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《光谱学与光谱分析》2020年, 第40卷，第12期
发布时间:2021-02-03]  阅读次数：7977次
      论文
 

3653连续波差分吸收激光雷达探测路径大气CO2平均浓度                                                            

洪光烈1，梁新栋1，2，刘 豪1*，章桦萍1，2，舒 嵘1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3653-06


大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一，它的变化和分布备受关注，差分吸收激光雷达（DIAL）系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段，对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO2平均浓度，利用HITRAN数据库中CO2及H2O的吸收光谱，综合考虑CO2的吸收截面及H2O的干扰，选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line: 1 572.335 nm，Off-line: 1 572.180 nm；声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制，两路调制信号频率有细微差别，其中On-line调制频率为101.833 kHz，Off-line调制频率为99.733 kHz；On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处，并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制（RAM），使波长锁定精度大幅提高，激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm；在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱，并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度；通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度；系统光路为光纤光路，使其结构紧凑；对系统进行外场实验和对比实验；获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度，实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一)，且探测到的CO2日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。


2020 Vol. 40 (12): 3653-3658                              [摘要]                              (40 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4186 KB)                                                                                           (                                68                               )

 

3659基于拉曼光谱的光子晶体光纤孔内生长石墨烯层数控制方法的研究                                                            

王晓愚1，崔永兆1，毕卫红1,2*，付广伟1，柯思成1，王文馨1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3659-06


石墨烯和光子晶体光纤（PCF）都拥有良好的光学特性，但是通过湿法转移只能将石墨烯薄膜转移/涂覆在光纤表面或端面，内部的空气孔因为直径太小无法转移。因此，利用化学气相沉积法(CVD)将碳源分解为碳原子，使其在光纤空气孔中形成形核点，在PCF内孔生长石墨烯薄膜。重点研究了通过控制生长条件，使石墨烯直接在光子晶体光纤空气孔中生长出完整的石墨烯薄膜并且层数可控的技术。通过扫描电镜表征生长后的石墨烯，可以清楚的看到石墨烯薄膜的存在并且与光子晶体光纤空气孔紧密结合在一起，形成石墨烯光纤材料；通过拉曼光谱表征生长后的石墨烯，可以看到石墨烯3个特征峰均存在。改变生长条件比如：温度、生长时间、甲烷气体浓度等发现光子晶体光纤空气孔中的石墨烯D峰与G峰的比值明显减小，有效降低了石墨烯的缺陷。结果表明生长时间对石墨烯缺陷降低最为有效，D峰与G峰的比值可以降到0.5左右。生长时间为5 h时石墨烯生长层数为双层，通过延长生长时间可以继续降低石墨烯的缺陷程度和增加石墨烯的层数；温度可以快速分解甲烷进而增加碳原子的形核点，加快石墨烯薄膜的形成，但是过高的温度会对石墨烯产生较大的缺陷，在1 050 ℃之后D峰与G峰的比值不再快速降低。研究表明石墨烯层数则因为碳原子形核点的增多而不断变厚；甲烷浓度的增加，导致气体流速加快，而空气孔直径太小受到流速影响较大，导致空气孔内石墨烯的层数波动式增大。此研究为后续设计基于石墨烯光纤的器件、探究石墨烯光纤在光学的应用提供了基础。


2020 Vol. 40 (12): 3659-3664                              [摘要]                              (37 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4188 KB)                                                                                           (                                35                               )

 

3665基于TDLAS技术适用于大量程范围的气体浓度标定算法                                                            

鞠 昱1，陈 昊2, 3，韩 立2，常 洋1，张学健1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3665-05


气体浓度检测一直是十分重要的工作，它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关，尤其是有毒有害气体的检测。随着光谱学的大力发展，可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）已被广泛应用于工业生产、环保监测、气象探空等领域，它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点，成为了气体检测的重要技术之一。众所周知，传感器在出厂前需要标定，标定的好坏关系到传感器的测量精度，影响传感器的实际测量。对基于TDLAS技术的直接光谱标定算法进行了研究，推导了适用于大量程范围下的气体浓度与透射率对数的关系并进行了简化处理，提出了1/c拟合标定算法，它是用气体浓度倒数与透射率对数倒数的关系来进行拟合标定的算法，再通过拟合标定曲线反推气体浓度与透射率对数的关系。搭建了TDLAS水汽检测平台，以Vaisala HMT377在线湿度检测仪的水汽浓度值为标准值，对0.7%~50%VOL的水汽浓度进行了标定，比较了直接拟合算法和1/c拟合算法的结果和相对误差。实验结果表明：采用直接拟合算法对气体浓度与透射率对数曲线拟合，一次函数、二次函数和五次函数拟合相关系数为0.946 8，0.996 7和0.999 9，均方根误差为0.031 2, 0.007 8和0.001 6，最大相对误差超过100%，存在严重误差；采用1/c拟合标定算法，气体浓度倒数与透射率对数倒数的拟合曲线呈一次函数线型，与理论相符，相关系数为0.999 6，均方根误差为0.490 1, 对拟合曲线进行反推得到气体浓度与透射率对数拟合曲线，其相关系数为0.999 9，均方根误差为0.0015，整个浓度范围内最大相对误差不超过4%，说明1/c拟合算法的有效性，提高了测量精度，扩大了标定量程范围。


2020 Vol. 40 (12): 3665-3669                              [摘要]                              (31 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2162 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

3670基于激光拉曼光谱技术鉴别四种急性白血病细胞系的方法研究                                                            

梁昊岳，程雪莲，杨晚竹，温 伟，董树旭，赵轼轩，茹永新*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3670-10


急性白血病的诊断基于一系列检测方法，细胞遗传学和荧光原位杂交方法旨在鉴定涉及白血病发生过程的特定基因和染色体改变，通过流式细胞术和分子生物学进行的免疫表型分析也是目前可用于明确诊断的检查手段。这些检查的侵入性和时效性方面的不足促使人们寻找以拉曼光谱技术为代表的新的方法和技术，以减少假设和诊断结论之间的时间间隔，有利于患者获得更好的预后。拉曼光谱技术可用来非标记识别血液中存在的血细胞和生化元素的光谱信息，例如氨基酸、蛋白质、脂质、核酸和类胡萝卜素，并且该技术在使用细胞系、血涂片和血清样本进行的不同类型血液学疾病的诊断中变得愈为重要，具有广阔的应用前景。实验研究了人急性T细胞白血病细胞系(Jurkat)、人急性骨髓性白血病细胞系(KG-1α)、人急性早幼粒细胞白血病细胞系(NB4)和人急性单核细胞白血病细胞系(THP-1)的拉曼光谱特征，建立使用拉曼光谱非标记鉴别四种白血病细胞系的新方式，为临床实验研究提供科学基础。分别培养并收集四种急性白血病细胞系细胞，使用Horiba Xplora拉曼光谱仪获取拉曼光谱，每种细胞系捕获25～30个白血病细胞光谱。联合运用主成分分析法、偏最小二乘判别分析和聚类分析等光谱分析方法，对四种细胞系细胞的光谱展开深入分析和建立鉴别模型，联合两两组合分析，对细胞光谱进行甄别。四种细胞的拉曼光谱具有差异，主要通过769，826，844，957，1 048，1 141，1 255，1 313，1 415，1 539和1 575 cm-1等峰位进行区分，反映了jurkat细胞活跃的增殖代谢，KG-1α细胞活跃的与核酸相关的能量代谢以及NB4细胞较强的细胞呼吸等生物学信息。结果表明：依据PLS-DA建立的拉曼光谱辨别模型能准确甄别四种急性白血病细胞，模型具有良好的拟合稳定性、预判能力和应用前景。


2020 Vol. 40 (12): 3670-3679                              [摘要]                              (28 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5275 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

3680基于低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率测量                                                            

刘红博1，史学舜1，徐文斌2，刘长明1，刘红元1，王恒飞1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3680-06


长波红外光谱（8～14 μm）是介于中红外和太赫兹波之间的重要电磁辐射，对应着地球表面常温目标物体的光谱辐射波段和地球“第三大气窗口”，相对于短波和中波光谱辐射，长波红外辐射受大气散射影响较小。因此，长波红外光电探测器在红外光谱成像、红外侦察、光谱探测等领域得到广泛使用。绝对光谱响应率作为表征探测器响应能力的主要参数之一，对其高精度标定的需求亟待解决。现在传统方法，即基于标准辐射源的定标方法已无法满足诸多高精度绝对光谱响应率的应用需求。目前，国内还没有建立基于激光光源和低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率校准装置，主要原因是缺少光功率稳定、光束质量高的激光光源，以及性能稳定的长波红外传递标准探测器。针对此问题，开展了以激光为光源，以低温辐射计为光功率测量基准的长波红外绝对光谱响应率量值溯源技术研究。课题组选用可调谐CO2稳频激光器作为光源，以低温辐射计作为光功率测量基准；采用CdTe晶体电光调制器搭建了激光功率稳定控制系统；根据光束传输理论，搭建长波红外空间滤波器以优化光束质量；采用积分球与HgCdTe探测器组合，研制了性能稳定可靠的标准传递探测器，建立了长波红外探测器绝对光谱响应率高准确度校准装置，实现长波红外光谱范围（9.2～10.8 μm）探测器绝对光谱响应率的高准确度校准测量。选择可调谐激光器输出的波长值9.62和10.60 μm分别对积分球型HgCdTe探测器进行了测量。实验结果表明，（1）利用低温辐射计准确测量光功率，光功率测量不确定度优于0.30%～0.42%（k=2）；（2）探测器绝对光谱响应率测量不确定度优于0.80%～1.02%（k=2），其他波长点可参考分析。该工作实现了基于激光光源的长波红外探测器绝对光谱响应率的高准确度校准。


2020 Vol. 40 (12): 3680-3685                              [摘要]                              (26 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2550 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

3686基于虚拟光线再投影方法的激光吸收光谱燃烧场二维重建研究                                                            

那奕君，李 宁*，黄孝龙，翁春生


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3686-06


针对在不完全投影数据条件下燃烧场气体组分浓度、温度二维分布重建难题，提出了一种基于虚拟光线再投影方法的燃烧场二维重建算法。利用有限的测量投影数据进行差分运算获取相同角度下不同位置处虚拟光线投影值，增加光线数量以提高重建质量。采用改进型代数迭代算法对燃烧场进行重建并获取燃烧场的重建初始值，利用再投影方式获取其他投影角度下虚拟光线的投影数据并进行联合迭代，最终实现对燃烧场气体组分浓度与温度二维分布重建。采用近红外波段7 185.6和7 444.35 cm-1两条H2O特征吸收谱线结合21条测量光线对49×49网格区域进行计算，通过对相同光线数量条件不同布置方式燃烧场重建结果进行对比分析，选取了合理的光线布置结构。与传统的采用平滑因子的代数迭代重建算法进行对比，虚拟光线再投影方法的重建精度明显提高，同时该方法消除了人为选择平滑因子对重建结果所带来的主观影响，降低了由于投影角度较少所带来的重建误差。计算结果表明，重建误差随着再投影运算次数的增加而不断下降，当在再投影次数达到十次后重建误差逐渐趋于稳定。在5%噪声幅值条件下进行十次再投影后，温度分布重建误差小于5.76%，浓度分布重建误差小于8.83%，测量噪声对于燃烧场重建结果影响较小。通过对600~1 200 K温度范围内的双峰以及三峰燃烧场模型进行计算分析，验证了虚拟光线再投影方法对于不同工况下燃烧场气体组分浓度、温度二维分布的重建能力。研究结果对有限投影条件下的激光吸收光谱技术二维重建技术理论研究具有重要意义，可促进激光吸收光谱技术在现实燃烧装置中的工程化应用。


2020 Vol. 40 (12): 3686-3691                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4576 KB)                                                                                           (                                22                               )

 

3692基于多角度光谱-偏振光谱的叶绿素荧光空间变化分布与模型建立                                                            

郝天一，韩 阳*，刘自平，李姿莹，赵云升，牛浩芳，姚海燕


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3692-07


根据目前的研究现状，叶绿素荧光是植物生理学研究和植物遥感研究的重要手段之一。前人对激光诱导荧光（LIF）光谱研究多采用垂直方向，较少考虑多角度及荧光偏振变化的影响。对此分别以吊兰、绿萝、金边虎皮兰作为研究对象，采用多角度及偏振观测方式对激光诱导叶绿素荧光光谱进行多因素分析并建立模型。同时以极坐标的方式绘制激光诱导叶绿素荧光强度与相应偏振度的2π空间分布。结果表明，三种植物荧光光谱形状各不相同，且观测天顶角与相对方位角的改变影响荧光强度和荧光参数大小。在不同相对方位角上建立观测天顶角与荧光参数F685/F740的数学回归模型。根据比较R2与RMSE，相对方位角为225°是同时研究这三种植被F685/F740值与观测天顶角关系的最佳方位角，其回归系数显著，可以准确反应三种植被F685/F740与观测天顶角有显著的相关关系。此外，我们还对3种植物的激光诱导叶绿素荧光进行偏振观测，并计算其在2π空间中对应的荧光偏振度。研究表明，激光诱导叶绿素荧光光谱具有显著的偏振性，观测天顶角、相对方位角、波段等信息都对激光诱导叶绿素荧光偏振光谱有着不同程度的影响。针对不同植被，建立不同波段荧光偏振度关系的数学回归模型，其回归系数显著，可以准确反应不同波段荧光偏振度有显著的相关关系。


2020 Vol. 40 (12): 3692-3698                              [摘要]                              (27 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5729 KB)                                                                                           (                                28                               )

 

3699空-谱维联合Savitzky-Golay高光谱滤波算法及其应用                                                            

宁鸿章1, 2，谭 鑫1*，李宇航1, 2，焦庆斌1，李文昊1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3699-06


针对目前应用Savitzky-Golay（SG）滤波器进行高光谱图像滤波过程中空间信息无法利用，造成小麦赤霉病高光谱分类识别模型精度仅能达到87.088 9%的问题，提出高光谱图像空-谱维联合SG滤波（TSG滤波）的方法，使模型精度相比采用SG滤波提升了12.066 7%。该算法将一维的SG卷积核按四个方向扩展成二维的SG卷积核，根据卷积定理利用快速傅里叶变换对高光谱图像数据进行空间及光谱维联合快速滤波。设置TSG滤波核窗口系数m=2～4，阶数n=3～5，滤波后图像信噪比提升了10%以上、峰值信噪比高于30 db、结构相似度大于96%，TSG滤波能保持原图特征并显著提升图像信噪比。对比Pavia University高光谱图像经TSG滤波（m=3，n=4）、SG滤波（m=7，n=3）后的灰度图像与光谱图，可以看出TSG滤波后图像条带噪声得到了抑制、特征峰相对峰值高度最高提升31.68%、特征波段平均强度提升41.83%，而SG滤波后图像条带噪声依然清晰且特征峰相对峰值高度至少降低了13.40%。构建基于TSG-PCA-SVM算法的小麦赤霉病高光谱分类识别模型，训练集包含500个样本点，测试集包含4500个样本点，模型测试集分类精度高达99.155 6%、卡帕系数0.983 613，对于小麦高光谱数据集中全部116 880个样本点的总分类精度高达99.206 0%。经TSG滤波后分类模型精度高、一致性好，分类精度相较于SG滤波后的87.088 9%获得了显著提升。综上所述，该研究为高光谱图像滤波提供了一种新的思路，为小麦赤霉病高光谱识别系统构建提供了参考与依据。


2020 Vol. 40 (12): 3699-3704                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3629 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3705光谱技术在土壤水分含量检测中的研究进展                                                            

李鑫星1，梁步稳1，白雪冰1，李 娜2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3705-06


土壤水分是影响农业生产的重要因素之一，对农作物生长发育情况和最终产量起着关键的作用，然而农业用水浪费现象普遍存在，预计至2020年我国灌溉水利用系数仅为0.55，远低于0.7～0.8的世界先进水平，因此准确有效地判断土壤含水量丰缺情况对农业生产实践具有重要意义，光谱技术利用物体特征谱线的不同，能够同时获取目标的图像信息和光谱信息，从而更直观地表达目标的特征，从而精确、快速、无损地对土壤水分的含量进行动态的检测，该技术极大地促进了农业的精准化、智能化和现代化，在土壤水分含量检测中占有重要地位。文章综述了国内外土壤水分含量检测的最新文献，对基于光谱技术的土壤水分含量检测的研究进展进行了系统地讨论，分析了传统方法的不足，并阐述了光谱成像技术的优势：(1）实时性；(2）无损性；(3）精确性；及其在土壤水分含量检测中的局限性：(1）土壤的构造复杂；(2）泛化能力不足；(3）气候条件制约。重点阐述了光谱在土壤水分检测中的三个关键技术：(1）光谱数据预处理技术，重点对比了常见的预处理技术原理及其效果；(2）光谱特征提取技术，对比了常见的特征光谱提取方法，重点分析了土壤水分的敏感波段；(3）光谱建模技术，重点对比了土壤水分含量检测的线性和非线性模型，分析其原理、应用范围及模型精度，得出非线性模型将成为光谱技术在土壤水分含量检测的主流建模方法。最后依据上述分析，对光谱技术在土壤水分检测领域中的应用前景和研究趋势进行了展望：一是要提高该技术的泛化能力和鲁棒性，建立可用于多种土壤类型的水分检测模型；二是要建立大范围区域并动态实时更新的土壤光谱数据库，为提高模型精度做好数据基础。


2020 Vol. 40 (12): 3705-3710                              [摘要]                              (37 )                                                                                           RICH HTML    PDF (804 KB)                                                                                           (                                68                               )

 

3711激基复合物和非激基复合物中C545T薄层的发光机制                                                            

赵 源，吕昭月*，邓 鉴，曾国庆


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3711-05


研究了传统荧光材料香豆素C545T在激基复合物3DTAPBP/TPBi和非激基复合物CBP/TPBi体系中发光机制，器件结构为ITO/MoO3/3DTAPBP/C545T/TPBi/LiF/Al和ITO/MoO3/CBP/C545T/TPBi/LiF/Al。3DTAPBP，CBP和TPBi分别是有机材料2,2’-Bis(3-(N,N-di-p-tolylamino) phenyl) biphenyl，4,4’-bis(N-carbazolyl)-2,2’-biphenyl，1,3,5-tris(1-phenyl-1H-benzimidazol-2-yl) benzene的简称。薄膜3DTAPBP，CBP和TPBi的光致发光峰分别为415，411和380 nm；异质结薄膜3DTAPBP/TPBi的光致发光光谱有两个发光峰：412和490 nm，412 nm的峰可认为是3DTAPBP的发光，但490 nm的发光既不来自3DTAPBP，也不来自TPBi，是3DTAPBP与TPBi界面形成激基复合物产生的发光；而异质结薄膜CBP/TPBi的光致发光光谱表现为CBP和TPBi发光的叠加，未产生新的发光峰，因此CBP/TPBi界面不能形成激基复合物。把C545T插入激基复合物3DTAPBP/TPBi和非激基复合物CBP/TPBi界面，器件的电致发光光谱表明发光主要来自C545T。器件中，C545T与其两侧的材料相互扩散，形成掺杂体系，即C545T与3DTAPBP、TPBi，或与CBP、TPBi形成掺杂体系，掺杂体系中客体发光机制通常有两种：主体与客体之间的能量传递和客体直接捕获载流子形成激子发光。在激基复合物3DTAPBP/TPBi体系中，主体3DTAPBP/TPBi的发光涵盖了客体C545T的激发光谱，光谱重叠面积大，且器件的电流密度-电压曲线几乎不随C545T厚度(浓度)的增加而变化，因此发光机制主要是来自3DTAPBP/TPBi与C545T之间的能量传递。而在非激基复合物CBP/TPBi体系中，主体CBP/TPBi的发光与客体C545T的激发光谱重叠面积相对较小，能量传递较弱，同时器件的电流密度-电压曲线随C545T厚度(浓度)的增加向高电压方向移动，说明C545T捕获载流子复合发光，使得C545T越厚驱动电压越高，因此非激基复合物体系中，C545T发光机制以直接捕获载流子为主。


2020 Vol. 40 (12): 3711-3715                              [摘要]                              (19 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2598 KB)                                                                                           (                                9                               )

 

3716In3+, Si4+共掺杂ZnBi0.02Ga1.98O4∶Cr3+的发光与长余辉性能研究                                                            

焦 点，肖思国*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3716-06


长余辉材料在生物医学、信息存储等领域有着广阔的应用前景。人们已在不同体系的材料中成功制备蓝、绿、黄光长余辉材料，且一些材料的高效长余辉性能已能满足实际应用的要求。然而，红色长余辉材料在发光亮度和余辉时间方面都还不够理想。采用高温固相法, 通过In3+, Si4+共掺杂的方式，制备了深红色发光的Zn(Bi)Ga2O4∶Cr3+材料，并系统地研究了所制备材料的发光光谱、长余辉及热释光性能。XRD分析发现，In3+, Si4+参与固相反应并占据了Zn(Bi)Ga2O4适当的晶格位置，In3+, Si4+的掺入也不会改变基质的基本相结构。通过监测λ=695 nm的光发射测量了Zn(Bi)Ga2O4∶1%Cr3+; Zn(Bi)Ga2O4∶1%Cr3+, 9%In3+和Zn(Bi)Ga2O4∶1%Cr3+, 9%In3+, 7%Si4+的激发光谱，In3+, Si4+的引入改变了Cr3+的局域环境，从而使得O2-的2p轨道到Ga3+的4s4p轨道的电荷迁移带产生红移，并使得Cr3+的4A2-4T1和4A2-4T2跃迁强度明显增强。研究440 nm氙灯光激发下发射光谱发现，In3+的引入改变了部分八面体中Cr3+的配位环境，造成不同格位的发射峰位置不同, 从而使发光光谱表现出非均匀加宽。In3+掺杂对Cr3+的配位环境的改变也同时提高了样品的发射光强度。而In3+, Si4+共掺杂则使得样品的发射光谱的非均匀加宽效应进一步加强，同时进一步增强了其发光强度。实验表明，9%In3+, 7%Si4+共掺杂的Zn(Bi)Ga2O4∶Cr3+样品表现出最好的光致发光特性。余辉衰减曲线测试发现，In3+的引入可以大大提高样品的余辉亮度，并延长余辉时间。而Si4+的引入则进一步的改善了样品的余辉亮度，延长了余辉时间。热释光测试表明，In3+的引入能提高样品中陷阱能级的深度，而合适浓度的In3+, Si4+共掺杂不仅提高了陷阱的深度，也增加了样品中陷阱的浓度。研究发现，9%In3+, 3%Si4+共掺杂的Zn(Bi)Ga2O4∶Cr3+样品具有最好的长余辉性能。相关研究为进一步优化镓酸盐长余辉性材料提供了有意义的参考。


2020 Vol. 40 (12): 3716-3721                              [摘要]                              (18 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3173 KB)                                                                                           (                                11                               )

 

3722水热法绿色合成纳米银及其在水体有机染料中的表面增强拉曼应用                                                            

薛长国1，唐 毓1，李世琴1，刘 松1，李本侠2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3722-05


工业的发展导致大量染料被排放到水体中，对水环境造成严重污染，危害整个生态系统，因此开发便携快速的检测技术至关重要。表面增强拉曼光谱技术具有单分子水平检测灵敏度高、检测周期短、分子指纹特异性等优点，在水体有机染料检测领域的应用受到广泛关注，但是该技术依赖于高增强能力和高信号重现性的可靠底物，而底物的合成大多使用有毒有害原料，会带来潜在的环境风险。无毒化学品、对环境无污染的溶剂和可再生材料的利用是绿色合成策略中值得重点考虑的因素。采用水热法绿色合成纳米银并用于表面增强拉曼技术，检测水体中的有机染料。首先采用了一种简单、快速、绿色合成的方法，以海藻酸钠为还原剂和稳定剂，水为反应介质，通过水热还原硝酸银实现了纳米银水溶胶的制备，得到本实验的可靠底物。用紫外-可见分光光度法和透射电子显微镜分析了纳米银的结构和表面形貌，结果表明，制得的纳米银水溶胶粒径较大，分布较宽，分散良好且呈球形，颗粒平均直径为46 nm。将三种染料(亚甲基蓝、罗丹明B和碱性品红)配置成不同浓度梯度的溶液，然后与制备好的银胶混合用于表面增强拉曼检测。检测染料溶液的拉曼光谱，查阅文献分配指认特征峰；染料纯溶液在1×10-3 mol·L-1浓度时能检测出拉曼特征峰，但在1×10-4 mol·L-1及更低浓度时已无特征峰；检测银胶的拉曼光谱，其并没有拉曼光谱峰，表明银胶对混合液的拉曼光谱并没有背景影响；银胶混合液的拉曼光谱特征峰位在低浓度梯度仍比较明显。结果表明，通过该方法绿色合成的纳米银对三种染料均有较好的拉曼增强作用，灵敏度能达到10-6 mol·L-1。随着人们对环境保护的重视，以绿色方法合成的纳米银作为可靠基底的表面增强拉曼技术将在染料废水检测领域具有更广阔的应用前景。


2020 Vol. 40 (12): 3722-3726                              [摘要]                              (35 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2643 KB)                                                                                           (                                52                               )

 

3727采用降温扰动二维相关拉曼光谱鉴别掺假橄榄油                                                            

于迎涛1，王季锋1，孙玉叶1，李福娟2，万 超3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3727-05


食用油掺假侵害消费者权益，危害公众健康，相关鉴别研究具有重要意义。当掺假食用油中的假冒组分含量降低时，掺假油与正品油的相似度较高，通常难以精准鉴别。因此，低量掺假食用油是打假鉴别的难点和重点。选取降温作为扰动因子，采用同步二维拉曼相关谱，结合系统聚类分析，针对橄榄油低量掺假（5%，10%，20%）开展鉴别研究。选取与橄榄油相似度很高的大豆油作为假冒组分。结果显示，在+15～0 ℃范围，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱近乎相同，谱图随温度变化不明显；在2 850，2 874，2 906，2 933，2 958和3 005 cm-1附近出现特征峰；2 850 cm-1处的特征峰对应于亚甲基（CH2）的对称伸缩振动，相对峰强最大。当温度降至0 ℃以下时（-5～-20 ℃），纯橄榄油和掺假橄榄油的拉曼光谱，均随温度降低发生较显著变化；相应地，拉曼光谱差异随之增大。主要特征峰位于2 848，2 883，2 933，2 956和3 005 cm-1附近。在2 848 cm-1处的特征峰为亚甲基对称伸缩振动的特征峰（2 850 cm-1）随温度降低发生红移所致，其相对峰强随温度降低呈现减弱趋势。在2 883 cm-1处的特征峰对应于CH2的反对称伸缩振动，其相对强度随温度降低逐渐增大，成为最强特征峰。同步二维拉曼相关谱显示，纯橄榄油在2 925 cm-1的自相关峰强度最大，此自相关峰的强度排序为：纯橄榄>掺假5%橄榄油>掺假10%橄榄油>掺假20%橄榄油。纯橄榄油在2 925和2 883 cm-1处的负交叉峰强度最大，此负交叉峰强度排序为：纯橄榄>掺假5%橄榄油>掺假10%橄榄油>掺假20%橄榄油。对同步二维拉曼相关谱的系统聚类分析显示，纯橄榄油和低量掺假橄榄油的盲样均得到准确鉴别。采用降温作为扰动因子的同步二维拉曼相关谱具有很高的辨识力，对橄榄油中掺杂地沟油等其他假冒组分，以及其他油品的防伪鉴别也具有理论和实用价值。


2020 Vol. 40 (12): 3727-3731                              [摘要]                              (20 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4727 KB)                                                                                           (                                22                               )

 

3732外电场对溴苯分子光谱特征影响的研究                                                            

陈 宇1，刘玉柱1, 2*，王兴晨3，布玛丽亚·阿布力米提3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3732-04


芳香族化合物是一类广泛存在于自然界的性质稳定、具有很大毒性和致癌、致畸性的化学物质。其中，溴苯(C6H5Br)是破坏自然环境并对人类身体健康有严重威胁的有机污染物之一，研究外电场对溴苯光谱特征的影响在大气化学、燃烧化学、环境监测等领域有很广泛的应用。基于密度泛函理论(density functional theory，DFT), 在BPV86/6-311G(d, p)水平上计算优化得到了不同外加电场(0~0.03 a.u.)下，溴苯分子的红外光谱。并在此基础上，用同样的基组计算优化得到了溴苯分子的紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱。在实际测量过程存在诸多困难，很难得到特定大小和方向电场下溴苯分子的红外光谱、UV-Vis光谱等物理特性。研究表明：通过与实验值比较，基于密度泛函理论计算得到的溴苯的红外光谱和UV-Vis光谱具有很高的准确度和很好的分辨率，且包含的波长范围更广。因此这些结果可作为实验值的补充，为在理论上研究外电场对溴苯分子C—Br键振动频率、红外光谱和UV-Vis光谱的影响提供了新的方法和思路，具有很强的参考价值。无外电场情况下，由于C—H键振动，溴苯分子的红外光谱在频率为718 cm-1处出现了最强吸收峰，在1 455 cm-1处产生了一个仅次于最强峰的吸收峰。C—Br键在727和1 185 cm-1附近有两个较强的吸收峰。随着外电场从0增大到0.03a.u.，C—Br键的两个红外光谱特征峰均发生不同程度的红移且振动强度增大，部分C—H键振动也有类似的变化。电荷沿C—Br键从6C原子转移到Br原子，大大增强了Br原子的电负性，6C原子的负电荷密度略有降低。因此，6C原子和Br原子之间的库仑力增大，导致C—Br键红外光谱的振动强度增大。同时，UV-Vis光谱最强峰对应的波长从191.6 nm蓝移到187.4 nm，摩尔吸收系数从23 402.171增大到28 885.125。这些结果为研究溴苯在外电场下的光谱检测提供了理论参考，也对研究其他有机污染物的光谱检测方法有启示作用。


2020 Vol. 40 (12): 3732-3735                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2574 KB)                                                                                           (                                10                               )

 

3736基于光谱特征约束非负矩阵分解的轮胎橡胶太赫兹混叠光谱分离                                                            

殷贤华1, 2，刘 昱1, 2，奉慕霖1, 2，李 安3，莫 玮1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3736-07


随着“绿色轮胎”概念的深入，轮胎橡胶的有效成分直接关系到橡胶合格与否，而轮胎橡胶对于检测部门而言是一个“黑色”分析系统，如何利用现有手段进行橡胶成分的准确检测至关重要。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质检测分析当中，但是在许多情况下，从橡胶这个复杂样品中观察到的太赫兹光谱数据代表了几个相互关联的组分或特征成分共同作用的综合结果，原始数据中包含的实际信息可能会重叠，进而影响橡胶混合物中各组分的分析。为了解决太赫兹光谱重叠的问题，利用太赫兹光谱矩阵连续平滑和浓度矩阵稀疏的特点，将具有平滑特性的2范数和具有稀疏特性的1/2范数引入到非负矩阵分解方法，提出基于光谱特征约束非负矩阵分解（constraint non-negative matrix factorization, CNMF）的太赫兹混叠光谱分离方法。首先通过THz-TDS获取丁腈橡胶（NBR）与硫化促进剂2-巯基苯并噻唑（MBT）二组分混合物，以及NBR、MBT和一硫化四甲基秋兰姆（TMTM）三组分混合物的时域光谱；然后对时域光谱进行傅里叶变换得到其频域光谱，进而获取混合物所对应的吸光度混叠光谱矩阵；光谱分离之前对获得的光谱矩阵进行主成分分析，初步判定混合物组分数，最后利用非负矩阵分解算法（non-negative matrix factorization, NMF）、基于纯变量初始化的非负矩阵分解（purity non-negative matrix factorization, PNMF）和CNMF三种方法对混叠光谱进行光谱解析。对比发现，相较于NMF和PNMF方法，CNMF算法的分离效果更佳，特征吸收峰对应结果更准确，针对不同组分混合物分离结果的相关系数均高于89%，光谱角小于0.5，具有较高的纯净物光谱还原度。将带有约束的非负矩阵分解算法引入到太赫兹混叠光谱的分离上，较好的提取出复杂混合物中单一成分的特征信息，为后续的太赫兹多组分混合物的定性分析和定量计算奠定了较好的基础，在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有一定的研究前景。


2020 Vol. 40 (12): 3736-3742                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3448 KB)                                                                                           (                                13                               )

 

3743光源-探测器小距离散射光谱在疼痛测量中的应用                                                            

戴丽娟1, 丁乐明1，李韪韬2，钱志余2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3743-05


提出了利用光源-探测器小距离散射光谱进行疼痛测量的一种新方法。首先，基于修正的Beer-Lambert定律，建立氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化与光源-探测器小距离探头所采集的散射光谱强度变化的关系式，通过悬乳液血液混合液体模型实验，将公式计算结果与组织血氧仪测量结果进行对比。其次，分别对7只大鼠的后肢注射福尔马林溶液以制造疼痛刺激，用光源-探测器小距离光谱系统采集注射前、后大鼠前扣带回的散射光谱，同时，用生物电信号采集系统获取注射前、后大鼠前扣带回的局部放电信号。最后，计算氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度的变化，获取β波频段（13～30 Hz）每10 s的功率强度，分析这些参数在注射前、后的变化。实验结果表明，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化的公式计算值与仪器测量值在液体模型实验中吻合较好，其相对误差平均值与标准偏差为14%±5%，因此，利用光源-探测器小距离散射光谱进行氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化分析的准确度高。在大鼠疼痛刺激实验中，前扣带回的氧合血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期增大，随后单调减少。反之，脱氧血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期减小，随后单调增大。总血红蛋白浓度在注射后没有显著性变化。前扣带回局部电信号功率在注射后逐渐增大，约20 min到峰值，之后保持在峰值附近，与注射前有显著性差异，可以确认氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化是与前扣带回功能激活高度相关的。由此可见，基于光源-探测器小距离探头的散射光谱系统可以有效地用于标记与疼痛处理相关的核团的功能激活和分析核团的神经-血管耦合机制，为利用小动物模型增进对疼痛相关的脑血管功能的了解和疼痛测量提供了一种有效的新方式。


2020 Vol. 40 (12): 3743-3747                              [摘要]                              (20 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2491 KB)                                                                                           (                                10                               )

 

3748基于多光谱技术表征汉麻分离蛋白构象并分析pH对其构象的影响                                                            

曾剑华，孟 妍，刘琳琳，杨 杨，李美莹，王子玥，朱秀清*，石彦国*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3748-07


汉麻是高端植物油脂的重要来源，而汉麻饼粕中含有大量的优质蛋白目前尚未得到充分开发利用。汉麻蛋白含有20种氨基酸，必需氨基酸含量相对均衡，且其精氨酸含量较高，是一种营养丰富的优质植物蛋白源；但汉麻蛋白溶解性较差，这严重限制了其在食品加工中的应用。目前对汉麻分离蛋白构象研究还较少，在加工过程中酸碱性变化对其构象的影响研究还少未见报道。该研究采用圆二色谱、傅里变换叶红外光谱、荧光光谱和紫外光谱技术对汉麻分离蛋白（HPI）构象进行表征，并与大豆分离蛋白构象进行比较，同时探究不同pH条件对HPI构象的影响。构象分析结果显示：与大豆分离蛋白相比，圆二色谱和傅里叶变换红外光谱结果显示HPI含有比例更高的α-螺旋结构（39.1%和33.1%），而SPI含有较多的β-折叠；荧光光谱和紫外光谱结果显示，HPI暴露的芳香族氨基酸残基含量较少，此外HPI分子内含有更多的二硫键（10.06 μmol·g-1）以及更高的表面疏水性（374），且HPI的游离巯基/总巯基比值显著（p<0.05）小于SPI中游离巯基/总巯基比值，表明HPI三级结构紧凑程度要高于SPI的三级结构。因而导致天然HPI分子粒径小于SPI。强酸强碱条件下，HPI分子结构得到适当伸展，粒径变大，芳香族氨基酸残基之间的距离增大，降低了Phe到Tyr和Trp的能量传递效率，最终导致Try残基荧光强度减弱，Phe和Tyr残基的荧光部分得到显示，改变HPI的结构特性。相对而言，在酸性条件下HPI的构象稳定性相对较差，蛋白亚基容易发生解离缔合反应；而在碱性条件下，HPI构象则相对稳定，且构象灵活性更大。借助荧光光谱和紫外二阶导数光谱，可以推测HPI氨基酸残基微环境的变化，从而了解蛋白质分子三维结构的变化信息。综上所述，深入对HPI构象的了解以及明晰酸碱性变化对HPI构象的影响有利于为特异性改性HPI制备高品质的汉麻籽蛋白粉以及具有生理活性的多肽提供理论参考。


2020 Vol. 40 (12): 3748-3754                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4724 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

3755基于荧光光谱技术的异槲皮素抑制晚期糖基化产物形成的机制研究                                                            

张 露1，徐 亮1，涂宗财1, 2*，周祺溟1，周雯娜1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3755-06


荧光光谱学法具有灵敏度高、选择性强、样品用量少、操作简便的优点，同时又可提供多种分子间相互作用的物理参数，所以被广泛用于研究小分子和蛋白质的相互作用。因此，通过内源荧光、同步荧光以及三维荧光光谱技术，研究异槲皮素抑制α-乳白蛋白（α-lactalbumin，α-La）-果糖体系糖基化过程中晚期糖基化产物（AGEs）形成的能力，并从分子间相互作用的角度阐述其作用机制，最终阐明异槲皮素抑制食品热加工过程中AGEs形成的能力。结果表明，异槲皮素可显著降低糖基化反应诱导的α-La构象变化，抑制AGEs的形成，样品浓度为36.58 μmol·L-1时，其抑制率达74.66%，高于阳性对照品氨基胍盐酸盐。同步荧光和三维荧光光谱分析结果表明，异槲皮素会改变α-La的构象，使色氨暴露于更亲水的环境中，增加其微环境的亲水性。抑制动力学和热力学分析结果显示，异槲皮素通过静态方式猝灭α-La的内源荧光，且与α-La按照1∶1的摩尔比例结合形成了稳定的复合物，该结合是一个自发放热的过程，范德华力和氢键是异槲皮素-α-La复合物形成的主要作用力。


2020 Vol. 40 (12): 3755-3760                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3378 KB)                                                                                           (                                17                               )

 

3761多光谱辐射外点罚函数反演算法的生物质锅炉火焰温度测量                                                            

邢 键1，马 召2，白 岩1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3761-04


近年来，为了减少对石化燃料的依赖和节能环保的强烈需求，以稻壳、秸秆等可再生资源为燃料的生物质锅炉越来越受到业界的广泛重视。为了进一步提高生物质锅炉的燃烧效率，优化炉膛结构，需要实时监测火焰温度。传统的热电偶测温法不利于长时间高温测量，CCD测温法又难以测量真实温度，而多光谱辐射测温法具有响应速度快、无测量上限以及可以获得真实温度等优点，是生物质锅炉火焰温度测量的最有力工具之一。多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息，通过普朗克公式反演获得真实温度。但是，未知的光谱发射率是多光谱辐射测温反演过程的最大障碍。目前，多采用事先假设一组发射率模型（发射率-波长或发射率-温度模型），假设模型如果与实际情况相符，则反演结果能够满足要求，假设模型如果与实际情况不符，则反演结果误差很大。能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下，实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。为此，提出外点罚函数约束优化算法，将多光谱辐射测温反演问题转化为约束优化问题，给出了罚函数的表达式和相关参数。与其他约束优化算法相比，外点法的优势在于不受发射率初值的影响，进一步提高了算法对不同材料发射率的适应度。基于微型光纤光谱仪，搭建了稻壳粉生物质锅炉炉膛火焰温度测量装置，通过实验室黑体炉标定后，对稻壳粉生物质锅炉炉膛火焰从初燃到稳燃过程的温度进行了测量，并与热电偶测量结果进行了对比。结果表明，与热电偶测量结果相比，多光谱辐射测温的最大绝对误差为35.7 K，最大相对误差为3.2%。表明该测量装置及反演算法可实现生物质锅炉炉膛火焰燃烧温度的测量，为后续生物质锅炉燃烧诊断及锅炉设计优化提供了基础。


2020 Vol. 40 (12): 3761-3764                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1681 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3765不同原色光谱和观察视场对颜色感知的影响                                                            

郭春丽，黄 敏*，习永惠，潘 洁


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3765-07


为研究不同原色光谱和观察视场对观察者颜色感知的影响，利用三组不同原色光谱的显示设备，组织了18～23名年龄分布在19～25岁的正常色觉观察者，对CIE推荐的5个颜色分别在2°，4°，10°，22°的不同观察视场开展颜色匹配实验。基于采集到的1 260组颜色匹配光谱数据，分别代入CIE1931，CIE1964和CIE2006颜色匹配函数计算目标色和匹配色的色度值，用CIEDE2000色差值评价各颜色匹配函数的表现。在a*b*和L*C*ab色度平面，绘制不同观察视场下观察者基于不同显示设备匹配颜色的散点图，发现CIE1931的计算结果与CIE1964，CIE2006的结果有较大的差别，特别是在红色和绿色区域。同时，CIE2006颜色匹配函数计算目标色与匹配色间的色差最小，其在小视场（2°和4°）和大视场（22°）的表现明显优于CIE1931和CIE1964；在10°视场，CIE1964的表现较好。进一步地，用CIE2006颜色匹配函数进行数据分析，发现随着观察视场的增加，观察者匹配的红、黄、蓝、灰色色度值，均向a*-b*图的右下方偏移，蓝色区域的匹配散点较为集中；红色和蓝色彩度升高、黄色彩度降低，绿色在大视场（10°和22°）较小视场（2°和4°）彩度升高；明度变化不大。匹配设备较目标设备的原色光谱形状、光谱带宽和峰值波长位移等变化及颜色匹配的结果均有一定程度的影响。用CIE DE2000色差值计算不同设备间匹配颜色的精度，发现目标设备和匹配设备的原色光谱峰值波长位移对颜色匹配结果的影响较为明显，影响程度依次为蓝通道>绿通道＞红通道。论文研究结果可为现有CIE颜色匹配函数的不同视场角使用提供数据和理论支撑，也可为颜色传递、复制过程中弱化或强化观察者同色异谱现象提供指导建议。


2020 Vol. 40 (12): 3765-3771                              [摘要]                              (25 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3153 KB)                                                                                           (                                10                               )

 

3772联合矩阵局部保持投影的近红外光谱特征提取                                                            

胡善科1，秦玉华1*，段如敏2，吴丽君2，宫会丽3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3772-06


近红外光谱存在高维、噪声大、重叠和非线性等特性，严重影响建模准确，因此提出了一种基于联合矩阵局部保持投影(JMLPP )的特征提取方法。首先，利用基于聚类的光谱特征选择方法对原始近红外光谱数据进行有效特征提取，按种与分类相关性强的指标将样本分为种不同的聚类方式，依据类内关联性强，类间差异性大的聚类思想，通过调节类内参数、类间参数确定类内阈值与类间阈值，分别对种不同聚类方式筛选光谱特征区间，得到指标特征矩阵，并集操作生成联合矩阵。其次，从两个方面对局部保持投影算法(LPP)进行了改进：引入测地距离构造邻域距离矩阵，较欧式距离更好的表达了高维数据样本点间的拓扑结构；改进了边权矩阵，解决了样本稀疏导致的不确定性，避免了有效信息的丢失。最后，采用改进的LPP算法对联合矩阵进行降维操作，从而得到最优光谱特征子集。为验证JMLPP算法有效性，首先从光谱投影方面将该算法与PCA、LPP算法进行了对比，结果表明JMLPP算法有较好的等级区分能力，投影空间中的烟叶样品分类清晰，明显优于PCA与LPP算法。其次从模型分类准确性方面进行了对比，分别采用全谱段与PCA，LPP和JMLPP降维后的特征建立烟叶等级分类模型，实验结果表明，JMLPP算法建立的分类模型准确率为93.8%，对5种烟叶分级的敏感度分别为95.2%，93.1%，94.2%，92.1%和92.5%，特异度分别为99.3%，98.4%，98.6%，97.5%和97%，模型准确率、敏感度与特异度均明显优于其他3种方法。该算法通过基于聚类的特征提取和改进的局部保持投影算法实现了烟叶分级特征的有效提取，并保留原始数据的局部线性关系，使最终建立的模型具有良好的稳定性和较高的准确性。


2020 Vol. 40 (12): 3772-3777                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2482 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3778CEM的波段选择方法研究及应用                                                            

陈艳拢1,2，王晓岚3，李 恩3，宋梅萍3，包海默4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3778-06


高光谱数据信息量丰富，波段数量多，能够为地物分析提供更全面的依据，但同时也增加了数据分析的复杂性和干扰性，尤其是水质遥感监测等低信噪比的应用领域。传统波段选择常借助相关性系数等方法，在众多光谱波段中选择标识波段，并在所选波段集合上进行数据分析。基于约束能量最小化（CEM）从信号检测角度提出了一种面向目标向量的波段选择算法——基于CEM的波段选择算法（CBS），采用信号匹配滤波器从观测向量中找出与目标向量匹配度高的波段，结合正交原理，最大程度地选出与目标向量匹配度高且波段向量冗余度低的波段子集。以水质监测中的成分测定作为验证，采集辽河入海口试验区的高光谱数据，结合同步实地水样数据进行建模，预测辽河水域氮磷含量。比较CBS算法的波段选择结果和皮尔逊相关系数（PCC）波段选择结果，将两种方法得到的显著性波段子集作为变量进行逐步回归分析，建立多元回归模型，进一步对模型进行精度检验，分析其预测值与真实值的平均相对误差。总磷浓度模型的精度检验中，通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为20.7%，而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为8.17%；总氮浓度模型的精度检验中，通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为16.8%，而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为12.4%。数据分析的结果表明，CBS算法得到的波段子集，在氮磷浓度反演的能力上，优于传统基于相关系数的选择方法。


2020 Vol. 40 (12): 3778-3783                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2276 KB)                                                                                           (                                12                               )

 

3784高光谱成像的脑胶质瘤检测                                                            

宋 楠1，郭汉洲2*，沈春洋2，孙 慈1，杨 晋1，张金男3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3784-05


高光谱成像(HSI)是一种新兴的快速、安全的现代医学检测技术。将自行研制的高光谱成像仪与显微镜相结合，对人源脑胶质瘤小鼠和H&E染色病理切片进行成像光谱研究。通过对脑胶质瘤与正常脑组织的高光谱数据进行分析和处理，获取二者之间的光谱差异以实现对脑胶质瘤与正常脑组织的区分。实验结果表明，无论是病理切片还是在体脑组织数据，脑胶质瘤与正常脑组织反射光谱中特定光谱范围内的反射率均存在一定差异，可据此对二者进行区分，为今后临床实验与脑胶质瘤术中辅助诊断提供依据和参考。


2020 Vol. 40 (12): 3784-3788                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3315 KB)                                                                                           (                                12                               )

 

3789基于重构三维荧光光谱结合偏最小二乘判别分析的油类识别方法研究                                                            

崔耀耀1，孔德明2,3*，孔令富1，王书涛2，史慧超4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3789-06


油类污染日渐频繁，给人类健康及生态环境造成了严重的威胁。因此，研究有效的油类识别方法对保护生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术是识别油类最有效的分析手段之一，利用二阶校正方法对三维荧光光谱数据进行解析，然后利用模式识别对二阶校正方法解析结果中的浓度得分矩阵进行分类，可以实现对未知样本的定性识别。然而，此类方法在对未知样本进行分类识别的过程中，只应用了浓度得分矩阵，其本质上只是利用样本所含化学成分的相对含量差异对未知样本进行了分类。并没有利用具有定性意义的载荷矩阵，即没有从样本所含化学成分本身实现对样本的定性。基于此，将重构的三维荧光光谱和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)相结合，提出了一种针对油类样本的辨识方法。首先，利用四种油类（汽油、柴油、航空煤油和润滑油）在不同的背景环境下（纯净水、自来水、河水及海水配制的十二烷基硫酸钠溶剂）配制了80个油类样本；然后，利用FS920荧光光谱仪采集样本的三维荧光光谱数据，并对该数据进行去散射及标准化预处理；其次，利用Leverage值识别并删除其中的异常光谱，并利用平行因子分析算法(PARAFAC)对剩余的光谱进行重构；最后，通过PLS-DA建立重构三维荧光光谱的分类模型；并将重构与未重构的三维荧光光谱分别建立的分类模型进行了对比。分析结果表明，三维荧光光谱经过重构后，可以将四种油类的正确分类率分别从原来的100%，50%，60%和20%提高到100%，100%，100%和100%，表明重构的三维荧光光谱具有更加明显的类内特征。重构三维荧光光谱所建立的分类模型的灵敏度（SENS）、特异性（SPEC）及F分数分别为100%，100%和100%，表明所建立的模型具有稳健及可靠的分析结果。该研究中，重构三维荧光光谱利用了PARAFAC解析结果中的浓度得分矩阵及载荷矩阵，所建立的PLS-DA分类模型不仅从化学成分相对含量的差异而且从化学成分本身对样本进行了定性识别，所得结果更加具有说服力。该研究为油类识别提供了一种可靠的方法。


2020 Vol. 40 (12): 3789-3794                              [摘要]                              (24 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3502 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

3795热处理绿黄色绿柱石光谱特征与颜色成因探究                                                            

剡晓旭1, 2，王沛炼1，岳素伟1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3795-06


绿柱石族宝石属六方晶系的铍-铝硅酸盐矿物，因含不同微量元素而呈绿、蓝、黄、红、粉、棕和黑色。绿黄色绿柱石和海蓝宝石常由不同价态的铁离子致色，Fe3+和Fe2+可以赋存于四面体位(Fe2+4)、八面体位(Fe3+6)和结构通道中([Fe2(OH)4]2+)，随着配位离子含量的改变，其颜色呈现变化。绿黄色绿柱石经热处理可以获得浅蓝色海蓝宝石，300~550 ℃还原和氧化条件连续阶段性加热样品颜色依次呈浅绿色、淡黄绿色、浅黄色、淡蓝色和浅蓝色，550~600 ℃褪色为淡蓝色，最佳颜色出现在500~550 ℃。利用中红外吸收光谱(mid FT-IR) 、紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)和电子自旋共振波谱(EPR)对热处理前后绿柱石样品进行分析。Mid FT-IR光谱显示，样品热处理后与天然绿黄色绿柱石具有相似吸收光谱，归属于[Si6O18]基团特征振动的1 250~600 cm-1区吸收峰向低波数方向偏移，峰值强度同时出现不同程度减弱，推测与通道中的Fe3+被还原为Fe2+导致的Fe3+—O2-电荷迁移强度减弱和加热失水行为导致的结构水弯曲振动减弱有关。UV-Vis吸收光谱显示，还原和氧化气氛中的热处理绿柱石光谱特征基本一致，与天然样品相比，紫外-可见光区归属于O2-—Fe3+电荷迁移的吸收峰向紫外区方向迁移形成322 nm吸收峰，6A1g→4T2g跃迁向紫区偏移产生370 nm附近吸收峰，6A1g→4Eg+4A1g跃迁向红区偏移产生427 nm附近吸收峰，导致Fe3+禁戒跃迁减弱，样品黄色调消失；红区823 nm附近的宽吸收带增强且向可见光区偏移指示结构通道中Fe2+含量增加，最终使样品呈现蓝色色调。EPR谱显示天然绿黄色绿柱石Al—O八面体和结构通道中存在Fe3+和Mn2+及OH自由基。结合UV-Vis结果分析认为，还原和氧化气氛热处理后样品结构通道中Fe3+还原为Fe2+，Al—O八面体中的Fe3+禁戒跃迁减弱，二者共同作用使样品颜色逐渐由绿黄色转变为浅蓝色。


2020 Vol. 40 (12): 3795-3800                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3445 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

3801腔体约束材料对激光诱导击穿Cu等离子体光谱的影响                                                            

孙 冉，郝晓剑*，杨彦伟，任 龙


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3801-05


激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种物质成分分析技术，它利用脉冲激光聚焦在样品表面，当激光烧蚀样品时产生等离子体，光谱仪收集等离子体辐射的光谱，计算机进行元素分析。它具有操作简便快速，检测元素全面等优点。传统LIBS存在检测灵敏度低，谱线背景噪声高等缺点，将LIBS技术与腔体约束结合起来可以增强光谱强度，同时信噪比和等离子体温度等一些参数也会有效提高。使用PLA和铝两种材料的圆柱形约束腔固定在黄铜样品表面，直径分别为5和6 mm，高度分别为1，2，3，4和5 mm。利用光谱仪采集了Cu Ⅰ 510.55 nm, Cu Ⅰ 515.32 nm和Cu Ⅰ 521.82 nm三条Cu等离子体谱线，并对其进行了分析研究。实验结果表明相比于未加腔体约束，光谱强度在每种腔体约束下都得到了增强。针对Cu Ⅰ 515.32 nm谱线，研究了它在各个约束腔下的增强因子和信噪比。随着圆柱形约束腔高度的增加，增强因子呈现先增大后减小的趋势，在高度为4 mm时达到最大。同一高度、不同直径的约束腔，直径为5 mm时比6 mm时要大。而对于同一高度、同一直径的腔体来说，铝材料腔体约束下都比PLA材料的大。在当前实验条件下，高度4 mm、直径5 mm的铝材料的约束腔增强效果最明显，增强因子达到最大值28.29。信噪比与增强因子变化趋势一致，也在高度4 mm、直径5 mm的铝材料的约束腔下达到最大值44.03，是没有腔体约束时的13.89倍。此外，计算了等离子体温度，PLA材料的约束腔对等离子体温度影响较小，而在铝约束腔下等离子体温度增加明显，5 μs时在与没有约束腔时相差达到最大值467.35 K。腔体约束装置简单，与LIBS系统组合方便，并且增强光谱效果明显，具有广阔的应用前景。本文研究了LIBS系统结合不同材料的腔体约束对激光诱导击穿Cu等离子体光谱的影响，对腔体材料的选取有一定的参考价值。


2020 Vol. 40 (12): 3801-3805                              [摘要]                              (24 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2957 KB)                                                                                           (                                8                               )

 

3806高压制样-LIBS技术测定土壤样品中稀土元素的应用研究                                                            

徐进力1, 2，胡梦颖1, 2，张鹏鹏1, 2，邢 夏1, 2，白金峰1, 2，张 勤1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3806-06


传统的激光诱导击穿光谱(LIBS)多应用于物质定性分析，是因为该仪器在定量分析时存在重复性差，检测结果准确度差等缺点，没有达到定量分析对准确度和精密度的要求。近年来，LIBS技术在硬件方面和软件方面得到快速发展，基于LIBS技术突出的优点，简单快速，使得该方法作为一种强有力的检测手段，实现了一次进样同时定量检测多种元素，并取得了较为满意的测定结果。为了将LIBS技术应用到土壤样品中稀土元素的定量分析，本方法对LIBS技术的工作条件进行了优化，并筛选出最佳的工作条件：激光输出能量（1.6 mJ）、脉冲延迟时间（0.1 μs）、光斑直径（100 μm）、激光频率（20 Hz）、缓冲气的流量（0.3 L·min-1）；待分析样品采用超高压制样技术，使样品的塑化效果得到有效改善，表面更加致密平整，有效降低了样品的粉末效应，且随着制样压力的增加，样品的特征的显示谱图基线明显较少，噪声降低，提高了信背比和测定结果的精密度；在激光剥蚀过程中采用剥蚀新鲜面的方式，可以大大降低热效应的影响，提高测定结果的准确度；同时，采用土壤标准物质（基体匹配法）作定标曲线，大大降低基体效应的影响，分析结果的准确度也得到改善。该方法经过国家一级标准物质的验证，测定值和认定值基本一致，表明该方法较为准确可靠。从全部结果分析，轻稀土元素分析结果的准确度较差，但是该方法实现了一次进样多元素同时测定，推动了LIBS技术发展，尤其是在勘查地球化学领域的应用和发展，也为LIBS技术推广应用到其他领域提供了新的思路。


2020 Vol. 40 (12): 3806-3811                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4626 KB)                                                                                           (                                24                               )

 

3812LIBS与变量选择PLS结合的含油土壤中Cu，Ni定量分析                                                            

朱绍农1, 2, 3，丁 宇1, 2, 3*，陈雨娟1, 2, 3，邓 凡1, 2, 3，陈非凡1, 2, 3，严 飞1, 2, 3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3812-06


土壤中重金属元素检测是环境保护事业的重点之一，因此亟需一种能够快速检测土壤重金属浓度的定量分析手段。该研究旨在建立一种基于激光诱导击穿光谱结合偏最小二乘法的含油土壤中重金属元素快速定量检测方法。通过激光诱导击穿光谱（LIBS）获取含油土壤光谱数据，采用偏最小二乘法（PLS）对样品中铜、镍元素进行定量分析预测，并在此基础上，结合区间以及后向区间法对全谱进行变量筛选，构建形成区间偏最小二乘法（iPLS）和后向区间偏最小二乘法（BiPLS）定量分析铜、镍元素含量的模型。结果表明：后向区间偏最小二乘法（BiPLS）在剔除了干扰信息的基础上，保留了更多的有效光谱信息，获得了比PLS和iPLS更好的预测结果：铜元素的测试集预测结果的决定系数（R2P）和均方根误差（RMSEP）分别为0.944 9和0.036 3，相对分析误差（RPD）为3.0；镍元素的测试集预测结果的R2P和RMSEP分别为0.933 7和0.041 4，RPD为2.6，两元素的BiPLS预测结果相较于PLS和iPLS方法均有所提升。因此，针对含油土壤重金属元素光谱信息，BiPLS算法相较于iPLS和PLS算法更适合与LIBS光谱相结合，筛选对Cu和Ni两种重金属元素定量分析贡献度较大的特征变量，进而提升模型的预测效果。该方法将促进LIBS技术应用于土壤品质在线评价。


2020 Vol. 40 (12): 3812-3817                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2941 KB)                                                                                           (                                26                               )

 

3818傅里叶变换红外光谱的土壤团聚体有机碳和全氮含量估测                                                            

刘翠英1，张津瑞2，曾 涛1，樊建凌2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3818-07


土壤团聚体是土壤生态系统的重要组成部分，其碳氮含量及动态决定着土壤碳氮循环过程、稳定性及肥力。由于团聚体分级方法的差异，不同研究所获得的团聚体粒径也不尽相同，应用红外光谱对土壤团聚体性质进行建模预测时若对不同粒径团聚体分别建模需要大量样本且难以对所有组分同时进行合理预测。该研究对不同粒径团聚体样本进行综合建模预测，探寻一种高效可行的不同粒径团聚体性质的综合预测方法。采集了内蒙古淡栗钙土土壤样本进行傅里叶变换红外光谱分析，用遗传算法对特征波长进行了选择，基于偏最小二乘法（PLSR）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）等方法建立了不同粒径团聚体土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和红外光谱吸光度之间的估测模型。结果表明，基于遗传算法筛选的特征光谱区间构建的土壤团聚体SOC和TN含量的ANN模型的预测能力均是最好的（RPD>2），显著优于PLSR、SVM及RF模型；基于全谱数据的ANN模型对土壤团聚体SOC和TN的预测效果均低于基于GA选择的特征光谱区间的ANN模型，说明基于GA的特征光谱区间选择不仅可以简化模型结构，剔除无关的信息，而且可以提高模型的精度和预测效果。该研究将不同粒径土壤团聚体FTIR数据混合建模，通过遗传算法筛选特征光谱，发现人工神经网络模型可以很好地对土壤团聚体碳氮含量进行预测，且不会受团聚体粒径的影响，主要由于在遗传算法选择特征光谱时已将某些反映土壤矿物、粘粒等特征的波长区间包含在内，而人工神经网络所建立的模型可能已包含了不同粒径对土壤碳氮含量的影响，该结果表明基于遗传算法筛选特征波长区间并采用人工神经网络可以将不同粒径土壤团聚体统一建模，用于团聚体土壤有机碳和全氮含量的估测。


2020 Vol. 40 (12): 3818-3824                              [摘要]                              (25 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4168 KB)                                                                                           (                                24                               )

 

3825BA-Adaboost模型的黑土区土壤养分含量高光谱估测                                                            

林 楠1,2，刘海琪3，杨佳佳4，吴梦红1，刘翰霖1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3825-07


黑土中的有机质、磷和钾等养分元素在作物生长过程中起着至关重要的作用，研究黑土养分元素的分布特征，开展元素含量的定量计算，对黑土地的科学管理和环境保护具有重要意义。基于黑龙江省讷河市80份黑土样品和高光谱实测数据，分析了光谱反射率、反射率一阶微分、反射率倒数对数、反射率倒数对数一阶微分与土壤有机质、磷元素和钾元素含量的相关性，并利用相关系数法提取敏感波段。针对机器学习模型中参数值优化选择问题，引入蝙蝠算法（BA）并与Adaboost模型相结合，利用BA对Adaboost模型中的最大迭代次数n和弱学习器权重缩减系数v两个核心参数进行寻优计算，选择CART决策树为模型的弱回归学习器，决定系数作为参数优化的目标函数值，构建BA-Adaboost土壤养分含量高光谱预测模型，定量估测土壤有机质、磷元素和钾元素含量，结果表明：BA-Adaboost组合模型可以快速搜索全局最优参数，经BA优化后的Adaboost模型精度和可靠性显著提高，3种元素中，土壤有机质估测精度最高，决定系数和均方根误差分别为0.864和0.152 g·kg-1，对比优化前模型预测精度提高了14.2%和25.4%，说明构建的BA-Adaboost模型在土壤元素含量高光谱估测中具有一定的应用前景，是一种高效的估测方法。


2020 Vol. 40 (12): 3825-3831                              [摘要]                              (24 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4800 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3832基于光谱学方法研究土壤对堆肥中可溶性有机物的吸附行为                                                            

缪闯和1, 2，吕贻忠1, 2*, 于 越1，赵 康1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3832-07


可溶性有机物（DOM）作为土壤有机碳库的重要组成部分，其在碳氮循环、养分转化及污染物迁移等土壤生物化学过程中具有重要作用。研究不同类型土壤对堆肥DOM的吸附行为，可为堆肥在不同类型土壤中合理施用以及研究堆肥DOM的土壤环境化学行为提供理论参考。该研究选取黑土和潮土两种土壤，以石英砂作对比，开展不同吸附时间下三种介质对DOM的吸附试验，并采用紫外-可见光谱和三维荧光光谱结合平行因子法分析吸附反应溶液中DOM的光谱特征。结果表明，DOM在土壤中能很快被土壤颗粒吸附，在最初的20 min内吸附速率最快，随着吸附时间延长，吸附速率会逐渐减慢，并在260 min时达到平衡。在吸附时间为20 min时，黑土、潮土和石英砂对DOM的吸附量，分别占到260 min时吸附量的61.94%，67.43%和61.57%。在吸附时间达260 min时，黑土对DOM的吸附量为9.30 mg·g-1，潮土对DOM的吸附量为9.18 mg·g-1，石英砂对DOM的吸附量为8.90 mg·g-1。紫外-可见光谱分析结果显示，在200~600 nm波长范围内，不同吸附反应溶液中DOM的吸光度值随吸附时间延长均降低，在最初5 min内降低幅度大于5~260 min时段，此外，吸附反应溶液中DOM的SUVA254值先升高再降低。平行因子分析(PARAFAC)结果显示，吸附反应溶液中存在三个有机荧光组分，其中C1组分（325/410 nm）鉴定为UV类腐殖酸，C2组分（主峰为265/440 nm、次峰360/440 nm）鉴定为陆地植物源类腐殖酸，C3组分（主峰为370/485 nm、次峰290/485 nm）为典型的类腐殖质组分。C3组分的相对分子质量高于C1和C2组分，但芳香性构化程度低于C1和C2组分。黑土对C3组分的吸附能力最强，潮土对C1组分的吸附能力最强，石英砂对C2组分的吸附能力最强。综上所述，土壤类型和DOM自身的组成结构特征会影响土壤对DOM的吸附行为。该研究可为堆肥在不同类型土壤上合理施用提供理论依据。


2020 Vol. 40 (12): 3832-3838                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4643 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3839应用光谱分析方法测定牛肝菌的产地和不同部位矿物质含量                                                            

陈凤霞1，杨天伟2，李杰庆1，刘鸿高3，范茂攀1*，王元忠4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3839-08


我国是全球最大的牛肝菌出口国，云南则是国内牛肝菌最大产区。美味牛肝菌香郁爽滑、营养丰富，备受消费者青睐，但因不同的地理气候和环境差异，导致品质参差不齐。开展云南省不同产区美味牛肝菌产地鉴别，有利于提高商品质量控制。本研究采集云南省13个产地美味牛肝菌样品124份，使用傅里叶变换中红外光谱（FTIR-MIR）、傅里叶变换近红外光谱（FTIR-NIR）、紫外可见光谱（UV-Vis）和电感耦合等离子体原子发射光谱法测定光谱信息与不同部位矿质元素含量并进行分析，对原始光谱进行平滑（Savitzky-Golay，SG）、二阶导数（SD）、标准正态变换（SNV）等预处理，数据使用Kennard-Stone分类法分为训练集与预测集，通过偏最小二乘辨别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）建立分类模型后进行对比分析，寻找最佳的产地鉴别方法。结果显示：（1）元素测定方法中茶叶标准物质回收率在91.00%～106.00%之间，方法准确可靠；（2）美味牛肝菌富含元素K，P，Mg，Na和Ca且不同部位相同产地，不同产地相同部位元素之间存在差异性，可能与美味牛肝菌不同部位的富集能力和不同产地地理环境差异相关；（3）中级融合通过主成分分析（PCA）提取重要信息，其中FTIR-MIR和UV-Vis光谱数据的累计贡献率达到83.50%和66.70%，代表重要信息变量；（4）在PLS-DA与SVM模型中，数据融合后的产地鉴别效果基本高于单一数据鉴别，说明数据融合策略在美味牛肝产地鉴别中效果显著；（5）采用Hottelling T2检测法对数据融合进行异常值检验，结果表明模型未超过置信区间，具有准确性与可信性；（6）PLS-DA模型的初级融合和中级融合结果都高于SVM，说明PLS-DA模型中级融合可以作为产地鉴别的最佳方法。多种光谱结合不同部位矿质元素可准确鉴别不同产地美味牛肝菌，为云南美味牛肝菌地域品质差异评价提供有效的分析方法。


2020 Vol. 40 (12): 3839-3846                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2471 KB)                                                                                           (                                17                               )

 

3847基于卷积神经网络和光谱特征的孵前种鸭蛋受精信息无损检测                                                            

李庆旭1，王巧华1，2*，顾 伟1，高 升1，马美湖3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3847-07


我国是鸭蛋与鸭肉生产和消费大国，为此每年需要孵化大量雏鸭才能满足生产需要。由于无精蛋在孵化过程中无法孵化出雏鸭，所以尽早地将其剔除可避免资源的浪费。国内鸭蛋孵化行业需在种鸭蛋入孵7天左右使用人工照蛋方式才能将无精蛋剔除。针对人工照蛋效率低且剔除的无精蛋已无食用价值等问题，以入孵前种鸭蛋为研究对象，将可见-近红外透射光谱技术与卷积神经网络相结合，用于入孵前种鸭蛋受精信息的无损鉴别。实验中对采集得到的400～1 000 nm原始光谱信息进行预处理（去除噪声波段和Savitzky-Golay卷积平滑处理）去除噪声与无关信息，使用竞争性自适应重加权算法(CARS)与连续投影算法( SPA)选取特征波长，并将选择的特征波长转换成二维光谱矩阵。二维光谱矩阵既可以表征特征光谱的有效信息，又可以将光谱信息传入到神经网络进行训练。针对光谱数据的特点，网络过深容易造成模型的过拟合，网络过浅则会造成模型的欠拟合。为此构建了一个4层的卷积神经网络(CNN)用于对光谱信息矩阵进行训练，该网络包括3个卷积层和1个全连接层，卷积层用于自动提取光谱二维信息矩阵的有效信息，全连接层通过对卷积层提取的局部特征进行整合进而供输出层决策，此外在卷积神经网络中引入了局部相应归一化、池化和dropout操作可以加速网络的收敛速度并防止模型过拟合。运用SPA提取的特征波长建立的卷积神经网络模型训练集准确率为97.71%，测试集准确率为97.41%，验证集准确率为98.29%；运用CARS提取的特征波长建立的卷积神经网络模型训练集准确率为97.42%，测试集准确率为97.41%，验证集准确率为97.44%，而使用SPA和CARS提取的特征波长建立的传统机器学习模型测试集精度最高仅为87.39%。研究结果表明，利用卷积神经网络与光谱技术相结合可以实现入孵前种鸭蛋受精信息无损鉴别，可为后续开发动态在线检测设备提供高效、无损、快速的技术支持。


2020 Vol. 40 (12): 3847-3853                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3423 KB)                                                                                           (                                34                               )

 

3854基于植物油三维荧光光谱的茶油鉴定模型                                                            

卢先勇1，何文绚2, 3*，陈昊聪2，黄 睿2，张燕杰2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3854-06


茶油的脂肪酸组成与被誉为“黄金液体”的橄榄油相似，有着“东方橄榄油”的美称，一些不法商家在高价油中掺入低价油、地沟油等来谋取暴利，严重侵犯了消费者的权益。建立快速、高效的茶油鉴定方法对于防止茶油掺伪、维护消费者权益具有重要意义。首先分析了不同品牌、加工工艺的茶油、大豆油、玉米油等共54个样本的三维荧光光谱等高线图，分析结果表明：不同加工工艺获取的茶油，它们的三维荧光光谱差异较大，而茶油与大豆油及玉米油的三维荧光光谱则差异较小，因此仅通过观察样本的三维荧光光谱很难进行茶油鉴定。通过编写小程序，并在9.4版SAS软件平台上运行该程序，将样本三维荧光光谱的二维函数z=f(激发，发射)表达，转换成一维函数z=f(激发-发射)表达，在此基础上，获取训练集样本三维荧光光谱数据矩阵，再在simca 15.0.2软件平台上，采用正交偏最小二乘判别分析（OPSL-DA），基于训练集样本数据，构建茶油鉴定模型。代表该模型拟合能力的参数R2=0.84；代表模型预测能力的参数Q2=0.72，变量数=2，上述参数表明所构建的模型是一个质量好的模型。设计具有良好代表性的由7个不同品牌茶油, 18个掺伪茶油，2个盲样构成的检验集，其中掺伪茶油的掺杂物是大豆油或玉米油或棕榈油或棉籽油或低价混合油，掺杂物添加水平分别是4%，10%和16%。上述构建的茶油鉴定模型，对检验集27个样本的预测结果全部正确，能够鉴别添加量仅为4%，且掺杂物三维荧光光谱与茶油三维荧光光谱非常相似的（如玉米油、大豆油、混合油）掺伪茶油。因此该模型可以快速、有效地进行茶油鉴定。该研究为应用三维荧光光谱进行快速、有效的植物油鉴定，提供了一种新的途径。


2020 Vol. 40 (12): 3854-3859                              [摘要]                              (20 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3320 KB)                                                                                           (                                8                               )

 

3860二倍体马铃薯绿原酸的提取与光谱测定分析                                                            

杨慧芹1, 2，张 博1, 2，马 玲1, 2，尚 轶1, 2，高冬丽1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3860-05


马铃薯营养成分全面、营养结构合理、易于消化吸收，是我国第四大粮食作物。马铃薯中富含绿原酸等酚类物质，具有抗氧化、抗病、抗癌、降脂等多种保健作用。鉴于绿原酸与马铃薯风味、营养及抗性品质密不可分，系统测定分析马铃薯不同组织中的绿原酸含量及分布规律将为改良作物品质提供理论依据和借鉴。马铃薯普通栽培种是同源四倍体，应用杂交育种的方法改良品种比较困难，而二倍体马铃薯比四倍体马铃薯遗传背景简单，在育种和基因组研究方面更具优势。采用二倍体马铃薯自然变异群体（C系列）和自交分离F2群体（151系列和RH系列）为实验材料，利用紫外-可见光分光光度计（UV-VIS）对不同组织中绿原酸含量进行测定计算，并采用SPSS16.0对绿原酸测定结果进行统计分析。结果表明，在所选取的131个样本中，C系列马铃薯叶片绿原酸含量明显高于151系列和RH系列，C系列马铃薯叶片绿原酸含量最高为12 022.25 mg·kg-1 FW，151系列马铃薯叶片绿原酸含量最高为7 685.41 mg·kg-1 FW，RH系列马铃薯叶片绿原酸含量最高为5 486.46 mg·kg-1 FW，但C系列均匀性和稳定性低于151系列和RH系列。进一步对C系列（181个样本）薯皮和薯肉绿原酸含量进行测定分析，薯皮中绿原酸含量明显高于薯肉，薯皮中绿原酸含量最高为19 679.59 mg·kg-1 DW，薯肉中绿原酸含量最高为2 927.52 mg·kg-1 DW，整体上薯肉中绿原酸含量随薯皮绿原酸含量的增加而增加，但不呈线性关系。通过对二倍体马铃薯绿原酸含量的测定分析，为光谱测定分析法在研究、培育绿原酸含量高、风味好的马铃薯新品种中的应用提供理论基础。同时，光谱测定分析结果对指导育种、天然活性物质的测定分析及农业基因组研究具有重要的意义，也为紫外-可见光谱在国家优薯计划、国际农业基因组计划和智慧农业领域的应用提供研究和技术应用基础。


2020 Vol. 40 (12): 3860-3864                              [摘要]                              (20 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2857 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

3865可见-近红外光谱结合机器视觉动态检测花生黄曲霉毒素B1污染                                                            

严 晨1，蒋雪松1*，沈 飞2*，何学明2，方 勇2，刘 琴2，周宏平1，刘兴泉3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3865-06


花生是一种重要的油料作物，易受曲霉菌感染从而产生黄曲霉毒素，其中黄曲霉毒素B1（AFB1）对人畜具有较高威胁。传统AFB1检测方法操作繁琐、破坏物料以及耗时长等问题较为突出，因此发展一种快速、无损且适合在线的检测方法对花生生产及加工具有重要意义。将从市场购买的市购花生，于28 ℃和85%相对湿度环境中储藏至霉变。在0，4，6，7和8 d时间段，再分别以0.15 m·s-1的速度动态采集其光谱和图像信息，采集信息后利用酶联免疫吸附法（ELISA）测定花生中AFB1含量。对光谱采用多元散射校正、基线校正、标准正态变量校正以及Savitzky-Golay平滑等方法预处理，并对600~1 600 nm范围内的光谱数据进行主成分分析，根据主成分权重系数确定8个特征波长（630，1 067，1 150，1 227，1 390和1 415 nm）；对图像采取灰度化和阈值分割等方法处理，并提取12种图像颜色特征参数。最后利用线性判别分析（LDA）以及支持向量机（SVM）建立花生样品的定性判别分析模型（以国家标准20 μg·kg-1为界限）。ELISA结果表明，花生AFB1超标率为58%；可见-近红外图谱分析表明，在1 180 nm等波峰处随着毒素侵染程度的加深，吸光度逐渐降低；机器视觉分析表明，随着储藏时间的增加，花生表面逐渐暗淡并有菌丝覆盖，毒素侵染水平逐渐提高，花生图像的RGB值总体下降。通过主成分分析发现，光谱呈现较明显的聚类趋势，而图像及数据融合聚类趋势不明显。根据全谱段、特征波长构建的LDA和SVM模型均能够对超标和未超标样品进行快速识别，其中基于全谱段的模型最佳识别率达92%，基于特征波长的模型最佳识别率达88%；相对于基于光谱信息建模，非线性SVM模型在根据图像颜色特征参数建模分析上表现较优，最佳识别率为90%；结合花生样品内外部信息，基于光谱和图像信息融合的SVM模型最佳识别率达到92%。利用可见-近红外光谱以及机器视觉技术结合化学计量法，实现花生AFB1含量超标与否的动态判别具有一定可行性，为花生在线质量安全检测提供了理论基础。


2020 Vol. 40 (12): 3865-3870                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2879 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

3871香蕉贮藏中腐败基准确定与高光谱信息表征及腐败预警模型构建                                                            

薛书凝，殷 勇*，于慧春，袁云霞，马帅帅


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3871-07


为了实现香蕉在贮藏过程中的腐败预警，对不同贮藏时间的香蕉进行高光谱数据采集。应用Savitzky-Golar（SG）平滑对原始光谱进行降噪处理，以获得少噪声干扰的光谱数据。提出一种基于Wilks Λ统计量结合主成分信息融合的高光谱特征波长提取方法。该方法可描述为：先对降噪后的高光谱数据进行主成分分析（PCA），然后对获取的主成分数据分别构建Wilks Λ统计量，进而可选出Wilks Λ值最小的主成分变量（第3主成分，PC3），绘制出该主成分对应于原始变量（各波长）下的组合权重系数图，将权重系数图中的波峰、波谷所对应的波长变量提取出来即为该法提取出的特征波长。按此方法共提取出9个特征波长。同时，对香蕉的色差数据进行分析，通过分析测试样本的L*，a*，b*，ΔE值随贮藏时间的变化趋势，找到数据异常点（拐点）所在位置，并结合实际感官情况初步确定了腐败基准为第6个贮藏日。为了进一步说明所确定的腐败基准的合理性，应用特征光谱数据做出不同贮藏时间样本平均光谱反射值曲线，对比发现在不同特征波长下光谱反射值均在贮藏第6天达到最小值，与色差指标分析结果一致，进一步证明了腐败基准选取的正确性。所以，可用第6个贮藏日的特征光谱信息来表征基准信息，以生成腐败基准的特征光谱表征向量及其对应的协方差矩阵。最后，以表征腐败基准的光谱特征向量为基点，采用马氏距离（MD）构建了香蕉贮藏过程中基于高光谱特征波长信息的腐败预警模型，并对模型进行了验证。结果表明：随着香蕉贮藏时间的延长，该预警模型给出的测试样本与腐败基准的距离越来越近，吻合香蕉腐败的实际进程。因此，所提出的高光谱特征波长提取方法、腐败基准的确定及其表征方法以及腐败预警高光谱模型是合适的，能有效地预警香蕉腐败。


2020 Vol. 40 (12): 3871-3877                              [摘要]                              (23 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3736 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

3878基于近、中红外光谱法融合判定黑果枸杞产地及品质信息                                                            

李亚惠1，李艳肖2*，谭伟龙3，孙晓霞1，石吉勇1，邹小波1*，张俊俊1，蒋彩萍1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3878-06


黑果枸杞属药食同源植物，富含多糖、蛋白质、矿物质、花青素等生物活性物质，具有清除自由基、抗氧化、美容养颜及调节人体免疫系统的作用，引起国内外研究者的极大关注，备受消费者的追捧。我国幅员辽阔，黑果枸杞的种植主要分布于新疆、西藏、内蒙古、青海、宁夏等地，不同产地受海拔、日照、环境因素的影响所产黑果枸杞品质也不尽相同。针对市场上不同产地黑果枸杞产地信息标注混乱，品质参差不齐而导致市场混乱现象，利用近、中红外光谱技术结合化学计量学方法对黑果枸杞的产地品质信息进行区分。首先对所收集不同产地的5种，共计190个黑果枸杞样本进行近、中红外光谱采集及多糖含量的测定，利用主成分分析（PCA）对所采集的原始数据进行降维处理并采用偏最小二乘-支持向量机（LS-SVM）对其进行定性区分。结果显示，经PCA处理后的三维主成分得分图可明显地将黑果枸杞的光谱数据按照产地类型分为5大类，进一步采用LS-SVM对其进行处理，得出融合光谱与单一近、中红外光谱所建LS-SVM模型相比，融合光谱所建模型的预测能力优于单一一种光谱所建模型的预测能力，当主成分数为9时，近、中红外融合光谱的校正集识别率达到100%，预测集识别率达到99.17%。采用联合区间偏最小二乘（Si-PLS）对多糖含量进行定量预测，结果显示，近、中红外光谱融合后建立Si-PLS预测模型的校正集相关系数（Rc）为0.976 9，交互验证均方根误差（RMSECV）最小为2.08%，预测集的相关系数（Rt）达到0.967 0，均方根误差（RMSEP）为2.40%。另外用15个新的黑果枸杞样本对所建立最佳Si-PLS模型进行验证，验证模型的Rt和RMSEP分别为0.947 7和2.57%，结果证明研究所建最佳Si-PLS模型的鲁棒性好、精确度高。结合LS-SVM、Si-PLS的近、中红外融合光谱技术，可以精简、优化模型，达到快速、准确地识别黑果枸杞的产地品质信息的目的。


2020 Vol. 40 (12): 3878-3883                              [摘要]                              (27 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2873 KB)                                                                                           (                                30                               )

 

3884采收前连续光照光质对三种供氮水平的水培生菜营养元素含量的影响                                                            

刘文科1, 2, 3*，张玉彬2, 3，查凌雁2, 3，刘义飞1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3884-06


红蓝复合光是植物生长发育最有效的光谱组合，且红蓝光LED成为植物工厂进行水培叶菜生产的主流光源。采收前进行LED红蓝光连续光照具有增产和提高品质的作用，在植物工厂水培叶菜生产中具有应用前景。在植物工厂中应用水培方法和ICP-AES分析技术，研究了采收前LED红蓝光连续光照（CL）光质对三种供氮水平下水培生菜干物质累积和营养元素含量和累积量的影响。在光强150 μmol·m-2·s-1下，试验设置了8，10和12 mmol·L-1三种供氮水平（N8，N10和N12），并在采收前3天设计了2种红蓝光质（2R∶1B和4R∶1B）的连续光照处理，光强为150 μmol·m-2·s-1。结果表明，增加供氮水平可促进水培生菜地上部干重增加，采收前三天红蓝光CL后生菜地上部干重增加。供氮水平对生菜N，C和P含量无显著影响，而供氮水平的增加提高了Ca和Mg含量，但K，Fe，Mn，Cu和Zn含量却随氮水平升高呈现出降低的趋势。生菜地上部中N，Ca和Mg的累积量随供氮水平的增加而提高，但C，K，P和Fe的累积量与供氮水平无关，而微量元素Mn，Cu和Zn随氮水平升高呈现降低趋势。除C以外，其他营养元素含量和累积量均受采收前三天CL红蓝光质和供氮水平的共同影响。N浓度水平N10和N12条件下，红蓝光4∶1连续光照更有利于获得较高的营养元素含量和累积量。CL处理显著提高了生菜干物质中C的含量，但降低了K，P和Fe含量，对N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量无显著影响；CL增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累积量，但不影响微量元素的累积量。总之，高氮肥供给有利于提高水培生菜干物质产量和Ca和Mg含量和累积量。高氮水平下辅以LED红蓝光4∶1连续光照有利于增加较高的营养元素含量和累积量。CL处理提高了生菜干物质中C的含量，增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累积量，但对微量元素的累积量无影响。高氮肥和采收前红蓝光CL可提高多数大中量营养元素的含量与累积量。


2020 Vol. 40 (12): 3884-3889                              [摘要]                              (16 )                                                                                           RICH HTML    PDF (824 KB)                                                                                           (                                8                               )

 

3890基于傅里叶光谱技术对Pb胁迫下斜生栅藻物质成分变化的研究                                                            

刘群伟，邵咏妮，陈小婉，蒋林华*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3890-05


生活中工业和交通等方面释放的重金属对大自然的水体环境造成了一定的影响，微藻作为水体环境的初级生产者最先受到铅的影响。课题尝试通过研究藻体内物质成分的改变进而对水体污染的程度进行判定。传统的研究生物大分子的方法复杂且需要使用大量的化学试剂，因此亟待寻找一种微藻物质成分检测的新技术。太赫兹、远红外技术具有较高的分辨率，并且脂质、蛋白质等物质的振动频率处于太赫兹波段，这为研究微藻物质变化提供了一种新的技术手段。研究采用太赫兹、远红外光谱表征Pb胁迫下的斜生栅藻细胞内生物大分子的变化情况。使用傅里叶变换红外光谱仪采集对照组（0 mg·L-1）和实验组（0.5, 5和20 mg·L-1）的斜生栅藻随时间变化的光谱图，根据淀粉（9.1, 10.5和17.2 THz）与类胡萝卜素（16.7 THz）的特征吸收峰得到其淀粉含量与类胡萝卜素的变化。同时结合化学计量学方法，对胁迫时间12h与24h的光谱数据进行主成分分析，可以很容易地将Pb胁迫的不同实验组样品与对照组区分开。结果表明在铅胁迫下，斜生栅藻中的碳水化合物和类胡萝卜素含量逐渐增加。Pb抑制了光合作用，影响了多糖和其他大分子的合成。实验结果表明太赫兹、远红外光谱可作为一种快速，无损方法，用于对铅胁迫下藻体细胞成分的变化研究，从而实现水体污染程度的判定。


2020 Vol. 40 (12): 3890-3894                              [摘要]                              (20 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2599 KB)                                                                                           (                                17                               )

 

3895基于激光诱导击穿光谱的D2钢硬度研究                                                            

贾皓月1, 2，郭古青3*，赵富强1, 2，胡 勇3，李传亮3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3895-06


表面硬度是表征钢铁特性的重要参量之一，表面硬度的检测可以把关工业生产质量。在自行搭建的LIBS实验平台获取激光诱导击穿光谱（LIBS），控制激光能量为30 mJ，比较了基体元素Fe Ⅰ 404.58 nm和合金元素Mn Ⅰ 403.07 nm的光谱强度与6个不同D2钢硬度的样品（经过不同热处理得到不同硬度）之间的相关性，发现合金元素Mn的光谱强度与硬度的决定系数（0.934）高于基体元素Fe的决定系数（0.916）。采用LIBS中Fe的离子与原子光谱强度比及激光诱导等离子体温度表征不同热处理的D2钢硬度，选择Fe Ⅱ 275.57 nm和Fe Ⅰ 276.75 nm的两条特征谱线作为分析谱线，建立了表面硬度与光谱信号之间的关系（决定系数为0.964）；激光诱导等离子体温度作为等离子体重要参数与硬度建立了很强的正相关性（决定系数为0.977）。D2钢表面硬度可以通过不同热处理改变组织进而改变硬度，同时加入合金元素（例如通过加入Mn可以细化晶粒改善钢的硬度）也可以改变硬度。实验同时建立了不同含量Mn的D2钢硬度与光谱强度（Mn Ⅰ 403.07 nm）之间的相关性，D2钢的硬度不随Mn含量的增加而单调增加，而光谱强度却随硬度有一致性变化。实验结果表明利用基体元素Fe、合金元素Mn，Fe元素离子与原子光谱强度比和等离子体温度可以与不同硬度D2钢建立正比关系，光谱强度有效地表征了不同热处理得到的D2钢硬度；不同Mn含量得到的D2钢硬度有效地验证了光谱强度表征硬度的可行性。因此，LIBS光谱技术表征钢铁材料硬度特性得到了实验验证，展现了工业现场控制中的应用前景。


2020 Vol. 40 (12): 3895-3900                              [摘要]                              (19 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3009 KB)                                                                                           (                                12                               )

 

3901激光诱导击穿光谱铝合金在线分类识别系统研究                                                            

刘 佳1，沈学静1,2，徐 鹏2，崔飞鹏2，史孝侠2，李晓鹏2，王海舟1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3901-05


铝合金材料凭借其易加工、耐腐蚀、可循环利用等良好性能，在众多工业领域都得到了广泛的应用，已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。面对矿产资源的日益匮乏以及大量铝产品到达服役年限，因此铝合金的回收利用就尤为重要，再生循环铝对经济、环境和能源的可持续发展都具有重要意义。目前，由于废旧铝合金种类混杂、形态各异，很难高效对其分类，导致优质铝合金降级使用直接铸造成铝锭。航空航天用铝以2xxx系列和7xxx系列铝合金为主，由于特殊的使用环境，其产品质量好、价值高，降级使用会造成巨大的浪费。本文以航空用铝2xxx系列、7xxx系列以及铸铝A356三个系列的铝合金自动分类为研究目标，基于激光诱导击穿光谱技术搭建自动化分类检测实验平台，通过图像识别方式完成对动态样品的定位，使其准确被激光诱导击穿光谱（LIBS）捕获完成测试，对于单脉冲LIBS光谱信号，结合密度分布函数思想，分别建立三个系列铝合金的多维高斯概率密度分布判别函数，实现了对2xxx系、7xxx系以及铸铝A356的高效、高精度、连续分类检测。实验结果表明：系统完成对1.2 m·s-1传送过程中物料的识别时间为18 ms，定位激光激发控制偏差小于20.83 ms，传送中测试样品的最小尺寸为25 mm；对于高度差异3 mm以内的三个系列铝合金样品，多维高斯概率密度分布方法的平均预测分类识别准确率可达到99.15%，平均建模时间仅需7 ms，与应用广泛的支持向量机（SVM）分类方法相比，预测准确率相当，建模时间提高了一个数量级，该方法分类预测的泛化能力较好，建模效率高。该研究验证了基于激光诱导击穿光谱技术对铝合金进行自动化快速分类检测的有效性，为全自动废旧金属分拣系统的建立提供了理论和技术基础。


2020 Vol. 40 (12): 3901-3905                              [摘要]                              (28 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3061 KB)                                                                                           (                                23                               )

 

390618CrNiMo7-6中低合金钢连铸圆坯的原位统计分布分析                                                            

王 辉1, 2，金 呈3，赵 雷1, 2，于 雷3，蔺 菲3，孙晓飞3，贾云海1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3906-06


连铸过程中会不可避免地出现中心偏析，中心偏析影响钢材均匀性，严重的中心偏析会对钢材的组织、质量和性能产生很大的影响。准确、快速、方便地对钢中元素含量分布进行分析，将有助于指导冶金工作者进行质量控制和工艺改进。原位统计分布分析是在较大尺度范围内（cm2）各化学组成及其形态的定量统计分布规律的分析技术，在钢铁、高温合金等的元素偏析、疏松、夹杂物分析上已有成功的应用。采用原位统计分布分析方法对18CrNiMo7-6中低合金钢连铸圆坯从中心到边缘的各元素分布进行了分析，得到不同位置各试样的统计符合度、统计偏析度，同时采用火花光谱法分析各试样得到相对标准偏差，研究元素分布与统计符合度、统计偏析度、相对标准偏差的相关规律。结果表明，各试样P，Nb和S存在明显的偏析，整体的统计符合度较低，统计偏析度、相对标准偏差较大；各试样Cr，Ni，Mn，Mo和Si分布较均匀，整体的统计符合度较高，统计偏析度、相对标准偏差较小。圆坯中心部位的6#样品在10块样品中各元素偏析最明显，统计符合度最低，统计偏析度、相对标准偏差最大；靠近中心部位的3#，7#，4#样品各元素偏析较明显，各元素统计符合度较低，统计偏析度、相对标准偏差较大；圆坯边缘部位的9#和10#样品偏析程度最轻，各元素统计符合度最高，统计偏析度、相对标准偏差最小。各元素整体上按照从中心到边缘统计符合度逐渐增大，统计偏析度、相对标准偏差逐渐减小的规律分布。原位统计分布分析的统计符合度、统计偏析度结果与火花光谱分析的相对标准偏差结果在各试样的元素偏析上呈现出相同的规律。由原位统计分布分析得到各试样的元素含量等高图趋势与统计符合度、统计偏析度、相对标准偏差结果也呈现出相同的规律。因此，原位统计分布分析技术可对材料元素分布提供准确、快速的表征，为材料及工艺研究提供反映材料内在质量的判据方法。


2020 Vol. 40 (12): 3906-3911                              [摘要]                              (21 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3058 KB)                                                                                           (                                12                               )

 

3912ICP-OES研究北运河表层沉积物中重金属的空间分布特征及生态风险评价                                                            

刘蔚怡，孟 媛，靳百川，蒋梦云，蔺祖弘，胡立扬，张婷婷*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3912-07


水系沉积物中重金属元素的生态风险评价对流域重金属的污染程度和迁移转化规律等研究具有十分重要的意义。北运河是京津冀地区重要的纳污河道，全流域重金属的分布特征和生态风险尚不清楚。为全面了解北运河全流域沉积物中重金属的赋存水平，该研究在上、中、下游共选取17个国控及省控断面采集表层沉积物。使用王水提取-水浴消解以及连续提取法对沉积物样品进行前处理，电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）同时测定As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn八种元素的含量及形态，并对其进行生态风险评价。结果表明，北运河表层沉积物中重金属平均含量为Mn>Pb>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd>As。重金属元素Pb，Zn和Cu平均含量高于背景值，其中Pb元素平均含量为背景值4倍以上。不同重金属空间变化差异性较大，中下游含量相对较高。通过形态分析发现，Cd和Zn元素的形态以酸可溶态和可还原态为主，生物活性较强，对环境危害较大；As，Mn，Cr，Cu，Ni和Pb元素的形态以可氧化态和残渣态为主，生物活性较弱，对环境危害较小。地质累积指数（Igeo）表明重金属外源污染严重，Pb（Igeo=2.24）污染水平较重，Cu（Igeo=1.44）和Cd（Igeo=1.45）污染水平中等，Zn（Igeo=0.99）污染水平较轻，其他元素均处于无污染水平。潜在生态风险指数表明，北运河流域表层沉积物重金属的综合生态风险较低，仅有Cd元素的存在使北运河具有中等风险，其他元素均未给北运河带来风险(低风险)。主成分分析表明北运河流域表层沉积物重金属主要来源于农药和化肥的不合理使用、大气沉降以及工业与交通的排放。与我国其他典型流域相比，北运河流域表层沉积物重金属含量相对较低，这主要归因于近些年来京津冀地区产业结构调整、大气污染控制以及河道修复工作的有效实施，该研究可为后续北运河治理和管理提供数据支持。


2020 Vol. 40 (12): 3912-3918                              [摘要]                              (18 )                                                                                           RICH HTML PDF  (0 KB)                                                                                           (                                1                               )

 

3919基于太赫兹时域光谱技术的黄酮类化合物研究                                                            

殷 明1，王建林1，黄浩亮1，黄秋萍2，杨萌萌1，傅正平3，陆亚林2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3919-06


黄酮类化合物常以游离或糖苷形式广泛存在于植物体内的一大类多酚物质，具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抑制肿瘤生长等药理作用，作为一种重要的中药活性成分，其具有较高的药用价值和开发前景。利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）研究了8种常见的黄酮类化合物（黄芩素、槲皮素、柚皮素、大豆素、黄芩苷、葛根素、染料木素和天麻素）在0.2～2.5 THz波段的生物分子特性，结果表明这些黄酮类物质在太赫兹波段具有明显不同的特征吸收峰，并研究了它们在78～320 K范围内随温度变化的太赫兹吸收特性，结果显示随着温度的降低，特征吸收峰逐渐增强，并且吸收峰频率位置发生蓝移。另外，通过化学计量学方法结合太赫兹吸收谱对黄酮类物质进行定性鉴别和定量分析研究，首先利用主成分分析（PCA）提取光谱特征变量，然后将前五个主成分分量作为支持向量机（SVM）的输入变量建立分类模型，通过优化模型选择最优参数，最终得到100%的分类准确度。另外，采用偏最小二乘回归（PLSR）模型和人工神经网络（ANN）模型对淀粉中含有不同浓度含量的黄酮类物质进行定量分析，经过对比这两种方法，ANN模型得到了最高的预测精度，其中，柚皮素和大豆素在预测集中的浓度预测相关系数分别为R2=0.994 4，R2=0.996 4，均方根误差分别为RMSE=1.932 5，RMSE=1.544 1。综上所述，利用THz-TDS技术研究了黄酮类物质在太赫兹波段的生物分子特性，并结合化学计量学方法为黄酮类物质提供了一种快速、有效、无损的定性鉴别和定量分析方法，在中草药的检测方面具有潜在的应用价值，对其他生物分子的研究也具有较强的借鉴意义。


2020 Vol. 40 (12): 3919-3924                              [摘要]                              (25 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4734 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

3925红外光谱用于新精神活性物质快速定性分析                                                            

刘翠梅，韩 煜，贾 薇，花镇东


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3925-05


分析了301种新精神活性物质（NPS）对照品的红外光谱，其中包括合成大麻素类100种、合成卡西酮类81种、苯乙胺类42种、色胺类9种、苯环利定类7种、哌嗪类5种、氨基茚类2种、其他类55种（含芬太尼类24种）。考察了红外光谱对NPS的整体区分能力以及红外光谱法定性鉴定NPS的判定依据。研究结果表明，红外光谱可实现对所有NPS的区分。对于97%的NPS具有较高的区分度，其中包括了烷基链上不同位置取代、苯环上不同位置取代、苯环上不同取代基取代等NPS结构类似物；某些差异仅为一个甲基或卤素原子的NPS类似物红外光谱相似度高，但也可实现区分。匹配度系数法是谱库检索最常用的方法，操作简单，但匹配度系数的计算结果由谱图质量、软件、算法等多个因素决定，因此难以确定普适性的阳性检出阈值。相比较于匹配度系数法，采用特征吸收峰法对NPS进行定性鉴定，结果更加准确可靠。一般情况下，在其对照品红外光谱图的2 500~650 cm-1范围内选取8个相对强度较高的吸收峰作为特征吸收峰；针对某些结构类似物，需选取一些强度较低、但能将它与其类似物区分开的吸收峰作为特征吸收峰。只有当所有特征吸收峰均检出时，才能给出阳性检出结论。根据上述原则，确定了我国已列管168种NPS的特征吸收峰，并制定了公共安全行业标准《法庭科学 疑似毒品中2-氟苯丙胺等168种新精神活性物质检验 气相色谱-质谱、红外光谱和液相色谱法》。采用基于特征吸收峰的红外光谱法对NPS进行快速定性分析，将极大提高NPS定性检验的鉴定效率、降低鉴定成本。


2020 Vol. 40 (12): 3925-3929                              [摘要]                              (22 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2263 KB)                                                                                           (                                13                               )

 

3930小波变换导数法X射线荧光光谱自适应寻峰研究                                                            

汪雪元1,2,3，何剑锋1,2,3*，刘 琳1,2,3，聂逢君2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3930-06


重峰分辨能力和弱峰识别能力是衡量X射线荧光光谱寻峰的关键性指标，常见寻峰方法难以同时满足较高的重峰分辨能力和弱峰识别能力。应用单个常见寻峰方法对复杂地质样品的X射线荧光光谱寻峰，往往难以识别出光谱中所有的特征峰。通过对导数法、小波变换法等经典寻峰方法的分析，可知：导数法具有较强的弱峰识别能力，但光谱的光滑效果影响光谱寻峰结果；小波变换法具有较强的重峰分辨能力，但小波分解尺度的选择影响光谱寻峰结果。提出了一种基于导数法和小波变换法的X射线荧光光谱自适应寻峰算法。该算法先对原始光谱进行连续小波变换，得到不同分解尺度的小波变换系数谱；然后对不同分解尺度的小波变换系数谱进行一阶导数寻峰并合并寻峰结果；最后根据X荧光分析仪的能量刻度和元素特征X射线参数表确定原始光谱中元素特征峰。该算法在寻峰过程中，无需对原始光谱进行光滑，也无需确定光谱的小波变换分解尺度。应用一阶导数法、连续小波变换法和该算法对一标准样品的X射线荧光光谱进行寻峰。实验结果表明：该算法具有较高的重峰分辨能力和弱峰识别能力，优于导数法和小波变换法在寻峰中的表现，并在实际应用生产中取得了优良效果。


2020 Vol. 40 (12): 3930-3935                              [摘要]                              (25 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3857 KB)                                                                                           (                                13                               )

 

3936基于X射线透射成像及荧光双模式的珍珠检测                                                            

邵尚坤1, 2，孙学鹏1, 2，杜晓光3，李玉飞1, 2，王亚冰1, 2，张晓芸1, 2，刘志国1, 2，孙天希1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3936-05


针对常规珍珠检测方法需要检测者具有丰富的经验、样品预处理、破坏样品、检测时间长等问题，设计了一种基于X射线透射成像及荧光双模式的珍珠检测系统。该系统首先通过在X射线透射成像系统上加入测厚系统，引入样品厚度进行修正，可以计算X射线在物质中的衰减系数，这就使得对于X射线吸收相同，厚度不同，衰减系数相近的样品也可以分辨出来，提高了成像系统的分辨，通过大量样品的测量建立衰减系数阈值数据库，根据衰减系数与阈值的对比，实现不同仿珍珠之间、珍珠与仿珍珠之间的鉴别；然后利用衰减系数相近的淡水和海水珍珠Ca元素含量远大于Sr元素，且淡水和海水珍珠中Sr含量不同，可以使用Sr和Ca元素含量的比值不同来区分淡水和海水珍珠，因此引入X射线荧光分析系统测量淡水和海水珍珠中Sr和Ca的荧光强度比，通过大量样品测量计算区分淡水和海水珍珠的荧光强度比的阈值，根据测量值和阈值的对比，从而进行淡水和海水珍珠的鉴别。引入测厚系统的X射线透射成像系统和X射线荧光检测系统协同运行，构成了鉴定珍珠的双模式系统。实验结果证明：该双模式系统可以在不破坏样品的前提下对不同仿珍珠之间、珍珠与仿珍珠、淡水与海水珍珠之间进行鉴别。该双模式检测系统在配合分拣系统后可以实现对大量样品的在线检测，带有分拣系统的双模式检测系统在珠宝鉴定、矿石检测、石制地板检测等领域具有潜在应用。


2020 Vol. 40 (12): 3936-3940                              [摘要]                              (16 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2190 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

3941高分辨率傅里叶变换光谱仪分束器补偿器的厚度匹配设计                                                            

陈 芳，高 超，白 杰


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3941-05


应用于航天遥感领域的高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪，多采用分束器补偿器的方案实现分光。由于光学器件的加工误差，实际应用的分束器与补偿器厚度并不能达到理想的完全匹配，当分束器与补偿器的厚度不匹配时，由于厚度误差引入的光程差会在视场内产生干涉条纹，进而影响光谱仪的调制度并降低其信噪比。为满足航天遥感高信噪比的要求，需要根据性能要求对分束器与补偿器的厚度误差范围进行限制，即分束器补偿器厚度匹配设计。通过理论分析方法建立了引入厚度匹配误差的附加光程差计算公式，以及视场范围内的光谱仪干涉信号强度计算公式，并通过Zemax建模仿真直观显示了由于分束器与补偿器厚度匹配误差导致的视场内干涉条纹信号，给出了光谱仪调制度随厚度匹配误差增加而下降的变化曲线。分析了视场范围在厚度不匹配条件下对调制度影响的增强效果，发现扩展光源的入射角变动受视场角影响，入射角变动越大导致光程差变化量越大，进而引起调制度的下降越大；分析了光源波数与计量激光波数不同条件下，由于器件折射率变化导致的色散效应对厚度不匹配影响的增强效果，发现厚度不匹配误差越大色散相位差越大，要恢复明确相位需要限制厚度不匹配误差使其引起的色散相位差小于2π。通过理论分析，建立了分束器补偿器厚度匹配设计准则，提出先通过光谱仪光谱范围和计量激光器参数限制分束器补偿器厚度不匹配误差，再导入光谱仪设计参数计算厚度不匹配误差与调制度关系曲线，根据调制度要求进一步限制厚度不匹配误差。通过该设计准则，可以提出傅里叶变换光谱仪的分束器补偿器厚度不匹配公差范围，指导分束器与补偿器的工程设计。


2020 Vol. 40 (12): 3941-3945                              [摘要]                              (17 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2246 KB)                                                                                           (                                8                               )

 

3946基于近红外光谱和变分自编码建模鉴别多类药物                                                            

郑安兵1，杨辉华1,2*，潘细朋1,2，尹利辉3，冯艳春3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3946-07


不同厂商（品牌）的药品仍存在一定的差异，价格不同，有销售商家用低廉药物产品换上假的大品牌包装在市场上高价销售。无专利药品或无生产、销售（如走私进口药）许可资质的药品也有可能贴上伪造的正规品牌包装在市场上出售。这些药品逃避药物监管和审批程序，损害消费者利益并给整个药物市场带来重大危害。因此，准确鉴别不同来源的药品在药品质量监管中具有重要意义。近红外光谱分析（NIR）具有仪器成本低、可直接测量、可无损检测、可现场检测等优点，特别适合药品的快速建模分析。采用近红外光谱直接鉴别出多个厂商、品种的药品，有重要应用价值同时又存在重大技术挑战，主要体现在需要有效的提取特征器和合适的分类器。自编码是深度学习方法中一个重要分支，它主要用于数据的非线性降维特征提取。变分自编码（VAE）是近年来最为流行的自编码算法，它通过变分法学习输入数据的一族欠完备的单变量正态分布特征，用以表示盲源因素对数据施加的影响，具有较强的特征提取能力，广泛应用于计算机视觉、语音识别等领域，在NIR分析方面未见报道。基于VAE，充分利用VAE既是特征提取器，又是数据生成器的优点，通过特殊设计的人工神经网络结构和损失函数，构建面向多品种、多厂商药品NIR分类模型。以29个厂商生产的4种药品（盐酸二甲双胍片，盐酸氯丙嗪片，马来酸氯苯那敏片，头孢呋辛酯片）的1 721个样本为实验对象，建立药品的多品种、多厂商分类鉴别实验。对比SVM，BP-ANN，PLS-DA等传统化学计量学算法及稀疏自编码(SAE)、深度信念网络(DBN)、深度卷积网络（CNN）等深度学习算法，其分类性能优良，同时具有良好的鲁棒性和可扩展性。


2020 Vol. 40 (12): 3946-3952                              [摘要]                              (24 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2900 KB)                                                                                           (                                23                               )

 

3953利用光谱技术解析绿豆两种谷氨酸脱羧酶结构的研究                                                            

王宪青1*，魏 彤1，杨 勇2*，石彦国3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)12-3953-10


谷氨酸脱羧酶（GAD）可催化谷氨酸的α-脱羧反应以产生γ-氨基丁酸（GABA）。首先提取并纯化了两种绿豆[Vigna radiate（L.）] GAD并分析了它们的酶学性质。研究发现绿豆中的两种GAD均为二聚体，分子量分别为155 kDa（GAD1）和75 kDa（GAD2）。GAD2含有更多的α-螺旋和β-折叠结构，因而表现出更高稳定性。GAD1和GAD2的三级结构趋于“暴露态”，GAD1具有更强的分子柔性且更趋于暴露态，而GAD2的分子构象更致密保守。研究发现pH和温度引起的结构变化是GAD酶学性质降低的主要原因。Ca2+参与结合GAD的钙调蛋白结合结构域，并诱导形成了“埋入式”紧凑的分子结构。SDS可诱导的GAD分子结构解折叠降低了酶的活性。KI，MgSO4，AgNO3和SDS显著抑制了GAD1和GAD2酶活性。吐温80，Ca2+和Cu2+可以显著激活GAD1和GAD2的酶学活性，而Fe2+仅增加GAD2的酶学活性。


2020 Vol. 40 (12): 3953-3962                              [摘要]                              (19 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4111 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

3963《光谱学与光谱分析》2020年(第40卷)总目次(第1～12期)                                                            

《光谱学与光谱分析》编辑部





2020 Vol. 40 (12): 3963-3984                              [摘要]                              (25 )                                                                                              PDF (1083 KB)                                                                                           (                                40                               ) 

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