致禁带宽度Eg窄化; 随着掺Co量进一步增加, S/(Fe+Co)比值更接近于2, 晶体结构更趋完善, Fe空位或S间隙点缺陷比率降低, 禁带宽度Eg趋近于本征特征, 会导致禁带宽度Eg宽化; 另外, 随着Co含量的提高, 物相中微量的CoS2相增多, 亦会导致较高掺Co量样品的禁带宽度有所宽化。 掺Co量在9 at%的样品的禁带宽度为0.72 eV, 大于同温度条件下未掺杂样品的禁带宽度0.65 eV, 禁带宽度的宽化在理论上有利于提高样品的光电转换效率。

净辐射系数是数值模拟中表征等离子体辐射属性最常用的参数。 考虑了线谱、 连续谱和分子带状谱等多种辐射机制, 计算了3～25 kK不同Fe含量下［82%Ar-18%CO2］-Fe等离子体的净辐射系数, 为GMAW电弧(82%Ar-18%CO2保护气, 低合金钢焊丝)的数值模拟提供了完整的辐射属性数据。 此外, 通过分析发现, 当Fe蒸汽加入到82%Ar-18%CO2混合物中, 即使Fe含量极低, 等离子体净辐射系数也会显著增大。 同时, 由于Fe的加入, 原本辐射贡献率较高的分子带状谱和连续谱辐射相对线谱辐射可忽略不计。

食用油是人类营养和能量的重要来源, 为人体提供必需的脂肪酸, 研究食用油在太赫兹波段光学特性, 对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。 衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术, 通过样品与倏逝波的相互作用, 获取样品的太赫兹光谱。 与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比, 该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响, 并能获得样品的精确光学参数。 分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。 结果表明, 与透射式太赫兹时域光谱技术相比, 衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、 吸收峰分布等光学特性。 进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、 核桃油、 葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性, 获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。 利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、 硬脂酸、 油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、 转动模式, 理论计算结果同实验测量结果吻合较好。 研究表明, 在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关, 其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。 研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。

根据纸币防伪特征区域载体材料与制作工艺的不同, 利用透射式太赫兹脉冲成像技术对2005版真伪百元人民币的白水印和安全线两处防伪特征区域进行逐点扫描获取相应的太赫兹时域信号, 然后对太赫兹波形进行数据处理获得时域显示模式成像及频域显示模式成像。 将真钞和假钞的成像结果进行对比, 发现白水印、 安全线部位的真假钞成像结果区别明显, 证实太赫兹脉冲成像技术能够真实、 有效地对真假人民币进行多区域、 多维度的准确鉴定。

文物信息的提取与研究对于揭示古代遗物内涵的人类社会、 文化等历史信息有着举足轻重的作用。 一方面可以了解古代的工艺技术特征, 探寻文物制作技术起源及其发展历程; 另一方面可以进行病害调查分析, 为保护文物提供有效信息。 由于文物不可再生的珍贵性, 探索和应用现代无损分析技术进行文物研究和保护尤为重要。 该文细致梳理了目前主要在文物研究与保护中的无损分析方法及其应用现状: 用于文物内部和表面影像分析的X光照相技术、 红外成像技术、 CT技术、 多光谱成像技术和三维激光扫描技术; 用于文物表面微观形貌观察和显微结构分析的光学显微镜和电子显微镜; 用于文物化学组成分析的X射线荧光光谱和激光剥蚀等离子体质谱分析技术; 用于文物物质结构分析的微区XRD、 反射式红外光谱和显微激光拉曼光谱分析技术。 同时, 对这些无损分析技术的优势和局限性进行了初步分析, 预期随着科技研究水平的不断提高, 这些无损分析技术未来将向着小型化、 自动化和便携化的方向发展, 在文物研究和保护中有着十分广阔的应用前景。

采用高温固相法制备一系列Sr2SiO4∶Eu0.01, Dyx(x=0.000 1, 0.002 5, 0.005, 0.01)应力发光材料, 研究了不同掺杂浓度下, Sr2SiO4∶Eu, Dy的光致发光和应力发光性质。 研究结果表明在掺杂Dy3+浓度较低时, 样品同时存在α和β两种相, 当掺杂Dy3+浓度增加时, 则出现β到α的相转变。 由于Eu2+占据Sr2+格位的不同, 样品在蓝光区486 nm(Sr1)和绿光区530 nm(Sr2)有两个峰存在。 而应力发光光谱与余辉光谱类似, 均只呈现出530 nm的发光, 这说明二者的发光来源于占据Sr2格位的Eu2+, 都是通过改变陷阱的浓度实现发光性能的变化, 但Sr2SiO4∶Eu, Dy的应力发光强度的变化还与其结构改变有关。 同时, Sr2SiO4∶Eu, Dy应力发光强度与所施加的力之间呈良好的线性关系, 并且可用眼睛观察到明显的黄色应力发光, 这为应力发光传感器准确检测物体所受应力提供依据。 结合余辉、 热释以及应力发光性质, 推测Sr2SiO4∶Eu, Dy的应力发光机制应是压电产生的电致发光。

基于时间分辨的粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)是一种广泛应用的非接触式二维瞬时流场可视化测量技术。 为了得到流场精细的瞬态空间结构和演变过程, 提出了一种利用多光谱成像技术来提高流场测量的时间分辨率的方法。 利用多个不同波长的脉冲激光照明流场中的同一测量区域, 使用多光谱成像系统采集不同波长的粒子图像, 经过图像分离, 判决计算产生速度矢量场。 为了验证这一原理的可行性, 使用三种不同波长(488, 532和632.8 nm)的单色光谱脉冲搭建了一套基于多光谱成像的TR-PIV系统, 通过多波长激光脉冲之间时序的精确控制, 将两帧图像之间的时间间隔从10 ms缩短至3.4 ms, 时间分辨率提高了3倍。 结果表明基于多光谱的TR-PIV测量系统在保持PIV技术瞬时全场测量特点的同时, 时间分辨率大为提高。

亚熔盐液相氧化技术可在相对低温下实现难分解两性金属矿物的高效转化, 基于此进一步提出了碱性介质电化学活性氧协同强化新方法。 利用紫外-可见光光谱和电子自旋共振波谱等手段对电催化体系活性氧的生成与转化机理进行了系统解析。 通过阴极电催化的作用, 在电极表面定向进行两电子氧气还原反应, 原位产生大量的活性氧组分。 研究发现过渡金属离子与两电子氧气还原产物HO-2之间的“自诱发”效应, 可生成具有更高氧化活性的羟基自由基, 大幅促进两性金属转化过程, 实现了碱性介质电化学高级氧化过程。 利用紫外-可见光光谱检测到电化学体系活性氧催化氧化低价两性金属氧化物(Cr2O3和V2O3)的转化过程。 与此同时, 根据标准自由能变化的热力学数据计算可知, V2O3比Cr2O3更易在活性氧存在的条件下发生溶出反应。 采用电子自旋共振波谱(ESR)对电催化体系内的羟基自由基进行检测, 结果表明由V2O3引发的电化学-类Fenton反应激发产生的羟基自由基ESR信号比Cr2O3信号强。 利用猝灭剂实验验证了具有高氧化电位的羟基自由基可以对两性金属液相氧化起到促进作用。 该研究为碱性介质电化学矿物溶出实际反应提供理论参考。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO2浓度时, 由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化, 最终导致浓度测量存在较大误差。 为了克服温度变化对浓度测量的影响, 选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器, 基于直接吸收法, 模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境, 研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、 间隔10 K)不同温度工况下CO2浓度的测量。 结果显示, 常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%, 最小相对误差为1.25%, 相对误差均方值为3.39%, 验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性, 但其在变温测量时浓度测量结果误差较大, 其最大相对误差已经超过25%。 为了修正温度变化对浓度测量结果的影响, 适应工业测量的需要, 在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。 经过修正后, CO2浓度测量的相对误差降到5%以下, 相对误差均方值降到3.5%以下。 修正结果表明, 所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响, 显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性, 为TDLAS系统测量CO2浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。

北京故宫是现存规模最大、 保存最完整的木结构古建筑群。 2015年底, 故宫养心殿启动研究性保护修缮工程, 燕喜堂是养心殿的后殿西耳房, 是此次维修的重点对象之一。 彩画是古建筑的重要组成部分, 不仅具有美化装饰的作用, 更有对木材的防腐保护功能。 为了能更好地辅助燕喜堂及西围房建筑彩画的保护与修复, 需要对彩画原始材料以及工艺进行检测研究。 使用一套集成检测方法: 包括样品横截面分析、 扫描电子显微镜背散射及能谱技术、 拉曼光谱技术、 荧光染色法、 酶联免疫法、 免疫荧光法以及热裂解气相色谱法, 分析了故宫养心殿燕喜堂及西围房建筑彩画样品的颜料、 沥粉、 胶结材料的成分, 以及结构关系。 结果表明燕喜堂西围房使用的颜料有朱砂、 铁红、 群青、 石青、 石绿以及副氯铜矿型铜绿; 沥粉的无机组成为石英、 滑石、 白垩或白云石。 胶结材料检测结果发现彩画地仗层中普遍掺加了桐油, 颜料层中掺加了动物胶。 梁上彩画除了表面图案, 地仗层底部还有一层朱砂颜料, 同时地仗层内部也不规则地发现朱砂颜料。 此外, 表层红色颜料通常由两层颜料组成, 内层的显色成分是铁红和朱砂, 颜料颗粒直径1 μm左右, 外层颜料由朱砂组成, 颜料颗粒大小不一, 直径1～30 μm范围内。 上述检测结果不仅可以部分看出燕喜堂及西围房建筑彩画的工艺特征, 也表明该集成检测方法可行、 所需样品量少, 是一种经济实用的彩画文物检测方法。

利用密度泛函理论B3LYP方法和6-311+G*全电子基组对(Li2F)nM (M=Li, Na, K; n=1, 2)团簇的几何结构进行了优化, 确定了它们的基态结构, 并对它们的化学稳定性、 电子特性和红外光谱进行了理论研究。 结果表明: (Li2F)M (M=Li, Na, K)团簇具有相似的双三角基态结构, 但是(Li2F)2M的基态结构则完全不同; (Li2F)Li和(Li2F)2Na团簇具有较大的键能和HOMO-LUMO能隙, 致使其具有较高的化学稳定性。 通过轨道分析发现, 这两个稳定团簇的HOMO和LUMO轨道都是由sp杂化而形成了σ键。 同时, 也发现(Li2F)2K团簇因具有较低的电离势(4.23 eV), 可以考虑其为新型的超碱金属化合物。 此外, 模拟了(Li2F)nM团簇的红外振动特征峰, 并对主要谱峰的振动模式进行了指认。

为了阐释煤热解过程中结构演化与烷烃气碳同位素的关系, 进行了低阶煤在高压釜密闭体系下热解实验, 分析热解烷烃气碳同位素组成; 借助傅里叶红外光谱(FTIR)精细剖析了煤结构演化规律, 构建了烷烃气碳同位素组成与结构演化的关系模型, 揭示了热解烷烃气碳同位素变化的原因。 结果显示在Ro, max＜1.3%之前的阶段, 煤中脂链轻碳同位素被分馏出去而重碳同位素被留在长链中; 当1.3%＜Ro, max＜2.0%时, 具有相对较重碳同位素组成脂链再进一步的断裂分解仍主导了烷烃气碳同位素变化, 也即是Ro, max在2.0%之前的阶段, 煤中脂链倾向性的裂解方式是烷烃气碳同位素变化的主要因素; 此后(Ro, max＞2.0%)由于芳环缩聚和解体进程的加剧使得环内重碳物质得以释放进入烷烃气中, 而导致其碳同位素组成迅速变重。 热解烷烃气中甲烷和乙烷碳同位素组成与煤脂链结构演化呈现同步性特征, δ13CCH4和δ13CC2H6值可以作为煤脂链结构演化的敏感性指标。 Ro, max=1.3%和2.0%是煤热解结构演化与烷烃气碳同位素组成关联性的重要节点。 研究成果对探索煤生烃与结构演化的耦合关系及二次生烃机理有理论意义。

精制煤沥青(QI＜0.2%)是制备煤系针状焦的原料, 其热转化性质决定着所生产的煤系针状焦的质量。 利用FTIR光谱及分峰拟合的方法考察了精制煤沥青在不同热转化温度下的结构变化。 主要研究了芳香性指数(Iar)、 支链化指数(CH3/CH2)、 各基础官能团(CO, C—O, 芳环CC)含量、 芳环取代种类的变化情况。 结果表明: 精制煤沥青的Iar指数随着热转化温度的提高, 逐渐变大, 并且CH3/CH2指数逐渐增大, 说明精制煤沥青热转化过程中支链的断裂形成活性位点是诱导芳香环增大的原因之一; 随着热转化温度的升高, CO含量由最初的26.25%降低为15.62%, 芳环CC含量由43.39%增加为51.28%, 而C—O含量变化很少, 说明CO是诱导大分子芳环缩合反应的重要因素; 精制煤沥青中芳环1H和3H含量随着温度升高逐渐减小, 而4H含量逐渐升高, 说明芳环取代逐渐减小, 芳香性逐渐增加, 与Iar分析结果相吻合。

土壤汞污染对水稻的生长、 发育以及稻米的品质均产生重要影响, 目前, 应用红外光谱研究汞对水稻植株中有机物分子结构的影响尚不深入。 采取大田低、 中、 高三种汞污染水平下的水稻植株样品, 应用傅里叶变换-红外光谱法(FTIR)测定水稻根、 茎叶、 籽粒三个器官的特征吸收峰, 研究不同程度土壤汞污染对植株傅里叶红外光谱特征的影响。 结果表明: 土壤汞污染导致了汞在水稻植株中的累积, 其含量分布为: 根>茎叶>籽粒。 水稻根、 茎叶在3 428, 2 922, 2 851, 2 364, 2 344, 1 750~1 500和1 150~935 cm-1等波数均受汞污染的影响, 而汞污染下的水稻籽粒仅在3 426, 2 361, 2 335和1 750~1 300 cm-1波数发生了变化。 综合分析水稻植株各器官的FTIR光谱特征, 可能说明: 汞胁迫降低了水稻根、 茎叶和籽粒中碳水化合物, 刺激了根中羧酸、 半乳糖、 饱和脂类和茎叶中多种多糖的生成。 水稻根和茎叶是阻抑汞迁移与侵害的主要器官。 根部似乎是在茎叶加强多糖类物质的生成并向根部转运营养物质的基础上通过分泌有机酸和增强细胞壁、 膜的形成, 使其与Hg螯合和吸附, 阻止汞向根内的迁移来实现抗汞胁迫的。 可以通过加强根与茎叶的抗汞过程来降低汞对水稻尤其是稻米的侵害。 在种植管理中不仅要重视汞在稻米中的积累, 还应当重视汞对水稻生长发育和稻米品质的影响。

铁铝锰氧化物催化木质素形成腐殖质具有重要作用。 为阐明微生物-木质素-铁铝锰氧化物三者间的关系, 揭示矿物-菌体残留物的结构特征, 采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源, 通过添加针铁矿、 三羟铝石及δ-MnO2粉末, 在接种复合菌剂后启动110 d液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用FTIR及SEM技术对其特性进行研究。 结果表明: 针铁矿呈松针状结构, 参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后表面附着了条状的暗色物质, 表观结构不规则, 但晶体结构并未改变。 菌体中多糖类物质与针铁矿游离羟基的阴离子发生交换作用, 芳香碳结构比例增加, 菌体在针铁矿表面堆积掩蔽了Fe—OH键以及(001)面的γ-OH键, Fe—OH发生质子化使Fe—O键振动频率增强; 三羟铝石表面结构疏松、 呈绒球状物质, 参与形成矿物-菌体残留物后, 缩聚作用明显、 疏松程度降低、 表面微孔结构减少。 氢键作用使矿物-菌体残留物的铝羟基振动频率下降, 即与AlOH相结合的O—H键极性减弱; 木质素引入使芳香碳结构比例增加, 随着培养进行, 其含量先下降, 而后再历经缩合; δ-MnO2表面颗粒粗糙, 以絮状或颗粒状团聚, 参与形成矿物-菌体残留物后, 颗粒团聚趋势明显、 堆积更加紧密、 表面结构更加光滑。 60 d培养期间, δ-MnO2结晶度受到菌体堆积以及氢键作用使O—H键的极性减弱, 而后层间水分子—OH含量增加对其产生了叠加效应, 使3 404~3 435 cm-1处吸收峰强度增加。 菌体中多糖类物质的羟基通过氢键、 化学力与δ-MnO2表面发生缔合, 所形成的矿物-菌体残留物芳香碳结构比例增加, 但Mn—O基团受到掩蔽; δ-MnO2的参与能够使矿物-菌体残留物产生更大数量的芳香碳结构, 为腐殖质形成提供更多的稳定性碳, 其次是针铁矿, 而三羟铝石则在培养30~60 d更有利于木质素的微生物降解。

为了探讨利用二维相关可见/近红外光谱法优选猪肉挥发性盐基氮(TVB-N)特征变量的可行性, 以贮藏时间为外扰, 研究了不同新鲜程度猪肉样本的二维相关光谱特性。 首先, 获取56个猪肉样本在贮藏1～14 d的400~1 000 nm范围的可见/近红外反射光谱, 经过标准正态变量变换(SNV)处理后, 基于全波段光谱建立TVB-N的偏最小二乘回归(PLSR)模型。 然后, 依据TVB-N实测值, 从中挑选出10个具有一定浓度梯度的样本(贮藏时间分别为0, 36, 72, 108, 144, 180, 216, 252, 288和324 h), 利用一阶导数对光谱进行预处理后, 根据不同样本之间的光谱差异, 选取7个波段用于二维相关光谱解析。 分析各个波段的二维相关同步谱和自相关谱, 从7个波段范围内共选取23个变量作为不同贮藏时间下与TVB-N相关的敏感波长, 并建立简化的PLSR模型。 相较于全波段光谱数据所建模型, 模型效果有所改善, 预测集决定系数R2p由0.792 1上升至0.865 8, 误差从3.658 2 mg·(100 g)-1下降至3.246 0 mg·(100 g)-1。 表明基于二维相关光谱对猪肉TVB-N特征变量进行优选的思路是可行的, 该方法能够从全光谱数据中筛选出与目标物质相关的敏感变量, 这也为近红外光谱特征波长选择提供了一个新的方法。

SiO2含量是铁矿石质量控制的主要技术指标, 亦是衡量铁矿石品质好坏的关键指标之一, 对选矿方法、 配矿流程的确定具有重要意义。 传统的SiO2含量测定法虽然准确度高, 但工作量大, 操作繁琐, 花费时间长, 难以快速、 高效确定铁矿石中SiO2含量。 采用红外光谱辐射计Turbo FT对辽宁省鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司的“鞍山式”铁矿样品进行热红外光谱测试, 分析了光谱特征, 构建了比值指数(RI)、 差值指数(DI)和归一化指数(NDI), 并确定光谱指数与样品SiO2含量相关性最显著的敏感波段及对应的相关系数值; 优选出与样品SiO2含量相关性最显著的归一化指数(NDI), 构建样品SiO2含量的定量反演模型, 并进行了验证。 结果表明, 三种光谱指数与样品SiO2含量的敏感波段均位于余辉带特征(RF)的左边界8.06与8.2 μm处, 相关系数均达到0.9以上, 其中NDI与样品SiO2含量的相关性最高; 基于NDI构建了实验样品SiO2含量的二次函数反演模型, 预测误差为3.57%。 该方法相对于传统的研磨化验法, 具有工作强度小、 便捷、 快速、 高效、 无污染的优点, 对遥感找矿也具有一定指导意义。

煤是工业的主要能源, 煤的品质对工业和环境起决定性作用。 在使用煤的过程中, 如果不能准确确定煤的品种, 有可能对生产效率、 环境污染、 经济损失等会造成重大的影响。 传统的煤分类, 主要依靠人工方法和化学分析方法, 这些方法的缺点是高成本和耗费时间。 如何快速准确确定煤的品质很重要。 因此, 提出深度学习、 极限学习机-ELM算法和可见、 红外光谱联合建立煤矿分类模型。 首先, 从抚顺、 伊敏和河南夹津口煤矿区采取不同煤样品, 并使用美国Spectra Vista公司的SVC HR-1024地物光谱仪测得光谱数据。 然后利用深度学习的卷积神经网络-CNN提取光谱特征, 并采用ELM算法对光谱数据建立分类模型。 最后, 为进一步提高分类精度, 引入粒子群算法。 通过全新定义惯性权重和加速系数的取值范围来改进粒子群算法, 并使用改进粒子群算法优化CNN-ELM网络。 实验结果表明, 和PCA特征提取方法比较, CNN网络能够更好的提取光谱特征, CNN-ELM分类模型有良好的分类效果; 改进ELM分类模型的分类精度高于基础ELM和SVM分类模型。 与传统的化学分析方法和人工方法相比, 此方法在经济、 速度、 准确性方面均具有无可比的优势。

采用傅里叶变换红外光谱结合相关性分析、 二阶导数谱和二维相关谱对13种常见野生蘑菇进行鉴别研究。 结果显示13种野生蘑菇的红外光谱光谱特征相似, 主要由蛋白质、 多糖的吸收组成, 13种样品的相关系数最小为0.779, 最大值为0.960。 在1 700~1 400和1 400~800 cm-1范围的二阶导数光谱中, 各样品吸收峰的强度、 位置和形状均有明显差异。 二维相关红外光谱在1 380~1 680 cm-1范围的强自动峰整体相近, 但自动峰和交叉峰位置、 形状存在差异; 在920~1 230 cm-1的范围, 各样品的自动峰和交叉峰的数量、 强度和位置差异明显。 结果表明傅里叶变换红外光谱结合相关性分析、 二阶导数谱和二维相关谱有望发展为区分不同种类蘑菇的快速方法。

琥珀是古植物的液态树脂经过多种地质作用后形成的石化树脂。 柯巴树脂是形成年代较短且成熟度较低的半石化树脂, 其外观与琥珀较为相似。 柯巴树脂与琥珀都是天然树脂在石化过程中的产物, 两者的化学成分存在过渡、 重叠, 具有较多的相似性, 导致二者的鉴别有一定难度。 近期市场上出现两个产地的柯巴树脂, 其中棕红色-棕色的婆罗洲柯巴树脂常被误认为缅甸琥珀, 淡金色-金色的马达加斯加柯巴树脂常与波罗的海琥珀混淆, 已引起较为广泛的注意。 为此, 以外观相似的婆罗洲柯巴树脂与缅甸琥珀, 马达加斯加柯巴树脂与波罗的海琥珀, 为研究对象每类选取四块代表性样品, 共16块。 红外光谱测试在中国地质大学(北京)珠宝学院宝石研究实验室完成。 测试仪器为BRUKER TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪, 扫描16次, 分辨率为4 cm-1, 扫描范围为4 000~400 cm-1, 室温。 研究结果显示, 外观相似的柯巴树脂和琥珀红外光谱吸收峰位置和吸收强度存在可识别的差异, 因此可以利用红外光谱特征对其进行科学有效的鉴别。 婆罗洲柯巴树脂的红外光谱主要特征为3 000~2 800 cm-1范围内的4处吸收峰和1 710 cm-1处较强吸收峰, 1 730 cm-1处肩峰、 887与824 cm-1处弱吸收峰。 马达加斯加柯巴树脂的红外光谱主要特征为与CC双键相关的3处组合吸收峰、 1 697 cm-1处强吸收峰, 1 724 cm-1处肩峰和由1 271与1 176 cm-1吸收峰组成的“W 图形”。 与婆罗洲柯巴树脂外观相似的缅甸琥珀可以通过3 000~2 800 cm-1范围内的2处吸收峰、 1 724 cm-1处强吸收峰、 1 300~1 100 cm-1范围内的一个“W图形”进行快速鉴别。 与马达加斯加柯巴树脂易混淆的波罗的海琥珀可以通过“波罗的肩”进行快速区分。 另外, 婆罗洲柯巴树脂R (A1 383 cm-1/A1 464 cm-1)值为0.823~0.860, 大于缅甸琥珀0.605~0.643; 马达加斯加柯巴树脂R值为0.900~0.985, 大于波罗的海琥珀0.704~0.783, 该值也可作为区分特征。 国内有关琥珀和柯巴树脂的研究主要为气相色谱质谱(GC-MS)划分的Ⅰ类琥珀和柯巴树脂(主要化学成分为半日花烷型双萜化合物的聚合物), 柯巴树脂针对新西兰和哥伦比亚这两个产地, 缺乏婆罗洲和马达加斯加柯巴树脂的红外光谱分析。 该研究对外观相似的婆罗洲柯巴树脂和缅甸琥珀, 马达加斯加柯巴树脂和波罗的海琥珀进行红外光谱的对比分析, 揭示了婆罗洲和马达加斯加柯巴树脂的红外光谱特征, 并为快速区分外观相似的柯巴树脂与琥珀提供科学依据。 结合前人研究, 认为红外光谱在不同产地柯巴树脂的分类及外观相似的柯巴树脂和琥珀的快速鉴别提供了重要的科学依据。

前期的研究报道了红外光谱能够监测水果变质产生的挥发物质, 其方法是将挥发物收集在气室中, 利用多次反射的结构来增强光信号。 实验中, 我们使用开放光程傅里叶变换红外光谱法监测葡萄变质挥发物, 尝试了主动和被动两种测量模式。 根据红外光谱特征对葡萄品劣变过程中产生的挥发物进行了定性分析, 并在研究中测量了葡萄储藏期间挥发物质的红外光谱特征的强度变化, 并且根据这种变化规律建立了不同变质阶段的分类方法。 此外, 还尝试直接从原始光谱中分析挥发物质, 证明了挥发物在原始光谱上仍然具有明显的光谱特征。 这一研究证实了现场开放式傅里叶变换红外光谱法监测水果变质的可行性。 开放光程傅里叶变换红外光谱法所具有的灵活使用性和非接触式在线测量的优点, 使其有可能应用于大面积监测储藏中的水果变质问题, 并具有进一步定位劣变源的潜力。

稀酸预处理可打破木质纤维原料天然抗降解屏障, 提高后续酶解和发酵效率, 从而使其更高效地转化为生物燃料, 然而在亚细胞水平上纤维细胞壁的解构机理仍有待深入研究。 采用共聚焦显微拉曼光谱技术与主成分聚类分析法结合, 研究了稀酸预处理前后马尾松细胞壁区域化学变化特点。 结果表明, 累计贡献率高达94.61%的第一与第二主成分空间中光谱样本散点呈现规律性分布; 聚类分析可准确提取细胞壁不同形态区域平均拉曼光谱。 结合拉曼成像分析发现, 细胞角隅木质化程度高, 含有较多木质素, 次生壁木质化程度低, 含有较多碳水化合物。 稀酸预处理导致马尾松细胞壁发生了不均一解构, 其致密空间结构被破坏, 次生壁中碳水化合物典型特征峰2 890 cm-1处信号强度降低了26.9%, 表明碳水化合物从该区域大量脱除; 碳水化合物在复合胞间层少量脱除, 而细胞角隅则出现了其轻微富集。 木素在稀酸预处理后发生了重新分布, 细胞角隅区拉曼信号显著增强。 碳水化合物(主要为半纤维素)的溶出及木质素的重新分布削弱了生物质原料的抗降解性, 有利于后续酶解糖化。 该研究不仅提供了一种快速、 高效的纤维细胞壁区域化学分析方法, 还为林木生物质高值转化的研究奠定了重要的理论基础。

安徽齐云山恐龙蛋化石为最新发现, 为研究恐龙蛋壳形成方式的多样性提供了新的资料。 利用偏光显微镜和激光拉曼光谱仪分析了齐云山恐龙蛋蛋壳的内部矿物组成和结构特征, 结果表明: 齐云山恐龙蛋壳的主要组成为方解石和有机基质, 其次还包括少量的石英、 蛋白石、 白云母、 白云石、 海绿石和针铁矿, 成因归属于矿质填充作用和碳化作用。 偏光显微结构特征显示, 原生方解石和次生方解石呈明暗交替的文象结构。 原生方解石结晶较差, 为蛋壳成岩石化的产物, 次生方解石结晶较好, 其中可见少量的石英。 拉曼测试原生方解石和次生方解石的主要特征峰均位于1 087, 282, 713和155 cm-1附近, 但次生方解石比原生方解石的特征拉曼峰散射强度更强, 结晶程度更高, 颗粒更粗大, 与镜下观察结果一致。 有机基质微晶振动和晶面内C—C伸缩振动的拉曼峰分别位于1 360和1 600 cm-1附近。 466, 209, 130, 357和404 cm-1附近的拉曼峰为石英的特征峰。 此外, 898, 629, 1 458, 654和481 cm-1附近的特征峰分别代表蛋白石、 白云母、 白云石、 海绿石和针铁矿, 表明围岩中的矿物质已通过蛋壳气孔或裂隙进入其内部。 该结论为研究恐龙蛋壳化石的矿物成因和赋存层位的沉积环境提供了重要的参考资料。

雾霾天气已严重影响人们的日常生活, 通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。 矿物粒子、 灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征, 因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。 “日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射, 散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、 复杂折射率、 粒子形变、 波纹参数)。 采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法, 仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系, 结果表明: 粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大, 粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变; 具体分析散射角度为10°时, 得到粒径对Is和Qs的数值影响最大, 当粒径r<1 μm时, Is随粒径呈现抛物线趋势; 切比雪夫粒子形变的增大, Is呈现先增大后减小的趋势。

利用三维荧光光谱法和紫外光谱法, 研究阴离子对城市污水二级出水DOM光谱的影响, 为环境中DOM分析提供数据基础。 结果表明: 投加SO2-4和Cl-使二级出水DOM荧光峰强度小幅度增强或降低。 投加NO-3浓度在0.005～0.1 mol·L-1时, 出现代表可见光区类腐殖质的荧光峰。 随投加NO-3浓度增大, 荧光强度显著降低; 代表类腐殖质荧光峰的激发波长和发射波长与紫外吸收峰右侧红移。 NO-3投加浓度与HIX, UV254, UV253/UV203, α300和α250/α365呈较强的正相关性, 决定系数分别为0.993, 0.994, 0.987, 0.998和0.995; 与BIX呈负相关性, R2为0.949; 对α350和α355影响不大。 结果表明, 投加SO2-4和Cl-对二级出水DOM的荧光(除荧光强度外)和紫外特性影响较小。 样品NO-3浓度不同时, 用荧光参数和紫外参数衡量不同DOM来源和性质时将产生一定影响。

提出基于四元数主成分分析的三维荧光光谱特征提取新方法, 并将其运用于品牌食醋溯源研究。 首先利用F7000荧光光谱仪测得不同品牌食醋样本的三维荧光光谱数据, 获取样本的等高线图和三维投影图, 并进行三维荧光等高线图分析; 然后利用激发波长分别为380, 360和400 nm下的发射光谱数据建立食醋三维荧光光谱数据的四元数并行表示模型, 对四元数荧光光谱矩阵进行四元数主成分特征提取, 并基于乘积运算、 模值运算和求和运算三种方法对提取出来的四元数主成分特征进行特征融合; 最后将融合特征作为K近邻分类器的输入, 得到不同食醋品牌的最优分类模型。 分别讨论三种不同特征融合方法和四元数主成分个数与最终模型分类正确率之间的关系。 针对四个不同食醋品牌120个样本的分析结果可得: 基于求和特征融合运算所得到的融合特征可以利用最少的特征数目, 建立最优的溯源模型, 样本预测集溯源正确率可达100%。 研究结果表明: 四元数主成分特征提取和特征融合方法能够并行表示三维荧光光谱数据所蕴含的丰富信息, 为三维荧光光谱数据分析提供新思路。

以硝酸锌与3,4’-联苯二甲酸(3,4’-H2dpdc), 4,4’-联吡啶(4,4’-bpy)为反应物, 以水为溶剂, 适当调节pH值, 通过水热反应, 得到配合物［Zn(3,4’-Hdpdc)2(4,4’-bpy)］(Zn-MOF)。 利用X射线单晶衍射测试分析确定了该配合物是由4,4’-bpy配体桥联Zn(Ⅱ)离子形成的 “Z”形链结构, 属于单斜晶系, C2/c空间群。 在278 nm激发下, Zn-MOF的荧光发射光谱在341～537 nm范围出现宽发射峰, 最强发射峰波长406 nm, 属于配体的π*—π跃迁。 研究了该配合物对Tb(Ⅲ)离子发光性能的影响。 实验结果表明, Zn-MOF可敏化甲醇和水溶液中的Tb(Ⅲ)离子, 使Tb(Ⅲ)离子的特征荧光发射峰增强。 在荧光光谱490, 545, 585和624 nm出现强的线状发射峰, 对应于Tb(Ⅲ)离子的5D4→7FJ (J=6～3)跃迁。 最强发射峰位于545 nm (5D4→7F5), 为绿光。 Zn-MOF可用作荧光探针检测甲醇和水溶液中的Tb(Ⅲ)离子。

为了给冬枣采收后成熟度分级提供理论指导, 运用高光谱技术获取特征波长和计算光谱指数对其成熟度可视化分级。 采集三类成熟度冬枣(未成熟果、 白熟-初红果、 半红-全红果)样本共336个并获取其高光谱信息, 通过Savitzky-Golay(S-G)平滑对原始光谱降噪后再用Kennard-Stone(K-S)方法将样本分为训练集(226个)和测试集(110个)。 选用连续投影法(SPA)和竞争性自适应重加权采样法(CARS)选择特征波长(CWs); 同时从水果生理成分变化角度引入7个光谱指数(SIs)。 基于SPA和CARS选取的CWs和引入的SIs分别建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型, 并比较了3个模型的分级效果。 结果表明: 基于SPA和CARS选择的特征波长和引入的SIs建立的PLS-DA模型判别精度分别为: 97.27%, 95.45%和98.18%。 为了直观展现判别结果, 选用SIs建立的PLS-DA回归系数拟合判别向量Y的回归方程, 依据Y中最大值元素所在类别为该样本预测类别的规则, 将结果用不同颜色直观显示。 该研究为冬枣成熟度可视化分级提供了思路, 引入的SIs参数为开发适于多种水果成熟度分级的设备提供了技术支撑。

对基于空间可分辨光谱的番茄成熟度分类判别方法进行了试验研究。 首先根据番茄的内部颜色, 将600个番茄分为6个不同成熟度 (green, breaker, turning, pink, light red and red) , 然后用自行开发的多通道高光谱成像探头采集番茄的空间可分辨(SR)光谱, 建立基于空间可分辨光谱的番茄成熟度偏最小二乘判别(PLSDA) 模型和支持向量机判别(SVMDA)模型。 结果显示, 对于PLSDA模型, SR光谱15为最佳分类光谱, 分类正确率达到81.3%; 对于SVMDA模型, SR光谱10为最佳预测分类光谱, 分类正确率为86.3%。 对六个成熟度等级番茄的判别分类, SVMDA模型要明显优于PLSDA模型。 此外, 相对于较小的光源-检测器距离SR光谱, 较大的光源-检测器距离SR光谱可以获得更好的判别效果, 显示出空间可分辨光谱在果蔬品质检测方面的应用潜力。

稀土螯合物的制备是均相时间分辨荧光免疫分析中的关键部分, 为了合成理想的稀土螯合物, 以2,6-二(溴甲基)吡啶-3,5-二甲酸二乙酯为原料, 首先优化合成了Li+2,6-{N,N’,N,N’-［二(2,2’-联吡啶-6,6’-二甲基)］二(氨甲基)}-吡啶-二羧酸乙酯, 使其产率明显提高。 进一步选择乙腈和甲醇两种反应体系合成铕螯合物, 并比较了不同反应体系下合成的铕螯合物的光谱性质。 研究表明, 乙腈和甲醇两种反应体系所得铕螯合物的激发光谱(最大激发波长为310 nm)、 发射光谱(最大发射波长为616 nm)、 量子产率基本相同, 荧光强度在10-8～10-5 mol·L-1范围内与Eu3+浓度均成线性, 相关系数分别为0.993 73和0.986 65, 两种铕螯合物(c=2.5×10-5 mol·L-1)的荧光强度略有差异, 荧光寿命分别为825和830 μs。 因此, 两种反应体系所得铕螯合物具有斯托克斯位移大、 荧光强度强以及荧光寿命长等优点, 并且此种穴状螯合剂结构中的吡啶-2,2-联吡啶可保护铕离子免受其他物质的干扰, 是理想的稀土螯合物, 可用于蛋白质、 核酸等生物分子的标记。 本研究不仅拓展了合成新型稀土螯合物的方法, 而且为进一步建立均相时间分辨荧光免疫分析奠定了基础。

利用甘露醇法测定硼、 双指示剂法测定总碱度, 同时借鉴血清中HCO-3的检测方法, 建立了一种分光光度-滴定分析联用方法, 用于准确测定含硼盐卤体系中硼及CO2-3和HCO-3的准确含量。 以酚红为显色剂, 考察了测定波长、 显色剂用量、 显色反应温度、 pH等测试条件的影响, 并从浓度与吸光度的线性关系, 检出限及加标回收率等方面进行了系统研究, 结果表明: 在显色剂用量为1 mL, 控制pH 8.4, 室温下进行显色反应; 在波长558 nm处, CO2-3在0~10 mmol·L-1内吸光度与浓度有良好线性关系, 线性相关系数R2=0.999 8, 检出限为2.53×10-3 mmol·L-1。 样品加标回收率范围在97.75%~101.76%间, 相对误差在-1.67%~-1.95%。 该方法简便易行, 精密度好, 准确度高, 优化了共存硼体系中CO2-3和HCO-3含量的测定方法, 为含硼盐卤体系中体系碳酸根和碳酸氢根含量的准确测定提供了一种新的方法, 对于盐湖卤水的基础研究和实际应用提供了新的思路和实验方法。

利用高光谱遥感技术监测并识别农作物受重金属污染信息是当今热点, 研究设置了不同浓度铜离子(Cu2+)、 铅离子(Pb2+)胁迫梯度的玉米盆栽实验, 并测取了玉米叶片的光谱及叶片中重金属离子与叶绿素含量。 基于获取的光谱数据, 将光谱划分为紫谷、 蓝边、 绿峰、 红谷、 红边和红肩六个光谱特征区间, 通过光谱的一阶微分和二维多重信号分类(2D-MUSIC)算法构造空间谱, 对各光谱特征区间进行变换分析。 实验结果表明: 蓝边、 绿峰和红边阵列信号的空间谱在Cu2+胁迫下为双高峰, 在Pb2+胁迫下为单高峰, 以此能够快速、 直观地区分玉米叶片所受重金属污染的Cu2+和Pb2+元素类别。 红谷和红肩阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Cu2+含量的相关系数分别达到-0.954 5和-0.964 8, 说明用于监测Cu2+污染程度时效果理想; 紫谷阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Pb2+含量的相关系数达到-0.999 8, 说明用于监测Pb2+污染程度时效果理想。 同时通过与常规重金属污染监测方法绿峰高度(GH)、 红边位置(REP)、 红边最大值(MR)、 红边一阶微分包围面积(FAR)的应用结果进行比较分析, 空间谱法的应用结果与玉米叶片中重金属离子含量的相关性较高, 从而验证了空间谱应用于玉米重金属污染信息监测具有更好的有效性和优越性。

土壤水分含量(SMC)的快速估测对干旱半干旱地区的精准农业发展具有重要的意义。 以渭干河-库车河绿洲为靶区, 采用小波变换(WT)对反射光谱进行1~8层小波分解, 通过相关性分析确定最大分解层数, 再通过竞争性自适应重加权(CRAS)、 连续投影算法(SPA)和CARS-SPA耦合算法进行特征波长筛选。 基于全波段构建BP神经网络模型和基于特征波长构建BP神经网络、 支持向量机、 随机森林和极限学习机模型, 并进行对比分析。 结果显示: (1)随着小波分解的进行, 总体上L6在去噪的同时还尽可能的保留了光谱原始特征, 为最大分解层; (2)小波变换和CARS-SPA算法的结合使其在建立模型时较为彻底的去除噪声和无信息变量, 同时消除变量间的共线性; (3)在所有的SMC预测模型中, 相对于BP神经网络、 SVM, ELM和RF具有更好的预测能力, 其中L6-CARS-SPA-ELM精度最高, 其RMSEC=0.015 1, R2c=0.916 6, RMSEP=0.014 2, R2p=0.935 4, RPD=2.323 9。 这体现出ELM预测模型对非线性问题的强解析能力和模型的稳健性, 为该研究区SMC的预测提供新的思路。

黄土高原水蚀风蚀交错区生物土壤结皮光谱特征的研究, 为基于遥感的区域尺度生物土壤结皮的识别提供了重要的科学价值, 为进一步估算生物土壤结皮在区域水土流失防治中所起的作用提供了重要的技术支持。 采用地物光谱测定技术, 在黄土高原水蚀风蚀交错区六道沟小流域对不同覆盖度藻类和不同类型藓类生物土壤结皮以及不同高等植被进行了光谱测定, 并进行定量分析。 研究表明, 黄土高原水蚀风蚀交错区藻类生物土壤结皮与土壤具有相似的光谱特征, 光谱曲线没有明显的“峰-谷”。 藻类生物土壤结皮光谱特征主要表现为光谱反射率随生物土壤结皮覆盖度增加而降低的变化规律; 其中可见光区, 覆盖度10%~20%, 30%~40%及50%~60%藻类生物土壤结皮相比于裸地, 反射率归一化均值分别下降了8.64%, 15.80%和23.09%。 随藻类结皮覆盖度增加, 680 nm处吸收特征(叶绿素)越来越明显, 2 200 nm处吸收谷(次生矿物)越来越小。 藓类生物土壤结皮光谱曲线表现出与高等植物相似的特征, 形成绿波段的反射峰和红光波段的吸收谷以及近红外波段的高反射。 但在760~930 nm区间, 藓类生物土壤结皮的斜率明显大于高等植物, 藓类生物土壤结皮的光谱斜率Slope(930/760)是高等植物的2.5～4.5倍。 黄土高原生物土壤结皮光谱特征的研究可为生物土壤结皮的遥感识别提供一定的理论依据和技术支持。

吸附树脂层析法是表征环境水样有机物亲疏水组分分布的常用方法。 作为柱层析的基本参数, 临界保留因子对亲疏水物质的吸附及分离效果具有潜在影响。 以河北某水库的水样为例, 将有机物分为亲水物(HIS)、 疏水酸(HOB)、 疏水碱(HOA)和疏水中性物(HON), 考察了在不同临界保留因子分离条件下(k′cr=5, 10, 25, 50, 100)亲疏水组分有机物含量分布, 并着重考察了其光谱学特性。 研究发现, 亲疏水组分的浓度分布取决于k′cr值的设置, 疏水组分的比例和疏水程度随k′cr的增大而增大。 在250~280 nm波长范围内, 亲水组分HIS的紫外吸光度随k′cr的增高而增高, 而疏水组分HOA和HOB则呈现相反趋势, 亲水与疏水组分之间的紫外光谱差异性随k′cr增大而增大。 此外, 疏水组分单位质量浓度的吸光度对k′cr的取值敏感, 推测k′cr可能影响所得组分的芳香族官能团性质。 进一步考察了各组分的三维荧光光谱, 并采用荧光区域积分和荧光指数对图谱进行解析。 结果表明, 亲疏水组分的荧光峰形态、 荧光区域分布和荧光团密度与k′cr值有关, 荧光指数BIX, HIXem和Peak T/C对k′cr的取值敏感, 说明k′cr可能对所得组分的具体化学组成乃至迁移转化行为产生影响。 因此在分离并表征环境水样的亲疏水组分分布时, 应特别注意临界保留因子的设置并明确标明其取值。

开展种子品种的识别研究是保证种子质量的重要手段。 利用高光谱图像技术融合图像特征信息对脱绒棉种的品种进行判别分析。 采集4个品种共240粒脱绒棉种样本的高光谱图像数据(400～1 000 nm), 提取样本的光谱信息及长、 宽、 面积、 圆形度、 等12个形态特征。 采用连续投影算法(SPA)选出11个特征波段作为输入结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)、 软独立模式识别法(SIMCA)、 最邻近节点算法(KNN)、 主成分分析结合线性判别(PCA-LDA)及二次判别(PCA-QDA)进行建模分析, 得出PLS-DA建模集和预测集的总体识别率分别为93%和90%。 利用图像信息进行建模分析, 模型整体的识别率均不高, 说明单独使用高光谱图像的形态特征进行分类效果不佳。 将特征波段的光谱和形态特征信息进行融合作为输入, 建立基于PLS-DA, SIMCA, KNN, PCA-LDA及PCA-QDA的信息融合模型, 其精度均比基于光谱或形态信息模型高, 其中PLS-DA模型识别效果最好, 建模集和预测集总体识别率分别为98%和97%。 表明融合高光谱图像的光谱与图像信息可以在少量波段情况下有效的提高脱绒棉种品种的分类检测精度。

农作物病害是制约产量的重要因素之一, 目前农作物病害的早期监测主要依靠植保人员田间取样判断危害等级的传统方式, 存在主观性强、效率低、滞后性等弊端, 也有些病害采用提前施药来进行预防, 但此方法有农药过量的风险, 从而影响到水稻生长的生态环境。 近年来随着信息技术的快速发展, 高光谱技术以数据量丰富、 灵敏、 可靠的特点迅速应用于农业生产中, 成为主要检测农作物病害的有效技术手段之一。 文章阐述了植物在病害胁迫下光谱响应机制, 从粮食作物、 经济作物、 蔬菜作物、 果类和其他农作物五个方面梳理和总结了近七年国内外高光谱技术在农作物病害的研究进展, 在此基础上提出目前该技术在农作物监测应用领域的不足以及对未来的展望。 为农作物的病害监测提供参考。

为了测试不同颜色匹配函数的预测性能, 基于灰色、 棕色、 紫色和蓝色4个目标色, 共制作了16对近同色异谱色样对(围绕每个目标色分别制作了4个待比较色), 组织14名年龄不同的色觉正常观察者基于心理物理实验方法中的比较法, 开展了色差大小比较实验。 结果表明, 实验组织的老年观察者的锥细胞响应较年轻观察者有所下降, CIE1931的预测性能优于CIE1964。 不同颜色区域, 各颜色匹配函数的表现各异, 在进行某些颜色(如灰色, 紫色和蓝色)区域的色度值表征和色差评估时, 即便观察视场角大于4°, CIE1931的计算性能仍然优于CIE1964。 现有CIE2006匹配函数考虑到晶状体光谱透光率和中央凹的锥细胞光谱响应, 下一步可继续强化中央凹锥细胞光谱响应, 优化其计算性能。

以长期定位试验为研究平台, 并结合紫外-可见吸收光谱, 探求长期不同施肥管理措施: (1)CK(不施肥); (2)NPK(氮磷钾); (3) NPKS(化肥+稻草还田); (4)1.5NPKS(1.5倍化肥+稻草还田); (5)NPKM(化肥+猪粪)下0～20, 20～40和40～60 cm土层的溶解性有机质(DOM)含量和结构特征。 结果表明, 长期施用化肥对土壤DOM的影响较小, 化肥配施秸秆NPKS和化肥配施有机肥NPKM均显著提高了耕层土壤DOM的含量, 在0～20 cm耕层土层DOM含量比化肥NPK处理分别提高39.1和12.1 mg·kg-1。 相比不施肥和氮磷钾处理, 化肥配施秸秆或配施有机肥明显降低0～20和20～40 cm土层溶解性有机质碳与有机氮的比值, 提高了土壤供氮能力。 长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和溶解性有机质碳氮比没有明显影响, 不同处理间差异不显著。 在0～20和20～40 cm土层, 相对于不施肥和氮磷钾处理, NPKM, NPKS和1.5NPKS处理能提高土壤DOM的共轭结构和腐殖化程度; 在40～60 cm土层, 提升效果不明显。 化肥配施秸秆或有机肥能增加0～20 cm土层的紫外光谱吸收值(SUVA254, SUVA260和SUVA280)和吸收系数α(355), 降低吸光度比值(A250/A365), 表明0～20 cm土层DOM的芳香度、 疏水性、 分子量和CDOM含量增加, 在20～40和40～60 cm表现不明显。 不同土层的A300/A400值均大于3.5, 表明土壤中主要以富里酸为主。 综上, 长期化肥配施秸秆或配施有机肥能够提高0～20和20～40 cm土壤溶解性有机质的含量, 降低溶解性有机质碳氮比, 提升土壤肥力; 同时增加0～20 cm土壤DOM共轭结构、 腐殖化程度、 芳香度、 疏水部分比例和平均分子量。 长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和结构影响较小。

在激光诱导击穿光谱定量分析中, 基线是LIBS光谱信号的重要组成部分, 由于受到实验参数设置及实验环境变化等影响, 导致等离子体的发射谱线呈现不同程度的基线漂移现象, 因此基线校正是光谱分析的重要环节。 现有算法如多项式拟合通常需要设定关键参数, 不具备自适应性。 由于激光诱导产生的等离子体光谱信号的特征峰具有明显的独立性和稀疏性, 以及基线具有低通特性, 因此在凸优化约束框架下, 提出了非参数化基线校正模型。 同时, 利用高效率的迭代算法来保证结果的收敛性。 首先对23个高合金钢样本的光谱信号进行基线校正, 然后以合金钢样本中的铬(Cr)元素为分析对象, 并选取11条分析线进行定量分析。 分别采用PLS和SVM定量模型进行训练和预测, 并且与传统方法相比较, 证明了所提出方法可以提高定量分析精度。

煤矿突水类型的快速识别在矿井安全生产中意义重大, 煤矿突水激光诱导荧光(LIF)光谱的识别方法, 需要对光谱曲线进行预处理和特征提取, 其过程较复杂, 对此, 提出了一种卷积神经网络(CNN)快速识别矿井突水类别的方法。 根据煤矿矿井水层的分布特点和最常见煤矿突水类型, 选取三种原始水样以及由原始水样混合的两种混合水为实验材料, 利用LIF技术快速获取五种水样的200组荧光光谱曲线图, 灰度化后输入CNN算法, 其中150组光谱曲线图用于CNN的训练, 剩余50组用于训练好的模型测试。 模型测试中, CNN算法对实验水样光谱曲线图的识别率为100%, 实验结果表明, CNN算法不仅能省去煤矿突水光谱图像识别中的数据处理和特征提取工作, 而且还能快速有效的识别矿井突水类型。

纳米技术的不断发展需要更强大的纳米粒子表征技术。 单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)是近年来发展起来的纳米粒子检测新技术, 能够快速的向研究人员提供关于纳米粒子尺寸、 尺寸分布、 粒子数目浓度和元素组成等信息, 而且对样品干扰小。 本工作探讨了SP-ICP-MS检测技术中影响金纳米粒子(Gold nanoparticles, AuNPs)测定的因素: 包括仪器参数的优化, 如驻留时间(Dwell time); 样品基质的影响, 包括含盐、 含碳基质; 以及溶液中溶解的被分析元素等。 测得仪器对金纳米粒子的检测限是23 nm。 通过加标回收的方式, 测定了实际水样太湖水、 东丽湖水中金纳米粒子, 加标回收率分别为97.7%和84.4%。 最后, 对SP-ICP-MS纳米粒子检测的现存问题进行了几点思考。

以油砂中钠元素为研究对象, 首次应用近红外光谱, 结合Lasso(least absolute shrinkage and selection operator)建模方法, 建立了油砂金属钠含量的近红外光谱定量校正模型, 并与传统的PLS建模方法进行比较。 结果表明, 两种方法建立的油砂金属钠含量校正模型都具有很高的精度, 预测性能方面略有差异。 在实验验证集与预测集中, PLS与Lasso算法的相关系数分别是: Rv=0.878 8, Rp=0.857 9和Rv=0.887 4, Rp=0.860 0。 实验验证了使用近红外光谱快速测定油砂金属钠含量的有效性, 并分析了PLS与Lasso算法的适用范围。

研究含汞土壤的修复问题, 采用热解析和低温等离子体综合技术探究新途径, 调整温度、 添加剂、 时间等因素来判断脱汞效果并探究其不同形态, 分析工艺过程废料的内部联系, 并对废气处理进行分析实验。 结论如下: (1)通过改良技术的BCR连续萃取法, 得出研究区汞的形态主要为有机结合态(53%)。 之后依次是氧化物结合态(33%)、 酸可提取态(8%)、 残渣态(6%)。 (2)温度对热解析程度影响较大。 在500℃以上的热解析条件下, 土壤中的汞浓度不足1.5 mg·kg-1。 (3)当选用400℃的解析温度时, 40 min汞去除总体完成。 在低于1 700 mg·kg-1的浓度下, 汞去除率随着土壤中的含量的增大而减小。 (4)氯化钙对于热解析的促进作用最强, 柠檬酸、 升华硫也有一定作用, 硫化钠对于汞去除形成阻滞。 (5)低温等离子体的最佳状态是电源设置电压为22 kV, 频率为660 Hz。 整个系统的汞去除程度可达近90%。Thermal Analytical Low Temperature Plasma Based on Cold Atomic Absorption Spectrophotometry

稀土精矿分离出单一稀土元素的工艺过程属于连续流程制造, 多采用人工取样-ICP实验室分析测试的方法进行工艺监测与控制, 检测结果滞后于生产实际, 可能造成产品质量不稳定等后果。 实验基于能量色散X射线荧光光谱技术, 建立了一种在线测定稀土分离过程中稀土配分含量的方法。 通过对北方稀土典型元素镧、 铈、 镨、 钕的能量色散-X射线荧光光谱特征分析, 利用多元逐步回归从稀土混合料液中剥离出单一稀土元素信号。 依据相对理论偏差对滤光片、 管压、 管流等条件进行优化, 为稀土配分含量在线分析奠定了基础。 开发了XOR-50稀土配分在线分析设备和在线检测方法, 快速反映稀土分离萃取工艺状况, 提供实时的在线萃取数据, 为工艺调整提供精准可靠的数据支撑。 研究结果显示, 采用0.2 mm Al滤光片, 25 kV光管激发电压, 1 100 μA光管电流的测试条件, 同一样品的稀土元素配分含量连续11次测定的相对标准偏差小于1%; 现场分析结果与ICP-AES检测结果相符。 镧, 铈, 镨, 钕等轻稀土元素的仪器检出限小于5 μg·mL-1, 完全满足稀土配分在线监测对准确性和可靠性要求。

XRD-Rietveld全谱拟合方法突破了传统XRD定量分析的众多技术局限, 在解决复杂多相混合物的定量问题方面具有显著优势。 将XRD-Rietveld全谱拟合方法引入风化壳矿物学研究, 有助于解决长期以来地学界对风化壳中矿物组分缺乏准确定量认知的技术瓶颈。 在制定专门针对风化样品的全谱拟合精修策略基础上, 以广西玉林大容山地区的花岗岩风化壳为研究对象, 对发育在两组不同岩性之上的风化剖面(剖面A和剖面B)进行了对比研究。 结果表明, 风化剖面A(母岩为粗粒黑云母花岗岩)的矿物组合及含量变化范围为: 高岭石(6.05%～44.67%)+伊利石(15.85%～49.59%)+石英(29.72%～46.15%)+钾长石(12.04%～22.85%)+斜长石(24.33%～32.70%); 风化剖面B(母岩为细粒黑云母花岗岩)的矿物组合及含量变化范围为: 高岭石(3.12%～11.47%)+伊利石(13.95%～31.94%)+石英(26.60%～58.05%)+钾长石(13.70%～43.47%)+斜长石(17.95%～23.47%)。 两组剖面的全谱拟合修正因子Rwp值<15且gof值<5, 计算谱与原始谱拟合效果好, 指示矿物定量数据可靠, 且能与地质规律较好匹配。 在地质意义上, 本研究通过母岩原生矿物与次生矿物的含量同步变化, 深入揭示了研究区内花岗岩的化学风化过程, 厘定了长石类矿物在亚热带气候环境下所经历的长石→伊利石→高岭石演变序列。 基于剖面A与剖面B中粘土矿物总量和矿物构成出现显著差异, 研究认为在研究区内粗粒黑云母花岗岩比细粒黑云母花岗岩更易遭受强烈的化学风化作用。

高灰熔点X煤通过添加钙镁复配(WCaO/WMgO=1)助熔剂降低灰熔点, 在模拟煤气化过程中制备灰渣, 用X射线光电子能谱(XPS)分析不同温度点灰渣中O, Si, Al, Ca, Mg的存在形态及演化过程。 认为钙镁复配助熔剂降低灰熔点主要是作用在硅、 铝、 氧结构变化上, 表现为铝元素结构中铝氧配位方式的变化, 即四配位的铝氧四面体［AlO4］和六配位的铝氧八面体［AlO6］随温度的变化而变化; 硅元素结构中SiO2链的破坏, Ca2+和Mg2+加入会破坏SiO2链, 使得桥氧硅变为非桥氧硅; 以及氧元素结构中桥氧键断裂和非桥氧键形成。 结合Factsage热力学分析软件, 分析了添加钙镁复配助熔剂后, 煤灰渣的高温相平衡组成, 从矿物的结构变化研究助熔剂的助熔机理。 结果表明, 添加钙镁复配助熔剂后, Ca2+和Mg2+易与硅氧和铝氧四面体以及铝氧八面体中非桥氧键结合, 生成低熔点的长石类矿物和镁质矿物, 从而降低煤灰熔融温度。

以Na2SiO3、 NaOH和Ca(OH)2制备碱溶液, 然后利用碱溶液对钢渣进行活化处理。 分别研究Na2SiO3用量、 NaOH用量和Ca(OH)2用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响, 获得最优力学性能的碱钢渣胶凝材料。 采用XRD, FTIR和SEM对最优力学性能的碱钢渣胶凝材料进行表征。 结果表明, 当NaOH用量为4.50 g、 Na2SiO3用量为11.25 g和Ca(OH)2用量为6.75 g时, 碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。 Na2SiO3对碱钢渣胶凝材料的7 d抗压强度影响显著, NaOH对碱钢渣胶凝材料的3 d抗压强度影响显著, Ca(OH)2对碱钢渣胶凝材料的28 d抗压强度影响显著。 Na2SiO3, NaOH和Ca(OH)2碱性物质的加入促使钢渣形成稳定的C-S-H凝胶与沸石类相。

支持向量机作为一种经典的分类方法被广泛应用于恒星光谱分类领域。 该方法在实际应用中取得了较为理想的分类效果, 但其面临无法解决多分类问题的挑战。 在支持向量机的基础上, 提出多类支持向量机, 建立基于多类支持向量机的恒星光谱分类模型。 该方法的最大优势是经过一次分类过程, 可以确定多类样本的类属。 SDSS DR8恒星光谱数据上的比较实验表明, 本研究所提的方法较之已有多分类方法在分类性能上有一定的提升。

目前我国LAMOST光谱巡天已发布超过760万条的天体光谱, 对其中大量的低信噪比光谱的处理一直是业内公认的难题。 针对天体光谱中重复观测的光谱, 提出了一种新的处理方法。 该方法的主要内容为: 对每一组重复观测光谱, 选择其红移值的差距在一定范围内的组别, 然后使用一种基于信噪比加权的最优叠加方法来提高光谱的信噪比。 通过对LAMOST DR4中所有重复观测光谱进行处理, 证明该方法对于提高低信噪比重复观测光谱的信噪比十分有效。 使7 571组恒星光谱的信噪比达到参数测量的标准, 3 357组类星体和星系光谱的信噪比得到提高, 平均提高率为56.38%; 并且获得了43 021个双星候选体。

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息, 设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。 该系统由光学接收模块、 相位调制器、 Wollaston棱镜、 Savart偏光镜、 检偏器以及成像模块组成。 其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光, 并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上, 从而构成两幅偏振图像。 两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消, 从而获得目标的纯图像信息, 两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消, 从而获得目标的纯干涉条纹。 通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。 实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板, 完成了全偏振图像的实时采集。 经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变, 又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响, 从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。 该系统具有稳定性高、 光谱分辨率可调、 信噪比高、 可识别能力强等特点, 对在复杂背景中提取目标图像、 光谱及偏振态信息具有重要意义。

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论, 提出一种表面覆膜波导光栅传感结构, 并研究其共振光谱特性。 通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性, 选用多孔硅作为待测物承载单元, 可以使光学探针更充分地接触待测样本, 从而提高其检测性能。 根据波导光栅共振相位条件, 建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型, 通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。 研究表明, 该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性, 可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性, 其Q值为1 488, 对折射率的检测极限可达5×10－4 RIU(RIU为折射率单位)。 通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析, 结果表明, 共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系, 对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%, 证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性, 可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测, 并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。