非相干激光汤姆逊散射诊断只需要假设电子速度满足Maxwell分布, 测量得到的等离子体电子温度与电子密度的数据准确可靠, 是托卡马克和其他磁约束核聚变研究装置上重要的诊断工具, 并朝着高可靠性、 高空间分辨和高重复测量频率的方向发展, 其中高可靠性是前提。 电子的汤姆逊散射截面很小, 其总截面为σ_T=6.65×10^-25 cm², 通常使用电光调Q的 Nd∶YAG激光器作为散射光源, 激光脉冲宽度约10 ns、 脉冲能量约3 J, 用5~8通道的光谱仪对散射光谱进行测量与分析。 如何对光电探测模块输出的散射脉冲进行数据采集, 是激光散射诊断的关键问题之一。 以前使用电流积分式的数据采集器(Q-ADCs, 如CMC080模块), 在一个确定的时间宽度(如50 ns)将散射脉冲信号积分在采样电容器上, 从而得到散射信号的强度值, 这种方法很难排除电路噪声和外来干扰。 该研究通过使用高速数据采集器(纵向分辨率≥10 bits、 采样频率f≥1 GS·s^-1, 如V1742B模块)在包含散射信号在内的时间段(如300~500 ns)进行采集, 获得散射脉冲信号、 等离子体发光的扰动与背景噪声等叠加在一起的数据序列。 利用最小二乘法, 用高斯函数对散射脉冲的波形进行拟合, 然后在50 ns时间宽度对散射波形脉冲进行数值积分, 就得到散射信号的强度值。 结果表明, 高速同步采集技术的使用, 能够用数字滤波技术排除大部分的干扰, 从而提高信噪比, 其幅度可以达到10倍左右。 提取到更加准确可靠的光谱数据后, 以置信水平95%、 误差权重的最小二乘法开展数据处理, 用A.C. Selden散射谱表达式对电子温度进行参数估计, 得到了电子温度的测量值, 其统计误差为3%左右, 优于以前的10%左右。

窄线宽激光由于其具有单色性好、 稳定度高、 相干长度长等优点, 广泛应用于光电检测领域, 包括相干通信、 精密测量、 光学频率标准、 吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。 目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级, 分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级, DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级, 然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。 为了进一步压窄各类激光器线宽, 需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。 该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考, 实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄。 本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、 光路设计、 ECDL频率控制以及系统集成。 超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构, 腔体是膨胀系数约为10^-6 K^-1的微晶玻璃, 腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%)的平面镜和凹面镜。 为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响, 需要对腔体进行温度控制, 本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。 同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响, 将F-P腔置于真空度为10^-5 torr的真空室中; 另外为了有效隔振, 腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。 该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器, 其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端, 响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。 激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术, 18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端, 通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号, 通过两路反馈控制, 实现了近1 MHz的锁定带宽。 通过对系统的不断优化, 最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级, 并且系统运行稳定, 连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。 该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域, 同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。

为探讨天山北坡河谷绿洲城市车流量与对流层NO₂垂直柱浓度(VCD)的关系, 基于各城市车流量状况, 利用地基多轴差分光谱仪(Mini MAX-DOAS)在2018年—2019年天山北坡经济带上的综合性大城市乌鲁木齐、 工业型中等城市石河子和工业型小城市阜康市中心区连续固定监测, 并沿城市交通主干道进行车载移动监测, 研究车流量对NO₂VCD的影响, 对比分析山盆体系河谷绿洲城市与中东部发达城市污染严重原因的差异。 结果表明: (1)天山北坡大中小城市的车流量日均值大城市乌鲁木齐(1 406辆/5 min)远大于中小城市, 中等城市石河子(203辆/5 min)和小城市阜康(185辆/5 min)差异并不显著(p>0.05), 而各类城市NO₂VCD整体差异显著(p<0.05), 其日变化峰值有所差异, 表现为乌鲁木齐(22.613×10¹⁵ molec·cm^-2)>阜康(17.758×10¹⁵ molec·cm^-2)>石河子(15.272×10¹⁵ molec·cm^-2), 三类城市的车流量和NO₂VCD的日变化趋势一致, 都呈现出“早晚高, 中午低”的变化趋势; 季节变化中三类城市的车流量和NO₂VCD均为: 冬春季>秋夏季; (2)虽然早晚各监测点的车流量有所差异, 但三类城市的车流都集中在市中心附近; 移动监测数据表明, NO₂VCD高值出现在车流较高的市区, 并且在各城市风向稳定时, 下风向浓度大于上风向; 由于居住空间差异, 人们在城市各功能区间的活动, 车辆流向和NO₂VCD都集中于人流密集的商业区, 说明车辆对NO₂VCD具有较大贡献; (3)2009年—2019年10年间天山北坡大中小城市经济生产总值增长率在200%以上, 乌鲁木齐、 石河子机动车增长率超过北京、 上海等发达城市, 城市快速发展, 并处于河谷绿洲地带, 地势南高北低, 冬季逆温层深厚, 静风天数较多, 采暖期长达6个月, 造成冬季污染严重。 天山北坡城市除人为污染排放外, 自然因素对污染物形成聚集作用。

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术, 其装置具有体积小、 光谱分辨率高等特点, 适用于大气温室气体浓度的探测。 各种观测实验已证明其是一种切实、 有效的探测手段, 在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。 在现有激光外差光谱仪器的基础之上, 提出了一种新型的仪器结构。 采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束, 实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。 为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。 从激光外差探测的原理出发, 分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数, 并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪, 搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。 详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数, 着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能, 详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。 在此基础上, 讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法, 并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm^-1)。 利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测, 同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm^-1)和(6 035.6~6 036.5 cm^-1)分别获取了CH₄和CO₂分子的激光外差吸收信号, 并对吸收信号进行了波长标定和归一化, 得到了CH₄分子和CO₂分子的整层大气透过率谱, 测量光谱信号的信噪比分别为197和209, 同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。 本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化, 实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量, 拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。

氨(NH₃)是大气中活性氮最主要的还原形式, 是形成二次无机铵盐的重要气态前体物。 在中国极度污染的条件下, 这些铵盐可占PM_2.5质量的40%~60%。 NH₃污染不仅影响全球的光辐射强度, 而且会加剧大气光化学污染。 目前, 城市地区氨气来源仍存在一定争议。 为研究泰州地区NH₃污染情况, 并深入了解NH₃的来源。 2018年6月6日至15日, 基于离轴积分腔输出光谱技术, 开展了夏季泰州地区大气NH₃浓度的连续观测。 其他污染物浓度(如NH₃, NO_x, CO, NH4+)同步进行测量。 观测点位距离交通枢纽300 m, 观测期间NH₃的平均浓度为25.1±4.5 μg·m^-3, 相比国内外其他城市, 该地区NH₃污染处于较高水平。 白天与夜间NH₃浓度均值无明显差异, 但总体呈现白天降低夜晚升高的趋势。 夜间温差大, 大气边界层较为稳定, 是污染物得以累积的原因之一; 晨间NH₃浓度急剧升高, 主要考虑为夜间沉积在水汽中的NH_x(气态NH₃与颗粒态NH4+)的蒸发所带来。 随着光照进一步增强, 环境水汽中NH_x的蒸发逐渐结束, 光化学反应过程逐渐占据主导, NH₃浓度上涨速度缓慢, 逐渐趋于平衡, 并在之后出现迅速下降。 在湿度较大的夜间, NH_x的沉积过程更加明显。 结合观测期间的气象参数以及与常规污染物的相关性, 讨论了泰州地区的污染物变化趋势及污染水平。 结果表明, 大部分日期交通排放对泰州地区NH₃浓度影响较小, 仅6月7日早高峰期NH₃与NO_x, CO相关性较好, R²分别为0.740与0.911, 推测当日交通排放影响较大, 交通源是NH₃的重要局地源。 进一步进行了后向轨迹分析, 比较了观测期间不同气团所导致的污染物浓度变化。 结合观测结果分析可知, 观测点西北方向工业园区污染排放可能是导致6月10日夜间污染事件的重要原因。

大气CO₂卫星遥感监测的关键在于高精度, 而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征, 干扰大气散射相关参数的反演结果, 从而影响CO₂的反演精度。 因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。 鉴于现有大气CO₂卫星遥感精度不足, 以及植物叶绿素荧光对大气CO₂反演存在不可忽视的影响程度和复杂性, 设计了O₂-A、 1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带协同的参数化校正方法。 首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数(PPDF)的参数化建模, 降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性; 其次, 针对叶绿素荧光强度弱, 难以准确反演的问题, 基于轨道碳观测器(OCO-2)的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库, 增强CO₂与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束, 提高叶绿素荧光的反演精度。 通过O₂-A、 1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带的协同同时反演大气散射、 叶绿素荧光和大气CO₂, 并结合叶绿素荧光丰富的先验信息, 能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO₂的反演精度。 选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络(TCCON)中的Park Falls(45.945°N, 90.273°W)站点开展验证, 对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星(GOSAT)数据进行反演, 发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO₂反演结果系统偏低2×10^-6(ppm)左右, 通过本文的方法进行校正, 反演结果的低估程度有明显改善, 最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm, 且离散程度也有一定程度的改善, 明显控制了CO₂反演中叶绿素荧光的影响, 对于实现1%(~4 ppm)的CO₂反演精度来说, 提供了有力支撑。

硝酸盐是水质健康状态评价的一个关键要素。 水体中高浓度的硝酸盐会导致生物多样性剧减以及生态系统的退化, 同时对人类的健康产生不可逆转的伤害。 基于光学测量的水质在线监测是当前及未来水环境动态监测的发展趋势。 相较于传统硝酸盐现场采样加实验室分析的测定方法, 具有操作便捷, 无需前处理, 检测效率高, 可靠性好且无污染等显著优点。 由于实际水体组分的复杂性与多样性, 水体参数和吸光度二者并非呈现线性相关, 传统的单波长法, 双波长法, 偏最小二乘法等线性回归预测模型已不适用。 基于此, 提出一种精细全光谱结合可变步长网格搜索, 优化支持向量回归(GS-SVR)的水体硝酸盐分析方法。 同时与陕西科技大学化学与化工学院合作, 采用标准的硝酸盐溶液, 铂-钴标准溶液, 福尔马肼标准混悬液根据实验要求配制了不同浓度梯度94组溶液样本。 首先将采集到的透射率光谱数据完成吸光度转换, 并使用Kennard-Stone方法将94个溶液样本划分为80个训练集和14个测试集。 其次使用改进的GS算法结合交叉验证, 通过多次迭代, 减小搜索范围、 改变搜索步长对SVR进行参数寻优, 并将最优惩罚参数C和核函数宽度σ用于训练集中进行模型建立, 最后用所建立的模型对测试集进行浓度预测。 并将预测效果与反向传播神经网络(BPNN), SVR, GS-SVR, 粒子群算法优化SVR(PSO-SVR), 遗传算法优化SVR(GA-SVR)的模型预测结果比较, 结果显示, 提出的算法模型相关系数R²=0.993 5, 预测均方根误差RMSEP=0.043 5, 最优参数C和σ组合为(512, 0.044 2), 平均训练时间为13 s。 相较于上述五种预测模型, R²分别提高了1.22%, 11.66%, 0.78%, 0.74%和0.77%, 训练效率分别提升4.15倍(BPNN), 8.30倍(GS-SVR), 21.38倍(PSO-SVR), 10.23倍(GA-SVR)。 模型的预测精度以及训练效率方面都取得了很大的提升, 为复杂水体硝酸盐浓度的快速实时在线监测提供了一种新的方法。 同时, 该方法具备一定的普适性, 也适用于其他水质参数预测模型的建立。

高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、 化学、 光电子等领域应用的前提条件。 常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、 拉曼、 散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。 其中, 拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子, 然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子, 固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。 散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法, 从理论上讲, 由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势, 在细胞或生物组织内, 小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。 众所周知, 介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化, 进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布, 称为光热效应(photothermal effect)。 基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、 无背景散射、 原位和免标记等优点, 在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。 综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展, 首先介绍了光热效应的测量原理; 接着分别讨论了光热透镜测量技术、 微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置, 比较了各种测量技术的信噪比、 灵敏度、 分辨率等特点, 并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展; 接着, 论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、 改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果; 最后, 简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。

表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种快速、 灵敏的分析技术, 被广泛应用于分析化学、 环境检测及食品安全等领域。 在实际生活中的样品大多为混合物, 直接使用SERS技术无法对复杂样品中的分析物进行准确测定。 薄层色谱(TLC)分离技术具有操作简便, 成本低廉及分离速度快等特点, TLC作为一种高通量的分离技术在合成化学、 分析化学、 药物化学及食品科学等研究领域得到了广泛的应用。 TLC对待测物体系进行分离后, 通过碘显色或荧光对分离的斑点进行可视化处理, 再结合质谱, 红外光谱、 荧光光谱及SERS光谱等分析技术可以对分离物质进行定性及定量分析。 TLC与SERS联用技术的出现, 使得SERS光谱可以应用于混合物中分析物的有效测定。 TLC-SERS技术同时具备良好的分离作用和灵敏的光谱检测性能, 适用于对复杂样品进行分离检测。 在TLC-SERS检测过程中, 样品用量少且无需使用复杂的实验设备即可实现对混合物现场快速检测。 介绍了SERS的增强机理以及活性基底的制备, 对TLC-SERS技术在环境污染物检测、 食品安全、 中草药鉴定及生物医学等方面的应用做了概括性综述。 给出了TLC-SERS技术在有害物快检领域的应用实例, 为TLC-SERS技术未来用于食品安全、 法医鉴定及环境治理中快速检测方法建立及仪器设备研发提供参考。

古代食谱重建是目前国际考古学研究的热点之一。 随着研究的深入, 传统基于骨骼提取出骨胶原蛋白进行分析的方法逐渐凸显出一定的局限性。 尤其是在考察先民食物结构和营养等级等方面, 针对蛋白大分子获得的同位素信息, 无法排除一些内在或外在因素的影响, 因而常会引导我们做出错误的判断。 因此, 发展一种能进一步提高古代食谱研究准确率和分辨率的新方法, 是当前科技考古研究的迫切需求。 不同于大分子蛋白, 氨基酸能在更细微的层面提供有机体和生态环境中有机代谢过程中多方面的信息, 在生物考古领域内具有极大的应用潜力。 以北非突尼斯迦太基凡达里奇墓地出土的人和动物样品为例(遗址年代约在公元5世纪中期至6世纪早期), 进行基于骨胶原和单分子氨基酸的稳定同位素分析工作。 对10个人和4具动物考古样品提取骨胶原, 并进一步进行酸水解、 衍生化等操作, 通过气相色谱(GC)与同位素质谱(IRMS)串联技术, 开展特定化合物同位素分析。 研究结果揭示了该遗址先民的食谱特征, 以C₃类食物为主。 重点考察了该遗址先民饮食中的蛋白摄入情况, 结果表明该遗址先民饮食摄入有大量的动物蛋白, 且不同个体存在较大差异。 最后, 通过对骨胶原和氨基酸分析结果所得结论的比较, 证实基于单分子氨基酸的氮同位素分析对个体营养级位置的准确判断具有较大的优势。 研究结果为深入研究我国古代先民食物结构差异和人群分化等问题提供了新的思路和依据。 研究证实基于单分子氨基酸的同位素分析, 将是显著提高古代食谱重建分辨率的有力手段, 呼吁未来在我国考古材料中开展大量相关研究。

拉曼光谱检测方法依赖于化学计量学算法, 深度学习是当下最炙手可热的方向, 可应用于拉曼光谱进行建模。 但是深度学习需要大样本进行训练, 而拉曼光谱采集受制于器材和人力成本, 获取大批量的样本需要更大成本, 且易受荧光等因素干扰, 这些问题都制约了将深度学习应用于拉曼光谱。 针对以上问题, 通过引入深度卷积生成对抗网络(DCGAN)提取拉曼光谱内部特征, 对抗生成新的拉曼光谱, 从而达到扩充数据集目的。 同时和另一个扩充数据集的方法——偏移法进行对比, 证明DCGAN的可靠性。 设计生成光谱选取标准, 选取高相似性的光谱填充数据集, 为深度学习在拉曼光谱中的应用奠定基础。 为了验证生成的光谱比原始光谱有更好的适用性, 设计四组实验: (1)使用原始拉曼光谱输入到SVM进行分类, 得到51.92%的分类准确率; (2)使用原始拉曼光谱输入到CNN进行分类, 得到75.00%的分类准确率; (3)采用偏移法生成光谱, 输入到CNN里进行分类, 得到91.85%的分类准确率; (4)使用DCGAN生成光谱, 输入到CNN里进行分类, 得到98.52%分类准确率。 实验结果表明, DCGAN能在只有少量拉曼光谱的情况下, 通过对抗学习得到较好的生成光谱, 且生成的光谱相比原光谱更加清晰, 减少了可能的干扰因素, 具有光谱预处理效果。 通过DCGAN对抗生成大量高质量的数据填充到原有拉曼光谱数据集, 扩充数据集的样本量, 使得深度学习模型能够得到更好的训练, 从而提高模型的准确率。 该研究为深度学习方法应用于拉曼光谱分析技术提出了一个可行的方案。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)由于具有高灵敏度、 高分辨率、 非侵入及实时检测等特点, 被广泛应用于燃烧诊断、 痕量气体监测、 工业过程控制等领域中。 波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2f)检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。 激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一, 在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化, 引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化, 从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低。 针对上述问题, 根据NO气体分子在中红外波段5.176~5.189 μm的基频吸收特性, 选择峰值发射波长位于5.184 μm的分布反馈式连续波量子级联激光器(DFB-CW QCL), 分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性。 基于上述分析, 提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移, 并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2f背景信号漂移综合修正方法, 以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响。 研究结果表明, 2f信号平均峰峰值随配置的NO样气浓度的增加而增大, 这两者呈现较好的线性关系, 其拟合曲线的线性拟合度R²达到了0.999 9。 在使用体积浓度为20×10^-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中, 波长漂移修正后, 反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10^-6下降到了0.07×10^-6, 反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30%下降到了3.85%, 相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39%下降到了9.99%。 结果显示, 该2f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响, 显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、 精确度和稳定性。

气体绝缘开关设备(GIS)绝缘缺陷引发的放电会导致SF₆分解, 分解产生的低氟硫化物与设备内的微量H₂O和O₂反应生成具有腐蚀性的物质, 影响设备正常运行, 因此, 研究SF₆分解机理对GIS的安全运行具有重要意义。 由于部分分解物在采样过程中发生转化, 因此, 实现SF₆分解物的原位检测对于研究SF₆分解机理是十分必要的。 采用飞秒激光引导高压放电实现了高压放电空间和时间的精确控制, 并利用飞秒激光引导高压放电产生的空间分辨光谱实现了SF₆分解物的原位测量。 首先研究证明了飞秒激光不会引起SF₆的分解; 其次, 利用飞秒激光产生的等离子体通道实现了放电空间和时间的精确控制; 最后, 发现分解物中包含由于高能电子碰撞直接或间接产生的大量S和F的离子和原子。 研究证明了基于飞秒激光引导高压放电可以实现SF₆分解物的原位检测, 为开展高压放电下SF₆分解机理研究提供了一种新的研究手段。

食源性致病菌是引发和威胁公众健康的主要因素之一。 由于食源性致病菌种类繁多, 常规检测方法复杂耗时要求高, 因此迫切需要一种更加快速精确的致病菌检测技术。 在传统红外光谱检测致病菌的流程中, 如经典的溴化钾压片法, 除了压片本身的操作之外通常还需对样品进行冷冻干燥(约需2 d)等耗时前处理过程, 因而不利于高通量快速检测。 本研究利用硒化锌薄膜法, 在硒化锌窗片上直接滴加菌液、 低温(48 ℃)烘干后进行原位检测, 无需漫长的冻干处理, 整个检测过程在50 min之内。 同时, 检测所需样品量少(10 μL)无需研磨等物理破坏性的制样过程, 避免了常规溴化钾压片法中研磨颗粒粗细、 制片厚薄误差及易碎片、 吸潮等的不利影响。 四种常见食源性致病菌(大肠杆菌DH5α; 沙门氏菌CMCC 50041; 霍乱弧菌SH04; 金黄色葡萄球菌SH10)的硒化锌薄膜法与溴化钾压片法红外谱图对比分析表明: 在相同的峰值检测阈值下(透过率大于0.05%), 本研究所采用的方法获得的二阶导数图谱在900~1 500 cm^-1范围内可被识别的特征峰个数比溴化钾压片法明显增多(硒化锌薄膜法共计81个, 溴化钾压片法共计58个), 特征峰在多个位置强度显著增加(1 119, 1 085和915 cm^-1等), 且可将溴化钾压片法中较宽的单峰或不明显的双峰显示为较明显的双峰(大肠杆菌DH5α: 1 441, 1 391和1 219 cm^-1等; 沙门氏菌CMCC 50041: 1 490, 1 219和1 025 cm^-1; 霍乱弧菌SH04: 1 441和1 219 cm^-1; 金黄色葡萄球菌SH10: 1 491, 1 397和1 219 cm^-1), 说明硒化锌薄膜法可以提高图谱分辨率及信噪比。 基于硒化锌薄膜法的原位红外光谱法对常见食源性致病菌整体快速高通量检测将具有巨大的应用前景。

物质的太赫兹光谱具有唯一性。 目前, 结合先进的机器学习方法, 研究基于规模光谱数据库的太赫兹光谱识别技术已成为太赫兹应用技术领域的重点。 考虑到由于实验条件及实验设备的影响, 很难收集到多物质均衡光谱数据, 而这又是对太赫兹光谱数据进行分类的基础。 针对这一问题, 提出一种基于WGAN的不均衡太赫兹光谱识别方法。 WGAN作为生成数据的一种新方法, 将模型达到纳什均衡条件下的生成数据用来补充数据集, 使其达到类别均衡。 生成数据可以有效映射真实数据分布, 通过将生成数据与真实数据混合训练可以提高识别不均衡光谱数据的准确率。 采用三种特征谱较为相似的麦芽糖化合物的太赫兹透射光谱数据进行验证, 首先利用S-G滤波和三次样条插值法对三种物质的光谱数据进行归一化处理, 然后通过构建WGAN模型对三种物质的不均衡太赫兹光谱数据进行扩展, 使其达到类别均衡。 实验在同一测试集下进行验证, 并利用三组对比实验证明WGAN在不均衡数据集处理中的效果。 首先利用WGAN生成数据, 随着迭代次数的增加, 生成数据逐渐符合真实数据分布。 实验结果证明, 使用WGAN扩展后的数据集训练SVM模型, 可以解决模型在测试集上小样本数据(Maltotriose, Malthexaose)偏向大样本数据(Maltoheptaose)的问题。 在将WGAN与传统处理不均衡数据集方法FWSVM和COPY对比后发现, 三种分类算法在dataset-1数据集上的训练集准确率都能达到90%以上。 但是由于模型泛化能力的限制, 传统方法在测试集上的效果并不是很理想, 而使用WGAN后的测试集准确率却能达到91.54%。 在不同不均衡度方面, 采用不均衡度为16, 81和256的数据集进行验证, 其三个测试集上的准确率分别为92.08%, 91.54%和90.27%, 可满足实际工作中处理不同不均衡度的要求。

多溴联苯(PBBs)作为一种添加型阻燃剂, 可从产品中缓慢释放出来, 并在环境介质和生物体中富集并产生危害, 红外和紫外光谱可以对PBBs进行检测, 具有检测迅速、 无二次污染、 操作简单等优点。 结合功效系数法综合PBBs红外振动和紫外吸收两种光谱效应, 构建兼具双光谱效应的CoMFA模型, 根据模型三维等势图设计红外、 紫外光谱增强的衍生物, 并对衍生物进行稳定性、 功能性和环境友好性评价。 研究结果表明, CoMFA模型主成分n为3, 交叉验证系数q²为0.532(>0.5), 表明所建模型具有好的预测能力; 模型标准偏差SEE为0.013(<0.95), 检验值F为38.281, 非交叉验证系数R²为0.935(>0.9), 表明模型具有较好的拟合能力; 加扰稳定性试验参数Q²为0.51, cSDEP为0.04, dq²/dr²yy为0.95 (<1.2) , 模型具有好的鲁棒性; 通过测试集进行外部验证, 标准误差SEP为0.03, rpred2为0.73(>0.6), 表明模型具有好的外部预测能力, 立体场和静电场贡献率分别为44.8%和55.2%。 根据模型三维等势图信息引入正电性、 体积大的取代基团对目标分子PBB-153进行取代修饰, 共设计了7个PBB-153衍生物, 双光谱效应综合值较目标分子增加10.15%~29.12%。 高斯计算结果表明所设计的衍生物吉布斯自由能值小于0, 正频值大于0, C-Br键解离焓与目标分子相比变化较小, 衍生物具有较好的环境稳定性和功能性。 此外, 所设计的衍生物环境持久性、 远距离传输性、 毒性和生物富集性降低, 具有环境友好性特征。 模型验证发现衍生物红外、 紫外单光谱效应均上升, 衍生物(4-OCN-5-NO-PBB-153)两种光谱变化比率为0.79, 接近模型所设置的权重比例1∶1, 且双光谱效应模型三维等势图基本包含了单光谱效应模型三维等势图的信息, 所构建的综合模型具有一定的准确性和可靠性。 所建立的双光谱效应模型可以实现对两种单光谱效应的同步修饰和综合分析, 为其他污染物光谱检测综合评价提供思路。

突水事故威胁井下人员的生命安全和造成财产损失, 因此准确检测出突水水源类型具有重大意义。 使用水化学分析法检测水源类型耗时长、 过程复杂。 激光诱导荧光(LIF)技术具有快速、 灵敏、 干扰小等优点, 将LIF技术结合智能算法建立突水水源识别模型可以准确检测出突水水源的类型。 目前这类模型一般需要对荧光光谱进行去噪、 降维、 波段选取等处理, 过程繁琐, 并且模型都是在均匀分组的突水水源荧光光谱上建立的, 并没有讨论不均匀分组对模型的影响, 也没有针对不均匀分组建立模型。 在实际工程应用中, 采集的样本数量是有很大概率呈现不均匀的, 因此本文提出一种飞蛾扑火(MFO)算法结合谱聚类(SC)的方法实现对不均匀分组的突水水源荧光光谱的识别。 实验中, 首先从淮南煤矿获取5种实验水样, 使用激光诱导荧光实验设备采集所有水样的荧光光谱, 五种水样的组数分别为75, 80, 80, 30和135。 其次, 建立MFO-SC水样识别模型, 通过对比后标签映射方式选择K-Means、 相似矩阵的计算方式选择高斯核函数和划分准则选择ncut, 用MFO对高斯核函数的参数寻优得到σ的值为1.745并且固定模型的初始聚类中心。 随后, 分别建立K-Means, SVM和MFO-SVM3种水样识别模型。 对比MFO-SC模型与K-Means模型, 得到MFO-SC模型的最优准确率为100%且平均准确率也为100%, K-Means模型的最优准确率为99.75%, 而平均准确率为79.57%; 再分别计算SVM模型和MFO-SVM模型的训练集准确率和测试集准确率, SVM模型训练集准确率为80%, 测试集准确率为80%; MFO-SVM模型训练集准确率为100%, 测试集准确率为95.625%。 最后, 使用4种模型对其他三个不均匀分组的突水水源荧光光谱进行识别, 研究结果表明将MFO-SC算法用于突水水源类型的识别上是有效的, 可以准确地检测出突水水源的类型, 对煤矿生产安全有重要意义。

针对爆炸恐怖事件预防和打击领域内的大范围开放空间下制爆运爆可疑人员衣物表面沾染爆炸物粉末检测问题, 研究基于近红外光谱的爆炸物粉末表面沾染遥测方法。 研制了一套近红外成像光谱数据采集系统, 采集了多种爆炸物粉末和沾染基底的近红外反射光谱, 制备了多个爆炸物粉末表面沾染样本。 针对表面沾染检测应用中爆炸物粉末与沾染基底近红外反射特征混叠问题, 利用近红外光谱数据处理技术构建近红外光谱解混校正模型, 去除了沾染基底信号对爆炸物粉末目标识别的干扰。 针对遥测应用中光源照射不均匀问题造成的干扰(如强光反射造成的光谱信号饱和, 光线遮挡造成阴影引起的信号微弱, 引起光谱反射率测量异常问题), 对目标校正得分图进行有效过滤避免误识别问题。 此外, 针对背景噪声较大时出现光谱预处理过度造成的误识别问题, 利用目标原始光谱反射率均值和得分图综合判别加以校正解决。 通过实验验证, 提出的方法成功解决了表面沾染特征混叠问题、 去除了遥测中光照及其他噪声因素的干扰影响, 避免了误分类, 在典型背景材质棉麻、 化纤布料基底上成功识别分类AP(高氯酸铵)、 CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)、 NQ(硝基胍)、 RDX(黑索金)、 TATB(三氨基三硝基苯)、 硝娣(工业炸药)、 烟花爆竹等爆炸物粉末单质及混合物, 验证了系统及方法的有效性和可行性, 首次在实验室环境下实现了爆炸物粉末表面沾染遥测成像报警, 有效距离可达数十米, 具备一定应用价值与发展潜力。

β-苯乙胺(PEA)是一种重要的有机合成中间体, 在PEA生产过程中, 最终的生成物中常常为含有氯化钠(NaCl)、 氢氧化钠(NaOH)和PEA三者的混合物。 因此, 对NaCl, NaOH, PEA和混合物种类进行鉴别, 有利于PEA的合成以及定性检测, 需建立紫外光谱快速鉴别NaCl, NaOH, PEA和混合物种类的方法。 利用紫外光谱法分别测量了NaCl, NaOH, PEA和混合物在190~400 nm范围的吸收光谱。 首先, 采用偏最小二乘法(PLS)提取紫外光谱的主成分信息, 用少数的主成分信息取代原始变量, 减少模型的复杂度。 用PLS提取NaCl, NaOH和PEA在前三个主成分空间中得分向量值的分布。 可知NaCl, NaOH和PEA前三个主成分累计贡献率分别是96.64%, 99.44%和99.95%。 因此, NaCl、 NaOH和PEA的前三个主成分基本包含了大部分的光谱信息。 其次, 用获得的三个主成分作为输入变量, 采用线性判别分析(LDA), Sigmoid SVM, RBF-SVM, RBF-ANN, BP-ANN和人工蜂群(ABC)优化神经网络(ABC-BP-ANN)等模式识别方法对NaCl, NaOH和PEA种类进行判别, 获得总的敏感性分别为95.6%, 95.6%, 95.9%, 95.8%, 96.9%和99.6%。 由于NaCl和NaOH特征吸收峰很相似, 主成分得分向量会出现重叠现象, 导致NaCl和NaOH的种类鉴别出现误判。 通过对比六种分类方法, 可知ABC-BP-ANN效果最优, BP-ANN次之, RBF-SVM和RBF-ANN结果相似, 但比BP-ANN稍差, LDA和Sigmoid-SVM效果最差。 最后, 配制7种不同摩尔分数的混合物(混合物摩尔分数是指PEA物质的量占混合物总物质的量百分比), 浓度范围为0%mol·L^-1~60%mol·L^-1, 然后采用RBF-SVM, BP-ANN和ABC-BP-ANN三种方法对混合物种类进行判别。 从敏感性和特异性结果可以得知, ABC-BP-ANN分类效果最好, BP-ANN次之, RBF-SVM分类效果最差, 由混合物得到的结果与单组分的结果相一致。 结果表明, 紫外光谱结合ABC-BP-ANN模式识别方法可以成功区分NaCl, NaOH, PEA和混合物的种类。 该方法可作为一种简便、 快速、 可靠的方法用于NaCl, NaOH, PEA和混合物的种类判别, 并为PEA的合成和质量控制提供理论依据和技术支撑。

在微波辅助条件下, 合成了甲醛功能化的聚乙烯亚胺(FPEI), 在激发波长为340 nm时, FPEI的荧光发射波长470 nm, 紫外灯下发蓝色荧光。 在此激发条件下, 曙红Y(Y eosin Y, EY)的荧光发射波长为540 nm, 发绿色荧光。 在酸性介质中, FPEI和 EY 通过静电作用形成FPEI/EY复合物, 导致EY 在540 nm 的荧光显著猝灭, 而FPEI本身的荧光只有微弱的降低。 当加入六偏磷酸钠(SHMP)时, SHMP、 EY与FPEI发生竞争结合, 由于SHMP与FPEI表面质子化氨基的静电作用强于EY, EY从FPEI/EY复合物中释放导致540 nm荧光强度逐渐恢复。 当SHMP与FPEI/EY 混合时, EY 540 nm荧光强度与FPEI 470 nm 荧光强度的比值(F₅₄₀/F₄₇₀)与SHMP浓度呈较好的线性关系, 在紫外灯照射下体系的荧光由蓝色逐渐变为绿色, 由此建立了FPEI/EY比率荧光快速测定SHMP的新方法。 在最优条件下, 线性范围为0.1~4.2 μmol·L^-1, 检出限(3σ)为38 nmol·L^-1。 该方法选择性好、 简单、 快速, 已成功应用于茶饮料中SHMP的分析检测。

采用高温固相法分别在1 150, 1 200和1 250 ℃制备(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉系列样品, 通过XRD、 PL和紫外发光照相记录, 建立起组分-物相-色像对应关系, 推导得到其三元色像图, 并探讨制备温度对物相及色像影响。 物相分析表明: (Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉物相组成与组分间存在渐变性, 从单组分点出发物相组成数目逐渐增多且各物相含量连续变化, 在富Ba²⁺端形成Ba₂SiO₄相单相区; 随着温度升高, Ba₂SiO₄单相区扩大(Mg²⁺(Sr²⁺)在1 150, 1 200和1 250 ℃固溶度为20_at%(30_at%), 30_at%(35_at%), 35_at%(40_at%)), 混合相区同一组分点物相组元数减少(若该组分点包含α-Sr₂SiO₄和Ba₂SiO₄相则其含量增加)。 光谱分析表明: 同一样品在365 nm激发下比254 nm激发下绿光波段荧光发射强但红光光波段发射弱; 荧光颜色和亮度也随组分、 相组成呈渐变性, Ba₂SiO₄单相区为绿色荧光且随Sr²⁺和Mg²⁺固溶荧光亮度提高, 在混合相区随着Ba²⁺含量减少荧光颜色由绿变红, 红光区域随着Mg²⁺减少亮度逐渐减弱[如: (Mg_1-ySr_y)₂SiO₄∶Eu系列随y增大由亮红变成暗红]; 随着温度升高, Ba₂SiO₄单相区内荧光粉亮度整体提高且最亮荧光粉组分中Mg²⁺和Sr²⁺固溶度提高; 混合相区荧光强度整体提高, 且绿色荧光粉组分区域增大(如: 在254 nm激发下, (Mg_1-xBa_x)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由红色变成绿色时x_{1 150 ℃}=0.5, x_{1 200 ℃}=0.4, x_{1 250 ℃}=0.3, (Ba_1-ySr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由绿色变成红色时y_{1 150 ℃}=0.6, y_{1 200℃}=0.7, y_{1 250 ℃}=0.8, (Ba_x(Mg_0.2Sr_0.8)_1-x)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由红色变成绿色时x_{1 150 ℃}=0.5, x_{1 200 ℃}=0.4, x_{1 250 ℃}=0.3)。 研究建立了(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu粉体组分-结构(相)-制备(温度)-性能(荧光)对应关系; 优选出(Mg_0.35Ba_0.6Sr_0.05)_1.95SiO₄∶0.05Eu/(Mg_0.6Sr_0.4)_1.95SiO₄∶0.05Eu等高效绿色/红色荧光粉; 发现单相比混合相绿色荧光粉亮度高, 固溶度提高有利于Ba₂SiO₄单相绿色荧光粉效率的提高; 温度提高扩大了Ba₂SiO₄单相荧光粉、 混合相区绿色荧光粉区域, 且提高(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉整体亮度。 由(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列荧光粉得出的色像随组分、 温度渐变规律可应用于其他组元荧光粉优选, 对新发光材料的系统开发具有一定指导意义。

苯-甲苯-二甲苯(BTX)是大气挥发性有机物(VOCs)的重要组成成份, 人类长期暴露在苯系物的环境中致癌风险将极大提高。 利用BTX在紫外波段有明显的光谱吸收特征, 选取250~275 nm作为研究波段, 该波段可将BTX的主要特征吸收包含在内。 设计了一套由标准BTX液体制备标准气态BTX的装置, 采用连续紫外光源和差分吸收光谱技术分别对单组分苯与BTX混合气体进行连续监测研究。 为最大程度去除外界噪声干扰, 分别采用小波变换滤波和多项式平滑滤波法, 并对两种方法的去噪效果进行评价。 研究表明尽管传统处理吸收光谱噪声的方法常采用多项式平滑滤波, 但该方法会使吸收截面上的细节信息或高频分量丢失。 而小波变换滤波具有良好的时频局域化特性, 能通过伸缩和平移对信号进行多分辨率分析并可聚焦到信号的任意细节, 更能保持光谱谱线的特征结构且信噪比优于多项式平滑滤波。 通过实验获得了BTX的吸收截面并与HITRAN数据库吸收截面对比, 发现若直接采用HITRAN数据库中吸收截面值将造成由于温度与压强变化导致的浓度反演误差。 为了能够与实际监测环境相符合, 采用实验室获取的吸收截面作为标准吸收截面。 对单组分苯浓度的反演分别采用积分面积法和最小二乘法, 研究表明两种方法的测量精度均能满足环保监测法规要求, 且最小二乘法更加稳定、 精度更高。 针对BTX混合气体的测量, 采用通过浓度值反演差分吸光度的方法进而逐一反演苯-甲苯-二甲苯的浓度值。 研究发现对BTX混合物的浓度反演时二甲苯测量误差均在2%以下, 但对甲苯和苯的测量误差逐渐增大, 苯浓度的反演最大误差达到了9.07%, 苯的测量精度受到了二甲苯、 甲苯测量精度以及苯光谱特征吸收波段的影响。

烤烟香型的判别一直是烟草行业的关注焦点。 利用中红外和近红外光谱对189份不同香型的烟叶进行分析。 分别从中红外谱图数据中提取21个特征波数处以及近红外谱图数据中13个特征波数处的吸光值作为影响因素。 通过主成分分析方法分别对选取的中红外、 近红外数据进行烟叶清香型、 中间香型和浓香型三种香型风格的定性分析。 结果表明基于中红外和近红外数据PCA投影图中三种香型混淆严重, 区分界面不清晰。 随后, 将中红外、 近红外数据进行融合, 将提取的34个特征波数处的吸光值同时代入主成分分析, 得到基于中红外和近红外融合数据的PCA投影图。 该投影图可以将不同香型的烟叶明显地区分出来。 随后利用后退法和遗传算法对中红外和近红外融合后的34个吸光度值进行变量选择, 后退法选择出了24个变量, 遗传算法选择出了19个变量。 对比34, 24和19个变量的烟叶三种香型风格的主成分投影图, 遗传算法虽然选择了比较少的变量, 但其仍然可以将烟叶进行准确的分类。 利用遗传算法对中红外和近红外融合后数据进行变量选择, 剔除对烟叶香型分类影响小的因素。 最后, 利用支持向量机建立烟叶清香型、 中间香型和浓香型分类判别模型。 该模型的建模结果准确率为92.72%, 其中清香型、 中间香型和浓香型的准确率分别为93.75%, 92.11%和91.84%。 内部交叉验证留一法结果准确率为88.74%, 其中清香型、 中间香型和浓香型的准确率分别为90.63%, 86.84%和87.76%。 对未知样本预报结果的准确率为86.84%, 其中清香型、 中间香型和浓香型的准确率分别为88.24%, 85.71%和85.71%。 无论是建模结果、 留一法结果和预报结果其准确率都大于85%。 研究结果表明中红外和近红外数据融合可以提供更多的特征信息, 利用这些信息可以建立烟叶香型风格的分类判别模型, 为烟叶香型风格快速鉴别提供帮助。

以牛血清白蛋白(BSA)和葡萄糖为原料, 采用光谱技术从分子水平上研究不同浓度尿素(0~7 mol·L^-1)对BSA糖基化反应的影响。 结果表明: BSA经过尿素处理后, 其糖基化产物的自由氨基含量和内源荧光强度均显著下降; 同步荧光光谱表明BSA与尿素的结合点更接近于色氨酸(Trp)残基; 紫外光谱分析表明经尿素处理后BSA的糖基化产物的紫外吸收值均有不同程度的增加; 三维荧光光谱表明随着尿素浓度的增加, BSA的最大发射波长产生先红移再蓝移的变化趋势, 说明其结构展开, 促进了BSA的糖基化反应。 结果表明, 尿素处理会使BSA的空间结构发生不同程度的伸展, 且当尿素浓度为3 mol·L^-1时BSA的糖基化反应程度最大。

宽禁带直接带隙半导体材料氧化锌(ZnO), 具有优异的光电性能、 机械性能和化学特性。 ZnO材料的结构对其性能影响较大, 元素掺杂可改变ZnO晶体结构和带隙宽度, 是提升ZnO材料性能的有效手段, 当前常用Ag掺杂ZnO即为提高光催化反应效率。 高压独立于温度、 成分, 是调控材料结构组织性能的重要手段, 是产生新材料、 发现新调控原理的重要因素。 该研究通过对比纯ZnO晶体和Ag掺杂ZnO晶体的高压相变行为, 揭示了元素掺杂对ZnO纳米晶体材料结构性能的影响。 研究首先采用水热法辅助制备纯ZnO纳米微球和Ag掺杂ZnO纳米微球(1∶150Ag/ZnO), 表征结果显示水热法合成的纯ZnO和1∶150Ag/ZnO均为六角纤锌矿晶体结构, 形貌均为几十纳米尺寸小颗粒堆积形成的微球, ZnO晶格常数随着Ag离子掺杂而变大, Ag掺杂导致ZnO晶格膨胀。 随后应用金刚石压腔结合原位拉曼光谱技术测定了纯ZnO和Ag掺杂ZnO的高压结构相变行为。 相比于纯ZnO拉曼峰, Ag掺杂ZnO的E₂(high)振动模式439 cm^-1拉曼峰峰宽变窄, 并呈现向低频方向移动的趋势, 与无定形ZnO谱峰相近, 表明Ag⁺取代Zn²⁺影响了Zn—O键, 同时也影响了ZnO晶格结构的长程有序性。 随体系压力增大, 表征六角纤锌矿结构ZnO的拉曼特征峰439 cm^-1出现瞬间弱化和宽化。 压力增大至9.0 GPa时, 纤锌矿结构ZnO拉曼特征峰439 cm^-1消失, 585 cm^-1处出现新峰, ZnO晶体发生由六角纤锌矿向岩盐矿的结构转变。 压力继续增大至11.5 GPa, 新的拉曼峰显著增强, 峰形变窄, 同时向高波数方向移动, 相变完成, 岩盐矿结构ZnO性能稳定。 1∶150 Ag/ZnO从六角纤锌矿结构到立方岩盐结构的相变压力为7.2 GPa, 低于纯ZnO。 相变压力降低表明晶体结构稳定性下降, 可能的原因在于掺杂Ag导致ZnO晶格膨胀, 晶体结构松弛, 两相相对体积变化增加, 从而导致相变势垒降低, 使样品在较低压力下发生相变。 纳米材料的高压研究揭示了元素掺杂对材料结构稳定性的影响, 是纳米材料调控原理的潜在研究手段。

国际防止船舶造成污染公约(MARPOL)中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定, 对含有海洋环境有害的物质(HME)的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放, 但因费用等因素影响, 很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。 散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质, 并加速海冰融化, 对海洋环境造成一定的污染。 对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究, 能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。 通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异, 为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。 该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的, 获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征, 探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。 为了反演海冰表面铁矿粉面积比例, 利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、 铁矿粉端元提取, 根据混合像元线性解混模型理论, 建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。 所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 (洁净海冰), 25.8%, 37.2%, 46.1%, 52.1%, 65.1%, 72.5%, 82.3%, 92.3%, 93.1%和100%(纯铁矿粉)等, 数据采集波长范围350~2 500 nm。 结果表明, 利用1 460 nm波段处的吸收指数(SAI)进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳, 反射率与铁矿粉面积在918~1 400, 1 500~1 780和2 250~2 300 nm波段, 相关系数都大于0.90, 86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上, 91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。 选取1 610~1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例, 几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的, 在克服海冰背景反射率的影响下, 比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例, 平均反演精度达到94.23%。

水体中的悬浮物浓度和透明度是水质调查中的基本参量, 也是评价水环境优劣的重要指标。 卫星遥感技术可以大范围、 较快速、 低成本地实现主要水质参数的反演, 但是对于水质复杂多变且水域面积较小的内陆水体来说, 目前常用的卫星不能满足水质参数的反演需要。 珠海一号卫星星座是由珠海欧比特宇航公司发射的新型高光谱卫星星座, 具有高空间、 高光谱、 高时间分辨率的特点, 在内陆水体水质监测中具有重要潜力; 然而目前对于运用珠海一号数据进行内陆水体水质参数遥感监测的适用性有待研究, 需要开展星地同步实验检验其应用效果。 以珠海一号高光谱卫星作为遥感数据源, 以于桥水库为研究区, 利用与卫星同步的水面实测数据, 使用经验回归的方法分别构建了悬浮物和透明度的反演模型, 并开展了悬浮物浓度和透明度的模型精度检验。 检验结果证明, 于桥水库悬浮物浓度和透明度的反演模型最佳波段组合分别为R_rs(684)/R_rs(540)和R_rs(656)/R_rs(556), 模型反演相对误差分别为8.6%和11.7%, 均方根误差分别为1.0 mg·L^-1和18.2 cm。 利用建模公式得到了2018年11月22日于桥水库的水质参数分布图, 发现于桥水库的悬浮物浓度空间分布呈现北高南低的特点, 而水体透明度的空间分布呈现出北低南高的分布特征, 这种空间分布特征应该主要是因为于桥水库北部水较浅南部水较深, 水越深底泥越不容易再悬浮导致的。 基于星地同步实验的于桥水库水质参数反演建模和检验结果初步说明了珠海一号高光谱卫星在定量反演内陆水体水质参数方面具有潜力, 未来需要开展更多的星地同步实验进一步完善预处理和反演模型。

采用三维荧光光谱结合荧光区域积分分析法(3DEEM-FRI)研究了厦漳地区江东泵站、 北溪水闸、 汀溪水库、 莲花水库、 坂头水库以及石兜水库原水中溶解性有机物(DOM)的荧光特性、 污染特征及其他水质指标与各荧光区域积分体积之间的相关性。 结果表明, 三种荧光组分—荧光类蛋白质组分(组分Ⅰ, C1)、 荧光类蛋白质组分(组分Ⅱ, C2)以及类富里酸组分(组分Ⅲ, C3)在所调查水样中均有显著检出, 而溶解性微生物代谢产物组分(组分Ⅳ, C4)在莲花、 坂头以及石兜水样中有检出, 类腐殖酸组分(组分Ⅴ, C5)在所调查水样中检出不明显; 不同水体中同一组分的相对含量差别不大, 其中荧光类蛋白质组分占比(P_{1, n}+P_{2, n})均在60%以上, 组分Ⅲ(P_{3, n})与组分Ⅳ占比(P_{4, n})均在10%~20%之间, 组分Ⅴ占比(P_{5, n})小于6%; 荧光特征参数(1.28β∶α<0.97)显示水体中DOM具有典型的陆源与自生源混合输入的污染特征, 组分Ⅰ、 组分Ⅱ与组分Ⅳ之间具有同源性特征; TOC与总标准荧光积分体积(Ф_{T, n})之间具显著的相关性(R²=0.979 34), NH4+-N与组分Ⅳ的标准荧光积分体积(Ф_{4, n})之间相关性较好(R²=0.827 98), 而类腐殖质的相对含量(P_{3, n}+P_{5, n})与SUVA之间的R²为0.703 25。 研究表明, 3DEEM-FRI分析法可用于识别江湖水库型原水DOM的组成及污染来源, 同时还可以实现对TOC含量、 NH4+-N含量以及水体腐殖化程度的有效追踪和指示。

石油作为重要战略资源, 对其组分进行实时分析检测在石油化工领域有着重要意义。 随着石油资源的不断开发, 在已长时间开采油井的生产过程中以及新油井开采前, 需要对井下原油组分进行分析检测, 以判定开采的必要性。 原油组分实时检测, 在原油开采、 生产、 储运以及销售过程中都起着关键的作用, 针对传统检测方法存在精度低、 效率低等问题, 近年来在原油组分检测技术的研究方法上引入了在测量领域得到广泛、 有效应用的近红外光谱测量技术。 以井下原油作为研究对象, 利用从大庆油田获得的提纯原油与水按体积比配制了原油占比分别为1%~20%共39个组分的实验样品来模拟井下原油。 研究了近红外光谱透射法测量原油组分的基本原理, 并利用SW2520型近红外光谱仪与卤素光源以及配套组件集成了原油样品近红外光谱数据测量系统, 完成了系统的标准化实验并利用此标准化后的系统采集了39个组分原油样品的近红外吸收光谱数据。 利用移动窗口平滑法、 Savitzky-Golay卷积平滑法以及Savitzky-Golay卷积求导法对原油近红外光谱数据进行预处理以消除噪声, 利用偏最小二乘法和支持向量机回归方法SVR两种分析方法对预处理后的原油样品近红外光谱进行建模, 分别建立了原油组分分析预测模型。 研究结果表明, 利用偏最小二乘法模型预测均方根误差为0.003 755 14, 决定系数R²为0.999 999, 预测精度优于0.1%, 预测效果十分理想。 利用近红外光谱技术对配制的不同比例的井下原油模拟测试样品进行测试建模和分析, 为井下原油组份检测提供了一种新的思路, 该方法可以有效的解决原油含水率的检测问题, 为开发油田现场实时原油检测分析装备提供技术支撑。

人体内的生物小分子对维持生命体健康具有重要影响, 此类分子参与生命体的血液循环及免疫系统, 因此检测生命体中生物小分子对研究小分子在生命体中的生理功能有着重要的意义。 傅里叶变换-表面等离子体共振(Fourier transform-surface plasmon resonance, FT-SPR)光谱技术具有操作简便、 灵敏度高、 所需样品少、 可实时检测等优点, 近年越来越多应用于分子的检测。 对于部分分子尤其是分子量非常小的生物小分子, FT-SPR直接检测法存在信号稳定性差、 灵敏度不高等缺点, 因此可以针对不同的检测目标构建系列SPR小分子生物传感器通过信号扩增弥补以上缺点。 该研究分类并列举了用于小分子检测的SPR免疫传感器(直接检测法、 “三明治”法、 竞争检测法以及抑制检测法)、 SPR分子印迹传感器以及其他基于SPR传感器, 系统综述了SPR技术检测小分子的研究进展, 并对其发展远景进行了展望。

染料废水的排放对人类健康和生态系统构成严重威胁, 光催化技术因其操作简单、 绿色环保等优点在解决环境污染问题上已显示出巨大的潜力。 类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)由于成本低且具有良好的化学稳定性, 被认为是光催化领域最有前景的新型光催化剂之一, 但由于单一g-C₃N₄的比表面积小、 可见光吸收能力低、 光生电子-空穴复合率高影响了其光催化性能。 以邻氨基苯甲腈和尿素为原料, 通过高温共聚改性制备高催化活性的g-C₃N₄-N光催化剂, 研究g-C₃N₄-N在不同pH值、 g-C₃N₄-N投加量和RhB溶液浓度条件下对RhB光催化降解的影响, 并结合红外光谱、 XRD、 BET、 UV-Vis对g-C₃N₄-N光催化降解RhB的机理和染料降解路径进行解析。 结果表明, 经共聚改性制备的碳化氮为类石墨型纯相g-C₃N₄-N, 具有稳定的光催化活性、 大的比表面积和多孔结构, 在初始pH值为3时, 加入50 mg的g-C₃N₄-N在可见光条件下光催化降解10 mg·L^-1 的RhB可达到最好的光催化降解效果, RhB在暗反应30 min内的吸附去除率可达30%左右, 120 min的去除率达到97.7%。 在光催化作用下, g-C₃N₄-N将吸附在光催化剂表面的罗丹明B分子通过快速N-脱乙基过程形成DER、 EER和AR等大分子中间体, 它们在空穴与·OH和·O2-作用下, 共轭结构裂解、 开环, 生成丁二酸、 间苯二酚、 丙酸等小分子, 脱除的乙基被逐步氧化为乙二醇, 这些小分子可以被转化为CO₂和H₂O。

以16年长期定位试验为基础, 探讨不同比例有机无机肥配施对土壤腐殖质特征的影响。 通过分离纯化腐殖质中的胡敏酸(HA)和富里酸(FA)组分, 并利用元素分析、 红外光谱和核磁共振研究分析了F1(70%化肥+30%有机肥)、 F2(50%有机肥+50%化肥)和F3(100%有机肥)三种施肥方式下的HA和FA含量及结构变化。 结果表明, F3对于提升HA和FA含量的效果优于F1和F2处理, 说明有机肥的施用量越高, 土壤腐殖质组分的含量就越高。 元素分析表明, 不同配比的有机无机肥对HA和FA各元素含量及原子比影响不同。 F2和F3都提高了HA的缩合度, 降低了氧化度和极性, 其中F3的效果更加明显; 有机肥的施用还能促进HA中含氮化合物的形成, 并且在F2中的效果最好; 有机肥的施用同样提高了FA的缩合度而降低了氧化度和极性并促进了含氮化合物的形成, 尤其在F2处理中尤为明显。 腐殖质红外光谱分析表明, 与F1相比, F2和F3提高了HA中脂肪族化合物、 碳水化合物物质的含量, FA的羧基基团、 脂肪基团含量也增加, 且在F3处理中表现最为显著; F2处理则降低了HA中脂肪烃物质的含量, FA中的碳水化合物则达到最高。 ¹³C核磁共振波谱分析显示, 在三种处理中, 有机肥的施用提高了HA和FA的脂化度而降低其芳化度, 其中F2处理中HA官能团变化更加显著, FA在F3处理中则变化更加明显。 综上所述, 有机肥显著提高了土壤腐殖质组分含量, 并且提高了HA和FA的脂化度降低其芳化度, 但是不同用量有机肥下HA和FA的形成机制不同。

X射线衍射(XRD)光谱是分析土壤粘粒矿物组成的重要手段, 但常规XRD分析存在前处理复杂、 耗时较长、 光谱分辨率低、 扫描不充分等问题。 为此, 该研究依托北京同步辐射装置(BSRF)的4B9A衍射实验站, 以我国东部不同气候带(即温带、 亚热带、 热带)的7种地带性森林土壤(棕色针叶林、 暗棕壤、 棕壤、 黄棕壤、 黄壤、 赤红壤和砖红壤)为研究对象, 利用同步辐射X射线衍射(SR-XRD)光谱对土壤粘粒矿物组成特征进行分析。 结果表明: (1)温带土壤(棕色针叶林、 暗棕壤和棕壤)质地以粘壤土为主, 而亚热带土壤(黄棕壤、 黄壤和赤红壤)分布在粘土和粘壤土的分界线上; 从亚热带到热带, 土壤质地呈现出粘土→壤土→砂土的变化趋势。 (2)土壤硅铝率(Sa)表现为温带土壤(5.22)>热带土壤(4.53)>亚热带土壤(4.49); 同样地, 硅铝铁率(Saf)也呈现出温带土壤(4.06)>热带土壤(3.53)>亚热带土壤(3.36)的变化规律。 (3)从温带到热带, 土壤粘粒矿物中高岭石的含量增加、 结晶度提高, 而伊利石的含量则逐渐减少; 温带土壤以2∶1型粘粒矿物为主, 而热带土壤则以1∶1型矿物为主; 在SR-XRD光谱中鉴定出了伊蒙混层、 长石两种粘粒矿物的存在, 而这两种矿物在常规XRD光谱中未被识别。 (4)与常规XRD法相比, 利用SR-XRD法分析土壤粘粒矿物组成具有以下优势: 一是前处理工作量较少, 常规XRD法需将粘粒样品制成不同类型的载玻片再进行测定, 而SR-XRD法直接测定粘粒样品即可; 二是光谱分辨率高, SR-XRD法的分辨率可达到≤100 nm, 从而能够检测到更多的衍射峰; 三是实验效率提高, SR-XRD法的优化扫描步长可达0.04°, 比常规XRD法增加1倍, 从而提高了测试效率; 四是扫描辨识度增加, SR-XRD法的看光时间可优化为4 min, 是常规XRD法的2倍, 使得样品的扫描更加充分。

应用FLS920P型稳态和时间分辨荧光光谱仪, 对三种品牌不同脂肪含量的纯牛奶和鲜奶(共9种)进行了荧光光谱的测量。 9种牛奶样品的三维荧光光谱显示, 牛奶的荧光峰值波长为349 nm左右, 半高宽为66 nm左右, 最佳激发波长为291 nm左右, 平均寿命为4.6 ns左右, 实验表明9种牛奶的荧光光谱除荧光强度外基本一致。 实验测得酪蛋白溶液的荧光峰值波长为344 nm, 半高宽为66 nm, 最佳激发波长为295 nm, 荧光寿命为4.1 ns。 酪蛋白的荧光峰值波长和荧光寿命与牛奶基本一致, 对比牛奶中其他荧光物质后, 推断牛奶的主要荧光物质为酪蛋白。 进一步探究9种牛奶荧光强度的差别, 对比9种牛奶最佳激发波长下的荧光发射光谱, 相同品牌的全脂牛奶荧光强度明显低于脱脂牛奶。 对比全脂牛奶、 脱脂牛奶和离心处理的全脂牛奶归一化后的荧光光谱, 离心后的全脂牛奶荧光强度介于全脂和脱脂之间, 离心使得脂肪减少, 散射降低, 从而导致荧光强度的增强。 牛奶的荧光发射全谱显示全脂牛奶的瑞利散射强度明显高于脱脂牛奶, 全脂牛奶的脂肪含量高, 散射强, 激发光入射全脂牛奶后更多地被散射, 导致全脂牛奶的瑞利散射强度高于脱脂牛奶。 光透过率曲线显示全脂牛奶的透过率都低于脱脂牛奶, 入射光通过全脂牛奶时, 除了一部分被酪蛋白吸收以外, 还有一部分因脂肪的散射而损失, 透过率减小, 使得全脂牛奶的透过率都低于脱脂牛奶。 使用荧光光谱技术在不进行预处理的情况下对牛奶进行检测, 确定了牛奶的主要荧光物质, 并对全脂牛奶和脱脂牛奶荧光强度存在差别的原因进行了解释。

提出了一种基于拉曼光谱和改进人工蜂群算法优化支持向量机回归(IABC-SVR)算法快速定量检测山羊血清蛋白含量的方法。 传统人工蜂群算法在数据区域规模较大时, 收敛速度逐渐减慢, 出现效率低、 精准度下降、 局部最优解概率高等问题。 所提出的算法解决了这些问题, 使算法在进化前期避免陷入局部最优解, 在进化中后期能够保持解的全局搜索能力。 常规测定血清蛋白总量的方法通常采用凯氏定氮法、 双缩脲法等, 但存在时效慢、 污染样本等缺点。 采用拉曼光谱法进行检测, 具有快速、 无损的优点。 以山羊血清为分析对象, 按一定体积比配置35组待测样本, 用拉曼光谱仪采集拉曼光谱, 光谱采集范围为300~1 300 cm^-1, 采用基线矫正去除荧光背景, 使用Savitzky-Golay光谱平滑法对原始光谱进行平滑处理, 归一化处理光谱数据, 并对拉曼光谱特征峰进行归属。 实验结果表明, 拉曼光谱能够表征血清中主要化学集团的信息, 且由于官能团浓度差异, 光谱特征峰强度随浓度变化明显, 因此基于特征峰信息可以测定血清蛋白总量。 实验中, 以购买的山羊血清蛋白含量为基准, 通过配置样本的体积比得到各组待测血清样本的蛋白含量, 配置的单个液体样本体积为3 mL, 随机选取8组实验样本作为模型测试集, 剩余27组作为模型训练集。 以经过处理的光谱特征峰强度和对应的血清蛋白含量分别作为模型的输入值及输出值, 建立IABC-SVR, ABC-SVR和BP三种算法的定量模型, 对测试集血清蛋白总量进行预测。 最后通过均方差(MSE), 相关系数(r)与建模时间分别进行对比, 结果表明通过IABC-SVR建立的山羊血清蛋白定量矫正模型效果最佳, 模型的相关系数为0.990 27, 均方误差为0.244 3, 建模时间为1.9 s, 预测值方差均小于0.001 g·mL^-1, 预测准确率为99.8%。 实验结果表明, 应用激光拉曼光谱技术结合IABC-SVR算法, 对快速定量检测山羊血清蛋白含量, 具有较高的准确率和稳定性。

针对表面增强拉曼光谱信号重复性欠佳的问题, 利用实验室自行搭建的拉曼点检测系统, 以蜂蜜中硝基呋喃妥因兽药为检测对象, 探讨了基于蜂蜜固有内标的硝基呋喃妥因表面增强拉曼峰强校正方法。 首先通过含不同浓度硝基呋喃妥因蜂蜜样品及硝基呋喃妥因标准品的拉曼光谱对比分析, 确定739 cm^-1处蜂蜜拉曼特征位移作为底物蜂蜜的内标峰, 用比值法校正硝基呋喃妥因1 353和1 612 cm^-1处拉曼特征峰强用于蜂蜜中硝基呋喃妥因定量分析。 相同条件下分别采集了浓度为20 mg·kg^-1的硝基呋喃妥因蜂蜜样品表面增强拉曼光谱30次, 1 353和1 612 cm^-1处硝基呋喃妥因特征峰强相对标准偏差(RSD)分别为11.515 6%和11.162 5%, 利用739 cm^-1处蜂蜜拉曼特征峰强作为内标分别校正1 353和1 612 cm^-1处硝基呋喃妥因拉曼特征峰强后相对标准偏差分别降为4.852 6%和4.733 2%, 显著提升了表面增强拉曼特征峰强的重复性和稳定性。 因为仪器系统误差及表面增强过程中不可控因素引起的人为误差等对样品表面增强光谱中739 cm^-1处蜂蜜特征峰强和1 353和1 612 cm^-1处硝基呋喃妥因特征峰强的影响是完全相同的, 所以通过内标比值法可以有效消除和减少拉曼信号稳定性和重复性差的问题。 最后采集硝基呋喃妥因浓度范围为0.4~20 mg·kg^-1的69个蜂蜜样品, 基于硝基呋喃妥因1 353和1 612 cm^-1处拉曼特征峰强和蜂蜜739 cm^-1处拉曼特征峰强比值, 分别建立了一元线性回归预测模型和多元线性回归模型, 其中基于蜂蜜739 cm^-1处内标校正硝基呋喃妥因1 612 cm^-1处拉曼特征峰强的一元线性回归模型效果最佳, 与校正前相比具有更高的精度和预测能力。 该模型校正集决定系数(RC2)和验证集决定系数(RV2)分别为0.971 2和0.969 6, 校正集均方根误差(RMSEC)和验证集均方根误差(RMSEP) 分别为1.115 1和1.242 2, 相对分析误差(RPD)为4.306 0。 结果表明, 被测底物本身持有固有内标的样品可无需加入额外的内标物, 简单用内标比值法可以有效消除仪器的系统误差以及表面增强剂与样品的混合时间等对拉曼信号强度的影响, 显著提高了拉曼特征信号的重复性和稳定性, 为表面增强拉曼光谱定量分析提供了技术参考。

油菜是我国第一大国产植物油来源, 大田生产中需要施加适量的微肥以提高产量和品质。 筛选出一种可提高油菜产量的微肥配方需要经过复杂的大田统计和产量测定, 因此构建出能快速筛选微肥的模型十分重要。 以高油酸油菜“帆鸣1号”为试验材料, 使用地物波谱仪测定了不同微肥条件下全生育期的光谱反射率, 并用乙醇提取法准确测定叶绿素含量。 将光谱反射率、 叶绿素含量和最终产量性状两两间进行相关性分析。 产量测定表明, 施加微肥可以提高油菜产量和蕾薹期时叶绿素的含量, 使单株产量最高提高2%。 光谱参数与叶绿素相关性分析表明, 蕾薹期时叶绿素含量与光谱参数550和720 nm相关性较高, 表明蕾薹期光谱参数可用于预测产量进而筛选出能提高油菜产量的微肥。 叶绿素含量和产量相关性分析表明, 蕾薹期时, 叶绿素含量与产量相关性较高。 光谱参数与产量相关分析表明, 550和720 nm的光谱反射率与产量之间均呈显著负相关性。 光谱参数与产量相关分析表明, 550和720 nm的反射率与产量之间均呈显著负相关性。 综合分析施肥量、 光谱参数、 产量和叶绿素变化可知, 蕾薹时光谱参数550和720 nm与产量相关系数模拟的线性方程可用于微肥的筛选, 线性方程分别为y=-32.362x+33.097, y=4.069 5x+35.386, y=28.849x+23.735, y=-19.023x+31.005, y=12.447x+24.586, R²均大于0.6。 综合分析施肥量、 光谱参数、 产量和叶绿素变化, 油菜生长至蕾薹期时光谱参数550和720 nm与产量相关系数模拟的线性方程R²≥0.6时的微肥配比可以使产量提升。 本研究结果表明, 蕾薹期光谱参数可用于预测产量进而筛选出能提高油菜产量的微肥, 可增加样本量进一步检测相关性并开展后续验证。 鉴于地物波谱检测技术具有过程高效, 不使用化学试剂, 无需对样本进行破坏性取样, 成本低, 该模型的建立对开展大规模高油酸油菜微肥配方的快速筛选具有重要意义, 为筛选油菜微肥和促进油菜产量研究提供了理论基础。

为利用3D荧光技术实现基于贮藏室气体荧光信息的香蕉腐败早期预警, 选取两批不同贮藏日期的香蕉贮藏室气体进行三维荧光数据采集。 首先对荧光数据进行了预处理: 为消除三维荧光仪整体漂移现象, 对得到的三维荧光数据进行去除漂移处理; 利用matlab中eemscat工具包对瑞利与拉曼散射进行去除处理, 有效消除了瑞利散射和拉曼散射的不利影响; 运用Savitzky-Golar(SG)进行数据平滑处理, 减少了噪声对荧光信号的干扰。 同时, 对三维荧光数据进行初步筛选, 去除了荧光强度接近于0的发射波长, 以及利用三阶高斯混合分布对不同激发波长下的发射光谱进行拟合去除了离散性较大的激发波长。 然后针对荧光数据的特征表征, 提出了一种基于Wilks Λ统计量融合间隔偏最小二乘法(iPLS)的荧光数据特征选择策略。 具体是: 用Wilks Λ统计量进行特征激发波长的选取, 初步选出了5个特征激发波长; 根据初选的特征激发波长用iPLS结合pH值及相对电导率进行了特征发射波段的选取, 结果每个特征激发波长下均选出包含14个波长的特征发射波段。 为进一步减少分析变量个数, 根据选出的特征发射波长, 运用Wilks Λ统计量再次进行特征激发波长反选, 最终得到了3个特征激发波长。 考虑到各特征激发波长下对应14个特征发射波长, 故可选出42个特征发射波长。 最后基于香蕉在贮藏中其品质变化具有时变特点, 根据42个特征发射波长使用系统聚类分析法(SCA)进行香蕉腐败基准界定, 得到两批香蕉均在贮藏的第5天出现品质突变。 因此选用第5天贮藏室气体荧光信息来表征香蕉的腐败情况。 另外, 利用主成分分析(PCA)初步探索了用第1主成分实现香蕉早期腐败的预警。 结果表明: 文中提出的三维荧光数据特征波长的选择策略是能够有效降低光谱数据的复杂度, 同时给出的早期腐败预警方法是可行的。

用相近产地的大米代替独有的地理因素形成的地域品牌大米, 消费者难以辨别。 基于拉曼光谱技术, 试验对比不同预处理方法包括一阶导数+平移平滑、 二阶导数+平移平滑, 小波变换+去除基线三种常用的预处理方法, 另外提出一种改进的分段多项式拟合+去除基线共四种预处理方法, 分别结合偏最小二乘法实现相近产地大米的鉴别分析, 提出一种最佳的鉴别相近产地大米的预处理方法。 首先用拉曼光谱仪采集了黑龙江省依安县3个相近产地大米的150个拉曼位移为200~3 100 cm^-1的大米光谱样本, 再对原始拉曼光谱分别用一阶导数+平移平滑、 二阶导数+平移平滑、 小波变换+去除基线、 分段多项式拟合+去除基线进行光谱预处理。 分别从每个产地选取33个样本进行训练, 并对未知的51个样本建立了基于偏最小二乘法的鉴别分析模型, 在训练集中一阶导数+平移平滑的预处理方法相关系数值最大、 均方误差和均方根误差最小, 小波变换+去除基线的预处理方法相关系数值最小、 均方误差和均方根误差最大; 在测试集中采用3点2次拟合+去除基线的预处理方法的相关系数值最大、 均方误差和均方根误差最小, 二阶导数+平移平滑的预处理方法最差。 最后再通过PLS建模结果得知, 在训练集中, 采用四类九种预处理的方法对三个产地大米的总识别率均为100%; 在测试集中, 采用3点2次拟合+去除基线对三个产地大米总识别率为100%, 采用5点2次拟合+去除基线对三个产地大米总识别率为52.9%, 其他分段多项式拟合介于二者之间; 采用一阶导数+平移平滑、 二阶导数+平移平滑和小波变换的总识别率分别为88.2%, 86.2%和96.1%; 从中发现, 分段式多项式拟合中的3点2次拟合+去除基线的优势明显, 与其相关系数、 均方误差、 均方根误差结果吻合, 总体识别率高, 鉴别效果稳定。

种蛋气室的大小是监测种蛋孵化过程的重要指标之一。 根据种蛋的热力学结构, 种蛋在孵化过程中, 包裹气室部分蛋壳会与其他部分蛋壳产生温差, 从而可通过热红外图像进行观察。 针对在种蛋孵化过程中, 人工照蛋检测气室效率低的问题, 探索设计了一种基于热图像的种蛋气室变化俯视监测算法。 监测种蛋气室热图像的算法主要包括种蛋目标检测, 种蛋图像分割和种蛋气室面积计算3个部分, 其中种蛋的目标检测采用Faster-RCNN算法实现; 种蛋图像分割采用BP神经网络算法实现; 种蛋气室面积是在种蛋图像分割的基础上进行计算。 使用孵化5天及以上的种蛋作为研究对象, 并拍取种蛋的热图像进行试验。 试验结果表明: 种蛋热图像的目标检测的平均精度(mAP)为99.85%, 拥有较好的检测效果。 使用BP网络对种蛋进行图像分割。 BP神经网络经过调参后, 其网络最佳的结构为三层隐藏层, 每个隐藏层拥有1 000个神经元, 最优初始学习率为0.000 1, 最优最大迭代次数为500。 以F1-measure作为分割效果的评价指标, BP神经网络的图像分割总体结果为87.02%, Otsu算法的总体结果为65.25%。 其中只有一个蛋的情况下, BP神经网络的分割结果为87.17%, Otsu算法的结果为68.86%。 存在其他种蛋的干扰条件下, BP神经网络的分割结果为86.94%, Otsu算法的结果为61.64%, BP神经网络的分割效果优于Otsu分割算法, BP神经网络拥有更强的抗干扰能力。 最后提取了孵化5~19 d种蛋的气室变化, 通过观察种蛋气室大小曲线来监测种蛋的孵化情况, 可看出随着天数的增加, 气室有着明显变大的趋势。 人工测量法与热红外测量法比较结果说明两者相关性为0.934 3, 拥有较好的相关性。 基于热图像的种蛋气室变化监测算法可在实际生产中实现种蛋的识别与气室大小的快速监测, 为实现监测种蛋孵化的自动化提供了技术参考。

安徽升金湖是典型的长江中下游自然通江湖泊湿地, 是越冬候鸟尤其是珍稀鹤类的理想越冬地, 水利设施的修建改变了升金湖的自然连通状况, 使湖泊水位变化受人为控制, 继而引起景观格局变化, 从而影响越冬候鸟生境。 为探究水位波动对越冬候鸟生境影响规律, 基于Landsat-8(OLI)多光谱遥感影像对升金湖土地利用类型进行分类, 结合水位数据和候鸟种群特征数据, 选取景观斑块谱特征指数并对其分级, 分析不同水文期升金湖湿地水位变化规律, 探索湿地景观斑块谱特征时空变化特征, 探究不同水文时期自然湿地景观格局和越冬候鸟生境变化规律。 结果表明: 空间上该区域丰水期大斑块面积占优, 枯水期中等斑块面积达到峰值, 在退水期和枯水期景观格局分布良好, 景观整体表现出大斑块面积占优、 数量较少且形状复杂, 小斑块分布分散、 数量巨大且形状规则, 中小型斑块面积均匀, 形状各异。 时间上景观格局随水位变化, 斑块总数随水位升高先增后降, 小斑块数量变化最大且稳定性差易受水位波动影响; 水位对大斑块形状指数影响较大, 水位升高大斑块形状趋于复杂化, 涨水期和丰水期大斑块形状指数最大, 趋于狭长式分布, 景观边缘效应趋于明显, 内部结构异质性降低; 四个水文期香浓多样性指数分别为1.754 2(涨水期)、 1.571 7(丰水期)、 1.762 3(退水期)、 1.790 1(枯水期), 香浓多样性指数减小, 景观类型多样性趋于单一。 越冬候鸟生境面积与水位高低呈负相关, 草滩地、 泥滩地和芦苇滩地三种类型面积此消彼长并长期处于平衡状态, 草滩地面积在生境面积中占比最高起主导作用(68.01%), 总体生境面积在候鸟越冬末期(枯水期)达到峰值, 利于越冬候鸟觅食等行为活动。 基于此, 建议在越冬候鸟前期(8月—翌年1月)通过控水闸人为调控升金湖水位, 使各生境类型面积增加, 为越冬候鸟提供优质生境。

利用不同氮肥用量田间试验, 分析基于无人机平台的可见光谱诊断技术对烟草氮素营养进行无损评估预测的可行性, 明确该技术的最佳颜色参数和方程模型。 2018年在江西省安福县开展田间试验, 设置不同氮肥用量, 分别为0, 45, 90, 135, 180和300 kg N·ha^-1, 于移栽后47 d(团棵期)、 移栽后83 d(旺长后期)和移栽后116 d(下部叶成熟期), 利用无人机获取冠层RGB色彩数字图像, 同时采集植株样品分析地上部生物量、 叶片生物量、 地上部氮浓度、 叶片氮浓度、 叶片SPAD值等氮营养状况指标, 对冠层数字图像进行数字化分析, 获得颜色指标值, 通过颜色指标与烟草氮营养状况指标的相关性分析, 筛选适宜的颜色指标并建立氮营养诊断方程。 利用不同地块的氮肥用量试验, 对氮营养诊断方程拟合精度进行验证。 试验结果表明, 旺长后期各处理间冠层图像的颜色标准值存在显著差异, 团棵期与下部叶成熟期不存在显著差异。 在10个颜色指标中, NRI, NGI, G/R, G/(R+B), (G-R)/(R+G+B)和ExG与5个烤烟氮素营养指标均达到极显著相关(p<0.01)。 在归一化颜色指标体系、 比颜色指标体系和归一化差分颜色指标体系中选择潜在的最佳颜色参数指标分别为NGI, G/R和ExG。 根据不同类型的回归分析结果, 确定指数回归作为地上部生物量和叶片生物量的预测模型, 线性回归作为地上部氮浓度、 叶片氮浓度及叶片SPAD值的预测模型。 对潜在的最佳指标进行验证性筛选, G/R对地上部氮浓度和叶片氮浓度的RMSE值分别为0.375 1%和0.249 1%, 明显低于NGI和ExG, 预测精度最高。 用G/R值表示的地上部生物量、 叶片生物量、 地上部氮浓度、 叶片氮浓度、 SPAD值预测方程分别为Y=21.785e^1.3502G/R, Y=4.057 9e^{1.937 3G/R}, Y=5.039 9G/R-3.333 2, Y=4.281 4G/R-3.802 9, Y=40.168G/R-28.188。 因此, 基于无人机平台的可见光谱诊断技术在烤烟氮素营养诊断方面具有应用潜力, 评估最佳时期为旺长后期, 最佳预测参数为G/R值。

双氯芬酸钠是一种非甾体抗炎药, 抗炎症效果较好, 抗炎化学药物双氯芬酸钠有可能违禁添加到缓解炎症保健食品中。 目前已有一些文献研究水、 肉及牛奶等中的药物双氯芬酸钠, 主要利用高效液相色谱、 表面增强拉曼及电化学等方法, 需要相对复杂的预处理过程, 操作步骤相对复杂, 耗时。 为了快速、 无损检测保健食品中违禁添加物的成分, 探索建立采用1 000~2 524 nm波段或特征最优波段的光谱作为自变量, 将近红外高光谱成像技术结合化学计量学分析的方法定量分析缓解炎症保健食品中可能添加的不同浓度的双氯芬酸钠。 研究主要运用了8种光谱预处理方法, 基于全光谱波长建立了偏最小二乘回归及主成分回归模型, 同时, 为了提高模型的准确性和稳定性, 利用β系数方法选择最优波段1 130~1 147, 1 412~1 468, 1 658~1 709, 2 010~2 055, 2 122~2 178和2 395~2 423 nm为自变量建立与双氯芬酸钠浓度的多元线性回归模型。 比较了偏最小二乘回归、 主成分回归及多元线性回归三种模型。 分析结果显示, 经标准正态变量预处理方法建立多元线性回归模型, 该模型的准确性和和预测能力较好, 其预测最低限为0.05%, 预测值与实测值的R²为0.992 5, 预测均方根误差为0.004 9, 标准预测偏差为0.004 9, 说明近红外高光谱成像技术为快速定量分析缓解炎症保健食品中违禁添加抗炎药物双氯芬酸钠提供了理论基础。 有望进一步开发拓展到其他违禁添加药物的快速定量应用。

为了提高木材树种分类的正确率, 提出了一种基于I-BGLAM纹理特征和光谱特征融合的高光谱图像的木材树种分类方法。 实验数据是利用SOC710VP高光谱成像仪获取的可见光/近红外(372.53~1 038.57 nm)范围内的高光谱图像。 首先, 利用基于OIF的特征波段选择方法降低高光谱图像的维数, 选择出含有信息量大的波段。 其次, 对选择出的波段图像使用NSCT及NSCT逆变换得到融合图像, 对得到的融合图像使用I-BGLAM提取其纹理特征。 与此同时, 对高光谱图像的全波段求取平均光谱并进行S-G(Savitzky-Golay)平滑得到光谱特征。 最后, 将得到的纹理特征和光谱特征融合后送进极限学习机(ELM)中进行分类。 此外, 还和基于灰度共生矩阵(GLCM)的木材识别的传统方法以及近几年木材树种识别领域内被提出的主流方法进行了比较。 该研究主要创新点有两个: 一是将强纹理提取器I-BGLAM用于高光谱图像中提取其纹理特征; 二是提出一种新的特征融合的模型用于高光谱图像的分类。 针对8个树种的实验结果表明, 单独使用I-BGLAM提取的纹理特征来进行分类的正确率最高可到达88.54%, 而使用GLCM提取纹理特征的传统方法正确率最高只有76.04%, 该结果可以得出本文使用I-BGLAM在纹理特征提取方面要优于GLCM, 这为后面建立的融合模型打下很好的基础, 单独使用平均光谱特征来分类的正确率最高可以达到92.71%, 使用所提出的特征融合方法所得到的分类正确率最高可达到100%, 这说明使用所提出的融合模型来分类要比以前单独使用某一种特征的分类模型要好。 此外, 使用所提出的方法得到的分类正确率要高于本领域内其他两种主流的识别方法。 因此, 所提出的基于I-BGLAM纹理特征和光谱特征融合的方法能够提高木材树种分类的正确率, 该方法在木材树种分类方面有着一定的利用价值。

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种高效快速的光谱采集手段, 可应用于各类物质的元素分析工作中。 线性判别分析(LDA)与支持向量机(SVM)是化学计量学中两种常用的有监督算法, 均通过对已知不同种类的样本数据进行学习建模, 进而实现对未知类别数据的归类。 为了实现LIBS技术对有机物的高准确率识别, 将这两种算法应用到LIBS光谱数据的分类中。 实验利用波长为1 064 nm的纳秒激光烧蚀女贞、 珊瑚树、 竹子三种植物的叶片, 并采集每种树叶220~432 nm波段的100组光谱数据。 通过对300组样本的原始光谱数据进行主成分提取, 由第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的得分图得出三种植物光谱的相似度非常高。 然后, 利用每种叶片70组样本的光谱数据作为训练集建模, 其余30组光谱数据作为测试集来进行树叶种类的预测识别。 将PCA对原始光谱数据提取得到的前20个主成分作为LDA与SVM建模的属性值。 对于LDA算法, 将属性值分析后得到前两个判别函数值, 通过聚类分析发现不同种类的植物叶片光谱数据在空间上的分离效果较好, 同一种类基本聚集在一起。 再借助马氏距离可得到测试集的平均分类正确率为96.67%。 与此类似, 使用SVM方法对训练集样本的数据进行学习得到分类超平面, 对测试集的平均分类正确率达到98.9%。 研究结果表明, 经过PCA对数据的预处理, 再结合LDA, SVM这两种方法可实现LIBS技术应用于复杂有机物的快速准确分类, 并且PCA与SVM结合的分类正确率更高。 该方法可在食品快速溯源、 生物组织原位鉴别、 有机爆炸物远程分析等领域应用。

针对水质多参数监测仪器的低功耗、 微型化、 集成化和智能化, 研制了一种基于顺序注射分析技术(SIA)和连续光谱检测方法融合的微型测定原位水质多参数检测仪, 系统设计的核心在于消解池结构设计且消解池作为检测池, 以及微控技术顺序注射平台的原理设计和多参数联合消解测定流程设计。 对融合SIA和连续光谱水质多参数原位分析的新方法进行实验研究。 设计了基于国标水质检测标准的多参数顺序注射分析检测流程, 基于分光光度检测方法, 在使用连续光谱扫描测量的条件下, 融合顺序注射分析技术对亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮、 总磷的含量进行检测。 测定消解前, 对硝酸盐氮、 亚硝酸盐氮进行直接光谱测量, 测定消解后对总氮进行光谱检测, 显色反应后, 对总磷进行光谱检测。 在本系统下, 以亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总磷和总氮原位水质参数为测定对象, 基于连续光谱分析, 最小二乘法建立回归模型并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线, 其拟合优度(即决定系数)≥0.989 9。 配制已知亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮、 总磷含量的混合溶液, 按照上述的多参数检测流程, 利用本系统绘制出的标准工作曲线测量4个参数, 实验结果表明, 实验参数重复性(相对标准偏差)RSD≤3.86%, 系统可稳定、 高效的分析不同水样中的亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、 总氮、 总磷含量。 基于SIA-连续光谱融合测定原位水质多参数检测方法研究, 对于提升在线水质监测仪器的技术性能具有重要作用, 微型多参数水质监测仪的研制具有良好的参数扩展前景, 适用于多种水质在线监测平台。

基于电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)建立了准确测定丙二醇甲醚中超痕量金属杂质元素的分析方法, 提出了利用混合反应气消除质谱干扰的新策略。 丙二醇甲醚经超纯水稀释后直接采用ICP-MS/MS测定其中具有挑战性的超痕量金属元素Mg, Al, K, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu和Zn, 在MS/MS模式下, 选择混合气NH₃/He/H₂为反应气, Ti⁺, Cr⁺, Fe⁺, Ni⁺, Cu⁺, Zn⁺与NH₃发生质量转移反应, 在形成的团簇离子中, Ti(NH₃)6+, Cr(NH₃)2+, Fe(NH₃)2+, Ni(NH₃)3+, Cu(NH₃)2+和Zn(NH₃)⁺丰度高且无干扰, 利用NH₃质量转移法将Ti⁺, Cr⁺, Fe⁺, Ni⁺, Cu⁺和Zn⁺转移为相应的团簇离子进行测定; H₂能与加合物—NH和—NH₂反应生成—NH₃, 增大碰撞/反应池(CRC)内—NH₃的浓度, 有利于提高Ti, Cr, Fe, Ni, Cu和Zn的分析灵敏度。 Mg⁺, Al⁺, K⁺和V⁺几乎不能与NH₃反应, 而干扰离子能与NH₃反应形成团簇离子, 可以利用NH₃原位质量法进行Mg, Al, K, V的测定; H₂能快速与Ar基干扰离子发生反应, 而与其他离子的反应速度很慢, 反应气中加入H₂能迅速彻底消除Ar基干扰离子所形成的质谱干扰, 有利于Mg, Al, K和V的测定。 优选Sc⁺与NH₃反应生成的团簇离子Sc(NH₃)5+为Ti(NH₃)6+, Cr(NH₃)2+, Fe(NH₃)2+, Ni(NH₃)3+, Cu(NH₃)2+和Zn(NH₃)⁺的内标离子, Be⁺与NH₃反应生成的团簇离子Be(NH₃)4+为Mg⁺, Al⁺, K⁺和V⁺内标离子, 校正了样品溶液, 标准溶液和空白溶液之间由于物理化学性质差异产生的基体效应, 确保了分析信号的稳定。 将所建立的方法应用实际样品的加标回收实验, 并采用双聚焦扇形磁场电感耦合等离子体质谱(SF-ICP-MS)进行对比分析, 评价分析方法的准确性。 结果表明, 各元素的检出限为0.52~61.5 ng·L^-1, 加标回收率为95.6%~104.2%, 相对标准偏差(RSD)≤4.5%; 在95%的置信度水平, 所有元素的分析结果与SF-ICP-MS的测定结果无显著性差异, 验证了分析方法的准确性好, 精密度高。 将方法应用于丙二醇甲醚中超痕量金属杂质元素的测定, 具有分析速度快, 无干扰, 灵敏度高的优势。

铝合金作为重要的金属材料, 广泛应用于各领域, 但大量的铝合金废料却难以进行分类回收。 二次资源的回收利用是我国工业绿色、 可持续发展的助推器, 如何快速、 简便地对铝合金废料进行识别分类则成为了铝合金废料回收利用的先决条件。 激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来发展快速的一种分析技术, 具有快速、 全元素分析、 实时、 原位、 远距离检测等优点, 已广泛应用于塑料、 土壤、 肉类、 钢铁等识别研究, 大多采用最小二乘判别分析法、 簇类独立软模式、 人工神经网络、 支持向量机、 随机森林等算法来建立模型。 基于迭代型树的XGBoost算法具有正则化、 并行处理运算、 内置交叉验证和高度的算法灵活性等优势, 其模型结构相对简单、 运算量较小, 且准确率较高, 成为近年来机器学习中极受欢迎的算法, 因而被广泛应用。 基于六种铝合金样品的600组光谱数据, 根据NIST原子发射光谱数据库进行光谱特征提取, 确定光谱特征谱线的分类依据。 利用XGBoost算法进行自动分类及排序, 将处理后的光谱数据随机划分为训练集和测试集, 通过训练集构建算法模型, 提取其分类特征; 利用测试集检验模型的稳定性和可用性, 防止出现过拟合。 XGBoost在固定参数下得到的模型具有一定的自适应性, 较少受数据集的影响, 总体准确率可达96.67%。 其分类特征与已知的元素含量信息相吻合, 证明了基于光谱的特征谱线数据, 可为分类识别提供参考; 同时还可根据XGBoost生成的特征评分来对光谱谱线特征的重要性进行排序。 实验结果表明, LIBS可用于不同种类铝合金的快速识别, 为废弃金属的分类回收提供了一种新的技术。

“水波纹”绿松石是一种在外观上呈现水波纹状花纹图案的天然绿松石, 产量稀少却深受消费者喜爱, 前人对绿松石的研究较丰富, 但对“水波纹”绿松石的研究较少。 对一块基底呈浅蓝白色, 条纹呈蓝绿色的“水波纹”绿松石样品用显微激光拉曼光谱仪、 显微红外光谱仪、 微区X射线衍射、 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪、 扫描电镜、 显微紫外-可见-近红外光谱仪等测试其各种性能。 结果表明, 条纹区与非条纹区的主要矿物均为绿松石; 红外光谱和拉曼光谱均显示绿松石的光谱; 条纹区与非条纹区的化学成分不同, 条纹区Al₂O₃, SiO₂, MgO, V, Co, Ni, U及Y, Mo, Cd的含量较非条纹区含量高, 而非条纹区P₂O₅, CuO, K₂O及Na₂O的含量较条纹区含量高; 扫描电镜微形貌显示, 条带区的晶体多为厚板状、 晶体颗粒大、 排列紧密, 几乎不可见孔隙, 非条带区的晶体多为大小不一的柱状、 碎片状, 杂乱排列, 可见孔隙; 微区X射线衍射表明条带区的结晶度较非条带区的结晶度高; 显微紫外-可见-近红外光谱表明条带区与非条带区的致色离子相同, 均在426和660 nm处有可见吸收峰, 致色离子均为Fe³⁺和Cu²⁺。 “水波纹”绿松石样品的谱学特征表明, 条纹处与非条纹处的颜色差异与致色离子没有明显关系, 而颜色及透明度差异与绿松石的结晶程度、 致密程度有主要关系, “水波纹”绿松石中绿松石结晶度的变化表明了绿松石形成环境的不稳定性, 结晶度的周期性变化表明了形成绿松石的外界环境具有周期性变化的规律, 为研究绿松石的颜色成因及绿松石的成矿环境提供数据支撑。

近期在玉石市场上出现了一种名为“天青冻”的蓝色蛇纹石玉, 为蛇纹石玉的一个新品种。 采用偏光显微镜、 扫描电子显微镜、 激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪和X射线粉晶衍射仪分析其结构特征、 化学和矿物组成, 并采用傅里叶变换红外光谱仪、 激光拉曼光谱仪和紫外-可见分光光度计对其谱学特征进行研究。 结果表明蛇纹石呈叶片状交织成毛毡状结构, 并含有菱面体状的杂质矿物白云石。 同时, X射线衍射谱2.53 ?(d₂₀₂), 1.56 ?(d₀₆₂)和1.54 ?(d₀₆₀)的特征衍射峰以及红外吸收光谱中3 673, 997和641 cm^-1的特征吸收峰表明其属叶蛇纹石, 1 098和1 086 cm^-1的特征拉曼峰指示了白云石和方解石的存在, 这与其形成于SiO₂热液交代白云岩的成矿环境相关。 化学分析表明蓝色蛇纹石玉中的Fe元素含量较其他常见蛇纹石玉低。 紫外可见吸收光谱中Fe²⁺→Fe³⁺电荷转移引起的强630 nm吸收带致其蓝色, Fe²⁺→Fe³⁺电荷转移引起的724 nm弱吸收带会导致其产生绿色调, 而由Fe²⁺和Fe³⁺自旋禁戒跃迁分别导致的537和488 nm弱吸收带对颜色影响较小。

The prickly pear fruit helps in combating viral based infections. It is used to treat diabetes and declared to possess hypoglycemic effects. There is also record of the usage of the fruit in the olden days as a remedy for diabetes, lipid disorders, inflammation, ulcers, and pharmacologic side effects. The chemical composition and nutritional values of skin, flesh and seed of prickly pear fruit were investigated and discussed on a dry weight situation. The infrared spectra as well as scanning electron microscopy (SEM) techniques were used to identify the functional groups of carbohydrates, amino acids, and protein. The infrared spectral data of all three (skin, flesh, and seeds) species were recorded and assigned to the presence of distinguish peaks that referred to the three different sugars (glucose, fructose and saccharose) and cyclic aliphatic hydrocarbons moieties. On the other hand, the SEM is a powerful tool to investigate the morphological features of the components. SEM assays were examined on the surfaces of skin, flesh and seed branches showing a small particle that tends to form clusters with different shapes compared to each other. The Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) is an analytical technique used for the elemental analysis or chemical characterization of a sample. The EDX spectral technique of the skin, flesh and seeds were confirmed the presence of different essential and useful elements such as carbon, oxygen, magnesium, calcium, potassium, sulfur, aluminum, silicon, chloride, and phosphorus.

Solid particles in Earth’s atmosphere, such as polystyrene beads, are an important factor affecting the processes of absorption and scattering of light in the atmosphere. These processes affect on the solar energy transfer in the Earth’s atmosphere, consequently they have influence on the regional and global climate changes and atmospheric visibility. In particular, great interest to study the scattering properties of small particles compared with wavelength, because of such particles experience low gravitational settlement and may have long time of life in the atmosphere. When scattering particle is much smaller than the wavelength of the scattered or absorbed light, this is the case of Rayleigh scattering. Scattering properties of these particles (such as intensity and the degree of linear polarization) at the Rayleigh scattering are simply derived from electromagnetic Maxwell’s equations. But when the particles are large enough to be comparable with the wavelength, the deviations from Rayleigh scattering law are observed. One of the clear manifestations of such deviations is the recently discovered quasi-Rayleigh polarization leap of monodisperse spherical particles. This quasi-Rayleigh polarization leap allows remote sensing of the sizes of distant particles, based on the spectral position of quasi-Rayleigh polarization leap at different phase angles of observation. In this paper, we studied the effect of the non-sphericity of a scattering polystyrene particle on the magnitude and position of the quasi-Rayleigh polarization leap. It is established that the non-sphericity shifts the position of the quasi-Rayleigh polarization leap shorter wavelengths. It is shown that for non-sphericity of particles makes the quasi-Rayleigh polarization leap becomes less pronounced. Moreover, it was found, that increasing of the phase angle and degree of non-sphericity shift the quasi-Rayleigh polarization leap position to shorter wavelength. However, in the case of not very elongated particles, the quasi-Rayleigh polarization leap is quite well manifested. Therefore, this method is suitable for remote sensing not only the size, but also the degree of non-sphericity of the scattering particles. A simple formula has been obtained for polystyrene beads that relates the degree of non-sphericity of a particle with the wavelength and phase angles at which the quasi-Rayleigh polarization leap is observed.

Te(Ⅳ), Se(Ⅳ), V(Ⅲ), Nb(Ⅴ) and Ta(Ⅴ) complexes of indole-3-acetic acid (IAAH) ligand were synthesized, characterized by elemental analysis and various spectroscopic techniques like, IR, ¹H-NMR, X-ray powder diffraction, UV-Visible, thermogravimetry analysis, magnetic measurements, molar conductance and surface morphology using SEM. All the synthesized complexes of IAAH ligand have 1∶2 stoichiometry of the types [Te(IAA)₂(NH₃)₂]·2Cl (Ⅰ), [Se(IAA)₂(NH₃)₂]·2Cl (Ⅱ), [V(IAA)₂(NH₃)(Cl)] (Ⅲ), [Nb(IAA)₂(Cl)₃] (Ⅳ), and [Ta(IAA)₂(Cl)₃] (Ⅴ). Spectral analysis indicates octahedral geometry for the Te(Ⅳ), Se(Ⅳ) and V(Ⅲ) complexes, whereas both Nb(Ⅴ) and Ta(Ⅴ) have a seven-coordination. The bonding sites are the oxygen atoms of carboxylate group for the deprotonated indole-3-acetic acid (IAA) ligand. The thermogravimetry analysis studies gave evidence for the presence of other coordinated molecules (Cl or NH₃) in the composition of IAA complexes, which were further supported by IR and micro analytical measurements. The higher molar conductance data of tellurium and selenium (Ⅳ) complexes reveal that these chelates are electrolytes, while low conductivity values for the vanadium(Ⅲ), niobium and tantalum(Ⅴ) chelates indicated a non-electrolytes. To test the antibacterial property of the five complexes in this study, four bacterial strains Klebsiella (G^-), Escherichia coli (G^-), Staphylococcus aureus (G⁺) and Staphylococcus epidermidis (G⁺) were used in the investigation. The effects of the five complexes in the cytotoxicity of Caco-2 and Mcf-7 human cancer cell lines were studied Neutral red uptake assay for the estimation of cell viability/cytotoxicity protocol.