基于现场可编程门阵列的质谱信号滤波器的设计与应用

低通滤波法是四极杆质谱仪信号去噪的常见方法,为了提高滤波器性能,引入一维离散平稳小波进行阈值法滤波,其不仅能够几乎完全抑制噪声,而且可以很好地保留原始信号的特征尖峰点,缩短与成熟商业化产品差距。同时针对四极杆质谱控制系统运算能力不足的问题,本研究提出了基于Zynq芯片的应用方案,大大降低了仪器得到高信噪比(Signal-To-Noise,SNR)和低均方误差(Mean-Square-Error,MSE)质谱数据的时间。基于本团队研制的四极杆质谱仪,测试使用赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司的调谐液样品。结果显示,小波变换法噪声衰减25 dB以上,对比240阶低通滤波法MSE整体降低20%以上,有效部分降低8%以上,并且通过可配置现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)处理,使有效信号相较低通滤波法下降15%以上,同时处理延迟小于1μs。为优化质谱数据降噪和控制系统集成化提供了设计参考。

基于XGBoost的铝合金LIBS光谱分类识别方法

铝合金作为重要的金属材料,广泛应用于各领域,但大量的铝合金废料却难以进行分类回收。二次资源的回收利用是我国工业绿色、可持续发展的助推器,如何快速、简便地对铝合金废料进行识别分类则成为了铝合金废料回收利用的先决条件。激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来发展快速的一种分析技术,具有快速、全元素分析、实时、原位、远距离检测等优点,已广泛应用于塑料、土壤、肉类、钢铁等识别研究,大多采用最小二乘判别分析法、簇类独立软模式、人工神经网络、支持向量机、随机森林等算法来建立模型。基于迭代型树的XGBoost算法具有正则化、并行处理运算、内置交叉验证和高度的算法灵活性等优势,其模型结构相对简单、运算量较小,且准确率较高,成为近年来机器学习中极受欢迎的算法,因而被广泛应用。基于六种铝合金样品的600组光谱数据,根据NIST原子发射光谱数据库进行光谱特征提取,确定光谱特征谱线的分类依据。利用XGBoost算法进行自动分类及排序,将处理后的光谱数据随机划分为训练集和测试集,通过训练集构建算法模型,提取其分类特征;利用测试集检验模型的稳定性和可用性,防止出现过拟合。XGBoost在固定参数下得到的模型具有一定的自适应性,较少受数据集的影响,总体准确率可达96.67%。其分类特征与已知的元素含量信息相吻合,证明了基于光谱的特征谱线数据,可为分类识别提供参考;同时还可根据XGBoost生成的特征评分来对光谱谱线特征的重要性进行排序。实验结果表明,LIBS可用于不同种类铝合金的快速识别,为废弃金属的分类回收提供了一种新的技术。

基于ZYNQ的ICP-MS数据采集处理系统设计与实现

数据采集系统是电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的重要组成部分。本研究针对ICP-MS需要同步采集脉冲和模拟信号,且信号信噪比低的问题,提出了一种基于ZYNQ芯片的数据采集处理解决方案。利用ZYNQ集处理器和可编程逻辑于一体的特性,在ARM端搭载了用于流程控制及以太网通讯的FreeRTOS实时操作系统,在FPGA端基于FIR compiler和MCDMA IP核实现了数据的采集、缓存、动态滤波及传输。脱机测试结果表明,脉冲计数误差率小于0.0005%,模拟计数线性度高达0.99998,数字滤波幅频特性曲线与理论基本一致。在本团队自行研制的ICP-MS仪器中,利用本系统测试标准调谐液TUNE D,数据采集满足仪器需求,配置64阶低通滤波后,模拟计数中^(115)In谱峰信噪比提高了49.59%。该系统FPGA端各资源占用率均小于50%,片上总功耗仅为2.28 W,有利于推动质谱仪小型化、智能化发展。

激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展

激光诱导击穿光谱(LIBS)由于具有无需样品制备、分析速度快、可远距离在线遥测以及可进行元素的二维表面分布和深度分析等特点,引起光谱化学分析领域研究者的广泛关注。在冶金过程工艺控制领域,金属材料的在线分析以及元素多维信息的获取,对于实时监控金属材料的生产工艺及准确实现金属材料的快速分类方面具有重要的意义。与传统的分析方法相比较,LIBS技术因其众多优势已成为金属材料实时在线分析的最佳手段之一,而且已有多种商品化的仪器推出。论文首先对LIBS在线仪器装置进行介绍,然后对近些年LIBS在熔融金属在线分析、连铸钢坯鉴别、炉渣在线分析、金属材料分类识别、金属材料镀层分析等方面的发展现状及挑战进行论述,最后对LIBS在线分析进行展望。

基于远程LIBS技术的镍基高温合金成分分析方法的研究

基于自行设计搭建的远程激光诱导击穿光谱(LIBS)系统,完成了远程LIBS的聚焦特性分析,并对远程LIBS技术应用于镍基高温合金成分分析的实验方法进行了研究。该LIBS系统具备激光发射光路和信号采集光路同轴且独立变焦的特点,通过自动聚焦,可实现1~10 m的远程分析。研究表明:受激光聚焦焦深的影响,等离子体光信号可探测范围随系统工作距离的增大而增大,即系统对聚焦精确度的要求降低;同时,烧蚀斑点尺寸增大导致的功率密度减小及信号采集立体角的减小,会使得谱线强度随工作距离的增大成四次方反比关系衰减。分别使用无内标的标准曲线法和有内标的标准曲线法建立了GH4169镍基高温合金中Ni,Cr,Nb,Mo,Ti和Al六种元素的标准曲线,有内标的标准曲线的拟合优度R^(2)(0.9997,0.9994,0.9987,0.9991,0.9981和0.9997)明显优于无内标的标准曲线(0.9532,0.8766,0.8974,0.9145,0.9384和0.9916)。对比了LIBS和X射线荧光光谱(XRF)两种分析技术,对于常量元素Ni,Cr,Nb和Mo,两种方法的相对标准偏差分别在1.74%~3.90%以及0.10%~0.52%,相对误差分别在0.21%~0.92%以及0.64%~2.25%;对于微量元素Ti和Al,两种方法的相对标准偏差分别为5.58%,4.15%以及2.39%,5.64%,相对误差分别为2.75%,2.93%以及4.68%,2.39%。由于激光诱导等离子体的不稳定性、烧蚀样品量少的特点,远程LIBS方法的精密度稍逊于XRF方法,但LIBS方法通过重复多次测量,可以有效减小测量误差,表明LIBS技术应用于镍基高温合金的远程在线分析具有一定的可行性。

SC-ICP-MS法测定金属元素的方法研究

为了使用单细胞电感耦合等离子体质谱(SC-ICP-MS)方法准确测定单个细胞中的铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)和锌(Zn)等多种内源性金属元素,该文基于动态反应池(DRC)模式对目标分析物的反应气流量和极杆抑制参数q(RPq)进行了优化,并研究了进样速度、细胞密度、驻留时间等因素对SC-ICP-MS检测的影响。分别采用细胞悬液直接进样、使用超声波探头使细胞悬液中的细胞破碎后进样和使用浓硝酸消解细胞后进样的ICP-MS测定结果对SC-ICP-MS定量结果的准确性进行验证分析。实验结果表明,可采用超声波破碎细胞的ICP-MS测定结果评估SC-ICP-MS测定的单细胞内Zn和Cu含量的准确性,采用酸消解细胞的ICP-MS检测结果验证单细胞内Fe和Cr的含量。缺少细胞标准物质时对SC-ICP-MS方法定量结果进行多角度验证是必要的。研究表明,使用SC-ICP-MS法可以较好地进行单细胞元素相关分析。

基于金属标记ICP-MS免疫分析的放大策略研究进展

近十几年来,基于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的免疫分析方法逐渐兴起,已经成为了一种具有高灵敏度和多组分检测潜力的革命性生物分析定量技术。本文综述了基于ICP-MS的免疫分析法的主要发展及应用,重点介绍了多种标记物质的提出以及在信号放大策略方面的创新,列举并详细讨论了基于ICP-MS的金属离子、纳米粒子、含金属聚合物以及扩增技术的标记免疫方法,希望通过对近年来相关报道的梳理为本领域的研究工作提供参考。

基于Fe3O4磁性微粒分离富集的ICP-MS检测血清中铅的方法研究

以FeCl3·6H2O为原料一步合成了粒径为400 nm的Fe3O4磁性微粒,并用于人血清中Pb^2+的检测。用Zeta电位仪和单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)对所合成的Fe3O4磁性微粒进行表征。通过微波消解法对血清样品进行预处理,经Fe3O4磁性微粒分离富集后,采用ICP-MS法检测。优化了Fe3O4磁性微粒分离富集Pb^2+的实验条件,并在pH 5.0,吸附剂用量400μL,吸附30 min的条件下,成功实现了血清中Pb^2+的定量检测,富集因子为10。Pb^2+的检出限为7 ng/L,定量下限为23.1 ng/L。

扇形阵列结构光源位置探测器

介绍扇形陈列结构光源位置探测器的原理和组成结构,以及在太阳光跟踪方面的应用。

基于WPF的电感耦合等离子体质谱仪软件设计

介绍了一套自主开发的可用于电感耦合等离子体质谱仪的客户端软件系统MTALSYS,说明了其软件的设计思想和设计方法。MTALSYS使用MVVM(Model、View、View Model)的开发架构,实现了界面的前端与后端的分离,使得程序具有很好的可扩展性和可维护性。针对三维移动平台、射频功率和雾化气流速进行了实验测试,根据实验数据的特点,以离子信号强度、氧化物产率和双电荷产率为参考指标对其分别进行了自动优化算法的设计,并对算法的可行性进行了验证。