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《光谱学与光谱分析》2021年, 第41卷，第05期
发布时间:2021-11-18]  阅读次数：5232次
 

1336多光谱真温快速反演方法                                                            

孙博君，孙晓刚*，戴景民


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1336-07
材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍，它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度，人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。基于这样的背景，Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论，如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等。2005年，孙晓刚提出了二次测量法，二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种，其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题，并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度，但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解，这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。提出了新的多光谱真温快速反演方法，理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组，在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤，这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模，从而节省大量计算时间和软件资源。首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验，实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比，结果表明，对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下，真温快速反演方法不仅保证了反演精度，而且相比于二次测量法减少了29%～64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。进行了0.574～0.914波段的实测对比实验，实验结果表明对于相同条件下，真温快速反演方法在保证精度的前提下，相比于二次测量法减少了42%～48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。实验证明真温快速反演方法可行，对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。


2021 Vol. 41 (05): 1336-1342                              [摘要]                              (52 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1928 KB)                                                                                           (                                76                               )

 

1343光谱技术在水产品品质检测中的应用研究进展                                                            

李鑫星1，郭 渭1，白雪冰1，杨铭松2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1343-07
随着我国水产养殖业以及水产加工业的快速发展，水产品在国民饮食结构中占比越来越大，消费者对于水产品的质量要求也越来越高。为了满足消费者对水产品的质量要求，企业和市场需要在供应链的各个环节对水产品进行检验并公之于众。因此，迫切需要开发一种能够满足对水产品进行快速无损检测的技术。光谱技术可以根据样品特征波长处的波谱特性推算出其物质性质与组分含量，在水产品新鲜度检测、有害物残留检测、有害微生物含量检测、质量分级、掺假分析等方面具有巨大的应用前景。对水产品品质检测中几种常用的光谱技术的优势和局限性等特点进行讨论和总结，认为光谱检测技术与实验室传统理化检测方法相比具有快速、无损、测试重现度好，精度高等优点，这些特点使得在线实时检测水产品质量成为可能，继而可以带来巨大经济效益。但光谱检测具有前期投入高，模型普适性差且需持续维护的缺点，每种光谱技术也分别有各自的适用范围及局限性，因此光谱技术在水产品品质检测中的应用有待进一步研究改进。此外，整理了国内外现有的相关研究文献，对检测过程中常用的光谱数据预处理算法和预测模型进行讨论和评述，重点阐述了水产品品质检测中的几种常用光谱预处理算法和光谱数据建模方法的特点和应用现状。目前光谱技术在水产品品质检测中的应用主要处于实验室研究阶段，尚未大规模应用于商品市场和消费市场，根据上述分析展望了光谱技术在水产品品质检测中应用的发展方向，认为建立统一、标准、高效的光谱检测模型库，结合多个指标进行相关性分析，并排除光谱采集过程中的环境干扰，实现水产品品质实时在线检测是未来的技术发展趋势。


2021 Vol. 41 (05): 1343-1349                              [摘要]                              (77 )                                                                                           RICH HTML    PDF (917 KB)                                                                                           (                                91                               )

 

1350不同产地艾叶35种矿物元素的分析与评价                                                            

李 超1，崔占虎2，黄显章1*，张重义2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1350-05
矿物元素的种类和含量是中药材质量评价的重要指标，与中药材的生长发育、药用物质的形成以及临床疗效的发挥密切相关。中药材矿物元素的分布因产地间气候、土壤、水文等生态因子不同而凸显的质量特征和作用规律是值得探索的问题。以4个省份5个主产区的75份艾叶样品为实验材料，利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）法测定Ca，K，Mg，Na，Fe，Sn，Be，As，Al，V，Sc，Cr，Mn，Co，Bi，Ga，Ni，La，Mo，Ag，Hg，Cu，Nb，Zn，Ge，Se，Tl，Cd，Sb，Ba，Y，Ti，Pb，Zr和Sr等元素的含量，并采用方差分析、主成分分析、因子分析等计量学方法进行统计与评价。结果表明：（1）所建立的分析方法线性关系良好，加标回收率高，具有较高的准确度和精密度。（2）35种矿物元素中有33种矿物元素的含量在不同产地间存在显著差异（p＜0.05）。（3）以35种矿物元素的含量为变量，共提取7个主成分，累计方差贡献率达82.75%，主成分得分图显示不同产地艾叶样品的分布相对集中，具备分类和评价的条件。（4）选择前7个因子对艾叶进行综合评价，评价函数为F=0.449 1F1＋0.118 0F2＋0.097 2F3＋0.055 5F4＋0.042 5F5+0.034 5F6+0.030 7F7，通过计算总因子得分值F可知，河北安国的祁艾与湖北蕲春的蕲艾排在前列，表明从矿物元素角度考虑，以上2个产地的艾叶品质较好。研究建立了不同产地艾叶中矿物元素的准确高效分析方法及评价体系，为艾叶的质量控制及标准建立提供科学依据，也为其他药材的等同性研究提有益参考。


2021 Vol. 41 (05): 1350-1354                              [摘要]                              (61 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1110 KB)                                                                                           (                                49                               )

 

1355基于X射线谱学和操作链分析的煤山遗址出土陶器综合研究                                                            

臧雅帆，王 涛*，袁广阔


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1355-05
采用能量色散X射线荧光光谱（ED-XRF）技术结合考古学常用的陶器操作链研究模式, 对河南汝州煤山遗址出土的陶器遗存开展制作工艺和文化传承关系的综合研究。煤山遗址位于河南省汝州市（原为临汝县）北刘庄村，是研究中原地区新石器时代向文明国家转变的代表性遗址，出土了龙山时代的王湾三期文化（BC2300—BC1900）和具备早期国家形态的二里头文化（BC1750—BC1500）两个重要阶段大量具有典型考古学文化特点的陶器遗存，可以据此较为深入理解距今4000年前后社会复杂化进程和国家起源等重大问题。因此，对该遗址出土陶器的多学科综合研究具有极高的学术价值和文化意义。对煤山遗址出土具有不同文化类型的陶器样本进行化学组成与物理性能分析，将分析结果与陶器操作链分析相结合，进行比对分析。针对煤山遗址陶器遗存，谱学分析结果显示，不同时期考古学文化在制陶原料的选择上差异不大，具有同源性，暗示虽然文化类型不同，但其对粘土的认识和选择具有高度一致性。陶器操作链分析结果显示，虽然新石器时代的王湾三期文化年代较早，但其陶器制作工艺却较晚期的二里头文化更先进，体现了中原地区文化演进过程中既连续又摇摆的发展特点。陶器操作链分析可以反映文化内容的特征性和继承性，在使用谱学分析排除了原料与烧制影响后，对其所提取的信息具有更强的说服力和可比性。综合研究表明，将谱学分析和陶器操作链分析相结合，开展多学科对比和综合研究，可以更好的排除干扰，获取更为扎实且客观的认识，并为考古学文化演进研究提供重要的科学依据。


2021 Vol. 41 (05): 1355-1359                              [摘要]                              (58 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1158 KB)                                                                                           (                                40                               )

 

1360基于荧光光谱技术研究增效肥料对土壤富里酸荧光特性的影响                                                            

胡 钰1，魏 丹1，2*，李 艳1，王 伟3，白 杨1，金 梁2，蔡姗姗4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1360-07
为探讨施用增效肥料后对土壤富里酸(FA)荧光特性及腐殖化程度的影响，在黑龙江省黑河市嫩江县和爱辉区两个试验区采取相同施肥处理，设置5个处理组：平衡施肥(NE)、平衡施肥减量25%(CK) 、平衡施肥减量25%+纳米碳增效剂(T1)、平衡施肥减量25%+沸石增效剂(T2)、平衡施肥减量25%+生物炭增效剂(T3)，分析土壤中FA荧光光谱特性的变化情况。三维荧光区域积分（FRI）方法不同肥料处理区域Fmax相对含量的变化表明，施用增效肥料可以提高土壤腐殖化程度，其中T2＞T1＞T3＞NE＞CK，沸石增效处理对于提高土壤腐殖化程度、提高土壤的供肥水平表现最为显著，其在嫩江试验区的可见荧光FA区域Ⅴ与紫外荧光FA区域Ⅲ所对应的物质相对含量的比值（PⅤ，n/PⅢ，n）较CK处理提高了5.81%，根据平行因子分析方法将土壤FA分为C1组分和C2组分，其中C2组分与C1组分Fmax的比值（C2/C1）较CK处理提高了22.09%；在爱辉试验区的PⅤ，n/PⅢ，n较CK处理提高了4.65%，C2/C1较CK处理提高了20.93%；根据平行因子分析（PARAFAC）结果，各处理土壤FA可分为C1和C2两个组分，C1组分为类富里酸(Ex/Em=230 nm, 320/410 nm)，C2组分为类胡敏酸(Ex/Em=265/465 nm)，施用三种增效肥料均可以提高土壤的供肥能力，其中NE＞T2＞T1＞T3＞CK。与CK处理相比，T1，T2和T3三个增效处理中，T2增效处理的提升作用最为明显，采用沸石作为肥料增效剂对于土壤FA的积极作用要优于纳米碳和生物炭，因此长期施用沸石增效肥料可有效提高土壤供肥能力，能够改善土壤生态环境。


2021 Vol. 41 (05): 1360-1366                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5779 KB)                                                                                           (                                49                               )

 

1367基于同步荧光光谱的鸡肉中甲磺酸达氟沙星和氧氟沙星残留快速检测方法研究                                                            

陈 健1，黄俊仕1, 2，刘木华1, 2，袁海超1, 2，黄双根1, 2，赵进辉1, 2*，徐 宁1，王 婷1，胡 围1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1367-06
采用同步荧光技术结合化学计量学方法实现了鸡肉中甲磺酸达氟沙星（DFM）和氧氟沙星（OFL）残留的快速检测。首先，分析了DFM标准溶液、OFL标准溶液、空白鸡肉提取液和含DFM和OFL的鸡肉提取液的同步荧光光谱，确定了鸡肉中DFM和OFL残留的检测波长差（Δλ）分别为130和200 nm，荧光激发峰分别为288和325 nm。其次，采用单因素试验考察了氢氧化钠溶液浓度和表面活性剂种类对荧光强度的影响，确定了鸡肉中DFM和OFL残留的最佳检测条件为：氢氧化钠溶液浓度0.1 mol·L-1和SDS溶液浓度0.1 mol·L-1。最后，利用线性回归和偏最小二乘回归（PLSR）及多元线性回归（MLR）算法分别建立了鸡肉中DFM和OFL残留的预测模型。试验结果表明，与基于线性回归和MLR的DFM残留预测模型相比，基于PLSR的DFM残留预测模型的综合评价更好，其预测集决定系数（R2P）为0.978 3，预测集均方根误差（RMSEP）为1.934 2 mg·kg-1，相对预测误差（RPD）为5.876 5。与基于线性回归和PLSR的OFL残留预测模型相比，基于MLR的OFL残留预测模型的综合评价更好，其R2P为0.895 0，RMSEP为3.859 8 mg·kg-1，RPD为2.509 1。该方法操作简单、耗时短，可用于鸡肉中DFM和OFL残留的快速检测。


2021 Vol. 41 (05): 1367-1372                              [摘要]                              (43 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2432 KB)                                                                                           (                                30                               )

 

1373基于LT-GaAs外延片的THz片上系统                                                            

吴 蕊，苏 波*，赵亚平，何敬锁，张盛博，张存林


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1373-06
太赫兹（THz）波在物质检测方面发挥着巨大的作用，是一种非常有潜力的生化传感工具。但是传统的太赫兹时域光谱系统（TDS）结构复杂，系统的集成度低，占用空间较大。所以，如何对THz波进行有效引导、实现集成化传输并得到高质量光谱就成为太赫兹光谱系统的研究热点。太赫兹片上系统是将THz的产生、传输以及探测都集成到同一芯片上，然后通过相干探测的方法获得THz时域光谱。它可以实现对多种样品的检测，尤其在对难于取样的微量样品探测方面具有广泛的应用价值。它无需光路准直，操作简便，成品率高。两个研究工作都是基于低温砷化镓(LT-GaAs)外延片开展的。首先将一根直径为200 μm的铜线固定在LT-GaAs外延片的上方，通过真空蒸镀的方法制备出天线电极，同时得到天线间隙，研制出基于LT-GaAs外延片的THz天线。利用波长为800 nm的飞秒激光对其进行测试，得到了质量较高的THz信号，验证了天线的实用性。然后在另一外延片上利用光刻微加工工艺制作出传输线和微电极，得到了集成的THz片上系统。使用波长为1 550 nm的飞秒激光分别激发片上系统的太赫兹产生天线和探测天线，天线产生的太赫兹波在传输线上传播，在探测端同样得到了质量较高的THz时域信号，证实了THz片上系统的可行性。该方法省去了腐蚀牺牲层以及LT-GaAs薄膜的转移、键合等步骤，极大地提高了片上系统的成品率，避免了薄膜转移过程中易破碎及腐蚀液存在毒性的问题。最后，研究了外加电压对从片上系统中获得的THz波性能的影响，结果为电压越高，THz波的信号强度越强；另外，通过在传输线上方垂直放置铜箔的方法验证了THz波沿着传输线传播的事实。该研究中采用的基于LT-GaAs外延片的片上系统的制备方法简单，制作周期短，制作过程安全，应用领域广泛，这为将来与微流控芯片相结合实现对液体样品的探测打下了基础。


2021 Vol. 41 (05): 1373-1378                              [摘要]                              (50 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2867 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1379太赫兹波谱技术在食品掺假检测中的研究进展                                                            

张仲雄1, 2, 3，张东莉4，田世杰1, 2, 3，方世言1, 2, 3，赵艳茹1, 2, 3*，赵 娟1, 2, 3，胡 瑾1, 2, 3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1379-08
近年来食品掺假事件频繁发生，对食品安全领域产生巨大挑战，食品掺假问题已成为人们关注的焦点和讨论的热点，因此实现食品掺假的快速、准确以及无损检测对保障食品质量和安全具有重要意义。随着新食品原料、新添加剂以及新型食品加工技术不断涌现，使得食品掺假问题呈现技术化、隐形化、多样化等特征，食品中掺假对象的鉴别技术面临更严峻的挑战。目前一些现代检测技术可针对食品掺假问题进行有效检测，如高效液相色谱法、稳定碳同位素比值法等，然而由于需对样品进行复杂预处理、检测仪器操作技术要求较高等原因，使其针对现有的食品掺假检测存在一定的局限性，因此寻求一种新型的、灵敏度高的以及具有指纹特性的无损检测技术进行现有食品掺假检测成为关键。太赫兹（Terahertz，THz）波谱是指频率在0.1~10 THz之间的电磁波，具有微波和红外双重特性，其中包括指纹特性、相干性、安全性等。由于物质中大部分有机大分子之间弱相互作用、骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁频率与太赫兹波谱相对应，使得太赫兹技术在食品掺假检测应用领域蕴含着巨大的潜力。首先阐述了太赫兹波谱技术用于物质检测的原理；重点综述了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的最新研究进展，具体以转基因食品鉴别、食品原产地鉴别、乳制品掺假检测、蜂蜜掺假检测及其他食品掺假检测进行综述；其次分析了目前太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面所存在的问题，如水分吸收、散射效应等影响；最后展望了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的应用前景，如开发低成本的太赫兹源和探测器以促进太赫兹技术普及应用、将机器学习算法用于太赫兹波谱建模分析以提高模型精度和分析速度、与其他现代检测技术结合使用以实现检测技术间优势互补等；以期为开展太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面研究提供参考和指导。


2021 Vol. 41 (05): 1379-1386                              [摘要]                              (66 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1456 KB)                                                                                           (                                34                               )

 

1387基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究                                                            

刘翠玲1，杨雨菲1*，田 芳2，吴静珠1，孙晓荣1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1387-06
针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题，提出一种基于衰减全反射（ATR）式太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术的食用油过氧化值定量分析方法。首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图，筛选有效信号波段并提取得到光学常数，经预处理算法校正后的光学常数，结合多种化学计量学方法建立定量分析模型，实现快速、无损预测食用油的过氧化值。70个实验样本包括大豆油、菜籽油和玉米，过氧化值覆盖范围0.41~10.23 mmol·kg-1，且样本的过氧化值均匀分布。采用TeraView公司生产配有ATR检测模块的TeraPulse 4000太赫兹脉冲光谱系统采集样本THz-TDS信号，根据THz-TDS谱图信号特征筛选有效波段10~86.78 cm-1用于建模分析。通过快速傅里叶变换得到频域信号并从中提取光学常数：折射率和吸收系数，采用Savitzky-Golay7点卷积平滑分别对折射率和吸收系数进行预处理，去除干扰信号。运用SPXY算法按照3∶1比例划分校正集和预测集样本，结合主成分回归法、偏最小二乘法两种化学计量学分析方法，分别建立基于折射率和基于吸收系数的过氧化值分析模型。对模型评价指标均方根误差和相关系数进行分析，基于折射率的过氧化值分析模型采用偏最小二乘算法建模预测精度最理想，选取最优主成分数为6时，其校正集均方根误差RMSEC为0.168%、决定系数R2为0.981，预测集均方根误差RMSEP为0.231%、决定系数r2为0.977；基于吸收系数的过氧化值分析模型则采用主成分回归算法建模预测模型稳健度最好，选取最优主成分数为10时，其校正均方根误差RMSEC为0.192%、校正集决定系数R2为0.979，预测均方根误差RMSEP为0.262%、预测集决定系数r2为0.97。该研究结果的得出，验证了THz-TDS技术用于食用油过氧化值定量分析的可行性，为食用油的品质评价找到一种高精度、性能稳定、快速无损的检测方法。


2021 Vol. 41 (05): 1387-1392                              [摘要]                              (53 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3237 KB)                                                                                           (                                41                               )

 

1393太赫兹光谱结合特征谱区筛选算法在发动机润滑油含水量定量分析中应用研究                                                            

陈孟秋1，何明霞1*，李 萌2，曲秋红2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1393-05
发动机润滑油是保障汽车发动机持久且稳定运转的基石，准确评定发动机润滑油各项性能指标是其在生产到使用全过程必不可少的步骤。发动机润滑油在一段时间的使用后会因为多种原因引起油品变质，发动机润滑油变质的指标可以用其中非磁性颗粒物浓度、金属屑含量、pH值、粘稠度、含水率等表述。关于发动机润滑油含水量的检测，传统的检测方法存在操作复杂，及时性差等缺点。太赫兹对水吸收强烈，适合用于对样品中微水含量的分析。通过透射式太赫兹时域光谱系统获得1.0～3.5 THz下的六种不同水含量的发动机润滑油的吸收系数谱线，对谱线进行Savitzky-Golay（SG）平滑去噪，剔除奇异样本后，采用Kennard-Stone算法划分样品集，尝试常规区间偏最小二乘法（iPLS）、向后区间偏最小二乘法（BiPLS）和联合区间偏最小二乘法（SiPLS）对其太赫兹时域光谱特征谱区间进行筛选，着重研究区间间隔数、PLS组件数、最佳主因子数和区间选择等因素对PLS模型属性的影响，并且对不同含水量的润滑油建模分析，对不同模型比较选优，建立最优定量分析模型。建模结果表示特征谱区筛选可以提高建模性能、降低模型复杂性，特征谱区筛选算法通过剔除发动机润滑油太赫兹吸收系数谱线中非线性或者无关变量的方式，使建模结果更好的表达吸收系数谱线与其含水量的关系。结果表明：采用BiPLS模型用于发电机润滑油中微量水含量的定量分析时建模效果最佳，模型区间数为26，入选区间为[18 10 4 3 8 12 5 11 24 13 16 21 2]，主因子数为10，最优模型的交互验证均方根误差RMSECV为0.003 5，预测均方根误差RMSEP为0.004 6，校正集相关系数r为0.919 3，预测集相关系数r为0.865 7。由此可见，可以采用反向区间偏最小二乘法（BiPLS）用于发动机润滑油水含量的测定，且实验过程简单，建模计算速度快，效果理想，可以适用于非接触式油品含水量的定量分析。


2021 Vol. 41 (05): 1393-1397                              [摘要]                              (50 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1930 KB)                                                                                           (                                47                               )

 

1398Ar/CH4等离子体射流发射光谱诊断研究                                                            

李政楷1，陈 雷1*，杨 聪1，宋 鹏2, 3，曾 文1，刘爱虢1，庞钧译1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1398-06
为了更加深入的研究大气压条件下Ar/CH4等离子体射流的放电机理和其内部电子的状态，通过自主设计的针-环式介质阻挡放电结构，在放电频率10 kHz、一个大气压条件下产生了稳定的Ar/CH4等离子体射流，并利用发射光谱法对其进行了诊断研究。对大气条件下Ar/CH4等离子体射流的放电现象及内部活性粒子种类进行诊断分析，重点研究了不同氩气甲烷体积流量比、不同峰值电压对大气压Ar/CH4等离子体射流电子激发温度、电子密度以及CH基团活性粒子浓度的影响规律。结果表明，大气压条件下Ar/CH4等离子体射流呈淡蓝色，在射流边缘可观察到丝状毛刺并伴有刺耳的电离声同时发现射流尖端的形态波动较大；通过发射光谱可以发现Ar/CH4等离子体射流中的主要活性粒子为CH基团，C，CⅡ，CⅢ，CⅣ，ArⅠ和ArⅡ，其中含碳粒子的谱线主要集中在400~600 nm之间，ArⅠ和ArⅡ的谱线分布在680~800 nm之间；可以发现CH基团的浓度随峰值电压的增大而增大，但CH基团浓度随Ar/CH4体积流量比的增大而减小，同时Ar/CH4等离子体射流中C原子的浓度随之增加，这表明氩气甲烷体积流量比的增大加速了Ar/CH4等离子体射流中C—H的断裂，因此可以发现增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可明显的加快甲烷分子的脱氢效率，但增大氩气甲烷体积流量比的脱氢效果更加明显。通过多谱线斜率法选取4条ArⅠ谱线计算了不同工况下的电子激发温度，求得大气压Ar/CH4等离子体射流的电子激发温度在6 000~12 000 K之间，且随峰值电压与氩气甲烷体积流量比的增大均呈现上升的趋势；依据Stark展宽机理对Ar/CH4等离子体射流的电子密度进行了计算，电子密度的数量级可达1017 cm-3，且增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的探索对大气压等离子体射流的研讨具有重大意义。


2021 Vol. 41 (05): 1398-1403                              [摘要]                              (43 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3100 KB)                                                                                           (                                21                               )

 

1404海南制浆树种中主要成分的近红外分析与模型优化                                                            

吴 珽1, 2, 3，梁 龙1, 3，朱 华3，邓拥军1, 3，房桂干1, 3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1404-06
为提高制浆树种的利用效率，缓解国内制浆造纸原料短缺的现状，降低行业污染与总体成本，尝试将近红外光谱技术用于海南省制浆树种的成分含量分析，以期根据实时所得成分含量相应调整工艺参数。用结构简单、易改装的全息光栅分光近红外光谱仪采集了海南省常见的适龄制浆树种（尾细桉、尾巨桉、尾叶桉、马占相思和粗果相思）共205个样本的近红外光谱，按传统实验室方法分析其主要成分——综纤维素和木质素的含量。选择合适的预处理方法与偏最小二乘法结合，建立了两种分析模型，并通过遗传算法剔除不相关的变量，筛选出特征波段，明确综纤维素和木质素的特征吸收，优化了模型。其中综纤维素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、矢量归一化和一阶导数预处理原始光谱，1 150.3～2 362.0 nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 188～1 196 nm之间CH3中C—H伸缩振动的二级倍频吸收，1 742～1 633 nm区间内O—H伸缩振动的一级倍频，2 112 nm附近O—H变形振动、O—H伸缩振动的合频等纤维素的特征吸收；也包含了1 470～1 495 nm之间O—H伸缩振动的一级倍频，1 906和1 911 nm附近C═O伸缩振动的二级倍频等聚戊糖的特征吸收。模型RMSEP值为0.55%，绝对偏差范围为-0.91%～0.87%。木质素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、多元信号校正和二阶导数预处理原始光谱，1 137.6～1 872.5和2 131.0～2 424.1 nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 143 nm附近苯环C—H伸缩振动的二级倍频吸收和CH3的C—H伸缩振动的二级倍频吸收，1 670～1 684 nm处苯环C—H伸缩振动的一级倍频，2 205 nm附近C—H、C═O伸缩振动的合频等木质素的特征吸收。模型RMSEP值为0.45%，绝对偏差范围为-0.76%～0.79%。两个模型的RPD值分别为4.71和3.47，均能满足制浆树种主要成分在线快速分析测定的工业需求。同时，本研究为制浆树种近红外表征体系的建立提供了理论依据，对近红外技术助力制浆造纸工业由自动化向智能化转变具有较为显著的意义。


2021 Vol. 41 (05): 1404-1409                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2146 KB)                                                                                           (                                35                               )

 

1410ATR-FTIR和UV-Vis结合数据融合策略鉴别滇黄精产地                                                            

张 娇1, 2，王元忠1，杨维泽1，张金渝1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1410-07
黄精药材品质优劣与基原植物产地环境因子密切相关，建立简单、快速且能够准确鉴别药材产地的方法对保证其质量可控及用药安全具有重要的理论意义和应用前景。研究中以云南、四川和广西9个产地的133份滇黄精Polygonatum kingianum coll. et Hemsl根茎为试验材料，采集衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和紫外-可见光光谱（UV-Vis）数据预处理后分别建立单一光谱随机森林（Random forest, RF）模型；将ATR-FTIR与UV-Vis数据直接串联完成低级融合，提取两种光谱的主成分数（PCs）和潜在变量（LVs）以实现中级（中级融合PCs和中级融合LVs）和高级数据融合（高级融合PCs和高级融合LVs），基于不同数据融合策略分别建立RF模型；比较不同模型的正确率（ACC）、灵敏度（SEN）和特异性（SPE），筛选产地鉴别最佳模型。结果显示，不同产地滇黄精ATR-FTIR和UV-Vis峰型相似，吸光度略有差异，ATR-FTIR显示14个共有峰，与糖类、甾体皂苷、黄酮类和生物碱类物质有关，其UV-Vis共有峰主要位于272及327 nm处，与黄酮类物质有关；ATR-FTIR、UV-Vis和低级融合的RF模型，训练集和预测集ACC分别为（76.34%，95.00%），（80.65%，95.00%）和（83.87%，100.00%），但SEN和SPE值较低，故不宜采用；中级融合PCs和中级融合LVs的RF模型的SEN和SPE分别为大于0.91和0.98，训练集ACC分别为91.40%和97.85%，预测集ACC均为97.50%；高级融合PCs和高级融合LVs的RF训练集ACC分别为77.42%和97.85%，预测集ACC均为95.00%，高级融合PCs的RF模型鉴别效果较差，高级融合LVs的RF模型存在过拟合现象；模型鉴别能力为中级融合LVs＞中级融合PCs＞低级融合＞ UV-Vis＞ATR-FTIR＞高级融合PCs；提取LVs对产地鉴别的方法优于PCs；中级融合LVs建立的RF模型鉴别ACC最高，SEN和SPE大于0.98，模型性能最佳。该方法可为黄精药用资源的科学评价提供理论依据和技术支撑。


2021 Vol. 41 (05): 1410-1416                              [摘要]                              (45 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3645 KB)                                                                                           (                                37                               )

 

1417茶粉均质性的红外光谱相似度评价研究                                                            

伍贤学1, 2，李 明2，李亮星2，邓秀娟1，马宪英3，李亚莉1，周红杰1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1417-07
非均质固态样品的充分均质化前处理是取得可靠分析结果的前提，这对于单次测试取样量约1 mg的红外光谱（KBr）分析而言尤为重要。通过对不同茶类、粒径茶粉的多角度红外光谱相似度评价，揭示茶粉粒径与均质化程度的关系并用于指导茶叶的均质化粉碎，确保采集的红外光谱能准确反映茶粉的化学组成信息。选取普洱生茶（Raw-PE）、普洱熟茶（Riped-PE）、滇红茶（YNBT）三类茶制成的A，B，C和D四种不同粒径茶样，以透射法（KBr）及衰减全反射法（ATR）分别平行五次采集茶样的红外光谱（FTIR），利用夹角余弦值（r）对所得红外光谱开展相似度评价研究，考察粉碎粒径、光谱采集方式、茶叶类别等因素对r值的影响。不同茶类光谱相似度评价结果显示，基于普洱生茶所得的r值明显高于普洱熟茶和滇红茶，不同粒径滇红茶的r值波动幅度高达18%。不同光谱采集方式评价结果显示，基于ATR谱所得的r值更为集中，而基于KBr谱的结果则更分散。不同粒径茶粉评价结果显示，粒径越小，所得的r值越高，250目以上的茶样对应的r值通常大于0.999。ATR谱具有更好的重现性，而KBr谱则具有更强的差异识别能力，后者更适于组成高度相似的样本间的差异分析。茶粉的均质性不仅与粉碎粒径密切相关，还可能与茶样本身的基质相关，但均可以通过缩小粉碎粒径提高均质性。一般而言，60目以下的粉碎粒径难以满足红外光谱分析方法对茶叶均质性的要求。120目以上的茶粉粒径可让平行KBr谱间r＞0.995，但若基于ATR谱进行分析，最好将茶样粉碎至250目以上。


2021 Vol. 41 (05): 1417-1423                              [摘要]                              (42 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2036 KB)                                                                                           (                                29                               )

 

1424红外光谱的煤精类文物材质判别方法                                                            

郭靖雯1，先怡衡1*，肖 薇1，王永强2，许卫红3，张杨力铮3，杨岐黄3，高占远4*，凌 雪1，温 睿1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1424-06
我国是世界上最早使用煤及煤精的国家之一，但对考古出土煤精文物的研究发现，煤精文物原材料的质地常常偏离宝石学中对有机宝石煤精的定义。在此提出“煤精类文物”的概念，将以往出土文物中如褐煤、烛煤等与煤精文物材质近似但不同的材料归至同一文化概念中。目前对于煤精类文物制品的科学研究仍存在较大空白，其中最为基础的材质种类判别也没有科学的判断方法。以陕西周原贺家墓地、陕西咸阳岩村墓地、新疆吐鲁番胜金店墓地、新疆伊犁吉仁台沟口遗址四个遗址出土的16件煤精制品和原料为研究对象，初步探索漫反射傅里叶变换红外光谱在出土煤精类文物成分分析中的应用。结果表明，不同遗址出土的煤精类文物的红外谱图有较为明显的不同，同一遗址出土的煤精类文物的红外谱图在特征波段具有相似性，不同遗址煤精类文物则差异明显。使用Norris二阶导数法对红外光谱进行处理，提高吸收峰分辨率，为精细研究提供信息，选择特殊红外光谱参数I=A820 cm-1/A2 870 cm-1定量分析不同样品的红外光谱，结合静水称重得到的部分样品的密度信息，对出土的煤精类文物制品材质的煤化程度初步判断。结合红外光谱特征波数的强度进一步通过主成分分析解释煤精类文物的红外光谱信息，来自不同遗址的煤精类文物样品在主成分分析得分图中得到了良好的区分，并且可以与特殊红外光谱参数I判别的初步结论互相对应。验证了以漫反射傅里叶变换红外光谱为主的无损分析方法在煤精类文物材质判别中应用的可行性；若结合不同产地煤精矿样红外光谱，则可以为煤精类文物产地判别提供研究方法。


2021 Vol. 41 (05): 1424-1429                              [摘要]                              (55 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3698 KB)                                                                                           (                                33                               )

 

1430XPS和FTIR分析仿生呼吸法对硅酸盐改性杉木浸渍效果的影响                                                            

李 萍1,2，吴义强1，吕建雄3，袁光明1，左迎峰1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1430-06
杉木进行硅酸盐浸渍改性处理后，木材内部的改性剂相关元素含量与分布是衡量浸渍效果的重要指标，对改性杉木的各项物理力学性能有着至关重要的作用。以硅酸盐为浸渍改性剂，采用仿生呼吸法对杉木进行浸渍改性。研究了仿生呼吸法对硅酸盐改性杉木的密度、抗弯强度、抗压强度、三切面硬度和24 h吸水率影响，利用XPS和FTIR分析了杉木素材与改性材的化学成份与化学结构，并对硅酸盐改性剂在改性杉木中的分布深度与分布规律进行了探讨。结果表明：经过硅酸盐浸渍改性后，改性杉木平均密度大于0.721 g·cm-3，抗弯强度和抗压强度分别增大了170.19%和286.64%。改性杉木横切面、径切面和弦切面的硬度均有不同程度的提高。硅酸盐改性使杉木的24 h吸水率从91.17%±2.51%降至39.23%±1.62%，表明杉木的尺寸稳定性大幅度提高。相比于杉木素材，改性杉木木材的XPS全谱扫描中出现了Na元素和Si元素的吸收峰，窄扫谱图中出现了Si—O—C和Na—O化学结构。同时，改性杉木木材的FTIR谱图中出现了Si—O—Si的吸收峰，并且游离羟基含量减少，缔合羟基增多。XPS和FTIR分析都表明硅酸盐浸注到了杉木木材的孔隙中，且硅酸钠与杉木木材中羟基形成了化学键结合和氢键结合。这也是改性杉木的力学性能和耐水性能提高的重要原因。另外，通过XPS测试发现改性杉木木材沿横向从表面到30 mm处都出现了C，O，Na和Si元素，并且沿横向从表面到30 mm处，Si—O—C结合结构的吸收峰强度基本相同，说明从表面到中间部位，硅酸钠与杉木木材中的羟基都较均匀地形成了化学键。对各元素进行定量分析发现，改性杉木木材中C，O，Na和Si元素的相对含量从表面到中间部位（30 mm）差异较小，进一步表明改性剂能较好浸入杉木木材中间，并且均匀性较好。研究结果将为杉木浸渍改性效果提供数据支撑，并为优化改性工艺与方法、进一步提高改性杉木的物理力学性能提供依据。


2021 Vol. 41 (05): 1430-1435                              [摘要]                              (39 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2905 KB)                                                                                           (                                16                               )

 

1436FTIR被动遥测信噪比优化及在变电站SF6泄漏检测应用                                                            

崔方晓1，赵 跃2，马凤翔2，吴 军1*，王安静1，李大成1，李扬裕1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1436-05
被动FTIR红外遥测技术可应用于气体泄漏检测，气体检测下限与仪器信噪比密切相关。仪器信噪比与测量参数有关，如光谱分辨率、采样频率、积分时间、平均次数等，如何结合实际应用优化参数组合以实现最佳信噪比，目前还缺少系统分析。针对这一问题，从理论上分析了这些参数与信噪比关系，并归类为三个方面：（1）光谱分辨率，引用了Roland Harig给出的结论，当光谱分辨率低于特征峰半高全宽时，信噪比不变，但为了避免背景气体的交叉干扰，分辨率不宜设置过低，需要结合实际应用综合考虑；（2）降低采样频率能够减少计算量，缩小光谱范围，但采样频率和光谱范围与信噪比无关；（3）在积分时间和光谱平均次数方面，同样时间条件下，多次干涉图采集会引入零光程差的采样误差，使得噪声大于理论计算值，因而长积分时间获得信噪比优于多次平均。开展了六氟化硫（SF6）泄漏检测实验，根据SF6特征峰宽度选择4 cm-1分辨率，20 kHz采样频率兼顾了信噪比和检测时间，并利用FTIR巡检系统发现变电站泄漏点，证明了方法的有效性。


2021 Vol. 41 (05): 1436-1440                              [摘要]                              (42 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2111 KB)                                                                                           (                                22                               )

 

1441潜变量机器学习方法在咖啡NIR定量分析中的应用                                                            

陈华舟1,2，许丽莉3，乔涵丽1,2，洪绍勇4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1441-05
采用近红外（NIR）光谱快检技术实现对咖啡蛋白质的定量检测，研究支持向量机（SVM）和极限学习机（ELM）等机器学习方法在建模分析中的实用性。结合潜变量分析技术，建立潜变量SVM（LV-SVM）模型和潜变量ELM（LV-ELM）模型，通过调试潜变量个数和机器学习关键参数的联合优选，实现数据降维和机器学习关键参数的同过程优化。运用定标—验证—测试机制，利用定标集样本建立咖啡蛋白质的NIR分析模型，随参数变动形成三维随动优选结构的建模预测结果，结合验证集样本对模型进行联合优选，然后将优化模型应用于测试集样本进行模型评价。LV-SVM建模优选的验证集预测均方根误差为6.797，对应的测试集预测均方根误差为8.384。LV-ELM建模优选的验证集预测均方根误差为6.118，对应的测试集预测均方根误差为7.837。与常规偏最小二乘（PLS）方法相比较，LV-SVM和LV-ELM方法均取得更好的预测结果，验证了潜变量机器学习方法在近红外定量分析中的应用优势，该方法有望应用于不同类型的咖啡各成分含量检测。


2021 Vol. 41 (05): 1441-1445                              [摘要]                              (57 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2283 KB)                                                                                           (                                37                               )

 

1446具有双共振吸收峰的Au纳米粒子制备及其拉曼表征                                                            

窦心怡，张 灿，张 洁*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1446-06
表面增强拉曼散射(SERS)很大程度的弥补了拉曼散射强度弱的缺点，迅速成为科研工作者们的研究热点，在食品安全、环境污染、毒品以及爆炸物检测等领域应用广泛。纳米技术的发展使得目前对于SERS的研究主要集中于金属纳米颗粒基底的制备，金属纳米粒子的种类、尺寸及形貌对SERS增强和吸收峰峰位均有影响，要获得好的增强效果，需要对金属纳米结构进行工艺优化。特别是，需要结合金属纳米粒子的结构和激励光波长，以期获得更好的增强效果。为了研究SERS增强和吸收峰之间的关系，开展了具有双共振吸收峰的金属纳米粒子的研究。首先利用FDTD Solutions仿真建模，主要针对金纳米颗粒直径、金纳米棒长径比及分布状态对共振吸收峰进行仿真，得到金纳米球理论直径在50 nm左右，金纳米棒理论长径比在3.5~4.5左右时，吸收峰分别分布在532及785 nm附近，符合多波段激励光拉曼增强条件；对于激励光偏振方向，其沿金纳米棒长轴方向偏振时吸收峰位于785 nm附近，沿金纳米球短轴方向偏振时吸收峰位于532 nm附近。然后采用种子生长法，制备了可用于多种波长激励光的双吸收峰表面增强拉曼散射基底。通过改变硝酸银用量(5，10，20，30和40 μL)、盐酸用量(0.1和0.2 mL)以及其生长时间(15，17，21和23 h)等多种工艺参数来控制金纳米棒含量，得到了同时含有金纳米球及金纳米棒的双吸收共振峰金纳米粒子。最后用该样品作为基底，罗丹明6G(R6G)作为探针分子，分别测试其在532，633和785 nm激励光入射时的SERS表征，对分析物R6G最低检测浓度均达到了10-7 mol·L-1，增强因子达到了~105，满足了多波段SERS检测的需要。


2021 Vol. 41 (05): 1446-1451                              [摘要]                              (48 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4526 KB)                                                                                           (                                28                               )

 

1452基于自适应粒子群算法的多峰谱线分离方法研究                                                            

廉小亲1, 2，刘 钰1, 2，陈彦铭1, 2，黄 静1, 2，龚永罡1, 2，霍亮生1, 2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1452-06
电感耦合等离子体原子发射光谱分析法（ICP-AES）已成为一种常规的元素分析方法，但在ICP-AES分析过程中，大多元素的分析谱线会受到背景或其他谱线的重叠干扰，形成的光谱干扰严重影响了谱线分析的准确性，所以在元素的分析过程中，需要通过适当的光谱干扰校正方法才能得到合适的元素分析线。根据光谱强度具有叠加性的特征，利用谱图将谱线形状表示为Voigt线型函数加和的多峰谱线叠加模型，以多峰谱线叠加模型与目标谱线的均方根误差构建多元函数作为评价函数的数学模型，设计自适应粒子群优化（APSO）算法寻找分离谱线特征参数的最优解，APSO算法在标准PSO算法的基础上，引入压缩因子同时使得种群参数惯性权重根据粒子个体适应度值自适应变化以及学习因子线性变化，在算法迭代过程中协调粒子种群内全局搜索能力和局部开发能力，保证算法有效且迅速收敛，实现多峰谱线分离，减少干扰谱线的影响从而得到更精准的元素分析线。以ICP-AES检测器返回的含Pr元素溶液特征波长为390.844 nm和汞灯特征波长为313.183 nm两条谱线的光强AD采样值作为两组实测数据，以两个Voigt线型近似函数构成的三种不同重叠程度的叠加合成曲线作为三组模拟数据，在数据曲线上分别选取50个能够包含曲线全部特征参数信息的点作为数据点，通过对上述五组目标数据点进行APSO算法处理，结果表明APSO算法得到的多峰谱线叠加模型相关参数能够较准确地拟合出相应的目标数据曲线，目标数据点与拟合曲线函数值相对误差较低，算法表明能够有效扣除谱线重叠干扰，同组目标数据经过多次算法处理，选择最小的最优适应度值相应的特征参数向量作为Voigt线型函数相关参数，以此拟合出的多峰谱线叠加模型曲线精准度越高、相对误差越小。这种算法具有良好的收敛性和适应性，可应用于ICP-AES在元素定性、定量方面的分析研究。


2021 Vol. 41 (05): 1452-1457                              [摘要]                              (39 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2500 KB)                                                                                           (                                33                               )

 

1458基于XPS对硫铁矿去除SeO2-3的机理研究                                                            

刘宏芳，王 瑞，连夏雨，霍丽娟，马 骏


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1458-05
硒是动植物及人体生长必需的十五种微量元素之一，具有清除体内自由基、抗氧化、增强免疫力等功能，但其安全剂量的范围却很窄。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对湿法球磨制备的硫铁矿形貌进行了表征。SEM观测发现加乙醇助磨后的硫铁矿为粒径大小较均匀的球形颗粒团聚体，粒径范围在17～200 nm之间，平均粒径138 nm。XRD衍射图谱中的特征峰与FeS2衍射图谱中各峰位置基本一致，因此判定硫铁矿中主要化学组分为FeS2，且图谱中基本没有杂峰，表明制备过程中并未混入杂质，样品纯度较高。实验结果表明，该法制备的硫铁矿具有颗粒粒径小、比表面积大、反应活性高等优点。研究中利用X射线光电子能谱仪（XPS）对硫铁矿去除水体中SeO2-3的机理进行了研究。研究结果表明, （1）在较为广泛的实验pH范围（pH 2.2～11.5），硫铁矿均能有效去除水体中SeO2-3，去除效率（除pH值7.8以外）均达到90%以上；（2）硫铁矿与SeO2-3发生反应后，其主要组成元素的XPS特征峰结合能有所减小，表明硫铁矿表面发生了一定化学变化；（3）酸碱环境下硫铁矿去除SeO2-3的机理不完全相同，酸性环境下，硫铁矿对SeO2-3的去除是单纯的氧化还原过程，即硫铁矿中被酸活化的S2-2将SeO2-3还原为单质Se(0)，并且酸性越强，SeO2-3去除效果越好；碱性环境下，SeO2-3的去除过程中氧化还原与络合反应并存，硫铁矿表面有络合态Fe(OH)SeO3和单质Se(0)两种存在形态，且碱性越强，络合态Fe(OH)SeO3含量越高。以上研究结果为硫铁矿去除固定水体和土壤中以SeO2-3为代表的可变价金属阴离子提供重要理论依据和应用基础。


2021 Vol. 41 (05): 1458-1462                              [摘要]                              (45 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4245 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

1463基于高维拉曼光谱数据的变压器油纸绝缘老化评估方法研究                                                            

陈新岗1，2，陈姝婷1*，杨定坤3，罗 浩1，杨 平1，崔炜康1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1463-07
采用激光拉曼光谱技术对变压器油纸绝缘老化状态检测是一种有效的方法。随着样本量的扩充，亟待处理的数据集维度逐渐增大，研究适用于高维拉曼光谱数据的变压器油纸绝缘老化评估方法具有重要的意义。设计与现场变压器内部绝缘结构相似的油纸绝缘环境，进行加速热老化实验并定期采样，获取到10类老化程度依次递增的油样本，采用激光拉曼光谱技术对样本进行检测。选用复合稀疏导数建模法对样本原始拉曼光谱数据预处理，可以一步完成去噪与基线校正；引入差异特征选取方法筛选不同老化程度下光谱中变化显著的特征，计算同一拉曼频移下不同老化程度的特征点数据集方差，选择差异较大的数据序列所对应的拉曼特征变量，设定方差阈值为0.5进行特征选择，每个样本都从1 023个光谱特征点抽取出304个特征点进行后续分析；针对变压器油纸绝缘老化拉曼光谱高维样本数据集，引入多种不同类型的算法对其处理。分别运用K-means聚类算法、Fisher算法与随机森林算法对获取到的样本预处理后的数据建立模型，引入评估准确度、提升度以及Kappa系数对各算法建立的模型判别效果进行评估。结果表明：有监督学习的Fisher算法与随机森林算法效果较好，相对于无监督学习的K-means聚类算法，模型判别能力分别提升了1.166 6和1.95，论证了有监督学习模型在变压器油纸绝缘老化的评估中具有判别优势；从模型判别准确度和Kappa系数来看，强分类器随机森林算法建立的判别模型均高于Fisher判别模型，其准确度提升了10%，且Kappa系数上升了0.111 5，论证了随机森林算法作为由多个单一分类器组成的强分类器，相对单一分类器来说，在变压器油纸绝缘老化的评估中模型的泛化能力较好，且模型较为稳定可靠。通过对三种不同类型的算法对比，确定了在变压器油纸绝缘老化评估中，有监督学习强分类器随机森林算法的判别优势，为变压器油纸绝缘老化的有效评估打下了基础。


2021 Vol. 41 (05): 1463-1469                              [摘要]                              (50 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4243 KB)                                                                                           (                                24                               )

 

1470不同分辨率无人机数码影像的马铃薯地上生物量估算研究                                                            

刘 杨1, 2, 3, 4，冯海宽1, 3, 4*，孙 乾1, 3, 4，杨福芹5，杨贵军1, 3, 4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1470-07
地上生物量（AGB）是表征作物生命活动的重要参数，对作物长势监测和产量预测尤为关键。因此，快速准确地获取AGB信息，对于监测作物生长状况、指导农业管理和提高产量具有重要的意义。以无人机为平台搭载数码相机传感器，因机动性强、价格低、空间分辨率高的优势，能够及时准确的估算作物AGB，已成为遥感估算研究的热点之一。由于无人机不同飞行高度及其对应不同分辨率数码影像的AGB估算模型精度不同，因此，尝试在马铃薯的块茎增长期，通过设置10，20，30，40和50 m共5种无人机飞行高度，获取不同分辨率的数码影像，探究其对以光谱信息、纹理特征和光谱信息+纹理特征构建AGB模型精度的影响。首先，基于无人机数码影像，分别提取光谱信息和纹理特征，通过光谱信息构建的植被指数和纹理特征，分别结合地面试验获取的实测地上部生物量数据进行相关性分析，分别筛选了相关系数绝对值较大的前10个影像指数和前8个纹理特征。然后，分别以3种输入变量整合方差膨胀因子（VIF）进行主成分分析（PCA）降维处理，获得最佳主成分后以多元线性回归（MLR）构建AGB估算模型。最后，对比不同分辨率的数码影像以3种变量和同种分辨率下以同种变量构建的AGB估测模型效果。结果发现：（1）获得的影像分辨率在0.43~2.05 cm之间变化时，纹理特征与马铃薯AGB相关性弱于植被指数，但都达到极显著相关水平（p<0.01），随着数码影像分辨率降低，二者相关性差异明显。（2）同种分辨率影像下，光谱信息+纹理特征估算AGB的效果最优，其次为单一纹理特征模型，而单一光谱模型表现效果最差。（3）随着数码影像分辨率提高，光谱信息、纹理信息以及光谱+纹理信息估算AGB的精度逐渐变好。


2021 Vol. 41 (05): 1470-1476                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1665 KB)                                                                                           (                                210                               )

 

1477微量原位水质总碱度在线检测新方法研究                                                            

李 文，程 李*，王利民，徐明刚，张 鹏


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1477-06
为实现原位水质总碱度快速准确检测的需求，融合顺序注射分析（sequential injection analysis, SIA）与连续光谱检测法，设计了一种小型微量原位水质总碱度在线快速检测仪，系统主要通过设计滴定池将SIA和连续光谱检测法应用于总碱度自动化滴定检测流程，并对连续光谱检测法判断滴定临界值的新方法进行实验研究。基于国标总碱度检测中工业循环冷却水及地表水总碱度的测定标准，设计了原位水质总碱度检测流程，并以顺序注射技术为控制滴定流程基础，在连续光谱扫描测量溶液检测过程的条件下，使用酚酞和甲基橙作为指示剂，对水质总碱度进行滴定分析。通过连续光谱扫描对酚酞碱度及甲基橙碱度滴定过程进行监测，以吸光度曲线552 nm处峰值归零作为酚酞碱度滴定临界值判断条件；以吸光度曲线峰值由465 nm偏移至504 nm处作为甲基橙碱度滴定临界值判断条件；分析通过滴加不同剂量酚酞和甲基橙指示剂所得溶液吸光度曲线得出最佳指示剂用量分别为0.01和0.04 mL。该系统利用最小二乘拟合算法建立总碱度测定的回归模型，并对检测系统及检测流程进行优化，实验结果表明，水质总碱度在0.20~25.00 mmol·L-1范围内与盐酸消耗量线性相关，工作曲线拟合系数≥0.994 2；测定总碱度重复性相对标准偏差（RSD）为0.207%~1.151%；废液量≤16 mL；最低检出限为0.03 mmol·L-1；样品加标回收率在97.2%~102.3%之间；与国标法对比实验结果无明显差别。利用连续光谱检测法判断滴定临界值的新方法对于提升水质总碱度检测仪的技术性能具有重要意义，可适用于系统网格化监控地表水、循环冷却水、养殖循环水等多种监测应用平台。


2021 Vol. 41 (05): 1477-1482                              [摘要]                              (44 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3868 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1483变色磷灰石的可见光光谱特征研究                                                            

陈超洋1，黄伟志1，邵 天1，李志彬2，沈锡田1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1483-04
磷灰石是珠宝市场上常见的宝石品种，因颜色丰富而广受欢迎。变色磷灰石是稀有品种且价格高昂，该品种在D65光源（色温6 500 K）下呈黄绿色，A光源（色温2 856 K）下呈粉红色，其可见光光谱的谱学特征与变色成因未被详细研究。基于此，将一颗变色磷灰石晶体，沿其平行c轴和垂直c轴方向各切下一个薄片并双面平行抛光，分别测试其可见光光谱与微量元素。结果发现，其可见光光谱中谱峰较多：位于583和578 nm处的吸收双峰强度最强，位于748和738 nm处的吸收双峰强度中等，分别位于688和526 nm处的吸收峰，强度较弱。还有一些非常微弱的吸收峰，分别位于514，483，473和443 nm处。位于748和738 nm处的吸收双峰与583和578 nm处的吸收双峰共同造成了红橙光区的透射窗，583和578 nm处的吸收双峰与526 nm处的吸收峰共同造成了黄绿光区的透射窗。D65光源和A光源由于相对光谱功率分布不同，在不同透射窗的透过有所不同，导致变色磷灰石在不同光源下呈现出不同颜色。D65光源中黄绿光成分较多，透过黄绿光区透射窗的成分较多，D65光源下磷灰石呈黄绿色，A光源中红光成分较多，通过红橙光区透射窗的成分较多，A光源下磷灰石呈粉红色。因此，磷灰石的变色效应与位于748和738 nm处的吸收双峰，位于583和578 nm处的吸收双峰以及位于526 nm处的吸收峰相关。根据微量元素数据与稀土元素的晶体场理论，这些吸收峰是由稀土元素钕（Nd）导致。根据不同晶体方向样品的可见光光谱特征，平行c轴方向变色效果更好，建议加工变色磷灰石晶体时宝石台面应尽量平行c轴。该研究结合微量元素与可见光光谱分析了变色磷灰石的变色成因，并为其加工切割方向提供了指导。


2021 Vol. 41 (05): 1483-1486                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1682 KB)                                                                                           (                                41                               )

 

1487光谱法与计算机模拟法研究六溴环十二烷与牛血清白蛋白的相互作用                                                            

庹 浔1，宋继敏1，付 豪2，吕小兰1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1487-06
六溴环十二烷(HBCD)是一种被人类广泛使用的溴系阻燃剂。近年来的研究表明HBCD已经广泛存在于环境中且对人类的健康具有较大威胁。目前还没有关于HBCD与牛血清白蛋白(BSA)之间相互作用机制的报道。该研究在模拟生理条件下，整合光谱学和计算机模拟研究等技术手段探究HBCD与BSA之间的相互作用，为揭示HBCD对人类的毒性作用机制提供新的视角和一些基础数据。荧光光谱法和紫外光谱法证明HBCD能够使BSA的内源荧光猝灭，猝灭机制为静态猝灭和非辐射能量转移。HBCD与BSA有1个结合位点，结合常数为2.796 6×104 L·mol-1 (288 K)，2.194 1×104 L·mol-1 (293 K)，1.174 4×104 L·mol-1 (298 K)。荧光光谱、紫外光谱、分子对接结果表明HBCD与BSA在结合位点Ⅰ处结合，结合距离为3.45 nm左右。根据热力学常数与结合常数之间的关系，计算得到ΔH=-61.749 kJ·mol-1 ，ΔS=-128.742 J·(mol·K)-1，两者之间的结合作用力为范德华力或氢键。三维荧光光谱实验、分子动力学模拟结果表明，HBCD不会对BSA的二级结构产生影响。


2021 Vol. 41 (05): 1487-1492                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3797 KB)                                                                                           (                                27                               )

 

1493颜料层微观形貌对古代壁画褪色及显现影响                                                            

郑丽珍1, 2，胡道道1, 2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1493-06
文物壁画在自然环境下产生褪色现象具有复杂性，严格意义上讲，人们无法重现自然环境下这种褪色发生的条件，但这并不妨碍人们研究其褪色原因的可能性和途径。通过实验来验证所提出机制的合理性，这也符合自然科学普遍采用的研究方法。提出颜料层微观形貌变化是引起壁画褪色的一种重要原因。胶料作为颜料层的连续相，当胶料分解时，颜料层微观形貌必然产生变化，为证明这种变化会引起颜料层褪色，而非颜料变化所致。建立了以具有较高热稳定性的赭石为颜料，以明胶作为粘接剂制成模拟的壁画颜料层。然后通过加热处理使胶料发生氧化分解，从而造成颜料层微观形貌发生变化，但赭石颜料依然稳定，期望证明在颜料赭石不发生变化时，由于颜料层微观形貌变化也可引起颜料褪色。实验通过煅烧壁画颜料层模拟样获得胶料降解的壁画模型，分别以SEM及多角度反射率光谱等技术，考察模拟样胶料降解前后表面微观形貌和光学性质变化。结果表明：壁画模拟样煅烧后，颜料层表面产生空隙结构，样品表面多角度反射率光谱表明煅烧后样品颜料层对可见光的反射增加而吸收降低，并观察到模拟样颜色淡化。以无色，难挥发，且不与颜料层发生化学反应的离子液体涂覆褪色样品表面，以上述技术表征涂覆处理前后颜料层表面微观形貌和表面光学性质变化，结果表明：离子液体填充了褪色样品表面颗粒间空隙，检测到样品表面对可见光的反射降低而吸收增加，观察到褪色样品的颜色加深。以上实验结果证明了推测合理性，即微观形貌变化确实会引起颜色变化。依据此原理以唐代墓室褪色壁画为例，进行了显现修复应用研究，其颜色显现效果显著。


2021 Vol. 41 (05): 1493-1498                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3733 KB)                                                                                           (                                21                               )

 

1499基于U-net和可见光谱图像的黄瓜褐斑病分割                                                            

王翔宇1，李海生1，吕丽君1，韩丹枫1，王梓强2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1499-06
褐斑病是黄瓜主要真菌性病害之一，适宜条件下，特别是在昼夜温差大及饱和湿度条件下发病迅速，病情加重，导致黄瓜减产，造成经济损失。对黄瓜褐斑病进行病斑分割与提取，可以为后续的病害识别与诊断提供有效依据，具有重要意义。结合黄瓜褐斑病可见光谱图像，利用U-net深度学习网络构建黄瓜褐斑病语义分割模型，实现了病斑分割。首先在采集到的黄瓜褐斑病可见光谱图像中截取病斑较为突出的区域作为样本，共在40幅图像中截取到135个像素区域，区域的像素分辨率为200×200，利用Matlab的Image Labeler工具对样本进行像素标记，分别标记出感病区域和健康区域。然后构建U-net网络，该网络包含46层和48个连接，通过卷积层和线性整流层以及最大池化法来完成病斑特征提取，通过深度连接层以及上卷积层和上线性整流层完成上采样，通过跳层连接来完成复制和剪裁操作，并进行病斑特征融合。利用所构建的U-net网络进行学习训练得到语义分割模型，在135个样本中，随机选取其中96个作为训练样本，剩余的39个作为测试样本，设置迭代次数为240次，L2正则化系数为0.000 1，初始学习率为0.05，动量参数为0.9，梯度阈值为0.05，进行样本训练和测试。经过10次重复训练和测试，结果表明，基于U-net和可见光谱图像的黄瓜褐斑病语义分割模型执行时间平均为46.4 s，内存占用平均为6 665.8 MB，执行效率较高；模型准确率PA为96.23%~97.98%，MPA为97.28%~97.87%，MIoU为86.10%~91.59%，FWIoU为93.33%~96.19%，模型的稳定性较好、泛化能力较强。该研究方法利用较少的训练样本，获得了准确率较高的分割模型，为小样本机器学习提供了参考，同时为其他蔬菜的病斑分割、病害识别与诊断提供了方法依据。


2021 Vol. 41 (05): 1499-1504                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2097 KB)                                                                                           (                                19                               )

 

1505IWD-Hankel-SVD模型下玉米叶片光谱铜污染信息预测                                                            

张建红，杨可明*，韩倩倩，李艳茹，高 伟


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1505-08
近年来在工业化和城镇化快速发展的地区，由重金属污染导致的环境问题尤为突出，特别是农业重金属污染更为社会所关注，因此，探索快速便捷的重金属污染甄别与监测方法极为重要。高光谱遥感作为新兴的重金属污染监测技术已有了深入研究。提出了固有波长尺度分解（IWD）概念和方法，并结合Hankel矩阵和奇异值分解（SVD）等建立了植被重金属污染程度预测的IWD-Hankel-SVD模型，该模型分为单变量模型和多变量模型。单变量模型主要是通过重金属污染的植被光谱IWD处理来获取光谱信息固有旋转分量（PRC）以提取最佳PRC的有效特征波段；在对各特征波段所构建的Hankel矩阵进行奇异值分解（SVD）基础上，依据获得该模型的奇异熵实现重金属污染信息预测。多变量模型是以植物叶绿素浓度相对值、单变量模型奇异熵作为参数实现重金属污染的信息预测。根据不同重金属Cu2+胁迫梯度下玉米植株污染的叶片光谱和叶绿素浓度以及叶片中Cu2+含量测定的数据，首先对不同浓度Cu2+胁迫下玉米叶片光谱进行IWD分析，获得能够较好保留原始输入光谱信息的最佳PRC，并从中提取到有效特征波段553~680，681~780，1 266~1 429，1 430~1 631，1 836~1 913和1 914~2 111 nm；然后对每一个特征波段构造其Hankel矩阵并进行SVD处理，以求取单变量的IWD-Hankel-SVD模型奇异熵；最后通过各特征波段所对应模型奇异熵与玉米叶片中Cu2+含量的相关分析，得到依据1 266~1 429和1 836~1 913 nm特征波段计算出奇异熵与玉米叶片中Cu2+含量的决定系数R2均高达0.9左右，说明这两个特征波段用于IWD-Hankel-SVD模型的Cu污染程度预测更具优越性和解释能力。同时，再把玉米叶片中叶绿素浓度相对值、1 266~1 429和1 836~1 913 nm特征波段相应模型奇异熵作为参数，采用偏最小二乘回归分析，得出多变量IWD-Hankel-SVD模型的玉米叶片Cu污染程度预测能力更强，决定系数R2达到0.9476，证明了多变量模型更具有鲁棒性和稳健性。


2021 Vol. 41 (05): 1505-1512                              [摘要]                              (47 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3640 KB)                                                                                           (                                26                               )

 

1513颗粒度对鞍山式铁矿反射光谱特征的影响研究                                                            

王 东，刘善军*，祁玉馨，刘海琪


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1513-06
岩矿反射光谱的决定因素是其成分及含量，变异因素主要为颗粒度、粗糙度、观测角度、表面形态等。为明确颗粒度与鞍山式铁矿反射光谱之间的关系，采用SVC HR-1024便携式地物光谱仪对鞍山式铁矿的两种主要铁矿石(赤铁矿、磁铁矿)进行不同颗粒度下的可见光-近红外光谱测试，分析颗粒度对赤铁矿、磁铁矿反射光谱的影响规律，并明确颗粒度的敏感波段与稳定波段，为以后的定量反演工作提供参考。结果表明，颗粒度对赤铁矿、磁铁矿反射光谱的影响规律具有显著差异。当赤铁矿试样粒径由0.03 mm增加到1 mm时，光谱反射率随颗粒度增加而逐渐减小，二者呈现显著负相关关系。但是在不同的波段处，赤铁矿反射光谱受颗粒度的影响程度不同，在350~550 nm波段，反射光谱受颗粒度影响非常微弱，为赤铁矿反射光谱对颗粒度的稳定波段；在550~950 nm波段，反射光谱受颗粒度影响较微弱；在950~1 250 nm波段，反射光谱受颗粒度影响较显著；在1 250~2 500 nm波段，反射光谱受颗粒度影响非常显著，为赤铁矿反射光谱对颗粒度的敏感波段。当赤铁矿试样粒径大于1 mm之后，赤铁矿反射光谱多重叠，受颗粒度影响显著减弱，且二者无明显相关性。当磁铁矿试样粒径由0.03 mm增加到4 mm时，磁铁矿反射光谱对颗粒度的响应非常微弱，颗粒度引起的光谱反射率变化不超过3%，且颗粒度与磁铁矿反射光谱间无相关性，二者间联系微弱。该研究揭示了颗粒度对鞍山式铁矿反射光谱的影响规律，定量分析了颗粒度对赤铁矿、磁铁矿反射光谱的影响程度，并确定了颗粒度与试样反射率符合的函数分布关系，为提高鞍山式铁矿的品位反演精度奠定了良好基础。


2021 Vol. 41 (05): 1513-1518                              [摘要]                              (60 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2647 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1519基于藻类光合作用抑制效应的敌草隆毒性响应参数研究                                                            

胡 丽1, 2，陈 敏2, 3，殷高方2*，赵南京2，甘婷婷2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1519-06
藻类作为单细胞生物，其个体小、易培养、对毒物敏感、且能够观察细胞水平上的中毒症状，是快速检测水质生物毒性的理想受试生物。“藻类生长抑制试验”依赖于藻类细胞的繁殖代谢过程，测量周期长，无法满足生物毒性快速检测的需求。藻类光合作用过程对污染物毒性的响应速度和灵敏度显著优于“藻类生长抑制试验”，以藻类光合作用状态为毒性测试指标可大幅缩短毒性检测时间。现有“光合作用抑制实验”多采用可变荧光Fv或最大光化学量子产量Fv/Fm作为生物毒性反应终点，缺乏对多个光合荧光参数响应敏感性的对比分析，造成生物毒性定量检测的灵敏度不高。以蛋白核小球藻为受试对象，以叶绿素荧光作为藻类光合作用状态快速无损探针，采用荧光动力学手段测量藻类光合荧光参数，对典型除草剂DCMU抑制下的多个光合荧光参数的毒性响应敏感性进行对比分析，得到适用于快速、定量评价DCMU胁迫效应的关键光合参数，提高DCMU生物毒性检测的速度和灵敏度。结果显示：(1)DCMU对光合荧光参数F0，Fm，σPSⅡ，τQA，Fv，Fv/Fm， Yield，rP，NPQ，α响应显著，其中参数α，rP，Fv/Fm，yield和NPQ在5 min即呈现出类似时长（96 h）的响应效应；(2)参数α，rP，Fv/Fm，yield和NPQ的5 min抑制程度对DCMU浓度具有良好的剂量效应关系。其中，参数NPQ的相关系数和EC50-5 min分别为0.998 5和2.41 μg·L-1，显著优于其他四个参数，且优于96 h的测量结果。采用光合荧光参数NPQ作为5 min定量测量DCMU生物毒性的反应终点，可极大缩短DCMU生物毒性的检测时间（从96 h缩短至5 min），并显著提高检测灵敏度（与光合抑制方法常规参数Fv/Fm相比，EC50降低了81.4%）。实验结果为基于藻类光合抑制效应的DCMU生物毒性定量检测提供了基础数据，研究方法也为其他污染物胁迫下的藻类光合荧光参数筛选提供了参考。


2021 Vol. 41 (05): 1519-1524                              [摘要]                              (45 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3799 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1525NaYF4∶Yb3+/Eu3+上转换发光微纳粒子在防伪识别中的应用研究                                                            

王 翀1，磨建业1，2，李冬冬1，佘江波2，刘 震2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1525-05
稀土掺杂上转换发光微纳粒子在防伪识别方面有着巨大的应用前景。首先采用水热合成法制备了NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子，通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的尺寸、形貌和结晶度等方面进行了研究，同时使用980 nm的泵浦源对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的发光性能进行了分析；其次将NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与酒精按一定比例混合制成丝网印刷剂，结合网络定制的丝网模版在纸上印制了不同字样的防伪图案，风干后将字样暴露在980 nm的激光辐照下，并使用相机对其进行成像研究；最后将印制的字样分成两部分，一部分保存在室内25 ℃恒温环境下，另外一部分保存在冬季一月份室外自然环境下，保存地点均为西安市，一周后对不同环境下的字样再次使用完全相同的实验仪器进行成像测试。实验及测试结果显示，NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与NaYF4标准卡的衍射峰完全一致，没有其他杂质产生；实验合成的微纳粒子外形均为六方体，且平均长度和横截宽度分别为209和175 nm，微纳晶体表面光滑、无缺陷、未弯曲、结晶度较高、分散性较好，电子衍射环与NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的312，300和302晶面相对应；NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子受掺杂离子的影响，在不同的能级跃迁下分别产生蓝、绿、黄、红四种可见光，通过对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子荧光光谱分析，Eu3+非对称性比率约为1，表明磁偶极子跃迁与电偶极子跃迁相当；NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子制成的丝网印刷剂在不同环境下成像结果良好均清晰可见、容易辨识，但受存放环境影响，室内成像结果与最初的成像结果相比变化不大，室外所有成像字符受到自然环境下水汽的影响，亮度均略有下降，但仍能识别。成像结果表明，所制备的NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子在防伪识别方面具有稳定性、可靠性等特点，但仍受到影响程度可控的自然环境因素影响。综合来看，其在防伪识别方面有着很大的应用前景。


2021 Vol. 41 (05): 1525-1529                              [摘要]                              (44 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3317 KB)                                                                                           (                                30                               )

 

1530低温热处理刚玉实验中含水矿物包裹体的特征研究                                                            

龙 楚1，何立言1，侯舜瑜1，招博文2，涂 彩2，吕晓瑜2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1530-07
近年来，低温热处理刚玉出现在宝石交易市场，由于其特征容易与天然刚玉混淆，如何鉴定低温热处理刚玉成为宝石实验室的研究热点。在弱氧化氛围，360，610和650 ℃条件下，先后对9粒刚玉进行了热处理实验，并采用显微拉曼定性分析刚玉中的包裹体、显微镜下观察包裹体形貌、显微红外光谱分析含水矿物包裹体中羟基的特征峰等方法，对刚玉低温热处理前后的特征进行了对比研究。热处理实验揭示：600 ℃左右温度、弱氧化氛围已能有效去除刚玉中的蓝色调，并增强红色，可达到热处理改善或改变刚玉颜色的目的。研究结果表明：针铁矿、高岭石、勃姆石等含水矿物包体主要存在于刚玉的开放裂隙中，硬水铝石、磷灰石、云母等含水矿物包体主要存在于刚玉晶体中。针铁矿热处理前红外光谱可显示与羟基相关的3 435 cm-1吸收峰，并伴有以3 185 cm-1为中心的吸收宽带，经360 ℃热处理后相关吸收消失，其颜色由亮黄色变为红色；高岭石热处理前红外光谱在3 620，3 648，3 670和3 698 cm-1附近显示一组与羟基相关的吸收峰，经610 ℃热处理后相关吸收峰消失；勃姆石热处理前红外光谱显示与羟基相关的3 086和3 311 cm-1吸收峰，经610 ℃热处理后相关吸收峰消失。硬水铝石包裹体通常呈针状，热处理前红外光谱显示与羟基相关的1 980和2 110 cm-1吸收峰，经610 ℃热处理后相关吸收峰消失，但仍保持针状晶形假像；磷灰石包体通常呈透明柱状或粒状晶形，由于OH与F相互作用，红外光谱在3 550 cm-1附近显示与羟基相关的吸收峰，610 ℃热处理后相关吸收峰仍然存在，磷灰石包体的形貌未见改变；白云母呈近透明无色片状晶形分布于刚玉中，红外光谱在3 624 cm-1附近显示与云母中羟基相关的吸收峰，650 ℃热处理后这一吸收峰仍然存在，云母的形状未见变化，透明度略微降低。通过实验，证明含水矿物包裹体对于鉴定低温热处理刚玉具有重要作用。


2021 Vol. 41 (05): 1530-1536                              [摘要]                              (46 )                                                                                           RICH HTML    PDF (6002 KB)                                                                                           (                                39                               )

 

1537明胶水凝胶固化方法的水体中铜元素LIBS检测研究                                                            

李 倩，韩艳丽，宁日波，袁 备，王浩楠，徐送宁*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1537-06
水污染已是当今世界最严重的环境问题之一，如何提高水体重金属污染检测灵敏度、降低检测限、减少样品预处理程序、实现原位分析等已成为科研工作关注的热点。基于明胶水凝胶固化方法开展了CuSO4溶液中Cu元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)检测研究。采用Nd∶YAG激光器（输出波长1 064 nm，脉宽8 ns）作为激光光源，将明胶与CuSO4溶液混合并通过加热、搅拌、老化等操作将CuSO4溶液制成凝胶状固体，选取Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm作为分析谱线，通过研究铜等离子体光谱强度随明胶与CuSO4溶液质量比例的变化关系，获得了明胶CuSO4溶液质量比例为2.5%的最佳实验条件，与直采CuSO4溶液相比Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm的光谱强度分别增加了2.26和2.11倍，信背比分别增强了190.74和318.77倍。在明胶与CuSO4质量分数比为2.5%的最佳实验条件下，制备了Cu2+浓度分别为8，12，16，24，48和64 mg·L-1的CuSO4标准溶液的明胶凝胶样品，分别采用100，80和60 mJ激光能量对制备的6种浓度的CuSO4标准溶液的明胶凝胶样品进行LIBS检测分析，建立了分析线Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm的定标曲线。在激光能量100，80和60 mJ下，Cu Ⅰ 324.7 nm的线性拟合系数R2分别为0.999，0.989，0.984，检测限分别为0.30，0.66和6.37 mg·L-1；Cu Ⅰ 327.4 nm的线性拟合系数R2分别为0.997，0.973和0.956，检测限分别为0.45，0.88和10.20 mg·L-1。研究结果表明：明胶水凝胶固化方法能够增强CuSO4溶液中铜元素LIBS光谱强度，有效提高了LIBS在水体重金属检测中的灵敏度，减低了检测限。分析线Cu Ⅰ 324.7 nm线性拟合系数和检测限均优于Cu Ⅰ 327.4 nm，检测限和线性拟合系数随激光能量的增加改善程度增强，在激光能量100 mJ时，Cu Ⅰ 324.7 nm的定标曲线的线性拟合系数R2为0.999，检测限为0.30 mg·L-1，达到了富集方法的检测水平。明胶水凝胶固化方法样品制备程序简单，未引入污染元素，为LIBS技术应用于水体重金属污染检测提供了一种新方法。


2021 Vol. 41 (05): 1537-1542                              [摘要]                              (62 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2607 KB)                                                                                           (                                14                               )

 

1543基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型研究                                                            

郭 伟1，乔红波1，赵恒谦2,3*，张娟娟1，裴鹏程1，刘泽龙2,3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1543-08
蚜虫是棉花的主要害虫之一，我国棉花产量每年因蚜虫危害造成的损失高达5%～10%。田块尺度的棉花蚜害空间分布监测可以辅助精准定量施药，减少环境污染。利用无人机搭载成像光谱仪获取的“图谱合一”的遥感数据因其具有分辨率高、时效性高、成本低等优势，可为作物病虫害监测提供了重要数据源。比值导数法模型简洁，运行效率高，结果精确，可以有效的应用于遥感反射率光谱解混处理，提取对目标信息较为敏感的波段，为构建虫害监测模型提供了有效的手段。因此本研究选择棉花典型生产区新疆库尔勒地区为实验区，开展以下工作: （1）以低空无人机搭载成像光谱仪获取棉花蕾期冠层成像光谱影像，结合地面调查数据，获取76个样点光谱数据及蚜害严重度(包含健康植株16个，蚜害严重度1～4级每级选取15个)；(2)分析不同蚜害严重度棉花冠层光谱的特征，并利用比值导数法筛选出对蚜害胁迫敏感的光谱波段，分别为514，566和698 nm波段; (3)构建基于三个敏感波段的光谱反射率、比值导数光谱值的一元线性回归和偏最小二乘法的蚜害严重度估测模型。结果表明：(1)蚜害对棉花冠层的光谱反射率有显著影响。棉株受蚜害胁迫越严重，其在可见光区域的反射率越高，近红外波段反射率越低，发生红边区域“蓝移”；（2）比值导数法可有效提取蚜害棉花冠层光谱敏感波段，所筛选的514，566和698 nm三个波段与相关系数法所筛选的敏感波段一致；(3)利用敏感波段比值导数光谱值所构建的蚜害严重度估测模型精度优于敏感波段光谱反射率所构建的模型, 其中698 nm波段构建的模型精度最佳（R2=0.597, RMSE=0.91）; (4)三个敏感波段的比值导数光谱值所构建的偏最小二乘多元回归模型精度优于单个波段比值导数光谱值所构建的模型（R2=0.612, RMSE=0.89）；(5)基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型可以获取田块尺度的不同严重度蚜害空间分布图，对于精准定量施药有重要的指示意义。


2021 Vol. 41 (05): 1543-1550                              [摘要]                              (59 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4613 KB)                                                                                           (                                46                               )

 

1551广东省红粘土中铁杂质及其赋存形式分析                                                            

邱柏欣1，罗宏杰2*，王 芬1，朱建锋1，刘一军3，郝瑶睿1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1551-08
中国细白瓷历经数百年的发展，使得优质粘土矿物资源的紧缺形势日益严峻，对中低品质矿物的提纯和利用越来越受到关注。其中，劣质矿产的除杂即是提高其品质要解决的重点问题。铁杂质是陶瓷生产中最主要的有害物质，对Fe的赋存方式进行探究可为除杂技术的应用建立相关基础。目前，对中低品质的粘土矿物中铁杂质赋存形式的研究仍较少。广东省红粘土分布广、储存量大，但其较高含量的Fe降低了其使用价值，限制其作为优质资源进一步利用。该研究对中国广东省梅州市的低品质红粘土中铁杂质和其赋存形式进行分析。Fe在矿物中的赋存形式复杂，结晶程度较低，采用传统的测试方法难以对其进行有效地分析。因此，通过拣选红粘土原矿中红、黄、灰绿三种杂质组分，并分别进行淘洗和过筛法分离粘土矿物。采用X射线荧光光谱、扫描电镜和能谱、透射电镜和选区电子衍射、可见光-近红外吸收光谱仪及可见光一阶导数光谱法对其矿物组成、化学成分、显微结构及谱学特征进行测试分析，探讨Fe元素的赋存形式。结果表明：Fe元素是影响该红土矿外观颜色的最主要元素。所有样品中粘土矿物主成分为高岭石和伊利石。红色和黄色杂质组分中，Fe元素主要以赤铁矿-针铁矿的自由团聚体夹杂或附着于片状粘土矿物表面；灰绿组分中Fe元素主要以Fe-Mg云母的结构铁形式存在。研究发现，在对红粘土矿物的分离过程中，Fe杂质以自由铁和结构铁的形式随着粘土矿物一同被选出。该研究结果有助于南方红粘土提纯方法的选择，并有助于提高低品位粘土的处理效率和质量。


2021 Vol. 41 (05): 1551-1558                              [摘要]                              (48 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5938 KB)                                                                                           (                                25                               )

 

1559传统手工纸老化进程中微观结构的光谱检测与分析                                                            

姚晶晶1, 2，闫玥儿3，章若红1，罗 婵1，刘 峻1，毕 宁1*，唐 颐2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1559-07
作为传承人类文明和见证历史发展的重要载体，传统手工纸老化机制的研究及老化状态的评价至关重要。手工纸张老化后各项宏观性能的降低归根究底来源于微观尺度上物理和化学性能的衰减，因此传统手工纸微观尺度结构的表征分析是深入理解纸张老化机制和准确评估老化状态的关键，也是发挥手工纸使用价值的基础。光谱分析因其出色的时空分辨率，快速响应，高信噪比和良好的灵敏度备受关注，而其无损或微损的特点使珍贵纸质样品的测试不再受到限制，实现从微纳米尺度获得纸张的老化状态信息。基于手工纸的化学元素、化学结构、组分以及微观形态等方面，系统阐述近年来发展的红外光谱（IR）、紫外可见光谱（UV/Vis）、拉曼光谱（Raman）、核磁共振（NMR）、太赫兹时域光谱（THz）、X射线光谱（X-ray）、荧光光谱（LIFS）、光谱与显微镜联用等无损/微损表征技术，旨在从微纳米尺度获得纸张内部及表面多层次结构特性，并希望将其作为宏观性质的切入点，深挖手工纸在老化进程中宏观与微观之间的联系，从而促进手工纸在复杂环境中多尺度评价体系的建立以及老化机理的揭示，为手工纸保存状态的评估及修复工作的实施提供重要依据。


2021 Vol. 41 (05): 1559-1565                              [摘要]                              (59 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2030 KB)                                                                                           (                                26                               )

 

1566非对称银纳米双环表面等离激元光谱特性                                                            

史冬冬1，张 悦1，孙 诚1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1566-08
贵金属纳米材料在入射光激发下能够产生表面等离激元，即金属表面自由电子产生集体振荡。当其振荡频率与入射光频率相同时，发生表面等离激元共振，形成一种特殊的电磁场模式和光谱特性。利用该电磁场模式和光谱特性, 能够调节金属纳米材料的光谱学行为，例如通过改变金属纳米结构的大小、形状以及周围介质介电常数等参数, 在微纳尺度上实现光谱学信号的有效调控。目前，除了具有一定对称性的贵金属纳米材料被大量研究和应用外，非对称纳米结构的表面等离激元光谱特性也受到广泛关注。研究表明，在可见-近红外波段光谱范围内设计表面等离激元光电传感器件的关键问题在于，如何有效地调节其消光谱的共振波长、半峰宽以及峰值强度等主要特征参数。提出一种基于银纳米双环组成的非对称结构，利用时域有限差分方法，在可见-近红外波段内，通过分别改变银纳米双环的尺寸、间距及入射光偏振方向等参数，计算了该纳米结构在不同条件下的消光谱。结果表明，在0.4～3 μm的消光谱内，入射光能够激发产生两个独立的表面等离激元共振峰。通过研究峰值波长处的电场分布图发现，上述共振峰分别对应两种不同的电磁场模式。结果还表明，消光谱内两个独立的共振峰可以通过改变该双环结构的不同参数，被分别地进行调节。其中，可以通过改变该双环结构的半径来有效调节短波长峰的共振波长和半峰宽，同时保持长波长峰的共振波长和半峰宽基本不变。此外，通过改变两环间距或入射光偏振方向，可以分别以不同趋势来调节两个共振峰的峰值强度。在提出的非对称银纳米双环的消光谱中，获得了能够被分别调节的两个表面等离激元共振峰，研究结果能够为可见-近红外波段内基于银纳米材料光电传感器件的开发设计提供理论基础。


2021 Vol. 41 (05): 1566-1573                              [摘要]                              (40 )                                                                                           RICH HTML    PDF (5775 KB)                                                                                           (                                20                               )

 

1574氧化-原子发射光谱快速测定油田水中微量碘                                                            

柴小丽1, 2, 4，高丹丹1, 2，李海军1，王 波1，杨克利1, 2，董亚萍1, 2*，李 武1, 3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1574-06
柴达木盆地西部的南翼山地区油田水中碘资源丰富，有极大的开发利用价值。该油田水盐度高，组成复杂，现有碘的分析方法难以满足研究工作的需求，建立准确分析南翼山油田水中碘浓度的方法是开展相关研究工作的基础和关键。电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）具有分析快速、线性范围宽、样品基体影响小等优势。然而，由于碘属于高电离能元素，ICP-AES直接测定碘的灵敏度低、检出限高，不能满足样品中微量碘的分析要求。借助自行设计加工的用于ICP-AES集进样、化学反应和气液分离三种功能为一体的进样装置（其具有组成合理、结构紧凑的优点），将碘离子氧化为碘单质导入ICP-AES中测定，在提高有效进样量的同时降低了样品基体对碘测定的影响，从而大幅降低了碘的检出限，建立了ICP-AES快速测定油田水中微量碘的方法。优化了氧化碘离子为碘单质所用酸和氧化剂的浓度，最佳反应试剂为10 mmol·L-1 NaNO2和1 mol·L-1 HNO3。I 178.276 nm处的检出限为1.65 μg·L-1，一次测定所需时间三分钟。采用部分因子实验设计详细研究了南翼山油田水中主要共存离子（如钾、钠、钙、镁、锂、锶、铵）及它们之间的交互作用对碘分析的影响。在95%置信水平下，发现钙对碘的测定存在显著性影响。通过对样品进行适当的稀释可以消除钙和其他组分对碘准确测定的影响。采用标准曲线法将建立方法应用于南翼山不同蒸发浓缩阶段实际油田水中碘的分析，测定结果表明加标回收率为90%～104%。实验建立的分析方法具有简便快速、基体干扰小、准确度高等优点，为油田水中微量碘的测定提供了一种新的方法，对于卤水碘基础数据的获得和碘分离提取工艺具有重要意义。


2021 Vol. 41 (05): 1574-1579                              [摘要]                              (56 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1376 KB)                                                                                           (                                24                               )

 

1580相对误差最小二乘法的TDLAS气体浓度标定曲线拟合                                                            

陈 昊1, 2，鞠 昱3，韩 立1，常 洋3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1580-06
可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是光谱检测技术的一个分支，具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、便携性好、小型化等优点，在工业环保、医疗检测、气象监测等领域得到了广泛应用。TDLAS气体传感器的测量精度与标定曲线密切相关，标定时，常用最小二乘法对标定曲线进行多项式拟合，但最小二乘法是以绝对误差的最小平方和作为评价标准，无法对相对误差进行约束，在低浓度量程下TDLAS气体传感器的标定曲线相对误差偏大，限制了标定量程。推导了光强透射率对数与气体浓度关系式作为目标函数，提出了基于相对误差意义下的最小二乘法，迭代方法采用高斯-牛顿迭代法（Gauss-Newton iteration method），实验以雅士林DHS-100恒温恒湿箱来产生大量程范围的水汽标定浓度，Vaisala HMT337在线湿度检测仪的测量值作为标定浓度，自主研发的TDLAS湿度传感器选择波数为7 306.752 1 cm-1的水汽吸收峰，气室的光路长为50 mm，对1%~50%VOL的水汽浓度进行了拟合标定，对比了最小二乘法与相对误差最小二乘法的标定拟合结果。实验结果表明：采用最小二乘法拟合时，在低浓度量程下会出现较大的相对误差，高浓度量程下相对误差逐渐减小，无法保证整个大量程下测量精度要求；采用相对误差最小二乘法拟合时，在整个大量程范围下的相对误差波动比较小，相对误差分布曲线比较平稳，最大相对误差和相对误差标准差都远小于最小二乘法的拟合结果；以Ratio-C关系式作为目标函数，采用相对误差最小二乘法进行拟合标定时，最大相对误差为0.049 4，相对误差标准差为0.023 7，远优于最小二乘法的拟合结果，符合TDLAS传感器测量精度要求，验证了相对误差最小二乘法的标定算法可靠性，提高了TDLAS气体传感器的测量精度。


2021 Vol. 41 (05): 1580-1585                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2333 KB)                                                                                           (                                18                               )

 

1586不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算                                                            

李志刚1，刘德俊1，张世帅1，徐 翔1，叶建雄2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1586-07
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用，但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台，同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号，对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定，高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上，设置光谱仪延时，分别采集了引弧5，10，15，20及25 ms的光谱信号；改变水深条件，得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析，选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据，运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理，以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线，再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明：在相同水深条件下，引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的，但其变化趋势并不是简单的线性增加，而是分别在引弧的不同时刻出现峰值；随着水深的增加，水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升，但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢，40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加，水下环境压力增大造成电弧进一步压缩，但压缩量有限。由于电弧被压缩，弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法，从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质，对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。


2021 Vol. 41 (05): 1586-1592                              [摘要]                              (36 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4532 KB)                                                                                           (                                13                               )

 

1593光谱关键变量筛选在农产品及食品品质无损检测中的应用进展                                                            

王 冬1, 3, 吴静珠2*, 韩 平1, 3*, 王 坤2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1593-09
农产品及食品的品质与安全一直以来都是人们关注的焦点，不仅关系着人们的身体健康，而且关系着社会稳定甚至国家安全。由于农产品及食品的品质不合格引发的安全事件备受社会各界的广泛关注。对农产品及食品的品质的监管长久以来都是分析检测领域的重点和难点。我国人口众多，对农产品和食品的消费量非常大。面对如此大量农产品及食品品质的无损快速检测需求，光谱法以其快速、无损、高效、环境友好、可现场检测等诸多特点，为农产品及食品品质的无损快速分析提供了良好的解决方案。然而，传统的光谱法在检测过程中所使用的数据量十分庞大，不仅在建立校正模型过程中会消耗大量时间，而且难以完成大量农产品及食品的品质在线高通量无损快速检测。大量数据的计算成为限制光谱类分析仪器工作效率的主要瓶颈之一，并且大量数据的计算对仪器设备的硬件配置也提出了非常高的要求，从而间接地提高了光谱分析技术的应用成本。近年来，关键变量筛选技术脱颖而出，并成为光谱分析的一个新热点。通过筛选，采用少量关键变量建立校正模型即可得到和全谱数据建模准确度相差无几的分析结果，从而可以有效提高分析仪器的工作效率并间接地降低光谱分析技术的应用成本，进而为农产品及食品品质的高通量检测提供了可靠的技术支持、为满足人民日益增长的美好生活需要提供科技保障。针对光谱关键变量筛选在粮食及粮食作物、蔬菜、水果、经济作物、肉类、食品品质与安全领域的无损检测应用进行综述，对光谱关键变量筛选技术的应用从筛选方法、应用范围、应用效果等方面进行了分类总结归纳，并就光谱关键变量筛选技术在农产品及食品品质无损检测中的应用从变量筛选方法特点及趋势、所选变量的稳定性和可靠性、所选变量的实际意义等方面进行了展望。


2021 Vol. 41 (05): 1593-1601                              [摘要]                              (51 )                                                                                           RICH HTML    PDF (869 KB)                                                                                           (                                58                               )

 

1602基于深度残差网络的恒星光谱类别预测                                                            

王天翔1, 2，范玉峰1*，王晓丽1，龙 潜1，王传军1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1602-05
近年来，随着各大光谱巡天项目的陆续实施，观测得到的天体光谱数据急剧增长。大型光谱巡天项目对光谱的自动分类和分析提出了更高的要求。本文将分类问题转化为回归问题，提出一种基于深度残差网络的光谱类别预测方法，对恒星光谱进行光谱次型预测。网络主要包括25个卷积层，1个最大池化层，1个平均池化层，全连接层以及12个残差结构。最大池化层用来筛选特征，卷积层提取特征，平均池化层用于减少模型参数，提高效率。残差结构可以防止网络退化，加深网络来提取高维抽象特征以及提高训练速度。考虑到数据有非零几率存在错误标签以及损坏数据，采用Log-Cosh作为损失函数来降低坏样本带来的负面影响。实验数据使用的是从LAMOST DR5中随机抽取的80 000条光谱，由于光谱质量等原因，每个光谱型的光谱数量不一。经过剔除坏值，流量归一化后，按7∶1∶2分为训练集、验证集和测试集。实验包括两个部分，第一个部分是使用数据集训练网络在光谱次型上进行类别预测，使用最大绝对误差、平均绝对误差以及标准差来比较不同形状卷积核的性能。将预测值作为横坐标，标签作为纵坐标，对测试集所有样本点使用二阶非线性拟合，得到了一条与y=x重合的直线。证明模型可以很好的预测光谱次型。第二部分是对模型进行内部分析，使用类别激活映射的方法分别研究了模型预测A，F，G和K四种类型光谱时所关注的主要特征，赋予了模型可解释性。在文中数据集上，该方法对91.4%的光谱预测误差在0.5个光谱次型以内，预测的平均绝对误差为0.3个光谱次型。并与非参数回归、Adaboost回归树、K-Means三种方法进行同数据集比较，结果表明文中提出的方法可以很好地预测光谱次型并且速度更快，准确率更高。


2021 Vol. 41 (05): 1602-1606                              [摘要]                              (47 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2302 KB)                                                                                           (                                37                               )

 

1607空间人造目标混合光谱材料数目确定方法仿真研究                                                            

李庆波，苗兴晋


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1607-05
在空间人造目标光谱分析领域，受到观测距离和观测设备空间分辨率的限制，通常在观测空间人造目标光谱信号时，目标某个瞬时视场中的多种纯物质材料的光谱特征信息组合在一个像元中，形成“混合光谱”。因此，将这些混合光谱分解为每个单一材料的光谱并估计出相应的组成比例是空间人造目标光谱分析研究的重点。大多数现有空间目标光谱分解方法都假设空间人造目标混合光谱中包含的纯物质材料种类个数（即“端元数目”）是先验已知的，这对于未知空间人造目标而言是不现实的。因此，纯物质材料数目正确估计对后续光谱数据分析处理的准确性起着至关重要的作用。目前，现有的端元数目确定方法的设计均在高斯白噪声的假设下进行，而对于噪声信号的分布存在频谱相关性的情况下，会提供较差的结果。采用一种基于数据内在维度和似然最大化理论的方法——鲁棒特征值极大似然方法。由于数据内在维数与信号协方差矩阵和信号相关矩阵特征值差异的统计分布特性高度相关，因此通过分析该特征值差异的统计分布特性，构建一个极大似然函数，可以实现空间人造目标混合光谱端元数目的确定。该方法包含两个步骤：首先，采用基于多元回归和改进最小噪声分离方法对原始光谱数据进行预处理完成噪声特性估计和噪声白化过程，从而有效抑制具有频谱相关性的噪声的干扰；接下来，通过求解一个离散对数联合似然函数的极大值问题来实现空间人造目标混合光谱端元数目的确定，该方法完全不需要输入任何参数，并且运行速度比较快。分别利用实验室实测的五种空间人造目标材料的可见/近红外光谱数据和美国地质勘测局光谱数据构建混合光谱仿真数据进行实验。结果表明，该方法能有效抑制相关噪声和白噪声的干扰，空间人造目标纯物质材料数目确定结果具有很好的准确性和稳定性。


2021 Vol. 41 (05): 1607-1611                              [摘要]                              (39 )                                                                                           RICH HTML    PDF (1789 KB)                                                                                           (                                15                               )

 

1612闪电等离子体连续辐射谱特征分析                                                            

董向成1，陈建宏2*，刘广桥1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1612-05
闪电等离子体光谱特征是在强连续辐射背景上叠加丰富的NⅡ，NⅠ，OⅠ，HⅠ线状谱，闪电回击通道温度可达万开以上，通道内氮分子和氧分子接近完全离解，分析连续谱时，不考虑各组分分子带状谱对连续谱的影响。使用摄谱范围在400~1 000 nm的无狭缝光栅摄谱仪记录云对地闪电放电光谱，在光谱可见区低频段观测到大量一价氮离子谱线，未观测到明显的其他离子谱，认为连续辐射机制主要由氮离子与自由电子相互作用产生，包括轫致辐射和复合辐射。等离子体温度在1×104 K以下时轫致辐射连续谱呈现出平谱特征，辐射强度较弱，随着等离子体温度升高在紫外段辐射强度增加，对可见段连续谱轮廓特征没有明显影响。对于复合辐射，设闪电等离子体符合局域热力学平衡和光学薄条件，以类氢离子经典辐射理论为基础，以冈特因子作量子力学修正，考虑到复合过程中自由电子被离子俘获，大概率出现在高激发状态，引入非类氢的复杂离子近似计算方法分析氮离子复合辐射过程，导出连续谱复合辐射系数与波长的函数关系，获得特定参数条件下氮等离子连续辐射谱特征曲线，与闪电连续谱轮廓观测结果比较，发现等离子体电子温度与连续辐射谱谱峰位置密切相关，认为通过对闪电连续谱轮廓拟合，能够可靠诊断闪电放电通道表面电子温度。研究认为氮离子实有效核电荷数Z*取值对连续谱特征也有显著影响，Z*取值小，连续谱跃变特征增强；Z*取值大，连续谱展宽特征增强，从而与实测谱轮廓底部背离增大。通过多次对比发现Z*取为2~4时，理论曲线与连续谱观测轮廓具有较好的一致性，Z*的取值范围由离子种类决定，引入离子有效核电荷数Z*，能够很好地解释闪电等离子体连续谱在特定波长出现跃变的特征。


2021 Vol. 41 (05): 1612-1616                              [摘要]                              (47 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2854 KB)                                                                                           (                                23                               )

 

1617土壤铬的航空高光谱间接反演模型及可迁移性研究                                                            

赵宁博，秦 凯*，赵英俊，杨越超


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1617-08
铬（Cr）是我国东北黑土区土壤重金属污染评价中的主要目标元素之一，随着航空高光谱技术的引入，Cr含量的高光谱反演具备了大范围应用的数据基础，其中影响调查质量的关键是高光谱模型的精度及应用范围。常用的建模方法是利用各类统计学手段进行光谱特征提取并建模，局限性表现为建模结果受样本选择的影响较大，模型泛化能力不强。研究以土壤Cr的赋存规律为切入点，设计了一种新的基于Cr影响因素及光谱特征的间接反演模型，改善了模型在不同地区的适用性。选择黑龙江省建三江和海伦两个研究区，高光谱数据来自CASI/SASI航空高光谱成像系统，波段范围380～2 450 nm，建三江和海伦研究区地面采样数量分别为225个和121个，分析获得土壤Cr元素及SOM，N，P，K2O，SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO，Na2O和pH等理化参数，建模方法采用偏最小二乘法。Cr的赋存规律分析结果表明，Cr在两个研究区均表现为与Al2O3，Fe2O3，MgO，K2O和pH呈极显著的正相关关系，与SiO2，Na2O和SOM呈极显著的负相关关系，该特征为间接反演模型的建立提供了基础。两个地区Cr的光谱特征分析结果共同表明，光谱反射率经变量标准化（SNV）变换后与Cr含量的相关性最明显，特征波段为1 520，2 195，2 210和2 225 nm。将光谱SNV变换后的特征波段作为纯光谱模型自变量，将SNV特征波段和上述与Cr密切相关的土壤组分作为间接反演模型的自变量，建模结果显示，相比于纯光谱模型，建三江研究区的间接反演模型将建模R2由0.643提升到了0.751，验证R2由0.571提升到了0.687，海伦研究区的间接反演模型将建模R2由0.537提升到了0.676，验证R2由0.471提升到了0.643，间接模型相应的均方根误差（RMSE）也得到了降低，可见间接反演模型明显提升了Cr的反演精度。两个研究区之间的模型迁移性实验结果表明，纯光谱模型的可迁移性较差，模型迁移后实测与预测值的回归R2接近于0，而间接模型在两个研究区间的迁移能力得到了显著提升，海伦的间接反演模型应用到建三江时，实测与预测值的回归R2达到0.597 5，而建三江的间接模型应用到海伦时，回归R2为0.577 3。研究结果可为土壤Cr在不同地区的大范围反演制图提供一种新的途径。


2021 Vol. 41 (05): 1617-1624                              [摘要]                              (49 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2344 KB)                                                                                           (                                31                               )

 

1625基于PCA的土壤Cd含量高光谱反演模型对比研究                                                            

郭 飞1, 2，许 镇3*，马宏宏1, 2，刘秀金1, 2，杨 峥1, 2，唐世琪1, 2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1625-06
土壤重金属污染对人类健康造成了极大的威胁，如何快速摸清土壤污染情况尤为重要。高光谱遥感具备光谱分辨率高，快速无损等优势，使其在土壤组分反演方面具有巨大的潜力。针对高光谱信息冗余及光谱变换对土壤镉（Cd）含量估算的影响进行分析，并利用变换前后的高光谱数据对比研究了不同高光谱模型对土壤Cd含量反演的性能。首先利用等离子体质谱法和FieldSpec4地物光谱仪收集了56组土壤样品的Cd含量和对应的高光谱曲线（350～2 500 nm）；为了弱化光谱测定中光亮变化和土壤表面凹凸对实验结果的影响，研究对高光谱数据进行倒数对数预处理；考虑到高光谱数据中存在大量的信息冗余，研究采用了主成分分析（PCA）对高光谱数据进行降维处理并最终保留了前12个主成分量作为特征变量。针对高光谱反演模型，研究选择了偏最小二乘（PLSR）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）四种回归模型建立PCA主成分与Cd含量之间的关系；最后，研究选取了决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和RPD三种精度评估指标评估回归模型的拟合精度，结果表明针对光谱采用PCA波段降维的方法处理后，选取的12个主成分对变化前后的光谱累计贡献率均达到99.99%，作为模型的输入变量，四种模型均具有一定的预测能力。无论光谱变换与否，PCA-RF反演模型的预测能力均为最好（R2分别为0.856和0.855，RPD均高达3.39）。利用PCA对高光谱数据降维处理可以有效降低高光谱数据冗余，有力的保证模型的预测能力。以PCA筛选出的主成分量可以作为模型极好的输入变量，以RF为基础的高光谱反演模型在反演土壤Cd含量时具有最佳效果，可为该区域及类似地区的土壤重金属污染物反演提供新的方法支撑。


2021 Vol. 41 (05): 1625-1630                              [摘要]                              (59 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3937 KB)                                                                                           (                                53                               )

 

1631基于卫星高光谱遥感的2007年—2017年新疆地区大气NO2时空变化趋势分析                                                            

苏锦涛1，张成歆2*，胡启后3，刘浩然4，刘建国3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1631-08
自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》等大气综合治理政策以来，我国东部地区大气颗粒物等重要污染物得到了有效控制。伴随着我国能源政策的变化，西北地区在加大能源开发力度的同时，大气污染亦呈现加剧趋势，但在之前的研究中未得到重视。卫星遥感的监测手段较地面观测具有不受地域限制，观测时间长，观测污染物种类多等优势。其中，星载紫外-可见高光谱仪OMI自2005年在轨运行，在大气污染的时空变化趋势探测、排放源估计以及模式的同化和验证等科学应用中得到广泛应用。中国科学技术大学的卫星对流层NO2柱浓度产品，通过对OMI原始测量光谱的二次标定和气体反演算法的关键优化，在与地基观测的结果对比验证中呈现良好的相关性，适合用于我国高气溶胶背景下的大气污染分析。结合中国科学技术大学OMI NO2数据产品，我国新疆地区大气NO2污染的时空分布特征得以表征。在2007年—2017年期间，新疆地区的NO2污染集中分布于北疆，其中“乌鲁木齐—昌吉—石河子”城市群（乌昌石地区）与新疆总体NO2水平月变化相关性很强（相关性系数r=0.942，p-value<0.01）。新疆NO2年际变化存在明显阶段性特征，与相关政策以及能源行业排放变化相符：2007年—2010年变化趋势不明显，2014年较2010年总体年平均浓度增长18.5％，其中乌昌石地区增长41.3％；2017年较2014年总体平均浓度下降26.4%，乌昌石地区下降42.8%。乌昌石地区由于石油化工企业，经济开发区等分布密集，成为NO2污染的聚集区，与乌鲁木齐市，昌吉市NO2变化具有强相关性（r=0.982，p-value<0.01；r=0.951，p-value<0.01）。受采暖时期排放以及特殊气象条件控制，乌昌石地区NO2污染峰值为12月，冬季污染尤其显著；在2007年—2016年采暖期间（每年10月—次年4月初），乌昌石地区NO2水平有显著上升趋势（显著性水平α=0.01），在未来大气治理中需要格外关注。


2021 Vol. 41 (05): 1631-1638                              [摘要]                              (79 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4325 KB)                                                                                           (                                47                               )

 

1639地物光谱仪测量中的温湿度影响                                                            

吴志峰，李 玲，代彩红，王彦飞，谢一航，程秋桐


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1639-05
地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要，可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性，从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础，对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标，一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移，另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大，都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下，实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时，波长位置并未发生改变；而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时，光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%；同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%，2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时，测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长，对其他波长影响很小；光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系，环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时，根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度，可以进行光谱数据修正。最后，实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度，采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致，全谱段的差异几乎都小于0.2%，表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。


2021 Vol. 41 (05): 1639-1643                              [摘要]                              (55 )                                                                                           RICH HTML    PDF (2771 KB)                                                                                           (                                22                               )

 

1644LED照明系统的光谱组成对糖脂代谢的影响                                                            

范晓静1,2, 陈德福3, 曾 晶2, 梁昕悦1,2, 徐轶煊1,2, 邱海霞2*, 顾 瑛2,3,4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1644-08
哺乳动物昼夜节律系统对不同光谱组成敏感性不同。时差光照模式可导致昼夜节律紊乱进而增加患代谢性疾病的风险。然而，光谱组成是否影响时差光照模式的代谢效应尚不明确。采用昼夜节律系统敏感性显著不同的窄带LED光照（蓝光和红光波段）和宽带LED白光，分析光谱组成对时差光照模式下小鼠糖脂代谢功能的影响，并与正常光照模式进行比较。光照强度均采用120 μW·cm-2。结果显示白光时差组小鼠体重增加最多。红光时差组小鼠出现严重脂质代谢紊乱，并伴有肝功能受损。白光下时差光照会显著降低葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，而红光和蓝光能阻碍时差光照引起空腹血糖升高。研究表明调整光谱组成可能改善时差光照模式对糖脂代谢的不良影响。


2021 Vol. 41 (05): 1644-1651                              [摘要]                              (46 )                                                                                           RICH HTML    PDF (4509 KB)                                                                                           (                                26                               )

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  2021 Vol. 41 (05): 1652-1660                              [摘要]                              (44 )                                                                                           RICH HTML    PDF (3616 KB)                                                                                           (                                42                               )

 1652基于神经免疫生长可免域网络的红外光谱图像分割算法                                                            

周子杰1，张宝峰2*，于 晓2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1652-09
管道运输对远距离输送石油天然气有着较大优势，而与之伴随的管道安全问题使得管道安全检测至关重要。为确保任何时间下管道状况的有效检测，红外成像技术由于其根据对象的热辐射信息反映目标特征的特殊性，能够忽视可见光的影响检测管道状态，因而在管道检测领域有重要意义。但由于户外环境的多样性，交错的管道和复杂环境使得采集的红外管道图像具有目标特征分布不均匀，目标遮挡和背景类目标干扰等问题。这些问题增加了提取管道目标的难度，不利于管道的分割和检测。生物免疫系统在抗原检测、提取和消除上表现出识别、学习、记忆、耐受和协调配合等目前复杂系统优化策略所缺乏的优异特性，借鉴生物神经系统调控免疫系统的机理，设计一种基于神经免疫网络的复杂背景下红外管道目标的检测与提取算法。根据生物神经网络在免疫系统中的调控机制，利用基础管道形状特征模型构建用于红外管道目标定位的神经网络，并将最优神经免疫可免域和区域种子生长结合，解决管道遮挡影响提取目标完整性的问题。选择三种典型的红外管道图像，将传统目标检测算法与基于神经免疫网络的算法进行了效果对比分析。结果表明，传统算法的平均真阳性率为40.56%，Jaccard相似性指数为27.18%，绝对误差率为11.75%，而基于神经免疫网络算法的真阳性率为98.05%，Jaccard相似性指数为94.44%，绝对误差率为1.18%。对比可知，神经免疫网络算法的真阳性率比传统方法高57.49%，绝对误差率则低10.57%，验证了复杂背景下，本文算法相比传统方法能够更加准确地提取完整的红外管道目标，这对管道安全检测效率的提高有着重要意义。



     论文
 

1329X射线光谱在文物无损分析中的研究进展                                                            

周 越1, 2，闫灵通1，李 丽1，孙合杨1，冯向前1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1329-07
文物遗存是人们认识历史发展的重要依据，通过对它们的相关研究可以了解古人的生存方式、生产技能、人与自然的关系等。X射线光谱（X射线荧光光谱和X射线吸收精细结构谱）作为重要的无损分析方法，可以用来研究物质内部元素组成和特定元素近邻结构等信息，为文物的保护研究和价值认知等提供支撑，目前被广泛应用于各种古代物质遗存的研究工作中。对近些年X射线光谱在不同类型文物研究中的应用情况进行简要的总结和介绍。总的来看，X射线荧光光谱技术在古陶瓷、油画、青铜器的断源断代研究方面发挥了重要作用，而基于X射线荧光光谱的成分数据库建设和X射线吸收精细结构谱在文物研究相关问题的深度介入是应用实践中的难点，也应是未来研究工作中的重要课题。


2021 Vol. 41 (05): 1329-1335                              [摘要]                              (97 )                                                                                           RICH HTML    PDF (998 KB)                                                                                           (                                156                               )

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