基于SAO-VMD-FFT的激光诱导荧光光谱信号信噪比提升方法

针对基于激光诱导荧光光谱法(LIFs)的便携式场地地下水检测技术装备在原位检测地下水中典型重金属时,光传感信号含噪声严重,影响后续定量分析准确度的问题,提出了一种雪消融优化器(SAO)寻优算法优化的变分模态分解(VMD)结合快速傅里叶变换(FFT)的LIFs光传感信号信噪比提升算法。利用SAO算法对VMD分解关键参数分解模态个数K和惩罚因子α进行优化,实现含噪信号的自适应最佳VMD分解,得到一系列本征模态分量。进一步结合FFT算法寻找频率突变点从而筛选出相关模态。累计相关模态得到信噪比提升后的信号。通过仿真和实测信号分析,结果表明,与EMD、WTD和S-G等常用算法相比,建立的算法能更好地去除LIFs信号中的噪声分量,保留有用信息。对方法的可行性和有效性进行了验证,可为后续利用LIFs传感信号原位定量分析地下水中重金属元素含量提供支持。

基于激光诱导荧光光谱的酸奶乳酸菌数快速检测

以市售搅拌型酸奶为研究对象,利用自行搭建的激光诱导荧光(LIF)采集系统,获取不同乳酸菌数酸奶样品的荧光光谱,探讨酸奶中各种荧光物质的荧光峰强度随乳酸菌数变化的响应关系,结合光散射校正算法建立了酸奶中乳酸菌数定量预测模型.结果显示,不同乳酸菌数酸奶样品均在435、485和520 nm附近出现了荧光特征峰,且均随乳酸菌数的变化呈现规律性变化.利用4种光散射校正方法对酸奶原始荧光光谱进行了校正,其中,OPLEC+SR光散射校正算法能够有效消除与波长相关的基线漂移的影响,所建立的PLSR预测模型结果最优,其校正集、验证集相关系数R_(c)、R_(p)分别为0.9654和0.9533,均方根误差C_(RMSE)、P_(RMSE)分别为0.1525 logCFU/mL和0.2362 logCFU/mL.为验证模型的稳定性与可靠性,利用未参与建模的8个酸奶样品对最优模型进行外部验证,实测值与预测值线性拟合后的相关系数R可达到0.9510,拟合残差模为0.8606,说明所建预测模型可以实现酸奶中乳酸菌数的实时监测.

基于FCM的煤矿突水激光诱导荧光光谱分析

快速识别煤矿突水水源类型对于矿井水害防治意义非凡。鉴于传统水化学方法水源识别耗时较长等诸多不足,提出了将模糊C均值聚类(FCM)算法和多维标度分析(MDS)用于激光诱导荧光光谱识别煤矿突水水源这一新思路。由于FCM算法在光谱分析和模式识别等方面都有着成功的应用,况且激光光谱具有时间响应快、灵敏度高、干扰小等优点,通过实时采集水样的荧光光谱数据,利用FCM和MDS对光谱数据分析后就可以辨别水样类型。以华东地区某矿的老空水和奥灰水以及按比例混合得到水样共7种(每种水样各20个样本)为实验材料,利用405nm激光打入被测水体,一共采集了140组荧光光谱数据,随后选择合适的波长区间进行分析。取每种水样各15组共105组光谱数据用作训练集,其余35组光谱数据用作测试集。使用MDS建立七种不同水样的模型,再利用FCM算法进行聚类分析得到七种水样的簇中心,最后使用得到的簇中心对测试集进行验证。实验结果表明,不同水样的光谱图有着较大差异,选取合适的波长区间下的光谱数据,在MDS下选择维度为2,利用FCM算法对水样进行分类,全部140组样本的准确率是100%。

激光诱导荧光光谱分析法研究(Ⅰ)-EDTA-Tiron-CTMAB体系和光学多道分析仪用于痕量铽的测定

采用Nd:YAG泵浦的染料激光器和硅增强靶型光学多道分析仪组装的激光诱导荧光光谱测量装置,研究了不同类型表面活性剂对铽-EDTA-Tiron体系的增敏、增稳作用和激光能量与荧光强度的关系,拟定了以EDTA-Tiron-CTMAB测系测定痕量铽的激光诱导荧光光谱分析方法。实验结果表明,此法具有灵敏度高、选择性好,稳定和快运等特点。不经分离,用于氧化钇中痕量铽的测定,结果良好。

不同植物的激光诱导荧光光谱特征及其在遥感上的意义

用337nm氮分子激光照射不同种类的植物,可以得到每一种类植物的激光诱导荧光特征光谱。利用峰的波长,荧光强度的差异可以将木本阔叶树、针叶树,草本双子叶及单子叶植物加以区分。685与740以及440与550nm的荧光强度比值均可以作为植物区分的两种参数。用激光诱导荧光技术监测植物要选择合适的生长期和季节,单子叶植物应选拔节期,双子叶植物应选营养生长期,而木本植物则应选在春末夏初。研究表明,激光诱导荧光遥感技术对植物鉴别与分类以及植物的长势监测具有极其重要的意义和应用前景。

模拟酸雨对大豆的激光诱导荧光光谱和反射光谱的影响研究

在田间栽种大豆 ,在生长期内 ,配置不同 pH值的模拟酸雨定期定量地分区喷洒 ,定期测量其生长状况并采样测试激光诱导荧光光谱和反射光谱。研究结果表明 ,酸雨对大豆的生长有明显的影响 ,并在其光谱特征上也有显著的差异 ,与酸雨的酸度和喷洒的强度密切相关。

激光诱导荧光光谱识别动脉粥样硬化斑块的研究

采用氩离子激光为激发光源 ,分别研究了离体正常动脉壁、动脉粥样硬化斑块和血液等的激光诱导荧光光谱 结果表明 ,正常动脉壁样品组的荧光光谱强度最大值明显高于动脉粥样硬化斑块样品组 ;斑块的荧光光谱在 5 16nm处存在一个小波谷 ,而正常动脉组织的荧光光谱则无此波谷 ;斑块组织在 5 98nm处与 5 78nm处的荧光强度比值R(I598nm/I578nm)远低于正常动脉壁的比值 ;血红蛋白含量是引起粥样斑块与正常动脉壁的R(I598nm/I578nm)

NO_2分子在550～740nm范围内的激光诱导荧光光谱

以皮秒Nd :YAG激光器的二倍频输出 (5 32nm)作为激发源 ,在室温下 ,对NO2 分子在低气压和较高气压情况下进行了激光诱导荧光研究。在低气压条件下获得了在 5 5 0～ 74 0nm范围内的振动序列 ,将其归属为由第一电子激发态A2 B2 态向基电子态X2 A1态不同振动态的跃迁 ,由此得到对称振动模式和弯曲振动模式的谐振频率 ,分别为ω1=130. 0 72cm-1和ω2 =744 . 14cm-1。并在此基础上对较高气压下荧光光谱产生的明显红移现象进行了解释 ,得到了有意义的结果。

一种激光诱导荧光光谱特征提取新方法

利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和Fisher线性判别分析(Fisher Linear Discriminative Analysis,FLDA)方法相结合提取特征,提出了一种荧光光谱特征提取新方法--PCA_FLDA。实验证明,新方法提高了激光诱导自体荧光光谱对早期结肠癌的诊断精度。对预处理后的240条荧光光谱,利用PCA_FLDA算法提取了50个特征变量,利用支持向量机将其分为正常组织和癌变组织,分类敏感性、特异性和准确率可分别达到97.5%、95.12%和96.25%。

无泵负压进样-芯片电泳分离-激光诱导荧光光谱法测定儿茶酚胺类物质

提出了用芯片电泳分离-激光诱导荧光光谱法测定儿茶酚胺类物质的方法。采用自制的无泵负压进样系统,避免了进样歧视效应。在优化的条件下,去甲肾上腺素(NE)、多巴胺(DA)和肾上腺素(E)可在1 min内完全分离。3种儿茶酚胺的平均迁移时间依次为30.59,37.23,46.43 s,其相对标准偏差(n=7)依次为1.10%,1.28%,0.45%。3种物质的线性范围为0.3～5.0 mg.L-1(NE及DA)和0.05～4.0 mg.L-1(E),检出限(3S/N)依次为30,30,10μg.L-1。

土壤有机污染物激光诱导荧光光谱检测方法研究进展

土壤有机物污染源广、危害程度高、监测手段有限,是继水污染、大气污染又一个引起全球关注的环境问题。土壤有机污染快速在线检测分析对农业生产、土壤调查、土质修复有着重要的意义。激光诱导荧光(LIF)光谱技术是一种基于光致发光的物质成分和含量分析技术,具有样品使用量少、预处理过程简单、检测速度快等特点,在环境科学、生物分析、生命科学等众多领域有广泛应用。国内外研究人员展开大量研究工作,已形成较完善的方法体系及技术设备。文章介绍了LIF测量系统的组成结构和工作原理,综述了现阶段LIF技术在土壤有机污染物检测研究进展,重点包括土壤中油类污染物、多环芳烃污染物、有机农药污染物的识别及定量分析方法等,以及仪器开发过程中涉及的相关问题,给出了LIF技术在土壤有机污染物检测方面的发展趋势,为进一步发展基于LIF技术的土壤有机污染物现场快速检测仪器提供参考。

温度对矿井老空水激光诱导荧光光谱的影响

煤矿井下突水水源的快速判别对煤矿安全生产意义非常重大,激光荧光技术用于煤矿突水水源的识别打破了传统水化学方法耗时长的不足。矿井老空水是最常见也是危害最大的水源类型,而温度是影响物质特性的重要因素之一,研究激光诱导荧光检测老空水的温度特性有助于快速准确识别矿井突水水源,该研究具有重要的学术意义和实用价值。采用405nm蓝紫光半导体激光器作为光源,设定激光器功率为120mW,产生的激光经UV/Vis石英光纤由荧光探头照射待测水样,待测水样受激光激发产生荧光由荧光探头采集,通过石英光纤传输至光谱仪。以2017年3月在淮南市张集煤矿采集的老空水作为研究对象,首先过滤掉水样中的悬浮颗粒,随后将其放置在烧杯中,使用冰块使样品温度降低至5.0℃,随后放入恒温水浴锅中,使用铁架台固定荧光探头使其位于液面下1cm处。在荧光光谱采集过程中,样品始终放置在恒温水浴锅中,通过水浴锅控制样品在10.0~60.0℃温度范围内获取荧光光谱,并讨论了温度变化对老空水激光诱导荧光光谱谱图、波峰位置及峰值、温度系数、谱图面积的影响。研究结果表明:随着温度升高,加速了分子运动,增加了分子间碰撞的概率,使得非辐射跃迁增加,老空水的荧光效率下降,荧光强度减弱,荧光光谱整体呈衰减变化主要集中在400~700nm波段;老空水荧光光谱的两个波峰所对应的波长保持不变,并未随着温度变化发生漂移,两个波峰处(472和493nm)荧光强度减弱最明显,同时荧光强度减弱与温度升高存在较好的线性关系,荧光强度和温度在472nm处拟合相关系数r^2为0.91,在493nm处的拟合相关系数r^2为0.963 36;472nm处的温度系数在20.0℃时达到最小值0.34%,493nm处的温度系数在20℃时达到最小值0.81%,两处的温度系数均在20.0℃时达到最低值即荧光光谱在20.0℃附近最稳定;温度升高,老空水在荧光光谱在400~700nm波段与温度轴包围的面积逐渐减小,400~700nm波段谱图所对应的面积与温度的拟合相关系数r^2为0.975 39即面积的减小与温度的升高有良好的线性关系。通过研究矿井老空水的温度特性,矿井老空水的激光诱导荧光光谱在20℃最稳定,在该温度条件下采用激光诱导荧光技术进行矿井水源的识别效果最佳,同时利用老空水波峰以及面积与温度的线性关系进行温度补偿可以进一步提升利用LIF技术进行矿井突水水源识别的灵敏度和精度,该研究对实现矿井老空水的快速、准确判别具有重要意义。

燃烧产物组成激光诱导荧光光谱的测量

对激光诱导荧光(L IF)光谱技术在燃烧过程中的应用进行研究,介绍测量燃烧过程中常见自由基OH和NO的L IF光谱的实验方案,以及采用激光诱导荧光光谱技术测量小分子荧光光谱的方法,利用YAG激光器、染料激光器、CO2激光器、光谱仪、ICCD等设备对燃烧产物中常见小分子自由基OH和NO进行了测量,从实验中得到了自由基OH和NO的荧光光谱。实验结果表明,荧光光谱与激发波长无关,但是激发波长改变后,荧光强度因离开最佳波长而有所下降,这符合分子荧光光谱的特征。与其他光谱技术相比,激光诱导荧光光谱技术具有极高的选择性和灵敏度。

激光诱导荧光光谱快速检测食源性致病菌

近年来,由微生物污染引起的食品安全问题对人类健康构成威胁。微生物的快速检测对食品安全具有重要意义。目前,微生物快速检测技术存在操作困难,成本高的不足。激光诱导荧光光谱(LIFS)具有灵敏度高、操作方便、设备相对便宜等优点,为微生物的快速检测提供了一种潜在技术。利用便携式405 nm激光激发三种常见食源性致病菌(粪肠球菌、鼠伤寒沙门氏菌和铜绿假单胞菌)的荧光,并利用微光纤光谱仪检测光谱。通过调节激光器功率(10~100 mW)得到粪肠球菌的荧光强度,验证了激光器功率(Power,P)与细菌荧光强度的关系,结果表明最佳激光器功率范围为50~80 mW。测量了在激光器功率P=50 mW时细菌样品的荧光光谱,并讨论了细菌种类和荧光光谱之间关系。结合文献分析粪肠球菌在528 nm处出现黄酮的荧光峰,铜绿假单胞菌中的原卟啉发射634 nm荧光峰。实验结果表明:(1)铜绿假单胞菌在634和703 nm处的荧光峰,可作为直接识别特征;(2)基于多元统计,将粪肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌的光谱划分为9个特征区,采用动态聚类法得到粪肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌的识别率均达到100%。结果表明,激光诱导荧光光谱法可有效检测铜绿假单胞菌、粪肠球菌和鼠伤寒沙门氏菌。相较于其他微生物快速检测技术,LIFS方法操作方便,检测速度快,识别率高,对食源性致病菌的快速检测具有重要的应用价值。

紫外光区S_2分子激光诱导荧光光谱

利用真空脉冲放电超声射流气体束(H_2S/Ar^3%混合气体)的方法产生了气相S_2分子,并研究了30 400~34 400cm^(-1)范围内S_2分子的时间分辨和基态振动频率分辨的激光诱导荧光光谱,获得了184支谱带的高分辨率(0.1cm^(-1))和低分辨率(0.3cm^(-1))转动光谱。实验观测并归属了S_2分子B_u^(Σ-)-X^3Σ_g^-和B″~3Π_u-X^3Σ_g^-共84支振动跃迁,分析得到了激发态B^3Σ_u^-态ν=0~9和B″~3Π_u态ν=2~12的分子常数以及B^3Σ_u^-态的基态平衡分子构型。由于S_2分子B^3Σ_u^-与B″~3Π_u态之间存在微扰,这两个电子激发态的振动能级间隔、自旋分裂常数和自旋-轨道分裂常数变化不规律,转动跃迁强度和跃迁选择定则存在异常,利用~3Σ-~3Π的齐次微扰哈密顿量定性地对这些异常光谱进行了解释,进一步丰富了S_2分子紫外区低能电子激发态的信息。

氧化金激光诱导荧光光谱:b^4π^3/2-X^2π^3/2跃迁

研究Au-O键可以帮助人们更好理解不断发展的金化学科学,而氧化金AuO是含Au-O键最简单的模型,因此对氧化金分子的电子态结构进行研究有重要的科学意义。激光诱导荧光光谱是研究分子结构和化学键的有效手段。利用激光溅射结合超声射流技术产生气相氧化金分子(AuO),采用激光诱导荧光光谱技术测量氧化金在16500~18500 cm^-1范围内的电子谱。消融激光(Leibao Dawa-300)溅射高纯度(99.9%)金靶产生金原子,将靶材安装在真空步进电机上由步进电机带动转动,保证溅射激光每次打在靶材不同的位置,保证信号的稳定度。高压纯氧气经脉冲阀(Parker,General Valve,series 9)进入真空腔室与金原子反应生成气相氧化金分子AuO。Nd∶YAG激光器(Continuum SureliteⅡ-10)泵浦染料激光器(Sirah,Cobra-Stretch)输出线宽为0.05 cm^-1、脉宽为5 ns、能量为0.1 mJ·pulse-1的激光,该激光激发前述产生的氧化金分子至激发态。扫描染料激光器,使用光电倍增管PMT(EMI,ET9202QB)探测此荧光。示波器卡(Picoscope 6404C,500 MHz,14 bits)将光电倍增管探测的信号转换成数字信号输入到计算机,采用基于LabVIEW的分析程序读取信号。分析所测量的光谱,带头在17152.94,17552.17,17932.78和18291.62 cm^-1的四个振转谱带被归属为b^4π^3/2(v′=0,1,2,3)-X^2π^3/2(v″=0)跃迁谱。对转动分辨的光谱进行拟合,得到激发态b^4π^3/2态的光谱常数,包括转动常数和离心畸变常数。分析了激发态可能的电子组态,为1σ^21π^41δ^42σ^12π^33σ^*1。

1-甲基萘的振动分辨激光诱导荧光光谱研究

在超声射流条件下得到了1-甲基萘的激光诱导荧光光谱,并结合理论计算研究了1-甲基萘分子的基态和激发态的几何构型及振动信息。运用DFT方法在B3LYP/6-311++G**的水平上优化了1-甲基萘的基态几何构型,结果表明1-甲基萘分子基态的S-E和E-S两个构象体中,只有S-E构象体为稳定构型,E-S构象是连接两个S-E构象的过渡态。采用CIS方法对S-E构象体的激发态进行了结构优化及振动分析,用计算得到的激发态振动频率以及TDDFT方法计算的垂直激发能对1-甲基萘的荧光光谱进行了分析与标识。研究结果表明,1-甲基萘的S0→S1的跃迁强度比萘的相应跃迁有所增强,但是依然存在与更高激发态之间的Herzberg-Teller耦合效应。

时间分辨激光诱导荧光光谱法测量钒原子3d^(3)4s4p奇宇称能级自然辐射寿命

为了精确地测量更多原子和离子能级自然辐射寿命,进一步填充光谱数据库,本文运用时间分辨激光诱导荧光光谱法(TR-LIF)测量了钒原子6条电子组态为3 d^(3)4s4p,能级位置高于40000 cm^(-1)奇宇称能级的自然辐射寿命。其中,3条能级的寿命值与他人测量结果差别不超过±5%,符合得很好,另有3条能级寿命为首次报道。此外,对于未被收录进美国国家标准与技术研究院(NIST)数据库的40299.87 cm^(-1)、40437.36 cm^(-1)能级,通过实验测量出寿命结果分别为9.8 ns和10.8 ns,有效地证明了这两个能级的存在。

激光诱导荧光检测鸡蛋抗生素残留的方法研究

禽蛋产业中抗生素残留超标问题作为重要的食品安全问题之一,近些年来受到了广泛关注。目前对畜禽产品抗生素残留的检测方法主要采用微生物检测法、免疫分析法、高效液相色谱法等方法,但这些方法对于现场样品的快速检测还存在一定的不足。应用具有高灵敏度、高分辨率、速度快等特点的激光诱导荧光分析技术,开展鸡蛋中抗生素残留快速检测方法研究。样品以蛋清为溶剂,抗生素种类选用鸡蛋中可能残存的抗生素,包括环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星、土霉素和庆大霉素,通过加入抗生素试剂模拟鸡蛋中抗生素的残留,测定了不同浓度下的抗生素荧光光谱。采用欧氏距离及概率密度的方法进行定性分析,定性分析的准确率在三倍标准差范围内达到了100%。在对已有的几种不同浓度样品进行检测分析后,建立了每种抗生素对应的c-S拟合曲线。结果表明,在有效检测范围内(环丙沙星:0.0001~1 mg·mL^(-1),诺氟沙星:0.0002~1 mg·mL^(-1),氧氟沙星:0.00005~1 mg·mL^(-1),土霉素:0.0001~0.2 mg·mL^(-1),庆大霉素:0.01~1 mg·mL^(-1)),可以根据荧光峰的净峰面积比较准确地计算抗生素含量。最后,计算了抗生素定量曲线的准确度和检出限,说明了该方法可以应用到鸡蛋中抗生素的残留量检测,但目前还存在检出限较高的问题,需要更进一步研究来降低检出限。

土壤多组分PAHs激光诱导二维荧光光谱定量方法研究

激光诱导荧光技术具有实时、快速的优势,并且无需对样品做预处理,是土壤多环芳烃定量分析检测的一种重要分析手段。然而土壤中多环芳烃种类繁多,激光诱导荧光光谱重叠严重,在无法进行化学分离的情况下实现土壤中多环芳烃的精确定量是难点之一。本文采用266 nm可移动激光诱导荧光系统获取了农田土壤多环芳烃的荧光光谱,研究了基于单变量线性回归、加权非负最小二乘多元线性回归和支持向量回归的多组分多环芳烃定量分析方法。结果表明:采用单变量线性回归,蒽和菲的相关系数均小于0.90,平均相对误差均大于20%;与单变量线性回归相比,加权非负最小二乘多元线性回归提高了两组分多环芳烃污染土壤中蒽和菲的预测精度,但在多组分多环芳烃污染土壤中的平均相对误差仍在20%以上。最后,采用GWO-DE优化的支持向量机回归模型分析了多组分多环芳烃污染土壤中的蒽和菲,蒽的平均相对误差由多元线性回归的23.1%下降至5.02%,菲的平均相对误差从20.8%下降到4.83%。该研究为提高土壤多组分多环芳烃激光诱导荧光定量分析的准确性提供了方法支撑。