小型化拉曼光谱仪器的研制进展

拉曼光谱仪是工业研究和实验室环境中广泛使用的光学仪器,用于物质的指纹识别和分析。随着实际使用过程中对测量环境的要求变化,越来越多的小型化拉曼光谱仪被设计出来,研制更便携的拉曼光谱仪已成为研发人员的目标。小型化拉曼光谱仪可以更好的满足仪器便携式的需求,使拉曼光谱检测技术应用到更广泛的领域。本文介绍了小型化拉曼光谱仪器的研制范式和仪器的几种类型,综述了小型化仪器研究中涉及的关键技术问题,针对其应用尤其是现场毒品、毒物、环境污染物检测方面进行了介绍。最后,本文展望了未来小型化拉曼光谱仪器的研究方向和可能的应用趋势,为小型化拉曼光谱仪的进一步研制提供参考。

基于外差相敏色散光谱技术的宽动态范围甲烷气体检测

为实现痕量甲烷气体的宽动态范围高灵敏度检测,本文开展了双边带拍频抑制模式的外差相敏色散光谱技术研发,研究了电光调制器工作特性以及偏置电压调控方法,对比了抑制与非抑制模式下的色散相位谱轮廓与信噪比,并对检测性能(如线性动态检测范围)进行了系统研究。基于近红外分布式反馈激光器和电光调制器,搭建了外差相敏色散甲烷气体检测系统,通过探索和分析电光调制器的最佳工作区间,实现了双边带拍频抑制进而得到了大幅值、高信噪比的色散相位信号。测量了典型高频(1.2 GHz)强度调制下甲烷/氮气标气的色散相位信号,获取了色散相位信号峰峰值随气体浓度的变化规律。同时开展了波长调制光谱技术实验,对两种技术的线性度、检测动态范围和对光功率波动的抗干扰性能进行对比研究。最后,通过测量不同浓度的标气验证了该系统在宽动态、快速时间响应下的性能。所开发的基于外差相敏色散光谱技术的甲烷检测系统具有线性度高(R^(2)=0.9999),动态检测范围宽(38.5 ppm~40%),且对光功率波动免疫性高的显著优势。本文研发的基于外差相敏色散光谱技术的气体检测技术在宽动态范围检测和实际现场检测应用领域具有广阔的前景。

激光诱导荧光探测水体中溶解有机物浓度

用Nd∶YAG激光器的三倍频355nm光作为激发光源,根据激光诱导荧光(LIF)方法激发并探测污染水体的荧光光谱.通过对荧光光谱的分析处理研究归一化荧光强度,即450nm处水中溶解有机物(DOM)峰与405nm处水的拉曼峰的比值,反演溶解有机物浓度.用商品腐殖酸和去离子水配置成已知浓度的溶液代替标准DOM溶液进行标定,得到回归方程.结果证明,DOM的归一化荧光强度与水体中DOM浓度有较好的线性关系,因此LIF方法是对大面积水域水质进行动态遥测的较理想方法.

激光诱导击穿光谱在物质成分定量分析方面的实验研究进展

介绍了激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的工作原理,综述了LIBS定量分析物质成分的方法及多种实验参数对LIBS分析性能的影响。将LIBS的定量分析方法分成两类:基于定标曲线的定标方法和不基于定标曲线的自由定标方法,介绍了两种方法各自的原理和持点。在实验参数方面,主要考察了激光器参数、观测时间、环境气体种类和压力、光谱检测设备等实验参数对LIBS分析性能的影响。

基于三维荧光光谱技术的多组分分析浓度校准方法研究

水体中污染物质在受到光激发时,不仅发出荧光,而且对荧光具有吸收作用,因此在应用荧光光谱定量分析水体多种污染成分时,导致分析结果不够准确．结合三维荧光光谱技术和PARAFAC算法,提出了一种用于多组分分析的非线性浓度校准模型,通过标样数据估计物质之间对荧光的吸收校准参数,应用于浓度反演中．实验结果表明,运用这种非线性的浓度校准模型可以改善多组分分析的性能,提高分析精度．

采用激光诱导击穿光谱技术测定合金钢中锰和硅的含量

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术定量分析多品种合金钢中锰(Mn)和硅(Si)的浓度,采用的校正方法为多元二次非线性函数定标方法。分析的钢种有普通合金钢、不锈钢、碳素工具钢等。由于不同钢种在基体组成上存在较大差异,而且钢的光谱还存在复杂的谱线重叠干扰,所以受基体效应影响严重。因此,对钢这类复杂化学体系物质的定量分析,若采用单谱线信息的校正方法会造成很多有用信息的丢失,而采用多变量的定标法会更充分利用光谱中的信息,更有效校正多基体组分的基体效应,进而提高LIBS定量分析的重复性和准确性。相比线性标准定标曲线法,测量结果的相对标准差从20%以上降低到10%以下,Mn元素测量结果的准确度提高了5倍多,Si元素提高了6倍多。

激光诱导击穿光谱法测量煤粉流的控制因素

用激光诱导击穿光谱(LIBS)法直接检测煤粉流时需要对主要控制因素进行优化,本文采用正交实验法考察了3个主要控制因素:功率密度、积分延迟时间和单位截面流量对LIBS测量煤粉流的影响。选用粒径小于0.2mm的煤粉作为实验样品进行了统计分析和方差分析。结果显示:在实验所选取的参数范围内,功率密度、积分延迟时间对有效激发率有显著影响,单位截面流量的影响程度最低。优化后的方案为:功率密度9.4×1011 W/cm2,积分延迟时间1 500ns,煤粉流量根据经济性原则在合理范围内选取。得到的结果表明该方法可用于指导煤粉流的实际在线测量。

利用LIBS技术在线半定量分析液态钢成分

基于激光诱导击穿光谱技术,研发了一套钢液成分在线分析系统,实现了钢液中Cr、Ni、Si、Mn元素成分的半定量在线分析。实验采用中频感应炉熔炼钢材,并在熔炼过程中添加原料来调整钢液中的元素浓度。通过估算的浓度值绘制标定曲线,比较了不同特征谱线的标定结果。结果表明,采用合适的特征谱线能使标定曲线相关系数达到0.9476以上,测量结果的相对标准差低于7.43%,平均误差低于0.058%。浓度在线测量中,通过中值滤波提高了测量精度,抑制了异常点,准确识别了浓度改变时刻和变化程度。

荧光衰减曲线的一种多指数拟合方法

在荧光衰减测量中 ,总要遇到荧光衰减解卷积 ,进行非线性参数拟合问题。目前已有的非线性求极小值方法 ,都对参数估计值非常敏感 ,而且计算程序运行时间较长。我们建立了一种基于经典的步长加速法实现非线性最小二乘拟合 ,进行荧光衰减解卷积的方法 ,按程序给出参数初值 。

插层高岭石层间醋酸钾的作用和取向

利用X粉晶衍射和激光拉曼光谱实验分析高岭石及其醋酸钾插层物的结构。通过实验表明醋酸钾对结晶指数(HI)为0.9的高岭石进行插层,插层率为73%,使高岭石的d(001)由0.72075nm增加到1.42093nm。进入高岭石层间的醋酸根利用其羧基上的两个氧同时和高岭石的面内羟基形成氢键,在高岭石层间直立取向,而对其内羟基基本无影响。当温度升高时,与面内羟基伸缩振动有关的峰(3698cm-1,3684cm-1,3672cm-1等)发生红移,且强度增加;而与内羟基伸缩振动有关的峰(3621cm-1)则发生蓝移。温度升高到100℃以上,开始发生去插层过程;直到250℃,插层分子还不能完全从高岭石层间脱去。

三维荧光光谱技术在水监测中的应用

应用荧光光谱技术分析水中污染物的含量具有灵敏度高、检测速度快等优点,三维荧光光谱技术可以提供在普通的荧光光谱中所得不到的信息,此技术可以用于多组分同时测量。讨论了如何运用三维荧光光谱技术分析水中污染物的成分,计算其含量,并给出了有效的荧光光谱特征数据库建立、多组分分析和浓度反演的数学模型。

碳室约束对激光等离子体辐射的增强效应

以土壤样品为靶,提出利用小型碳室对高能量激光诱导等离子体进行空间限制来提高等离子体发射光谱质量。采用高能量脉冲激光烧蚀土壤样品,利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息,研究了激光诱导等离子体在有或无碳室约束条件下辐射强度的变化;通过光谱学测量方法求得电子温度和电子密度,用以解释等离子体辐射增强的机理。实验结果显示,当利用小型碳室约束激光等离子体时,土壤样品元素Mn,K,Fe和Ti的光谱线强度比无碳室约束时分别提高了90.77%,101.71%,104.27%和60.77%;光谱信噪比分别提高了54.29%,55.30%,59.37%和38.80%;等离子体的电子温度和电子密度分别提高了1 684K和1.8×1016 cm-3。得到的结果表明,利用空间约束方法能够有效地提高激光诱导等离子体的发射光谱强度和信噪比,为利用激光诱导击穿光谱技术检测物质中低含量成分奠定了基础。

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限;综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展。最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战。

纳米粒子的熔点与粒径的关系

推导纳米粒子的熔点与其粒径的定量关系,并从热力学的角度阐明纳米粒子烧结过程的实质及烧结温度与粒径的 关系.利用热力学及表面化学的有关理论,虚拟固相和液相之间的相变过程,根据相平衡条件,将纳米粒子的熔点与粒径联 系起来,并以金属铅(Pb)为例进行计算.结果表明,纳米粒子粒径越小,比表面自由能越高,其化学势则比相同条件下的块 状固体高很多,导致其熔点和烧结温度大大低于同样材质的块状固体.以金属Pb为例,通过熔点和粒径之间的定量关系计 算的结果与实验结果吻合.因此纳米粒子的熔点和烧结温度与其粒径有关,即粒子越小,熔点和烧结温度越低.

新型便携式激光诱导击穿光谱系统综述

本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测,对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发,但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响,研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发,利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号,降低了激光能量,从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。

水体中溶解有机物的特性与测量

系统评述了水体中溶解有机物的特性及测量方法。介绍了水体中溶解有机物的研究概况,指出了开展水体中溶解有机物定量监测的必要性;详述了水体中溶解有机物的激光诱导荧光测量方法、对水体中有机物荧光光谱进行分析的特征光谱荧光标记技术和荧光强度归一化处理技术,以及利用激光诱导荧光方法测量水体中溶解有机物浓度的标定方法;综述了多种因素对利用激光诱导荧光方法测量的影响。

水体中溶解有机物的荧光光谱特性分析

以355 nm激光为激发光源,在实验室中利用激光诱导荧光(LIF)方法对不同水体中溶解有机物(DOM)的荧光光谱进行了测量,并以最小二乘法-高斯拟合对水体荧光光谱进行了拟合,解卷积得出了水喇曼散射谱及DOM的荧光光谱.在改变激发光脉冲强度的条件下,以一定浓度腐殖酸溶液为测量样品分析了DOM的荧光饱和特性.结果表明,随着激发光功率密度的增加,水喇曼散射强度线性增加,而DOM的荧光强度随着激发光功率密度的增加先是线性增加,此时归一化荧光强度为一恒定值.当激发光功率密度大于55 mW/cm2时,荧光强度增加缓慢,归一化荧光强度则逐渐降低.研究发现,在有机物浓度较高时,出现了激发态分子间的单重态-单重态猝灭,并且在低浓度情况下,随着有机物浓度的增加,出现了有机物荧光峰值强度位置的红移并伴有波形的展宽.

激光诱导击穿光谱增强机制及技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新的材料识别及定量分析技术。但是光谱的重复性低限制其由定性分析向定量分析的发展。因此提高激光诱导等离子光谱信号信噪比及等离子体的空间稳定性对于提高光谱信号的可重复性、降低基体效应等不利因素影响有着积极的作用。同时光谱信号信噪比的增强可降低对激光器输出能量的要求,有效降低了激光诱导击穿光谱集成系统的成本,有利于此技术向更多领域拓展。本文对实验中采用的双脉冲或多脉冲增强,放电脉冲再激发,空间限域,磁场束缚和微波辅助增强四大类方法加以总结及概括。在此基础上深入探讨光谱增强的物理机制,从而为进一步提高光谱信号稳定性及定量化分析的精确度提供有力的理论支持。

激光诱导荧光水体污染遥测数据定量分析方法

在紫外光的激发下,污染水体中的溶解有机物(DOM)会产生特定的荧光光谱,因此利用激光诱导荧光(LIF)可对水体中的溶解有机物的含量进行定量分析,从而可估计出水体富营养化的程度。提出了一种用于对水质遥测数据进行定量分析的方法,这是一种基于遗传算法(GA)的光谱分离算法。首先确定拉曼散射信号和溶解有机物的荧光在404nm波段的信号强度,然后再利用拉曼散射信号对DOM荧光光谱进行归一化处理。根据浓度校准曲线可得到水体中的溶解有机物的浓度。

调光生态膜促进植物生长的机理探讨

依据量子理论,叶绿素a,b吸收光波是量子化的。调光生态膜采用有机共轭分子分散到二维线性分子中,使有机共轭分子从生色团变为生荧团,能吸收太阳光中的紫外光和绿光而产生叶绿素a,b所需要的蓝光和红光,大大增加叶绿素a,b可吸收的光子数,从而加速了光合作用,促进植物生长。