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《光谱学与光谱分析》2021年, 第41卷，第04期
发布时间:2021-11-18]  阅读次数：4645次
 

1004利用FY-3(D)卫星电离层光度计数据反演电离层O/N2                                                            

王大鑫1，2，付利平1，3，4*，江 芳1，3，4，贾 楠1，2，3，4，王天放1，2，3，4，窦双团1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1004-07
磁暴等空间天气事件会引起热层中性成分O和N2浓度的显著变化，故常将氧原子和氮分子的柱密度之比O/N2作为电离层热层受扰动的标志。研究表明，O和N2柱密度之比O/N2与远紫外气辉OⅠ 135.6 nm和N2 Lyman-Birge-Hopfield(LBH)的柱辐射强度之比135.6/LBH具有很好的相关性，因此远紫外光学遥感探测对于监测磁暴等空间天气事件显得尤为重要。自20世纪70年代以来，国外就开展了远紫外气辉电离层探测的研究工作，并相继发射了多颗相关卫星，尤其是美国、日本以及瑞典等国家。而我国在轨运行的星载光学遥感探测仪器中，只有一些工作在微波波段、可见光波段的载荷，还没有在远紫外波段工作的遥感探测仪器，直到2017年11月风云三号D气象卫星的成功发射，卫星上搭载的电离层光度计是我国首台星载远紫外气辉遥感探测载荷，它为我们提供了一系列具有自主知识产权的远紫外探测数据，为开展电离层O/N2特性的研究奠定了基础。首先阐述了利用柱辐射强度之比135.6/LBH来反演热层中性成分柱密度之比O/N2的理论依据。其次，基于MSISE-00大气模型，利用AURIC来仿真计算135.6/LBH与O/N2之间的比例系数，然后利用电离层光度计实时观测的远紫外气辉数据来反演电离层O/N2，进一步验证磁暴期间电离层中性成分受扰动的情况。在数据处理过程中，采用了切比雪夫滤波器滤波方式针对数据中的带外杂散光进行了处理，进一步抑制了杂散光信号对远紫外光谱信号的影响。最后，将电离层光度计O/N2的反演结果与国外光学遥感载荷全球紫外成像仪GUVI（Global Ultraviolet Imager）的结果进行对比，结果显示二者对磁暴的响应一致，O/N2的产品误差RMS约为0.319 6，文中对造成两者差异的可能原因做出了初步分析，为后续工作的开展奠定了基础。此次研究，首次利用我国自主研发的远紫外气辉遥感探测载荷进行数据反演和分析，这对我国电离层远紫外遥感探测技术的发展具有重要意义。


2021 Vol. 41 (04): 1004-1010                              [摘要]                              (63 )                                                                                           RICH HTML    PDF (8597 KB)                                                                                           (                                33                               )

 

1011超连续光谱细胞无损伤非侵入式检测技术的研究                                                            

王泓鹏2,3，方沛沛1,6, 马焕臻1,6, 万 雄1,2,3*, 贾建军2,3,4*, 何志平2,3,4*, 凌宗成5


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1011-05
中国在庞大的人口基数下拥有丰富的遗传资源，这些资源可能被国外非法掠夺以获取利益，非法掠夺的过程揭示可能存在一些安全隐患，例如传染疾病的扩散等。如何加强对中国公民遗传资源的保护，促进国际间正常合法的信息共享和科研合作已成为生物安全的新问题。为加强人体细胞及其制品等特殊生物物品出入境管理，防止遗传资源流失和有害物品传入，促进各个国家间医学科学研究及国际交流与合作，提出一种非侵入、快速安全的细胞光谱鉴别技术。简述了细胞超连续光谱的物理化学机制，讨论了细胞浓度对超连续光谱的影响，实现了无损伤、非侵入式探测提取生物细胞超连续特征光谱。实验发现细胞超连续特征光谱主要集中在500~700 nm的可见区域。实验中的细胞样本均为单独培养，因此各个样本间互不影响，不存在平行样本的问题；实验对象为293T细胞、HCC827细胞以及HT29细胞，3类细胞的培养基均为PBS溶液，每类细胞拥有3种浓度（5×105，5×106和5×107 cells·mL-1）且每种浓度下独立培养3个样本，一共获取27个独立细胞样本。实验测试了24个细胞样本的超连续光谱并以此建立预测模型，另有3个样本作为未知样本进行模型预判。使用主成分分析法对测试样本的原始数据进行降维和聚类，并对降维后的数据通过支持向量机回归法进行分类；训练集的均方根误差RMSE=0.097 2，R2=0.995 1，验证集的均方根误差为RMSE=0.097 2，R2=0.931 4。研究发现细胞浓度影响超连续特征光谱的提取，在建立模型时，考虑到该技术应用的普适性以及实验样本浓度参数有限，未考虑细胞浓度对预判模型识别率的影响。后期若以某一浓度阈值作为细胞检测的浓度起点，该模型的识别率将会更准确、科学。在可控的实验条件下，超连续光谱可以应用于生物细胞无损伤、非侵入式的鉴别。


2021 Vol. 41 (04): 1011-1015                              [摘要]                              (76 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2946 KB)                                                                                           (                                47                               )

 

1016拉曼光谱技术在病理诊断中的研究进展                                                            

王茜蒨，相里文婷，腾格尔，崔旭泰，魏 凯


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1016-07
拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息，可用于识别生物组织微小的生化变异，具有快速、实时、无损、无需样本预处理等优点，在临床病理诊断领域极具应用前景。与常规组织病理学分析相比，拉曼光谱技术能够直接检测活体组织，简化了分析程序，缩短了诊断时间。人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化，这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。基于组织分子组成与结构的差异，结合机器学习和化学计量学方法，拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息，实现快速、低侵入的病理诊断。回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展，对取得的关键成果进行了总结，阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。针对离体拉曼光谱检测，重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况；阐述拉曼光谱数据收集的关键技术，包括适用光源、光谱范围，以及病理样本光谱采集的方式等。对于活体拉曼光谱检测，重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式：结合医用内窥镜进行体内检测，以及开放手术中的直接检测；综述了临床适用的拉曼系统，重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。同时，文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法，通过光谱预处理，特征提取与分类识别，构建拉曼光谱病理诊断模型，在小样本范围能够获得较好的诊断结果。考虑临床实际应用，仍需要不断优化分析方法，实现拉曼光谱与生化信息的关联，将样本个体差异的影响纳入分类模型中，以提升模型性能。文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论，为进一步开展研究提供参考。未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究，以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。


2021 Vol. 41 (04): 1016-1022                              [摘要]                              (79 )                                                                                           RICH HTML    PDF (909 KB)                                                                                           (                                71                               )

 

1023荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在生命科学研究中的应用进展                                                            

罗淋淋1, 2, 3，牛敬敬3，莫蓓莘1, 2，林丹樱3，刘 琳1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1023-09
细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。然而，利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。光学技术的快速发展，为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具，其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势，如：实现对活细胞的实时“可视化”研究，同时具有高时空分辨率；检测更加灵敏、结果可信度高；且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识，对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊，同时归纳了其在蛋白相互作用、细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展，最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势，以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。


2021 Vol. 41 (04): 1023-1031                              [摘要]                              (79 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3343 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1032绿色植被可见-近红外反射光谱模拟材料研究进展                                                            

谢东津，吕呈龙，祖 梅*，程海峰


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1032-07
成像光谱技术能够同时获取目标的图像特征和光谱特征，很容易识别与背景环境光谱特征区别较大的传统伪装材料。近年来，成像光谱得到了迅速发展，经历了多光谱技术到高光谱技术的跨越，传感器的探测波段数、光谱分辨率、空间分辨率的显著提高。得益于各国ISR无人机技术的应用，高光谱传感器由星载拓展到机载，可以在更近距离对军事伪装目标进行识别，对具有重要价值的军事目标的生存能力构成巨大挑战。目前，应对高光谱的伪装材料主要设计思路是，选择材料或材料体系具有与环境背景相似的颜色和光谱反射特征（传感器探测范围内）进行复合，目的是与环境背景达到“同色同谱”来躲避高光谱侦察。绿色植被是最常见的伪装背景，也是本领域绝大部分研究的光谱模拟对象，其反射光谱曲线在可见近红外波段具有：“绿峰”、“红边”、“近红外高原”和“水吸收带”四个主要特征，分别由叶片的组织结构以及叶绿素和水分产生。离体叶绿素光热稳定性较差，不能直接用作伪装材料，所以寻找和合成稳定性好、具有类叶绿素结构及光谱特征的分子是当前的研究热点之一。此外，铬绿和钴绿是常用的伪装颜料，具有类似绿色植被“绿峰”、“红边”和“近红外高原”光谱反射特性，研究者将其与高吸水填料复合来引入“水吸收峰”，大致模拟出绿色植被反射光谱，但是想要实现精确模拟，仍存在一些难以解决的问题。从绿色植被光谱特征出发，分别阐述了模拟绿色植被可见光区和近红外光区光谱特征的材料选择依据及体系；同时介绍了它们在精确模拟植被光谱时存在的问题，以及通过改性和复合来提升光谱相似度和耐候性的相关研究工作，总结并展望了绿色植被光谱模拟材料要解决的重难点问题和发展方向。


2021 Vol. 41 (04): 1032-1038                              [摘要]                              (63 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3317 KB)                                                                                           (                                36                               )

 

1039基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器                                                            

谢明真1，张 阳2，府伟灵2*，何津春1，3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1039-05
太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点，其主要难点在于如何有效避免水分的干扰，进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、快速检测、痕量分析等优势，而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片，为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收，利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道，在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。以水、无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验，相对于空白传感器本身的THz时域谱而言，液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。同时，由于水的折射率大于乙醇，THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇，且峰2大于等于峰1。上述结果表明，构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器，也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。此外，利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液，发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考），随着离子浓度增加，谐振频率改变量依次增加，10X PBS红移量最大，峰1为22.9 GHz，峰2为30.5 GHz。比较两个谐振峰的传感性能，峰2的传感能力更好，但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。因此，构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器，可开发一个灵敏的无标记THz传感平台，为太赫兹生物医学研究提供新思路。


2021 Vol. 41 (04): 1039-1043                              [摘要]                              (82 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2730 KB)                                                                                           (                                34                               )

 

1044低浓度吡虫啉的超材料太赫兹光谱检测研究                                                            

霍帅楠1，2，李 斌2,3*，张丽琼2，亓丽梅4，王明伟1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1044-06
农产品质量安全是社会广泛关注的重大民生问题。近年来，农产品生产过程中农药的广泛使用和滥用会导致农药残留，对人类健康和环境造成潜在危害。吡虫啉是一种硝基亚甲基类新烟碱内吸杀虫剂，因其具有广谱、高效和低毒的特性已广泛用于农业生产中，但其过量残留也给人类的健康带来了威胁。首先对超材料结构的透射谱进行了分析，对共振频率的形成原因进行了解释；其次分别在超材料结构和二氧化硅基底上涂覆了500 mg·L-1的吡虫啉溶液并进行了测量，排除了二氧化硅基底的影响；接着制备了3个梯度15个浓度的吡虫啉溶液，分别为：100~500 mg·L-1（梯度为100 mg·L-1）、10~50 mg·L-1（梯度为10 mg·L-1）、1~5 mg·L-1（梯度为1 mg·L-1）；测量了喷涂在超材料结构上的吡虫啉薄膜的太赫兹时域光谱，根据太赫兹透射谱峰值频率红移量的不同实现了对不同溶液浓度的鉴别，建立了峰值频率红移量和吡虫啉浓度的函数关系。实验结果表明，借助超材料的调制特性，太赫兹光谱法可以检测到浓度低至1 mg·L-1的吡虫啉薄膜。将实验测得的不同浓度吡虫啉溶液的折射率，代入CST软件进行仿真验证，结果说明不同浓度的吡虫啉的透射曲线具有不同程度的红移，且红移量随着浓度的增大而增加。实验和仿真结果表明，超材料对太赫兹光谱透射峰值频率的调制可用于低浓度吡虫啉含量的太赫兹时域光谱检测。此研究为食品基质中农药残留的检测提供了一种新方法。


2021 Vol. 41 (04): 1044-1049                              [摘要]                              (69 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4265 KB)                                                                                           (                                43                               )

 

1050多糖对白细胞荧光发射特性及变化机制研究                                                            

谢文菁，王静静，刘 颖，丁 洲，刘 莹*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1050-05
细胞微环境的稳定是保持细胞正常增殖、代谢和功能活动的重要条件，微环境成分的异常变化可使细胞发生病变。采用荧光光谱技术研究离体白细胞在多糖微环境中荧光发射特性的变化规律和发光机制，并进一步的分析了多糖对白细胞的生物活性的影响。实验结果表明：当白细胞受波长为407 nm的激光照射时，发射位于450 nm的荧光。在加入脂多糖或葡聚糖时，白细胞的荧光发射峰的位置不会变化，峰值受到影响。脂多糖的加入会减弱白细胞荧光峰强度，且荧光强度随脂多糖浓度（0～500 μg·mL-1范围内）的增加而持续减弱。而葡聚糖可以一定程度增加白细胞的荧光强度，浓度越高，荧光强度越大。分析认为白细胞发射的450 nm荧光来自发射物质烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)。白细胞内NADH随着离体时间的增长，被氧化成不发荧光的烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸（NAD+），导致细胞荧光峰值下降，从而引起细胞凋亡。加入脂多糖产生的羟自由基（·OH）会与NADH发生氧化反应，因此脂多糖加速了NADH的消耗，导致白细胞荧光减弱，加快细胞凋亡。而葡聚糖主要是由葡萄糖单体组成，葡聚糖的加入会将NAD+还原成NADH，因此延缓了白细胞的凋亡。分析认为脂多糖可以加速白细胞的凋亡，提高细胞发生炎症甚至是肿瘤的机率，而葡聚糖对白细胞有保护作用。该研究为研究肿瘤的发生和发展过程以及治疗提供有价值的参考。


2021 Vol. 41 (04): 1050-1054                              [摘要]                              (50 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1584 KB)                                                                                           (                                20                               )

 

1055荧光光谱法检测角膜晚期糖基化终末产物研究                                                            

谢学炜2，钟豪臣2，陈真诚2，何 敏2，朱健铭1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1055-05
晚期糖基化终末产物（AGEs）是一种结构多样的化合物，在人体血糖高于正常范围时，会大量产生且不能通过自身代谢降解，具有血糖长期异常的记忆作用。研究表明AGEs是引起糖尿病及其并发症的重要因素之一，通过检测体内AGEs的积累情况可以预测糖尿病及其并发症的发生和发展进程。现有的离体AGEs检测方法存在操作复杂、时间较长、成本较高和不易推广等问题；在体AGEs检测方法存在皮肤色素、年龄和血红蛋白干扰等问题。为此，基于角膜良好的光学特性和AGEs的自体荧光特性，提出一种角膜晚期糖基化终末产物荧光光谱检测方法。构建了一套角膜AGEs荧光光谱检测系统，系统由微型光纤光谱仪、集成LED激发光源、Y型12+1光纤和PC端光谱处理显示软件组成。荧光光谱检测系统采用激发光源波长分别为370和395 nm在暗室条件下对17名志愿者（男性9人，女性8人，糖尿病患者4人，年龄最小15周岁，最大81周岁）进行数据采集，得到激发光波长分别为370和395 nm的荧光光谱数据。为了准确识别荧光光谱中的有用信息，先截取需要的荧光光谱数据段（450~700 nm），然后对其进行去除背景噪声、归一化、小波变化等方法处理，可以将荧光光谱中不明显的荧光峰值进行放大和识别。实验结果发现，采用波长为370和395 nm的LED作为激发光源，检测到角膜发射的荧光光谱范围在420~600 nm内，并且都分别在450~500，500~550和550~600 nm三个范围内存在光谱峰值。根据荧光性物质的荧光峰值与激发光波长无关的原理，表明两种不同波长的激发光所得到的荧光光谱都是由同一种物质AGEs产生。对糖尿病患者和正常人的荧光峰值强度进行分析，显示糖尿病患者的荧光强度明显高于正常人，表明本研究通过荧光光谱法检测角膜晚期糖基化终末产物具有可行性。


2021 Vol. 41 (04): 1055-1059                              [摘要]                              (64 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2140 KB)                                                                                           (                                20                               )

 

1060植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究                                                            

曹 丽，郑紫珊，张 宏*，梁 培，邾强强，王 乐*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1060-06
LED具有效率高、体积小、功耗低、寿命长等优点，并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性，在植物照明领域崭露头角。植物照明用LED分为两大类，一类是单色光LED，另一类是白光LED，其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现，即荧光粉转换型白光LED，但是光谱集中于可见光偏蓝，对植物进行光合作用的效率不明显。植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的，基于植物光合作用吸收光谱的特殊性，将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准，其平均显色指数Ra，特殊显色指数R9(饱和红光)，R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。为设计出植物进行生长发育所需要的、性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED，选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料，选用(Sr, Ca)AlSiN3为红色颜色转换材料，并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉，并进行了光谱性能分析。通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数，在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN3和YAGG荧光粉组合，实现了白光LED的光学仿真模型，研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。用蓝光LED芯片、(Sr, Ca)AlSiN3以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。通过将Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备，获得了Ra=91.2，R9=96.1，R12=78.9，光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。


2021 Vol. 41 (04): 1060-1065                              [摘要]                              (77 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3978 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1066用于检测水环境中银离子浓度的荧光适体传感器研究                                                            

姜利英，徐晓萍，秦自瑞，张 培，孟晓龙，任林娇*，王 慰*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1066-06
银凭借其独特的性能，在医疗材料、摄影、电子、成像等行业中应用广泛。然而，银离子被列为最具毒性的重金属离子之一，会对环境以及人类的生命健康造成严重威胁。为了灵敏、特异性的检测水环境中的银离子浓度，利用纳米金的优良光学猝灭性以及双链核酸适体捕获银离子能力更强的优点，结合荧光能量共振转移原理，提出一种用于检测水环境中银离子浓度的荧光适体传感器。将修饰SH键的核酸适体与纳米金混合形成稳定的纳米结构，并加入标记有FAM的核酸适体，形成检测银离子浓度的工作溶液。当不存在银离子时由于不匹配碱基C—C之间的排斥力导致两条核酸适体不结合，反应体系中具有较强的荧光；当存在银离子时，双链核酸适体中不匹配的C—C能与银离子通过金属离子-碱基的相互作用形成稳定的C—Ag+—C碱基对，这种复合结构的产生会拉近纳米金和荧光基团之间的距离，使得荧光信号随着银离子浓度的增加而逐渐减弱。根据加入银离子前后荧光强度的变化可实现银离子浓度的检测。同时，为了提高传感器的灵敏性和稳定性，实验优化了工作溶液中纳米金与核酸适体的浓度比、氯化钠浓度、缓冲液的pH以及培养温度等参数。结果表明，当浓度为0.012 5 g·L-1的纳米金与5 μmol·L-1核酸适体的体积比为5∶1，NaCl浓度为260 mmol·L-1，缓冲液pH 7，培养温度为30 ℃时，工作溶液初始荧光强度最强，银离子检出限为10 nmol·L-1，相关系数为R2=0.99。此外，该传感器对银离子的浓度检测表现出较好的特异性，且具有操作简单、灵敏和不引入有毒溶剂等优点，在水环境中的银离子浓度检测领域有较好的应用前景。


2021 Vol. 41 (04): 1066-1071                              [摘要]                              (61 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3339 KB)                                                                                           (                                22                               )

 

1072基于可调谐半导体激光吸收光谱的H2O分子光谱参数测量研究                                                            

屈东胜，洪延姬，朱晓辉


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1072-07
气体分子吸收谱线的光谱参数是影响吸收光谱测量精度的重要因素，分子光谱数据库中收录的光谱参数大都具有较大的不确定度，用以测量气体温度等参数时会产生较大的测量误差。为了获得可用于燃烧场诊断的H2O谱线的光谱参数，采用时分复用技术，在温度、压强和H2O组分浓度可控的环境中对1.4 μm附近的吸收光谱开展了研究。对7 185.60和7 454.45 cm-1两条H2O谱线的线强度、展宽系数及其温度指数等光谱参数进行测量，实验结果表明，两条谱线的线强度测量值与数据库中的值偏差分别小于2.61%和4.65%，不确定度都小于4%。


2021 Vol. 41 (04): 1072-1078                              [摘要]                              (53 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4282 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1079不同形貌二水草酸钙对阴离子表面活性剂AOT的吸附差异                                                            

唐谷华，张 慧，孙新园，徐 猛，欧阳健明*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1079-07
人体尿液中存在大量具有生物表面活性的物质，而这些物质与尿液中不同形貌的草酸钙微晶间的吸附关系并未得到人们广泛关注。挑选了常用的阴离子表面活性剂磺基琥珀酸钠二辛酯(AOT)作为吸附物质，研究了不同形貌的二水草酸钙(COD)晶体对AOT的吸附差异，探究草酸钙结石的形成机理。采用X射线粉末衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征，并通过谱图差异分析了吸附AOT前后棒状、圆钝形、花状、十字形和双锥形COD晶体的组分变化；采用Zeta电位分析仪测定吸附AOT后晶体表面的Zeta电位随AOT浓度的变化；采用比色法通过紫外可见分光光度计测定不同浓度AOT存在下晶体的吸附量变化并绘制吸附曲线。随着AOT浓度的增加，COD的吸附量逐渐上升，最后达到吸附饱和状态，各吸附曲线均呈S型。不同形貌COD对AOT的最大吸附量大小顺序为：棒状COD (41.0 mg·g-1)>圆钝形COD (37.5 mg·g-1)>花状COD (35.0 mg·g-1)>十字形COD (27.2 mg·g-1)>双锥形COD (20.9 mg·g-1)。COD晶体的比表面积越大，表面提供的活性位点也越多，越有利于表面活性剂AOT在晶体表面的吸附；富含Ca2+的(100)晶面更利于阴离子的AOT的优先吸附；此外COD晶体的内能越大，越会抑制AOT在COD表面的吸附，导致吸附量降低。吸附了AOT的COD晶体稳定性显著增加，COD向COM转变的速度明显降低。基于AOT在不同形貌的COD晶体表面的吸附特点，提出了COD晶体吸附AOT的分子模型。COD晶体对AOT的吸附与晶体形貌密切相关。容易吸附AOT的COD晶体形貌更容易粘附在带负电荷受损伤的细胞表面，加大草酸钙结石形成的风险。


2021 Vol. 41 (04): 1079-1085                              [摘要]                              (70 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3801 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

1086基于稀疏子空间的类星体光谱异常特征并行提取与分析                                                            

马 洋，张继福，蔡江辉，杨海峰，赵旭俊*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1086-06
类星体是人类所观测到的最遥远天体，对于了解早期宇宙的演化具有重要科学意义。由于类星体距离地球较远，其红移一般较大，导致在光学观测窗口中只有很少的特征（发射线），且难以识别。类星体光谱的异常特征提取与分析可对未知类星体的识别，提供有效的判别依据。离群检测作为数据挖掘领域的一个主要研究内容，旨在发现那些稀有、特殊数据对象及异常特征，可作为从海量类星体光谱数据中，发现特殊、未知类星体的一种有效途径和手段。Spark作为新一代大数据分布式处理框架，可为海量天体光谱的有效分析和处理，提供一个高效且可靠的并行编程平台。本文充分利用集群系统和Spark编程模型的强大数据处理能力，提出一种基于稀疏子空间的类星体光谱异常特征并行提取与分析方法，其工作由三个模块组成，即类星体光谱特征约减、类星体光谱的稀疏子空间构造和搜索、类星体光谱异常特征提取并行算法设计与分析。类星体光谱特征约减模块，通过属性相关性分析来识别呈现聚类结构的类星体光谱特征线，这些特征线通常会聚集在稠密区域且对类星体光谱异常特征检测毫无意义。光谱特征约减旨在运行异常特征检测算法之前剪枝类星体光谱的冗余特征线，缩小光谱数据检测范围。类星体光谱的稀疏子空间构造和搜索模块，通过设定的稀疏系数阈值来测量类星体光谱的子空间密度，并采用粒子群优化方法作为稀疏子空间的搜索策略，从而快速、高效地获取类星体的异常特征。在第三个模块中，提出了一种MapReduce框架下的类星体光谱异常数据并行检测算法，该算法由并行化数据约减策略、稀疏子空间并行搜索技术两个MapReduce构成，达到适应海量光谱数据的处理目标。最后对检测出的部分类星体异常特征进行了理论分析、测量及人眼证认，充分说明稀疏子空间可为识别特殊、未知类星体候选源，提供有效支持和有力证据。


2021 Vol. 41 (04): 1086-1091                              [摘要]                              (45 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3713 KB)                                                                                           (                                20                               )

 

1092基于压缩感知的反射光谱重构算法研究                                                            

赵首博1, 2，李秀红1, 2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1092-05
光谱反射率描述物体的表面颜色特征，为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息，在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构，以达到提高物体自身颜色准确复制的精度，最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中，对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识，然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合，根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架，选取合适的采样值，压缩感知的采样值即压缩值，小波基作为正交矩阵，高斯随机矩阵作为测量矩阵，正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性，将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影，得到低维的观测信号，运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构，重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度，最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果，经压缩感知的重构精度明显提高；经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值，整体效果更接近原始光谱曲线；经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值，整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果，提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法，可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。


2021 Vol. 41 (04): 1092-1096                              [摘要]                              (75 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1098 KB)                                                                                           (                                51                               )

 

1097正交匹配追踪算法的近红外光谱定量分析                                                            

李四海1，刘东玲2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1097-05
压缩感知(CS)是一种新兴的信号压缩和采样技术，正交匹配追踪(OMP)是一种贪婪追踪算法，广泛用于压缩感知领域中的稀疏信号重构。针对近红外光谱信号高维小样本以及信号稀疏先验的特点，为进一步提高小样本近红外光谱变量选择的灵活性和可靠性，基于压缩感知理论，提出了一种新颖的光谱变量选择方法正交匹配追踪变量选择(OMPBVS)。OMPBVS算法通过对原始光谱信号的稀疏重构，将绝大部分变量的回归系数压缩为0，进而间接实现光谱变量选择。具体过程为以光谱矩阵为传感矩阵，预测变量为观测变量，迭代地计算残差与原子的内积，选择内积最大的原子，在每一步迭代过程中将信号投影到由所有已经被选择原子张成的子空间上，然后对所有被选择原子的系数进行更新，使得产生的残差与已被选择的所有原子都正交，其残差计算的实质是进行Gram-Schmidt正交化，正交投影能够在保证信号重构精度的情况下减小迭代次数。OMPBVS具有将光谱维度降低至样本大小规模的能力，其变量选择能力与LASSO相当，但与LASSO相比，由于OMPBVS损失函数的优化方法是前向选择算法，减少了迭代次数，并且可以精确控制选择变量的数量。分别在beer数据集和Wheat kernels数据集上进行变量选择实验，比较PLS，MCUVE-PLS，CARS-PLS，WMSCVS，LASSOLarsCV和OMPBVS六种变量选择方法的性能。其中beer数据集共60个样本，采用Kennard Stone (KS)方法划分训练集样本36个，测试集样本24个，预测变量为Original extract concentration。Wheat kernels数据集共523个样本，训练集样本415个，测试集样本108个，预测值为蛋白质含量。OMPBVS方法在beer数据集上选择变量个数、RMSEC和RMSEP分别为2，0.205 2和0.159 8，在Wheat kernels数据集上选择变量个数、RMSEC和RMSEP分别为9，0.450 2和0.412 5，其变量选择能力和模型性能均好于其他五种方法，这说明OMPBVS是一种有效的近红外光谱变量选择和定量分析方法。OMPBVS变量选择方法在小样本情况下具有良好的泛化能力，能够减少选择变量的数量，提高变量选择的稳健性。此外，基于SNV和MSC等光谱预处理方法，能够在一定程度上减少选择变量的个数，提高模型的可解释性。


2021 Vol. 41 (04): 1097-1101                              [摘要]                              (70 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2202 KB)                                                                                           (                                71                               )

 

1102中红外吸收光谱的气相过氧化氢浓度测量                                                            

潘孙强，胡朋兵，陈哲敏，张建锋，刘素梅


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1102-05
气相过氧化氢为强氧化剂，其消毒、灭菌的最终产物为水和氧气，具有无残留、安全、快速消毒以及广泛的材料兼容性等优点。广泛应用于制药、医疗、卫生、生物安全等领域，特别是新冠肺炎、MERS、SARS以及甲流等呼吸类传染性疾病的消毒防治。为保证灭菌效果，防止无菌检查的假阴性或者假阳性，需要对过氧化氢的浓度进行监测。基于1 255 cm-1量子级联激光器可调谐激光吸收光谱技术研制了一套气相过氧化氢浓度测量装置，浓度测量范围为0~1 800 ppm。采用V型光路结构、窗口片将检测仪主要部件与过氧化氢进行隔离，避免过氧化氢腐蚀。针对高浓度、高吸光度时一阶泰勒级数近似透射率函数误差较大这一情况，采用二阶泰勒级数近似透射率函数，导出了二次谐波信号关于气体浓度的二次函数。二次谐波信号测得是电压值，采用高锰酸钾滴定法对其进行标定、溯源。最终得到气相过氧化氢浓度的测量公式，对高低浓度过氧化氢都拟合较好，拟合误差最大为3%。当湿度变化时，二次谐波信号没有发生变化，排除水分对过氧化氢测量的影响，适用于灭菌过程中常压下高浓度VHP的浓度测量。


2021 Vol. 41 (04): 1102-1106                              [摘要]                              (73 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2783 KB)                                                                                           (                                26                               )

 

1107光谱法研究碳量子点与人血清白蛋白的相互作用                                                            

胡晶静，童裳伦*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1107-07
近年来，纳米材料对环境和人类健康的潜在风险已经引起了人们的广泛关注。纳米颗粒尺寸小、反应活性高，当其进入机体后很可能与体内的生物大分子相互作用，使其原来的理化性质发生改变，更容易被细胞识别、吞噬，进而对组织、器官等产生危害；作用过程中生物大分子也会受到纳米颗粒的影响，可能导致其生理结构受到损伤，并干扰其特定功能的正常执行；因此研究纳米材料与蛋白质的相互作用对探究其生物安全性具有重要意义。实验通过多种光谱手段研究了碳量子点（CQDs）对人血清白蛋白（HSA）结构与功能性质的影响以及两者的相互作用机制。荧光光谱与紫外-可见吸收光谱结果显示，CQDs通过与HSA结合形成复合物导致蛋白质荧光猝灭；结合常数KA与结合位点数n的计算结果表明CQDs在HSA上只有一个结合位点，且同步荧光和位点竞争实验发现，这个结合位点接近HSA中ⅡA亚结构域上的色氨酸残基；根据Förster共振能量转移(FRET)理论计算出两者的作用距离r=2.89 nm<8 nm，表明HSA与CQDs之间通过非辐射能量转移导致蛋白质内源性荧光猝灭；根据Van’t Hoff方程计算得到HSA-CQDs体系的热力学参数，由热力学参数计算结果推断相互作用过程中主要有氢键和范德华力参与；根据共振光散射（RLS）、三维荧光光谱和圆二色光谱（CD）结果显示，相互作用会导致HSA的二级、三级结构发生改变，蛋白质中α-螺旋结构含量增加，HSA进一步卷曲折叠，使色氨酸残基所处微环境的疏水性增大；而结构变化还进一步影响着蛋白质的聚集状态和一些生理功能，使得相互作用后HSA的聚集程度和类酯酶活性降低，不利于蛋白质的团聚，自由基清除能力略有提高。该研究可为纳米材料的生物与环境安全评价提供参考依据，也为探究纳米颗粒-蛋白质相互作用提供了一套较为系统的光谱分析方法。


2021 Vol. 41 (04): 1107-1113                              [摘要]                              (61 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4205 KB)                                                                                           (                                28                               )

 

1114可见-近红外光谱的模型转移分类方法                                                            

李雪莹1, 2, 3, 4，范萍萍1, 3, 4*，侯广利1, 3, 4，邱慧敏1, 3, 4，吕红敏1, 3, 4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1114-05
基于光谱技术建立的多元校正模型通常条件下只适用于同一台仪器、相同的测试条件及同批次或同类别的样品。在仪器、测试环境、样品发生变化后，已建光谱模型不再适配，需要进行模型转移。模型转移是限制光谱技术推广应用的关键技术瓶颈，模型转移是否成功直接影响到可见-近红外光谱技术的推广应用，为此，综述了其研究现状，并探讨了其未来发展方向。首先，将模型转移问题分成了两类：第一类是相同样品在不同仪器或不同测试环境（不同温度/不同湿度）等条件下产生的模型不适配问题；第二类是不同批次、不同物理形态、不同种类间产生的模型不适配问题。这两类问题性质不同，解决第一类模型转移，能够保证同源样品的准确性和稳定性；解决第二类，能够实现光谱模型在不同样品间的自动传递和匹配应用。然后，梳理了常用的模型转移算法并进行了分类，包括模型更新、基于光谱校正算法、基于结果校正算法等，并列举了每个类别的模型转移算法的应用。模型更新是一种重新计算模型系数最直接的方法，通过扩展和调整模型来满足新的变化；基于光谱校正算法是通过算法计算转移矩阵，实现对光谱的校正；基于结果校正算法是通过算法计算预测结果和实际结果系数，从而实现预测结果的校正。最后，指出未来应着重研究第二类模型转移问题，并且要寻找能够实现机器自动校正的模型转移，从根本上解决模型转移这一限制光谱速测应用的主要技术瓶颈。


2021 Vol. 41 (04): 1114-1118                              [摘要]                              (81 )                                                                                           RICH HTML    PDF (860 KB)                                                                                           (                                55                               )

 

1119集成学习算法的红外光谱定量回归模型                                                            

蒋薇薇1，鲁昌华1，2，张玉钧2，鞠 薇3，汪济洲4，偶春生1*，肖明霞1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1119-06
近年来，深度学习在数据挖掘领域研究较多，深度学习中的集成学习算法也越来越多地应用到分类和定量回归中，但是，集成学习算法在红外光谱分析领域的应用研究较少。提出一种基于Blending模型融合的集成学习定量回归算法，利用GBDT算法、线性核支持向量机(LinearSVM)和径向基核支持向量机(RBF SVM)作为基学习器，将基学习器预测结果通过LinearSVM模型完成数据融合。以公开数据库中的药片和柴油近红外光谱数据为研究对象，首先对光谱数据进行一阶导数预处理，分别采用单核支持向量回归模型、GBDT模型和Blending集成学习模型，将模型预测结果进行分析比较。药片活性物含量和硬度性质采用RBF SVM模型的预测结果最优，RMSEP最小，RPD最大；其次为Blending集成学习模型；GBDT模型预测结果最差。药片质量采用Blending集成学习模型预测的R2最高，达到0.837 4；RBF SVM的RMSEP最小，为2.140 6，RPD最大，达到7.487 8；LinearSVM的预测结果最差。对于柴油沸点、闪点和总芳香烃三种性质，Blending模型预测效果最好，优于三种单模型预测结果。对于十六烷值，GBDT模型和RBF SVM模型预测结果优于Blending集成学习模型。对于密度，仅GBDT模型优于Blending集成模型，并且，使用单模型和集成模型的预测结果均较为理想，除了LinearSVM模型R2为0.944 5，其他模型R2均高于0.99。对于冰点的预测，RBF SVM和LinearSVM的预测效果优于Blending集成学习模型。对于黏性性质的预测，仅RBF SVM的预测效果优于Blending集成算法模型。由结果可以看出，由GBDT，LinearSVM和RBF SVM集成的Blending模型由于融合了单模型的特征，与单模型相比，预测效果较优或者最优，证明集成学习Blending模型用于红外光谱定量回归具有较强的适用性，且具有较高的预测精度和泛化能力，对于进一步研究集成学习算法在红外光谱定量回归中的应用具有重要的意义。


2021 Vol. 41 (04): 1119-1124                              [摘要]                              (79 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5455 KB)                                                                                           (                                60                               )

 

1125基于COMSOL的纳米傅里叶红外光谱系统数值模型                                                            

陈 楠1, 2，王 玥1, 4，王博雨1，3，夏 洋1, 2, 4，刘 涛1, 4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1125-06
傅里叶红外光谱（FTIR）是材料表征的一种重要手段，然而受限于光的衍射极限，传统傅里叶红外光谱仪的极限空间分辨率在微米量级，无法应用于纳米材料的表征。纳米傅里叶红外光谱（Nano-FTIR）是一种新兴的超分辨光谱表面分析技术，其以纳米级空间分辨率、宽光谱范围和高化学灵敏性的特点在纳米材料表征研究中展现了巨大的潜力。定性及定量的研究Nano-FTIR信号高空间分辨的来源和系统中光谱信号的提取过程，可以为Nano-FTIR仪器的设计研发和样品光谱表征结果的解释提供重要依据。该研究从典型的仪器结构和基本的工作原理出发，在多物理场有限元分析软件COMSOL中建立了等效研究模型，并对模型的重要细节和数值计算过程分别进行了说明。在仿真研究中，首先基于麦克斯韦电磁波理论计算了模型空间的电磁场增强情况，再模拟了探针在介电常数差异巨大的两种材料交界处的“线扫”过程，探讨了针尖近场增强信号的空间分辨率。随后，以探针与样品的散射功率为数值模型的研究对象，仿真了探针“轻拍”对信号的调制和解调提取的过程，并讨论了不同入射倾角和解调频率对光谱信号提取的影响。最后，为了验证模型的合理性，仿真了20，100和300 nm三种厚度SiO2薄膜样品在900～1 250 cm-1波数范围的光谱响应，并将仿真得到的光谱与实测结果进行了对比。结果表明随着样品厚度的增厚，光谱信号得到相应的增强，模型预测的谱图与实测谱图波形与波峰位置较为一致，且与以往一些文献中采用针尖-样品间电场强度表示针尖处散射信号强弱的方法相比，获得的谱图在峰形上更为接近。提出的数值模型可用于Nano-FTIR光谱的预测，此外，模型也具有一定的通用性，可以为其他基于散射型近场光学显微（s-SNOM）技术的太赫兹光谱技术和针尖增强拉曼光谱研究提供一定的借鉴。


2021 Vol. 41 (04): 1125-1130                              [摘要]                              (81 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2988 KB)                                                                                           (                                23                               )

 

1131基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量                                                            

杨天杭1, 2, 3，顾明剑1, 2*，胡秀清4，吴春强4，漆成莉4, 邵春沅1, 2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1131-07
精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义，对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法，且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报，但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力，通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场，能够提升风场垂直高度的准确性，改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法，根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像，通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场，对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较，分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00，06:00，12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200，300，400，600，650和1 000 hPa六组垂直高度风场，结果表明，风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致，风速范围随高度降低而减小，高层对20 m·s-1以上风速更敏感，地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1，最大不超过4 m·s-1，风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1，最大不超过4.5 m·s-1，风向均值绝对偏差多数小于30°，最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差，以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。


2021 Vol. 41 (04): 1131-1137                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (6568 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

1138改性钢渣-矿粉复合橡胶填料补强-阻燃机理的光谱学分析                                                            

张 浩1, 2, 4，李海丽1，龙红明2, 4，刘自民3，张耀辉3，郑伟成4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1138-06
钢渣作为炼钢过程中产生的固体废弃物，矿渣作为高炉炼铁过程中的副产品，其存在难以利用与附加值的问题。面对上述问题，利用钢渣与矿渣开发一种价格低廉的复合橡胶填料用于橡胶领域。采用磁选热闷渣、未磁选热闷渣、矿粉和助磨-改性复合剂制备改性钢渣-矿粉复合橡胶填料，并且用于复合橡胶体系。研究磁选热闷渣用量、未磁选热闷渣用量、矿粉用量和助磨-改性复合剂用量对改性钢渣-矿粉基橡胶复合材料性能的影响，并且分析其影响机理。结果表明，以磁选热闷渣用量150 g、未磁选热闷渣用量150 g、矿粉用量150 g和助磨-改性复合剂用量9 g制备的改性钢渣-矿粉复合橡胶填料补强-阻燃性能最优。按改性钢渣-矿粉复合橡胶填料∶炭黑质量比20∶30制备的改性钢渣-矿粉基橡胶复合材料，其拉伸强度为21.83 MPa、撕裂强度为46.23 kN·m-1、邵尔A硬度为62、磨耗量为159 mm3、极限氧指数为19.8%与燃尽时间为187 s。助磨-改性复合剂不仅降低粒径尺寸、提高粒径均匀性，而且改善钢渣-矿粉复合橡胶填料的表面结构与性质，有利于改性钢渣-矿粉复合橡胶填料在复合橡胶体系中均匀分散，提高相容性。钢渣与矿粉在助磨-改性复合剂的作用下发生化学反应，改变了钢渣与矿粉的物相组成，提高补强性能与阻燃性能。


2021 Vol. 41 (04): 1138-1143                              [摘要]                              (55 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3362 KB)                                                                                           (                                13                               )

 

1144波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法                                                            

黄 安1, 2，许振宇1，夏晖晖1，姚 路1，阮 俊1，胡佳屹1，臧益鹏1, 2，阚瑞峰1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1144-07
可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量，具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点，逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术，其中强度归一化的波长调制技术，适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术，开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作，并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证，实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、CH4浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声，采用1 392，1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器，三支激光器的出光方式为时分复用，选取H2O的7 185.6，6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线，两两组合使用，测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度；采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器，选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证，配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比，浓度测量最大相对偏差为3.72%；在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶，充入纯水汽，计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值，温度测量最大相对偏差3.07%，浓度测量最大相对偏差为-2.00%，验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中，集成了一套小型化测量仪器，设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台，搭载测量结构，每间隔5 mm逐点移动采样，对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量，获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图，结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。


2021 Vol. 41 (04): 1144-1150                              [摘要]                              (53 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4998 KB)                                                                                           (                                32                               )

 

1151不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究                                                            

李志刚1，张世帅1，刘德俊1，徐 翔1，叶建雄2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1151-06
水下湿法焊接技术应用日益广泛，由于特殊的焊接条件，导致深水下其焊接质量亟待改善。通过搭建水下湿法焊接实验平台，压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深，界定焊接引弧阶段，分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据，采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能，分别采集引弧5，10，15，20和25 ms时刻的光谱数据，对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据，得到各元素粒子的识别结果。对于高价态的元素离子态，因为其电离能比较大，激发电离程度会受到电弧温度变化的影响，不能仅靠光谱图进行识别诊断，还需要进一步对其组分进行数密度计算。结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程，确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子，求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组，采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解，对于求解非线性方程组，采取分段赋值的方法，得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度，并对其变化规律进行分析，探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的，随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。随着水深的增加，电弧会受到压缩，但电弧不能无限制被压缩；粒子的电离受温度的影响，温度越大电离作用越强烈，但当温度升高到一定程度时，各个电离作用有其电离极限，粒子数密度也不会无限增大。通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算，对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究，为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。


2021 Vol. 41 (04): 1151-1156                              [摘要]                              (54 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2284 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

1157谱域OCT的印刷电路板三防漆厚度测量                                                            

朱 婕1，吴 倩1，邵 校1，余孝军2，刘琳波3，戴佳宁1，莫建华1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1157-06
三防漆是一种广泛应用在印刷电路板（PCB）的保护性涂层，可以有效保护PCB使其免受恶劣环境的损害。三防漆的厚度是评价三防漆涂层质量的关键指标，因此需要对三防漆涂层进行厚度检测。提出了将谱域光学相干断层扫描成像技术（spectral domain optical coherence tomography，SD-OCT）与图像分割算法相结合，实现对三防漆涂层厚度快速无损测量。为了提高测量精度，选用了宽带SLD光源（带宽：180 nm）来设计SD-OCT系统，系统轴向分辨率达到1.72 μm。同时设计了基于边缘跟踪的涂层分割算法来实现三防漆涂层的快速准确分割。为了评估所设计方法的准确性，利用传统的金相切片方法进行了三防漆的厚度测量，将测量结果与该方法测量结果进行比较，分析了两种方法检测到的涂层上下边界吻合程度以及厚度差异。此外，还将所提出的涂层分割算法与我们组之前研究的基于图像梯度的边缘检测算法进行对比，分析了两种方法在测量结果的准确性和运行效率方面的差异，以此来评估该方法的优劣势。结果表明，所设计的三防漆厚度测量方法与传统的金相切片方法的测量结果具有很好的一致性，可以准确地实现三防漆的厚度测量；基于SD-OCT系统的三维成像能力可以直观地看到三防漆厚度地形图，克服了传统的金相切片方法无法进行区域性的三防漆厚度测量的缺陷；相比之前提出的基于图像梯度的边缘检测算法，此方法测量结果更加准确，效率显著提升，具备实时测量的潜力。


2021 Vol. 41 (04): 1157-1162                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3268 KB)                                                                                           (                                24                               )

 

1163不同分子量龙须菜多糖对草酸钙结晶的调控作用                                                            

黄维波，陈佳云，黄 芳，黄丽珊，欧阳健明*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1163-08
植物多糖的化学结构与尿液中的结石抑制剂葡胺聚糖相似，有可能用于预防和治疗肾结石。天然多糖由于分子量和分子体积过大，导致其应用受到限制。研究了四种分子量分别为49.6，16.2，8.2和3.8 kDa的降解龙须菜多糖GLP1，GLP2，GLP3和GLP4对草酸钙(CaOx)晶体生长的调控作用。1H NMR，13C NMR和气相色谱-质谱(GC-MS)谱分析表明四种GLPs由β-D-半乳糖和6-O-硫酸基-3,6-α-L-吡喃半乳糖组成。X射线衍射(XRD)检测表明，在各GLPs存在下，诱导了二水草酸钙(COD)晶体形成，COD的衍射峰出现在晶面间距d=0.617，0.441，0.277和0.224 nm处；而没有多糖存在时只生成一水草酸钙(COM)晶体，COM的衍射峰出现在d=0.593，0.364，0.296和0.235 nm。由于COD比COM更容易排出体外，COD的形成有利于降低结石形成的风险。傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测表明，随着GLP分子量减小或GLP浓度增加，草酸根中羧基的不对称伸缩振动νas(COO-)和对称对称伸缩振动νs(COO-)都发生了不同程度的蓝移，其中νas(COO-)从1 618 cm-1增加到1 642 cm-1，νs(COO-)从1 318 cm-1增加到1 328 cm-1，即GLP4诱导的全部是COD晶体。扫描电子显微镜(SEM)检测表明，随着GLP分子量减小，不但晶体中COD的比例增加，而且晶体的分散程度增大，晶体更加圆钝。随着GLP分子量减小或GLP浓度增加，其诱导生成的CaOx晶体表面电荷越负，Zeta电位绝对值越大，这有利于抑制晶体的聚集。电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)检测表明，四种GLPs均可以增加溶液中可溶性Ca2+的浓度，同时减少CaOx沉淀的生成量。在浓度为1.0 g·L-1多糖存在时，上清液中可溶性Ca2+的摩尔浓度分别为：GLP4 (37.88 μmol·L-1)>GLP3 (19.70 μmol·L-1)>GLP2 (16.05 μmol·L-1)>GLP1 (10.55 μmol·L-1)。结果表明，四种GLPs均可以抑制COM生长，诱导COD生成，降低晶体的聚集程度，增加晶体表面的Zeta电位绝对值和溶液中可溶性Ca2+浓度，减少CaOx晶体的生成量，且GLPs的调控活性与其分子量呈负相关。这些结果提示GLPs特别是分子量最小的GLP4有可能是防治CaOx结石的潜在药物。


2021 Vol. 41 (04): 1163-1170                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (6068 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1171基于Raman和FTIR揭示避雨栽培甜樱桃叶片光合色素变化的光谱学分析                                                            

张惠敏1, 2，侯黔东2，吴亚维3，屠 凯2，李 权4，文晓鹏1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1171-06
为提高甜樱桃果实的品质和产量，中国南方地区普遍采用了避雨栽培甜樱桃果树来避免其坐果率低、落果以及果实畸形等问题，但同时也导致了其光合作用受到影响。植物或藻类中的叶绿素和类胡萝卜素等光合色素在光收集和介导对各种内源性刺激的应激反应中起着不可替代的作用。为便捷快速检测果树光合作用中叶片的光合色素变化，采用拉曼光谱（Raman spectra）和傅里叶红外光谱（FTIR）对避雨和露地栽培的甜樱桃叶片进行了研究。经测定和分析甜樱桃叶片200~3 500 cm-1范围的Raman光谱，对400~800，800~1 250和1 250~1 650 cm-1三个波数段特征峰值的标定和指认，结果表明：甜樱桃叶片对拉曼散射较敏感区主要在500~1 700 cm-1波段内。960~1 800 cm-1范围类胡萝卜素（番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素）的Raman光谱包含4条主要峰，分别为1 526，1 157，1 005和960 cm-1；露地栽培的甜樱桃叶片Raman强度明显低于避雨栽培。1 157和1 526 cm-1同样还是叶绿素的Raman光谱特征峰，总体分析表明露地比避雨栽培甜樱桃叶片中的光合色素含量更低。1 157，1 520和1 526 cm-1特征谱线对应C—C单键和C═C双键的对称伸缩振动，其相对强度可以作为甜樱桃叶片内叶绿素、类胡萝卜素等光合色素以及纤维素含量的判断依据。FTIR表征叶绿素的振动峰位振动强度弱，振动耦合复杂，难以指认。通过对甜樱桃叶片化学组分FTIR光谱图进行二阶导数求导处理凸显了峰的位置，提高了图谱的分辨率。峰位在1 437和1 551 cm-1的β-胡萝卜素的特征峰明显，露地栽培相比避雨栽培甜樱桃叶片这两个特征峰的吸光度偏小，表明露地栽培甜樱桃叶片中的β-胡萝卜素含量比避雨栽培要少。该研究为不同栽培模式下植物叶片光合色素的光谱学研究提供了参考。


2021 Vol. 41 (04): 1171-1176                              [摘要]                              (61 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2969 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

1177拉曼光谱结合LSTM长短期记忆网络的樱桃产地鉴别研究                                                            

卢诗扬1, 2，张雷蕾1, 2，潘家荣1, 2，杨德红1, 2，眭亚南1, 2，朱 诚1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1177-05
现在樱桃市场上存在着大量以次充好的不良现象，严重损害了名牌樱桃的品牌经济效益，所以亟需一种能对不同产地樱桃实现快速无损鉴别的技术。拉曼光谱溯源技术作为光谱溯源技术的一种，由于具有快速、高效、无污染、无损分析等优点，逐渐得到相关研究者的重视。长短期记忆（LSTM）网络是一种具有记忆性的反馈神经网络，它是循环神经网络的一种变体。LSTM网络克服了循环神经网络中梯度消失的缺点，适合处理序列敏感的问题和任务，目前被广泛应用在语音识别、图像识别和手写识别等领域，但LSTM网络在产地溯源方面的应用还有待研究。基于此，提出了一种LSTM网络与拉曼光谱技术结合的能对不同产地樱桃实现快速无损鉴别的技术。将来自美国、山东和四川的369个樱桃作为研究样本，用拉曼光谱仪在785 nm激光下获得了不同产地樱桃的光谱数据。并且以每条经过基线校正后的拉曼光谱数据作为网络输入数据，基于LSTM网络构建了能对不同产地樱桃实现快速鉴别的判别模型，并且以样本判别准确率A、样本精确率P、样本召回率R和样本F值作为评价指标，探究了不同预处理方法对LSTM网络判别模型性能的影响。结果表明：当样本训练集和测试集的比例为85∶38时，直接采用原始拉曼光谱数据的LSTM网络模型的产地鉴别能力不高，鉴别准确率为79.87%。但当使用预处理过后的拉曼光谱数据，模型的鉴别准确率维持在92%以上。并且光谱经过SG+MSC预处理后模型的鉴别准确度最好，鉴别准确率达99.12%。同时在采用SG+MSC预处理的方法下，LSTM网络鉴别模型的精确率、召回率、F值均较高，表明了所提出的LSTM网络模型有较好的性能可实现对不同产地樱桃的鉴别，为樱桃的产地溯源提供了一种新的思路。


2021 Vol. 41 (04): 1177-1181                              [摘要]                              (47 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2479 KB)                                                                                           (                                31                               )

 

1182可见近红外高光谱成像对灵武长枣定量损伤等级判别                                                            

袁瑞瑞，刘贵珊*，何建国，康宁波，班晶晶，马丽敏


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1182-06
利用可见近红外（Vis-NIR）高光谱成像技术对完好和损伤等级灵武长枣进行快速识别检测。采用定量损伤装置得到损伤Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ级的灵武长枣，借助高光谱成像系统采集完好长枣和损伤长枣样本高光谱图像。提取感兴趣区域（region of interest，ROI）并计算样本平均光谱值。利用光谱-理化值共生距离算法（SPXY）将420个长枣样本按3∶1的比例划分校正集315个和预测集105个。灵武长枣原始光谱建立偏最小二乘判别分析（PLS-DA）分类模型，得到校正集和预测集准确率分别为72.70%和86.67%；灵武长枣原始光谱数据采用移动平均（MA）、卷积平滑（SG）、多元散射校正（MSC）、正交信号修正（OSC）、基线校准（baseline）和去趋势（de-trending）等方法进行光谱预处理并建立PLS-DA分类判别模型。通过分析比较，得到MSC-PLS-DA为最优分类判别模型，校正集准确率为76.19%，预测集准确率为86.67%，其中校正集比原始光谱建模准确率提高了3.49%，预测集准确率较原始光谱建模结果未提高；为了提高建模效果，对灵武长枣原始光谱和预处理后的光谱分别采用连续投影算法（SPA）、无信息变量消除（UVE）、竞争性自适应加权抽样（CARS）和区间变量迭代空间收缩法（iVISSA）等算法提取特征波长，建立PLS-DA分类判别模型，结果表明，MSC-CARS-PLS-DA为最优模型组合，校正集准确率为77.14%，预测集准确率为89.52%，建模准确率较原始光谱建模准确率分别提高了4.44%和2.85%。结果表明，Vis-NIR高光谱成像技术结合MSC-CARS-PLS-DA模型可实现灵武长枣损伤等级的快速识别。


2021 Vol. 41 (04): 1182-1187                              [摘要]                              (65 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1766 KB)                                                                                           (                                39                               )

 

1188基于优选NIR光谱波数的绿豆产地无损检测方法                                                            

黄 燕1，王 璐2，关海鸥2*，左 锋3,4，钱丽丽3,4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1188-06
产地是影响农作物生产的重要环境因素，产地溯源对于食品安全具有重要意义。针对传统农产品产地检测一般采用化学分析法，其操作繁琐且存在破坏性和耗时较长等不足的问题，以北方寒地绿豆为研究对象，分别在白城、杜蒙、泰来等优质绿豆主产区，获取绿豆的籽粒和粉末两种状态的近红外光谱数据（NIR），利用优选NIR光谱特征波数，建立了绿豆产地无损检测的新方法。首先在吸光度值较强的10 105.37~4 078.655 cm-1波数范围内，采用多元散射校正法（MSC），对不同产地的绿豆原始光谱数据进行预处理，以消除光谱干扰信息。应用竞争性自适应重加权采样算法（CARS），优选不同产地绿豆籽粒和粉末状态的光谱特征波数，以减少光谱曲线的特征向量维度。最后利用前馈神经网络（BP）自适应推理机制，建立了绿豆产地与其光谱特征波数之间非线性映射模型，并将网络输出的编码向量解析至产地名称，作为绿豆产地检测的输出结果。研究结果表明：（1）原始光谱经过多元散射校正预处理后，绿豆粉末光谱曲线的误差从12.87降到3.20，绿豆籽粒光谱曲线的误差从153.04降到27.73，提供有效可靠的光谱数据。（2）通过竞争性自适应重加权采样算法，提取绿豆光谱曲线的重要特征波数，从籽粒和粉末状态原始2 114个波数中，分别优化为61个和107个特征波数，波段总数目减少了94.94%以上，并将其作为绿豆产地识别的特征指标。（3）创新性提出了MSC-CARS-BP绿豆产地检测模型，以优选出的光谱特征波数为定量依据，分别对绿豆籽粒和粉末进行产地检测，预测集准确率为92.59%和98.63%，相关系数均达到0.99以上。该方法能够利用近红外光谱处理技术，实现绿豆产地无损检测的目标，为农产品产地自动快速溯源提供了技术支持和参考。


2021 Vol. 41 (04): 1188-1193                              [摘要]                              (66 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4348 KB)                                                                                           (                                37                               )

 

1194利用光谱学方法解析具备高“奶油感”发酵乳的关键质构特征                                                            

周 兵1，刘天舒2，穆 硕2，王鹏杰2，沈清武1，罗 洁1,2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1194-05
“奶油感”是最受消费者喜好的发酵乳感官属性，反映令人愉悦的特征。为开发无添加但“奶油感”增强型的发酵乳，首先必须明确具备高“奶油感”发酵乳的质构特征。目前关于发酵乳“奶油感”的定义和评价标准尚未统一，关键质构特征尚不清晰。前人研究表明，发酵乳的凝胶网络形成过程及强度、稳定性和表观黏度可能是影响发酵乳感官感知的主要因素。该研究采用多种光谱学手段，解析具有不同强度“奶油感”发酵乳的关键质构特征。以经描述型感官评价得到的五种具备不同“奶油感”强度的发酵乳为研究对象，通过多散斑扩散光谱技术测定发酵乳凝胶网络的形成过程及凝胶强度，通过多重光散射技术来研究发酵乳的稳定性，再辅以流变学分析发酵乳的表观黏度。首先采用多散斑扩散波光谱技术研究具有不同强度“奶油感”发酵乳凝胶过程粒子均方位移的变化，结果显示凝胶的弹性指数突变时间按“奶油感”由弱到强分别为108，115，106，132和143 min，表明发酵乳形成凝胶的时间基本呈逐渐增加趋势；凝胶时间的增加可能是因为酪蛋白充分重排聚集形成了更均匀的凝胶网络，从而增强了“奶油感”的感知；弹性指数的终点值代表发酵乳的凝胶强度，结果显示凝胶强度处于适中水平的发酵乳“奶油感”较强。接着利用多重光散射技术评价了发酵乳的稳定性，“奶油感”由弱到强的发酵乳稳定性动力学指数分别为2.2，2.1，1.9，2.0和1.4，表明发酵乳稳定性与发酵乳“奶油感”的感知强度呈正相关。最后利用流变学方法测定了发酵乳的表观黏度，“奶油感”由弱到强的发酵乳表观黏度分别为(0.362±0.016)，(0.271±0.013)，(0.251±0.021)，(0.479±0.031)和(0.343±0.024) Pa·s，表明发酵乳的表观黏度和“奶油感”感知强度不存在相关性。发酵乳的凝胶时间及凝胶稳定性与“奶油感”的感知密切相关。研究为明确发酵乳“奶油感”的关键质构、开发“奶油感”增强型的发酵乳制品提供理论依据。


2021 Vol. 41 (04): 1194-1198                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3136 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

1199小麦秸秆堆肥水溶性有机物的结构和组成演变                                                            

余旭芳1，周 俊1, 2，任兰天3，王 艳1，范行军1*，李孝良1，李飞跃1，王 翔1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1199-06
堆肥是小麦秸秆资源化利用重要的途径之一，然而目前关于秸秆单一物料堆肥的研究较少。水溶性有机物（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分，因此探讨DOM的演变特征可有效评价秸秆的腐熟过程。以小麦秸秆好氧堆肥过程中的DOM为研究对象，利用总有机碳、紫外-可见光光谱（UV-Vis）、三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）分析方法，阐明小麦秸秆堆肥过程中DOM的含量、结构和组成的演变特征。结果表明：堆肥过程中DOM的有机碳含量降低了23%，说明DOM是堆肥中活跃的有机质组分。值得注意的是，堆肥前期DOM微生物降解最为剧烈。UV-Vis谱图显示DOM光谱随堆肥进行不断降低，表明堆肥过程芳香族物质不断降解。EEM光谱显示出显著的荧光峰演变趋势，由堆肥前期较强的类蛋白荧光峰（D，E）演变为堆肥后期较强的类腐殖质荧光峰（H），表明堆肥过程DOM的物质组成发生改变。通过光谱参数SUVA254和HIX的观测，发现随着堆肥进行，DOM的芳香度和腐殖化程度呈现动态变化，整体呈增强趋势。由此可推测堆肥过程DOM降解的成分主要为非腐殖质，而腐殖质类物质的相对含量则不断提升、整体芳构化和腐殖化程度增加。EEM-PARAFAC进一步定量分析了DOM组分的演变特征。随着堆肥的进行，DOM中的类蛋白物质（C3）相对含量显著降低（~46%），而类富里酸（C1）和类腐殖酸（C2）物质相对含量分别提高了45%和80%。DOM中的组成由堆肥初期的C1∶C2∶C3=41∶17∶42演变成堆肥后期的53∶27∶20。结果揭示出堆肥过程中类蛋白物质发生显著的降解，而类腐殖质则由于分子聚合生成作用和微生物降解速率较慢等因素逐渐演变成堆肥DOM的主要组分。相关性分析结果显示HIX与C1和C2均呈现极显著正相关（r=0.806~0.853），表明腐殖化指数(HIX)可有效指示DOM的腐殖质物质组成。本研究结果可为进一步优化小麦秸秆堆肥条件，改善秸秆有机肥质量提供科学依据。


2021 Vol. 41 (04): 1199-1204                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3131 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1205基于小波分析的马铃薯地上生物量估算                                                            

刘 杨1, 2, 3，孙 乾1, 3，冯海宽1, 3*，杨福芹4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1205-08
地上生物量（AGB）是作物长势评价及产量预测的重要指标，因此快速准确地估算AGB至关重要。由于传统植被指数（VIs）估算多生育期的AGB存在饱和现象，因此，利用VIs结合基于离散小波转换（DWT）的影像小波分解（IWD）技术提取的高频信息和连续小波转换（CWT）技术提取的小波系数，探究VIs，VIs+IWD和VIs+CWT对于AGB的估算能力。首先，基于无人机平台分别获取马铃薯现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期的数码影像和成像高光谱影像以及地面实测的AGB数据。其次，利用数码影像通过IWD技术提取3种高频信息和利用高光谱反射率数据通过CWT技术提取小波系数以及构建6种高光谱植被指数。然后，将植被指数、高频信息和小波系数分别与AGB进行相关性分析，并挑选出不同尺度下相关系数绝对值较高的前10波段。最后，以VIs，VIs+IWD和VIs+CWT这3种变量分别使用偏最小二乘回归（PLSR）方法构建AGB估算模型，并对比不同模型估算AGB的效果。结果表明: （1）每个生育期选取的6种植被指数、3种高频信息和10种小波系数与AGB的相关性均达到0.01显著水平，整个生育期相关性均呈现先升高后降低的趋势，其中以小波系数得到的相关性最高、高频信息次之，植被指数最低。（2）对比分析每个生育期的3种估算模型，以VIs+CWT为输入变量的估算效果最好，VIs+IWD的估算效果次之，而VIs的估算效果最差，说明基于小波分析构建的模型适用性较广、稳定性较强。（3）每个生育期分别以3种变量利用PLSR方法构建的AGB估算模型均在块茎增长期达到最高精度（VIs：建模R2=0.70，RMSE=98.88 kg·hm-12，NRMSE=11.63%；VIs+IWD：建模R2=0.78，RMSE=86.45 kg·hm-12，NRMSE=10.17%；VIs+CWT：建模R2=0.85，RMSE=74.25 kg·hm-12，NRMSE=9.27%）。通过VIs分别结合IWD和CWT技术利用PLSR建模方法，可以提高AGB估算精度，为农业指导管理提供可靠参考。


2021 Vol. 41 (04): 1205-1212                              [摘要]                              (58 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2484 KB)                                                                                           (                                52                               )

 

1213PLS-DA优化模型的马铃薯黑心病可见近红外透射光谱检测                                                            

韩亚芬，吕程序，苑严伟*，杨炳南，赵庆亮，曹有福，尹学清


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1213-07
马铃薯黑心病是一种马铃薯主要内部缺陷，严重损害薯条、薯片、全粉等加工制品的质量和产率。目前对马铃薯的分级主要侧重于外部品质检测，针对内部缺陷检测的研究很少。旨在开发一种马铃薯黑心病的快速无损检测技术，为此搭建了马铃薯可见近红外透射光谱分析平台，分析健康与黑心病马铃薯的透射光谱特性并优化光谱判别模型参数。基于现有马铃薯分级线和复享PG2000高速光谱仪，采用左右透射方式（光源与光纤探头位于分级线果盘左右两侧），采集470个马铃薯（其中健康薯234个、黑心薯236个）的透射光谱图，建立偏最小二乘判别模型（PLS-DA），并利用主成分分析（PCA）与光谱形态特征相结合的方法选择特征波长，优化模型。分析发现，健康薯与黑心薯的可见近红外透射光谱在吸光度值和光谱形态特征方面均存在明显区别。黑心薯的平均光谱吸光度值高于健康薯（650～900 nm范围内），但黑心薯的平均光谱曲线较为平缓，无明显吸收峰，而健康薯平均光谱曲线在665，732和839 nm附近有明显吸收峰，并且健康薯与黑心薯的平均光谱差值在705 nm处达到最大值。基于PLS-DA法建立了马铃薯黑心病判别模型，对黑心病的判别效果显著，分类器特性曲线（ROC）下面积（AUC）值为0.994 2，黑心薯识别总正确率能够达到97.16%，RMSECV和RMSEP分别为0.28和0.26。此外，成功利用PCA与光谱形态特征相结合的方法对模型进行简化，最终得到由6个波长（658，705，716，800，816和839 nm）组成的特征波长组合，简化后的模型总正确率能够达到96.73%，接近全波段模型判别水平。研究表明，左右透射的方式能够准确识别黑心马铃薯，实现对马铃薯内部缺陷的快速无损检测。对我国马铃薯产业的发展起到一定的促进作用，为马铃薯内部缺陷在线检测技术的提高提供了重要的理论基础和实践依据。


2021 Vol. 41 (04): 1213-1219                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3700 KB)                                                                                           (                                54                               )

 

1220基于冠层光谱的水稻穗颈瘟病害程度预测模型                                                            

韩 雨1, 2，刘焕军1，2，张新乐1*，于滋洋1，孟祥添1，孔繁昌1，宋少忠3，韩 晶1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1220-07
对水稻稻瘟病病害程度的定量预测是精准防控的关键，田间冠层尺度的研究可为高光谱传感器提供理论基础。以受穗颈瘟胁迫的水稻为研究对象，采用SVC HR768i型光谱辐射仪在大田中获取灌浆期两个不同时间段的水稻冠层光谱反射率，以水稻发病株数百分比作为病害严重程度指标。冠层光谱数据采用九点平滑预处理，并重采样为1 nm间隔，计算植被指数；经过去包络线和一阶导数光谱变换，提取高光谱特征参数。分析不同时间段的光谱变换、植被指数、高光谱特征参数与病害程度的相关关系，构建基于植被指数、高光谱特征参数的穗颈瘟病害程度随机森林预测模型，并对比分析两个单时期预测模型异同，优选共用输入量，构建出两时期混合数据的病害程度预测模型。结果表明：（1）原始光谱曲线经去包络线处理可有效增强与病害程度相关的光谱信息，近红外波段（960～1 050和1 150～1 280 nm）的相关系数在0.80以上；（2）高光谱特征参数与病害程度相关性分析中，去包络线吸收谷参数相关系数高于其他参数，吸收谷V3（910～1 100 nm）、吸收谷V4（1 100～1 300 nm）中面积（A3和A4）、深度（DP3和DP4）、斜率（SL4和SR4）的相关系数在0.74以上；（3）去包络线吸收谷参数结合随机森林模型预测穗颈瘟病害程度在单时期及两时期混合数据中均表现最好。灌浆期后期数据预测效果最佳，验证集决定系数R2=0.91，均方根误差RMSE=0.02；（4）两时期混合数据预测精度处于两个单时期预测精度之间，验证集决定系数R2=0.85、均方根误差RMSE=0.03。研究成果揭示了灌浆期不同时间段水稻穗颈瘟光谱响应机制，表明去包络线吸收谷参数结合随机森林模型预测稻瘟病的实用性，可为田间水稻穗颈瘟病害程度进行快速、精确、无损地定量预测，为精准施药提供理论依据，并对未来航空、航天遥感的病害监测提供一定的技术支持。


2021 Vol. 41 (04): 1220-1226                              [摘要]                              (48 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1315 KB)                                                                                           (                                168                               )

 

1227改进的QGA-ELM算法水稻叶面积指数反演模型                                                            

苏中滨，陆艺伟，谷俊涛，高 睿，马 铮，孔庆明*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1227-07
为了通过植被指数（VI）准确、可靠的获取不同施肥梯度、不同品种的水稻叶面积指数（LAI），提出了一种基于改进的QGA-ELM算法应用于水稻LAI反演。首先通过8折交叉验证确定极限学习机(ELM)最佳的隐含层神经元个数与隐含层激活函数类型，再通过引入组合动态旋转角策略、单点混沌交叉操作、混沌变异操作、确定性选择策略、量子灾变操作对量子遗传算法（QGA）进行改进，最后使用改进后的QGA算法优化ELM神经网络输入层到隐含层的连接权值和隐含层的阈值。为了验证该模型普适性和有效性，依次建立多元线性回归、BP、ELM、QGA-ELM、改进的QGA-ELM算法5种模型，并在不同数据集上进行反演效果比较，结果表明：（1）对比QGA-ELM算法和改进的QGA-ELM算法进化过程，改进的算法能有效提升模型寻优能力，避免算法早熟，且能寻得更优结果。（2）对比五种算法在不同数据集上的反演效果，验证了NDVI，RVI与LAI之间主要为非线性关系，且ELM神经网络模型反演效果要优于BP神经网络模型和多元线性回归模型。（3）对比五种算法在不同数据集上的反演效果，改进的QGA-ELM算法绝大部分情况下拥有最高的反演精度和最低的误差，改进后的算法反演精度得到了明显提升，泛化性能也得到了增强。（4）改进的QGA-ELM算法在各种施肥梯度上均具有最高反演精度和最低误差，且精度较高，能为不同生长状况水稻LAI反演提供依据。（5）五种模型对庆和香LAI反演精度均要高于龙稻18，而改进的QGA-ELM算法在不同水稻品种上依然具有较高的反演精度，且在不同水稻品种上反演精度相差极小，远低于其他四种模型，能很好适应不同水稻品种LAI反演要求，极大提升模型的稳定性性，为不同水稻品种反演提供参考意义。


2021 Vol. 41 (04): 1227-1233                              [摘要]                              (47 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5549 KB)                                                                                           (                                28                               )

 

1234基于野外可见近红外光谱和水分影响校正算法的土壤剖面有机碳预测                                                            

李 硕1，李春莲1，陈颂超3, 4，徐冬云2，史 舟2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1234-06
土壤是陆地碳循环的中枢，充分发挥土壤固碳潜力有助于减缓全球气候变化。土壤有机碳 (SOC) 的高度分异性同时体现在空间和垂直分布上，但是许多前期研究往往只考虑了空间分异，而忽略了垂直分异。尤其在青藏高原这种高寒山区，土壤样品采集难度较大且费用昂贵。可见近红外 (Vis-NIR) 光谱作为传统土壤实验室化学分析的辅助手段，能够较为快速和精准地估测SOC含量。但是土壤水分等环境因素会掩盖或改变SOC的Vis-NIR光谱吸收特征进而削弱模型预测精度。外部参数正交化 (EPO) 和分段直接标准化 (PDS) 算法可以有效校正水分对光谱的影响，但其在野外新鲜土柱上的表现还不得而知。本研究旨在探索不同水分影响校正算法对野外剖面土壤光谱的校正能力，对采自中国青藏高原海拔2 900～4 500 m色季拉山的共26个1 m深土柱。沿深度以5 cm×5 cm为测量单元，从各单元中心采集共计386个野外原状湿样Vis-NIR光谱，并在实验室内测得相应386个研磨干样的Vis-NIR光谱以及SOC含量。经EPO和PDS算法校正土壤水分对光谱的影响后，通过随机森林建立土壤光谱和SOC含量的定量预测模型，并使用靴襻法评估不同校正处理下预测模型的不确定。土柱整体及垂直分布的精度结果表明，经PDS法转换的农田和草地土柱湿样光谱均表现出良好的水分校正效果，而EPO法仅对农田土柱有效。水分影响校正算法在不同土壤深度上也存在显著差异，EPO和PDS对农田和草地表层样本的水分校正均效果明显。两种校正方法的效果显示出地类和土层深度的依赖性。本研究为利用Vis-NIR光谱技术在高寒山区野外快速准确估算土壤碳含量的垂直分异提供了必要参考。


2021 Vol. 41 (04): 1234-1239                              [摘要]                              (75 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2642 KB)                                                                                           (                                48                               )

 

1240三维荧光光谱-平行因子法解析再生水补给人工湿地DOM的光谱特征                                                            

靳百川1，蒋梦云1，白文荣2，刘蔚怡1，蔺祖弘1，孟 媛1，张婷婷1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1240-06
采用三维荧光光谱技术和平行因子分析，对北方某潜流-表流复合人工湿地水体中溶解性有机质（DOM）的光谱特征、演变过程及其来源进行研究，以期为深入理解人工湿地的作用机理和污染物溯源提供科学依据。结果表明，人工湿地中各阶段的出水呈现相似的三维荧光特性，均出现明显的类腐殖质尖峰和类蛋白峰，但强度有所不同。混凝沉淀对类蛋白和类腐殖质两种DOM的荧光强度均有一定的削减作用；潜流湿地出水的荧光图谱显示，微生物代谢副产物和类色氨酸等类蛋白峰强度明显降低，而类腐殖质峰强度无明显变化，这表明潜流湿地对再生水中的类蛋白物质具有明显的降解作用，而对类腐殖质物质降解效果较弱；相反，在表流湿地出水的荧光图谱中发现类蛋白峰和类腐殖质峰的强度均削弱，而且在表流湿地下游3 km处的强度达到最低。这一趋势归因于潜流湿地中滤料表面生物膜对DOM的生物降解以及表流湿地内部活跃的微生物活动和水生植物的根系对DOM的吸附作用。平行因子分析结果显示，该湿地水体DOM中包含5个荧光组分，分别为类富里酸组分C1（240, 330/430 nm）、微生物活动相关的类腐殖质组分C2（285, 330/380 nm）、类色氨酸C3（230/350 nm）、微生物代谢副产物C4（280/320 nm）和陆源类腐殖质C5（270, 380/470 nm）。采用多种荧光光谱指数对湿地中DOM的来源进行解析，荧光指数和自生源指数均表明该湿地中DOM的来源以生物代谢输入为主，而陆源输入的影响较小；腐殖化因子则表明该湿地存在弱腐殖化的特征且生物来源占主导地位。斯皮尔曼相关性分析表明5个荧光组分具有同源性，而且与水中氮元素的迁移转化密切相关。


2021 Vol. 41 (04): 1240-1245                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4639 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1246湖北竹山“油松”的红外光谱特征及其成分研究                                                            

陈全莉1，丁 薇1，徐丰舜1，刘衔宇2*，王海涛3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1246-07
湖北省十堰市竹山县秦古镇小林扒矿区产出了一类较为特殊的绿松石。这类绿松石颜色多为浅绿色、浅黄绿色或浅苹果绿色，产出原石具滑感，性脆，亦称之为“油松”。与其结构细腻度相当的绿松石原料相比，此类绿松石密度普遍明显偏低，硬度偏小；经传统有机结合剂充填处理后，致密度及硬度均未见明显改善，无法作为首饰级材料使用，造成绿松石这类不可再生的宝贵资源严重浪费。以“油松”为研究对象，采用常规宝石学测试仪器、红外吸收光谱仪、X射线粉晶衍射仪、电子探针仪以及环境扫描电子显微镜等对其化学组分及显微结构特征等进行测试，为有效利用这类绿松石资源提供科学依据。测试结果表明，“油松”的相对密度为2.04～2.22；在长波和短波紫外光下荧光反应均显示为惰性。“油松”的红外吸收光谱谱带主要分布在3 700~3 090 cm-1以及1 638~466 cm-1范围内，其中3 509和3 462 cm-1处峰形尖锐的OH致吸收光谱、3 277和3 090 cm-1 附近较宽缓的结晶水致吸收光谱特征与绿松石的官能团区吸收特征一致。“油松”在高频区3 700和3 622 cm-1处具有高岭石或蒙脱石中OH 致弱红外吸收谱峰。在1 638 cm-1附近均出现有强度中等的较为宽缓的吸收峰，该吸收峰与绿松石中H2O的弯曲振动致吸收谱峰一致。指纹区的吸收峰峰形及峰位均与一般绿松石有较大差异，为Si—O及P—O的混合吸收谱峰。“油松”的主要化学组成元素为Si，Al和P，含有少量的Fe和Cu，并含有微量的Mg，Ca及Cr。组成元素的氧化物含量分别为：w(SiO2)：25.60%～30.90%，w(Al2O3)：26.55%～28.29%，w(FeOT)：5.35%～5.90%，w(P2O5)：22.00%～23.52%，w(CuO)：5.10%～5.87%。“油松”中的Al2O3和P2O5的含量均低于绿松石成分理论值及其他各产地的天然绿松石。相对于天然绿松石中较低的SiO2含量（0.02%～0.12%），“油松”中SiO2的含量明显偏高，均高于25%。“油松”的主要组成矿物为绿松石，并含有一定量的粘土矿物蒙脱石及蒙脱石-高岭石，其硬度低，具有滑感，是“油松”硬度低，具有滑感且优化处理效果不显著的主要原因。


2021 Vol. 41 (04): 1246-1252                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (17471 KB)                                                                                           (                                33                               )

 

1253刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征及虫害等级检测研究                                                            

黄旭影1，许章华2, 3，王小平1，杨 旭1，居为民1*，胡新宇2，李 凯3, 4，陈芸芝3, 4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1253-07
探讨刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征可为建立竹林生态安全监测体系提供重要的理论指导。相比于传统的多光谱数据，高光谱遥感能够准确探测不同刚竹毒蛾危害等级间寄主光谱的细微变化。然而，当前有关此方面的研究甚少，其寄主的光谱变化机理还有待进一步总结。为此，基于实测的552条竹叶光谱，分析了健康、受刚竹毒蛾危害、小年叶片之间的光谱差异，选择可反映其健康状况的特征变量，并利用XGBoost模型建立了叶片尺度的刚竹毒蛾危害检测模型。研究结果显示：（1）随着虫害等级的上升，受害叶片在可见光范围内的反射率逐渐出现“绿低红高”的特征，其近红外波段的反射率则不断降低，而短波红外的反射率则明显高于健康叶片，尤其在两个水汽吸收波段（1 450和1 940 nm）的差异最为明显；（2）小年叶片于可见光-近红外波段的反射率显著高于健康、受害叶片；（3）根据不同受害类型叶片的光谱特征可知，较之健康叶片，缺刻型叶片的光谱并未出现太大的变化，红褐色病斑型叶片在红光波段的反射率出现了一定程度的上升，灰白色病斑型叶片则已经完全失去了植被的基本光谱特征；（4）根据XGBoost模型给出的变量重要性排序可知，各特征变量的贡献度依次为PRI（光化学反射率指数）＞FDVI576, 717（植被健康程度评估指数）＞NPCI（归一化色素叶绿素指数）＞DSWI（疾病水胁迫指数）＞VOG 1（红边指数1）＞RVSI（红边植被胁迫指数）＞NDWI（归一化差值水分指数）；（5）模型对刚竹毒蛾危害识别的总平均精度为74.39%，其中健康叶片的识别精度达到了94.55%，轻度危害叶片为74.93%，重度危害为84.12%，小年叶片则为71.10%，而中度危害叶片的识别精度较差，仅为33.48%。


2021 Vol. 41 (04): 1253-1259                              [摘要]                              (57 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3235 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1260竹基纤维素Ⅱ氢键结合的近红外光谱研究                                                            

董沛杰1，张文博1*，陆 薇2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1260-05
纤维素是一种可再生天然亲水性高聚物，其庞大的氢键网格形成多种不同的晶体结构形式。在其五种结晶变体（纤维素Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅹ）中，纤维素Ⅱ由纤维素Ⅰ（天然纤维素）经再生或丝光化处理获得，是表面自由能最低、性能最稳定的纤维素，这主要归因于纤维素Ⅱ具有与纤维素Ⅰ晶型平行链结构相反的反平行链结构，且相比于纤维素Ⅰ有附加的分子间氢键。基于近红外光谱（NIRS）对含氢基团的敏感性及纤维素的结晶结构中有大量氢键，使通过NIRS定性检测、定量评价纤维素的结晶结构成为可能。目前，用NIRS对纤维素结晶变体氢键结合的研究甚少，针对竹材纤维素Ⅱ及其衍生材料氢键结合的研究国内外尚未见相关报道。用竹材制备纤维素Ⅰ，经丝光化处理得到竹基纤维素Ⅱ，通过NIRS研究其氢键结合状况，结果与竹粉及竹基纤维素Ⅰ相比较。此外，研究还通过NIRS对竹粉及竹基纤维素的结晶度做了定量评价。结果表明：(1）在无定形区，竹基纤维素Ⅰ、Ⅱ和竹粉相比光谱差异不大，氢键结合只有量的变化，而无质的差异；(2）在半结晶区，与竹粉相比，竹基纤维素Ⅰ晶型结构保持不变，而竹基纤维素Ⅱ形成双峰；(3）在纤维素结晶区的近红外谱带范围内，反映竹基纤维素Ⅰ结晶表面纤维素分子内氢键O2—H2···O6的强氢键结合的羟基伸缩振动的一次倍频吸收峰由6 292 cm-1向高波数转移到6 354 cm-1，该处与竹基纤维素Ⅱ形成的强氢键结合的分子间氢键O2—H2···O2反平行构造相对应；(4）NIRS预测的结晶度与XRD分析结果有良好相关性。上述结果表明，纤维素结晶区内的氢键结合在近红外特征谱带出现转移且在半结晶区形成双峰，是区别竹基纤维素Ⅱ和Ⅰ的主要特征。研究也表明NIRS对探讨纤维素多种变体的氢键结合及结晶度预测是可靠的。


2021 Vol. 41 (04): 1260-1264                              [摘要]                              (63 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2219 KB)                                                                                           (                                16                               )

 

1265基于远程LIBS-Raman光谱的火星矿物成分分析方法研究                                                            

袁汝俊1, 3, 4，万 雄1, 2，3*，王泓鹏1, 4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1265-06
实现了一套实验室环境下的LIBS-Raman测试系统的设计，并验证激光诱导击穿光谱技术（LIBS）和拉曼（Raman）光谱技术在火星模拟环境下矿物样品的综合检测能力。该系统使用卡塞格林望远镜结构进行远程的LIBS激发，使用旁路反射光路进行远程脉冲Raman光谱的激发，其激发光源的波长分别为1 064和532 nm。之后统一使用卡塞格林望远镜进行二者光谱信号的收集。为了充分模拟火星表面矿物所处的物理条件，设计与实现了一套气体腔体，通过将样品放置在气体舱中，可以实现对火星表面条件进行最大程度的模拟。为了验证使用该LIBS-Raman系统进行火星矿物分析的能力，利用8种典型矿物(孔雀石、蓝铜矿、雄黄、雌黄、文石、方解石、硬石膏和石膏等)样品展开实验分析。在这些样品中存在巨大的元素和分子成分上的差异，其中孔雀石、蓝铜矿分子具有不同的价态和原子比例；雄黄、雌黄分子的各原子的个数均不相同；文石、方解石虽具有相同的分子式，但是晶体结构明显不同；硬石膏和石膏矿物的差异则体现在其分子有无含有结晶水上。利用LIBS和Raman技术对这些差异性进行研究，以此来验证在火星条件下使用此组合仪器分析矿物种类和成分的有效性，并研究激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱技术在物质成分分析中的优缺点。实验结果表明，该系统可以在火星条件下有效分析矿物种类和成分。该对比实验还验证了在分析火星物质中的特定矿物元素组成这一问题上，LIBS技术可快速区分元素种类，但针对分子信息探测存在明显局限性；Raman光谱技术则可以在一定程度上对这种局限性进行补偿。二者结合将有效提高极端条件下具有不同分子组成和结构的矿物的识别效能。该系统的成功验证可为进一步火星探测计划提供有力补充，并对实验室建立有价值数据库提供帮助。


2021 Vol. 41 (04): 1265-1270                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2065 KB)                                                                                           (                                50                               )

 

1271一种特殊条带南红玛瑙的拉曼光谱分析                                                            

郭 梅1，王文薇2，刘 浩1，陆 卓2，尹作为1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1271-05
南红玛瑙是玛瑙中比较特殊的品种，因其温润的质地和鲜艳的颜色被广大消费者接受。云南保山南红玛瑙原石中常出现一种在外侧透明且与内侧分界明显的特殊条带，在研究南红玛瑙时较少有提到这种条带。采用显微激光拉曼光谱、场发射扫描电镜来对此条带展开分析，测试结果表明拉曼光谱中外侧（Ⅰ区）与内侧（Ⅱ区）区别在于503 cm-1峰的强弱变化和400 cm-1峰的分裂程度变化。两个样品结果都显示503 cm-1峰强从外到内呈现逐渐减少直至消失以及400 cm-1峰在Ⅰ区和Ⅱ区规律性变化。503 cm-1拉曼峰代表一种二氧化硅中间相矿物——斜硅石，说明从外到内斜硅石的含量逐渐降低直至消失。400 cm-1分裂峰396和402 cm-1的分裂程度随着503 cm-1峰强的减弱其分裂程度增强，而400 cm-1的分裂程度差异反映玛瑙的结晶程度，因此结晶程度与斜硅石的含量存在一定的相关性。选取YND-6#2进行计算斜硅石的含量，通过模拟I（503 cm-1）/ I（465 cm-1）峰强度比值与斜硅石含量的关系函数，计算得到斜硅石含量最大值为11.67%，表明其形成为非蒸发环境。扫描电镜结果表明从Ⅰ区到Ⅱ区颗粒的尺寸增加、排列的有序程度增加、自形程度增加，表明从Ⅰ区到Ⅱ区结晶程度增加，综上得到南红玛瑙特殊条带内斜硅石含量的规律变化和结晶程度的变化以及Ⅰ区与Ⅱ区微观形貌差异和外观差异表明其为不同的生长阶段。


2021 Vol. 41 (04): 1271-1275                              [摘要]                              (62 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3975 KB)                                                                                           (                                23                               )

 

1276地球化学样品中有机碳的光谱分析                                                            

张灵火，马 娜*，陈海杰，纪 强，郭心玮，张鹏鹏，胡梦颖，白金峰，张 勤


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1276-05
有机碳已成为多目标地球化学调查、土地质量地球化学调查等项目研究的必测指标，对有机碳的准确定量是地球化学调查工作的重要内容，准确测定有机碳含量具有重要意义。然而传统的重量法、容量法流程长、速度慢，已经不能满足大批量及快速测定地球化学样品的要求。采用稀盐酸去除样品中的无机碳，应用高频红外碳硫分析仪对不同类型地球化学样品中有机碳的测定进行了研究，着重从称样量、酸的选择、最佳浓度及用量、助熔剂的选择和最佳加入量进行对比实验，优化出适合分析地球化学样品中有机碳含量的条件，并采用国家一级地球化学标准物质建立校准曲线，建立盐酸预处理-红外吸收光谱法测定地球化学样品中有机碳含量的分析方法。结果表明：陶瓷坩埚经1 200 ℃灼烧处理可以有效降低碳空白，减小对分析结果的影响；选择50.0～70.0 mg称样量，测试准确度高且样品熔融时不易喷溅；0.40～0.60 mL稀盐酸（1+7）除尽样品中的无机碳同时减少有机碳流失损失；0.40～0.50 g纯铁屑和1.50～1.70 g钨粒作为助熔剂，助熔效果稳定；采用国家一级地球化学标准物质建立校准曲线，校准曲线线性良好（R2=0.998 5）。该方法的检出限为69 μg·g-1，测定结果的相对标准偏差（RSD，n=12）均小于8%。经63个不同类型国家一级地球化学标准物质（土壤、岩石、水系沉积物）验证，测定结果与标准值相符。本方法操作简便，检出限低，灵敏度高，结果准确可靠，适用于地球化学样品中有机碳含量的测定。


2021 Vol. 41 (04): 1276-1280                              [摘要]                              (61 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1175 KB)                                                                                           (                                51                               )

 

1281NH+4，F-对萤石浮选的影响机理及红外光谱分析                                                            

林嘉威，李 解*，武靖轩，李 敏，张文浩


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1281-07
萤石浮选过程中矿浆中的NH+4，F-对萤石的可浮性有重要影响，而目前关于难免离子对浮选影响的研究主要集中在稳定的阳离子对浮选的活化或抑制作用机理，而关于不稳定阳离子（NH+4）、阴离子（F-）影响油酸钠吸附萤石作用机制的研究较少。因此借助于红外光谱分析，结合纯矿物浮选、Zeta电位和溶液化学计算等手段，研究难免离子（NH+4，F-）对油酸钠浮选萤石的作用机理。实验结果表明，在酸性条件下，NH+4对萤石有较强的活化作用，提高了萤石的回收率, 在pH值为6时，不同NH+4浓度下，萤石的回收率均提高到94%左右，而在碱性条件下，NH+4对萤石的浮选的有一定的抑制作用，且随着pH值增加，抑制作用增强，回收率逐渐下降；但F-对萤石浮选有一定的抑制作用，且在pH值为6时，不同F-浓度的抑制作用均明显增强，导致萤石回收率降低；而在碱性条件下，F-对萤石的可浮性影响不大。其作用机理为阳离子（NH+4）与萤石表面解离到溶液中的F-生成NH4F，在酸性条件下提高了萤石表面的正电性，增强萤石表面与油酸的一聚物、二聚物和分子-离子缔合物的吸附作用，而在碱性条件下NH+4的水解生成NH3·H2O，正电性降低，导致油酸钠在萤石表面的吸附作用减弱；F-抑制萤石表面F-的解离，从而抑制了油酸根在萤石表面的化学吸附。红外分析结果表明，油酸钠在萤石表面发生了化学吸附；NH+4的加入，在酸性条件下对萤石有很强的活化作用，—CH3，—CH2—和—COO-的特征峰峰位红移，峰强度加强，显现出较强的化学吸附作用；而在碱性条件下，仅出现了—CH2—的特征峰的峰位红移，且特征峰强度减弱，说明NH+4在弱碱条件在萤石表面的化学吸附较弱，起抑制作用；当加入F-后只出现了—CH3的反对称伸缩振动峰，峰位并未发生偏移，故F-加入后油酸钠在萤石表面并未发生任何基团的化学吸附，从而抑制了萤石的可浮性。


2021 Vol. 41 (04): 1281-1287                              [摘要]                              (74 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2851 KB)                                                                                           (                                16                               )

 

1288改进的堆栈稀疏自编码矿物高光谱端元识别研究                                                            

朱 玲，秦 凯*，李 明，赵英俊


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1288-06
自然界中岩石一般是由多种矿物集合而成的紧致混合物，由于高光谱传感器低空间分辨率的特征，获得的高光谱数据多为矿物组分的综合反映。受噪声干扰以及矿物复杂的混合机理等因素影响，高光谱端元识别和定量分析成为目前研究的热点与难点。基于深度学习理论，对原始自编码结构进行改进，提出了一种改进的堆栈稀疏自编码的矿物高光谱端元识别方法（stacked sparse autoencoders，SSAE），为高光谱解混提供新的思路。首先，根据矿物混合光谱的特点，对原始自编码结构进行三点改进：第一，去掉自编码神经网络的偏置项（bias）；第二，在隐藏层激活函数之前添加批归一化（batch normalization，BN）层，最后一层输出层使用Relu激活函数；第三，用光谱角函数（ＬSAD）代替均方误差（ＬMSE）作为目标函数。SSAE法通过梯度下降方式对目标函数进行优化求解获取神经网络参数。然后，利用Hapke模型建立不同矿物组合和不同质量分数的两个模拟数据集，数据集共包括高岭石、叶腊石、蒙脱石、绿泥石、白云母、方解石、赤铁矿、白云石、钾长石和褐铁矿10种常见矿物光谱。最后，利用SSAE方法对模拟数据集进行端元提取测试，测试结果与网络结构改进过程中产生的6种情况以及顶点成分分析法（VCA）和基于最小体积的变元切分增量拉格朗日单形体识别算法（SISAL）提取结果进行比较。实验证明，本研究提供的是一种盲端元识别方法，改进后的SSAE神经网络端元提取精度比未完成改进前有明显提升。SSAE法可以成功识别两个模拟数据集所有的端元，光谱角距离（spectral angle distance, SAD）的平均误差分别为0.0597和0.0344，与VCA法提取精度差异较小，均优于SISAL法的识别结果。SSAE法为矿物高光谱解混提供了新的方向，对高光谱遥感的地质应用和高光谱遥感定量分析研究具有较好的促进作用。


2021 Vol. 41 (04): 1288-1293                              [摘要]                              (50 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2183 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1294广西大化和贵州罗甸软玉的谱学特征及产地示踪研究                                                            

江 翠1，彭 帆3，王文薇1，2*，尹作为1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1294-06
广西大化和贵州罗甸软玉是近年来我国南方具有一定开采规模的软玉品种，两个产地的软玉矿地理位置较接近，软玉品种既有相似性也有差异。为了对比研究两个产地的软玉品种的光谱学特征及颜色成因，针对产自广西大化和贵州罗甸的玉石样品进行了宝石学常规测试、傅里叶变换红外光谱、激光拉曼光谱和激光剥蚀等离子体质谱等现代谱学仪器测试。研究发现：红外光谱仪测试结果显示大化软玉样品出现1 033，932，771，699，524，490和427 cm-1的吸收峰，罗甸软玉出现1 032，932，773，700，525，490和426 cm-1的吸收峰，其中1 033，1 032和932 cm-1附近较尖锐的吸收谱带归因于O—Si—O的反对称伸缩振动、O—Si—O对称伸缩振动和Si—O—Si反对称伸缩振动；773，771，700和699 cm-1附近的吸收谱带是由Si—O—Si的对称伸缩振动导致的。525，524，490，427和426 cm-1附近的吸收谱带由Si—O的弯曲振动和M—O晶格振动导致。不同于前人的研究结果，该研究在大化软玉样品的红外光谱中发现了850 cm-1附近的肩状吸收带，推测是样品中少量的透辉石所致。通过激光剥蚀等离子质谱仪分析大化软玉的主要化学成分为SiO2（58.91%），MgO（25.77%）和CaO（13.67%）；罗甸样品的主要化学成分为SiO2（57.07%），MgO（24.85%）和CaO（17%），钙含量较大化软玉稍高，两个产地的软玉样品中还含有少量的FeO，MnO，Al2O3，Na2O，K2O，P2O5和TiO2，Mg/Mg+Fe值大化样品的平均值为97.3%，罗甸样品的平均值为98.8%，证实两地软玉主要矿物均为透闪石，罗甸软玉样品中V的含量随着青色调的加深而上升，故认为V对罗甸软玉的青色调有贡献。研究了大化青玉的致色离子，大化软玉样品中Cr和Fe的含量随着青色调的加深而上升，认为Cr和Fe是大化青玉致色的原因。利用稀土元素特征值的差异，可以很好地区分两个产地的软玉，并且通过产地示踪树状图，可以有效地判定目前国内已知不同产地来源的软玉。


2021 Vol. 41 (04): 1294-1299                              [摘要]                              (42 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3033 KB)                                                                                           (                                21                               )

 

1300多条件下波罗的海琥珀热优化对谱学特征的影响                                                            

代荔莉1，施光海2*，袁 野2，姜 雪1，刘文清2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1300-06
波罗的海琥珀是松科松属或雪松属、南洋杉科贝壳杉属或金松科金松属古植物的液态树脂经过多种地质作用后形成的石化树脂，其主要化学成分为具有“规则构型”的半日花烷型双萜化合物的聚合物，同时含有大量琥珀酸（丁二酸）。多种原因导致波罗的海琥珀的原材料价格发生波动，其热优化品在市场上不断涌现。热优化波罗的海琥珀与天然波罗的海琥珀在市场价格、收藏价值等方面存在较大差异，已引起琥珀爱好者和研究者的广泛注意。选取具有代表性外观的天然波罗的海琥珀样品，将其分切成尺寸相同的两套，每套6块。其中一套通过不同实验条件得到了热优化波罗的海琥珀样品（金包蜜、金珀、花珀、血珀、老蜜蜡和白蜡）。通过红外光谱测试分析，获得了热优化波罗的海琥珀的红外光谱特征。将其与天然波罗的海琥珀进行区分，结果显示，氮气环境或有氧环境中热优化的波罗的海琥珀样品发生了聚合反应和酯化反应，弱酸性水溶液中热优化的琥珀样品发生了聚合反应和水解反应。可通过公式Ratio(I1)=A羧酸羰基CO伸缩振动1 710 cm-1/ACH不对称弯曲振动1 456 cm-1来判定波罗的海琥珀是否经过热优化，此方法只适用于鉴别金包蜜、金珀、花珀、老蜜蜡和血珀。当I1值≥1时，样品未经过热优化；当I1值＜1时，样品经过热优化。白蜡不可通过计算I1值来判定是否经过热优化。拉曼光谱测试结果显示，热优化后的波罗的海琥珀成熟度有不同程度的增高，成熟度由高至低的是老蜜蜡、血珀、花珀、金珀、白蜡和金包蜜。研究结果可为鉴别热优化波罗的海琥珀、提高琥珀原石利用率及琥珀博物馆预防性保护技术的发展提供科学依据。


2021 Vol. 41 (04): 1300-1305                              [摘要]                              (58 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2137 KB)                                                                                           (                                16                               )

 

1306河南固始侯古堆一号墓出土东周玉器的科技分析                                                            

袁仪梦1, 2，胡永庆3，刘 松1, 2，李青会1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1306-08
古代玉器不仅是装饰品，其中还蕴藏着丰富的文化内涵。为探究春秋时期河南地区出土玉器在矿物属性、制作工艺、器物功能等之间存在的关系，选取了河南固始侯古堆一号墓（M1）出土的10件玉器，应用X射线荧光光谱（XRF）、共焦显微激光拉曼光谱（LRS）、超景深光学显微系统等光学无损分析技术，结合扫描电子显微镜（SEM）和硅胶覆膜技术对其进行了综合性分析。首先通过光谱信息获知样品的化学成分和物相结构，对样品进行了基本的矿物学表征，明确其矿物种类；再利用超景深光学显微镜对样品进行观察，利用硅胶覆膜技术复刻出样品中典型的钻孔痕、切割痕和阴刻痕，并进行二次观察和测量，综合判断出其加工工艺，并统计了刻痕深度、切口角度、浅浮雕高度等相关数据。结果表明：此玉器的矿物种类包括透闪石和云母两种，透闪石质的样品多为礼器，云母质的样品为葬玉。从阴刻工艺、钻孔工艺、切割及打磨工艺和其他特殊工艺这四方面对加工工艺进行了分析，阴刻加工工具分为手持硬质工具和砣具两种，此批样品中以砣具为主；总结了两种不同加工工具雕刻产生的阴线在表面痕迹、切口角度和刻痕深度中的规律性变化；钻孔方式均为双面对钻，钻孔工具均为实心钻具，部分样品钻孔时添加了解玉砂；多数样品经过了打磨抛光，对其中一件未完全加工完成的样品开片痕迹进行了分析，判断所用开片工具为硬质片状工具。另外对其他特殊加工工艺进行探讨，讨论了两种浅浮雕工艺的差异，以及实心钻定位技术在掏膛工艺中的应用。上述结果说明古代玉器制作工艺的选择受玉料矿物属性和玉器器型功能的影响，并结合已有研究结果，探讨了春秋末年中原地区治玉过程中玉料的来源、墓主生活年代及片切割工具的变革等问题。


2021 Vol. 41 (04): 1306-1313                              [摘要]                              (54 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4538 KB)                                                                                           (                                28                               )

 

1314不同种类岩石的太赫兹光谱特征研究                                                            

苗昕扬1,2,3，刘学聪1,3，陈梦溪3，陈思同3，张善哲1，路婉婷3，彭 雪3，詹洪磊2,3，朱明达1，赵 昆1,2,3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1314-06
准确认识不同种类的岩石特征对地质构造、结构与年代的判断至关重要。常规光学显微手段虽然可以对岩石的颜色与表面形貌进行直接观测，但是对岩石种类的判断往往凭靠经验，一些颜色相近的矿物容易混淆，所得结果并不准确。光谱方法能够在不同频段给出样品的多个光学参数信息，通过建立光学参数与样品自身物性的联系，可以从多个维度确定样品的性质，从而有望实现对不同矿物成分与含量定性、定量评价。太赫兹光谱具备一定的穿透能力，能够透过一定厚度的岩石，是研究岩石物理性质的合理手段。基于太赫兹光谱技术，对取自不同地区的花岗岩、灰岩、砂岩和油页岩样品进行测试，分别计算得到每个样品的等效折射率n、衰减系数a，并以a为横坐标、n为纵坐标作图，结果表明，相同岩性岩石的n与a基本呈线性相关关系，而对于不同类型的岩石，其n随a的线性变化趋势存在明显区别。进而研究了岩石中的组成、结构等信息与其太赫兹光谱响应的联系，分析了不同岩性岩石的光谱响应机制，结果表明：花岗岩与灰岩的结构较为致密，其矿物组成是影响太赫兹光谱响应的主要因素，利用太赫兹参数能够估算岩石中铁、镁元素的相对含量；砂岩的成分较为单一，太赫兹光谱响应受孔隙度的影响；而对于油页岩来说，由于有机质具有强吸收、低折射率的特点，其有机质含量越高，折射率越低，对太赫兹吸收越强。结果表明，太赫兹光谱技术有望成为岩石物理性质现有研究手段的合理补充，为其评价、分析提供新技术、新指标，有着极其光明的应用前景。


2021 Vol. 41 (04): 1314-1319                              [摘要]                              (72 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3785 KB)                                                                                           (                                39                               )

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              2021 Vol. 41 (04): 1320-1328                              [摘要]                              (72 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3981 KB)                                                                                           (                                88                               )

 1320基于高光谱的工夫红茶发酵品质程度判别方法                                                            

杨崇山1, 2，董春旺2*，江用文2，安 霆1, 2，赵 岩1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1320-09
发酵作为影响红茶品质形成的重要流程，发酵品质程度的判断主要基于人工经验，难以实现准确客观的评价。该研究主要针对于工夫红茶发酵工序，以不同发酵时序下的样品为对象，利用高光谱检测技术并结合化学计量学方法，对制备的不同发酵程度的样本进行无损检测和智能判别。首先利用高光谱成像仪（400～1 000 nm）采集工夫红茶发酵样品的高光谱数据，并根据气温、茶叶嫩度、萎凋情况、揉捻过程、发酵叶颜色及香气等现场生产信息，将6个不同发酵时序下的样本，根据发酵程度依次划分为3类（轻度发酵、适度发酵、过度发酵）。为了降低采集高光谱信息时因培养皿中发酵叶的不平整而产生的散射现象对光谱数据的影响，选取标准正态变量变换算法（standard normal variate，SNV）与多元散射校正算法（multiplicative scatter correction，MSC）对全波段光谱进行预处理，将预处理后的光谱数据进行主成分分析（principal components analysis，PCA），分别得到前3个主成分的三维载荷图，根据样本在图中的空间分布特征，因而选择效果较好的SNV预处理方法。以全波段光谱最优主成分作为模型输入量，建立邻近算法(K-nearest neighbor，KNN)、随机森林（random forests，RF）、极限学习机（extreme learning machine, ELM）判别模型，识别率分别为63.89%，94.44%和86.11%，结果表明，非线性模型（RF、ELM）识别率较高，其中RF模型性能优于ELM模型。为比较基于全波段与特征波长建立的工夫红茶发酵品质程度模型判别效果，采用连续投影算法（successive projections algorithm，SPA）提取31个特征波长进行PCA降维处理，以特征波长最优主成分作为模型输入量，构建SPA-KNN，SPA-RF和SPA-ELM判别模型，识别率分别为83.33%，91.67%和91.67%。通过SPA对变量筛选后，SPA-KNN和SPA-ELM模型性能明显提高，SPA-RF模型识别准确度略有下降。与特征波长建立的模型相比，全波段建立的RF模型性能最佳，对工夫红茶轻度发酵、适度发酵、过度发酵的判别率分别达到了100%，83.33%和83.33%。研究结果为推进红茶智能化、数字化加工的实现，提供了理论基础和科学依据。



     论文
 

997铝离子对辅酶NADH分子荧光增强和构象变化的影响                                                            

张梦婕，曹思敏，王梦雨，李昊阳，李 栋，赵泽楠，徐建华*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-0997-07
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)是生物体内重要的辅酶分子，在细胞能量代谢中发挥着关键作用。金属离子可以影响NADH所参与的酶促反应，其中铝离子（Al3+）对神经系统具有毒性，可以引发神经退行性疾病。因此，Al3+和NADH分子间相互作用的研究有助于了解Al3+对生物体内TCA循环和酶促反应的影响，具有重要的生物学意义。本文采用紫外-可见吸收和稳态荧光光谱，结合时间相关单光子计数技术(TCSPC)，研究了Al3+对水溶液中NADH的本征荧光光谱和分子构象变化的影响。紫外-可见吸收光谱显示，NADH与Al3+的结合不会改变NADH分子腺嘌呤和烟酰胺两个本征发色团的吸收特性。为避免NADH分子内两个本征发色团之间的荧光共振能量转移效应的影响，采用340 nm作为激发波长，比较了NADH与Al3+作用前后的荧光特性。实验结果证实，Al3+可以与NADH焦磷酸盐桥上的两个氧原子相结合，使NADH分子的结构变得相对更加刚性，从而抑制NADH分子在溶液中的转动等非辐射过程，导致NADH分子平均荧光寿命增加，最终引起NADH分子荧光强度随Al3+浓度的增加而线性增强。进一步，采用NADH本征荧光寿命振幅比的研究方法表征了NADH分子在溶液中的两种主要构象形式：腺嘌呤和烟酰胺相互堆积的折叠构象以及腺嘌呤和烟酰胺相互分离的展开构象。研究发现，Al3+会打破溶液中NADH分子展开构象和折叠构象的平衡状态，促使辅酶NADH分子的展开构象转变为折叠构象，最终达到新的动态平衡，并且当NADH和Al3+以不大于1∶2的浓度比结合时，NADH分子两种构象的振幅比与铝离子浓度的对数间存在线性关系，在Al3+浓度检测等领域具有良好的应用前景。


2021 Vol. 41 (04): 997-1003                              [摘要]                              (103 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2778 KB)                                                                                           (                                116                               )

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