硬水铝石是珠宝市场上流行的彩色宝石, 因其具有独特的变色效应（日光下呈现棕黄绿色, 白炽灯下呈现紫红色）而被广大消费者欢迎。 研究硬水铝石的变色成因对于宝石的切割加工、 优化处理以及价值评估有着重要意义。 目前硬水铝石的变色成因研究较少, 考虑到硬水铝石的化学成分和晶体结构与刚玉类似, 刚玉的颜色成因理论研究较为成熟, 因此, 为研究硬水铝石的变色成因, 本文选取与硬水铝石变色效应非常相近的变色刚玉, 从二者的微量元素、 紫外-可见光光谱与晶体结构等方面进行对比研究。 运用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测试了样品的微量元素, 根据测试结果, 硬水铝石样品中致色元素主要有Fe、 Cr、 V、 Ti, 刚玉样品中致色元素主要有Mg、 Ti、 Fe、 V、 Cr, 二者的微量元素种类相似, 但含量有差异。 运用紫外-可见光光谱与偏振紫外-可见光光谱表征了变色硬水铝石与变色刚玉在可见光区的吸收特征, 发现硬水铝石中存在位于387、 398、 438和448 nm处的吸收峰以及中心位于572 nm左右的宽缓吸收带, 正是这一宽缓吸收带导致了变色效应, 与之对应的, 变色刚玉中存在位于377、 388和450 nm处的吸收峰以及中心位于560 nm左右的宽缓吸收带。 二者在可见光区的吸收特征非常类似。 有差异的是, 变色刚玉的560 nm吸收带不存在明显的偏振性, 而硬水铝石的572 nm吸收带存在偏振性, 晶体中电荷转移导致的吸收特征往往具有偏振性。 通过二者晶体结构的对比分析与刚玉中的电荷补偿理论分析, 推测硬水铝石中398 nm吸收峰由Fe3+导致, 387、 438和448 nm吸收峰由Fe3+-Fe3+离子对导致, 572 nm处的宽缓吸收由Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对产生。 硬水铝石的变色效应是在Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对的综合作用下产生的。 本研究通过类比变色效应相近的刚玉, 研究了硬水铝石的变色成因, 为研究宝石中的类似问题提供了新思路。

快速、 有效地识别饮用水中污染物类别对于降低突发饮用水污染事件影响十分重要。 目前基于紫外-可见光光谱法的饮用水污染物判别模型大多使用主成分分析(PCA)进行特征提取, 然而, 对于光谱相似度较高的有机污染物, 仅从数据驱动的角度提取其方差最大的方向作为特征进行识别效果往往不佳。 针对有机污染物光谱数据多重共线性以及谱峰重叠干扰的问题, 开展了基于连续投影算法(SPA)和多分类支持向量机(M-SVM)的紫外-可见光光谱饮用水有机污染物判别方法研究。 首先, 使用紫外光谱仪测量苯酚、 对苯二酚、 间苯二酚和间苯二胺的原始光谱数据并进行预处理, 在对四种污染物进行了波长与浓度的相关关系对比分析后, 发现苯酚和间苯二酚、 对苯二酚和间苯二胺的谱峰重叠较为严重； 特征提取时, 引入SPA筛选有机污染物紫外-可见光光谱数据的特征波长组合, 并对不同波长个数时的光谱吸光度进行多元线性回归分析, 选取对应最小预测标准偏差的参数及波段组合作为最优参数组合； 基于最优特征波长组合, 构建基于多分类SVM的饮用水有机污染物分类识别模型； 最后, 对比分析了全光谱、 PCA及SPA特征提取后的光谱数据在不同分类方法及不同污染物浓度下的分类效果, 进一步说明了SPA的适用性和稳定性。 实验结果表明, SPA作为一种提取光谱数据原始特征波段的方法, 可以有效的对有机污染物的紫外-可见光光谱进行特征提取, 提升不同物质之间的差异, 在一定程度上消除多重共线性和谱峰重叠干扰, 从而提高分类模型的准确率。 该方法对于解决饮用水中谱峰重叠的污染物类型判别问题具有参考价值。

坦桑尼亚Umba出产颜色丰富的刚玉, 该研究对象是一颗来自Umba的具有特殊变色效应的蓝宝石, D65光源(色温6 500 K)下呈现淡黄色, A光源(色温2 856 K)下呈现淡紫红色。 为了研究这颗变色蓝宝石紫外-可见光光谱中的谱峰归属与变色成因, 该研究使用电荷补偿理论来分析此样品紫外-可见光光谱中的谱峰归属。 采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对这颗变色蓝宝石进行了测试。 结果发现, 变色蓝宝石紫外-可见光光谱中存在位于377, 388和450 nm处的3个吸收峰和1个以560 nm为中心的宽缓吸收带。 样品的颜色主要受450 nm处吸收峰和以560 nm为中心的吸收带影响, 其中以560 nm为中心的吸收带造成了这颗蓝宝石的变色效应。 根据激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪的测试结果, 样品中主要杂质元素有Fe, Ti, Cr, V和Mg等。 样品紫外-可见光光谱中377, 388和450 nm处的吸收峰是由Fe3+导致。 蓝宝石中的Cr3+, V3+, Fe2+-Ti4+对都可以在560 nm附近产生吸收, 结合电荷补偿理论分析, 刚玉中的Mg2+会优先和Ti4+进行电荷补偿, 样品中Mg含量要稍微高于Ti, 推测样品中几乎所有Ti4+会与Mg2+进行电荷补偿, 因此样品中几乎不会存在Fe2+-Ti4+对。 Fe2+-Ti4+对电荷转移产生的吸收特征具有很强的偏振性, 尤其是在580 nm以后的吸收特征会随着偏振方向的改变而有很明显的变化。 偏振紫外-可见光光谱测试发现以560 nm为中心的吸收带没有明显的偏振性, 进一步验证了样品中几乎没有Fe2+-Ti4+对, 因此以560 nm为中心的吸收带主要是由于Cr3+和V3+造成的。 样品的颜色主要是由Fe3+, Cr3+和V3+引起的, 而变色效应主要是由Cr3+和V3+导致。 结合电荷补偿机制与偏振-紫外可见光光谱来解释这颗变色蓝宝石的紫外-可见光光谱中以560 nm为中心的吸收带的归属, 为研究刚玉紫外-可见光光谱中较为常见的位于560 nm左右吸收带的归属提供了一种新的研究思路。

水资源关系到国计民生, 近年来时有发生的水污染事件使污染物入侵预警得到了广泛的社会关注。 针对现有基于紫外-可见光光谱的水质异常检测方法存在的检出下限偏低的问题, 提出一种基于监督学习的紫外-可见光光谱水质异常检测方法。 该方法首先获取不同数据集中的正常样本差异性空间, 再使用正交投影方法去除差异性空间中的光谱数据分量, 以达到基线校正的目的; 然后采用偏最小二乘判别分析从校正后的光谱中提取特征, 利用训练集得到的最优阈值确定离群点; 最后采用序贯贝叶斯滚动更新每个时刻上的异常概率, 确定水质报警序列。 实验选用苯酚作为模拟污染入侵事件的注入试剂, 采样2周内的紫外-可见光光谱数据, 在实验平台上对提出的方法进行了验证。 实验结果表明, 采用的正交投影基线校正方法可以消除不同批次水质光谱的背景差异, 更为充分的利用了光谱信息, 降低了对特征污染物的检出下限。

水溶性有机物(DOM)所在的固-液交界面是化学反应和微生物活动最活跃的部分。 DOM中存在具有氧化还原作用的含氧芳香性官能团， 使得DOM能影响有机污染物和重金属污染物迁移与转化。 堆肥物料猪粪含有丰富且有利于微生物生长的氮元素， 其DOM结构变化可能具有一定的独特性。 本研究选取8个不同阶段的猪粪堆肥样品， 提取其中的DOM， 利用紫外-可见光光谱和三维荧光光谱等现代光谱学方法， 并结合基础理化指标解析猪粪堆肥DOM的结构和组分演变特征。 在堆肥过程中可溶性有机碳和总有机碳分别降低了5888%和1630%， 说明可溶性有机碳的降解速率要高于不可溶性有机碳。 紫外-可见光光谱特征值SUVA254， SUVA280和E253/E203均随着堆肥过程呈现出逐渐增加的趋势， 表明堆肥过程DOM芳香性升高， 大分子有机质含量增大， 芳环取代基中含氧基团增多。 基于三维荧光光谱体积积分中类酪氨酸、 类色氨酸和微生物代谢产物的百分比分别从1596%， 1814%和2545%降低至553%， 1127%和1796%， 而类胡敏酸和类富里酸的百分比则分别从1767%和2277%增加至2062%和4462%， 这一方面是由于DOM中各有机质组分中类蛋白物质降解速率比类腐殖质物质快， 另一方面是由于随着堆肥进行一部分类蛋白物质会转化为类腐殖质物质。 研究结果可为调控生产稳定化、 无害化的堆肥产品提供科学依据。

近年来, 饮用水安全问题引起社会的广泛关注。 采用紫外-可见光吸收光谱对水质进行异常检测, 具有现场原位、 无需试剂、 分析快速等优点, 适合快速在线监测。 然而, 紫外-可见光光谱数据量大, 且易受仪器和水质正常波动的干扰, 从而影响水质异常检测结果。 提出一种基于基线校正和主元分析的紫外-可见光光谱法来检测污染物引起的水质异常, 该方法利用非对称最小二乘校正基线, 采用主元分析法从基线校正后的光谱矩阵中降维并提取特征, 然后根据残差子空间的Q统计量评估测试样本的离群点, 最后采用累计概率来更新异常报告结果。 通过苯酚注入的实验, 验证了该算法的有效性, 实验结果表明, 提出的方法与单波长法相比, 有效地提高了污染物的检出下限; 与未经基线校正采用主元分析进行的异常检测方法相比, 提高了检出率, 降低了误报率。

采用双极脉冲磁控反应溅射法在不同参数条件下制备了一系列氮化硅薄膜。利用数字式显微镜和紫外-可见光光谱仪研究了沉积薄膜的表面形貌及其光学带隙，利用共焦显微拉曼光谱仪比较了硅衬底、氮化硅薄膜退火前后的拉曼光谱。结果表明，氮气流量对薄膜的光学带隙影响较大，制备的薄膜主要为富硅氮化硅薄膜。原沉积薄膜的拉曼光谱存在明显的非晶硅和单晶硅峰，退火处理后非晶硅峰减弱或消失，表明薄膜出现明显的结晶化; 单晶硅峰出现频移现象，表明薄膜中出现硅纳米颗粒，平均尺寸约为6.6 nm。

通过对肿瘤细胞生长过程中的光谱变化进行研究,寻求反应其生长变化过程的光学检测方法。根据Beer-Lambert定律推知,在肿瘤细胞的生长变化过程中,细胞内的蛋白质、核酸等物质的浓度变化会导致其吸收光谱的强度变化。于是采用紫外可见光分光光度法对肿瘤细胞进行测量,获取细胞周期各个阶段细胞内部组成成分的光谱表现形式。在获取的紫外可见光光谱数据中,可以找到光谱特征峰值随细胞周期的变化规律。实验结果说明紫外可见光光谱方法能够检测到肿瘤细胞细胞周期变化过程中的细胞内特定分子的变化,为细胞周期的研究提供了新思路。