基于荧光光谱和拉曼光谱技术的中药检测研究

中医药是中华文化的瑰宝和中华文明的结晶,在全民健康中发挥着重要作用。由于中药生长环境受限及市场需求量的增大,市场上出现了许多以次充好、以假乱真的中药,这对中药发展及质量保障都极为不利。因此,对中药的检测和鉴定非常重要。为了探究中药的荧光光谱和拉曼光谱特性,选取白芷、苏木、山药、地榆四种中药进行分类检测研究。一方面,从化学成分和结构的角度分析中药白芷和苏木产生荧光的可能性,采用F-4600型荧光光谱仪(200~750 nm)分别在不同激发波长和不同浓度下测试了白芷和苏木水浸液的荧光光谱,探究了白芷和苏木水浸液的荧光光谱特性,并对荧光强度与不同浓度、激发波长的关系进行了探讨。另一方面,采用共聚焦显微拉曼光谱仪(100~4000 cm^(-1))对4种不同产地的山药和2种不同产地的地榆中药饮片的拉曼光谱分别进行测试研究。结果表明,白芷水浸液在波长260~350 nm的光激发下,产生较强荧光,最佳激发波长是340 nm,荧光峰值波长为420 nm,其荧光强度随浓度的增大而增强,且样品浓度较低时,荧光强度与浓度成线性关系;苏木水浸液在200~290 nm的光激发下,产生较强荧光,最佳激发波长为220 nm,荧光峰值波长为345 nm,随浓度的增加,荧光强度先增强后减弱,在浓度为0.175 mg·mL^(-1)时荧光强度达到最大。白芷水浸液和苏木水浸液的荧光强度都与激发波长的关系呈现高斯分布,符合荧光规律。分析山药和地榆的拉曼光谱,发现不同产地的拉曼特征基本一致,确认山药的拉曼特征峰主要集中在477、862、939、1080、1258、1337和1457 cm^(-1)处;地榆的拉曼特征峰主要集中在862和1337 cm^(-1)处,主要归属与已有的化学成分研究结果相符。部分特征峰处拉曼活性出现差异,可以作为区分不同产地中药的依据。该研究结果不仅为荧光光谱在中药鉴定及质量分析中的应用提供了实验数据和方法参考,也为利用拉曼光谱技术实现中药的快速准确检测及产地归属奠定了基础。

高光谱预处理方法与多模型在分类判别中的对比研究

高光谱技术能够快速、无损地获取丰富的信息,在植物研究和监测中已成为一种广泛应用的工具。茄科植物作为一种重要的经济农作物,与高光谱技术结合进行研究具有巨大的应用潜力。本研究采用高光谱技术对茄科植物的初烤后不同部位叶片进行分类研究。采用Field Spec 3光谱辐射仪对293份不同部位的茄科植物粉末样本进行高光谱采样,采用S-G平滑以及一阶导数和二阶导数的方法对数据进行预处理,用于信息增强和去除噪声,并通过偏最小二乘法对数据进行降维,以减少冗余特征。基于降维数据,采样支持向量机、逻辑回归、K近邻、决策树、随机森林和梯度提升决策树这六种机器学习算法建立分类模型。结果显示,在分类任务中,经过一阶导数处理后,支持向量机模型最佳,在训练集和测试集上分别实现了100.0%和84.7%的准确率。经网格参数优化后确定最优参数为:最大深度不限制,最小样本分割数为4,估计器数量为200。参数优化后五折交叉验证准确率为88.1%,训练集准确率为100%,测试集准确率为86.4%。研究结果表明,预处理方法结合降维方法能够增强数据信息使得分类模型能够更好地捕捉茄科植物样本的特征。该研究对于快速、准确、无损地区分茄科植物的部位具有重要意义。

光谱辐射照度国际关键比对装置、方法与结果分析

基于高温黑体辐射源和双光栅光谱辐射比较测量系统,中国计量科学研究院自主研制了新一代光谱辐射照度国家基准装置,波长范围覆盖230~2550 nm,以一组稳定的卤钨灯作为副基准灯组,保存和传递光谱辐射照度量值。黑体的温度溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C共晶点黑体,在3021 K采用钨碳-碳WC-C共晶点黑体进行验证。采用新基准装置,2017年-2019年NIM参加国际计量局组织的光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a,比对由全俄光学物理学测量研究院(VNIIOFI)主导,共有12个实验室参加。比对结果表明:除少数实验室外,在250~290、300~1300、1500~2500 nm波长范围,各参比实验室之间的一致性分别为±2.0%、±1.0%和±2.0%。在紫外、可见和近红外波段,NIM与国际比对参考值的平均相对偏差分别为0.13%、0.28%和0.15%。在250~2500 nm全波段,NIM与国际比对参考值的平均相对偏差为0.17%,与2004年平均相对偏差0.9%相比,测量能力提升显著。

不同分数阶微分形式在盐渍土电导率高光谱反演中的适用性研究

近年来,部分学者将分数阶微分理论应用到盐渍土电导率高光谱反演中,取得了较为显著的效果。然而,已有研究多采用Grünwald-Letnikov分数阶微分定义形式,对于Riemann-Liouville、Caputo分数阶微分定义形式的应用研究较少,Riemann-Liouville、Caputo分数阶微分定义形式在盐渍土电导率高光谱反演中的适用性尚不明确。基于实测土壤电导率和高光谱数据,考虑常见的Grünwald-Letnikov、Riemann-Liouville和Caputo三类分数阶微分定义形式,通过软件编程实现Grünwald-Letnikov、Riemann-Liouville、Caputo分数阶微分处理函数,比较分析了不同分数阶微分定义形式下,土样高光谱数据在同阶微分处理后的差异性以及随阶数增加后的变化特征。结果表明:土样光谱反射率曲线在不同分数阶微分定义形式下,同阶微分处理后表现出较大差异;在0.1~1阶范围内,随微分阶数的增加,Grünwald-Letnikov、Riemann-Liouville、Caputo分数阶微分处理后高度变异波段数量均呈现出增加趋势;当微分阶数趋于1时,光谱反射率微分值逐渐降低且向0值逼近,波动范围逐渐减小,而光谱数据的变异性却随着波动范围的减小而增强;Grünwald-Letnikov分数阶微分处理在0.6、0.7阶相关系数提升9.5%、6.7%,Riemann-Liouville和Caputo分数阶微分处理后,相关系数分别在0.8~0.9阶、0.7~0.9阶提升1%左右。该研究为高光谱数据预处理提供了一种新的研究思路,为更好的将分数阶微分理论应用到土壤盐渍化遥感反演中提供参考。

基于注意力机制的高光谱图像降维在纸质文物霉斑识别的研究

纸质文物作为文物传承的重要工具,用于记录不同时期人类历史及人文风貌,其在保存过程中极易受到霉菌等微生物的侵害。霉菌会加速纤维素的降解,在纸张表面生成霉斑,并且散落的孢子会随空气流动大范围传播,增加其他纸质文物发生霉变的风险。因此,定期对纸质文物进行霉斑检测对了解纸质文物现状和纸质文物修复至关重要。高光谱成像技术是一种非接触性、非破坏性的检测技术,能同时获得空间数据和光谱数据,与计算机技术结合可以实现纸质文物的大批次实时无损检测。针对黑曲霉这一广泛出现的霉菌,提出一种基于注意力机制的高光谱数据降维方法,通过采集其高光谱数据,实现了高光谱冗余数据的自适应预处理。采集了来自重庆中国三峡博物馆提供的20份纸质文物黑曲霉霉斑样本,使用ENVI软件分析得出在413~855 nm波段范围内,黑曲霉霉斑感染区域和健康区域的平均光谱曲线,平均反射率差异明显;在855~1021 nm波段范围内,黑曲霉霉斑感染区域和墨迹区域的平均光谱曲线,平均反射率差异明显。文中将所提出方法与传统主成分分析和独立成分分析预处理方法分别处理原始高光谱数据,并将结果在经典U-Net、SegNet、DeepLabV3+和PSPNet四个语义分割网络上进行了对比。结果表明,该算法预处理的数据在U-Net和SegNet经典网络中有明显优势,相较于主成分分析法和独立成分分析法,霉斑识别精度取得了较大提升达到89.49%和88.46%,验证了本文所提出算法的有效性,为文物保护领域提供有效的支撑和新的思路。

达卡巴嗪分子拉曼和紫外吸收光谱的理论研究

采用密度泛函理论(Density functionol theory,DFT),在B3LYP/6-31+g(d,p)基组水平上,对达卡巴嗪进行了结构优化,通过频率计算,获得达卡巴嗪的拉曼光谱,与实验获得的拉曼光谱进行对比,对400~2000 cm^(-1)频率范围内的拉曼光谱特征峰进行了指认归属.计算分析前线分子轨道和表面静电势,预测了达卡巴嗪分子化学反应发生的位点.采用含时密度泛函理论(Time-dependent density functional theory,TDDFT)计算了该分子的紫外吸收光谱和激发态,获得电荷转移光谱,分析了达卡巴嗪分子间的电荷转移关系.

加替沙星拉曼光谱、紫外吸收光谱及微观结构的理论研究

基于密度泛函理论(Density functional theory,DFT),M06-2X/6-311G(d,p)基组水平下对加替沙星分子的初始结构进行优化.计算其振动频率,采用VEDA4软件基于势能分布(Potential energy distribution,PED)计算结果对特征振动模式进行了归属指认,并和实验光谱进行了对比.绘制了分子表面静电势,分析分子可能发生亲电和亲核反应的位点.利用含时密度泛函理论(Time-dependent density functional theory,TDDFT)计算了加替沙星分子的激发态,讨论了加替沙星分子内的电子跃迁.该研究为分析加替沙星的光谱和电子结构提供了理论基础.

基于多光谱和高光谱的茶树越冬期REC、SPAD和MDA预测模型

抗寒生理指标的测定是评价茶树抗寒性的重要途径。传统上,茶树抗寒性的评价方法主要是通过测定茶树在低温胁迫下的理化参数。然而,这些方法不仅费时费力,而且具有破坏性。该研究建立了一种基于多光谱和高光谱成像技术的茶树抗寒性REC、SPAD、MDA预测模型。首先,采集了低温胁迫下32份育种材料的多光谱与高光谱图像,并测定相应茶树叶片的REC、SPAD、MDA、SP和SS含量。其次,对其中的高光谱图像数据采用MSC、SNV、S-G、1-D和2-D五种方法进行光谱预处理,采用UVE和SPA两种方法筛选特征波段。最后,分别对多光谱和高光谱数据采用SVM、RF和PLS算法建立茶树抗寒性REC、SPAD、MDA预测模型。结果表明,(1)MSC、SNV、S-G、1-D和2-D联合预处理后的光谱更加稳定,峰谷更加突出,模型的准确性和可靠性更高;(2)UVE算法筛选的特征波段数量最多,而SPA算法筛选的特征波段数量最少,更适合高光谱数据建立回归模型;(3)RF模型在多光谱成像预测叶片的REC(R_(p)=0.7352,RMSEP=0.0771)、SPAD(R_(p)=0.5029,RMSEP=6.6818)和MDA含量(R_(p)=0.7846,RMSEP=8.8853)方面具有最高的精度;SPA-SVM模型在高光谱成像预测叶片的SPAD(R_(p)=0.7349,RMSEP=4.1546)和MDA(R_(p)=0.6858,RMSEP=8.5488)方面具有最高的精度,SPA-PLS模型在预测REC(R_(p)=0.6298,RMSEP=0.0669)方面具有最高的精度。因此,基于多光谱、高光谱成像和机器学习算法的REC、SPAD、MDA预测模型提供了一种准确、无损和高效的方法,对茶树抗寒性评价具有重要意义。

岩芯高光谱成像及勘查指示意义研究--以西藏邦铺大型多金属矿床为例

西藏邦铺矿床是冈底斯成矿带上重要的斑岩-矽卡岩型矿床,矿区东段矽卡岩矿体研究程度较低。高光谱成像技术可以快速获取岩芯样品“图谱合一”的高光谱数据,选取邦铺矿床东段矽卡岩典型岩芯为样品,应用国产核工业北京地质研究院自主研发岩芯扫描仪与国外SPECIM岩芯成像仪,开展短波红外(SWIR)高光谱成像测试及对比分析,揭示典型矿物的短波红外光谱特征,并探讨先进的高光谱成像技术应用于矽卡岩勘探的潜力与优势。对同一批岩芯样品分别进行了国内外仪器的高光谱成像测试,利用最小噪声分离变换以及纯净像元指数进行端元提取,而后结合光谱信息散度法选取不同矿物的训练集和验证集样本,采用光谱角填图法进行蚀变矿物填图。共识别出方解石、绿帘石、绿泥石、角闪石、石英、白云母六种矿物,两种仪器矿物填图的结果大体一致,并反映了不同蚀变矿物之间的组合与分布。SPECIM成像仪对两个钻孔样品的平均填图精度为91.5%,Kappa系数为0.87;核工业高光谱成像仪对两个钻孔的填图精度为75%左右,Kappa系数为0.66。两种仪器获取的高光谱数据信噪比均较高,但是由于核工业仪器的数据空间分辨率相对更低,导致图像中存在更多的混合像元,进而影响了填图精度,其空间分辨率的进一步提高是下一步研发的重点。高光谱成像数据表明ZK0010钻孔绿泥石Fe-OH吸收峰波长变化范围为2252.3~2260 nm,ZK0011钻孔绿泥石Fe-OH吸收峰变化范围为2251.7~2258.5 nm,由上至下均向短波方向移动,表明了绿泥石远离矿化中心而相对富Mg,其高值指示了矿体中心位置。高光谱成像技术相较于传统的点测法可以提供更加丰富的空间信息和光谱信息,为指针矿物的光谱特征参数提取与变化规律分析提供了技术支撑。利用高光谱成像提供的大量光谱数据进行绿泥石Fe-OH峰位统计分析,进而可以通过其波长高值位置指示矽卡岩矿床勘查。

多光谱法研究二氢杨梅素对胰脂肪酶的抑制作用

藤茶中主要黄酮类物质——二氢杨梅素(DMY)具有多种生物活性,而其降血脂机理鲜有报道。采用紫外光谱研究了DMY对胰脂肪酶(PL)的抑制作用,结合荧光光谱、同步荧光光谱、三维荧光光谱及分子对接模拟法研究了二者之间的相互作用及机理。紫外光谱测得DMY对PL的半抑制浓度为2.6×10^(-4)mol·L^(-1),表明其对PL具有较好的抑制作用,采用Lineweaver-Burk方程得出该抑制剂为竞争性作用,其抑制常数为6×10^(-4)mol·L^(-1);通过Stern-Volmer方程和静态猝灭双对数公式对293和310 K两者互作的荧光光谱计算,结果表明DMY能猝灭PL的自发荧光,荧光猝灭方式为静态猝灭,猝灭常数K_(SV)与温度负相关;结合常数K a与温度正相关,结合位点数n约为1,说明DMY与PL结合并形成稳定的配位复合物;采用Van't Hoff方程求出结合过程中的热力学参数ΔS=0.2014 J·mol^(-1)·K^(-1),ΔH=32.311 kJ·mol^(-1),ΔG小于0,表明两者通过疏水作用力自发结合且放热;由F rster非辐射能量转移理论计算出结合距离r=1.475 nm,说明DMY与PL结合生成复合物时发生了非辐射能量转移;同步荧光光谱结果表明,DMY与PL的相互作用对PL的二级构象发生了明显改变,主要作用于色氨酸(Tyr)附近。紫外光谱进一步揭示DMY可使PL发生π→π跃迁,导致其氨基酸残基的微环境变化;三维荧光光谱显示DMY可使PL两个特征峰(peak1,peak2)分别红移10和5 nm,荧光强度分别下降51.38%和41.93%,证实两者发生疏水作用后PL的微环境极性增大,构象改变;分子对接模拟结果表明,DMY结合位点位于PL中由PHE77、PHE215、TYR114、ILE209、PRO180氨基酸形成的疏水口袋内,其A环C5、B环C4′、C环C3、C环C O的-OH分别与氨基酸HIS263、TYR114、SER152、PHE215形成氢键,与氨基酸LRU213、GLU179、ALA178、THR78产生范德华力。实验数据有助于深入解DMY的降血脂分子作用机制,其独特的结构为天然抑制剂的药物合成和筛选提供了理论依据。

Cu^(2+)污染下农作物叶片特征光谱探究

为探究重金属胁迫下农作物污染响应的敏感叶型及谱段,设计了室外温室环境下的不同铜胁迫梯度玉米花盆试验。以玉米叶片为探究对象,利用仪器测定了出穂期玉米叶片的高光谱反射率数据以及叶片中重金属含量数据,为研究提供了基础数据。从频率域角度,结合时频分析的方法设计了叶片光谱探测法(LSDM),获得了重金属铜胁迫下敏感叶型及谱段,为农作物重金属监测提供技术支撑。根据玉米的生长过程,从老叶(O)、中叶(M)、新叶(N)光谱350~1300 nm的全谱段和子谱段角度进行探究。(1)对铜胁迫下玉米叶片的高光谱反射率数据进行双微分(SOD)和包络线移除(CR),转换到频率域上,结合时频分析的方法进行Daubechies小波6层分解。(2)根据信号异常点、小波高值点和SODCR曲线高值点,定义玉米叶片的光谱异常参数(SAP)。异常变化反射率ACR(异常反射率与其后一个相邻波段反射率差值的绝对值);异常小波系数AWC(异常小波系数与其后一个相邻波段小波系数差值的绝对值);异常SODCR值ASV(异常点SODCR值与其后一个相邻波段SODCR值差值的绝对值)。通过光谱异常参数与玉米叶片重金属含量的相关关系,探究对铜污染响应敏感的叶型及谱段。结果表明,叶片光谱探测法LSDM能高效地对玉米叶片弱信息进行增强,并准确定位出重金属铜胁迫引起的光谱异常谱段位置,异常变化范围集中在350~800 nm内;光谱异常参数能定量地衡量玉米叶片在重金属铜胁迫下的光谱异常;在不同铜胁迫梯度下,玉米新叶(N)为敏感叶型,敏感谱段为蓝边、绿峰、黄边、红谷。该研究有望为其他谷类农作物及其冠层尺度重金属监测提供技术支撑。

基于无人机多光谱数据和氮素空间分异的玉米冠层氮浓度估算

作物冠层氮素营养的遥感诊断对指导作物精准施氮,提高作物氮效率和产量具有重要意义。本研究针对玉米冠层纵深大影响无人机估算氮浓度精度的问题,基于2022年和2023年不同氮肥运筹处理下田间无人机多光谱数据和氮浓度实测数据,分析玉米冠层氮浓度空间分布特征,并利用随机森林算法确定估算冠层氮浓度的有效叶层。进一步结合随机森林算法和多光谱植被指数构建有效叶层氮浓度估算模型,最终将有效叶层氮浓度转换到冠层尺度实现冠层氮浓度的估算。结果表明:(1)九叶展期和大喇叭口期玉米冠层氮浓度表现为上层叶片>中层叶片>下层叶片,吐丝期和乳熟期表现为中层叶片>上层叶片>下层叶片。(2)各时期估算冠层氮浓度的有效叶层分别为下层、中层、中层和中层。与支持向量回归模型相比,随机森林回归估算冠层氮浓度的精度较高。(3)结合随机森林算法,基于有效叶层氮浓度估算冠层氮浓度的平均RMSE、NRMSE和MAE分别为0.10%、4.41%和0.07%,而直接基于植被指数估算冠层氮浓度的平均RMSE、NRMSE和MAE分别为0.19%、9.00%和0.15%。综上,玉米冠层氮浓度存在空间分异特征,估算冠层氮浓度时考虑基于随机森林和植被指数估算的有效叶层氮浓度能明显提高冠层氮浓度的估算精度。本研究确定的考虑空间分异的冠层氮浓度估算框架可为玉米氮素营养实时诊断提供理论支撑。

自激式电感耦合等离子体光源设计及光谱分析

电感耦合等离子体(ICP)光谱仪是一种应用范围很广的元素分析仪,主要用于元素定性与定量的分析。ICP光源是光谱仪的核心部件,它在光谱仪中扮演着至关重要的角色。目前主流的ICP光源有两种:自激式和他激式,各自具有优缺点。他激式光源电路复杂、体积庞大、阻抗匹配速度较慢、最大输出功率有限。设计了一种基于镀金工艺的高功率MOSFET和变频实现阻抗匹配的自激式ICP光源,该光源采用射频放大和阻抗匹配一体化的设计,把从负载线圈采样的频率信号f_(1)以及功率放大电路放大后的频率相位f_(0)进行相位比较,再根据两者相位差的变化,进而控制频率的变化,实现阻抗匹配;设计上采用了镀金工艺的金属化硅N通道型高功率的MOSFET实现功率放大,具有更大的功率密度、更小的体积,最大输出功率超过2400 W。对研制的ICP光源进行了电学静态测试,给出了鉴相器、压控振荡器以及功率的输出特性,验证了各电路在相应工作状态下的性能表现;同时结合光谱仪进行了包含Ba、Na和Li元素标准溶液的测试,获得了目标元素的光谱信号;另外,对获得的光谱信号进行了处理,使用了基于EEMD特征增强的方法对目标元素光谱信号进行有效增强,信号的线性决定系数(R^(2))从0.97降至0.99,相对标准偏差(RSD)从6.47%降至1.07%,增强了信号的准确性和可用性。本文所研制的自激式ICP光源,通过射频放大和阻抗匹配一体化设计缩小了体积,变频技术使阻抗匹配速度从毫秒级提升到纳秒级,镀金工艺的MOSFET技术使最大输出功率从原来的1800 W增加到2400 W,为ICP光源的进一步优化和应用奠定了基础,具有重要的科学研究和工程实践意义。

川西铜矿周边土壤铬含量高光谱反演研究

矿产资源的开采,给其周边土壤带来许多环境问题,如何快速筛查出矿区周边土壤污染情况尤为重要。本文以川西某铜矿周边土壤作为研究对象,采用LASSO算法对SG平滑后的高光谱数据R SG和经过多元散射校正(MSC)、一阶微分(FD)、倒数变换(RT)的光谱数据进行特征波段的筛选。使用偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林(RF)、支持向量机回归(SVR)、极端梯度提升(XGBoost)、反向传播神经网络(BPNN)5种模型进行反演。结果表明,R SG、MSC、FD筛选出的特征波段集中在近红外区域,RT筛选出的特征波段集中在可见光区域;MSC-SVR模型的R 2,RMSE和RPD分别为0.763、6.745、2.06,在所有模型中精度最高,该模型可用于研究区土壤中铬的快速监测。

使用光谱分析实现弯管中两相流含气率的预测

空气被夹带进入发动机润滑油系统形成油气两相流后,会严重影响润滑系统的正常运行。因此实现发动机润滑油系统中油气两相流含气率的准确和快速测量具有十分重要的意义。基于光谱匹配方法,对发动机润滑油系统在弯管处的油气两相流含气率进行了测量研究。首先使用近红外、可见光和紫外光谱仪获取油气两相流在2个流速、5个温度工况下0.10%~1.00%含气率范围(间隔0.06%)的吸光度数据并进行分析,确认油气两相流在三个波段下均有吸收,且吸收强度与含气率有关;其次提出将数据预处理结合光谱相似性测度方法并应用于弯管含气率光谱分析中,显著降低了基于原始光谱的含气率预测的最大相对误差。在近红外波段通过使用数据增强方法如中心化(center)和标准化(autoscaling)并结合光谱角余弦方法,得出新润滑油的含气率最大相对误差相对于原始光谱得到的数值从48%降低到36%。利用该方法分别在三个波段进行含气率预测,试验工况包括2个流速、5个温度,分析了两相流的温度和流速对含气率预测的影响。温度30.0℃,流速5.1 m·min^(-1)下,含气率信息在紫外波段(193.5~413.8 nm)与光谱向量的方向或形状差异的联系更为紧密,含气率预测的最大相对误差仅为6%。在近红外和可见光波段,流速或温度一定时,最大相对误差随着温度或流速的增加均有减小趋势。紫外波段下温度对含气率预测效果没有特定的影响规律,随着两相流的流速增加,含气率预测的最大相对误差有增大趋势。结果表明对于透光性较好的新润滑油,使用紫外光谱仪进行含气率数据的采集,含气率的预测选用标准化预处理结合光谱角余弦方法,得到的含气率预测最大相对误差最小。

基于自研光谱仪的痕量气体光解速率测量研究

光解速率及其测量技术最早由德国科学家提出,21世纪初Metcon公司开发了光解速率测量仪,该技术在国内得到关注,部分高校和公司对光解速率测量系统开展了研究和开发。国外产品一般体积较大,价格昂贵。国内产品中光谱仪、接收器等核心器件仍依赖于国外进口,易受国外技术封锁影响。在我国“十四五”国家重点研发计划中“大气与土壤、地下水污染综合治理”重点专项对化学气候综合站检测技术与装备需求引导下,研制了测量大气物质光解速率的光谱仪系统,并满足其核心部件国产化的要求。系统采用自主设计的小型光谱仪作为核心部件,配合各向均匀响应的光学接收器,经实验室光学定标后测得各种物质的光解速率。该系统工作波段为285~430 nm,时间分辨率可达0.1 s,可测物质包括NO_(2)、HONO、HCHO、H_(2)O_(2)等,与国外进口测量仪器对比,各气体物质光解速率的测量误差小于5%,相关性均超过0.93。采用该系统在合肥市董铺岛对大气中气体光解速率开展了长时间的连续监测。对NO_(2)光解速率变化趋势以及NO_(2)光解速率与浓度间的相关性进行分析,发现光解反应与驱动光化反应的能量密切相关,晴天的光解速率数值明显高于阴天与雨天。发现NO_(2)光解速率与浓度的积分曲线间存在一种经验公式,相关性大于0.9,可通过测量NO_(2)光解速率对NO_(2)浓度的累积量进行估计。该系统实现了核心部件的国产化,整体结构简单、便携,方便外场试验安装的同时,降低成本,提高经济性。研究为大气污染综合监测治理提供数据支撑,对各地区的环境监测及污染预防具有参考意义。

基于太赫兹-热重光谱的粘土矿物热解特性表征

粘土矿物是粘土岩和土壤的重要组成部分,是地球表面大部分覆盖物的主要物质单元,深入研究其结构特点、粒径大小及含水量的变化等特征对探究粘土矿物富集地区的环境演变规律和矿物工业应用具有重要指导意义。面对地学领域多样化的实际应用需求,常见的矿物表征方法在挖掘矿物中指针性极强的物理特性时经常受限。作为一种新型非接触式相干测试手段,太赫兹光谱技术利用该波段指纹谱、宽光谱及水敏感等众多优势特性,可对粘土矿物进行无损探测并获得振幅和相位等光学信息,从而区分其晶体结构及成分组成。本文以太赫兹时域光谱技术为主要手段,同时结合热重分析和傅里叶红外光谱技术对粘土矿物的热解特性展开一系列研究。其中,高岭土作为重要原料,其成分组成、粒径大小及煅烧产物都会影响陶瓷质量。实验结果证实不同状态的高岭土在太赫兹波段下的吸收系数和折射率等光学参数会发生明显变化。结构单元为2∶1型层状硅酸盐的滑石和叶腊石因其晶体结构中八面体阳离子的不同,使得光谱差异明显,这很好地反映出典型呈电中性含水矿物的热解产物及含水量指标。值得一提的是,与太赫兹领域的传统认知不同,除却一些化学手段干预,实验过程中发现叶腊石在1.10 THz具备特征吸收峰,该峰的出现既能帮助物质定性表征和光学器件发展,又丰富了太赫兹光谱对矿物的全面了解,为太赫兹光谱学与地学的交叉研究提供新的研究角度。

基于DMD的阿达玛变换型近红外光谱仪快速处理系统设计与实现

数字微镜器件(DMD)的近红外光谱仪,具有波长重复性好、分辨率高和抗振动性好等优点,广泛应用于食品安全和农业生产等领域的研究。随着DMD的微小型近红外光谱仪发展逐渐趋于成熟,仪器的成本和性能仍然是研发的关键。尽管大部分将重点放在了软件开发和检测方法的研究,而仪器硬件的处理速度至关重要。只有确保光谱仪能够快速准确的采集并传输数据,才能有效实现光谱分析。在多数研究中,阿达玛矩阵的生成和解码工作通常由上位机完成,并通过FLASH存储的方式导入模板。这种方式可能会限制采集一幅完整光谱数据的时间效率。为了提高光谱采集速度和信噪比,提出一种高速驱动DMD和快速数据采集的方法,并基于DMD微小型近红外光谱仪设计一套硬件电路系统。采用现场可编辑门阵列(FPGA)和ARM的架构,创新性地实现了奇偶阿达玛模板的生成与解码过程在嵌入式系统底层执行,加快了光谱分析的速度并提高信噪比。通过与市面上DMD型光谱仪对比,研究结果显示,所研发的光谱仪完成单次光谱的采集时间仅需214 ms,相比商用DMD型光谱仪,采集效率提升了4倍。在同等3 s的采集时间内,所研发光谱仪的信噪比为4600,相比商用DMD型光谱仪,信噪比提升了1.5倍。通过所研发的光谱仪对油菜籽样品进行光谱扫描,分析了油菜籽的脂肪、蛋白质和水分的含量,并采用偏最小二乘回归(PLSR)建立了相应的模型。油菜籽脂肪含量的校正相关系数为0.9865、预测相关系数为0.9672;蛋白质含量的校正相关系数为0.9854、预测相关系数系数为0.9636;水分含量的校正相关系数为0.9875、预测相关系数为0.9614。模型评估的结果表明,该光谱仪能够满足油菜籽成分检测的需求,验证该光谱仪在商业领域具有重要的应用价值。

基于一阶差分光谱的海水硝酸盐氮与亚硝酸盐氮测量方法

硝酸盐氮与亚硝酸盐氮是海洋水质监测的重点参数,也是研究海洋氮循环的重要参考。紫外吸收光谱法操作简单,响应快速,适用于多种水质参数监测,但测量中硝酸盐氮与亚硝酸盐氮存在混叠干扰以及海水离子干扰。提出了一种硝酸盐氮与亚硝酸盐氮快速测量方法,对光谱进行一阶差分等预处理,使用相关系数搜索进行波段优化,使用BP神经网络进行浓度反演,模型的预测值与真实值线性相关系数为0.998。与国外同类设备进行了比对测试,两者线性相关系数为0.982。参加了烟台市海洋环境监测预报中心2023年夏季航次,进行了应用测试,与实验室方法进行了比对分析,两者线性相关系数为0.902,说明本方法能够实现海水硝酸盐氮与亚硝酸盐氮的快速测量,为后续原位监测仪器的研制提供参考。

基于光谱分析的鞣花酸和尿石素A~D与HSA相互作用机理研究

采用光谱分析结合分子模拟技术探究了鞣花酸(EA)及其代谢产物尿石素A~D(UA~D)与人血清白蛋白(HSA)的相互作用机理,有助于解析其药理毒性和药效。研究结果表明EA和UA~D能与HSA以1∶1的摩尔比例结合并通过静态方式猝灭HSA的荧光。UA和UC与HSA结合是氢键和范德华力驱动的放热过程,而EA和UD与HSA结合疏水相互作用驱动的吸热过程。三维荧光图谱分析表明UC~D和EA与UA~B分别增加了HSA色氨酸和酪氨酸微环境的亲水性和疏水性。分子模拟分析结果表明,EA和UA~D与HSA的活性氨基酸残基Lys436、Asp187、Lys432、Arg485、Leu430、Leu4、Ile388、Tyr411等形成氢键,与氨基酸残基Ala191、Val456、Lys199和Trp214之间存在疏水相互作用,证明其主要通过氢键和范德华力与HSA结合,屏蔽HSA的糖基化位点,抑制其糖基化。可为EA和UA~D作为糖基化抑制剂用于治疗糖尿病并发症奠定理论基础。