贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550018
酒精浓度的非接触式测量是一种新型的测量方法。对一些特殊行业有着很大的帮助，比如酿酒业测量酒的酒精浓度，工业上生产工业酒精等。为了便于测量不能接触的酒精溶液，文中设计了一种基于近红外吸收光谱特性的酒精浓度测量系统，可以对不同浓度的酒精溶液进行非接触式连续测量。对于酒精来说，在1300~1 350 nm的光谱段浓度定性反应非常明显，使用处于该波段的红外LED发光二极管，加上光电二极管、模数转换芯片、单片机和LCD屏幕组成该系统。通过使用该系统对不同浓度的酒精进行测量，利用最小二乘法找到酒精浓度和电压信号之间的函数关系式。这样就能通过测量电压值来反推出酒精浓度值。实验表明，在该红外波段下，采集到的电压值和酒精浓度之间有良好的二次函数关系，拟合优度达到了0.99946。测量结果显示，测量值和标准值之间的相关系数R为0.999911，平均绝对误差为0.64。与传统酒精计的0.5相差不大，重复测量和连续测量的方差分别为0.0044和0.0056，证明了该装置的稳定性和可靠性符合预期。而且通过优化电路和程序，选择更为精确的酒精计作为标准，可以使误差更小。该方案相比传统测量方法结构简单，速度更快，还可以进行连续测量。在现实生活中，制酒业、医疗行业和工业生产等行业都对于测量酒精浓度有着很高的需求。该装置可以在不损坏产品的情况下进行酒精浓度测量，它的连续检测能力对某些行业的批量生产有着很大的帮助。通过改良，可以实现自动化检测。除了企业生产，也可用于制造日常使用的便携式酒精浓度测量仪。
酒精浓度测量 近红外吸收光谱特性 非接触测量 光电二极管 红外LED光源 measurement of ethanol concentration near infrared spectrometry characteristics non-contact measurement photodiode infrared LED light source 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230510
1 中国海洋大学物理与光电工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国海洋大学电子信息工程学院, 山东 青岛 266100
拉曼光谱检测技术具有快速、 高效、 无需样品预处理和非接触检测等独特优势, 是实现大批量样品高通量无损在线检测的理想方法, 同时也是实现白酒产品中乙醇浓度快速筛检的适宜手段。 然而与纯水溶液不同, 在激发光激励下大部分白酒的光谱中除了乙醇和水的拉曼特征峰外, 还存在明显的本底荧光干扰, 给酒精度检测精度带来负面影响。 因此, 基于拉曼特征峰峰强比值法检测乙醇浓度, 在进行数据处理前需人为选取进行荧光本底拟合的数据点, 主观性强, 数据处理效率低, 难以充分满足高通量样品在线筛检的技术需求。 针对上述问题, 基于自主搭建的激光偏振拉曼光谱检测系统, 对不同偏振角度线偏振光激发下四种白酒样品的拉曼特征峰和荧光本底干扰的偏振特性开展了详细研究, 并根据二者间的偏振特征差异提出了偏振拉曼光谱辅助的白酒乙醇浓度快速检测方法。 实验结果表明, 在差分偏振拉曼光谱的辅助下, 三次多项式拟合的相关系数超过0.99, 可实现3%~97%vol范围内乙醇浓度的准确反演, 且四种白酒样品乙醇浓度的反演精度明显高于传统方法, 显著提升了白酒酒精度检测的效率和精度。
拉曼光谱 乙醇浓度 偏振 回归 定量检测 Raman spectroscopy Ethanol concentration Polarization Regression Quantitative detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2768
哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨 150000
溶剂交换法广泛应用于水泥基材料的干燥和终止水化中。本文综述了溶剂交换对水泥浆体显微结构的影响。阐述了交换参数(样品尺寸、液-固比、交换时间和去除方法)的选取原则。重点论述了常见交换溶剂(异丙醇、丙酮、甲醇和乙醇)与水泥水化产物(氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石)之间存在的物理化学反应。在交换参数和溶剂的影响下，对比分析了水泥基材料的孔结构参数(孔隙率和孔径分布)。最后提出了溶剂交换方法目前存在的问题及研究展望。
溶剂交换 异丙醇 丙酮 甲醇 乙醇 微结构 solvent exchange isopropanol acetone methanol ethanol microstructure
1 1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院, 包头 014010
2 2.内蒙古科技大学 内蒙古自治区先进陶瓷材料与器件重点实验室, 包头 014010
3 3.内蒙古科技大学 轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室, 包头 014010
4 4.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072
直接乙醇燃料电池(DEFC)具有燃料易得、绿色高效的优点, 得到了广泛的研究, 但是DEFC催化剂存在催化效率低、稳定性差的问题, 制约了其快速发展。本研究采用液相水热合成法, 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP k-25)为分散剂和还原剂、甘氨酸为表面控制剂和共还原剂, 通过调控Pt-Co金属前驱体的摩尔比, 一步制备了XC-72R炭黑负载的Pt1Cox/C高指数晶面纳米催化剂, 实现了催化剂晶粒在碳载体上的原位生长。Pt1Co1/3/C纳米催化剂暴露的高指数晶面主要包括(410)、(510)和(610)晶面。在晶体生长过程中, Pt1Co1/3/C纳米催化剂晶粒由“类球体”转变立方块, 最终得到具有高指数晶面取向的内凹形貌。Pt1Co1/3/C高指数晶面纳米催化剂的电催化活性最高, 其电化学活性表面积为18.46 m2/g, 对乙醇氧化峰电流密度为48.70 mA/cm2, 稳态电流密度为8.29 mA/cm2, CO氧化峰的电位为0.610 V。这说明具有高指数晶面的催化剂表面存在的台阶、扭结等缺陷原子, 可增加活性位点, 进而显示出优异的电催化性能。本研究可为高指数晶面催化剂材料的开发及工业化应用提供理论依据。
水热法 Pt-Co催化剂 高指数晶面 原位生长 直接乙醇燃料电池 hydrothermal method Pt-Co catalyst high index crystal plane in-situ growth direct ethanol fuel cell
1 华北电力大学 电气与电子工程学院，保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，保定 071003
为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.050 7×10-5/℃，在1 550 nm处可获得5.96×10-2的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0~75 ℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃，与现有典型Sagnac型温度传感器相比，本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。
光子晶体光纤 Sagnac型温度传感器 双折射 温度灵敏度 乙醇填充 Photonic crystal fiber Sagnac temperature sensor Birefringence Temperature sensitivity Ethanol filling
浙江科技学院理学院应用物理系, 杭州 310023
酒精中低浓度甲醇和乙醇的精准检测是十分重要的。低频拉曼散射是研究液相分子间相互作用最有效的方法之一。本文采用新型超低频拉曼光谱, 对不同浓度的乙醇以及乙醇-甲醇混合液进行研究。实验发现, 不同浓度下乙醇溶液在78 cm-1和170 cm-1存在两个特征峰, 不同浓度下乙醇-甲醇混合液在85 cm-1和178 cm-1存在两个特征峰。其中, 78 cm-1特征峰是由于OH-O伸缩振动引起的, 178 cm-1特征峰是由于OH-O面内弯曲振动引起的, 85 cm-1和170 cm-1两个峰是由C-OH的伸缩振动引起的。同时, 我们发现了以上超低频特征峰频率与乙醇以及乙醇-甲醇混合液浓度的依赖关系, 能够为较低浓度的乙醇和甲醇溶液精确指认提供可借鉴的实验思路和依据。
超低频拉曼光谱 乙醇 甲醇 Ultra-low frequency Raman spectroscopy Ethanol Methanol
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220275
武汉科技大学资源与环境工程学院，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，武汉 430081
二氧化硅(SiO2)膜因其耐高温且孔径可调在分离纯化领域得到了广泛关注，但其表面的无定型结构导致渗透性与选择性相互制约，影响分离效果。以二氧化硅膜为基膜，金属有机框架材料(ZIF-8)对其进行修饰改性，制得SiO2@ZIF-8复合膜，探究了ZIF-8合成条件、ZIF-8添加量及原料液温度对复合膜乙醇渗透汽化脱水性能的影响。结果表明：ZIF-8规则的孔道结构提供了额外的水分子传输通道，复合膜的渗透侧含水率可达99.5%，渗透通量提高至9.6 kg/(m2·h)，分离因子为1 973。采用Arrhenius方程对改性前后膜的渗透通量与温度的关系进行拟合，发现复合膜在渗透汽化过程中水分子的表观活化能更高，随着温度升高水通量增加的更快，分离效果更好。SiO2@ZIF-8复合膜有效改善了无定型网状结构的缺陷，在渗透汽化有机溶剂脱水方面具有广阔的应用前景。
二氧化硅 金属有机框架材料 复合膜 渗透汽化 乙醇脱水 silicon dioxide metal organic framework material composite membrane pervaporation ethanol dehydration
1 广西师范大学物理与技术学院，广西 桂林 541004
2 广西科学院生物科学与技术研究中心，广西 南宁 530007
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
应用拉曼镊子采集了3个酵母菌株在乙醇发酵不同时段的单细胞光谱，并利用多元曲线分辨-交替最小二乘(MCR-ALS)方法对光谱数据进行挖掘，以提取与特定生物分子相关的光谱曲线，了解不同酵母菌株的乙醇发酵代谢差异与适应机制。结果发现：工业菌株Bp1的发酵性能最好，实验室菌株INVSc1次之，而W303a菌株最差；MCR-ALS可从3个菌株中分别解析得到5个、5个和3个代表不同类型的生物大分子光谱曲线；Bp1菌株会增加麦角甾醇的含量和三酰基甘油的积累，以赋予细胞更高的乙醇耐受性；同时，不同生物大分子在Bp1细胞间的含量相对均一，而INVSc1和W303a菌株的胞间异质性比较大，显示出细胞异质性对菌株的发酵性能和发酵效率有重要的影响。拉曼光谱结合MCR-ALS，可以作为一个简单而强大的工具，用于快速分析酵母细胞在发酵过程中的代谢变化，进一步了解酵母细胞的抗逆机制。
生物光学 拉曼光谱 多元曲线分辨-交替最小二乘法 乙醇发酵 异质性 单细胞分析 中国激光
2022, 49(15): 1507406
山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000
为了减小激光切割硅晶圆时的热效应，选择去离子水作为辅助液体进行激光切割实验，研究了水下切割时激光烧蚀激发气泡对硅片表面造成的不良影响。为解决水下激光切割进程中诱导气泡大面积粘结在硅片表面的问题，提出了去离子水混入乙醇溶液的实验方案，分析了水下激光切割中激光参数和乙醇浓度对切割质量的影响。实验结果表明，采用乙醇溶液作为辅助介质能明显减少粘结气泡的数量，减轻气泡破溃冲击带来的负面影响。实验采用乙醇浓度5 wt.%时切割得到的硅片比纯水中切割得到的硅表面影响区减小50%以上、切缝宽减幅约20%，有效提升了激光切割质量。
激光切割 硅 乙醇 气泡 表面质量 laser dicing silicon ethanol bubbles surface quality 红外与激光工程
2022, 51(4): 20210333
