基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

毛细管电泳-激光诱导荧光测序仪偏振特性研究

基于毛细管电泳-激光诱导荧光原理测序仪中,激发光偏振态对拉曼光和荧光的激发效率有影响。针对该特性进行了深入研究,通过理论建模仿真和偏振光线追迹分析了光学系统对于入射光偏振态的影响,并且搭建了实验系统研究了激发光偏振方向对于激发结果的影响。实验结果表明,作为筛分介质的POP-7聚合物的拉曼散射光强度会随激发光偏振方向的改变而产生明显的变化,波动值高达50%以上,且此波动值随着激发光强度降低而相应减小;对于多色荧光染料,在激发过程中表现出完全的随机性,不同浓度梯度下各色荧光对于激发光偏振方向改变具有各自不同的响应度,但均未表现出与激发光偏振方向显著的相关性。

基于激光诱导荧光光谱技术检测花生中黄曲霉毒素B_(1)

目的探究激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)技术检测花生中黄曲霉毒素B_(1)(aflatoxin B_(1),AFB_(1))的可行性,定性和定量分析花生中的AFB_(1)。方法制备不同浓度梯度的污染花生,经LIF系统采集荧光光谱,平滑后分析光谱数据结构。基于全波长光谱使用5种不同建模方法对污染花生定性判别,采用偏最小二乘法回归(partial least squares regression,PLSR)和BP神经网络(BP neural networks,BPNN)进行定量预测。通过竞争性自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)提取特征波长,研究其对定性和定量预测的影响。结果对于全波长光谱数据,线性核函数的支持向量机[support vector machine with linear kernel function,SVM(Linear)]建立的判别模型效果最优,预测正确率100.00%。PLSR和BPNN均获得较好的定量预测效果,剩余预测偏差(residual predictive deviation,RPD)>3.0,检出限(limit of detection,LOD)<20μg/kg;对于特征光谱数据,SVM(Linear)定性判别预测正确率93.94%,F1值为0.94,受试者工作特征(receiver operating characteristic curve,ROC)曲线下面积(area under the curve,AUC)为0.989。建立的PLSR模型性能优于未提取特征波长的两种定量模型,RPD为3.36,LOD为14.76μg/kg。结论LIF技术检测花生中的AFB_(1)简单快速,定性定量预测模型准确性好,具有一定可行性。

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。

超声萃取-亲和毛细管电泳-激光诱导荧光法同时测定纺织品和食品塑料包装中16种多环芳烃的含量

通过优化背景电解液酸度及背景电解液中硼砂、羧甲基-β-环糊精(CM-β-CD)、二甲基-β-环糊精(DM-β-CD)的浓度,利用多环芳烃(PAHs)与CM-β-CD以及PAHs与DM-β-CD亲和力的差异,提出了提示方法。参考GB/T 28189-2011进行样品前处理,将样品剪成0.5 cm×0.2 cm的细条,分取1 g,加入50 mL环己烷,密封后于50℃超声提取1 h。冷却至室温,过滤,滤液用附激光诱导荧光检测器的高效毛细管电泳仪分析,背景电解液为含30 mmol·L^(-1)CM-β-CD、20 mmol·L^(-1)DM-β-CD和40 mmol·L^(-1)硼砂的混合溶液(pH 5.0),荧光检测波长为325 nm。结果显示:16种PAHs的质量浓度在0.01~0.5 mg·L^(-1)内与峰面积呈线性关系,检出限为0.002~0.040 mg·L^(-1);按照标准加入法进行回收试验,结果为91.4%~104%,测定值的相对标准偏差(n=5)为0.40%~6.3%。方法用于3种纺织品以及5种食品塑料包装的分析,8种样品均不同程度地检出了PAHs。

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。

基于紫外激光的羟基-平面激光诱导荧光探测研究进展

羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物,在燃烧诊断技术中,基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构,同时羟基也是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程,揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法,具有时空分辨率高、无干扰、可进行组份选择等优点,已成功用于对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行结构观测,为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始,梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状,介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术,并对不同技术路线的特点进行了讨论,最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。

基于多偶极腔体的氦灰激光诱导荧光诊断实验验证研究

利用多偶极腔体模拟聚变堆偏滤器附近氦中性粒子存在环境,通过激光诱导荧光诊断对于氦中性粒子的速度分布谱进行了直接测量,对测量区域的波长标定以及二极管激光器的可调谐范围的拓宽进行了研究。对该方案在聚变堆上的应用进行了评估。

激光诱导荧光诊断中荧光频率极限的实验研究

在用激光诱导荧光法测量多偶极腔体中的氩等离子体的离子速度分布函数的实验中,研究了激光频率与信号强度的关系。在给定等离子体放电参数条件下,发现存在一个入射激光诱导荧光的极限频率,大于该频率时荧光强度不再增加。该诱导荧光的极限频率随荧光收集系统中透镜组中的小孔大小而改变。

利用平面激光诱导荧光对旋流火焰OH自由基的定量研究

为了获取非稳定火焰中OH瞬态粒子数密度分布,提出了一种基于平面激光诱导荧光(PLIF)的免标定OH定量测量方法。该方法采用双向激光的实验设置采集OH荧光图像,以获得激光沿程衰减的信息。提出了一种递归结构的算法并提取了激光的吸收系数分布,极大降低了现有数据处理方法对光路准直精度和图像信噪比的苛刻要求。通过该方法对航空发动机旋流燃烧室模型的非预混贫燃火焰进行了研究,得到OH自由基的瞬态空间分布。实验结果表明:随着燃烧室内的流量增大,火焰上游的氧燃混合程度增加,湍流对燃烧反应的干扰程度增大,火焰的结构也发生明显转变;而在不同工况下,OH粒子数密度的最大值均在10^(16) cm^(-3)量级。

毛细管电泳-激光诱导荧光法测定细胞中谷胱甘肽

谷胱甘肽(GSH)在抵抗氧化应激和重金属解毒过程中发挥着重要作用,建立灵敏、准确的GSH定量分析方法对于研究细胞重金属毒性机制具有深远意义。该研究以肝癌细胞(HepG2)为研究对象,以活性基团为芳香邻二醛的2,3-萘二甲醛(NDA)为标记试剂,建立了一种高灵敏度的测定细胞中GSH含量的毛细管电泳-激光诱导荧光检测方法(CE-LIF)。实验考察了缓冲溶液的种类、pH、添加剂等对GSH与NDA的反应速率和NDA-GSH检测灵敏度的影响。比较了pH为7.4和9.2的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液、pH为9.2的硼砂和Tris缓冲溶液中NDA-GSH的灵敏度和反应速率,结果显示在pH为9.2的硼砂缓冲溶液中NDA-GSH的灵敏度最高且反应速率最快。进一步比较了4种添加剂对NDA-GSH灵敏度的影响,结果显示以β-环糊精(β-CD)作为添加剂效果最好。在最优的实验条件下,GSH与NDA可以在5 min内达到反应平衡,3 min内检测到NDA-GSH电泳信号。采用外标法对细胞中的GSH进行定量分析,方法线性范围为0.01~20.00 mmol/L,GSH的检出限和定量限分别为0.006μmol/L和0.020μmol/L,加标回收率和标准偏差分别为95.7%~112.6%和3.8%~5.0%(n=3)。通过建立的方法对HepG2细胞中的GSH进行定量分析,并研究了As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)刺激细胞后胞内GSH的变化情况。结果表明,在研究剂量水平下,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅲ)不会影响HepG2细胞中GSH的含量,而高剂量Cr(Ⅵ)会导致GSH含量显著降低。结合元素毒性数据,说明HepG2细胞内GSH含量与细胞毒性相关,GSH含量会随着细胞毒性增大而降低。

开放式仪器分析教学实验设计——基于LEGO积木的模块化激光诱导荧光检测系统的构建

基于市售乐高(LEGO)积木和3D打印积木构建的光学模块,发展了适用于本科生仪器分析教学实验的模块化激光诱导荧光(Laserinducedfluorescence,LIF)检测系统。将该系统的构建过程引入本科生仪器分析的实验教学中,指导学生基于不同功能的积木块,实现LIF系统的组装和搭建,并应用于对荧光素钠溶液浓度的测定。该系统具有成本低、易构建、操作灵活等特点,模块化的构建形式大大降低了仪器搭建门槛,即使没有前期经验的本科生也可在3 h内搭建完成。将模块化构建思想引入开放式教学环节,可激发学生对仪器分析课程的兴趣和热情,同时有助于加深学生对荧光分析原理和LIF检测系统结构的理解,在系统构建过程中还能锻炼学生的动手能力,提高学生发现问题和和解决问题的能力。

基于激光诱导荧光光谱技术的生物质热反应过程研究进展

深入了解生物质的热解、燃烧特性以及碱金属的生成特性是生物质清洁高效利用的理论基础。传统的测量手段由于测量精度低以及时间滞后等问题,对于生物质热反应过程认识存在不足。激光诱导荧光(LIF)技术具有非接触、实时在线、高空间分辨率、连续性等优点,其用于生物质热反应过程的研究报道越来越多。本研究主要综述了近年来LIF技术在生物质热解过程、燃烧过程及燃烧过程中碱金属释放特性的应用进展,分析了不同反应条件下生物质热解过程中挥发分的生成演化行为及其形成机理,阐述了生物质燃烧过程中火焰结构信息及碱金属的释放迁移转化特性,提出了当前研究存在的一定不足及未来研究方向。

环己烷氧自由基激光诱导荧光光谱的甲氧基取代效应研究

首次在超声射流的条件下获得了不同位置甲氧基取代环己烷氧自由基的LIF光谱,在通过理论计算对光谱进行标识的过程中发现3-甲氧基环己烷氧自由基的cis-(a,a)构象中出现了电荷转移激发态。电荷转移激发态的结构中形成了氢键,氢键的出现可以辅助电荷转移过程的发生。

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.

激光诱导荧光诊断的波长标定方法的研究

激光诱导荧光作为一种非侵入式的诊断技术,通过激光扫频得到粒子速度分布函数来计算其速度和温度。为得到较高信噪比的粒子速度分布函数,需要对多次采集的数据进行平均处理,这需要标定每次扫频的激光波长,以确定每次扫频的相同波长范围。为此发展了利用碘分子吸收光谱来进行波长标定的技术。为探究有效的光谱对齐算法,分别使用最小均方误差法、误差梯度下降算法和卷积神经网络在模拟碘分子吸收光谱数据集上进行了测试。结果显示,最小均方误差法具有很好的对齐精度,且对齐平均误差小于两个采样间隔。利用最小均方误差法对齐碘分子吸收光谱,对Ar+激光诱导荧光实验结果的激光波长进行了标定,平均了多组Ar+速度分布函数。相较于利用法布里-珀罗干涉仪共振峰标定以及激光触发曲线标定,通过碘吸收光谱标定得到的离子温度更准确。

激光诱导荧光实验系统设计及其对叶绿素a的检测研究

叶绿素a不仅是植物光合作用的重要物质,而且水质中叶绿素a的含量也是衡量水体富营养化程度的重要依据。而激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence,LIF)技术以检测灵敏度高、检测速度快被广泛应用到各个领域。为此,搭建了一款基于激光诱导荧光技术的检测系统,该系统以355 nm激光为光源,在无水乙醇中检测叶绿素a样品时可以发现在671 nm处有明显的荧光特征峰。利用RBF神经网络和BP神经网络对采集到的光谱数据进行建模和分析。所建立的RBF神经网络模型预测所得到的相对误差为2.9668×10^(-9),决定系数为0.93771,平均回收率为94.103%。所建立的BP神经网络模型预测得到的相对误差为1.5811×10^(-9),决定系数为0.98756,平均回收率为100.883%。结果表明,BP神经网络预测的各项指标优于RBF神经网络预测的各项指标。

适配体磁纳米探针-激光诱导荧光特异识别微囊藻毒素-LR

微囊藻毒素-LR(MC-LR)具有强烈的肝毒性、致癌性和发育毒性,亟需严格监测。为实现环境水体中微痕量MC-LR的快速特异灵敏的分析识别,以金属有机框架化合物(MOF)为介导,增强磁纳米粒子比表面积,高效负载纳米金和适配体-cDNA分子杂交荧光探针,研发新型的适配体功能化磁纳米荧光探针(Fe3O4@MIL-101-NH2@Au@aptamer),实现了对MC-LR的适配体特异识别-激光诱导荧光(LIF)超高灵敏分析。论文详细研究了适配体磁纳米探针荧光检测MC-LR的可行性、 MC-LR测定的优化条件及其方法性能。结果表明:MOF修饰的磁纳米颗粒Fe3O4@MIL-101-NH2的Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积达到114.02 m^(2)·g^(-1),比单一Fe3O4提高了近5倍,适配体-cDNA杂交荧光探针在磁纳米颗粒表面的修饰率达98%以上,适配体磁纳米探针对水体中痕量MC-LR具有很强的荧光响应。在最优条件下(pH 7.5、 NaCl浓度500 mmol·L^(-1)、纳米金尺寸为20 nm,测定时间为30 min),适配体磁纳米探针与MC-LR结合释放出荧光互补链,体系荧光强度与MC-LR含量成正比,线性浓度范围为0.020~3.000μg·L^(-1),检出限(LOD)为0.006μg·L^(-1),灵敏度比文献报道的荧光分析法提高了1.6~22.3倍。所建立的适配体磁纳米探针-LIF法对MC-LR的识别特异性高,在100倍量的干扰物(微囊藻毒素MC-RR、 MC-YR、大田软海绵酸OA)共存情况下,适配体磁纳米探针在混合体系中的荧光响应与在MC-LR单样中的响应强度偏差小于3.3%,交叉反应性小;日内、日间和批间的测定标准偏差(RSD)为1.7%~8.8%,相对误差RE为-4.3%~4.1%,方法稳定性和重现性好。该方法应用于闽江、西湖水和内河水等样品分析,水中MC-LR得到了良好的识别检出,不同加标浓度的MC-LR(0.050, 0.100和1.000μg·L^(-1))测定回收率为(90.1%±6.4%)~(104.2%±7.0%)(n=3),与LC-MS确证方法的测定结果[加标回收率(91.3%±7.0%)~(104.4%±2.0%),n=3]一致。所建立的适配体磁纳米探针与LIF联用技术对水中痕量MC-LR具有高的特异识别和灵敏检出能力,为环境水中痕量MC-LR的现场特异识别分析提供了一个新的技术。

OH和CH_2O平面激光诱导荧光同时成像火焰结构

OH和CH_2O平面激光诱导荧光(PLIF)同时成像技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面能够发挥重要作用。OH的分布被用来表征火焰反应区的结构,而CH_2O的分布则被用来显示火焰预热区的分布。利用OH和CH_2O PLIF同时成像技术研究了甲烷/空气部分预混火焰的结构。从实验系统、光路调节、时序同步、OH A-X(1,0)扫谱、数据采集和处理等方面讨论了PLIF同时成像技术的实验方法。实验结果表明,OH和CH_2O PLIF同时成像能够分别呈现甲烷/空气部分预混火焰反应区和预热区不同形状的瞬时结构;由于反应区在相邻位置的结合,在火焰中能够局部生成新的分裂的预热区。

微流控芯片-激光诱导荧光检测器的研制及核酸片段分离检测中应用

采用自行设计的共焦式激光诱导荧光检测器(激发波长635nm,发射波长670nm),以cy5染料对检测器的空间分辨能力和灵敏度进行了测试,检出限达到10-9mol/L。建立了一种微流控芯片快速分离检测DNA片段的方法。以0.8%羟丙基甲基纤维素(HPMC)为筛分介质,以(噻唑橙单体)To-pro-3为荧光标记染料,在玻璃微流控芯片中实现了dsDNA片段的无胶筛分和激光诱导荧光检测,12条DNA片段在75s内得到分离。