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《光谱学与光谱分析》2023年, 第43卷,第03期
发布时间:2023-05-18]
阅读次数:1935次
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| 665 | 电火花诱导击穿光谱技术的发展及研究应用分析 |
| | 郑丽娜1,2,宣 鹏1,黄 婧1,李佳林1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0665-09 |
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| 电火花诱导击穿光谱(SIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的物质浓度与成分的定性、定量分析技术。与传统的实验室分析技术如电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、原子吸收光谱(AAS)、质谱(MS)等相比具有实时、实地、在线快速检测、高灵敏度以及低成本、小体积、维护简单等优点。目前对该技术已有的研究集中在气溶胶成分分析、土壤成分分析、金属颗粒物浓度检测、水泥成分分析等方向,在环境监测、工业卫生、食品安全、生物医疗等领域都有广泛且良好的应用前景。从SIBS技术的基本原理入手,综述了其光谱分析的原理,即利用高压脉冲电源产生的电火花激发被测物体表面,使被测物体在电源正负极间产生等离子体,利用光谱仪光纤探头收集等离子体冷却过程中通过跃迁放出的光子与特征辐射谱线,由于不同元素具有独特的特征谱线,进而可以根据特征谱线对被测物质进行成分与浓度的定性和定量分析;接着分析了影响SIBS技术光谱图像和光谱分析的相关因素如脉冲电源参数、电极材料与入射角度和等离子体本身特性等,并定量地指出了部分因素与光谱信号强弱的关系;综述了该技术在发展过程中的一些技术革新和应用创新如激光+电火花诱导(LA-SIBS)、高重复频率激光烧蚀电火花诱导击穿(HRR-LA-SIBS)、超声波雾化+电火花诱导(UN-SIBS)、粒子流电火花诱导击穿(PF-SIBS)等,并简要说明了SIBS技术目前应用的一些领域、应用特点以及对该技术未来发展方向的启示;根据电火花诱导击穿光谱技术的原理缺陷以及在应用中暴露出来的一些问题,列出了该技术目前面临的挑战如设备技术成本、电火花能量、环境噪声、样品污染等;最后,对电火花诱导击穿光谱技术未来的研究方向和发展趋势进行了展望。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 665-673 [摘要] ( 55 ) RICH HTML PDF (4391 KB) ( 112 ) |
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| 674 | 长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究 |
| | 柳夏艳1,曹浩轩1,缪闯和1,李丽君2,周 虎1,吕贻忠1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0674-11 |
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| 为了研究长期施用堆肥对潮土剖面土壤水溶性有机物(DOM)的来源和组分特征的影响,研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的试验田为研究对象,利用三维荧光光谱技术研究了在长期施用高量生物堆肥(EMI)、常量生物堆肥(EMII)、高量传统堆肥(TCI)、常量传统堆肥(TCII)和化肥(CF)下不同深度土壤水溶性有机物在来源和组成的差异。研究结果表明,不同施肥处理的土壤水溶性有机碳(DOC)含量在土壤剖面的分布规律有较大差异,堆肥使0~20和60~80 cm土层的DOC分别显著提高了81.94%~171.33%和61.18%~152.18%。荧光光谱指数表明,DOM来源为微生物和植物混合源,堆肥施用量的增加使DOM腐殖化程度加强,造成表层土壤中DOM由陆源向生物源迁移,随着土壤深度的增加,DOM由陆源向生物源迁移。三维荧光光谱和荧光区域积分表明,生物堆肥和传统堆肥增加了类腐殖酸物质的含量,且随着施用量的增加而增加;高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量;施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。类腐殖酸含量、类富里酸含量和类溶解性微生物代谢产物数量随着土壤深度的增加整体呈降低趋势;类酪氨酸随着土壤深度的增加呈增加趋势;类色氨酸随着土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势,且在20~40 cm含量最高。相关性分析表明,全磷(TP)、全氮(TN)、阳离子交换量(CEC)、速效钾(AK)、有机碳(SOC)和DOC等土壤理化指标与类酪氨酸物质呈显著负相关,与类富里酸、类溶解性微生物产物和类腐殖酸含量呈显著正相关,硝态氮(NO-3-N)、TN、pH、SOC与类色氨酸物质呈显著正相关。总之,长期施用堆肥增加了潮土表层DOM的含量,显著改变了土壤中DOM的组成和剖面上的分布特征。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 674-684 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (27350 KB) ( 53 ) |
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| 685 | 近红外光谱技术在食用油掺伪检测中的研究进展 |
| | 吴成招1,王一韬1,胡 栋1,孙 通1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0685-07 |
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| 食用油是日常饮食的必需品,可以为人体提供热能和脂肪酸,是促进脂溶性维生素吸收的重要有机物。随着人们生活水平的提高,高档食用油已走进大众百姓的餐桌,并深受欢迎和喜爱。由于高档食用油市场售价高,一些不法厂商为牟取暴利,在高档食用油中掺入廉价食用油进行出售,导致食用油掺伪事件时有发生,已引起政府和民众的广泛关注。为保障消费者的合法利益和维护正常的食用油市场秩序,快速有效地检测食用油掺伪已刻不容缓。近红外光谱技术以其简便、快速、无损、无需样品预处理的特点,被广泛应用于食用油掺伪分析。概述了近红外光谱技术的基本原理,综述了近十年来近红外光谱技术在橄榄油、山茶油、芝麻油、核桃油等食用油的掺伪检测研究进展,包括采用不同的试验装置与试验方法、数据处理方法包括预处理、特征波长选择及建模方法,对二元、三元及多元食用油掺伪进行检测研究,从试验方法及数据处理等角度提高食用油掺伪检测的精度与适用范围,以期建立较为有效的食用油掺伪定量检测与定性鉴别模型。总结了食用油掺伪近红外光谱检测目前存在的问题,包括食用油掺伪检测机理不明晰,制备的掺伪食用油样本难以满足实际的复杂掺伪形式,采用取样方式的掺伪检测仅能实现现场部分抽检,及未建立食用油掺伪检测的统一标准规范。展望了今后的发展趋势,指出近红外光谱技术与其他快速检测技术融合获取更精准、可靠的检测模型,与物联网和大数据相结合构建食用油近红外光谱数据库,实现光谱数据的共享、掺伪检测模型的在线升级与远程更新,将是未来的发展方向。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 685-691 [摘要] ( 49 ) RICH HTML PDF (871 KB) ( 99 ) |
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| 692 | 基于共焦LIBS技术结合机器学习的矿石分类识别方法 |
| | 苏云鹏,贺春景,李昂泽,徐可米,邱丽荣,崔 晗* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0692-06 |
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| 矿物分类与识别是地质研究领域的重要内容,对地质勘探和环境演化的研究具有重要意义。然而,传统的矿石分类识别方法依靠专业人员通过矿石的外形及物理性质进行人工鉴定,主观性强,准确率低,激光诱导击穿光谱技术(LIBS)由于其元素“指纹”特性、灵敏度高以及快速在线检测的特点,非常适合用于地质研究领域。利用共焦激光诱导击穿光谱技术与机器学习结合,提高了矿石分类识别的精准度,利用共焦LIBS系统获得8种天然矿石样品(金矿、铜矿、银辉矿、赤铁矿、铝矿、方铅石、磷灰石以及闪锌矿)的光谱数据,采用主成分分析方法(PCA)对数据进行降维处理,并对降维后的数据采用线性判别分析(LDA)、最邻近规则(KNN)以及支持向量机(SVM)三种方法进行特征谱线的高精准分类识别。首先,采用标准铜片作为样品,对比了非共焦LIBS系统和共焦LIBS系统的稳定性及其对PCA主成分累计贡献率的影响,结果表明与非共焦LIBS系统相比,共焦LIBS系统的稳定性提升了63.75%,主成分累计贡献率提高了17.81%;然后,采用共焦LIBS系统获取上述8种矿石样品的光谱信息,并进行去噪等预处理,采用PCA对矿石特征数据进行提取,并保留累计贡献率达到99.4%的前10维特征空间;最后,将特征数据分别与LDA,KNN以及SVM结合构建分类模型,进行种类识别。结果表明,PCA方法与LDA和KNN方法结合的分类准确度分别为95.78%和92.58%,而与SVM相结合的方法,准确率可达到97.89%。因此,采用共焦激光诱导击穿光谱技术与PCA和SVM相结合的方法,可为地质勘探和矿物识别领域提供一种快速、高准确度的分类识别方式,具有广阔的应用前景。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 692-697 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (17371 KB) ( 62 ) |
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| 698 | 数字正交锁相解调算法在可调谐激光光谱密封药瓶水汽浓度测量中的应用 |
| | 彭 伟,杨生威,何天博,俞本立,李劲松,程振彪,周 胜*,蒋童童* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0698-07 |
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| 密封药瓶内的药物在储存过程中,时常会因为保存方式不当,产品质量不合格等问题导致其气密闭性变差,极易与空气中的各种气体发生化学反应引起药品变质,影响其正常使用。因此,可以通过药瓶内部各种气体浓度的测量及时反映出药品的储存状态。其中水汽(H2O)是空气中的常见气体且极易与药品产生反应,药瓶中H2O浓度的测量是判断瓶内药物是否变质的重要依据之一。实际检测药瓶内水汽浓度的传统方法或通常需要直接接触到样品才能做出判断,很难做到无损检测,样品处理过程较为繁琐,耗时耗力,难以实现对大量药瓶的实时无损测量,所以需要一个实时快速非接触式检测容器密封性的方法。为了高效检测并实时监控密封药品存储容器(药瓶)内的水汽浓度,提出了一种可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的数字正交锁相解调算法,并对该算法的可行性及有效性进行了实验验证。药瓶采用长12 cm宽9 cm高64 cm的可透光聚乙烯(PE)材质;中心波长为1 391 nm的分布式反馈(DFB)激光器作为光源,搭建了基于数字正交锁相解调算法的TDLAS药品检漏测量系统,以数字锁相解调代替了传统的锁相解调并且研究了不同的调制深度、采样率对解调出的二次谐波信号(WMS-2f)幅值的影响。在系统各项参数最优的情况下考察了不同光功率下WMS-2f信号稳定性,并通过拟合结果推演出其他未知水汽浓度的WMS-2f信号。研究结果表明:与常规锁相放大器解调算法相比,数字锁相解调可编译性强,系统结构更为紧凑,成本更为低廉。Allan方差分析显示在160 s内的状态下,水汽检出限为18 ppm,验证了该方法的稳定性与可靠性。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 698-704 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (4838 KB) ( 17 ) |
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| 705 | 基于多元极值优化的多光谱温度测量方法 |
| | 张 璇1,曾朝斌1,刘娴雅1,陈 平1,2,3*,韩 焱2,3 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0705-07 |
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| 多光谱测温依据黑体辐射定律,通过辐射光强、多组波长即能推测出温度值,克服了比色测温要求光谱单一和比色光谱相近的约束,在工程实际中得到了广泛的应用。在多光谱温度反演的过程中,光谱发射率的求解及多光谱数据处理是精确测温的关键。目前,光谱发射率的求解大多以光谱发射率假设模型为主要的方法,当假设模型与实际情况接近时,反演的温度与光谱发射率精度很高,当二者不相符时,反演的结果与实际情况相差甚大,对于复杂材料和燃烧过程中材料性能动态变化情况下的测温,以光谱发射率假设模型的方法存在盲目性;近年来,基于神经网络的深度学习的方法应用于多光谱测温,避免了光谱发射率假设模型,可建立温度与多光谱的非线性统计规律关系,但需要海量数据与超强算力支撑,且建模过程复杂。针对上述问题,提出了一种基于多元极值优化的多光谱温度测量方法(MEVO),该方法利用不同温度下多光谱信号之间的关联性,通过分析在多光谱温度反演过程中各通道测量温度之间的联系,基于多光谱辐射测温原理以及温度反演过程中各通道数据之间的信息关联,建立多元温差关联函数,通过关联函数的寻优,建立高精度测温模型。该方法将建模过程简化为多元温差函数的寻优问题,避免了光谱发射率与其他物理量的关系假设,降低了深度学习方法对数据样本量的要求,简化了多光谱温度测量的过程。为了验证该方法的可行性与可靠性,利用一套简单的8通道多谱测温装置进行实验验证,实验中认定黑体炉发射的温度是标准值,在1 923.15~2 273.15 K温区内对468~603 nm波段的光谱数据进行标定,实现了基于多元极值优化的多光谱温度测量,其测温精度在0.5%左右,温度反演时间在2.5 s以内。与二次测量法(SMM)、神经网络方法相比反演精度有所提高;反演速度与SMM法相比有大幅度提升。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 705-711 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (5751 KB) ( 28 ) |
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| 712 | 基于新型样品池的液体拉曼光谱增强方法研究 |
| | 司赶上1,2,刘家祥1,李振钢1,2,宁志强1,2,方勇华1,2*,程 真1,2,斯贝贝1,2,杨长平1,2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0712-06 |
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| 拉曼光谱技术在液体检测方面具有诸多优点,如多组分同时探测、非接触、检测周期短、分子指纹特性等,已成功用于多个领域的样品分析,但是较低的探测灵敏度制约了该技术的进一步发展。为了提高液体样品拉曼光谱探测灵敏度,文章报道了一种基于新型液体样品池的拉曼光谱增强方法。该方法在传统比色皿底端加入一个凹面反射镜,一方面可以使作用于样品后的激光再次反射聚焦重新作用于样品,另一方面凹面反射镜可以使拉曼光谱探测装置同时收集前向与后向拉曼散射信号,相较于传统拉曼光谱技术该方法可提高液体拉曼探测灵敏度。首先理论分析了影响拉曼散射强度的因素以及在非偏振光激发下拉曼散射信号强度与收集角度之间的关系,得出结论:当收集角度相较于光源传播方向为前向或后向时(即0°或180°)拉曼散射强度最大,为样品池的设计提供理论基础。进一步设计并制作了一种新型样品池,采用UV胶将镀银凹面反射镜(直径12.5 mm,焦距10 mm)与石英管(外径12 mm,壁厚1 mm,长度30 mm)粘合形成新型液体样品池。为了验证新型样品池的效果,搭建了785 nm拉曼探头装置并开展了相关实验研究,对三种典型的液体样品(75%乙醇、异丙醇、甲醇)进行探测并与传统比色皿的探测效果进行对比,结果表明:新型样品池对不同液体样品探测灵敏度均有明显的增强,增强因子近4倍。为了分析新型样品池制作方法的重复性,制作了3个样品池,实验对比了三个样品池的探测效果,并对其结果进行分析。为了验证该方法对低浓度样品的探测能力,对稀释20倍的75%乙醇溶液进行探测,利用新型样品池可获得样品的拉曼光谱信息,而传统拉曼光谱技术无法获得有效的拉曼信号。上述结果表明报道的新型样品池具有结构简单、适用范围广的优点,且可有效提高液体拉曼光谱探测灵敏度。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 712-717 [摘要] ( 40 ) RICH HTML PDF (5479 KB) ( 19 ) |
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| 718 | 基于闪光光谱的侵彻过程光学观察窗口分析 |
| | 司 宇1,刘 吉1*,武锦辉2,赵 磊1,闫晓燕2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0718-06 |
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| 可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式,然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、侵入等时刻的关键画面。因此,分析侵彻光谱发生机理、选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s-1侵彻20 cm厚度45#钢靶的实验,设计了光谱瞄准采集设备。利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱,采集区覆盖靶板直径431 mm。对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析,并与侵彻积分光谱成分对比分析。研究表明,侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同,均包含连续光谱与线光谱。615~700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成:(a)弹靶少量金属元素和O Ⅰ、O Ⅱ发射光谱的展宽积分;(b)少量热辐射光谱积分。侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功,然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱,这是弹丸在剪切冲塞、侵彻后大部分动能得以保留造成的;侵彻过程可见光光谱具有明显原子发射谱线,主要来自于金属原子及其一级电离的发射光谱。干扰最强的可见光成分来源于588.88~589.53和766.41~766.43 nm的FeⅠ等离子体线光谱,且由于斯塔克展宽效应,线光谱呈洛伦兹线型,其FWHM(full width at half maximum)可达27 nm。因此,在野外环境侵彻实验中,当Fe为弹靶主要成分时,380~450 nm为可见光高速摄影的最佳观察窗口,可以避免侵彻发光干扰,实现对侵彻全过程拍摄。考虑到大气对该波段的散射影响,应保证高速摄影设备的光通量。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 718-723 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (7865 KB) ( 5 ) |
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| 724 | 基于高光谱成像技术识别番茄干旱胁迫 |
| | 贺 露1,万 莉2,高会议2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0724-07 |
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| 番茄果实营养丰富备受人们喜爱。番茄生长周期长,需水量大,水分含量是影响番茄植株生长发育的主要因素;快速发现番茄植株水分亏缺状态,对于科学有效地进行番茄的灌溉管理,保障和提高番茄的产量和品质具有重要意义。利用高光谱成像技术,实时识别番茄叶片干旱胁迫程度,提出了一种基于高光谱成像技术的番茄叶片干旱胁迫的识别方法。首先,选取红樱桃番茄为实验品种,在室内培养12盆番茄幼苗。在保证其他管理措施相同的基础上,通过控制施水量来控制番茄的胁迫状态,干旱胁迫程度设计3个处理(适宜水分、中度和重度胁迫)。分批次采集不同干旱程度番茄幼苗嫩叶在400~1 000 nm范围的高光谱图像,并提取了每个样本的光谱和纹理特征。使用标准化(Norm)、多元散射校正(MSC)、一阶导数(1st)和标准正态变量变换(SNV)四种预处理方法对光谱数据进行预处理去除光谱中的噪声。使用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)以及竞争性自适应重加权算法结合连续投影算法(CARS-SPA)选取光谱重要特征波段,用灰度梯度共生矩阵(GLGCM)提取番茄叶片的纹理特征,用SPA选择纹理特征的重要变量。融合重要光谱特征与重要纹理特征结合支持向量机(SVM)构建识别番茄干旱胁迫模型,同时选用自适应增强算法(AdaBoost)与K-近邻(KNN)与SVM模型对比。结果表明,融合重要光谱特征与重要纹理特征后,基于CARS-SPA波长选择的SNV-SVM模型具有最好的分类效果,训练集的分类准确度(ACCT)为94.5%,预测集的分类准确度(ACCP)为95%,AdaBoost模型分类效果次之ACCT为86.5%,ACCP为87%,KNN模型分类效果最差ACCT为81.5%,ACCP为79%。因此,该方法对番茄叶片干旱胁迫程度实时识别有较好的效果,可为构建智能化的干旱胁迫分析技术提供参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 724-730 [摘要] ( 52 ) RICH HTML PDF (3453 KB) ( 48 ) |
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| 731 | 卷积神经网络的紫外-可见光谱水质分类方法 |
| | 陈 庆1,汤 斌1,2*,龙邹荣1,2,缪俊锋1,黄子恒1,戴若辰1,石胜辉1,赵明富1,钟年丙1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0731-06 |
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| 水质污染源的及时精确定位和精细化的污染防治措施是打赢水污染防治攻坚战的迫切需求,为解决地表水实际水样高锰酸盐指数准确分类的实际问题,以光谱降噪和光谱有效信息提取为切入点,根据紫外-可见光谱数据的特点,提出使用一维卷积神经网络处理紫外-可见光谱数据。为验证检测一维卷积神经网络对地表水光谱信号分类的可行性,选取长江的某段流域作为取样点。采集当天的长江上游水、某河水、嘉陵江水,生活污水、500 mg·L-1邻苯二甲酸氢钾溶液来模拟污染水源。将几种水样按不同的配比来模拟当天该流域的水污染变化情况。采集现有的单一水样及混合配比水样的光谱数据,根据各类水样的特征光谱信息进行区分,实现地表水高锰酸盐指数的预测分类,快速确定异常水样的污染来源,通过仿真实验,优化模型参数并完成优化训练。与K最邻近法、支持向量机等传统分类方法相比,该算法在光谱预处理复杂度和定性分析准确度方面有较大优势,在没有复杂的数据预处理前提下,将获取的350条光谱数据建立水质分类模型,随机选择其中245条数据作为训练集,另105条数据作为测试集,模型的混淆矩阵分类精度达99.0%。不仅简化了整个光谱分析流程,而且能保留更多的有效光谱信息,减小人为预处理对紫外-可见光谱数据的影响,实现地表水高锰酸盐指数的准确分类。实验结果表明该方法可对不同水体水样进行准确分类,快速定位污染源,为无法激发荧光的污染物溯源提供了科学依据,为与三维荧光技术辅助配合快速精确定位地表水污染源提供了可能,同时表明了深度学习在紫外-可见光谱法测量实际水样领域有着巨大的应用潜力和研究价值。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 731-736 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (3573 KB) ( 40 ) |
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| 737 | 基于SG-CARS-IBP的圣女果可溶性固形物可见/近红外光谱无损检测 |
| | 张 伏1,2,3,曹炜桦1,崔夏华1,王新月1,付三玲4*,张亚坤1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0737-07 |
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| 圣女果可溶性固形物(SSC)含量对圣女果内部品质影响至关重要,但基于高光谱成像及介电性质特征的SSC检测技术存在局限性,且目前鲜见圣女果SSC无损检测模型。为实现圣女果SSC的无损检测,提出基于圣女果可见/近红外光谱特征的SCC预测模型构建,及改进的BP神经网络算法研究,以期解决圣女果内部品质的快速无损检测。以圣女果为研究对象,试验样本188个,将其划分为训练集150个和测试集38个,采用可见/近红外光谱采集系统获取350~1 000 nm范围内的圣女果表面反射强度,经光谱校正得样本反射率,为增强信噪比,截取481.15~800.03 nm范围内的光谱波段作为有效波段进行分析。通过对比三种预处理模型,对有效波段进行SG平滑(Savitzky-Golay Smoothing)预处理,建立BP神经网络预测模型,测试集决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.578 5和0.563 9;在此基础上,对BP神经网络的网络结构进行改进,寻求BP神经网络最优预测结构,计算输出层与期望值间误差,调整网络结构参数,将隐含层学习率和神经元个数分别设置为0.01和5,建立改进的BP神经网络模型(SG-IBP),测试集R2和RMSE分别为0.981 2和0.102 3;通过竞争自适应重加权采样算法(CARS)筛选出18个特征波段,测试集R2和RMSE分别为0.997 8和0.047 9,同时检测速度显著提升。研究结果表明:经过改进的BP神经网络模型性能明显提高,通过CARS提取特征波段后,测试集R2提高了0.419 3,RMSE降低了0.516,检测速度明显提升。采用CARS提取特征波段的改进BP神经网络模型(SG-CARS-IBP)具有明显的优越性,SG-CARS-IBP模型较为适合圣女果SSC无损检测研究。该研究可为圣女果SCC的高效无损检测提供参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 737-743 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (9652 KB) ( 31 ) |
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| 744 | 降维降噪处理对番茄早疫病潜育期高光谱识别效果的影响 |
| | 胡 政1,张 艳1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0744-09 |
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| 番茄早疫病感染性强、破坏性大,潜育期症前特征的检测识别是番茄早疫病监测预警和科学防治的关键。在实验室以离体番茄叶片作为研究对象,利用高光谱图像监测番茄叶片早疫病的病程演变情况,结合可见光图像和光谱特征进行数据分析。实验发现,番茄叶片感染早疫病后其近红外光谱平均值和红边反射率随着时间不断降低,且在接种36 h时已出现潜育期病症信息。选择接种36 h的光谱数据作为番茄早疫病潜育期的建模数据,分别利用了主成分(PCA)变换、多元散射校正(MSC)对建模数据进行光谱降维或降噪处理,进而建立梯度提升决策树(GBDT)和支持向量机(SVM)识别模型,并导入数据进行训练识别。讨论了PCA和MSC的预处理方法对梯度提升决策树(GBDT)和支持向量机(SVM) 模型识别效果的影响;进一步讨论常见核函数对SVM识别模型的影响,优选出预处理方法和识别模型的组合算法。结果发现,PCA-GBDT、PCA-SVM(高斯核)、PCA-SVM(线性核)、MSC-GBDT、MSC-SVM(多项式核)这几类组合算法准确率均为95%以上,能很好的实现番茄早疫病潜育期的光谱识别;其中MSC-GBDT的识别召回率和准确率最好,而PCA-SVM(高斯核)识别效率最高。研究表明,通过降噪处理后的番茄早疫病潜育期高光谱数据减少了噪声、更加符合真实的分布、具有较大的可信数据量,配合简单的识别模型会导致识别能力不足,而配合复杂的识别模型可达到一个较可靠的测试结果;通过降维算法能使番茄早疫病潜育期高光谱数据的维度降低、数据量减少;降维后的特征能够表达出病变信息,配合简单识别模型时识别效果好,而配合过于复杂的识别模型会导致识别模型的过拟合。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 744-752 [摘要] ( 20 ) RICH HTML PDF (11651 KB) ( 21 ) |
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| 753 | 基于改进的反向匹配的拉曼光谱识别方法研究 |
| | 薛文东1*,陈本能1,洪德明1,杨振海1,刘国坤2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0753-07 |
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| 针对传统的反向匹配方法中存在的强弱峰权重差异和噪声峰的干扰问题,提出了改进式反向匹配方法,通过引入权重衰减函数来优化强峰和弱峰之间的权重占比关系,使得谱图中各特征峰的权重分布在合理的范围内,避免了强峰权重掩盖弱峰的情况;通过概率分布函数动态滤噪的方法,实现了噪声峰的自适应过滤,从而提升了反向匹配方法的识别性能。实验以大量的常规拉曼和表面增强拉曼的谱图为验证样本,基于大型常规拉曼与表面增强拉曼数据库进行拉曼谱图识别验证。实验表明该方法在大量数据测试下综合准确率达到91.52%,相比于命中质量指数方法(51.08%)和传统的反向匹配方法(16.57%)有大幅度的提升。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 753-759 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (5353 KB) ( 20 ) |
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| 760 | 以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源 |
| | 刘瀚洋1,邢成志3*,季祥光4,林继楠3,赵春晖3,魏少聪2,张成歆2,刘浩然5,谈 伟3,刘 诚2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0760-07 |
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| 觉华岛是辽东湾最大的岛屿,研究其污染物浓度分布特征以及潜在来源对于认识近海污染物传输效应具有较强的代表性意义。该研究于2020年10月1日至2021年6月30日期间在觉华岛怪石滩(120.78°E,40.48°N)基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对大气气溶胶、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)垂直廓线开展了连续监测,具体分析了不同海拔高度上污染物浓度的季节变化特征及潜在来源。通过将地基MAX-DOAS观测结果和TROPOMI卫星数据结果进行对比,发现两者变化趋势具有良好的一致性,相关系数可达0.82。观测结果表明,觉华岛地区污染物浓度具有明显的季节变化特征,具体表现在秋冬季节NO2和SO2的平均浓度值分别为14.5×1015与16.6×1016 molec·cm-2,比春夏季分别高出约84%和88%。NO2和SO2垂直廓线结果显示秋冬季污染物具有明显的垂直分布和日变化特征,具体表现为NO2高浓度主要出现在10:00前及15:30—17:30间0~400 m的高度;SO2高浓度主要出现在10:00前及16:00左右0~500 m的高度。气溶胶高值秋冬季主要出现在10:00前与16:00后400 m以下的高度,春夏季全天保持高浓度,尤其在11:00左右和17:00后。结合气团后向轨迹和潜在来源分析的方法判断NO2与SO2在秋冬季的高浓度值主要受到京津冀地区工业污染和机动车排放的传输贡献和辽东湾船舶排放的传输影响,而气溶胶大多来自山东半岛的生物质燃烧传输。结果表明,觉华岛地区的污染物浓度变化特征与大陆及周边海域污染物的传输作用密切相关。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 760-766 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (15855 KB) ( 9 ) |
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| 767 | 激光吸收光谱气体检测中的干扰因素分析和温度校正方法研究 |
| | 张乐文1,2,王前进1,3,孙鹏帅1,庞 涛1,吴 边1,夏 滑1,张志荣1,3,4,5* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0767-07 |
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| 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性,选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体,设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14~1 100 ℃)的气体吸收光谱检测实验,与HITRAN数据库中光谱参数进行对比,并对结果进行校正和分析。同时,以探测信号有效扫描区域的线性度、标准差和残差平方和等参数为依据,分析了不同材质的窗片对高温实验的影响,通过升降温实验数据的分析,选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。经过对标准浓度的CO进行高温实验,发现随着温度的升高,二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势,符合理论公式的变化规律。经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性,实现了热背景下光谱检测的校正,验证了变温时2f幅值校正的准确性。该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考,尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 767-773 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (4616 KB) ( 17 ) |
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| 774 | 层间约束下三维块匹配的双能CT多成分分解 |
| | 孔 霞1,2,潘晋孝1,2,赵晓杰2,陈 平2*,李毅红1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0774-07 |
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| 双能CT利用两组不同能谱下的衰减信息,准确分割两种基材料。在实际应用中,物体内部材料结构复杂、组分多元化,想了解其内部结构信息往往需要获取三种及三种以上基材料图像。常规CT是连续混合谱束,获取的投影信息与单能重建算法不匹配,重建图像中各基材料的衰减系数存在误差。由于工业领域材料的密度普遍较大, 所以重建图像中基材料的噪声更严重,影响各组分表征准确度,尤其对于衰减系数接近的材料区分难度更大。为实现双能数据分解得到多幅高质量基图像,除了重建图像本身存在的噪声影响外,材料分解模型中系数矩阵的选取也十分重要。然而重建图像中的衰减系数值与理论衰减系数值存在偏差,重建图像中密度接近的不同材料的衰减系数相近甚至相等,导致待分解像素的材料三元组选取错误,降低了材料分解精确度。因此,提出一种在层间约束下的三维块匹配多成分分解方法。该方法引入有质量体积守恒和每个像素至多包含三类材料约束的多材料分解模型,将三维结构相似性信息加入到像素材料成分选取中,利用三维结构信息进行约束求解达到降低噪声污染的目的,获取大致分解的初始基图像;再利用三维块匹配方法对初始基图像进行匹配,对各基材料图像进行三维特征约束分类,分类后选取含有该类基材料的最优材料成分三元组进行多材料分解,得到更准确的组分表征图。金属纯模体和花岗岩两组实验中,与已有方法的结果图进行对比,层间约束下三维块匹配分解方法对衰减系数接近的工业材料的识别更准确,各组分表征图结构更完整,图像质量更好,细节处理也更精确。金属纯模体实验中的定量分析表明,相比已有方法,该方法的PSNR值和SSIM值分别提高了5%~6%和31%~35%。验证了该算法的有效性和鲁棒性,在常规CT系统下实现了更精确的多成分分解。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 774-780 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (11363 KB) ( 14 ) |
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| 781 | 唐三彩烧制工艺的无损分析研究 |
| | 邵金发1,李融武2,潘秋丽1,程 琳1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0781-07 |
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| 唐三彩是我国重要的文化遗产,分析其胎体和釉料的化学成分和物相结构对研究其原料特点和烧制工艺具有重要意义。利用微束X射线荧光谱仪和X射线衍射谱仪无损分析陕西醴泉坊窑、河南黄冶窑和陕西省博物馆烧制的现代仿品等唐三彩样品。研究结果表明,醴泉坊窑唐三彩和黄冶窑唐三彩的原料来源于不同类别的黏土。醴泉坊窑和黄冶窑烧制的唐三彩胎料中主要含有大量α-石英(SiO2, PDF 46-1045)和少量的方石英(SiO2, PDF 76-0932)等晶相,但醴泉坊窑和黄冶窑烧制的唐三彩胎料中还分别存在少量α-Fe2O3 (Fe2O3, PDF 16-0653)和微量莫来石(3Al2O3·2SiO2, PDF 83-1881)等晶相。这表明二者原料来源和烧制工艺的不同导致其烧成胎料中矿物结构的差异。在唐三彩的釉彩中,着色元素Fe,Cu和Co充分熔融在铅熔剂里,且在黄釉和绿釉的交界处Fe与Cu相互交融。釉彩的XRD谱图表明,釉彩中主要存在非晶态的玻璃相和微量α-石英(SiO2, PDF 46-1045)晶相。同时,醴泉坊窑唐三彩绿釉中存在少量的Pb8Cu(Si2O7)3 (PDF 31-0464)晶相;黄冶窑唐三彩黄釉中含有大量的钙长石(CaAl2Si2O8, PDF 89-1462)晶相;现代唐三彩仿品黄釉中存在少量的α-Fe2O3 (Fe2O3, PDF 47-1409)晶相。这表明釉彩原料组成和烧制工艺的差异导致唐三彩釉彩中存在不同的矿物晶体。此外,尽管现代唐三彩仿品的胎釉在主量元素含量与黄冶窑唐三彩接近,但不论是从胎料还是釉彩的物相组成来看,其与真品间存在显著差异。以上结果表明,微束X射线荧光与X射线衍射分析技术的结合,在古陶瓷类文物的原料产地、真伪识别和烧制工艺的研究方面具有广泛的应用前景。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 781-787 [摘要] ( 24 ) RICH HTML PDF (23089 KB) ( 30 ) |
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| 788 | 基于太赫兹光谱的大鼠脑缺血早期诊断技术的研究 |
| | 王与烨1,2,李海滨1,2,蒋博周1,2,葛梅兰1,2,陈图南3,冯 华3,吴 斌4,朱军锋4,徐德刚1,2,姚建铨1,2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0788-07 |
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| 脑缺血是一种常见的突发性脑外科疾病,具有较高的致死致残率,快速、准确对脑缺血程度进行检测对脑缺血的诊断与治疗工作具有重要意义。基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术,分别对脑缺血时间为0,0.5,1,2,4,6和24 h的大鼠脑脊液和血清进行光谱检测,并对不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率随缺血时间的变化规律进行分析。结果表明,与对照组相比,不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率均存在一定的差异。在此基础上,根据不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数,采用主成分分析法和机器学习算法对大鼠的脑缺血程度进行自动分类识别。其中,基于脑脊液吸收系数的支持向量机分类模型的识别准确率相对较高,达到了89.3%。该方法为脑缺血的早期诊断提供一种新的检测方法。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 788-794 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (9313 KB) ( 13 ) |
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| 795 | 氧化石墨烯快速修饰表面等离子体共振传感芯片的研究 |
| | 张 良1,张 然2,崔丽丽3,李 涛1,顾大勇4,何建安2*,张思祥1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0795-06 |
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| 表面等离子体共振(SPR)是近年来兴起的一种光学检测技术。其主要利用光波经全反射后产生的倏逝场与金属相互作用而感知外界介质的折射率变化。理论上任何介质折射率变化现象的发生都能被SPR技术检测到。在实际应用中,SPR传感器存在灵敏度不高,检测信号不强等缺点,因此对提高SPR传感器检测灵敏度的研究一直备受关注。氧化石墨烯又被看成是石墨烯的氧化物,它有着与石墨烯相近似的光电学特性,但又比石墨烯更容易进行化学修饰,因此被广泛用作SPR传感芯片的表面镀层来提高灵敏度。将氧化石墨烯用于修饰SPR芯片以提高灵敏度的报道很多,但对氧化石墨烯的使用量说法不一,并且在制备氧化石墨烯修饰传感芯片时需要浸泡很长一段时间,大大影响了芯片制备效率。该研究中使用长直链功能化聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)对SPR金芯片表面进行化学改性,用流动冲刷的方法使氧化石墨烯溶液对芯片进行修饰。通过对折射率变化响应信号的对比,最终确定氧化石墨烯最佳使用浓度为0.5 mg·mL-1,并且将修饰时间降到20 min以内。研究了不同波长入射光对氧化石墨烯修饰后芯片共振峰的影响,并对芯片整体性能进行了评估,得到950 nm入射光波下芯片灵敏度为243.2°·RIU-1,品质因数(FOM)值为82.2 RIU-1。这一数值比在原始800 nm入射波长下的同芯片灵敏度提高了33.3%,FOM值提高了36.1%;是800 nm波长下裸金芯片灵敏度的4倍,FOM值的3.41倍。该研究所提出快速制备氧化石墨烯修饰SPR传感芯片有着成本低,制作快等优点,在生化检测领域有着广阔的应用前景。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 795-800 [摘要] ( 28 ) RICH HTML PDF (5909 KB) ( 11 ) |
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| 801 | 基于POM,SAXS和Raman研究降温速率对[C12mim][BF4]熔体结晶过程及产物的影响 |
| | 朱 祥1,2,袁朝圣2,梁永福2,王 征2,李海宁2,皇甫战彪1,周 松1,周 博1,董兴邦1,程学瑞2*,杨 坤1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0801-05 |
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| 当前,高昂的生产和使用成本限制了离子液体规模化应用,如何回收再利用离子液体受到极大关注。离子液体结晶过程对研发新型回收技术至关重要,而降温速率对结晶过程有重要影响。基于此,以1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C12mim][BF4])为研究对象,在60~0 ℃范围内对其进行快速(30 ℃·min-1)和慢速(1 ℃·min-1)降温,采用偏光(POM)、小角X射线散射(SAXS)和拉曼(Raman)等技术研究了该离子液体在降温过程中的相态转变和结构变化,揭示了降温速率对其熔体结晶过程及产物影响规律。POM研究表明:在快速降温过程中,[C12mim][BF4]经历了“液态-液晶态-晶态Ⅰ”转变,得到了晶粒数量少但尺寸较大的“球状”晶体;在慢速降温过程中,[C12mim][BF4]经历了“液态-液晶态-晶态Ⅱ”转变,得到了晶粒数量多但尺寸较小的“针状”晶体。SAXS研究表明:[C12mim][BF4]存在两种晶体结构,分别为“正交双层相”和“三斜双层相”,且同时出现在“晶态Ⅰ”中,而在“晶态Ⅱ”中只有“三斜双层相”一种晶体结构。由此可知,“晶态Ⅰ”是混合相晶体,而“晶态Ⅱ”是单一相晶体。此外,由Raman结果可知:“正交双层相”和“三斜双层相”中[C12mim]+构象存在较大差异,分别为“G构象”和“A构象”。综上所述,快速降温时,[C12mim][BF4]经历了“液态-液晶态-晶态Ⅰ”转变过程,得到了由“正交双层相”和“三斜双层相”组成的混合相晶体,该晶体同时含有[C12mim]+的“G构象”和“A构象”。慢速降温时,[C12mim][BF4]经历了“液态-液晶态-晶态Ⅱ”转变过程,得到了由“三斜双层相”组成的单一相晶体,该晶体只含有[C12mim]+的“A构象”。因此,降温速率对[C12mim][BF4]熔体结晶过程及产物具有重要影响。该研究结果为[C12mim][BF4]回收技术开发提供了重要实验数据,同时对研究其他同类型离子液体的相态转变和结构变化具有指导意义。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 801-805 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (8278 KB) ( 7 ) |
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| 806 | 荧光光谱法研究三种金属卟啉与人血清白蛋白的结合反应 |
| | 任丽磊,彭玉苓,王树军*,张成根,陈 钰,王昕彤,孟晓宁 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0806-08 |
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| 近年来,卟啉及金属卟啉在光动力疗法、抗癌药物研究方面备受关注,有些已被批准临床使用。人血清白蛋白(HSA)能结合、运输许多药物活性分子,详细研究金属卟啉与HSA的结合机制,对阐明卟啉类药物的作用机制具有重要的意义。研究合成了3种新型6-氯烟酸修饰的自由卟啉(4,5,6)及锌卟啉(4-Zn, 5-Zn, 6-Zn),并通过测试表征和理论计算的方法进行了结构确定。理论计算结果表明:3种锌卟啉中的侧链6-氯烟酸基团均远离卟啉环平面;4-Zn构型比连有取代基的5-Zn、6-Zn构型更稳定。在模拟生理条件下,采用荧光光谱法研究了3种锌卟啉与HSA之间的键合方式,通过Stern-Volmer方程、双对数方程和Van’t Hoff方程对测定结果进行计算。结果表明:(1)3种锌卟啉均能有效猝灭HSA的荧光,Stern-Volmer方程计算得到锌卟啉与HSA在不同温度下的Kq值均大于2.0×1010 L·mol-1·s-1,表明猝灭类型为静态猝灭;(2)采用双对数方程得到锌卟啉与HSA的结合常数,除5-Zn在318 K时外,其他温度条件下的结合常数KA均大于103 L·mol-1,结合位点数n均接近1,说明形成了1∶1的复合物;(3)根据Van’t Hoff方程计算,3种锌卟啉与HSA结合的热力学参数均小于0,如4-Zn与HSA结合的热力学参数为ΔH=-123.9 kJ·mol-1,ΔS=-322.9 J·mol-1·K-1,ΔG=-27.7 kJ·mol-1(298 K),由此得出反应过程为自发进行,反应的主要作用力为范德华力和氢键。实验获得的数据可以为研究金属卟啉与生物小分子的作用机制提供一些有用的信息。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 806-813 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (3735 KB) ( 27 ) |
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| 814 | 中红外光谱结合CA-SDP-DenseNet的木材种类识别研究 |
| | 刘思岐1,冯国红1*,唐 洁2,任加祺1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0814-09 |
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| 光谱分析在木材种类识别领域具有一定的潜力,而其中的中红外光谱也广泛应用于定性及定量分析。该研究中红外光谱法识别木材种类的报道中,基于深度卷积神经网络可以在参数较少的条件下获得较高的识别率。提出了一种聚类分析(CA)、对称点阵图像分析(SDP)与深度学习(DenseNet)相融合的算法,利用DenseNet的优势提高中红外光谱法识别木材的准确率。首先,采集了愈疮木、巴里黄檀、刺猬紫檀、大果紫檀、螺穗木5种木材样本的250组中红外光谱数据,应用欧式距离进行了异常值剔除,剩余240组作为待分析数据并对其进行分类的可行性分析。对光谱数据进行SDP转化分析,确定SDP转化的最优参数;之后,运用CA筛选原始光谱数据的特征,根据CA不同阙值确定了三组维数的特征并进行讨论,通过对比三组特征数据经过SDP转化后图像间的类内相似性和类间差异性,初步确定了最优维数特征;再将初步确定的最优维数特征数据输入到SDP-DenseNet模型中,获得模型识别的准确率;最后通过对比分析验证了模型的有效性,一方面将原始数据及其余两组对照维数的特征数据分别输入到SDP-DenseNet模型中,对比识别的准确率;另一方面以最优维数特征数据输入到随机森林中进行识别,对比传统机器识别与SDP-DenseNet算法识别的准确率。结果表明:经CA特征筛选的SDP-DenseNet模型普遍高于原始数据直接输入到SDP-DenseNet模型的准确率,CA特征筛选最优维数为255维,其测试集最高识别率达到了88.67%,而对照组107维为77.78%,322维为68.89%,原始数据的SDP-DenseNet模型识别率仅为57.78%;经CA特征筛选的最优维数数据对应的随机森林模型识别率较低,仅为66.67%。因此,提出的CA-SDP-DenseNet模型能有效提高中红外光谱法识别木材种类的精度。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 814-822 [摘要] ( 27 ) RICH HTML PDF (16391 KB) ( 18 ) |
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| 823 | LIBS结合VDPSO-CMW算法的高粱Na和Fe定量方法研究 |
| | 王海萍1,2,张鹏飞1,徐琢频1,程维民1,3,李晓红1,3,詹 玥1,吴跃进1,王 琦1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0823-07 |
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| 根的金属元素含量对高粱生长过程有重要影响。激光诱导击穿光谱(LIBS)是快速检测作物金属元素的理想技术。建立了一套基于激光诱导击穿光谱与变维粒子群优化和组合移动窗口(VDPSO-CMW)的波长选择算法相结合的高粱根部金属元素定量分析方法。获得不同Na和Fe浓度积累的高粱样本27份。针对高粱根部的LIBS光谱,利用VDPSO-CMW算法筛选与Na和Fe元素相关的特征波段,并构建PLS定量分析模型。经VDPSO-CMW算法优化后,高粱根部Na元素的PLS模型的建模结果交叉验证决定系数(R2CV)为0.962,相比优化前的模型上升了6.5%,交叉验证均方根误差(RMSECV)为1.261,相比优化前模型下降了37.7%,预测决定系数(R2P)为0.988,相比优化前的模型上升了16.8%,预测均方根误差(RMSEP)为1.063,相比优化前的模型下降了72.1%;经VDPSO-CMW算法优化后的高粱根部Fe校正模型的R2CV为0.956,相比优化前的模型上升了7.4%,RMSECV为5.095,相比优化前的模型下降了37.1%,R2P为0.955,相比优化前的模型上升了4.3%,RMSEP为6.438,相比优化前的模型下降了27.3%。结果表明,VDPSO-CMW波长选择算法能够剔除LIBS受自吸收、谱线干扰等因素的波段,提高定量分析准确度。该算法和LIBS技术的结合不仅能够实现高粱根部Na和Fe元素的快速精确测定,也适用于其他样本和元素的定量分析。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 823-829 [摘要] ( 25 ) RICH HTML PDF (3254 KB) ( 12 ) |
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| 830 | 基于AW-OPS高光谱波长选择方法的羊肉新鲜度检测 |
| | 赵停停1,3,王克俭1,3*,司永胜1,3,淑 英2,何振学1,3,王 超1,3,张志胜2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0830-08 |
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| 高光谱数据中不仅含有关键性信息还存在一些干扰信息和无效信息,带有干扰信息和无效信息的数据建立模型会降低效率和模型精度。从全波段数据中提取特征波长是提高关系模型精度的有效方法。有序预测选择(OPS)是一种依据信息向量选择有效波长变量的特征波长提取算法,在特征波长变量筛选方面表现了较好地性能。但由于建立模型时,没有去除重要性较低的变量,导致过多的无效变量参与到模型中,降低了模型的准确率。论文以羊肉高光谱数据作为研究对象,提出了一种改进的特征波长变量选择方法,基于信息向量和指数衰减函数的有序预测选择方法(AW-OPS)对羊肉新鲜度进行检测,该算法通过光谱数据和理化值数据之间的关系来计算信息向量并对波长变量进行排序,采用指数衰减函数(EDF)通过多次迭代去除一些信息向量绝对值比较低的波长变量,最后在已获取的有效波长变量中逐渐增加波长点建立多元回归模型,选取交叉均方根误差(RMSECV)最小值的波长变量子集为特征波长变量。实验时,将OPS法和AW-OPS法在选取特征波长变量后,分别构建羊肉TVB-N的偏最小二乘(PLS)关系模型,同时与全光谱波段PLS模型的效果相比较。结果表明:OPS算法运行程序平均用时为175.9 s,优选出370个特征波长变量,OPS-PLS模型相关系数(RP)平均为0.963 1,均方根误差(RMSEP)平均为0.727;而改进的有序预测选择法(AW-OPS)运行程序平均用时为57.6 s,优选出275特征波长变量,AW-OPS-PLS模型平均提升到0.973 1,RMSEP平均降低为0.572 8;全光谱波长数目为1 414个波长变量,其PLS模型的平均为0.920 8,RMSEP平均为1.048 3。AW-OPS-PLS模型相较于OPS-PLS模型测试精度提高了21.2%,相较于全光谱-PLS模型,测试精度提高了45%,证明AW-OPS是一种有效特征波长变量筛选方法,提高了OPS模型精度和程序运行效率,降低了模型复杂度。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 830-837 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (7515 KB) ( 7 ) |
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| 838 | 市售牛奶快速ATR-FTIR主成分分析 |
| | 冯 语,张韫宏* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0838-04 |
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| 牛奶主要成分的测定是评价牛奶品质的重要标准。国家相关部门已经制定了一系列较为详尽的规范以保证牛奶等乳制品的质量安全,但传统的检测方法操作复杂、费时耗力并导致环境污染,难以满足当代乳制品生产和消费的快速检测需要。将衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)技术与相对湿度(RH)调控系统相结合,建立了一种在RH连续下降条件下测量不同种类牛奶红外光谱的方法;为牛奶等乳制品的原位无损检测、种类区分、品质分析等提供了新的途径。(1)选取伊利品牌纯牛奶、臻浓牛奶、脱脂纯牛奶、高钙低脂奶、舒化牛奶5类牛奶为研究对象,在RH连续下降的条件下,采集不同种类牛奶样品在蒸发浓缩过程中的红外光谱,对其主要营养成分进行峰位归属和定性分析,仅需要微升级样品,就可在短时间内提取样品浓缩过程中水、碳水化合物、脂肪、蛋白质等主要成分的光谱信息,实现对不同类别市售牛奶化学成分的较全面表征;(2)采用NWUSA软件对所得红外光谱数据进行建模分析,选取4 000~400 cm-1波段为变量对所得光谱数据进行主成分分析(PCA),并评估模型对不同类别牛奶的鉴别能力。所得PCA分析数据在同组内聚集度良好,不同组内坐标轴上相距较远,说明模型选取合理可靠,具有代表性。实验中共使用了75份牛奶样品,其中生产日期、产地为随机因素,牛奶的种类和品牌为固定因素。结果表明,该方法具有操作简便、反应灵敏、光谱质量高、无损测量等优点,适用于牛奶等乳制品的原位、快速、无损鉴别分析。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 838-841 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (3393 KB) ( 57 ) |
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| 842 | 红外光谱对牛预混料中违禁添加盐酸土霉素的快速定量 |
| | 徐惟馨,夏静静,韦 芸,陈玥瑶,毛欣然,闵顺耕*,熊艳梅* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0842-06 |
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| 利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)结合偏最小二乘法(PLS)对牛预混料中违禁添加的盐酸土霉素含量进行了快速定量检测。在空白牛预混料中中添加不同质量的98.00% (W/W)盐酸土霉素原药,配制成盐酸土霉素浓度为0.00%~5.00%的113个混合样品,纯水作为萃取剂,萃取液经红外灯烤干后用于红外光谱测定。为考察不同光谱预处理方法及变量选择方法对模型结果的影响,选用了3种预处理方法:Savitzky-Golay卷积平滑法(S-G)、标准正态变换法(SNV) 和多元散射校正法(MSC)和3种变量选择算法:区间偏最小二乘法(iPLS)、移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)、自主软收缩法(BOSS)。其中,SNV预处理结合BOSS算法获得了最佳模型效果:RMSECV=0.337,R2CV=0.947,RMSEP=0.317 7,R2pre=0.935。所得模型对含量在0.53%~4.67%的29个样品进行外部验证,预测结果的平均相对误差为0.127,预测效果较好。同时,BOSS算法选取的变量主要集中在盐酸土霉素特征峰的吸收区域(1 674~1 593和1 175~1 017 cm-1),可以为ATR-FTIR技术对饲料中土霉素盐酸盐的快速检测提供有价值的参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 842-847 [摘要] ( 21 ) RICH HTML PDF (4319 KB) ( 16 ) |
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| 848 | 利用傅里叶变换红外光谱分析高温改性对杨木强度等级的影响 |
| | 岳 孔,陆 栋,宋学松 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0848-06 |
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| 为研究高温改性对低质速生木材力学性能的影响规律和作用机制,优化基于强度等级的木材改性温度,以期为高温改性木材在建筑结构中的合理应用提供依据,开展了160~210 ℃宽温域范围内高温改性对国产低质速生杨木抗弯强度(fm)、顺纹抗拉强度(ft, 0)、横纹弦向(ft, T, 90)和径向抗拉强度(ft, R, 90)、顺纹抗压强度(fc, 0)、顺纹弦面剪切速度(fv, T)和径面剪切强度(fv, R),以及弹性模量(E0)等共计560个试件的材性试验,利用傅里叶变换红外光谱分析高温改性木材的化学组分变化。结果表明,木材中半纤维素耐热性最低,最先受热降解,温度≥190 ℃时,热解加快。纤维素耐热性较强,高温作用下轻微热解,且主要发生在无定形区域内,导致无定形区微纤丝排列有序性增加。高温对木材fm,ft, 0,ft, 90和fv劣化作用明显,常温时木材fm,ft, 0,ft, T, 90,ft, R, 90,fv, T和fv, R分别为67.0,86.2,5.8,8.9,7.7和6.7 MPa,改性温度较低时,木材化学组分轻微热解,力学性能下降相对较慢,180 ℃时分别降至53.5,78.9,4.0,4.8,6.0和5.4 MPa,改性温度高于190 ℃时木材化学组分热解加剧,导致力学性能快速降低,210 ℃时分别降至常温时的44.5%,56.1%,43.1%,29.2%,34.5%和26.7%。160~210 ℃范围内,高温改性木材的fc, 0和E0先升高后降低,20 ℃时fc, 0和E0分别为41.4和8 568 MPa,160~180 ℃范围内随着温度的升高,纤维素结晶度提高导致力学性能增加,180 ℃时达到峰值,较初始值分别高30.7%和12.8%,温度继续升高时,纤维素热解程度增加,fc, 0和E0持续降低,210 ℃时,分别降至45.0和8104 MPa。未处理试件由于E0未达到欧洲规范BS EN 338最低强度等级D18的要求,不能用作结构用材;160~170 ℃温度改性试件的E0较未处理试件有所提高,但仍低于规范中最低强度等级D18的要求;改性温度升至180 ℃时,E0继续增加,杨木达到强度等级D18;190~200 ℃改性材的E0略有降低,但仍满足规范中结构用材要求,而fv, R降低幅度过大,木材强度等级不满足最低强度等级D18的使用要求。研究结果将为高温改性技术以及国产速生木材在建筑结构中的合理应用提供依据。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 848-853 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (2819 KB) ( 17 ) |
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| 854 | 基于高斯混合模型扣除毛发SERS信号中增强基底的背景峰 |
| | 李 伟1,2,何 遥1,2,林东岳2,董荣录2*,杨良保2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0854-07 |
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| 在利用表面增强拉曼光谱(SERS)对毛发中痕量物质进行分析时,该SERS信号中毛发特征峰与增强基底背景峰会相互耦合。在耦合情况下,背景峰会被误识别为毛发特征峰,导致待测物的识别错误,此外具有高峰强特性的背景峰对毛发中微弱特征峰产生掩盖干扰。因此,背景峰的扣除是解决上述问题的重要途径,但常规的扣峰方法会导致周围邻峰的严重失真。针对上述问题提出了高斯混合模型,该模型在表征SERS信号的同时又使得各特征峰相互独立,在扣峰过程中对周围邻峰不产生干扰,既实现干扰峰的扣除又保证了邻峰的微失真。高斯混合模型的核心问题在于模型参数的求解,文中提出了小波变换与共轭梯度法,分别解决模型的初始参数问题及最优解问题。小波变换通过映射放大SERS信号的细节信息,充分提取该信号的细微特征信息,将该特征信息作为模型的初始参数。其中共轭梯度法是迭代优化方法,将模型参数进行循环迭代优化,最终收敛结果即为模型参数的最优解。综上两种方法可准确建立高斯混合模型,模型中单高斯函数为SERS信号的特征峰,且两者的峰形保持一致。在扣除SERS信号的背景峰时应遵循以下过程,包括有效数据的提取、模型建立和峰的扣除。其中有效数据的提取是对空白与滴样的增强基底进行同位置检测,由此得到一组SERS信号。模型建立是通过高斯混合模型对滴样SERS信号进行表征,该信号可由多个高斯函数表现。最后利用空白增强基底的特征峰对滴样的SERS信号进行指认,其中峰形相似且峰位相同的特征峰可扣除。实验结果表明,方差值比最小时,高斯混合模型的峰位、峰宽、峰强等特征与毛发SERS信号基本相同,此时高斯混合模型可准确表征毛发SERS信号的特征信息。在对7组毛发进行扣峰实验时,毛发SERS信号中背景峰扣除率达到50%~100%,同时毛发的特征峰也得到有效提取。在对真实毛发样本进行快速分析时,该模型识别出了毒品曲马多。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 854-860 [摘要] ( 18 ) RICH HTML PDF (3979 KB) ( 8 ) |
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| 861 | 基于ML-PCA-BP模型的多环芳烃拉曼光谱定量分析 |
| | 尹雄翼1,石元博1*,王胜君2,焦仙鹤2,孔宪明2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0861-06 |
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| 芘作为多环芳烃(PAHs)类物质广泛存在于自然环境中,亲脂性强,对人体有致癌影响。因此,食用油中芘的含量的判定对品质的把控具有深远的意义。采用拉曼光谱与人工智能算法相结合进行多环芳烃的定量分析是当前的一个研究热点。将一毫升食用油与不同固定浓度的芘液体混合制作样本,然后制作薄层色谱板与金粒子,采用薄层色谱和表面增强拉曼散射(SERS)光谱相结合的方法进行实验获得光谱数据,选取自适应迭代加权惩罚最小二乘算法进行预处理,再采用Multi parameter-Principal Component Analysis-Back Propagation Neural Network模型方法进行定量分析。该模型首先在预处理后的光谱中选取两个特征峰进行分峰拟合获取特征峰的高度、半高宽、面积等参数。将两个特征峰的拉曼数据与通过拟合获取的参数进行归一化再采用主成分分析获取关键参数,将获取的关键参数作为输入层输入基于L2正则化的BP神经网络中,输出预测浓度。实验分别采用不同的算法进行浓度预测,实验结果表明,通过偏最小二乘算法预测的芘浓度,其测试集决定系数R2为0.58,均方根误差(RMSEC)为1.85;采用线性回归拟合特征峰面积与浓度的规律最终预测的芘浓度,其测试集决定系数R2为0.26,均方根误差(RMSEC)为2.28;采用Multi parameter-Principal Component Analysis-Back Propagation Neural Network模型预测芘浓度,其测试集决定系数R2为0.99,均方根误差(RMSEC)为0.31,Multi parameter-Principal Component Analysis-Back Propagation Neural Network模型预测精准度更高,误差更小。模型是针对光谱数据信息与样本浓度之间非线性、高维度的关系,而建立的预测精度及建模效率均高于同类对比的算法模型。模型拟合特征峰获取关键变量,将关键变量与特征峰的拉曼位移都作为特征向量,因此特征向量较为充分,模型利用PCA提取拉曼光谱非线性特征并且采用基于L2正则化BP神经网络泛化力强的优点,防止过拟合,因此可以更加精准快捷地预测出芘的浓度。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 861-866 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (3365 KB) ( 21 ) |
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| 867 | 非标方法长期稳定性评价及在辉光放电质谱分析纯镍中痕量元素的应用 |
| | 杨国武1,侯艳霞1,孙晓飞2,贾云海1*,李小佳1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0867-10 |
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| 基于检测标准中提供的重复性和时间变化的再现性数据,通过对其长期稳定性试验中每个时段内测量结果的精密度和正确度,时段间重复性,时段间总精密度度,总平均值的正确度进行检验,可对分析仪器按照该检测标准进检测的长期稳定性进行系统评价,其本质是监控分析结果的精密度和正确度。然而,实验室大量没有上升为检测标准的检测方法,即所谓的非标方法,因缺乏重复性及室内再现性数据,无法按照上述方法直接进行长期稳定性评价,但通过实验设计,在不同时间段对仪器分别进行校正后测量,可获得非标方法的模拟重复性限和模拟室内再现性限数据。基于模拟重复性限及模拟室内再现性限数据,可对非标分析仪器方法长期稳定性进行准确评价。以辉光放电质谱(GD-MS)测定纯镍中18种杂质元素的非标方法为例,设计一组对比实验,获得非标方法的模拟重复性限及模拟室内再现性限数据,利用卡方统计检验,获得了辉光放电质谱仪测定纯镍样品中B,Mg,Al,Si等18种杂质元素的准确的长期稳定性时间,结果表明在相同的测定条件下,不同元素的长期稳定性不完全相同,大部分元素可稳定持续测量3 h,P,As,V,Sb和Pb等5个元素的长期稳定性时间上限可达6 h甚至12 h。在长期稳定性时间上限内,仪器无需再次进行相对灵敏度因子的测量和校正即可得到准确的测定结果。这一评价结果与实验室实际经验基本一致,表明该实验所提出的系统测量和表征方法能客观反映辉光放电质谱仪的长期稳定性。该方法同样适用于其他非标方法的长期稳定性评价,对实验室大量的非标方法的质量控制具有指导意义。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 867-876 [摘要] ( 21 ) RICH HTML PDF (5200 KB) ( 14 ) |
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| 877 | 故宫养心殿屋顶红灰中显色成分鉴别及其影响 |
| | 张 典1,王 辉1,陈寅炜2,3,王菊琳2,3* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0877-06 |
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| 传统宫殿建筑的红色灰浆常用天然矿物红土作为显色剂,但由于红土矿被限制开采等原因,目前古建筑修缮常用工业合成氧化铁红替代红土,但出现了红灰防水性差、开裂剥落等现象。为探究该现象出现的原因,采集故宫养心殿中三座殿所(正殿、西围房、后殿)屋顶的红色夹垄灰样品,通过X射线衍射(XRD)确定样品的主要物相组成,结果表明:各殿样品的主要组成皆为方解石、氧化铁及石英,此外含有少量的钠长石及埃洛石。由于各殿样品色度差异较大,因此结合粉末微观形貌及Mapping测试,对比微观颗粒的形态、颜色及文物样品断面元素分布情况,结果表明正殿及后殿样品的粉末微观形貌显示为色泽均匀、饱满的深红色颗粒,伴有黑色或棕黄色矿物颗粒,且由元素分布结果可知样品内Fe元素分布不均匀,且与Al和Si元素分布不一致;而西围房样品的粉末微观形貌显示为浅色颗粒,伴有其余矿物组成存在。元素分布结果表明样品内Fe元素分布均匀,与Al和Si元素分布一致,得出正殿、后殿的红灰样品所用原料及显色物质为白灰、红土、氧化铁红;西围房的红灰样品所用原料及显色物质为白灰、红土,首次提出了红土与氧化铁间的鉴别方法。通过扫描电子显微镜(SEM)探究显色物质对样品微观形貌的影响,结果表明仅含红土的样品结构连续且致密,添加氧化铁红后两相结合较差,孔隙较多。为进一步探究红土、氧化铁红对样品性能的影响,分别制备了添加红土、氧化铁红的模拟试样,结合文物样品及分别添加红土、氧化铁的模拟试样物理力学性能测试结果可知,用氧化铁红替代红土制作夹垄灰,相对于用红土制作的夹垄灰,其物理力学性能较差。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 877-882 [摘要] ( 23 ) RICH HTML PDF (36496 KB) ( 20 ) |
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| 883 | 上蜡翡翠的荧光光谱特征研究 |
| | 李浩东,李举子*,陈彦霖,黄钰静 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0883-07 |
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| 翡翠是目前市场上最常见的玉石之一,通过上蜡掩盖翡翠表面微小的缺陷,提高其光泽,这种加工手段是消费者普遍接受的。A货翡翠上蜡、B货和B+C货翡翠以及B货和B+C货翡翠上蜡后在紫外灯下都会有荧光,如何快速有效地鉴别这些翡翠是目前需要解决的问题。收集了目前市场上常见的A货,B货,B+C货翡翠和两种优化蜡,并使用优化蜡对这些翡翠上蜡,采用紫外荧光灯、红外光谱仪和荧光光谱仪对上蜡前后的样品进行了系统的对比研究。结果显示:在紫外荧光灯下A货翡翠无荧光,B货和B+C货翡翠有弱—中等的荧光,上蜡后的翡翠均会发出相似程度的荧光。红外光谱直接透射法显示在官能团区B货和B+C货翡翠中芳香族化合物的芳环上官能团ν(C—H)伸缩振动会产生的3 064,3 032,3 003 cm-1吸收峰;优质蜡由烷烃化合物官能团ν(—CH2—)伸缩振动分别产生2 915和2 846 cm-1吸收峰,同时还可能存在官能团ν(C═O)伸缩振动所致的1 681 cm-1处吸收峰,而川蜡中只检测到甲基和亚甲基产生的吸收峰。荧光光谱显示A货翡翠无荧光反应,B货和B+C货翡翠有荧光反应,部分B+C货翡翠和B货翡翠的图谱相似性很高,说明荧光是充填物发出的,染料中的离子会导致荧光峰产生偏移和荧光强度的改变。根据B+C货翡翠荧光峰位置的不同可以分为三类,激发波长分别为350,358和370 nm,发射波长分别为370,420和414/434 nm。两种优化蜡的荧光峰明显不同,且优质蜡的荧光强度高于川蜡。上蜡后A货翡翠会出现优化蜡的荧光峰,荧光强度和翡翠表面蜡浓度有关。B货和B+C货翡翠上蜡后同样会出现优化蜡的荧光峰,不过由于优化蜡的浓度较低,最强的荧光峰都是翡翠中充填物发出的,且相比于上蜡前,荧光峰会有红移。荧光光谱可以作为一种快速无损的检测手段区分上蜡前后的A货,B货和B+C货翡翠,对上蜡后的A货翡翠与B货或B+C货翡翠也可以有效区分,完善了荧光光谱仪在翡翠市场可以广泛应用的依据。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 883-889 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (13322 KB) ( 27 ) |
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| 890 | 多光谱法、分子对接模拟和生物膜干涉研究槲皮素与小窝蛋白-1的相互作用 |
| | 侯倩宜1,2,董壮壮1,2,原红霞1,2*,李青山1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0890-07 |
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| 小窝蛋白-1(CAV-1)在动脉粥样硬化等心血管疾病的发生发展中发挥关键作用。为了解槲皮素与CAV-1的相互作用,在模拟生理环境和不同温度条件下,采用多光谱法、同源模建、分子对接模拟和生物膜(BLI)技术进行研究。荧光猝灭数据结果显示,猝灭速率常数Kq值远大于2.0×1010 L·mol-1·s-1,且猝灭常数KSV随温度升高而降低,证明槲皮素和CAV-1相互作用的猝灭过程为静态猝灭;而热力学参数,焓变ΔH<0、熵变ΔS<0且ΔG<0,表明二者的结合过程是自发、焓驱动的,其相互作用的主要类型为范德华力和氢键作用。通过对槲皮素与CAV-1相互作用的同步荧光光谱和三维荧光光谱分析,随着槲皮素的加入,CAV-1的荧光强度逐渐降低,证明二者之间发生了相互作用。进一步分析发现,同步荧光光谱中槲皮素使CAV-1中的芳香族氨基酸残基的最大发射波长发生了轻微红移,周围的微环境极性增强,亲水性增加,表明槲皮素的加入使CAV-1的蛋白质构象发生了改变。紫外-可见光谱结果显示,CAV-1与槲皮素之间形成了一个基态复合物,进一步证实了CAV-1与槲皮素之间的静态猝灭机制。采用同源模建技术建立CAV-1的X射线晶体结构模板。分子对接模拟结果显示两者结合力为-7.372 kcal·mol-1。对接结果表明槲皮素结合点位于由GLU20,ASP70,VAL16和ARG19等氨基酸形成的活性口袋中,与GLN21,VAL16和ARG19位点产生范德华力作用,与GLU20,ASP70位点存在氢键作用力。各种作用力影响了CAV-1的微环境变化,导致其荧光猝灭,是参与复合物形成的关键因素。最后,利用BLI技术对槲皮素和CAV-1的结合进行定量研究,研究结果显示,二者具有良好的的结合活性,结合解离平衡常数KD值为2.50×10-5 mol·L-1;其响应信号值随槲皮素浓度的升高而增强,表明CAV-1与槲皮素之间存在特异性结合。该研究有助于了解槲皮素与CAV-1的相互作用机制,为槲皮素治疗动脉粥样硬化的作用靶点研究提供参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 890-896 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (5281 KB) ( 7 ) |
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| 897 | 市售矿物药白石脂矿物学鉴定及谱学特征对比研究 |
| | 张丽倩1,2,刘养杰2,3,林炳岚2,段 俊1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0897-06 |
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| 白石脂为常用矿物药之一,市场上多见伪品或混用现象,这与矿物学鉴定特征不明确有关。旨在通过性状观察及矿物学鉴定,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、微量元素光谱半定量、红外光谱、差热分析等测试对市售不同产地白石脂进行矿物学及谱学鉴定特征对比。结果如下:(1)性状观察及常规矿物学鉴定特征白石脂均为色白,土状光泽,硬度小,吸水粘舌,微有土腥气。主要矿物组成为高岭石、伊利石及石英,杂质矿物主要为长石、方解石及褐铁矿。(2)扫描电镜观察发现白石脂均可见网格状纤维结构,能谱图显示主要成分为O,Si和Al。(3)X射线衍射结果显示,样品主要衍射线为7.44(3)和3.53(4),主要成分为高岭石,衍射线为10.45(5)和4.51(3)为伊利石,另可见5.04(3),4.51(3)和3.06(10)的石英衍射线,次要衍射线显示含有极少量的长石、方解石及褐铁矿。(4)微量元素光谱半定量分析显示市售白石脂中微量元素主要为Ca,Mg,K,Na和Cr。(5)差热分析主要表现为明显的高岭石及弱的伊利石吸热效应。(6)红外光谱曲线显示3 700~3 000 cm-1的高频波段,都具有锐而强的吸收峰,分别位于3 440.98,3 621.18和3 620.45 cm-1附近;在500~1 500 cm-1的中低频波段,几条谱线的轮廓大致相同,约为1 200~1 000,950~900和800~600 cm-1区间的谱带,三个样品的谱带基本相同,主要矿物组成为高岭石。综上,使用性状、矿物学、扫描电镜观察辅以红外光谱、X射线衍射测试、差热分析能有效判断市售白石脂质量。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 897-902 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (25563 KB) ( 11 ) |
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| 903 | 基于近红外-可见光高光谱的堆叠泛化模型褐土有机质预测 |
| | 张秀全1,李志伟1*,郑德聪1*,宋海燕1,王国梁2 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0903-08 |
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| 准确预测农田土壤有机质含量有助于评估农田肥力状况,为精准农业提供数据依据。为解决单模型实现快速估测农田土壤表层有机质含量精度较低和泛化能力较弱的问题,以山西省典型褐土农田表层土壤为研究对象,基于近红外-可见光高光谱数据,提出了一种堆叠泛化模型(SGM)用于预测有机质含量。首先对原高光谱数据采用小波平滑,对平滑数据进行倒数一阶微分、对数倒数一阶微分变换,采用相关系数与递归特征消除法进行特征波段提取。同时,引入机器学习中的集成学习随机森林Random Forest(RF)、梯度提升决策树Gradient Boosting Decision Tree (GBDT)、极限梯度提升eXtreme Gradient Boosting (XGBoost)、AdaBoost 4个初级机器学习器模型通过5折交叉验证对有机质含量进行预测,在初级学习器预测结果基础上,采用随机梯度下降SGD (stochastic gradient descent)作为元学习器建立SGM堆叠泛化模型。突破单模型精度较低和不稳定的制约,实现有机质含量的快速稳定检测。结果表明:倒数一阶微分变换后的光谱信息与有机质含量具有较好的相关性,相关性最大值达到了-0.611;相比单模型,堆叠泛化预测模型的决定系数(R2)和相对分析误差(RPD)分别为0. 819和2.256,较其他算法平均决定系数(R2)和平均相对分析误差(RPD)分别提高了0.055和0.323;平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)分别为1.742和2.308 g·kg-1,较其他算法平均绝对误差(MAE)和平均均方根误差(RMSE)分别降低了0.406和0.389 g·kg-1,优化效果明显,可用于农田土壤表层有机质含量的有效估测。研究成果可为农田土壤表层有机质含量的高光谱快速检测提供依据和参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 903-910 [摘要] ( 28 ) RICH HTML PDF (6501 KB) ( 18 ) |
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| 911 | 常压下玉米秸秆多元醇液化残渣的光谱分析 |
| | 张 妍1,2,王慧乐1,刘 忠2,赵会芳1,俞莹莹1,李 静1,童 欣1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0911-06 |
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| 长期以来, 学者们致力于将玉米秸秆这类低品位的生物质资源向高附加值的化学品转化,提高其利用价值。对玉米秸秆进行常压酸催化多元醇液化试验,并对其所得液化残渣的主要组成成分、热解及纤维特性进行研究。采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)、热裂解气相色谱-质谱联用技术(Py-GC/MS)、热重分析技术(TGA)、X射线衍射技术(XRD)及扫描电子显微镜技术(SEM)对玉米秸秆及其液化残渣的化学基团、热裂解产物、热失重情况、晶体结构和微观形貌进行了检测分析。FTIR分析表明,液化残渣中三组分(纤维素、半纤维素和木质素)官能团的特征吸收峰几乎消失,其主要含有未液化完全的纤维素和三组分降解产生的小分子间通过聚合反应生成的大分子物质。Py-GC/MS表明,液化残渣热裂解产物中包含呋喃类(10.64%)、酚类(18.89%)、酮类(3.73%)、烃类(35.23%)、醇类(4.17%)、醛类(4.31%)、醚类(1.25%)和有机酸类(4.79%)及含S或N杂原子化合物(17.00%)等89种可识别的有机物,这些有机物的含碳数高于玉米秸秆同类族化合物中的含碳数。通过TGA明确液化残渣热失重的情况,即加热阶段,其质量损失约为3%;快速失重阶段,质量损失非常明显,约为45%;缓慢失重阶段,质量损失不足4%;其发生热解的条件比玉米秸秆的更为苛刻。XRD结果可知,液化残渣的主峰和次峰消失,破坏了纤维素Ⅰ晶格结构,形成球磨纤维素。SEM图像表明,玉米秸秆经酸催化多元醇液化后生成杂乱无序、粗糙、不规则、呈颗粒状的液化残渣。综上,此条件下玉米秸秆几乎完全液化。这为液化残渣制备木质基炭材料给予理论基础与应用支持,促进了生物质资源全组分利用。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 911-916 [摘要] ( 26 ) RICH HTML PDF (5537 KB) ( 8 ) |
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| 917 | 多源卫星遥感影像的林火监测 |
| | 尹俊玥1,何瑞瑞2,赵凤君3*,叶江霞1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0917-10 |
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| 目前遥感林火监测主要侧重极轨卫星火点探测精度,而基于多源遥感影像进行火点、烟雾特征等综合火场信息遥感监测识别研究较少。以云南省安宁市2020年5月9日森林火灾为研究对象,基于高分六号卫星宽幅(GF-6 WFV)数据和风云三号D极轨气象卫星中分辨率光谱仪(FY-3D MERSI)数据进行火场烟雾、火烧迹地提取及火点判识。首先根据GF-6 WFV影像,选取6种光谱特征指数,以最大似然法、支持向量机分类法及随机森林分类法,识别火场烟雾和火烧迹地,并进行精度评价;然后,基于1 km的FY-3D MERSI中红外通道数据,对潜在火点识别算法进行改进,根据FY-3C VIRR和MODIS火点探测基本原理,利用动态阈值和上下文检测法识别火点,再结合250m分辨率的远红外通道优化识别结果。最后结合两种数据提取的烟雾、火点及火烧迹地信息,探讨分析GF-6 WFV与FY-3D MERSI对于林火的监测能力。结果表明:通过5种特征指数及GF-6 WVF数据的8个波段,能有效识别出烟雾及火烧迹地,3种分类方法中随机森林分类效果最佳,总体分类精度和Kappa系数为97.20%和0.955;改进后的FY-3D MERSI数据火点识别算法,能有效提高火点识别的准确率;将中红外通道与远红外通道相结合探测火点,能使火点识别能力由千米级提高至百米级;综合GF-6 WFV及FY-3D MERSI数据可有效提取火场的烟雾、火烧迹地及火点信息。利用多源数据,可多方位进行林火监测预警,对于提高卫星遥感林火监测能力具有重要意义。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 917-926 [摘要] ( 24 ) RICH HTML PDF (50196 KB) ( 19 ) |
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| 927 | 光梳光谱技术在六氟化硫分解产物检测中的应用 |
| | 刘婷婷1,沈旭玲1,任心仪1,温兆阳1,闫 明1,2,曾和平1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0927-06 |
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| 随着电力系统向高压、大容量、信息技术应用等方向发展,电力设备的高效运维对于保障电力系统安全运行和经济平稳增长具有重大意义。对六氟化硫气体分解产物的检测是电气绝缘设备检漏及判断故障类型的有效手段。基于光学频率梳的双光梳光谱检测技术具有高分辨、高精度、宽光谱、高速动态等优势,有望在电力设备漏气故障检修中,为判断特征气体种类及定量分析提供可靠手段。搭建了基于两台集成掺铒光纤光梳的双光梳光谱检测装置。通过精密频率控制及精细温控,光梳重复频率抖动从18.37 Hz降低至607.72 μHz,光梳梳齿稳定度控制在10-12。装置具有长时间稳定和小型化集成的特点,对外界环境干扰免疫性强,在室外环境运行两小时,光梳的重复频率及载波包络相位信号仍能保持相位锁定,两台光梳相干性无明显劣化。在光谱检测方面,结合使用超灵敏多通气室,对CO与CO2混气进行了测量,在ms量级时间内实现了1 540~1 590 nm波段内CO和CO2吸收峰的同时成谱检测,光谱分辨率达1 pm。分别以CO和CO2在1 585.47、1 581.946 nm和1 580.5、1 579.575 nm的特征吸收峰为例,通过洛伦兹数据拟合反演出相应分子数密度。CO和CO2的气体分子数密度的多峰测量不确定度分别为0.32%与0.24%,较单峰测量结果(2%)降低了近1个量级。该研究推进了双光梳光谱技术及系统在电力设备漏气故障特征气体非接触实时检测中的应用。传统接触式检测存在检测气体种类单一、积分时间长、难以做到长期在线实时监测的缺点,而双光梳光谱检测能够在ms量级对多组分气体的多峰非接触式同时成谱检测,在缩短检测时间的同时提高了检测精度,为电力设备漏气故障的及时排查及故障类型的诊断提供了有效途径。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 927-932 [摘要] ( 23 ) RICH HTML PDF (4615 KB) ( 5 ) |
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| 933 | 纳秒脉冲激光斜入射辐照铝靶等离子体羽流及微冲量特性研究 |
| | 于程浩,叶继飞*,周伟静,常 浩*,郭 威 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0933-07 |
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| 为研究脉冲激光斜入射烧蚀铝靶冲量耦合机理,直接测量其宏观冲量耦合特性是其中一种手段,但激光烧蚀包含多种物理过程,仅仅研究其宏观力学性能难以深入分析冲量形成机理,脉冲激光烧蚀形成的等离子体羽流喷射是诱发力学效应的重要过程,因此,在研究宏观力学性能的基础上,通过开展脉冲激光斜入射烧蚀铝靶等离子体羽流及发射光谱特性测量研究,深入分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理。围绕单脉冲1064nm激光斜入射烧蚀铝靶开展研究,首先通过构建高速摄影测量系统和发射光谱测量系统,获得了典型激光能量密度斜入射烧蚀铝靶产生的等离子体羽流图像、等离子体光谱图像和等离子体发射光谱,基于等离子体发射光谱,利用Boltzmann作图法和Stark展宽法,分别研究了脉冲激光多种斜入射角度下等离子体温度、电子数密度随能量密度的变化关系;通过搭建扭摆微冲量测量系统,研究了脉冲激光多种斜入射角度下,沿着激光入射方向的冲量耦合系数随能量密度的变化。研究中遵循从羽流微尺度演化过程到冲量宏观力学性能测量分析的研究思路。实验结果表明,随着能量密度的增加,等离子体羽流发光强度增强,羽流离化程度增加,等离子体温度、电子数密度均先迅速增加,冲量耦合系数也迅速增加;当能量密度大于15 J·cm-2时,由于等离子体屏蔽效应,等离子体温度、电子数密度均逐渐趋于饱和,最终导致冲量耦合系数随着能量密度的增加而减小;此外,随着入射角度的增加,等离子体温度、电子数密度均逐渐减小,导致冲量耦合系数也随之减小。研究结果表明,利用高速摄影和发射光谱可较好地分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理,研究结果可为激光空间碎片清除、空间微推力器、空间非合作目标消旋等空间应用的关键参数优化提供参考。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 933-939 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (6624 KB) ( 4 ) |
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| 940 | Landsat新型热红外地表温度产品与MODIS地表温度产品的交互对比 |
| | 李春强1,2,高永刚1,2,徐涵秋1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0940-09 |
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| 美国地质调查局(USGS) 2020年12月正式发布了基于Landsat热红外光谱数据生产的2级地表温度产品(Landsat Collection 2 Level-2 surface temperature,LC2L2ST),但目前还鲜有该地表温度产品的相关研究报道。由于美国地质调查局已宣布自2022年开始将不提供除该产品之外的其他地表温度数据,因此有必要对该产品进行适时的评估。在同类遥感卫星产品中,MODIS地表温度产品的质量最被广大用户认可,应用也最为广泛,因此首次将Landsat新型热红外地表温度产品与MODIS地表温度产品进行交互对比,以评估新产品与MODIS地表温度产品的一致性。分别选取了我国的不同地区(福州、太湖、银川、敦煌)作为试验区,以20对同日过空的LC2L2ST与MODIS地表温度影像为数据源进行交互对比。影像涵盖植被、水体、建筑、荒漠等地物以及不同的季节。在试验区影像上选取一系列均质样区(ROI),通过各样区的地表温度均值散点进行拟合回归分析,研究二者地表温度间的差异及定量关系,并提出彼此转换的模型。结果表明,Landsat地表温度新产品与MODIS地表温度产品具有很高的相关性,4个试验区的决定系数(R2)皆大于0.98,集成4个试验区的总R2也接近0.98;但LC2L2ST比MODIS的地表温度平均高0.90 ℃(RMSE=2.29 ℃)。分析发现,二者地表温度数据间的差异与其在空间分辨率、观测角度、地物类型和季节的不同有关。从不同地物和季节来看,LC2L2ST在晚秋和冬季略低于MODIS的地表温度,而在夏季极端高温的城镇、荒漠地区则明显高于MODIS的地表温度,且偏差可近7 ℃。总的看来,Landsat新型地表温度产品与MODIS同类产品的相关性显著,但在夏季的城市和沙漠地区的差异较大,因此,LC2L2ST新产品在夏季高温季节的适用性仍有待进一步基于地面实测温度的验证。鉴于两种地表温度数据产品仍存在着一定差距,因此二者如要协同使用,需要进行转换。本研究基于4个试验区的560个ROI样区构建了二者地表温度间的转换方程,并通过验证发现,经转换后的两数据差异性得到大幅缩小。因此,必要的数据转换有利于二者数据的协同使用,可为长时间序列的地表温度变化监测提供连续的遥感数据。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 940-948 [摘要] ( 66 ) RICH HTML PDF (17536 KB) ( 45 ) |
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| 949 | 水体参数高光谱反演模型对比研究 |
| | 邹宇博1,2,马振予1,焦庆斌1,许 亮1,裴 健1,2,李宇航1,2,许玉兴1,2,张嘉航1,2,李 徽1,2,杨 琳1,2,刘思琪1,2,张 薇1,2,谭 鑫1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0949-06 |
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| 水是维系生命与健康的基本需求,人类的生产、生活都离不开水。水体中氮磷的超标导致水中营养元素过剩从而水体富营养化,进而水质恶化甚至造成大范围的影响。高光谱遥感在内陆水质监测领域的应用越来越广泛,研究以此为基础,为减少室外水体特异性因素影响,通过实验室模拟外界条件搭建实验室实验系统,并根据国家排放标准分别配制浓度范围在0~2.5 mg·L-1 的40个不同浓度梯度的磷酸钠标准溶液和浓度范围在0~20 mg·L-1 的40个不同浓度梯度氯化铵标准溶液。获取所有标准溶液的高光谱图像,对水质参数总磷、总氮的光谱响应进行了分析,找出其对应的敏感波段分别在420、720 nm附近和410 nm附近。利用主成分分析(PCA)建立高光谱水质反演数据集,对高光谱图像作辐射定标、Savitzky-Golay滤波(SG滤波)预处理并利用BP人工神经网络分别构建实验室高光谱总磷、总氮反演模型,构建的实验室高光谱总磷反演模型的决定系数为0.980 2,实验室高光谱总氮反演模型的决定系数为0.860 2。以江苏宜兴市内某河道为研究对象,将该模型应用到室外无人机搭载高光谱成像系统获取到的室外高光谱图像数据,分散选取五个点分别计算结果,得到总磷、总氮浓度均值的反演精度分别为95.00%和93.52%。利用传统方法直接在待测河道观测点取水构建的室外高光谱水质反演模型反演相同五个点得到的总磷、总氮浓度均值的反演精度分别为86.87%和86.48%。两组反演结果对比,发现本研究构建的实验室高光谱水质反演模型得到的光谱反演结果中90%的反演精度略高于室外水质反演模型的反演精度,证实该研究可对待测河道内总磷、总氮的含量进行有效预测,也可为水体总磷、总氮高光谱遥感反演提供一定技术支持。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 949-954 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (21509 KB) ( 29 ) |
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| 955 | 利用Sentinel-1A SLC影像光谱特征估算草地绿色生物量 |
| | 罗 森1,2,任鸿瑞1*,张悦琦1 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0955-07 |
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| 草地绿色生物量是监测草地生态系统的重要指标。高效高精度估算草地绿色生物量对草地生态系统具有重要意义。遥感技术因方便快捷、成本较低等优势,已被广泛应用于生物量估算,而传统光学遥感技术易受云层、气候条件等因素影响,不适用于高密度植被区。因此,受外界环境影响较小且具有一定穿透性的合成孔径雷达技术在生物量估算中得到了推广;但当前SAR技术多用于估算森林生物量与作物生物量,鲜有估算草地绿色生物量的研究。故选取内蒙古草原为研究区,基于Sentinel-1A SLC影像提取后向散射系数、纹理特征、极化分解量共11种雷达指数,并根据已有雷达植被指数(σ0和σ′0)引入2种雷达植被指数(σ1和σ′1),结合草地绿色生物量实测数据分别对15种雷达指数进行建模分析。结果表明纹理特征中的均值、后向散射系数σVH为估算草地绿色生物量最佳雷达指数,其估算模型R2分别为0.54和0.60,RMSE分别为47.3和44.3 g·m-2,此外,雷达植被指数σ0和σ1估算草地绿色生物量也可获得较高精度,其估算模型R2分别为0.53和0.42,RMSE分别为47.6和53.0 g·m-2。研究证明SAR技术在高效高精度草地绿色生物量估算中具有较强应用潜力,但在误差消除方面仍需改进。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 955-961 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (3251 KB) ( 22 ) |
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| 962 | 褐煤热萃取物的热解特性与热解产物分子结构关联性研究 |
| | 闫立东1,朱亚明1*,程俊霞1,高丽娟1,白永辉2,赵雪飞1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0962-07 |
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| 低阶煤的热解萃取处理是低阶煤高附加值利用的有效方法之一,开展低阶煤热萃取物的热解特性研究,对低阶煤清洁、高效转化具有重要意义。采用热重分析与红外光谱联用(TG-FTIR)技术,结合分峰拟合数学方法,开展褐煤热萃取物(CPW)热解过程活化能与热解逸出气分子结构参数的关联性探索。以CPW为研究对象,采用非等温动力学方法开展热解动力学研究,运用无模式函数法(Flynn-Wall-Ozawa法和Kissinger-Akahira-Sunose法)计算CPW不同转化率(α)下的活化能(Ea),得到热解过程(0.20≤α≤0.80)的活化能介于94.04和177.40 kJ·mol-1范围之内,平均活化能为130.01 kJ·mol-1,Ea的大小随转化率提高而增加;采用PeakFit软件对不同α下热解逸出气红外光谱的四个区域(700~900,1 100~1 800,2 800~3 000和3 000~3 100 cm-1)进行分峰拟合,获得CPW热解逸出气分子中官能团信息和各官能团相对含量,引入六种结构参数(I1~I6)用来描述逸出气的分子结构,探索CPW在转化率为0.20≤α≤0.80范围内的热解活化能与各结构参数之间的关联性。研究结果表明:CPW各热解阶段的活化能与相应的I1(支链化程度)、I2(含氧量)、I3(芳香性指数)、I4(芳环五元取代)、I5(三、四元取代)及I6(二元取代)等六种分子结构参数密切相关,且热解活化能与I1,I3和I6三种参数呈现良好的线性关系(拟合后R2分别为0.903 4,0.744 7和0.803 1);对同一转化率下热解活化能Ea与逸出气的六种分子结构参数整体进行线性回归分析,得到结构参数模型为Ea=124.91-88.75I1-318.84I2-19.19I3+40.29I4-14.28I5+1 272.33I6(R2高达0.999 9)。基于热重红外联用技术,剖析CPW的热解Ea与热解逸出气官能团变化规律,深入了解CPW在热解过程中的演变规律,有助于明晰CPW的热解过程和热转化行为,为褐煤的高附加值利用提供一定理论依据。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 962-968 [摘要] ( 21 ) RICH HTML PDF (4524 KB) ( 7 ) |
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| 969 | 高光谱成像融合特征波长筛选监测番茄贮藏中品质变化的方法 |
| | 贾梦梦,殷 勇*,于慧春,袁云霞,王志豪 |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0969-07 |
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| 利用高光谱成像技术(HSI)采集了300个不同贮藏时间的番茄高光谱图像,在所界定的有效波段中提取特征波长的基础上,构建了番茄贮藏过程中品质变化的马氏距离监测模型,实现了番茄贮藏过程中的品质变化监测。首先,采用多元散射校正(MSC)结合Savizky-Golay卷积平滑(SG)方法对高光谱原始数据进行了预处理,以消除基线漂移及噪声信号等影响。其次,基于光谱曲线在不同波段范围的变化趋势,并结合全波段下Wilks Λ最小值对应主成分在各个波长下的权重系数定义了可凸显番茄贮藏过程中品质变化的有效波段。随后,分别在全波段和有效波段采用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应加权算法(CARS)和Wilks Λ统计量融合主成分分析3种筛选特征波长的方法进行特征波长的提取,通过对比分析3种方法提取的特征波长数量,指出了基于 Wilks Λ统计量融合主成分分析可以有效降低数据维度,简化运算过程。接着对基于 Wilks Λ统计量融合主成分分析在全波段和有效波段筛选出的主成分进行分析,指出了在有效波段基于Wilks Λ统计量融合主成分分析进行特征波长的提取可以很好地避免冗余信息对有效信息的掩盖作用,还可以进一步降低数据维度。最后,对分别以贮藏第1日和番茄腐败临界日为监测基准日构建番茄贮藏过程中品质变化的马氏距离监测模型的优缺点进行了分析,指出以贮藏第1日为监测基准日构建的模型更具有有效性和可靠性。研究结果表明:基于Wilks Λ统计量融合主成分分析提取的特征波长个数为最少(5个),且筛选出的主成分能够有效地表征番茄贮藏过程中品质变化的差异性。为利用高光谱成像技术监测番茄贮藏过程中的品质变化提供了一种有效的特征波长提取方法。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 969-975 [摘要] ( 20 ) RICH HTML PDF (1788 KB) ( 25 ) |
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| 976 | 一种CEEMDAN联合双树复小波的水质紫外-可见光谱去噪算法研究 |
| | 汪仁杰1,2,冯 鹏1*,杨 兴3,安 乐3,黄 盼1,罗 燕1,何 鹏1,汤 斌1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0976-08 |
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| 紫外-可见吸收光谱法测量水质化学需氧量(COD),本质是对大量水质光谱数据建模,以此模型为基础引入待测的水质光谱数据进行预测的过程。而实测的邻苯二甲酸氢钾COD标准溶液在200~300 nm存在两个特征吸收峰,标准溶液在不同浓度下的峰值也不同,利用此特性对该波段进行特征波长的选择,用其表征光谱信息,降低数据冗余度的同时提高了预测精度。针对实测水质光谱信号容易受到仪器本身和外界干扰,光谱数据存在大量非平稳噪声,且特征吸收峰及其临近信号频率较高,常规去噪算法直接舍弃高频信号以及无法准确判断信噪分量界限,导致有效信号缺失这一实际问题。提出了一种基于完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)和双树复小波变换(DT-CWT)的联合去噪算法。该联合算法利用CEEMDAN将信号分解为本征模态函数(IMF),并通过归一化自相关函数和互相关系数进行线性相关性分析,得到各阶IMF分量之间的自相关性以及IMF分量与原始信号的互相关系数,以确定高频含噪分量与低频信号分量的界限;进而应用DT-CWT阈值去噪算法对含噪高频IMF分量进行处理,将DT-CWT处理之后的IMF高频分量与CEEMDAN分解得到的IMF低频分量进行信号重构,获得最终去噪后的水质光谱信号。实验结果表明:基于CEEMDAN联合双树复小波变换的去噪算法适用于紫外-可见光谱水质检测的数据处理。对于化学需氧量COD标液为100 mg·L-1的邻苯二甲酸氢钾溶液,将实测的紫外-可见光谱数据应用该算法去噪后的SNR=24.201 5 dB,RMSE=0.024 0,NCC=0.999 4,PSNR=37.573 6,不仅去噪效果显著优于CEEMDAN和双树复小波阈值算法,还有效地保留了原始COD标液的吸收特征峰,遏制了平移敏感性现象,提高了重构信号的平滑度,改善了重构信号质量。为紫外-可见光谱法检测水质COD提供了一种新的数据预处理方法。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 976-983 [摘要] ( 28 ) RICH HTML PDF (4734 KB) ( 9 ) |
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| 984 | 车载小型DOAS系统获取淮北地区大气污染气体方法研究 |
| | 张琦锦1,2,郭映映1,2,李素文1,2*,牟福生1,2* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0984-06 |
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| 我国城市气体污染物主要包括氮氧化物、臭氧、二氧化硫和颗粒物等,其中NO2和SO2是气体污染物中常见的污染痕量气体,对地气辐射、全球气候、空气质量和人体健康都有着直接或间接的影响。淮北地区是我国基础能源和重要原料煤炭的生产基地,长期的煤炭生产使得当地大气环境污染相对更为复杂,开展快速获取大气污染物浓度是目前研究热点之一。差分吸收光谱(DOAS)仪是一种光学遥感式光谱设备,具有稳定、时间分辨率高、灵敏度高和不受搭建平台制约等优势特点,可同时获取多种污染气体的浓度信息。针对淮北地区复杂的环境污染,构建了基于移动平台的车载小型差分吸收光谱系统(DOAS),该系统包括光谱采集系统、温控系统和GPS定位系统。利用车载GPS定位系统记录移动过程中的经纬度和车速,光谱仪放置在恒温系统中,保障系统测量的精准性。在实验期间,首先测试了系统的性能,规划了走航观测路线,并将车载DOAS测量结果与地基MAX-DOAS进行对比以验证系统的准确性,实现了对淮北地区的大气典型污染物的快速、便捷、精准监测。航测期间,利用QDOAS软件对原始测量光谱进行反演处理,选取相对干净的光谱作为参考谱,获取了淮北地区NO2和SO2柱浓度空间分布,其中NO2的浓度范围为5.09×1015~15.4×1016 molecule·cm-2,SO2的浓度范围为3.53×1015~9.07×1016 molecule·cm-2。将车载DOAS测量的结果分别与站点地基MAX-DOAS测量结果和卫星(TROPOMI)数据对比,均具有较好一致性(相关系数R2>0.75)。外场实验表明构建的车载小型DOAS系统可以准确的获取城市污染气体柱浓度分布,为确认城市污染气体的源区和校验卫星遥感数据提供一种有效的技术手段。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 984-989 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (3583 KB) ( 13 ) |
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| 990 | 直接进样-全反射X射线荧光光谱快速测定饮用水微量元素 |
| | 吴 蕾1,李凌云2,彭永臻1* |
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| DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0990-07 |
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| 相比于复杂的富集程序,饮用水中由于金属元素含量甚微,急需一种快速,简单和可靠的检测方法。全反射X射线荧光光谱法(TXRF)是一种方便快捷、定量简单的微量多元素同步分析方法,该方法所需要的样品少,测量时间短,无需预处理可实现对样品的直接分析。以镓(Ga)为内标,采用直接进样-TXRF法,探究了快速测定多质量浓度梯度多元素金属溶液的可行性,并将该方法应用于低矿物质饮用水中进行微量元素分析。实验结果表明,TXRF能直接提取溶液中的Al、K、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr进行同步测量,但是多次试验发现,Al、K、Ca作为轻质元素由于回收率明显偏离标准值,难以实现准确定量,究其原因是基体效应较大或元素的灵敏度较低,而其他元素均满足定量要求。通过对不同浓度梯度的标准样品进行测量,发现当金属元素浓度分别处于40 mg·L-1、4 mg·L-1、0.4 mg·L-1、40 μg·L-1水平时,Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr元素均呈现出很好的准确度和精密度,回收率(RR)稳定在80%~112%,相对标准偏差(RSD)处于3.6%~10.5%,检出限(DL)处于0.001~0.07 mg·L-1。随着浓度梯度的逐渐下降,各元素的准确度和精密度开始表现出不同程度的下降,当质量浓度处于本文试验最低水平4 μg·L-1时,大部分元素(Mn除外)的回收率和RSD均明显偏离标准值。还利用直接进样-TXRF法,在低、中、高三个不同加标水平下对饮用矿物质水进行加标回收试验,结果表明,样本中Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr元素含量基本处于几十个μg·L-1水平,平均加标回收率在90%~110%之间,平均RSD小于12%,满足微量测定要求。综上所述,多元素测试结果表明,TXRF在对元素的选择上更适宜原子序数(Z>20)的中等重元素,对于组分含量在十几个μg·L-1以上的水质样品,无需经过复杂预处理,可直接实现快速准确定量分析,对于环境中的超痕量样品需要使用预浓缩技术以提高测量准确率。 |
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| 2023 Vol. 43 (03): 990-996 [摘要] ( 25 ) RICH HTML PDF (4257 KB) ( 32 ) |
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