合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础，但当成像目标的尺寸小于波长时，标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此，本团队在高斯光束照明条件下，以更为严格的耦合波理论为基础，分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像，分析了光栅有界情况下，模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率，并认为其仅与波长有关，可分辨的光栅周期最小为λ/2，线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。

三维荧光光谱(3DEEM)是表征大气颗粒物中水溶性有机物(WSOC)化学组成与官能团的有效工具, 目前所报道的应用3DEEM分析WSOC仅局限于荧光强度及其指标研究。 由于大气颗粒物pH值变化范围大(0~9), WSOC形成、 传输和转化过程易受pH值的影响。 因此, 研究pH值对WSOC荧光特性的影响, 对于加深了解WSOC的环境效应以及化学结构组成具有重要意义, 然而关于pH值对大气颗粒物中WSOC荧光特性影响的研究还未见报道。 在此基础上, 采用三维荧光光谱研究北京市大气细粒子中WSOC荧光特征, 并着重考察WSOC在不同pH值(2~8)条件下荧光光谱特征的变化情况。 研究表明, 大气细粒子中WSOC荧光主要成分包括类腐殖质、 类色氨酸和新生成有机物质。 进一步研究发现, WSOC荧光峰位置、 荧光强度和荧光指数对pH取值敏感。 WSOC荧光强度在pH值为3左右时达到最大值, 推测是羧基质子化达到最强的结果, 然而, 当pH值大于3时, 荧光强度变化则呈现相反趋势, 随pH值增大明显下降, 可能是由于分子间与分子内的氢键作用增强造成的。 另外, 夏季WSOC类色氨酸荧光峰随pH值升高略有红移现象, 表明分子结构中苯环增多, 共轭度增加。 相对于其他荧光物质, 类腐殖质受溶液pH值影响更显著。 通过对pH值与荧光指标进行相关性分析发现, WSOC荧光基团结构具有季节性差异。 pH值与自生源指数(BIX)呈显著负相关性, 随pH值的增大明显下降。 而pH值与Peak T/C(荧光峰T与荧光峰C的荧光强度比值)呈显著正相关性(p<0.01), 随pH值的增大明显升高, 说明低pH值不利于有机物的生物降解。 腐殖化指数(HIX)和荧光指数(FI)随pH值增大先升高后降低, 其值变化范围分别为1.6~3.64和0.8~1.94。 通过对三维荧光光谱分析发现pH值是影响WSOC荧光特性的一个重要因素, 在表征WSOC光学特性或其他性质时, 还应考虑pH值对WSOC的影响。

超分辨荧光成像实验的分辨率和成像质量与实验过程中收集到的荧光分子光子数和背景噪声有着密切的关系。为了实现低光子数、高背景光下的快速超分辨荧光显微成像,利用所提卷积神经网络算法实现了对极低信噪比信号的恢复,并结合重构网络进行了超分辨成像。结果表明:利用该方法可以实现荧光信号在低信噪比下的有效恢复,峰值信噪比可达27 dB,明显优于同类的其他两种算法。该方法还可以配合Deep-STORM重构网络在低信噪比下实现快速的超分辨成像。重构结果的归一化均方误差为7.5%,分辨率相较其他算法有明显提升。实验条件下的重构结果验证了该方法的能力,为弱信号下的荧光快速超分辨成像提供了可行方案。

利用表面增强拉曼散射(SERS)技术可增强金属表面某些位置(热点)的电场强度。选定Ag纳米颗粒二聚体这一金属纳米结构体系,研究其作为超分辨SERS成像基底的可行性。采用时域有限差分(FDTD)法,计算分析Ag纳米颗粒二聚体在不同波长和偏振方向的激发光作用下的电场分布特点。结果表明:Ag二聚体的电场分布具有高度局域化的特点,并且Ag二聚体中热点的电场强度可由激发光的偏振方向调控,这使其可以作为实现超分辨SERS成像的基底。

污水再生利用是解决水资源短缺问题的有效对策。 纳滤技术由于能够生产高质量的再生水, 成为污水深度处理、 再生利用的有效方法之一。 然而, 在纳滤过程中存在复杂的、 动态的膜污染现象, 会导致产水通量、 产水质量下降等问题。 研究膜污染动态发展的行为, 对于膜污染的分阶段针对性控制具有重要意义。 有机物是污染层动态发展过程的重要指示性成分, 红外光谱是表征污染层发展过程中表面有机物官能团变化情况的重要手段。 但由于红外光谱中峰的数量多, 系列样品之间峰强度的差别较小(尤其是当膜污染过程中的采样间隔较小时) , 利用直观观察不易甄别不同样品间的谱图差异及其变化趋势, 在此水平上难以对膜污染阶段进行准确识别、 对各阶段特征进行有说服力的分类概括。 为探索膜污染的动态发展过程, 本研究将傅里叶变换红外光谱与统计学聚类分析相结合, 对膜污染过程中不同时间点的膜样本进行红外光谱分析, 再对红外光谱数据进行一系列预处理和系统聚类分析, 从而客观解读膜污染动态发展过程中系列样品红外光谱分阶段变化规律。 考虑到类别间距离度量方法、 红外吸收峰强度标准化、 峰之间自相关性、 峰与样本之间交互作用等因素的影响, 研究采用对应分析对红外数据进行预处理, 提取各样本在主要维度上的得分, 随后基于标准化欧式距离对各样本进行聚类。 在为期一个月的城市污水深度处理纳滤试验过程中, 由于污染物在膜表面累积, 纳滤膜发生了较为严重的污染。 通过对13个不同时间点的膜样本进行红外光谱聚类发现, 膜污染可清晰划分为如下阶段: 空白膜、 阶段Ⅰ(3 h～8 d) 、 阶段Ⅱ(10～15 d) 和阶段Ⅲ(20～30 d) 。 采用红外聚类, 得到膜表面X射线光电子能谱(XPS) 和三磷酸腺苷(ATP) 含量分析等方法的交互验证。 结果表明, 随着膜污染的发展, 膜表面有机物成分与共存微生物量发生协同变化, 各阶段大致特征为: 阶段Ⅰ各类有机污染物初步覆盖, 微生物开始富集; 阶段Ⅱ多糖类污染物比例上升, 微生物的富集趋于稳定; 阶段Ⅲ整体污染趋于成熟, 有机污染物氢键特征更加明显。 该研究通过对红外数据进行聚类分析, 能够灵敏地探测各红外图谱之间的差别, 有助于对红外光谱规律的深度挖掘, 为膜污染阶段的识别和划分提供了一种客观、 自动、 可量化的辅助性方法, 并且有助于归纳出不同阶段的污染层特征, 可作为膜污染时序特征的侦查手段。 此外, 除了膜污染的研究, 在材料、 吸附等领域, 只要有一系列变化的红外光谱, 均可尝试采用红外光谱聚类分析方法, 获取基于红外特征的定类信息或分阶段规律。

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。

利用31P-NMR研究了生物除磷污泥胞外多聚物(EPS)的含磷形态,并对检测方法中的影响因素进行了分析。研究发现,测定的三种污泥EPS中磷的形态有五种,磷酸盐、磷单脂、DNA磷、聚磷末端、焦磷酸盐和聚磷。具有除磷能力的A/A/O和A/A/O-MBR污泥其EPS中主要含的是聚磷,证明了EPS中含磷不仅是依靠吸附磷酸盐或生物聚磷过程磷酸盐的滞留,而且EPS本身可能也参与了生物聚磷过程。同时实验证明,EPS提取过程会对EPS含磷形态产生影响,但提取时间在1h内时影响较小;EPS在储存前需要进行中和,从而避免储存过程不同磷形态之间的转化。EPS含磷形态的31P-NMR测定过程中,EPS样品的pH值对峰的分离和各峰化学位移的稳定性有较大影响,需要控制样品pH>13.0以确保测定过程的准确性。