光谱成像可以记录拍摄场景的光谱信息, 从而实现颜色的高保真复现, 图像的光谱信息通常同时混合了物体的光谱信息和光源信息, 所以现有的光谱成像颜色还原需要通过提前放置的标定板或已知光谱特性的物体获取拍摄环境的光源信息, 再进行图像的颜色恒常性校正。 但光谱相机在实际使用过程中, 通常难以满足上述条件, 从而对图像高保真颜色还原提出挑战。 针对此问题, 提出一种光谱成像的图像颜色恒常性计算方法, 将光谱成像系统获得光谱数据转换到XYZ颜色空间, 并将图像分区域进行统计得到图像的统计点, 通过大量常见光源的分布规律, 给统计点施加位置权重和色温权重, 同时设置亮度权重去除图像中过暗和过饱和的统计点, 利用加权平均获得环境光的色度参数, 根据需求将图像的XYZ颜色空间数据转换到RGB颜色空间, 根据环境光的色度参数计算图像不同通道的增益, 从而完成光谱图像的颜色恒常性计算。 为了验证所提出算法的有效性, 对140张光谱图像进行处理, 计算算法得到的环境光色度参数和真实光源色度之间的再现角误差, 对校正结果进行评价, 结果表明提出的算法明显优于光谱图像不做处理和灰度世界法。 为进一步分析算法校正结果与人眼感知之间的联系, 设计颜色心理物理学实验中的分度实验, 18名视觉正常的观察者参与实验, 所有观察者对算法校正结果打分的平均值介于良好和优秀之间, 可以满足实际使用需求； 沿着平均色温线的方向, 观察者所允许的光源色度差异较其它方向稍大； 在图像中包含大面积记忆色时, 当光源色度差异向使记忆色饱和度增大的方向偏移时, 此时观察者所容忍的色度差异变大。 由客观和心理物理学实验结果可知, 所提出的算法可以在拍摄光源未知, 且没有标板的情况下, 较好的对光谱成像中的图像颜色恒常性进行处理, 为光谱图像的颜色高保真再现打下基础。

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。

绝对光谱响应度是探测器的重要技术参数之一, 随着太赫兹探测技术的发展, 精确测量太赫兹探测器的绝对光谱响应度变得越来越重要。 由于在太赫兹波段缺乏连续可调谐的太赫兹光源以及分光系统, 因此无法采用传统测量红外探测器绝对光谱响应度的方法来实现对太赫兹探测器绝对光谱响应度的测量。 基于反射法测量了2~10 THz相对光谱响应度, 通过CO2泵浦气体激光器作为泵浦光源测量了2.52和4.25 THz绝对响应度, 转化得到2~10 THz探测器的绝对光谱响应度, 并且对2.52和4.25 THz绝对响应率和相对光谱响应度这两个频率点进行了相互验证, 2.52和4.25 THz绝对响应度测量值之比为0.753, 相对光谱响应度测量平均值之比为0.749, 两者之差仅为0.004, 因此, 说明本文采用的反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应度的方法是可行的。 另外水汽在太赫兹波段的测试有很大的影响, 对1.5~10 THz波段大气的衰减特性进行了测试, 试验表明水汽对太赫兹波有明显的衰减作用, 在不同环境湿度下测量时会产生不同的结果, 因此在太赫兹探测器测量过程中需要严格的控制大气的湿度, 从测试数据可得到, 大气中的湿度越小越好。 特别是在3.3 THz波段之前, 由于本身的信号比较弱, 如果水汽过大或测试过程中变化较大, 将严重影响测试效果。 该系统可以满足太赫兹探测器的研制、 生产、 检测和应用, 它可以为材料的选取、 工艺改进、 数据补偿、 光学系统设计、 图像处理提供指导, 同时也可以推动太赫兹**装备效能的重要依据。 因此, 太赫兹探测器绝对光谱响应度的测量对器件设计制造者、 成像装备系统设计制造者以及器件使用者来说都具有非常重要的指导意义。

烟草是我国重要的经济作物, 税收的重要来源, 为国家的经济发展做出了巨大贡献, 然而, 烟草病害严重影响烟叶产量与品质。 采用光谱分析技术对烟草病害进行早期防治具有非常重要的现实意义。 以接种烟草花叶病毒(TMV)与马铃薯Y病毒(PVY)的烟草为研究对象, 分别采集室内与室外培养的染病烟草叶片高光谱数据。 为实现对烟草病害的精准识别, 每隔两天对两种染病烟草进行光谱数据采集, 将每种病害数据详细地分成五个严重度等级, 最终获得1 697个在350~2 500 nm波段范围内的光谱数据。 为对烟草高光谱数据进行有效利用, 以支持向量机(SVM)为基础, 结合快速近邻波段选择算法(FNGBS)与归一化匹配滤波(NMFW), 提出一种聚类与排序相结合的波段选择算法(FNG-NMFW)。 FNG-NMFW首先采用FNGBS算法对烟草光谱进行精细分组, 再采用NMFW算法对各组波段进行排序以选择特征光谱, 实现烟草光谱特征提取与降维。 在波段选择的基础上, 采用SVM对烟草特征光谱进行分类, 最终实现高精度烟草病害检测。 研究结果显示: 该模型性能稳定, 在样本数量较少情况下, 即可实现TMV与PVY两种病害的高精度识别。 对于TMV1与TMV3, 该算法可以获得精度优于94%的检测结果, 对于PVY1与PVY3, 该算法精度接近90%, 表明该算法可有效完成两种病害早期的识别与预防工作。 与采用全波段光谱数据进行病害检测的模型相比, FNG-NMFW模型优势明显, 烟草病害检测结果总体精度达94.46%, 精度提高约1.5%, 检测时间由12.9 s缩短为1.1 s。

为了克服单一模型预测精度很难进一步提高的不足, 利用近红外光谱分析结合基于Stacking框架的异构集成学习模型实现对油页岩含油率的检测。 以松辽盆地某区块所取230个油页岩岩芯样本为研究对象, 使用低温干馏法测量油页岩样本的含油率, 同时扫描每个样本对应的近红外光谱数据。 样本使用蒙特卡洛算法进行异常样本剔除, 将剔除异常样本后的213个数据按照3∶1的比例随机划分为训练集和预测集。 利用去趋势加基线校正方法进行预处理消除光谱数据中噪声和基线漂移, 利用随机森林算法进行波长重要性排序并保留重要波长, 在此基础上采用CARS算法进行特征波长提取, 进一步降低数据维度。 最后, 构建以PLS, SVM, RF和GBDT为初级学习器, PLS回归模型为次级学习器的Stacking集成学习模型, 各初级学习器模型参数使用网格搜索进行寻优。 使用决定系数和预测均方根误差作为各模型的评价指标, 探究单一模型和集成学习模型对油页岩含油率预测的准确性。 研究结果表明, RF-CARS方法能够有效筛选重要波长, 进而提高模型效率。 基于Stacking的异构集成学习模型与单一模型(SVM和PLS)和同构集成学习模型(RF和GBDT)相比有更好的预测效果和更强的稳定性。 在多次随机划分数据集的基础上, Stacking集成学习模型的平均决定系数R2为0.894 2, 相比于其他单一模型平均提高了0.062 3； RMSEP为0.586 9, 比其他模型平均降低了0.147 4。 说明, 基于Stacking的异构集成学习模型能够组合初级学习器的优势, 提高油页岩含油率预测精度, 为油页岩含油率快速检测提供了一种新方法。

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、 亚硝酸盐氮、 氨氮)之一, 能够反映水体受污染的程度, 是水质评估的一项重要指标。 水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重, 而且会对人畜及水产构成较大威胁。 传统的硝酸盐氮检测必须先反应后测定, 具有时间长、 操作复杂、 有二次污染等缺点。 光谱法具有快速、 无损、 无试剂消耗等显著优点。 针对硝酸盐氮难以快速检测的问题, 提出了一种基于紫外吸收光谱的快速定量分析硝酸盐氮的方法。 采集42份浓度为0~20 mg·L-1的硝酸盐氮标准溶液样本的紫外吸收光谱, 每份样本经11次平均处理以减少仪器噪声和环境的影响。 采用SPXY算法按照7∶3的比例划分训练集、 测试集, 对紫外吸收光谱数据使用Savitzky-Golay(SG)滤波算法进行预处理, 通过10折叠交叉验证获得套索回归(lasso regression)合适的正则化参数λ=0.203 6, 再使用Lasso回归在全光谱范围内筛选出与硝酸盐氮相关的光谱特征波长, 将特征波长处的吸光度与样本浓度进行偏最小二乘(PLS)拟合建立硝酸盐氮的回归模型。 采用此建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.999 91和0.060 15 mg·L-1, 测试集的R2与RMSE分别为0.999 72和0.046 91 mg·L-1。 为了验证提出的SG-Lasso-PLS预测模型效果, 另外建立了Lasso-PLS, SG-PCA-PLS和SG-PCA-SVR三种预测模型进行对比。 验证结果表明, SG-Lasso-PLS建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他三种预测模型。 说明SG滤波能够消除光谱信号的随机噪声, 提高模型的预测精度。 与PCA数据降维算法相比, Lasso可实现全光谱范围内的光谱特征选择和数据降维, 能有效消除光谱数据的冗余信息, 提高模型的预测精度。 因此, 本文提出的SG-Lasso-PLS混合模型能够快速准确的对水体中的硝酸盐氮进行预测。 作为硝酸盐氮浓度检测的基础研究, 能为快速无污染的水质在线监测场景提供算法参考。

为建立快速近红外光谱定量分析模型, 特征波长筛选是提高定量分析预测精度较为有效的方法之一。 它能够筛选出有效波长信息, 减少数据冗余、 提高数据有效性。 随机森林(RF)作为一种集成算法, 可根据计算特征重要性进行特征筛选。 RF将基于袋外数据(OOB)的平均精度下降(MDA)方法计算均方误差平均值作为特征重要性结果, 通过设置特征重要性阈值筛选特征变量构成特征波长子集, 但该阈值范围的设定无理论依据, 因此需要对特征重要性阈值范围进行探究。 另一方面, 由于RF的随机特性, 特征波长子集中可能包含无效甚至是干扰变量, 并不能保证所选变量的有效性。 故而进一步提出RF-iPLS波长筛选方法。 区间偏最小二乘法(iPLS)筛选出的特征波长多为连续特征波段的特性, 对特征波长子集划分区间, 弥补RF因自身随机性造成的无效变量问题； 同时, RF筛选的离散特征波长解决了iPLS筛选的连续波段中含冗余信息的问题。 为了说明RF-iPLS算法的合理性, 特征子集经过蒙特卡洛(MC)方法500次样本特征采样后, 构建RF-MC-iPLS算法。 虽然RF-iPLS与RF-MC-iPLS算法结构接近, 但运行时间缩短了11.12%, 结果说明RF-iPLS算法在预测模型中的特征波长筛选是有效的, 且具有较低的时间复杂度。 为了进一步验证改进的RF-iPLS算法的有效性, 应用一组公开谷物蛋白质近红外光谱数据, 建立PLSR模型, 并与全谱的PLSR模型以及基于不同波长筛选方法的PLSR模型进行比较。 实验结果表明, 相比于全谱的117个波长, RF-iPLS优选出12个特征波长, 建模集的RMSEC从2.61降到0.64, 预测精度提升了约75.5%, 预测集的RMSEP从2.63降到0.69, 预测精度提升了73.8%, 极大地提高了预测精度且预测结果最优, 说明RF-iPLS是一种有效的特征波长筛选方法, 可以简化近红外光谱定量分析模型的复杂度并实现高效降维。

在近红外光谱分析应用中, 温度扰动导致的光谱变化对于定量分析的准确度影响较大。 针对温度扰动识别及定量分析的需要, 研究了基于双光谱二维相关谱(2T2D-COS)的光谱扰动分析方法。 选择葡萄糖水溶液为样本, 根据人体血糖浓度范围和在体组织温度范围设计实验, 测量样本在浓度扰动和温度扰动下的透射光谱。 对其进行基线校正和滤波预处理后, 通过2T2D-COS分析得到浓度扰动和温度扰动下的异步谱。 结果表明, 温度扰动引起的交叉峰出现在强氢键结合水对应的特征吸收波长(1 474 nm)和弱氢键结合水对应的特征吸收波长(1 410 nm)附近, 而葡萄糖浓度扰动引起的交叉峰出现在水分子对应的特征吸收波长(1 450 nm)和葡萄糖分子对应的特征吸收波长(1 595 nm)附近。 为了定量分析样品温度, 进一步提取了温度扰动异步谱交叉峰1 410 nm波长下的切片谱, 其在1 410～1 600 nm波段的相关峰强度随温度的升高而增大, 与样品温度之间具有较好的相关性； 选择波长(1 475±4) nm范围内的切片谱, 对谱峰强度积分后进行线性拟合, 建立样品温度的线性回归模型, 对温度的预测均方根误差可以达到0.125 9 ℃。 以上结果表明, 双光谱二维相关谱只需要对两条光谱进行运算, 就可以通过异步谱中交叉峰的位置判别扰动来源, 还可以根据交叉峰的强度对温度进行定量分析, 且只需要较窄特征波段的光谱就可以建立高精度的温度预测模型, 为简化在体光谱测量系统的设计, 减少在体温度变化的影响提供了重要参考。

近年来因为高品质银灰色Akoya珍珠备受青睐, 大量改色处理的银灰色珍珠涌入市场, 造成混乱, 其中辐照处理改色的珍珠很难鉴别, 成为检测难题。 对一批白色和浅黄色Akoya珍珠进行了不同剂量的γ射线辐照改色实验, 并对辐照前后的样品和天然呈银灰色的Akoya珍珠进行放大观察及光致发光光谱、 紫外可见光光谱和三维荧光光谱等无损谱学测试。 实验结果表明: 浅黄色Akoya辐照的改色效果明显好于白色者, 随辐照剂量的加大, 改变的颜色加深。 通过对比辐照改色前后的样品与天然呈银灰色Akoya珍珠样品的镜下特征, 发现: 辐照改色者具有浅色珠层和带有深褐色条纹的褐色珠核, 天然呈色者则在浅色珠层和白色珠核间有一褐色有机质夹层, 有机质不均匀的地方在珍珠表面形成“黑斑”。 对比辐照前后样品与天然呈银灰色Akoya珍珠样品的谱学特征发现: 辐照改色者较改色前及天然呈色者的光致发光光谱的荧光背景更高, 但背景峰与文石主峰强度比值F/A值(1.34～1.98)比天然呈色者(0.52～1.12)略高； 辐照改色者较改色前紫外可见光谱反射率明显降低, 在紫外光区的360 nm处出现宽缓吸收, 而天然呈色者在430～530 nm范围内有宽缓吸收, 且随伴色不同位置发生改变, 有时在750～800 nm也可以有弱的宽缓吸收； 辐照改色者三维荧光光谱与改色前样品的发光中心一致, 只是荧光强度较改色前降低了一半, 但改色者与天然呈色者的主要发光中心完全不同, 辐照改色者三维荧光光谱显示两个最高强度的发光中心于Ex/Em为374/449和463 nm处, 而天然呈色者的最强发光中心在Ex/Em为280/340 nm处。 研究结果表明, 珍珠孔眼及表面特征和三维荧光光谱的测试结果, 可以很好地鉴别天然呈色和γ射线辐照改色的银灰色Akoya珍珠, 光致发光光谱和紫外可见光光谱可以作为辅助鉴定依据。

奏折是一类特殊的纸质文物, 是反映皇家文化的物证, 其造纸和染色工艺体现了当时的政治制度文化和社会发展水平。 奏折的材质较为脆弱, 此前对此类文物的研究大多聚焦文字内容、 样式、 政治意义和保护修复方面, 对本体材料和工艺方面的分析则相对匮乏。 采用多种原位无损技术, 对一份清末重臣岑春煊的请安折的材质和染色工艺进行了系统分析。 通过紫外荧光摄影和傅里叶变换红外光谱分析确认黄绫面装饰的花纹使用了丝制品勾织而成。 超景深显微观察、 拉曼光谱及X射线荧光光谱(XRF)等结果表明奏折是使用了矿物颜料雌黄对纸张进行染黄, 所用颜料的颗粒感细腻, 推测其染色工艺可能采用了刷染法。 雌黄颜料相比黄檗等有机染料更为昂贵, 其使用不仅赋予了奏折防蛀防水的能力, 更反映了奏折在清朝政治文化中的重要性, 这也是纸张染黄案例中的又一新发现。 此外, 还探索性地运用光纤荧光光谱对奏折上朱批的颜料进行了分析, 发现红色字迹为朱砂做墨书写, 与拉曼光谱和XRF的结果相符。 对奏折这类纸质文物的本体材料和工艺进行探究, 有助于了解清代造纸和染色的技术特点, 为合理保护和修复此类文物提供科学依据。 同时也探讨了光纤荧光光谱在纸质文物的颜料鉴定方面的适应性, 进一步拓展了无损光谱分析技术的应用。

受激拉曼散射是相干拉曼散射中的一种, 其产生的信号在三阶非线性效应下得到了显著地增强, 且没有非共振背景的干扰, 光谱与自发拉曼光谱几乎完全一致。 因此, 基于受激拉曼散射的显微成像技术具有无标记、 高特异性、 非侵入等优点, 已成功运用在生物细胞成像中并取得了许多重大的成就。 受激拉曼信号与激发光的波长相同, 易受到激发光背景噪声的干扰, 为解决该难题, 常采用光学调制与相敏检测相结合的方法对其进行检测。 检测过程中, 调制深度对受激拉曼信号强度和信噪比有重要影响。 针对此, 基于相关理论深入分析了调制深度对受激拉曼信号强度及信噪比的影响。 同时考虑到在生物光谱成像等应用中, 细胞光损伤阈值对两束激发光功率之和的限制, 分析了不同调制深度下, 获取最大信号强度及最佳信噪比的激发光功率配置方法。 通过搭建受激拉曼实验系统, 以二甲基亚砜为研究对象, 进行实验验证。 研究结果表明, 在光损伤阈值的限制条件下进行受激拉曼损耗检测时, 同一调制深度下, 当泵浦光与斯托克斯光光功率比为1: 1时信号强度达到最强, 比值为1∶2时信号的信噪比达到最佳。 在泵浦光与斯托克斯光光功率比相同的条件下, 受激拉曼信号强度和信噪比均随调制深度的降低而降低且近似呈线性相关。 实验得到的二甲基亚砜受激拉曼光谱图也验证了在实际样品的光谱检测中, 调制深度越高得到的光谱信号越强, 信噪比越佳, 整体的光谱质量也越好。 该研究结果是对受激拉曼显微技术在信号调制与检测方面的完善, 可为受激拉曼光谱检测和细胞成像实验做出参考性指导。

单位点调控作为一种重要的材料修饰手段, 近年来在催化、 能源、 环境等领域中蓬勃发展。 调控单位点, 可以有效地调控表面电荷、 电子结构、 原子空间构型, 从而实现材料整体性能的提升。 在拉曼检测领域, 表面电荷等关键因素被广泛认可并是当下研究热点。 然而, 单位点对表面电荷调控, 乃至对拉曼灵敏度影响尚无系统研究。 该研究全新提出单位点(包括单分子、 单原子、 单原子中心的配体络合物等)的表面电荷调控作用并研究其对拉曼检测灵敏度的影响。 其中, 利用经典的特异性反应: 4-氨基-3-肼基-5-巯基-1,2,4-三唑(AHMT)与甲醛生成6-巯基-5-三唑啉［4,3-b］-s-四嗪(MTT), 使得经单位点AHMT调控的Ag材料具有极低的检测限10-12 mol·L-1, 低于不经单位点AHMT调控表面电荷的10-9 mol·L-1, 实现了对甲醛分子的超低浓度检测。 还研究了单钨原子氧化物调控, 对于非特异性反应中的标准分子、 农药残留分子检测能力的影响。 其中罗丹明6G的检测限可以从10-12 mol·L-1降低到10-14 mol·L-1, 农药福美双的检测限也可以从10-9 mol·L-1降低到10-11 mol·L-1, 据此提出了单位点调控表面电荷方法的普适性。 此外, 经过Zeta电位的测试, 发现经单位点调控的Ag表面电位都有较大变化, 符合库伦正负电荷吸附理论, 这更有利于对待检测分子的捕捉, 也是拉曼检测灵敏度提升的原因, 同时也在机理上解释了单位点调控的普适性。 对深层机理方面也做了许多猜测与研究: 一方面, 由于单位点与基底材料之间存在电荷转移, 因而存在化学增强(CM)过程。 同时, 在Ag表面有显著的电磁场增强(EM), 两种增强机制和单位点体系的协同, 需要进一步通过实验、 理论等, 研究不同单位点的新物理机制； 另一方面, 单位点可能作为一种新的振动模态, 与基底中存在的表面等离子体共振(SPR)、 待测分子的共振协同作用, 使得拉曼散射共振更强, 从而提升拉曼检测灵敏度。 该实验与结论都证实了单位点调控在拉曼检测中的可行性、 必要性, 使单位点在该领域的深入研究成为可能。

激光诱导击穿光谱(LIBS)具有样品无需预处理, 操作简单, 分析快速等优点, 已在多个领域获得应用。 实验搭建了飞秒激光诱导击穿光谱(Fs-LIBS)装置, 使用波长800 nm, 脉宽100 fs的飞秒激光器作为激发光源, 门控ICCD作为检测器。 LIBS用于检测静态液体时会发生液体波动飞溅等问题, 信号较差, 该实验以液体射流的方式进样, 以NaCl标准溶液为模型体相, Na(Ⅰ) 589.0 nm为分析线进行测试。 该实验采用时间分辨LIBS的方法, 考察了飞秒激光作用于样品后的LIBS发射光谱随时间的演化, 发现在激光脉冲作用于样品表面40 ns后Na原子发射谱线达到最强, 信背比也同时达到最大值。 表明飞秒脉冲激发的LIBS可以通过时间分辨, 有效消除宽带背景发射的影响, 更高效地对样品中的待测目标进行检测。 研究了激光激发功率、 ICCD门宽、 激光焦点到样品表面距离等实验条件对LIBS信号强度和信噪比的影响, 并优化了实验参数。 在延迟时间40 ns、 激发功率100 mW、 门宽5 μs、 焦点位于样品前表面的最佳实验条件下, 测试了海水样品的LIBS光谱和Na含量, 检测了不同浓度NaCl标准溶液, 并绘制了Na(Ⅰ) 589.0 nm的定标曲线, 得到NaCl标准溶液中Na元素的检测限为0.98 mg·L-1。 实验结果表明, LIBS技术满足快速、 实时检测元素的要求, 可以用于研究等离子体动力学演化过程, 实现元素的定性和定量分析。

鄂豫陕地区是我国重要的绿松石产区, 其中陕西白河位于秦岭东部, 是绿松石的重要矿点之一。 选取陕西白河县小东沟绿松石矿床的黄白色和绿色伴生矿样品, 对其进行薄片观察、 X射线粉晶衍射测试、 红外光谱仪和拉曼光谱仪分析的矿物学和谱学研究。 测试结果表明样品为明矾石, 还含有少量磷铝矾和高岭石。 可观察到其呈脉状结构产出, 表明具有多期次形成阶段, 后期结晶颗粒较好, 具有典型假立方体状的菱面体的结晶特点； 该矿物红外光谱谱带主要分布在3 697~3 488 cm-1以及1 638~433 cm-1范围内, 在3 697和3 620 cm-1处具有高岭石中OH导致的弱红外吸收谱峰； 明矾石的拉曼光谱谱峰由SO2-4振动导致, 此外在3 700和3 626 cm-1处出现高岭石中OH的伸缩振动导致的峰位。 结合该地区绿松石矿床风化淋滤特点, 判断该区明矾石矿脉形成于低温富碱性环境下, 当含矿溶液或围岩中形成绿松石所需成分不足时, 趋向于形成明矾石, 以脉状、 块状形式产出, 并共生有磷铝矾和高岭石矿物, 为研究本区绿松石矿床特点提供依据。

近红外光谱检测技术可反映样品内部含氢化学键伸缩振动与合频吸收信息, 具有分析速度快、 经济、 重现性好以及环境友好等优点, 常用于食品、 药品及材料领域的检测分析之中。 豌豆是世界上最重要的栽培作物之一, 种植、 分布广泛, 具有高淀粉、 高蛋白、 低脂质等营养特性, 长久以来受到消费者的喜爱。 为了明确不同产地豌豆的近红外光谱建模差异, 对不同产地豌豆进行建模分析。 研究采集了河南省南阳市不同地区42份豌豆样本, 首先测定了豌豆的营养成分(总淀粉、 蛋白质、 水分、 灰分及脂质), 再重点采用近红外光谱中的积分球漫反射技术, 在12 000~4 000 cm-1波段对不同豌豆样品进行光谱采集, 通过判别分析模型(DA)结合不同的预处理方法得到最优预处理数据, 结合主成分分析(PCA)、 偏最小二乘判别分析(PLS-DA)以及正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)等方法, 对光谱特征差异进行分类分析, 从而构建并验证南阳豌豆的产地识别模型。 结果表明, 不同区域南阳豌豆的营养组分及含量总体差异较小(总淀粉36.30%~46.93%, 蛋白质16.37%~25.50%, 水分6.78%~9.16%, 灰分2.29%~3.38%, 脂质0.37%~1.43%)； 基于近红外光谱建立的判别模型表明, DA模型判别分析准确率可达92.4%, 并且PCA、 PLS-DA以及OPLS-DA得到的模型预测能力分别为96.7%, 85.1%和83.6%, 表明以上模型均可实现南阳豌豆鉴别模型的建立。 此外, 通过变量重要性投影值法提取(VIP>1.0)筛选出的不同产地差异波段显示, 4 710~4 000, 5 320~5 200以及7 200~6 220 cm-1可作为南阳豌豆产地鉴别的特异性检测波段。 该研究可为构建不同区域豌豆产地鉴别、 追溯信息库提供方法学依据。

分析远志不同生长年份特征化学成分的药效物质累积规律。 采用傅里叶变换红外光谱法对山西汾阳、 新绛12批不同生长年份的远志药材进行红外光谱扫描分析, 建立远志的红外指纹图谱, 并进行共有峰率和变异峰率双指标序列分析。 远志药材特征吸收峰在3 130, 2 920, 1 650, 1 540, 1 400, 1 260和1 050 cm-1存在明显的共有峰, 醇提物特征吸收峰位于3 150~3 000, 2 950~2 920, 2 850, 1 740~1 710, 1 670~1 630, 1 540~1 520, 1 450~1 400, 1 100~1 050, 990和530 cm-1范围内； 远志吸收峰数目随年限增长呈增加趋势, 同一年份远志药材在3 380, 1 315, 1 060和990 cm-1附近, 醇提物在3 360和1 315 cm-1附近吸收峰的数目、 形状和强度存在差异, 秋采远志在此范围内无特征吸收。 药效物质累积量: 汾阳产远志、 新绛产远志在春季采收药效物质累积量较大； 远志有效成分: 前者细叶远志皂苷、 3,6’-二芥子酰基蔗糖、 远志口山酮Ⅲ药效物质累积量随远志生长年限的增长累积增加； 后者3,6’-二芥子酰基蔗糖的累积量呈先上升后下降的趋势, 远志口山酮Ⅲ和部分皂苷类物质随生长年限的延长呈下降趋势。 远志药材共有峰率在66.7%~100%, 变异峰率在0~63.6%, 醇提物共有峰率在66.7%~94.7%, 变异峰率在0~30.0%； 同一年限远志样品共有峰率较高, 春采之间、 秋采之间共有峰率较高； 同一产地远志共有峰率较高, 药效物质累积量随年限增长较为相似, 无明显差异； 其中变异峰率最高的药材序列是(春采)S-2-3: S-2-5(秋采)为63.6%, 二者为不同年限不同季节采收, 药效物质累积量相差较大。 基于红外光谱法和二阶导数结合双指标序列分析法可以分析探究远志不同生长年份有效化学成分的特征峰变化规律和药效物质累积规律, 为远志的种植采收时间、 质量控制和评价提供参考。

载流子在等离激元金属纳米粒子上的快速复合, 导致传统的光电催化剂效率显著降低, 通过金属和半导体的复合可实现热电子和空穴的分离以提升光电催化效率。 采用Ag纳米粒子与半导体TiO2纳米粒子复合提高其光电催化活性, 并探索了催化活性提升的机理, 研究了TiO2-Ag纳米复合材料之间空间电荷区能带弯曲以及内置电场的作用, 为设计高性能SPR光电催化剂提供理论和实验依据。 以对氨基苯硫酚(PATP)及对硝基苯硫酚(PNTP)的光电催化偶联反应为探针, 研究了TiO2-Ag纳米复合材料的催化性能。 结果表明TiO2的引入提高了Ag的SPR催化活性, 其主要原因是TiO2的引入可提高TiO2-Ag间电子和空穴的分离效率。

橄榄油因其高营养等特点, 成为植物油中日常消费量逐渐增大的主要品类。 橄榄油按照加工工艺分为初榨、 精炼和混合等不同质量等级。 由于不同等级橄榄油价格差异较大, 导致橄榄油市场存在以次充好等问题。 同时, 涉及等级鉴定的指标繁杂, 对应的理化检测方法大部分涉及大型实验室设备, 检测成本高、 效率低且工作量繁重。 我国是橄榄油的主要进口国, 采用产品标准中逐项指标确认后判定的模式, 无法满足目前急速增长的进口产品快速通关要求。 该研究聚焦进口橄榄油在口岸监管现场的快速质量评价需求, 开发了多光谱信息同时采集和降维融合成像的方法, 将紫外-可见光谱与拉曼光谱进行特征数据融合, 构建拉曼-紫外可见2D谱图, 通过二维成像进行指纹特征判断, 构建特级初榨橄榄油、 精炼橄榄油以及果渣油的标准2D融合成像源图, 作为等级区分标准对照二维谱, 进行橄榄油等级可视化判定； 结合空间角度值转化算法对橄榄油进行等级定性评判, 通过角度值计算得到特级初榨橄榄油与精炼橄榄油的夹角范围在0.794 7～1.094 7之间, 与油橄榄果渣油其值在1.157 0～1.319 8之间, 而特级初榨橄榄油之间角度值均小于0.1, 由此可进行不同橄榄油的等级判定； 采用角度决策模型进行橄榄油掺杂样品定量分析。 制备不同等级橄榄油的混合样本计算得到特级初榨混合精炼橄榄油、 果渣油的模型相关系数r分别为0.994 2和0.991 0, 代入不同样本进行验证, 相对误差在-4.48%~2.58%之间。 采用拉曼-紫外可见融合光谱结合化学计量学建立二维标准谱图对橄榄油等级可视化判定, 并建立初榨橄榄油掺伪检测模型进行橄榄油含量的定量分析, 实现口岸食品质量和安全风险信息的多维度、 高精度和高准确度直观展示。 通过采用进口橄榄油质量等级的快速筛查方法, 能有效提高口岸关注风险的监测效率, 提高进口食品监管的精准度, 为口岸食品风险监测方式模式的智慧转换提供技术支撑。

在司法鉴定领域, 涉及电击死亡的案件多发, 鉴别死者是生前还是死后受到电击仍是法医病理学鉴定的难点问题之一。 为此通过傅里叶变换红外光谱融合机器学习模型对心脏组织视角下的电击死和死后电击两种情况开展分类识别研究。 将30只大鼠进行电击死、 死后电击和对照处理, 通过光谱仪扫描得到其心脏组织光谱, 采用竞争性自适应重加权算法共提取到70个光谱特征波长, 建立随机森林模型对特征波长提取前后的心脏组织光谱进行模式识别； 结果表明, 特征波长提取前后模型分类识别的准确率分别为34.9%和73.7%, 验证了特征波长提取方法的有效性和必要性。 同时建立偏最小二乘模型、 传统支持向量机以及粒子群算法和灰狼算法优化的支持向量机模型进行分类识别, 结果表明, 模型分类识别的准确率分别为61.07%、 34.48%、 100%和98.46%, 对比发现经特征提取后的粒子群优化支持向量机模型分类识别效果最好。 为排除“生物学死亡期”的干扰, 又取60只大鼠按同种方式对其处理, 每组又分死后0.5 h和死后1 h 2个亚组, 再次通过傅里叶变换红外光谱仪扫描得到光谱数据, 数据预处理后将其与之前得到的数据进行一并处理并结合粒子群优化支持向量机模型分析, 结果表明, 该方法分类识别的准确率可达到80.85%。 这为电击死领域的法医学鉴定提供了新的研究思路和方法, 说明傅里叶红外变换红外光谱结合机器学习模型可以作为一种补充工具来提供相对客观的判断, 具有重要的研究意义。

山东聊城山陕会馆始建于乾隆八年, 历经多次扩建与重修, 布局紧凑, 装饰华美, 是我国古代会馆里保存较好的精品。 会馆兼具神庙与商业会馆功能, 是古运河商业繁荣的见证, 具有较高的艺术和文化价值。 目前对于聊城山陕会馆的科学研究聚焦于其建筑形制、 装饰艺术美学等, 尚未开展对其建筑彩画的制作工艺及材料的科学分析。 本研究利用显微观察、 扫描电子显微镜-能谱分析、 激光拉曼光谱分析和红外光谱分析, 对取自聊城山陕会馆的27个建筑彩画的红色颜料进行分析鉴定。 结果表明, 使用的彩画红色颜料有铁红、 朱砂、 铅丹和茜草染料。 制作工艺方面, 发现普遍性的重层彩画, 既有重做地仗以后涂刷新颜料的技法, 也有“章丹打底朱砂盖面”这种直接绘制两层颜料的古代建筑彩画中的常用工艺, 这与聊城山陕会馆历经多次修缮的史实相符。 此外, 还发现在红色颜料中加入钙、 钡的硫酸盐作为红色颜料改性剂的工艺。 研究中首次发现将茜草染料用作建筑彩画颜料, 是对清代使用有机染料制作建筑彩画文献记载的有力佐证。 此前对于古代文物中茜草染料的分析鉴定研究, 主要集中于考古纺织品文物上, 多使用质谱技术, 对设备和样品前处理要求高。 研究中利用显微激光拉曼光谱仪对古建筑彩画上的茜草染料进行便捷、 微损分析, 取得了较好的鉴定结果, 将从分析手段上为古建筑彩画有机染料研究提供重要参考。

青铜器的矿料来源及其体现的地区间文化互动等信息是考古学界关注的重点问题。 四川会理位于欧亚草原、 中原、 南亚和东南亚之间的“十字路口”, 且处在著名的“藏彝走廊”之上, 自古以来就是多民族聚居地和多元文化交汇区, 当地出土的青铜器更是包含多种文化因素。 然而, 以往对该地青铜文化的研究多集中于墓葬形制和随葬品的器型及纹饰等所体现的文化互动上, 而对多元风格青铜器的矿料来源和地区间文化互动的具体模式关注较少。 使用便携式X射线荧光光谱仪(pXRF)、 多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)对会理文管所藏8件具有多元文化风格的青铜器进行成分分析和铅同位素比值测定。 在此基础上, 搜集铜、 铅矿山和相关青铜器的铅同位素数据并结合考古类型学进行对比分析, 以期揭示不同地区和青铜文化之间的互动联系。 pXRF分析结果显示, 这批样品合金类型多样, 包括纯铜、 锡青铜、 铅锡青铜和锡铅青铜等。 MC-ICP-MS分析结果显示, 两面石寨山型铜鼓和盐源文化风格树形器应为利用滇中南地区的铅料生产的, 且前人对多面石寨山型铜鼓的研究结果显示其矿料均来自滇中南, 表明铜鼓这种象征权力与地位的礼器的矿料来源及生产较为独特, 很可能为统治阶层所垄断； 而石寨山型铜钟则是利用会理当地铜料生产的“仿制品”。 以上结果表明, 会理与石寨山、 盐源等周边地区青铜文化存在着实物和精神等层面的复杂互动。 研究显示, 在运用pXRF、 MC-ICP-MS明确青铜器合金成分和矿料来源的基础上结合文献记载与考古类型学分析可以为深入探讨地区间文化互动的具体模式提供很好的证据支持。

光谱学是利用光与物质的相互作用, 展示物质微观结构, 提供不同化学分析方式, 从而实现对物质的定量和定性分析。 壁画制作工艺分析中运用了大量的光谱分析技术, 该研究以北京延庆花盆关帝庙为例, 通过光谱及其他技术分析壁画的制作材料和工艺。 花盆关帝庙位于北京延庆区花盆村, 始建于清雍正四年(1726年), 是当时祭祀的重要场所, 也是延庆地区关帝庙的典型代表之一。 运用X射线衍射、 拉曼光谱和激光粒度分析仪等一系列光谱技术发现关帝庙壁画的地仗层成分为石英、 方解石和钠长石, 白粉层成分为石膏, 颜料层中红色颜料为铁红、 铅丹和朱砂, 蓝色颜色为蓝铜矿, 黄色颜色为铬黄, 黑色颜色为炭黑, 白色颜料为石膏, 绿色颜色为巴黎绿、 绿土和铬绿。 沥粉贴金工艺的胶结物为熟桐油和松香树脂, 金箔采用含金量86.1%的赤金。 拉曼光谱不仅可以辨析壁画颜料, 还能通过颜料历史研究佐证和丰富壁画修复历史信息。 结合文物光谱分析数据与文献资料, 充分挖掘文物背后的信息, 对研究和保护古代壁画有着重要意义。 通过花盆关帝庙壁画同面墙不同位置的壁画地仗层制作工艺的差异, 说明壁画制作材料和工艺受位置影响。 期待日后研究者通过研究壁画制作材料和工艺差异, 发现符合规制的典型壁画案例, 通过梳理壁画不同位置制作材料与工艺, 总结历代壁画制作规制。

繁峙公主寺位于山西省五台山地区, 是明清时期集宗教场所与民众娱乐于一体的建筑遗存。 寺内壁画与彩塑绘制精巧, 尤其是大雄殿四壁壁画场面宏大, 构图严谨, 色彩鲜明, 是保存较为完整的明代水陆壁画精品。 目前公主寺壁画存在部分画面漫漶不清、 出现裂隙的情况, 通过实地考察与科技分析, 不仅可以揭示水陆壁画使用的原料和工艺, 也为日后开展修复材料的筛选与文物本体的保护工作提供一手资料。 研究运用显微镜观察(OM)、 拉曼光谱(RAM)、 红外光谱(FTIR)、 激光粒度分析(LPSA)、 X射线衍射(XRD)、 X射线荧光光谱法(XRF)、 扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)及热裂解气相色谱质谱分析(Py-GC/MS)等多种科技手段, 对公主寺壁画制作材料及工艺进行分析研究。 实验结果显示: 壁画使用传统工艺绘制, 以土坯砖墙作为支撑体, 地仗层分为粗泥层与细泥层, 再涂刷一层打底的白粉层, 最后绘颜料层。 支撑体、 地仗用土与当地土样的成分相似, 整体颗粒粒径分布均以粉粒为主, 细泥层砂粒含量较粗泥层偏高, 粗、 细泥层分别掺有麦秸、 麻纤维等加筋材料。 尤其是通过红外光谱分析发现白粉层材料为高岭土； 应用拉曼光谱结合SEM-EDS分析确定了壁画所用的颜料, 蓝色为蓝铜矿(2CuCO3·Cu(OH)2), 白色为铅白(2PbCO3·Pb(OH)2), 绿色为人造氯铜矿、 羟氯铜矿(Cu2(OH)3Cl), 红色、 黄色与粉色颜料的显色物质为朱砂(HgS)、 铁红(Fe2O3)、 铁黄(FeO(OH))、 铅丹(Pb3O4)与铅白, 存在混合颜料进行调色的现象； 另外, 应用热裂解气相色谱质谱分析进一步辨别黑色颜料, 根据多环芳烃的相对含量对比结果与检出的松科类植物燃烧产物, 判断其为松烟墨, 同时确定了壁画绘制添加的胶结材料为动物胶。 该结果为公主寺壁画艺术研究提供更多原始信息, 丰富了对明代山西水陆壁画制作材料与工艺的科学认知。

小行星表面温度是研究行星热物理特性的关键参数。 太阳系中小天体的轨道动力学研究具有多种实际应用, 包括预测行星体轨道和撞击产生的陨石坑率、 选择航天器合适的探测采样目标。 对于近地天体, 分析它们的轨道结构、 星体的轨道演化和未来的偏移轨迹等近地天体动力学特性具有重要意义。 中国即将发射“天问二号”, 对近地小行星2016HO3进行热辐射探测和风化层采样。 “天问二号”预计在不远的将来到达环绕2016HO3的轨道。 研究了一种温度-比辐射率分离算法, 用于从“欧西里斯-雷克斯”热辐射光谱仪(OTES)辐亮度数据中, 计算与小行星2016HO3热物理性质相近的行星“贝努”(Bennu)的表面温度。 温度-比辐射率分离算法融合了发射率归一化法(NEM)、 比值法(RAT)、 发射率最大最小值差法(MMD), 是目前精度较高的一种表面温度反演算法。 为了验证算法的准确性, 使用了CRISM光谱库的光谱数据, 通过改变目标的温度和算法使用波段, 来研究算法对二者的敏感性。 其中, 因为仪器波段限制等原因, 尚无使用波段对算法的误差推导。 研究结果表明: (1)设置温度范围为115~415 K, 步长5 K, 随着温度的增加, 反演温度的均方根误差增加, 而发射率的误差大致不变。 (2)样本温度为295 K, 算法使用的波段起点为7.5 μm, 采样间隔0.04 μm, 终点为10~13.8 μm, 步长0.2 μm。 发现波长范围在7.5~13.8 μm, 算法的MMD模块的精度最高。 使用算法求解行星“贝努”的表面温度, 结果表明: 在剔除了大太阳高度角和高纬像素的情况下, 算法计算的温度的误差平均值为-0.366 0 K, 误差的标准差为1.0393 K。

三维成谱成像技术是一种能够对观测视场中的所有展源目标进行实时光谱获取的技术, 它可以通过单次采样同时获得目标光谱域和二维空间域信息。 光纤积分视场单元(IFU)则是天文三维成谱成像技术的关键器件, 通过将接收的像面切分, 将像面信息细分到若干单元传递至光谱仪, 在此过程中二维的展源目标被重整为互不干扰的线性排列供光谱仪进行采样提取, 能有效提高天文观测的时间分辨率。 介绍一种具有242光纤单元的IFU, 该IFU目前应用于中科院云南天文台的光纤阵列太阳光学望远镜(型号FASOT-1B)系统。 为满足FASOT-1B的指标要求, 获得高传输效率、 高光谱分辨率和高时间分辨率观测效果, 该IFU采用微透镜阵列加光纤阵列的结构, 该微透镜为正六边形球面镜, 实现接近100%的空间填充率。 综合考虑光纤积分视场单元前置望远镜系统和后端光谱仪系统的设计参数, 优化设计了一对11×11的微透镜阵列, 相邻微透镜间距300 μm, 每个微透镜对应天区1.5″, 以焦比F/8.2将接收到的光汇入与其对应的光纤纤芯中。 系统分析光纤芯径与光谱仪光谱分辨率间的关系, 设计的光纤规格为: 35/105/125 μm, 该设计既能满足光纤接收微透镜所传递的全部光信息, 同样可以得到系统需求的光谱分辨率和相对短的狭缝宽度。 量化分析IFU阵列端光纤直径与微微孔深度对光纤实际入射焦比的影响, 选定的微孔尺寸直径130 μm, 深3 mm。 阵列端二维排布的光纤在赝狭缝端经过重整, 以线性排列将光信息导入光谱仪, 相邻光纤间距130 μm。 整个IFU的能量传输效率均值77.7%, 波动值RMS 1.6%； 所有光纤出射焦比EE90均慢于F/7。 IFU出射端(赝狭缝端)光纤横向(排列方向)偏移量RMS值小于2.7 μm, 纵向(垂直于排列方向)偏移量RMS值小于1.8 μm。 FASOT-1B系统安装IFU并调试后进行了验证性观测, 成功获取了太阳NOAA12738活动区MgI色球的斯托克斯光谱, 该IFU也成为国内首个自主研制并应用于科学观测的光纤加微透镜型IFU。

地球的夜间微光信号强度是白天反射的可见光强度的百万分之一, 星载微光CCD成像载荷像元响应特性的微小变化将显著影响成像质量。 针对CCD推扫式载荷在轨响应特性的分析表明, 异常响应导致微光图像中出现多条强弱不一的沿轨亮线, 且具有数量时变性、 位置随机性和响应非线性的特征。 针对异常响应校正中无统一参考目标以及像元响应差异的非线性问题, 提出了一种空间域松弛匹配而辐射域严格映射的修正方法。 通过计算沿轨方向像元辐射均值的相对偏差, 利用直方图分析确定亮线检测阈值并实现自动检测。 在此基础上, 针对每一条亮线采取先建立参考辐射值、 后排序映射的方法实现亮线校正。 为验证算法效果, 分别选取包含海表、 沙漠、 湖冰、 大雾和冰川等5种典型均匀场景的微光观测数据进行测试。 测试结果表明, 校正处理后图像中亮线基本消失, 整体非均匀性相对改进44%、 强亮线非均匀性相对改进60%, 典型暗背景图像的信噪比由2提升至4.2。 该方法具有逐像元实时检测与校正的特点, 适用于无星上定标装置的推扫式CCD光学遥感卫星业务化辐射校正处理。

在地球科学等研究领域自动化分析, 逐步取代了传统的光学观察法。 然而, 这些方法获得结果, 过于依赖元素组成到矿物组成的转换。 同时, 也会破坏掉完整描述矿物材料来源和蚀变历史所需的重要信息。 因此, 利用合适的检测手段, 对分析矿物成矿规律及成因具有重要现实性意义。 研究利用拉曼Mapping、 光学显微镜、 自动矿物分析仪(TIMA)三种技术做对比。 对具有代表性霓石型稀土矿物分布特征、 化学成分、 矿物结构及晶体取向等方面进行研究。 通过TIMA与光学显微镜研究结果分析可知, 独居石矿物多呈自形-半自形不等粒结构, 粒度大小不均约为100～500 μm之间, 部分颗粒有被磷酸盐溶液交代痕迹, 可初步判断独居石矿物经多期成矿； 氟碳铈矿物呈细粒状分布较散以不规则颗粒包裹在其他矿物中, 具有明显的早期成矿特征； 易解石矿物以不规则团块状或放射状集合体, 具有明显方向性与方解石形成时间一致。 利用拉曼光谱技术在微区进行Mapping扫描, 通过数据分析得到独居石矿物［PO4］3-的P—O对称伸缩模式(ν1)与P—O对称弯曲振动模式(ν2)所在峰位面积比值, 得到独居石矿物不同生长取向相图。 经与独居石矿物光镜特征相结合, 进一步证明了浸染状霓石型铁稀土矿石中独居石矿物是多期成矿的事实, 成矿期数最少为三期。 该发现也为白云鄂博矿床多阶段成矿提供有力证据支撑。 此外, 该技术也可作为一种快速判断磷酸盐矿物不同生长取向的图像方法。 该技术对于碳酸矿物、 硫酸盐矿物也同样适用。 由此可扩展到多种矿物类型, 成为判断矿物多期成矿事实提供了重要依据。 也为拉曼Mapping技术应用于复杂矿物的矿物学研究矿物的赋存特征奠定基础。

近几年市场上最新出现了一类“加瓷”绿松石, 与绿松石原矿极为相似, 这类“加瓷”绿松石是使用无机结合剂磷酸盐或硅酸盐作为添加物, 对绿松石进行充填处理从而达到提高绿松石瓷度的目的, 故以“加瓷”绿松石而得名。 这类“加瓷”绿松石与天然绿松石的外观极为相似, 目前对此类型绿松石的研究比较薄弱。 使用常规宝石学仪器、 红外光谱仪、 X射线荧光光谱仪、 紫外-可见分光光度计、 荧光光谱仪对经磷酸盐“加瓷”处理的绿松石的化学成分组成特征以及振动光谱特征进行了系统的研究和分析。 研究结果显示: 经磷酸盐“加瓷”处理的绿松石均为隐晶质结构, 表面多呈蜡状-玻璃光泽, 有黑色或白色团块状色斑, 分布有铁线, “加瓷”处理后绿松石的相对密度平均值(2.38)小于具有相似外观的天然绿松石(2.60)； 荧光整体呈惰性, 但部分“加瓷”处理的绿松石在紫外荧光灯下会出现蓝白色荧光沿样品表面微裂隙分布的异常现象； 使用X射线荧光(XRF)光谱仪对样品的成分进行测试分析, 磷酸盐“加瓷”处理绿松石的主要化学成分偏离天然绿松石理论化学成分值, ω(Al2O3)在20.91%～39.45%之间, ω(P2O5)在42.32%～53.46%之间, ω(CuO)在6.54%～11.38%之间, ω(FeOT)在0.43%～22.2%之间, ω(SiO2)在0.28%～4.52%之间, ω(K2O)在0.05%～0.36%之间； 磷酸盐“加瓷”处理绿松石的磷铝比为1.47～2.10, 这一数值相比天然绿松石普遍较高； 磷酸盐“加瓷”处理绿松石红外吸收光谱主要显示为结晶水、 羟基水及磷酸根基团的振动光谱, 振动频率与天然绿松石红外光谱基本一致； 紫外-可见光谱表明磷酸盐“加瓷”处理绿松石的谱峰的位置相对于天然绿松石图谱稍有偏移但整体趋势一致； 三维荧光光谱仪检测结果荧光较微弱, 荧光中心强度变化范围较大。

“达碧兹”宝石具有由内含物或者致色元素的分布不均导致的类似于“六射星光”的六方对称的特殊现象, 具有该现象的宝石可成两类, 即由内含物将主晶体分隔为不同区域而形成的“达碧兹”宝石, 以及由于内部其他原因形成的外观上与“达碧兹”宝石近似的“类达碧兹”宝石。 紫外可见近红外光谱显示四块样品中均出现的375与450 nm附近的几个窄吸收峰, 均为Fe3+所产生的晶体场场谱。 560 nm附近的宽吸收带则应当为Fe2+与Ti4+两种离子发生电荷转移时产生的电荷移动谱, 这是在黄色蓝宝石之外绝大部分蓝宝石中都会出现的吸收带。 拉曼(Raman)光谱测试发现, 在具有“类达碧兹”图样的山东蓝宝石内部的各个部位的矿物相均为刚玉相。 其拉曼位移峰集中于位于在378、 417及576 cm-1等处, 证明其并没有被矿物包裹体分隔为不同的生长区域, 应当属于“类达碧兹”系列。 能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)分析测试发现其内部各处的铝元素含量远远高于其他元素, 且符合刚玉矿物的理论值97%以上。 激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)结果证实在的“核心”与“臂”等区域Fe、 Ti等微量元素含量均明显高于其他元素, 造成了上述区域的颜色加深。 山东“类达碧兹”蓝宝石出现“类达碧兹”图样的原因是致色元素差异分布导致的, 故而仍然属于“类达碧兹”系列。

作为常见碳酸盐矿物, 方解石形成于多种地质环境, 在地球上广泛分布, 在地球深部随着温度压力的改变可转变为不同的相态, 其在不同的温压条件下的物理化学性质对于研究地球深部碳循环可具有一定的指示意义。 由于方解石在1 164 K附近发生分解, 目前关于方解石在高温下的相变研究还相对较少, 尤其是CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅳ的相变, 需要更多的实验数据加以佐证。 在通CO2气氛条件下, 采用高温Raman(298～1 323 K)和高温XRD(298～1 223 K)实验技术对方解石在不同温度条件下的行为进行了研究。 高温Raman实验发现: 随着温度的升高, 拉曼峰逐渐向低频率方向移动, 峰的半高宽随之增加, 峰强基本呈现逐渐降低的趋势； 随着温度的升高, 276 cm-1峰向低频方向移动, 当温度升高至973 K时, 该峰频率出现反常行为, 移向高频265 cm-1, 在1 023～1 223 K范围内频率基本保持在265 cm-1不变, 温度升高至1 248 K时, 再次移向高频266 cm-1, 并在1 248～1 298 K范围保持不变； 706和1 430 cm-1谱峰频移在1 223 K附近也发生了同样的异常行为； 谱峰频移的异常现象推测与CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅳ、 CaCO3-Ⅴ相变相关, 与相关报道的相变温度点十分接近。 高温XRD实验发现: 随着温度的升高, 一些衍射峰移向高角度, 一些衍射峰移向低角度, 部分相邻的衍射峰发生合并并逐步分离的现象； 衍射峰(211)在1 123～1 173 K 附近消失, 推测与CaCO3-Ⅰ到CaCO3-Ⅴ的相变相关； 方解石a轴呈现出负热膨胀, c轴呈现出正热膨胀； 通过热膨胀方程对CaCO3-Ⅰ在不同温度下的晶胞参数进行拟合, 获得a轴方向在常温下的热膨胀系数α0(a)为-0.60(2)×10-5/K, c轴方向在常温下的热膨胀系数α0(c)为2.42(4)×10-5/K, 体积V在常温下的热膨胀系数α0(V)为1.21(2)×10-5/K; 然而1 000 K附近XRD图谱没有发生明显的改变, 即未发现CaCO3-Ⅳ的存在。

木质纤维原料富含羟基, 可通过液化处理转化为具有较高反应活性的液态产物, 实现其高值化利用。 纤维原料的液化过程中存在降解和缩聚反应的竞争反应, 直接影响液化产物的特性。 为了研究枫香果实的液化反应过程, 以聚乙二醇和丙三醇(4∶1 V/V)为液化试剂, 对枫香果实进行不同时间(30, 60, 90, 120和150 min)的液化处理。 利用傅里叶红外光谱(FTIR)结合主成分分析(PCA)、 X射线衍射(XRD)分别对液化残渣和液化产物进行表征。 结果表明枫香果实的液化率随反应时间延长逐渐提升, 最高为88.79%。 基于液化率和羟值确定枫香果实的最佳液化时间为120 min, 此时液化率为87.91%, 液化产物的羟值为280 mg KOH·g-1。 FTIR和XRD分析表明液化反应初期以木质素和半纤维素的降解反应为主； 液化后期, 结晶纤维素开始降解, 同时伴随着缩聚反应的发生。 主成分分析发现, 不同液化时间得到的液化残渣的官能团分布相对独立, 可以作为判断枫香果实在液化过程中各组分降解的依据。 液化时间90 min为液化过程的转折点, 此时主导反应逐渐由降解转为缩聚反应。 此外, 为了探究枫香果实液化产物在聚氨酯泡沫应用上的可行性, 添加不同含量(10%, 20%和50%)的枫香果实液化产物成功制备得到了聚氨酯泡沫。 FTIR分析表明, 枫香果实的液化产物可代替多元醇制备聚氨酯泡沫, 且液化产物的添加并未改变聚氨酯泡沫的化学结构。 研究结果为进一步探究木质纤维资源的液化过程和枫香果实的液化利用提供了理论依据。

番茄是一种营养丰富且深受人们喜爱的果蔬, 在全球都得到了广泛的种植, 而我国番茄产销量稳居全球首位。 番茄不仅在人们的生活中扮演了一个重要的角色, 在工业生产中也占据了举足轻重的位置, 我国番茄的出口也在不断增加。 番茄的糖分、 酸度、 维生素C及可溶性固形物含量是反映番茄内部品质的重要评价指标, 而可溶性固形物含量是这些内部品质的总和, 能够较好地表征番茄的内部品质。 因此, 实现对番茄可溶性固形物含量的快速检测对番茄的工业生产和日常生活有着巨大的帮助。 基于化学原理的传统检测方法会对番茄样品产生不可逆的破坏, 且耗时耗力, 难以应对我国现代工业生产的需要。 因此, 寻求番茄内部品质的快速无损检测技术成为了亟待解决的问题。 近年来, 近红外光谱分析在多个领域得到了广泛的应用； 基于近红外光谱检测方法对反映番茄甜度的可溶性固形物含量进行了相关性建模和预测研究。 实验搭建了近红外光谱检测平台, 选择了255个不同成熟度和品种的番茄样本, 每个样本采集了光谱数据和可溶性固形物含量值。 研究对比了SNV, MSC, NOR和SG等光谱数据预处理方法, 并采用K-S算法划分建模校正集和验证集。 同时, 为提高检测可靠度和建模效率, 研究对比了CARS, RF, SPA和UVE等算法来进行数据降维。 结果表明, 采用SNV加二阶15点SG平滑组合的预处理与CARS波段选择相结合, 利用选出的54个波段建立的模型效果较好, 校正、 验证和交互验证相关系数R2分别达到了0.90, 0.89和0.91, 均方根误差RMSE分别为0.14, 0.15和0.14°Brix。 利用自行搭建的近红外光谱检测平台可较好地实现了番茄糖分的快速检测。

尾矿库作为高势能的人造泥石流危险源, 在尾砂含水量过高时有溃坝风险, 低含水量状态下产生扬尘则会危害周围环境。 尾砂含水量实时、 动态监测对于尾矿库安全状况及矿区环境保护具有重要意义。 相比传统采样化验手段, 高光谱遥感拥有观测面积大、 数据实时易获取、 光谱信息丰富的特点, 为快速、 高精度尾矿水分监测提供了手段。 以鞍山-本溪铁矿群中的高硅型铁尾矿为研究区, 实地采集尾砂样品77个, 利用可见光-近红外(350～2 500 nm)光谱仪获取其光谱数据, 分析不同含水率尾砂光谱特征及机理； 引入竞争性自适应加权重采样法(CARS)筛选水分敏感波段, 并基于敏感波段建立三维波段光谱指数(TBI), 结合随机森林(RF)、 粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)及卷积神经网络(CNN)算法建立尾砂水分反演模型, 以国产高分五号高光谱卫星为数据源进行模型应用, 获取尾矿库表层含水时空分布特征。 结果表明: (1)尾砂光谱反射率随含水率升高明显下降, 在1 455和1 930 nm处出现O—H吸收特征, 吸收深度随含水率减小而逐渐减小； (2)基于CARS方法能够对高光谱数据(305波段)有效降维, 筛选出18个水分敏感波段, 进一步利用敏感波段构建不同形式的尾砂含水率TBI指数集, 其中三维差值指数TBI5=(R1 097.47-R1 990.67)-(R1 990.67-R437.39), 与水分含量相关性最高, 达到0.84； (3)对比RF, PSO-ELM及CNN方法以及不同形式的输入数据, 基于尾砂含水率TBI指数联合反射率数据集作为输入数据进行CNN建模, 室内光谱模型达到验证精度R2=0.92, 相对分析误差RPD=3.43, 基于该模型利用高分五号卫星数据反演可获取研究区尾砂含水率空间分布结果, 实地验证R2达到0.79, 相对分析误差RPD=2.20, 获得较好的预测效果。 可为基于高光谱技术的铁尾矿水分含量大面积实时快速监测提供参考。

K9玻璃具有硬度高、 热稳定性好、 膨胀系数小以及较高的透过率等特性, 被广泛应用在高功率激光领域。 光学元件污染物诱导损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一, 深入研究光学元件的损伤机理对于控制损伤的形成具有重要意义。 为探究损伤机理, 利用光谱探测分析对Al2O3诱导K9玻璃激光损伤的机制进行了研究。 即采用EDS能谱探测技术对损伤前后损伤形貌及元素原子百分比变化进行探究, 进而了解损伤过程中发生的物理变化及烧蚀化学变化, 并结合LIBS技术对损伤过程中的电离过程进行诊断和讨论。 实现了对光学元件损伤原理的探究以及光学元件安全的实时监测。 研究结果表明, 在激光诱导污染物至K9玻璃损伤的过程中, Al2O3颗粒形貌发生变化, K9玻璃也有微形损伤坑的出现。 此外, Al2O3颗粒元素原子百分比含量由于颗粒的变形而发生改变, K9基底中含有的Na2O与氧气结合造成了O元素原子百分比含量升高, SiO2会发生气化-凝结成超细颗粒导致Si元素原子百分比的降低。 这些变化直接反映了在损伤过程中发生了高温熔融现象。 电离击穿过程可以采用LIBS进行检测, 得到在损伤过程中有等离子体闪光的特性。 对上述物理过程进行了建模仿真研究, 使用COMSOL模拟分析了在损伤过程中的热传导以及等离子体冲击波在基底内的传播特性。 研究表明在发生损伤的过程中颗粒的温度达到2 800 K高于自身的熔点(2 313 K), 同样, 基底的温度(2 500 K)也高于自身的熔点(1 673 K), 这直接引起相变, 并在后续激光辐照下产生等离子体, 等离子体的高压冲击等作用致使基底微型熔融损伤坑的出现。 模拟分析验证了LIBS技术和EDS能谱分析探究光学元件损伤机制的可行性和准确性, 该方法既可以用于损伤机理的分析, 还可以对高功率激光系统稳定运行实施监测。

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术, 通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。 由于金刚石稳定性高, 抗干扰能力强, 可制成不同尺寸, NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径, 具有良好的应用前景。 实验测量中, 首先使用激光对色心进行电子自旋极化, 然后使用微波对电子自旋进行调控, 进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱, 对谱线进行拟合分析获得D值。 激光功率波动是重要的实验噪声来源之一, 为了获得较高的极化率, 需要足够的激光功率, 然而较大激光功率下, 光功率波动会影响电子自旋极化率, 从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性, 增加光谱的噪声, 最终增大数据测量的误差。 在常规测量中, 不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。 为降低激光功率波动产生的误差, 提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法, 可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值, 对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化, 从而输出归一化光谱。 在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验, 考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化, 确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。 在不同的激光功率下, 分别采用直接拟合法、 数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。 数据分析结果表明, 相较于直接拟合法和数学归一化法, 脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%, 得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。 该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径, 提高D值测量分辨力, 为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

病害严重影响作物品质, 并造成经济损失。 病斑分割是病害定量诊断的重要过程, 其分割结果可为后续的识别和严重度估算提供有效依据。 由于病斑具有不规则性和复杂性, 且自然环境下病斑可见光谱图像易受光照变化等影响, 传统的图像处理方法对病斑图像分割存在准确率低、 普适性低和鲁棒性不高等问题。 该工作提出了基于语义分割和可见光谱图像的作物叶部病害病斑分割方法。 首先, 以花生褐斑病、 烟草赤星病为研究对象, 使用尼康D300s单反相机共采集到165张可见光谱图像。 通过Matlab Image Labeler APP对病害可见光谱图像进行像素标记, 分别标记出褐斑病病斑、 赤星病病斑和背景区域。 其次, 对标记后的数据采用水平翻转、 垂直翻转、 改变亮度等图像扩充方式, 获得1 850份增强后样本数据集。 为了节约计算成本, 将数据集的像素分辨率调整为300×300。 最后, 基于FCN, SegNet和U-Net 3种语义分割网络, 构建4 种作物叶部病害病斑分割模型, 探索了数据增强、 病害类别对病斑分割模型的影响, 并采用4种分割指标评价模型效果。 结果表明: 仅对于病斑分割, 图像增强能够提高模型的分割精度, 增强后FCN模型的平均精度(MP)和平均交并比(MIoU)分别为95.71%和93.36%。 4个语义分割模型显著优于支持向量机(SVM), 其中FCN与U-Net, SegNet-2和SegNet-4分割模型相比, 能够有效避免光线变化等影响, 病斑分割精度(P)和交并比(IoU)分别达到99.25%和97.55%。 对于病斑分类分割实验, FCN对两种病害的分割精度Pd分别达到97.54%和90.41%, 对两种病害的交并比IOUd分别为95.61%和70.30%, 均优于其他3种分割模型。 FCN能够在分割病斑的同时也准确地识别病害类别, 有较好的泛化性和鲁棒性, 实现了自然场景下作物叶部病害病斑的识别与分割, 为计算混合病害严重度提供了技术参考。

针对传统光学手段难以实现复杂背景下光谱伪装目标的准确识别, 同时, 常规的数据融合方法易导致图像信息丢失的缺点, 提出了一种基于非下采样轮廓波变换的偏振光谱多维信息融合方法。 该方法结合自研的新型偏振光谱多维信息探测仪器, 根据其获取的目标空间、 光谱、 偏振等多维信息, 设计了多维信息重构算法流程, 提取了偏振态基础数据斯托克斯参量以及偏振度和偏振角, 利用NSCT对基础偏振参量进行图像融合, 提升图像的信息含量以提高伪装物的识别准确率。 先对具有相同边缘信息的图像Q和U采用NSCT分解, 低通子带取均值, 高通子带取最大值进行初步融合, 获得偏振特征S, 最后对偏振特征S、 强度图像I以及偏振度DoLP进行NSCT分解, 对分解所得低通子带进行区域能量加权融合； 对高通子带, 根据偏振特征图像具有灰度值小, 受光照影响大等特点, 采用LBP特征进行加权融合。 同时, 本方法与四类融合方法进行对比, 据信息熵、 标准差、 平均梯度、 对比度以及峰值信噪比五项指标对融合结果进行客观评价, 并结合普通图像, 偏振融合图像, 偏振高光谱图像对目标识别精度进行对比。 融合后的图像信息熵为6.998 6, 标准差为45.599 8, 平均梯度为19.808 6, 与原始强度相比, 提升分别为5.1%, 14.04%, 7.3%, 在四类融合方法中排在首位。 表明本文所提出的方法有效实现了偏振基础特征融合, 提升了人造目标和自然背景的差异。 同时融合后的偏振高光谱图像对于目标的识别准确率达到0.986 2, 较单一强度图像目标识别准确率提升了21%。 实验结果表明, 提出的方法能有效融合目标强度信息以及偏振信息, 提升图像对比度和可读性, 同时融合后的图像在目标识别准确度上有了较大的提升, 有效降低了传统光谱手段对伪装目标识别的虚警率, 为新概念光谱伪装揭露提供了一种新型有效的手段, 具有非常大的应用潜力和应用价值。

平菇是我国大宗食用菌品种之一, 产量位居我国食用菌的第三位。 平菇不仅味道鲜美, 而且含有丰富优质的蛋白质及具有多种生物活性的平菇多糖, 深受消费者喜爱。 市场上的平菇产品众多, 质量参差不齐, 并且现有营养成分分析方法耗时长、 成本高, 难以满足平菇等大宗食用菌的营养成分检测需求。 傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术具有检测速度快、 操作方便、 可同时分析多种化合物、 安全环保等特点, 将其与化学计量学结合, 构建数学模型, 能满足对平菇等大宗农产品营养成分的快速检测、 分析及评价。 以平菇为研究对象, 在全国范围内收集主栽平菇样品85份, 分别进行红外光谱扫描, 并运用多元散射校正(MSC)、 标准正态变换(SNV)、 正交信号校正(OSC)、 光滑加一阶导数(F-G D)、 光滑加二阶导数(S-G D)等5种光谱数据预处理方法, 通过比较模型验证集回归系数, 确定平菇蛋白质模型最佳预处理方式为OSC结合S-G D, 平菇多糖模型最佳预处理方式为OSC结合F-G D。 在最佳光谱预处理下, 采用LASSO算法对7458个光谱波段进行特征波段提取, 获得平菇蛋白质特征波数93个, 平菇多糖特征波数92个, 压缩率达到98%。 将特征波数与化学方法检测得到的平菇蛋白质、 多糖含量值进行拟合, 建立PLS模型。 结果显示, 蛋白质模型校正集回归系数R2为0.999 8, RMSECV为0.047 7, 验证集回归系数R2为0.987 2, RMSEP为0.506 8, RPD为8.840 6大于3； 多糖模型校正集回归系数R2为0.999 9, RMSECV为0.020 1, 验证集回归系数R2为0.980 3, RMSEP为0.292 9, RPD为7.119 8大于3, 模型拟合效果均较好, 预测能力及稳健性良好。 该研究为傅里叶变换红外光谱技术在食用菌营养成分含量快速预测方法的建立提供参考, 为平菇产品的营养品质评价的建立提供基础, 促进平菇乃至其他食用菌产品的优质化发展。

植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。 为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究, 从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。 在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验, 测定了不同浓度Cu2+和Pb2+胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu2+和Pb2+含量等有关铜铅污染玉米的基础数据, 形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。 研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI), 实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测, 从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。 研究设计了不同浓度的铜铅污染实验, 将测量获得的玉米叶片450～850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线, 利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据, 选择对重金属Cu敏感的特征波段。 计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490～520和680～700 nm与土壤和叶片中的Cu2+含量呈现接近于1的线性正相关, 在630～650和710～750 nm呈现接近于-1的线性负相关。 选择波长505, 640, 690和730 nm的DCR值建立CLDI, 通过计算土壤和叶片中的Cu2+含量与CLDI和常规的植被指数(VIs)的皮尔逊相关系数, 将两者进行对比, 从而验证了CLDI的有效性。 选用2017年实验获取的不同品种玉米叶片光谱数据, 将CLDI同样和常规的植被指数(VIs)进行对比, 从而验证了CLDI对不同品种的玉米具有鲁棒性。 将CLDI应用到铅胁迫下玉米叶片的污染程度监测, 验证了其对于不同重金属的普适性。 结果表明, CLDI与Cu2+和Pb2+胁迫浓度相关性显著, 与其他植被指数相比, 相关性更高。 提出的CLDI探测铜铅胁迫下不同品种不同时期的玉米污染程度, 具有计算方便, 鲁棒性, 高效性、 普适性的优点。 该研究基于实验室叶片尺度, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。

稀散元素矿产资源是国民经济中的关键性矿产资源, 元素含量的提取是矿产资源潜力评价、 靶区优选的基础。 现有稀散元素含量分析面临快速检测、 潜力评价的需求, 基于高光谱的稀散元素含量反演是解决此问题的一种途径。 因此, 采集西藏斯弄多-则学矿集区的铅锌矿石, 开展铅锌矿石稀散元素镉(Cd)含量的高光谱反演方法与反演模型研究。 选用ASD Field Spec 3地物光谱仪及配套软件进行光谱数据采集和预处理； 在光谱特征分析基础上, 开展一阶微分(FD)、 二阶微分(SD)、 倒数的对数(AT)、 倒数对数的一阶微分(AFD)、 倒数对数的二阶微分(ASD)光谱数据变换处理, 结合皮尔森相关性系数(r)筛选特征波段, 进行随机森林(RF)、 人工神经网络(ANN)、 支持向量机(SVM)模型构建与反演, 选用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)评价反演模型效果与预测精度。 结果表明: 样品反射率集中于40%~60%区间； 1 420、 1 920和2 200 nm处形成吸收峰； 特征波段覆盖可见光和近红外波段, 771~2 051 nm为特征波段的最优区间。 SD光谱变换的降维效果最好, 筛选出15个特征波段； 其次为ASD和AFD光谱变换, 分别筛选出8个和2个特征波段。 FD与AT光谱变换未筛选出特征波段。 SD筛选的特征波段用于反演, 镉元素含量预测效果最好的是SD-ANN模型(R2=0.884, RMSE=2.679), 其次是SD-SVM模型(R2=0.830>0.8, RMSE=1.382), SD-RF模型预测效果最差(R2=0.505<0.6)。 ASD筛选的特征波段用于反演, 镉元素含量预测最好的是ASD-SVM模型(R2=0.857, RMSE=2.198), 其次是ASD-ANN模型(R2=0.846, RMSE=2.625)。 对比分析, 镉元素含量的高光谱反演模型效果为: SD-ANN>ASD-SVM>ASD-ANN>SD-SVM>ASD-RF>SD-RF。 该研究总结了铅锌矿石稀散元素镉的高光谱特征, 建立了镉元素含量的高光谱反演方法及模型, 为镉等稀散元素含量的高光谱反演、 无损检测、 快速分析提供了参考, 为高海拔勘探区稀散元素矿产资源的潜力评价、 靶区优选提供了科学支持。

生物多样性是人类赖以生存的基础。 受环境和气候变化的影响, 全球生物多样性丧失日趋严重, 研究区域生物多样性对保护濒危物种栖息地、 合理规划与利用区域资源具有重要意义。 基于2002年—2018年多光谱遥感植被产品中的NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI、 GPP数据集, 构建了累积、 最小和差值三种动态生境指数(DHI), 结合气象数据和物种分布数据, 采用多元回归分析分别研究了①基于NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI、 GPP多光谱遥感指数构建的DHIs评价生物多样性的适用性； ②累积、 最小和差值DHIs表达物种多样性的互补性； ③气候变化对我国生物多样性的影响； ④累积、 最小和差值DHIs表达物种丰富度的能力。 研究表明: ①基于同种MODIS多光谱植被指数的同一DHIs之间具有很强的相关性(相关系数0.77到0.98之间), 可相互替代； 同一植被指数的累积、 最小和差值DHIs之间有一定关联性, 但三者不可相互替代。 ②与基于NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI产品数据构建的DHIs相比, GPP-DHIs监测我国生物多样性的能力最强, 且与物种丰富度之间存在良好的相关性(相关系数0.32到0.84之间)。 ③持续发生的气候变化会显著影响区域内的植被总生产力, 极端气候对大区域内的影响不大； 蒸散量对大尺度区域的植被总生产力影响比气温和降水的影响更显著。 ④环境变化对两栖动物物种丰富度影响最大, 其次是鸟类, 受影响最小的是哺乳动物。 ⑤我国累积DHI与最小DHI表现为自西北内陆向东南沿海地区逐渐增大的格局, 西北和华北地区, 高山、 高纬度地区, 以及西北沙漠地区最小DHI很小, 表明东南沿海区域的生态环境更适合生物生存, 恶劣的环境严重影响生物多样性； 差值DHI表现为东北、 华北较高, 华中、 华南较低的空间格局, 表明东北、 华北地区物种生存环境的变化较大, 华中、 华南地区物种的生存环境比较稳定。

糖基化反应能诱导食品中蛋白质的结构发生改变； Ara h2是花生中的主要蛋白组分之一, 可以作为一种模式蛋白研究花生蛋白糖基化产物的结构变化。 不同还原糖对Ara h2糖基化反应的影响目前未见相关报道。 以花生蛋白Ara h2为研究对象, 通过SDS-PAGE、 内源荧光、 同步荧光、 紫外、 圆二色谱、 红外等光谱技术研究Ara h2糖基化前后分子量、 二级、 三级结构以及官能团的变化, 分析六种还原糖(核糖、 木糖、 半乳糖、 葡萄糖、 果糖、 乳糖)对花生蛋白Ara h2糖基化产物结构的影响, 阐明经不同还原糖修饰后花生蛋白Ara h2的结构变化。 SDS-PAGE电泳表明木糖和核糖修饰的花生蛋白Ara h2电泳条带明显上移, 糖基化程度最大； 紫外光谱分析表明糖基化反应会改变花生蛋白Ara h2的吸收峰强度。 五碳糖修饰的花生蛋白Ara h2具有最强的吸收强度, 其中五碳糖中木糖的吸收峰强度最大； 内源荧光、 同步荧光和三维光谱实验结果表明, 糖基化修饰会使花生蛋白Ara h2的荧光强度降低, 且五碳糖修饰的Ara h2荧光强度最低。 分析认为由于糖基化修饰使花生蛋白Ara h2的结构展开, 导致芳香族氨基酸暴露在水环境中, 从而引起荧光猝灭； 圆二色谱分析表明不同还原糖修饰的Ara h2糖基化产物α-螺旋含量都增加, 其中木糖修饰的α-螺旋含量最大(15.6%)； 红外光谱分析表明木糖和核糖修饰的花生蛋白Ara h2的吸收峰分别从3 327.41 cm-1红移至3 318.43和3 321.09 cm-1, 1 700～1 600 cm-1处木糖和核糖修饰的花生蛋白Ara h2吸收峰强度略高于其他还原糖修饰的该蛋白。 不同还原糖对Ara h2糖基化反应后的糖基化产物结构的影响不同, 还原糖的碳链越短、 空间位阻越小, 糖基化反应程度越高, 对Ara h2的结构影响越大。

塑化剂是一种高分子材料助剂, 广泛应用于人民生活工作中的各领域, 长期或者高浓度接触对人体健康有巨大的潜在危害, 如今塑化剂危害事件频频发生, 对塑化剂的检测严控已成重中之重。 目前, 塑化剂的检测方法主要有气相色谱法、 气相色谱-质谱联用法及高效液相色谱法等, 但上述方法存在前处理繁琐, 技术要求高, 灵敏度低和检测耗时长等缺点, 不利于塑化剂的快速检测。 拉曼光谱分析技术具有无需样品前处理、 检测速度快、 能反应分子指纹信息等特点, 可以对物质进行定性定量检测分析, 其中表面增强拉曼光谱分析技术作为拉曼光谱分析技术的分支, 具有超高灵敏度、 高选择性和非侵入性等优势, 突破了普通拉曼光谱分析技术固有低灵敏度的局限性, 可以获得普通拉曼光谱分析技术所不易得到的结构信息, 在塑化剂检测中逐渐发挥优势。 文章简述了拉曼光谱分析技术的原理, 概述了普通拉曼光谱分析技术在塑化剂光谱特征峰确认及较高浓度塑化剂检测中的应用, 以及表面增强拉曼光谱分析技术在低浓度塑化剂检测中的应用。 如今利用表面增强拉曼光谱分析技术检测塑化剂所用的基底基本都为金纳米和银纳米为主, 按表面增强拉曼光谱分析技术中所使用的基底种类(Au纳米粒子、 Ag纳米粒子、 Au@Ag纳米)分别综述了表面增强拉曼光谱分析技术在微量及痕量塑化剂检测中的研究进展。 最后, 指出了塑化剂拉曼光谱检测存在的问题, 并展望了今后的发展趋势, 以期为今后的塑化剂检测研究提供参考和解决思路。

建筑能耗占我国总能耗的30%以上, 利用建筑自身的被动调节性能提高其热湿调节性能, 是实现建筑节能的重要举措。 以癸酸、 棕榈酸制备相变温度在人体舒适度范围内的癸酸-棕榈酸复合相变材料, 采用癸酸-棕榈酸复合相变材料, 硅酸四乙酯, 钛酸丁酯作为原材料制备具有热湿调节, 空气净化功能的癸酸-棕榈酸/SiO2@TiO2光催化相变微胶囊(简称D-T微胶囊)有利于建筑节能, 改善室内空气品质。 研究分析了去离子水用量(去离子水与硅酸四乙酯物质的量比), pH值, 癸酸-棕榈酸复合相变材料的用量(癸酸-棕榈酸复合相变材料与硅酸四乙酯的物质的量比), 钛酸丁酯的用量(钛酸丁酯与硅酸四乙酯物质的量比)以及钛酸丁酯的滴加速度五个影响因素对D-T微胶囊的粒径、 物质组成、 形貌以及空气净化、 热湿调节性能的影响。 激光粒度分析结果表明去离子水用量和钛酸丁酯用量对D-T微胶囊的粒径分布有重要影响。 过水体系能够有效分散T-D微胶囊, 防止其团聚； 适量的钛酸丁酯水解产生的TiO2包裹在癸酸-棕榈酸@SiO2表面, 从而影响D-T微胶囊的粒径。 扫描电镜结果显示, 过多的癸酸-棕榈酸复合相变材料用量会造成相变材料的泄露； 过快的钛酸丁酯滴加速度影响其水解反应速度, 造成TiO2的团聚。 X-射线衍射(XRD)分析结果显示, pH值是生成具有光催化性能的锐钛矿相TiO2的关键因素。 因此, 当控制去离子水与硅酸四乙酯的物质的量比为90∶1, pH值为2, 癸酸-棕榈酸复合相变材料用量为0.5, 钛酸丁酯用量为0.8, 控制钛酸丁酯的滴加速度为20 min完成时可以获得形貌、 粒径完整和物相稳定的D-T微胶囊。 D-T微胶囊经过6 h对气态甲醛降解试验, 其对甲醛的降解率能够达到67.87%； 在18~23 ℃之间有明显的相变温度平台, 平台的持续时间约为300 s； 当相对湿度为84.34%时, 平衡含湿量达到0.181 9 g·g-1, 同时相对湿度为32.78%~84.34%之间的湿容量为0.161 3 g·g-1。

针对湿式离合器油液监测数据具有来源分散、 数据量大及时间轴不稳定等问题, 对光谱分析得到的多数据进行融合, 利用维纳过程的预测实时性和预测准确的优点, 建立模型开展离合器剩余寿命预测研究。 首先, 通过排列熵加权证据融合方法对离合器寿命试验获得的指示元素进行融合, 构建健康指数； 其次, 结合维纳过程建立退化模型并通过极大似然法对模型中的参数进行估计； 再次, 根据历史退化数据对参数进行更新得到离合器剩余寿命预测模型； 最后, 将预测模型与实例进行对比, 得到利用融合多元素的健康指数建立的维纳过程预测模型预测准确性相比单指示元素预测有了很大提升, 其预测点更接近试验值。 通过观察也发现, 湿式离合器运行50～60 h左右时, 预测点有了明显的变化, 而同样在220～230 h时, 预测点有了明显的偏差, 在240 h左右又重新接近试验值, 其突变点对应了离合器磨损的三个阶段, 即初期磨损, 正常磨损和剧烈磨损。 研究结果表明, 融合油液光谱数据结合维纳过程建立的预测模型用于湿式离合器的剩余寿命预测, 具有预测实时性强且预测精度高的优点, 而通过预测结果和试验值对比发现, 湿式离合器磨损状态的不同对预测结果也有一定的影响, 尤其磨损状态转变点对预测结果的影响更大。

微生物的生长代谢往往受盐度的影响, 因此筛选出耐盐性强的菌株对含盐废水的生物处理意义重大。 选取一株从海洋分离具备耐盐异化金属还原的功能细菌(DMRB)——耐盐希瓦氏菌(Shewanella aquimarina XMS-1)作为研究对象, 探究盐度对XMS-1还原Fe3+过程及胞外聚合物变化的影响。 考察了不同盐度下XMS-1的Fe3+还原能力和胞外聚合物(EPS)的含量, 并采用三维荧光光谱(3D-EEM)、 拉曼光谱(Raman spectra)、 红外光谱(FTIR)及其对应的二维相关光谱(2D-COS)分析了XMS-1还原Fe3+过程中EPS的变化。 结果表明, 蛋白为XMS-1 EPS中主要物质, 占EPS含量的80%以上, 多糖的含量相对较少, 3%盐度条件下会促进XMS-1的EPS产量, 表明XMS-1在高盐环境中会分泌更多的EPS来保护细胞进行正常的生理活动。 Fe3+还原过程在盐度为1%~4%时得到促进, 而在盐度高于5%时则受到抑制, 过高盐度会抑制XMS-1的生长, 导致Fe3+还原率下降, 其中3%盐度下Fe3+还原率最高可达44.1%, 相对于对照组增加了2.18倍。 FTIR和Raman光谱结果显示XMS-1 EPS中含有羧基、 羟基、 氨基和羰基等金属离子氧化还原功能基团, 其中3%盐度下EPS中蛋白酰胺类和多糖类代表峰增强, 蛋白酰胺类代表峰变化显著, 含O-和N-基团参与了Fe3+还原过程。 此外3D-EEM结果显示, Fe3+还原过程结束后, EPS中色氨酸和酪氨酸两种荧光组分强度均下降, 结合2D-COS光谱结果分析, 发现色氨酸类蛋白在Fe3+还原过程中先发生了显著变化, 表明这两种荧光组分参与了Fe3+的还原过程, 其中色氨酸类蛋白在还原过程中作用更强。 本研究不仅丰富了对耐盐菌EPS胞外电子转移过程的认识, 也突出了EPS在自然环境中铁氧化还原转化的意义。

高光谱成像凭借高的光谱分辨率、 图谱合一、 波段多的特点, 能够为待分类目标提供多维的参考信息, 从而提高分类精度。 爆炸破片的识别回收能够为爆炸威力的评估和防爆措施的设计提供参考。 针对当前破片检测中多采用可见光波段或红外波段等单个波段进行检测, 忽略了破片目标与背景对不同波长的光有着不同的吸收程度, 没有将多波段破片特征充分利用, 为此结合高光谱检测手段, 提出了一种空间分割结合光谱信息的爆炸破片识别方法。 在实验室环境下, 首先采集铁质破片、 石头、 树叶的高光谱图像, 对采集的样本图像数据做预处理, 包括去噪声以及黑白校正反演反射率信息等, 感兴趣区域随机提取三类样本像素点共750个, 随机选取600个点作为训练集其余作为测试集, 通过训练后得到预测准确度分别为88%、 88%、 94%的决策树模型。 其次模拟了铁质破片散落在含有石头树叶的沙土中的场景并采集其高光谱数据, 通过前后级联的空谱融合方法, 在空域经过图像增强和去噪等预处理之后, 采用边缘检测结合区域生长以及形态学处理的方法对空间图像进行分割, 得到沙土上有形态的目标, 空间分割的交并比(IOU)达到93.5%, 真阳率(TPR)达到97.4%； 然后结合光谱域训练得到的决策树模型, 对各个分割区域的每个像素点进行谱域的类型识别, 参与分类的三类像素点个数分别为146 172、 50 484、 213 438, 识别准确度分别为87%、 86%、 96%； 最后将分类结果可视化, 以每个区域像素点最多的一类代表该区域类别, 将目标破片与石子和树叶两种背景进行了准确的识别, 以标定后的分割图像为标准, 三类像素点个数分别为155 502、 52 045、 217 794, 识别率分别为94%、 97%、 98%。 分析结果表明空间分割结合光谱信息的识别方法能够有效利用空间和高光谱的特征信息对铁质破片目标进行准确识别。 同时验证了使用高光谱成像进行空谱联合识别爆炸破片的科学性以及可行性, 对未来采用智能化识别破片的方式评估破片战斗部威力具有一定的实用意义。