1 太原科技大学 应用科学学院，山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心， 山西省光场调控与融合应用技术创新中心，山西太原030024
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏徐州1116
为了实现煤热解过程中痕量乙烯（C2H4）标识气体的在线识别与检测，结合波长调制与长光程技术，搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源，有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池，利用SR830进行波长解调，通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器，利用高纯氮气稀释乙烯配比，制备得到10×10-6到90×10-6的标准乙烯样气，其线性拟合的相关系数R2为0.998 9；对浓度为20×10-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析，实验结果表明，检测极限为121×10-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律，控制气体流速为150 mL/min，分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现，当温度小于500 ℃时，3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致，当温度在500~700 ℃时，氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体，但空气中乙烯释放的增速最快，最大释放量约为40×10-6，温度高于700 ℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 乙烯 Allan方差 波长调制 煤热解 tunable diode laser absorption spectroscopy ethylene allan variance wavelength modulation
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心, 山西 太原 030024
基于相关一致aug-cc-pV6Z基组, 采用高精度多参考组态相互作用 (MRCI) 的方法, 计算了BX (X = H, D) 分子两个最低解离极限 B(2Pu)+X(2Sg) 和B(4Pg)+X(2Sg) 所对应的8个Λ-S态 (X1Σ+, a3Π, A1Π, 13Σ+, b3Σ-, 23Π, 15Σ-和15Π) 的势能曲线。求解径向薛定谔方程并利用LEVEL8.0程序拟合出分子的Λ-S束缚态光谱常数。计算了A1Π-X1Σ+ 的跃迁偶极矩、Franck-Condon因子和振动能级辐射寿命。根据计算结果, 制定了电子跃迁系统的激光冷却方案, 为进一步研究BX (X = H, D) 分子光谱特性奠定了理论基础。
光谱学 辐射寿命 多参考组态相互作用方法 激光冷却 spectroscopy radiative lifetimes multiconfiguration-reference configuration interaction method laser cooling
1 太原科技大学 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心, 山西 太原 030024
2 太原科技大学 环境与安全学院, 山西 太原 030024
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所环, 安徽 合肥 230031
氨气排放会对环境以及人体健康造成危害，因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池，实现了近3000 m的光程，将中心波长为1528 nm的分布反馈式激光器（DFB）调谐至6548.611 cm−1和6548.798 cm−1附近，在常温18.6 kPa的气压下对1×10−5~5×10−5范围内NH3进行了检测。测量结果表明NH3浓度与信号幅值的线性拟合度R2可达0.99979。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10−9，在103 s时系统的最低检测极限可达7×10−9（S/N~1）。实验结果表明，该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度，满足对氨气高精度检测的需求，本文研究为国内自主研发痕量气体高精度检测设备提供了技术经验。
离轴积分腔输出光谱 氨气 高精度检测 Off-axis integrated cavity output spectroscopy NH3 High-precision detection
1 太原科技大学, 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心, 应用科学学院, 山西 太原 030024
2 山西瑞豪生物科技有限公司, 山西 太原 030025
目前, 核酸检测已成为了我国新型冠状病毒感染确诊的“金标准”, 然而核酸检测在检测过程中受到病程、 标本采集、 检测过程、 检测试剂等因素的影响, 容易出现检测结果“假阴性”而漏诊的情况。 检测血清中的新型冠状病毒特异性IgM和IgG抗体已作为新冠病毒检测的辅助手段, 可以用来弥补核酸检测的“假阴性”短板, 提高检测阳性率。 论文介绍了一种成本低的便携式新冠IgM和IgG抗体定量检测仪。 检测仪由CPU信号处理模块、 光源驱动模块、 多光谱探测模块、 电源模块、 显示存储和通信模块等组成。 采用荧光免疫层析技术使待测样本中的IgM和IgG抗体与量子点相结合, 并将其截留在试纸条的T线。 方波调制后的光源驱动模块驱动紫外LED, 其出射紫外光通过一种屋脊形的光学系统垂直照射在免疫荧光层析试纸条的T线和C线上, 量子点标记物被光源激发辐射出红色荧光, 红色荧光透过窄带滤光片后被多光谱探测模块所捕获； 多光谱信号在CPU中进行FFT变换得到其频谱特征量, 利用信号波段和参考波段的特征量的比值进行归一化处理消除背景和环境干扰信号计算得到荧光强度, 根据标定系数, 从而确定IgM和IgG抗体的含量。 最终检测结果显示到UI界面上同时上传到服务器数据库中, 可通过计算机端进行远程查询实现数据共享和信息化管理。 采用正常人血清样本作为测量试剂, 进行了重复性实验, 实验表明, CV值在0～8.30%之间, 其中T线的CV值仅为3.45%。 将含有IgG与IgM抗体的溶液, 利用梯度稀释法得到一系列不同质量浓度的样品溶液进行线性度实验, 采用线性度最小二乘法对检测结果进行曲线拟合, 拟合系数为0.997 5。 最后, 通过新冠疫苗血清抗体检测的实验表明, 检测仪的阳性检出率为75%。 该检测仪结构精巧、 功耗低、 操作简便、 性能良好, 可作为辅助手段有效提高新型冠状病毒感染的阳性检出率。
新型冠状病毒 多光谱探测 光谱分析 量子点 抗体定量检测 SARS-Cov-2 Multi-spectral detection Spectral analysis Quantum dots Antibody quantitative detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1012
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 山西瑞豪生物科技有限公司, 山西 太原 030025
针对目前市面上的干眼诊断设备有诸如成本高、体积大和由于使用帧差法导致检测结果准确度不高等一些问题, 本文设计了基于近红外图像诊断干眼的便携式设备。该设备使用基于近红外成像的 Windows计算机进行检测, 便于携带, 可用于检测泪膜破裂时间(tear film break-up time, TBUT)、睑板腺(meibomian gland, MG)与泪河高度(tear meniscus height, TMH)等干眼症状。采用分形盒维数法检测 TBUT, 避免帧差法检测不准确; 通过近红外(850 nm)补光成像技术检测 MG, 采用对比度受限自适应直方图均衡(contrast-limited adaptive histogram equalization, CLAHE)算法处理, 将腺体区域突出, 能够更加准确地检测面积缺失率。为了验证该仪器检测结果准确性, 使用 50组测试样本进行验证性实验, 实验结果与意大利的 CSO Antares(安达斯)仪器和 SBM公司的 ICP OSA等的检测结果进行对比。该设备的 TBUT和 TMH检测的结果与两个对照组结果的相关系数为 P<0.05, 检测的结果一致性较好; MG的检测正确率为 86%, 特异度为 84%。实验结果表明, 该设备可作为干眼症的筛查和诊断设备用于眼科医院和视觉光学中心。
干眼症 近红外图像处理 非侵入式泪膜破裂时间 睑板腺诊断 分形盒维数 dry eye symptom, near-infrared image process, noni
太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
采用高精度从头算方法对 I+2 离子最小的四个 Ω 子 态 (X2Π3/2,g, X2Π1/2,g, A2Π3/2,u 和 A2Π1/2,u) 进行了研究, 并与实验获得的高分辨率吸收光谱进行了比较。首先利用多参考组态相互作用 (MRCI) 方法计算了四个 Ω 电子态的势能曲线, 求解了一维径向薛定谔方程, 并推导出各电子态的振动-转动能级。随后利用拟合获得的相应光谱参数和计算得到的跃迁偶极矩矩阵元, 计算了 A2Π3/2,u-X2Π3/2,g 系统的 υ'=11-19 和 υ''=1-5 的 45 个带的跃迁强度, 并计算了 A2Π3/2,u 态的 υ'=11-19 振动能级的辐射寿命。 最后, 计算给出了 I+2 的 A2Π1/2,u?Ω 子态的较高振动能级的预解离寿命, 并讨论了其预离解机理。
光谱学 势能曲线 爱因斯坦 A 系数 谱线强度 预解离 spectroscopy potential energy curve Einstein A coefficients line strength predissociation
太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
基于多光程吸收池的可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 系统在检测过程中容易出现噪声干扰, 影响着其实际检测性能。针对这种干扰的特征进行分析, 提出利用小波降噪法来改善 TDLAS 系统的探测性能。首先依据理论研究结果选择合适的小波函数和分解层数, 然后通过这种小波对叠加干扰的仿真信号进行滤波, 结果表明这种降噪技术具有良好的去噪效果。最后利用小波降噪技术处理了实验采集的不同浓度气体的直接吸收光谱 (DAS) 和二次谐波信号, 相比于原信号, 降噪后信号的信噪比从 0.4 增加到 259, 系统的检测限也达到 7×10-6, 表明小波降噪方法在气体光谱检测中具有较高的应用价值。
可调谐半导体激光吸收光谱 信号处理 小波降噪 tunable diode laser absorption spectroscopy signal processing wavelet denoising 大气与环境光学学报
2022, 17(3): 328
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 太原科技大学材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
山西是青铜文物的出土大省, 也是早期青铜器铸造重要区域, 但出土的青铜文物大多受到严重的腐蚀。较传统化学清洗和机械清洗法相比, 激光清洗法因具有高能量、短时间、不损害基底、绿色环保等优势, 已成为传统清洗方法的补充和延伸。首先, 利用脉冲激光清洗技术针对铜币表面的锈迹污染物进行了清洗试验研究, 通过优化激光脉冲能量、光斑大小、重复次数等参数对待清洗样品进行激光清洗对比试验, 得到最佳的清洗能量阈值为105 mJ。其次, 基于激光诱导击穿光谱技术, 使用Nd：YAG脉冲激光器产生的高能量脉冲激光束作用于铜币样品表面产生等离子体, 分析了激光清洗过程中等离子体的特定谱线强度与激光清洗效果的一般变化规律, 通过分析对比等离子体的谱线变化特征对激光清洗效果进行了评价。最后, 选用最佳激光清洗参数对铜币样品进行整体清洗, 最终得到了清晰的纹理。试验表明, 脉冲激光清洗具有时间短、不损伤基底、效果好等优点, 在青铜器文物的保护工作中的具有一定的应用价值。Breakdown Spectroscopy
激光清洗 文物保护 激光诱导击穿光谱 铜币 等离子体 laser cleaning cultural relic conservation laser-induced breakdown spectroscopy copper coin plasm
太原科技大学应用科学学院物理系, 山西 太原 030024
二氧化硫 (SO2) 和三氧化硫 (SO3) 是工业废气排放中的重要物质, 对环境和人体健康危害很大, 但对于他们在排放过程中的原位-在线测量一直是个挑战。采用可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术, 基于 7.16 μm 量子级联激光器 (QCL) 对 SO2 和 SO3 进行同时检测, 通过波长调制光谱技术提高测量系统的灵敏度和鲁棒性。在高温低压条件下采用单光程-小体积的气体吸收池利用 TDLAS 同时测量 SO2 和 SO3 的吸收谱线, 测量的 SO2 和 SO3 的吸收光谱充分分离, 从而确保了测量的准确性。同时, 修正了温度变化对 SO2 气体浓度测量的影响, 并提出了用已知浓度的 SO2 来定标未知浓度的 SO3 气体。Allan 方差分析表明, 在 34 s 的积分时间内, SO2 的最小检测限达到了1.98×10-6 cm3·cm-3, SO3 可探测的最低浓度为 1.575 ×10-6 cm3·cm-3。 系统的上升响应时间约为 16 s, 下降响应时间约为 18 s。
二氧化硫 三氧化硫 可调谐二极管激光吸收光谱技术 量子级联激光器 SO2 SO3 tunable diode laser absorption spectroscopy quantum cascade laser 大气与环境光学学报
2021, 16(5): 424
1 太原科技大学 应用科学学院 太原 030024
2 江西中医药大学 现代中药制剂教育部重点实验室, 南昌 330004
为了实现中药浊度在线精确测量, 采用频谱分析法, 将样品透射光和散射光信号的频谱特征与浊度之间建立联系, 研究了一种低成本中药浊度在线传感器。将近红外发光二极管作为传感器的光源, 通过FDS100光电二极管进行光电信号转换, 经跨阻放大器和低通滤波器处理后由模数转换器转为数字信号, 采用STM32F405单片机进行快速傅里叶变换和浊度反演；应用梯度稀释法制备了16组0NTU~1000NTU的福尔马肼标准浊度液对传感器做标定与验证实验, 并测试了当归精油浊度的线性度。结果表明, 透射和散射信号的3次谐波、5次谐波分量的幅值比值与浊度的线性拟合相关系数各为0.9883和0.9946；传感器的最小误差为0.471%, 最大误差为3.768%；当归精油浊度的线性拟合度为0.99176, 达到了精油提取、浓缩及干燥的实时在线测量需求。该传感器在中药的制造加工和质量监测中具有一定的应用价值。
信号处理 中药浊度传感器 频谱分析 方波激励 吸收光谱 signal processing turbidity sensor for TCM spectrum analysis square excitation absorption spectrum
