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首页/光谱学与光谱分析摘要/ 正文
2024 年 05 月 27 日  （浏览量：2837）

《光谱学与光谱分析》2024年，第44卷，第05期

      论文

1201空间偏移拉曼光谱分析技术及其在食品次表层检测中的应用

刘振方，黄 敏*，朱启兵，赵 鑫，闫胜琪


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1201-08


空间偏移拉曼光谱（SORS）是一种应用于浑浊/分层介质深层无损检测的新型拉曼光谱分析技术。分层物质不同深度的拉曼信号随传输距离增加对探测器的贡献产生规律性变化，SORS技术通过采集偏移激光入射点不同距离的拉曼光谱，结合最佳偏移距离信号增强、次表层谱峰识别、次表层信号分离等方法降低表层的干扰，获取纯净的次表层物质拉曼信号，然后借助拉曼的分子特异性实现无损的次表层物质定性和定量检测。介绍了空间偏移拉曼光谱技术的基本概念及测量技术，详细阐述了空间偏移拉曼光谱数据的分析方法及该技术在食品次表层检测中的应用，讨论了空间偏移拉曼光谱技术的限制条件并展望了该领域的未来发展。


2024 Vol. 44 (05): 1201-1208 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (9453 KB)  ( 35 )


1209基于CDs的荧光探针在酒类等发酵食品检测中的研究进展及趋势

陈红琴，严梦茹，严 恒，李苑麟*，黄永光*，程玉鑫


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1209-09


发酵食品是人类食物链中不可或缺的一部分，由于复杂的原料、工艺以及菌株发酵等因素，使得其风味成分快速直观分析以及有害物质测定、假冒伪劣甄别存在一定的局限性。碳点（CDs）是一类荧光纳米材料，拥有良好的荧光特性、优异的生物相容性、生产简便以及可修饰等特点。CDs荧光探针在食品风味检测、食品中安全指标测定以及食品真伪鉴别等方面展示出巨大的应用潜力。与大型检测仪器相比，CDs荧光探针对发酵食品的检测具有简便、灵敏度高、响应迅速等优点，其可调荧光特性以及稳定的荧光信号输出，可以对发酵食品中关键物质信息进行快速提取和转换，结合化学计量法就能实现对发酵食品的快速原位检测以及真伪鉴别。在此，对CDs的制备、光学性质、形成机制做了简要概述，并重点对CDs荧光探针在酒类发酵食品的风味成分分析、有害物质检测，以及非酒类发酵食品有害物质检测等领域进行了综述。总结了CDs荧光探针在发酵食品检测中面临的挑战并进行了展望，进一步拓展CDs荧光探针在发酵食品中的检测应用，以期为CDs荧光探针在发酵食品检测领域的开发和应用提供参考。


2024 Vol. 44 (05): 1209-1217 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (9723 KB)  ( 25 )


1218基于便携式地物高光谱仪的文物材料分析研究进展

王 聪1，2，Mara Camaiti3，刘呆运4，铁付德2，5，曹颐戬5，6*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1218-09


文物承载着灿烂文明，传承着历史文化，是全人类的宝贵遗产。由于文物不可再生的珍贵性，以及最少干预的文物保护基本原则，无损分析技术始终是文物制作工艺研究、劣化机理及保护修复研究中材料分析的最主要技术手段。因此，研发、应用新型无损分析技术是文物保护利用的重要研究方向。近年来，源于遥感领域的便携式地物高光谱仪在文物材料分析中展现出强大应用潜力，并且已在石质古建筑、绘画等文物修复中成功应用。作为一种无需采样的非侵入式光谱技术，便携式地物高光谱仪可在极短时间获取一个涵盖可见光-近红外-短波红外波段（350～2 500 nm）的全波段、高分辨率反射光谱。同时，其便携程度很高，对工作环境、光源等无特殊要求，可在野外文物或遗址现场原位使用。此外，在采集光谱数据的同时还可通过遥感技术实现数据的远程传输和分析。上述技术特点使其在文物材料分析中具有独特的应用优势。以光谱技术的基本原理为基础，首先介绍了目前文物材料分析中常用便携式地物高光谱仪的设备型号及其性能指标；其次细致梳理了近十年来其在有机质/无机质文物材料定性和定量分析、文物保护材料分析，以及文物修复原位、实时监测等方面的应用现状；之后深入探讨了谱图预处理的规范和建立标准波谱库等两个影响该技术应用效果的关键问题；最后展望了该技术的发展趋势，预期在脆弱有机质文物分析、多种分析技术联合应用和定量分析研究方面前景广阔。


2024 Vol. 44 (05): 1218-1226 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (10830 KB)  ( 25 )


1227基于NSGA-Ⅱ算法选择光谱反射率重建样本的研究

林 鹭，王智峰*，李 超


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1227-06


为解决光谱反射率重建过程中训练样本数目庞大导致工作量大，重建精度不高等问题，提出一种基于NSGA-Ⅱ算法的光谱反射率重建样本选择方法。近日Liang等提出了一种从大量样本数据中选取具有代表性样本的新方法，定义光谱重建误差为均方根误差与拟合优度系数的乘积，以这一标准选择光谱重建误差最小的样本作为代表性样本进行光谱反射率重建。受Liang等人工作的启发结合NSGA-Ⅱ算法选择代表性样本，先对全体训练样本使用多项式回归算法和伪逆法进行光谱反射率重建，再使用NSGA-Ⅱ算法，设定两个目标函数，一个是所需代表性样本个数的光谱均方根误差的和，另一个是拟合优度系数倒数的和，令两个目标函数值最小。将经过NSGA-Ⅱ算法挑选出的Pareto等级为1的全部样本按照样本出现次数由高至低排序，以此顺序从高到低依次选为代表性样本，直至达到所需代表性样本个数。若从Pareto等级为1的样本集合中挑选的代表性样本数不足所需要的个数则选择下一等级出现次数最多且没有被选择过的样本直至代表性样本数达到需求。将1 269块无光泽Munsell标准色卡按照样本下标划分为偶数色卡、奇数色卡，第一组实验用Munsell奇数色卡为全体训练样本，从Munsell偶数色卡中随机选择20个色块为测试样本。第二组实验选用Munsell偶数色卡为全体训练样本，从Munsell奇数色卡中随机选取20个色块为测试样本。第三组实验训练样本与第一组相同，RC24色卡为测试样本。将该方法与Mohammadi、Cao、Liang等提出的三种样本选择方法进行对比。通过实验得到使用NSGA-Ⅱ算法结合多项式回归与伪逆法选择的代表性样本重建的光谱反射率在均方根误差和色差两个指标上均优于现有的样本选择方法，并且该方法不限于特定系统，具有通用性。


2024 Vol. 44 (05): 1227-1232 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (3955 KB)  ( 15 )


1233基于黑翅土白蚁翅膀的银膜制备及对有害物的SERS检测

田 恬1，2，常发仙1，2，张德清1，2，司民真1，2，杨永安1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1233-06


基于磁控溅射系统制备银纳米薄膜的方法，在黑翅土白蚁（俗称飞蚂蚁）翅膀上沉积银膜制备了三维结构的表面增强拉曼散射光谱（SERS）基底。所制成的基底是聚集了银纳米粒子且保留了黑翅土白蚁翅膀纳米结构的银膜基底。通过优化制备条件，得到在沉积时间为7.5 min时，所制备基底的增强效果最好。用FDTD仿真对不同沉积时间的黑翅土白蚁翅膀银膜基底的增强效果进行了分析，结果清楚地表明溅射时间为7.5 min基底具有更强的电场分布，得到溅射时间为7.5 min基底具有最好的增强效果。这与用罗丹明6G（R6G）探针分子对不同沉积时间的黑翅土白蚁翅膀基底研究的结果是一致的。利用该基底对R6G进行了检测，得到对R6G的检测浓度可达10-9 mol·L-1，表明该基底具有较好地增强效果。将该基底应用于检测福美双农药，实验结果表明黑翅土白蚁翅膀银膜基底对福美双的检测浓度可达5.0×10-8 mol·L-1，已经超过了2021年国家制定的福美双溶液残留（4.16×10-7 mol·L-1）的检测标准，可用于对福美双农药残留的快速检测。另外该基底也有望对其他有害物残留进行快速检测。


2024 Vol. 44 (05): 1233-1238 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (12442 KB)  ( 13 )


1239锂电池正极材料化学及形貌的X射线纳米谱学成像研究

高若阳1，2，3，张 玲3*，陶 芬3，汪 俊3，苏 博1，2，3，毕志杰4，杜国浩3，邓 彪1，2，3*，肖体乔3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1239-06


锂离子电池高镍三元正极材料是储能领域的研究热点之一，多次循环后材料内部化学不均匀性与形貌缺陷，会造成电池失效与性能衰退，深入了解电池容量衰减变化及其原因需要对材料进行快速、高效无损的观测和分析。基于同步辐射的硬X射线全场透射显微镜(TXM）是一种可无损研究物质内部结构且具有纳米分辨的成像技术。随着高亮度、高性能同步辐射光源的发展，同步辐射的TXM技术获得了快速发展，使得TXM 成像方法具有更高的实验效率和空间分辨率。X射线纳米谱学成像（TXM-XANES）是将TXM与X射线吸收近边结构谱(XANES)有机结合的成像方法，TXM-XANES能够从纳米尺度上表征微米级能源材料的内部元素空间分布及化学态等信息，解决了常规方法由于表征材料局部区域而缺乏整体表征，或表征集合平均值特性而错过材料局部化学状态变化的问题。TXM-XANES作为基于TXM发展的多模态联合表征技术，已逐渐成为能源材料研究的重要实验方法之一。介绍了上海光源纳米三维成像线站及TXM成像系统，阐述了X射线纳米谱学成像方法的原理及其特点。X射线纳米谱学成像和纳米CT方法对锂离子电池正极高镍层状三元氧化物材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)粉体进行了表征，获得了纳米尺度下NCM622单颗粒样品中Ni元素化学态的空间分布信息及单颗粒的三维结构信息。对电池材料的三维X射线纳米谱学成像方法进行了介绍和展望。


2024 Vol. 44 (05): 1239-1244 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (10225 KB)  ( 10 )


1245激光诱导荧光检测鸡蛋抗生素残留的方法研究

程文轩1，张庆贤1*，刘 宇1，邹立扣2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1245-10


禽蛋产业中抗生素残留超标问题作为重要的食品安全问题之一，近些年来受到了广泛关注。目前对畜禽产品抗生素残留的检测方法主要采用微生物检测法、免疫分析法、高效液相色谱法等方法，但这些方法对于现场样品的快速检测还存在一定的不足。应用具有高灵敏度、高分辨率、速度快等特点的激光诱导荧光分析技术，开展鸡蛋中抗生素残留快速检测方法研究。样品以蛋清为溶剂，抗生素种类选用鸡蛋中可能残存的抗生素，包括环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星、土霉素和庆大霉素，通过加入抗生素试剂模拟鸡蛋中抗生素的残留，测定了不同浓度下的抗生素荧光光谱。采用欧氏距离及概率密度的方法进行定性分析，定性分析的准确率在三倍标准差范围内达到了100%。在对已有的几种不同浓度样品进行检测分析后，建立了每种抗生素对应的c-S拟合曲线。结果表明，在有效检测范围内（环丙沙星：0.000 1~1 mg·mL-1，诺氟沙星：0.000 2~1 mg·mL-1，氧氟沙星：0.000 05~1 mg·mL-1，土霉素：0.000 1~0.2 mg·mL-1，庆大霉素：0.01~1 mg·mL-1），可以根据荧光峰的净峰面积比较准确地计算抗生素含量。最后，计算了抗生素定量曲线的准确度和检出限，说明了该方法可以应用到鸡蛋中抗生素的残留量检测，但目前还存在检出限较高的问题，需要更进一步研究来降低检出限。


2024 Vol. 44 (05): 1245-1254 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (9350 KB)  ( 11 )


1255亮氨酸与异亮氨酸太赫兹光谱的振动模式分析

刘晓松1，2，赵国忠1*，屈 媛2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1255-07


氨基酸是含有碱性氨基和酸性羧基的有机化合物，是构成蛋白质的基本单位，其种类，数量和排列直接影响蛋白质的生物功能，对维持机体功能有重要意义。氨基酸分子间振动模式（扭转，氢键和集体振动）大部分处于太赫兹(THz)波段，表现出独特的吸收特征，因此，对氨基酸进行THz光谱研究，能够更全面了解生物特性。总结前人实测的亮氨酸与异亮氨酸位于0.2～2.6 THz波段的吸收谱，同时，利用量子化学计算方法解释其形成机理。使用Gaussian09软件对单分子构型模拟计算，模拟方法为半经验法(PM6)，从头计算法(HF，MP2)和密度泛函理论(B3LYP，M06-2X)结合6-311+G(d, p)高斯型基组；使用Materials Studio 2019软件对晶胞构型模拟计算，模拟方法为广义梯度近似的PBE，PBEsol，RPBE和WC等四种密度泛函结合平面波基组。结果表明：单分子构型模拟均缺少吸收峰位，不同方法对同一振动模式的峰位计算不同，因此，对分子间相互作用较强的结构，进行单一方法的该构型模拟，很大程度不能正确匹配振动模式，且受原子轨道线性组合方法影响，与输入结构相比，输出结构由COO-和NH+3基团变为COOH和NH2，无法体现实际振动模式；晶胞构型模拟对分子内和分子间振动模式描述，吸收峰位与实测值匹配较好，不存在质子转移情况，较好指认实测峰位的振动模式。亮氨酸与异亮氨酸使用PBEsol泛函计算结果最接近实测值，说明模拟计算需充分考虑结构与泛函的匹配性，即对结构交换关联能的描述，也说明同一泛函对异构体的普适性，此外，不能以结构优化后差异作为判断泛函是否适用的标准。晶胞构型计算结果包含分子间振动模式，是单分子构型无法得到的结果，且数据进行半峰全宽拟合，导致两种构型结果在某一实测峰位处的振动模式存在差异。


2024 Vol. 44 (05): 1255-1261 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (4502 KB)  ( 10 )


1262组织仿体的光学特性对糖信号检测灵敏度的影响分析

葛 晴，刘 瑾*，韩同帅，刘文博，刘 蓉，徐可欣


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1262-07


由于经人体组织的传输光子携带的血糖信号非常微弱，近红外光谱法测量血糖的灵敏度不高，难以获得较高的准确度。因此通过优化测量波长、测量距离等尝试提高测量灵敏度的研究一直在进行。然而，这些研究多倾向于关注血糖引起的组织吸收系数和散射系数的变化，而忽视了不同部位组织本身的光学特性对灵敏度的影响，缺乏比较不同部位之间的灵敏度差异。实际上，组织本身的光学参数会通过影响光程来影响吸收变化、散射变化作用于光强变化的系数的大小，因此，综合考虑上述两方面的因素后确定出的血糖测量灵敏度是更合理的。为了探究这种综合作用，选取2%、5%、10%和20%四种浓度的intralipid溶液作为人体组织仿体，通过蒙特卡洛模拟的方法，探讨了在1 000～1 660 nm波段，四种溶液中糖的吸收作用、散射作用和两者综合作用下的糖灵敏度，以及各部分灵敏度与其本身光学参数的关系。结果表明，在散射系数最大的20% intralipid溶液中检测到的糖信号也最强。据此，该研究将为部位优选提供依据，以获得较大的糖灵敏度。同时，对1 000～1 660 nm波段内的糖信号进行分析，发现在1 000～1 350 nm波段，糖引起的吸收作用基本可以忽略，信号的差异主要来自于散射的变化；而在1 350～1 660 nm，散射和吸收共同作用，其中散射的贡献大于吸收，散射最优的测量波长在1 450 nm附近；而考虑散射和吸收的共同作用时，最优的测量波长在1 400 nm附近。最后，为了验证理论分析的有效性，对四种溶液进行了实验，采用了1 000～1 660 nm波段中的六个典型波长，结果表明四种溶液中糖信号最大的检测波长均为1 409 nm，且在20% intralipid中的糖信号灵敏度最大，说明实验结果与理论分析吻合较好。综上，该研究可为人体无创血糖检测合适的测量部位、合适的波长选择提供借鉴。


2024 Vol. 44 (05): 1262-1268 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (4628 KB)  ( 6 )


1269典型饲用氨基酸的太赫兹光谱检测与密度泛函理论指认分析

梁 爽1，2，王 莹3，赵文文2，张志勇1，岳健民2，李 斌1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1269-08


为探索用于畜禽饲喂低蛋白日粮的典型氨基酸太赫兹波段指纹特性及其与分子结构相关性，本文基于太赫兹时域光谱技术和密度泛函理论（DFT）对蛋氨酸等6种饲用氨基酸开展了实验测量和理论振动计算分析。首先，制备了氨基酸实验样本，测量了它们在0.5~2.0 THz的太赫兹吸收光谱，发现：蛋氨酸在1.48和1.54 THz、赖氨酸在0.95和1.67 THz、色氨酸在1.2和1.4 THz、苏氨酸在1.42 THz、组氨酸在1.4 THz、异亮氨酸在1.41和1.51 THz处呈现明显吸收特性；然后，利用GaussView软件构建了6种氨基酸单分子结构，应用DFT理论的B3LYP杂化泛函方法，结合6-311G（d，p）基组优化结构，计算获得其太赫兹波段的频谱特征，发现：蛋氨酸在1.51 THz、赖氨酸在0.89和1.68 THz、色氨酸在0.67和1.39 THz、苏氨酸在1.4 THz、组氨酸在1.4 THz、异亮氨酸在1.56和1.75 THz处有一定吸收，与实际实验测量吸收峰位基本吻合；最后，利用Gaussian软件分析了6种氨基酸在0.5~2.0 THz波段各吸收峰处的振动模式，发现：蛋氨酸1.51 THz处吸收峰源自其甲基团的面内摇摆振动；赖氨酸0.89和1.68 THz处吸收峰源自其羧基官能团的旋转和氨基官能团的面内摇摆振动；色氨酸1.39 THz处吸收峰源自其羧基官能团的面外弯曲振动；苏氨酸1.4 THz处吸收峰源自其羧基官能团的面外弯曲和氨基官能团的面内摇摆振动；组氨酸1.4 THz处吸收峰源自其氨基官能团的面内摇摆和整体摇摆振动；异亮氨酸1.56 THz处吸收峰源自其甲基团和氨基官能团的整体摇摆和羧基官能团的面外摇摆振动、1.75 THz处吸收峰源自其甲基团的整体摇摆和羧基官能团的面外摇摆振动。该研究为利用太赫兹光谱技术开展典型饲用氨基的快速定性定量研究提供理论参考。


2024 Vol. 44 (05): 1269-1276 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (14473 KB)  ( 42 )


1277火星进入流场特性中红外吸收光谱诊断研究

曾 徽，文 鹏，杨国铭，朱兴营，欧东斌


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1277-06


火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分，“天问一号”2021年成功着陆火星，是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主，表面气压远低于地球大气，由于大气成分和进入轨道的差异，火星进入器面临的热环境同地球返回器有很大不同，其进入过程为非空气介质的高速流动，将产生严重的气动防热问题。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境，是开展火星探测防热系统设计的关键。电弧风洞模拟火星进入高温过程，其主要过程是CO2主导的离解反应，并且CO等高温离解组分与火星进入器防热材料相互作用，产生的催化效应会显著影响气动热环境。利用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术，开展电弧加热火星进入流场特性的在线定量研究。电弧加热在线诊断研究利用CO在4.5 μm附近中心波长为2 212.625 cm-1（v″=0, R(19)）的谱线，实现了对火星地面流场的高信噪比测量，采用单线-直接吸收光谱诊断技术获得了自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。典型状态下，火星进入流场自由流静温和CO摩尔组分浓度在整个运行时间内保持稳定，显示出电弧加热流场良好的稳定性。六组重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1 757±69) K和(0.189±0.027)范围内，自由流温度波动≤3.9%，CO组分浓度波动≤14.3%，证明电弧风洞建立的火星地面流场具有非常好的重复性。基于该研究发展的电弧风洞中红外激光吸收光谱诊断技术，可以为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供精细化测量能力。


2024 Vol. 44 (05): 1277-1282 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (2773 KB)  ( 10 )


1283基于非对称多项式拟合的光谱波纹系数算法

孙胜琳，徐宏杰，杨晟旻，方佳豪，梁佳辉


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1283-08


在光纤陀螺中，常采用超辐射发光二极管（SLD）或放大自发辐射（ASE）光源，其较宽的光谱可有效抑制偏振噪声及背向反射、瑞利散射等影响。在SLD及ASE光源中，波纹系数是一项重要指标，其主要来自于宽带光源中未完全抑制掉的激射部分，会对光纤陀螺的精度产生影响。目前在国军标中对波纹系数的定义是：光谱曲线峰值波长附近的模式幅值的极差，单位为dB。目前对波纹系数还是采用人眼观察的方法，人眼观察具有一定的主观性和偶然性，不能排除人们主观因素以及外界干扰带来的测量误差，并且经过处理后得到的对数光谱不能准确反映原始光谱特性。针对宽带光源非对称光谱中的波纹系数进行分析，对比多峰高斯拟合和多项式拟合各自的优缺点，选择多项式拟合的方式；通过理论分析及实验验证，采用五次多项式拟合满足要求。基于三倍标准差原理提出了一种新的波纹系数计算方法，可以准确反映波纹系数大小。采用AQ6370D光谱仪和自制的“光谱波纹系数测试”软件对ASE光源和SLD光源进行实验，计算结果与人眼观察数据基本吻合。在此基础上进行重复性验证实验，采集同一光源的五次实验数据，分别计算其波纹系数，并与人眼观察结果比较，结果表明人眼观察只能估算到小数点后两位，而光谱波纹系数算法精度较高，分辨率可达0.000 1。自制的“光谱波纹系数测试”软件可以在交互界面上得到测试光谱的平均波长、峰值波长、中心波长、谱宽、波纹系数、线性坐标和对数坐标下的光谱及其拟合曲线表达式，使实验分析更加方便快捷，大大提高了实验效率。提出的基于非对称多项式拟合的光谱波纹系数算法可以更有效地对光源波纹系数进行判断，提高了计算效率，消除了主观性和偶然性的影响，对国军标进行了补充，有较为广阔的应用前景。


2024 Vol. 44 (05): 1283-1290 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (13022 KB)  ( 8 )


1291感应读出延时线阳极光子计数探测器研究

张蕊利1，刘永安1，张亚龙1，2，杨向辉1，刘 哲1，苏 桐1，赵宝升1，盛立志1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1291-06


针对空间天文、生物荧光、光谱测量等领域对高灵敏、大面阵探测器的应用需求，研制出基于感应读出方式的延迟线阳极光子计数成像探测器。该探测器由微通道板、延时线阳极以及读出电路组成，其中延时线阳极的性能直接影响探测器的成像质量。作为一种电荷感应读出延时线阳极，该阳极利用信号到达的时间差解码入射光子的位置，可获得高的探测灵敏度和大的成像面积，同时简化了工艺难度并提升了可靠性。设计了感应读出延时线阳极，理论分析了探测器不同设计参数及材料对感应电荷量的影响，提出了解决异层电极间感应电荷量难以平衡的方法。据此研制出了收集面积为40 mm×40 mm的位敏阳极。测试结果表明该阳极信号传输衰减小于10%，极间串扰小于3%。利用该阳极进行了光子计数成像实验，获得了优于150 μm的空间分辨率，为研制可应用于天文紫外光谱测量的大面阵、高灵敏探测器提供了理论依据及实验指导。


2024 Vol. 44 (05): 1291-1296 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (23655 KB)  ( 4 )


1297硅漂移探测器中逃逸峰的分析与计算

廖学亮，刘明博，程大伟，沈学静


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1297-04


能量色散X射线荧光光谱所使用的硅漂移探测器（SDD）在检测过程中会在个别含量较高待测元素所产生的较强特征峰的低能侧形成逃逸峰，其相应的特征峰也会损失一部分强度，逃逸峰的产生位置与探测器的成分有关；SDD探测器中入射特征峰与逃逸峰之间的能量差值为1.739 keV，等于硅原子的Kα特征能量，逃逸峰的强度与入射X射线的强度成正比，即与相应元素的含量/特征峰强度成正比，通常的入射特征峰逃逸概率比较低，在逃逸峰强度较低时对测试结果影响较小，当基体元素含量较高时产生的逃逸峰较大就会导致测试结果偏差较大；通过理论计算可以看出，逃逸峰的产生概率与探测器角度及元素种类等条件有关，从硅原子的质量吸收系数的变化趋势可以发现，随着入射特征线能量的增大硅原子对其的质量吸收系数降低，相应入射线的逃逸峰产生概率也会降低。当逃逸峰与其他待测元素的特征能量峰位置有重合时，会干扰相应元素的准确测量，导致相应元素的特征峰强度偏大，尤其是当待测元素含量较低时，其产生的特征峰强度较小，逃逸峰导致的本底强度所产生的干扰相对更大，因此需要对逃逸峰进行准确计算和校正。搭建了相应的平台进行测试，并以Fe和Mn元素为例，通过对SDD探测器中两种元素产生的逃逸峰概率进行理论分析与计算，并与实际测试谱图得到的逃逸概率值进行对比，发现两种数据符合较好，并且经对比发现在Fe2O3样品中的Fe∶Kβ线的逃逸峰与Cr∶Kα峰重合，Fe∶Kα线的逃逸峰与Ti∶Kα峰有部分重合，在扣去逃逸峰后可以降低检出限，以更好地对Cr和Ti进行准确定量，该方法可扩展到其他含量较高元素的逃逸峰计算与校正，尤其是在土壤、矿物、合金检测等个别元素含量较高的样品中多元素检测方面的应用，可提高X射线荧光方法的测试准确度。


2024 Vol. 44 (05): 1297-1300 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (2417 KB)  ( 10 )


1301发射绿色荧光的钆氮掺杂碳点/水滑石纳米复合材料对潜在指纹的识别

张幸福1，张晓彤1，李大武2，尤 楠1*，丁保宏1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1301-06


碳点(CDs)是一种绿色纳米荧光剂，CDs分散在水溶液中，能够呈现出良好的荧光性能。由于聚集诱导而引发荧光猝灭效应，导致固态的CDs粉末的荧光消失，这一缺陷限制了CDs的实用性。一方面通过在CDs中掺杂其他元素的方式来改变CDs的荧光发射波长和荧光颜色，提高潜在指纹(LFPs)与基材背景间的对比度；另一方面将CDs分散在低值的水滑石表面，阻止CDs的聚集，从而避免了荧光猝灭现象的产生。以酒石酸为碳源、三乙烯四胺为氮源和GdCl3，采用水热法先制备钆氮掺杂CDs(Gd/N-CDs)，然后再将Gd/N-CDs沉积在水滑石(Gd/N-CDs@H)表面上，制备出了发射绿色荧光的纳米复合材料，并用于LFPs的成像和识别。从表征结果可知，纳米级Gd/N-CDs在水滑石表面的良好分散克服了Gd/N-CDs在固态状态下的荧光猝灭，得到了固态光致发光荧光纳米复合材料。在450 nm光的激发下，Gd/N-CD@H能发射稳定、强烈的绿色荧光，并且在各种基底(如玻璃片、铜箔、瓷砖、塑料、铝箔和纸张)呈现出清晰的LFPs图像。基于Gd/N-CDs@H，新鲜和老化LFPs图案的高级别细节都可以清晰地识别出来，并且具有良好的清晰度和高对比度，无明显的背景干扰。


2024 Vol. 44 (05): 1301-1306 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (38967 KB)  ( 9 )


1307黑果枸杞中矿物元素溶出特性研究

张辰凌，韩 梅*，刘 佳，贾 娜，刘冰冰，张永涛


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1307-05


黑果枸杞，茄科枸杞属，富含多种矿物质元素，这对人体生长发育有重要的生物学作用。黑果枸杞作为一种药食同源的物质，为了解其营养价值、指导健康食用及进一步功能开发，有必要分析矿物质溶出特性，并进行相关性分析。黑果枸杞样品制备以硝酸和过氧化氢为消解酸，微波消解仪制备消解液，以不同温度纯水浸提制备浸泡液，试验建立了电感耦合等离子体光谱法测定消解液和浸泡液中K、Na、Ca、Mg、Zn、Fe、Mn、Cu、Li、Sr十种矿物元素含量的实验方法，并进行了矿物元素溶出特性研究及相关性分析。在优化的光谱分析条件下，十种元素线性关系好（r＞0.999 5）、检出限低（<0.01 mg·L-1）、准确度高、精密度好。加标回收率在97.2%～101.8%之间，相对标准偏差小于1.99%。实验发现，黑果枸杞中矿物元素含量丰富，含量最高的是K，其次是Na、Ca、Mg，然后是Fe、Li和Sr，含量较低的是Mn、Zn、Cu。黑果枸杞中K/Na值大于8，属于典型的高钾低钠食品。Ca、Mg、Fe、Zn、Li、Sr、Mn、Cu也是人体中多种酶、激素和维生素中不可缺少的活性因子，是一种理想的食品。黑果枸杞浸泡液中，除Li与Ca、Zn、Fe之间，Mg与Zn之间关系不明显外，其余元素间呈显著正相关或极显著正相关。表明，各矿物质元素中不存在明显的拮抗作用。矿物质元素的溶出率与浸泡时间及提取温度有关。实验采用沸水和40℃纯水浸泡黑果枸杞样品，选取浸提时间5、10和20 min三个时间点研究提取温度及时间对溶出率的影响。十种元素中K、Na、Zn溶出率最高，可能是因为三种元素多以离子形式存在，容易提取。Ca、Mg、Sr、Mn、Cu含量差异大，溶出率相近，可能是价态相近，提取效率相近。Li溶出率受提取温度影响很大，沸水浸泡溶出率是40 ℃温水的的1.5～2倍，Fe在微量元素中含量最高，溶出率却最低，主要是由于Fe与蛋白质结合，不易萃取。试验数据可为健康食用黑果枸杞及进一步开发利用提供理论参考。


2024 Vol. 44 (05): 1307-1311 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (892 KB)  ( 10 )


1312混合光谱曲线的Fast ICA盲源解混及影响因子研究

戴佳乐，汪金花*，李孟倩，韩秀丽，缪若梵


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1312-09


混合物高光谱分析是矿物无损检测的关键技术。文中将混合物350～2 500 nm区间光谱反射率变化看作时域变化的一维序列信号，将混合物光谱分离转变为时域信号的盲源分离问题。为了分析混合光谱解混速度和准确度的影响因子，采用Fast ICA数学模型对混合物实测高光谱反射曲线进行了盲源解混试验，从解混过程的白化方式、初始权阵，源光谱高斯性3个方面分析了光谱解混的结果，为混合物光谱检测的后期分析提供了研究基础。选取化学纯氧化铜和氧化亚铜混合物、碱式碳酸铜和氢氧化铜混合物为试验对象，采用解混性能指数PI、光谱均方根误差和光谱角距离作为评价指标，开展了源光谱高斯性与g函数、ZCA和PCA白化方式、及单位权、随机权、指定权3种初始权对解混光谱结果影响的对比实验。实验结果表明：Fast ICA算法在未知混合矿物高光谱先验信息的基础上，能够有效分离出混合物组分源光谱，样本分离精度PI值均小于0.18，光谱盲源解混的效果显著。解混后光谱曲线与源光谱曲线在特征趋势上保持一致，具有相同的吸收位置和特征峰，但是存在一定尺度的差异。另外，源光谱的高斯性与解混g函数的选取会直接影响解混结果，亚高斯区间曲线分离精度优于超高斯部分。依据高斯性进行分段解混结果的吸收特征会更加突出，与源光谱反射率数值差异也随之增大；光谱预处理的白化方式会对解混结果精度产生微小影响，经过ZCA白化后解混结果的分离精度、光谱的准确度均略高于PCA白化；在Fast ICA模型3种初始权解混结果对比发现，以初次迭代结果计算的指定权进行迭代解混时，其分离精度、解混准确度及解混时间均为最佳，解混过程更易收敛。结果表明，根据全波段高斯性来选取g函数解混效果最优，分离指数PI小于0.14，光谱角距离在0.1左右，ZCA白化比PCA白化对解混光谱的影响更小，ZCA白化后的两组混合物解混的分离指数在0.1左右，而PCA白化的分离指数PI均高于0.13，当指定权作初始权时有助于提高牛顿迭代中收敛速度，使解混光谱更接近组分已知光谱，指定权的解混时间低于0.2 s，其他两种定权方式均在0.3 s以上。


2024 Vol. 44 (05): 1312-1320 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (14581 KB)  ( 5 )


1321荧光探针四苯基-1,3-丁二烯在四环素检测上的应用

王 瑞1，郑露莹1，胡 博1，张新宇2，赵思思1*，张 航1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1321-09


抗生素具有抗菌活性强、成本低等优点，已广泛应用于生产生活中。然而，抗生素的滥用可能导致其在人体内或食物中的积累，造成公共卫生问题，如引起耳毒性、肾毒性、过敏反应和细菌耐药性。因此，选取具有灵敏度高、选择性好、制备简单、快速、可用于实际样品检测等优点的荧光检测技术，对提高食品安全性和合理用药具有重要意义。基于荧光技术在检测抗生素方面的应用，选取具有AIE效应的典型代表四苯基-1,3-丁二烯（TPB），其具有化学性能稳定、发光性能好、不受溶液条件限制等优点，将其制成荧光探针用来探究TPB的光化学性质及抗生素对其猝灭效应的影响。研究结果表明，TPB的最大激发波长为365 nm，最大发射波长为435 nm，TPB固体有很强的荧光特性；在365 nm的激发波长下，TPB的量子产率为51.9%；在水体积分数为80%时，TPB的荧光效果最佳；荧光探针TPB对四环素类抗生素具有较高的选择性和较强的抗干扰能力，即四环素类抗生素对TPB高度猝灭，满足荧光内滤效应的条件，而磺胺类和喹诺酮类抗生素对TPB猝灭效果不佳；体系荧光强度随着盐酸四环素浓度增加而降低，存在较强的相关性，线性回归方程为y=-1.338x+984.20，检出限为0.042 7 mmol·L-1；在pH≤7时，猝灭效果较好；加入盐酸四环素溶液后，湖水、海水、牛奶体系荧光强度均明显减弱，可以通过荧光强度的变化间接反映四环素类抗生素溶液浓度的变化。通过抗生素猝灭TPB的探究，在环境和食品中抗生素残留量的检测具有重大意义，为人类治理食品和环境中残留的抗生素提供参考。


2024 Vol. 44 (05): 1321-1329 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (4572 KB)  ( 10 )


1330蘑菇渣和稻秸堆肥中不同分子量水溶性有机物含量分布和光谱特征

程 澳1，陈 丹1，任兰天2，纪文超1，3，范行军1，3*，刘晓龙1，余旭芳1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1330-08


分子量（MW）是影响堆肥溶解性有机物(DOM)化学性质和环境行为等的重要因素，目前关于堆肥DOM的MW分布等认识仍不清晰。以蘑菇渣堆肥（MRC）和水稻秸秆堆肥（RSC）中DOM为研究对象，采用超滤分级技术对堆肥DOM中不同MW组分进行分级定量和化学表征，进而探究不同堆肥DOM中MW组分的分布和光谱特征。DOC结果显示，MRC和RSC中DOM均以>10 kDa的高分子量（HMW）组分组成为主，分别富集有80%和71%的DOC(溶解性有机碳)，而中等分子量（5～10 kDa，MMW）和低分子量（<5 kDa，LMW）组分分别占总DOC的12%～15%和9%～15%，表明HMW是决定腐熟堆肥DOM的化学组成和分子结构的关键物质。光谱特征参数（如SUVA254、E2/E3和HIX）结果显示，不同MW的DOM的芳香化程度和腐殖化程度均呈现相同的趋势，即HMW>MMW>LMW；而BIX和FI值则呈现与之相反的分布规律。结果表明堆肥DOM中HMW(高分子组分)组分富集了较多的芳香环等不饱和共轭结构，而MMW和LMW组分具有更高的自生源贡献。三维荧光-平行因子分析结果显示，堆肥DOM及其MW组分主要由3种类腐殖质（C1—C3）和1种类蛋白质（C4）构成。其中，MRC和RSC中的HMW组分均以长波类腐殖酸（C3）组成为主，其含量分别占HMW组分总荧光强度的34%和85%；而两类堆肥中MMW和LMW组分则以类富里酸（C1，41%～53%）和短波类腐殖酸（C2，25%～36%）组成为主。红外光谱（FTIR）结果表明，堆肥DOM中HMW组分含有更多的疏水性苯环结构，而MMW和LMW组分则具有较多的亲水性含氧官能团（如羰基、羧基等）。研究结果促进了对堆肥DOM化学组成和分子结构的认识，为进一步评价堆肥腐熟和稳定化程度及其环境行为等提供了重要的数据参考。


2024 Vol. 44 (05): 1330-1337 [摘要] ( 19 ) RICH HTML PDF (5522 KB)  ( 6 )


1338基于希尔伯特滤波的可擦笔油墨光谱模式识别

王晓宾，张傲林，邹颖芳，杨 蕾


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1338-08


文件的真实性是当前诉讼审查阶段的重要工作，可擦笔在司法案件中常被用来进行伪造文书、合同等犯罪行为。针对其油墨成分、笔迹修改等方面的辨识是文件检验领域的重点研究。特殊热感变色颜料是可擦笔油墨的主要成分，其变色原理是随着温度变化会产生笔迹的消失与复现，在65 ℃以上颜色褪去，在-18 ℃以下颜色复现。对其进行种属认定可以对案件证据的真实性进行鉴别，为案件诉讼过程提供支持。高光谱的超高光谱分辨率对高分子材料具有较好的特征选择性，能够有效的对常见油墨成分进行数据采集。该实验收集22个品牌共45份可擦笔油墨样本，可以分为碳化钨笔珠、子弹头笔珠、全针管、半针管四种类型，统一采集450~950 nm波段的高光谱信息。关于光谱数据背景噪声冗余的问题，选用主成分分析法（PCA）对数据进行降维处理，提取特征变量。基于降维后的数据选用不同类型的希尔伯特变换（HT）进行信号滤波，进一步选择有效信号，提升建模效果。样本识别上选用多层感知器（MLP）和径向基函数神经网络（radial basis function neural network，RBFNN）两种人工神经网络模型，基于23维主成分提取的特征变量类建模准确率分别为81%，84%，通过希尔伯特高通滤波处理后可以将分类准确率提升至88.9%，92%，能够有效提升识别准确率。为进一步区分不同样本的种类，选择Fisher判别分析方法进行建模，各样本原始数据在FDA模型中识别准确率为44%，经最优PCA-HT处理的FDA建模准确率为93.3%，能够区分出不同的可擦笔油墨类型。结果表明，PCA能够在保留光谱有效信息的基础上进行降维，提升模型精度并且缩短运行时间，相较于原始光谱数据建模效果较好，通过希尔伯特变换后的光谱数据能够进一步完善有效光谱信息，使得建模准确率进一步提升。该实验确定PCA-HT-FDA模型为最佳可擦笔油墨高光谱识别模型，能够为司法鉴定人员提供一定参考。


2024 Vol. 44 (05): 1338-1345 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (13155 KB)  ( 5 )


1346猪肉理化指标的近红外光谱无损检测

刘瑜明1，2，3，王巧华1，2，3*，陈远哲1，刘成康1，范 维1，祝志慧1，刘世伟1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1346-08


我国是世界上最大的猪肉生产国，同时也是最大的消费国。猪肉的品质影响着人们摄取蛋白质的质量，目前缺乏有效的快速无损检测方法应对巨大的检测需要。为快速测定冷藏猪肉挥发性盐基氮(TVB-N)、pH值和含水率，提出一种新的猪肉品质检测方法，利用近红外光谱技术结合化学计量学方法建立冷藏猪肉TVB-N、pH值和含水率的数学模型。以不同种类的白条猪肉为研究对象，选择排酸完成后的猪最长背部肌肉的切块，采集相应猪肉近红外光谱数据并结合化学计量学试验获取TVB-N、pH和含水率的测量值，对比分析采集到的光谱信息和理化指标，发现在8 600~8 450、7 160~6 950、5 300~5 000 cm-1区域出现显著的吸收峰，而8 600~8 450 cm-1附近吸收峰的峰值却明显小于其他吸收峰。使用SPXY(sample set partitioning based on joint X-Y distances)算法进行数据集划分，将数据集按照3∶1的比例划分成训练集和测试集。使用蒙特卡罗交叉验证法(MCCV)剔除异常数据，通过偏最小二乘法回归(PLSR)建立TVB-N、pH值、含水率和全波段光谱信息的回归关系。利用数据中心化、Savitzky-Golay(S-G)一阶求导、S-G二阶求导、直接差分二阶求导和多元散射校正等方法对原始光谱进行预处理，探寻合适的预处理方式。结果显示：数据中心化、直接差分二阶求导、二阶求导取得较优的试验效果；故结合竞争性自适应重加权算法(CARS)、非信息变量剔除(UVE)、连续投影算法(SPA)等特征波长提取算法建立PLSR特征波段模型并进行分析。结果显示，TVB-N、pH值、含水率的预测模型结构分别为数据中心化-CARS-PLSR、直接差分二阶求导-CARS-PLSR、二阶求导-CARS-PLSR时具有优异的性能，其中训练集相关系数RC分别为0.947 1、0.998 8、0.997 1，均方根误差(RMSE)分别为1.208 8、0.008 7、0.001 5；测试集相关系数RP分别为0.927 5、0.963 0、0.945 9，RMSE分别为1.683 6、0.051 7、0.005 6。综上可知，近红外波段区域与猪肉TVB-N、pH值、含水率存在显著相关性，利用近红外光谱可以准确预测猪肉中TVB-N、pH值和含水率。


2024 Vol. 44 (05): 1346-1353 [摘要] ( 22 ) RICH HTML PDF (6600 KB)  ( 15 )


1354TLC-SERS同时检测降压类保健食品中五种沙坦类违禁添加成分

黄丽俊1，庄顺钱2，冯永巍1，杨方威2，孙 震1，谢云飞2*，薛庆海1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1354-10


由于人们不健康的饮食结构和生活作息习惯以及人口老龄化等因素，高血压等慢性病发病率逐渐增高，降压类保健食品逐渐受到人们青睐。但是市场中存在不良商家为了提高保健食品的功效，向保健食品中非法添加降压药，尤其是沙坦类降压药的现象。建立了一种薄层色谱层析技术（TLC）与表面增强拉曼光谱（SERS）联用方法，对降压类保健食品中五种可能添加的沙坦类违禁成分（奥美沙坦酯、厄贝沙坦、氯沙坦钾、替米沙坦、缬沙坦）进行同步检测。对五种药物的SERS检测最佳条件进行探究，并通过比较不同成分及配比的TLC展开剂对于五种药物的分离效果，经过大量配方试验后成功得到环己烷-乙酸乙酯-甲醇-冰醋酸=53∶35∶12∶0.25（v/v/v/v）的分离体系，对五种药物具有良好的分离效果。确定实验条件后利用TLC分离技术对样品溶液分别进行初步分离，在薄层板上不同比移值的斑点原位处滴加金胶进行SERS检测，对样品溶液在斑点原位处的SERS光谱进行采集、比较，确定。研究结果表明，五种沙坦类违禁添加成分可通过TLC明确分离，且其SERS光谱特征峰一致、重复性良好，根据各自的特征峰可快速定性分析，检出限在0.1~1 mg·kg-1之间。研究建立的TLC-SERS方法简单、快速，能够为保健食品中违禁添加成分的现场初步快速筛查提供一定参考。


2024 Vol. 44 (05): 1354-1363 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (19417 KB)  ( 4 )


1364苹果早期瘀伤的近红外光谱和多波段相机成像检测

杨增荣1，2，王怀彬1，2，田密密1，2，李军会1，2，赵龙莲1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1364-08


苹果早期轻微瘀伤是影响苹果品质的重要因素。早期轻微瘀伤在可见光下肉眼无法识别，为寻找一种高效的苹果早期轻微瘀伤识别方法，以红富士苹果为研究对象，通过倒立摆装置人为制造不同程度的苹果瘀伤。首先采用傅里叶变换近红外光谱仪采集80个无损样品、60个轻度损伤样品以及60个重度损伤样品各自在损伤后0、10、20和30 min的近红外漫反射光谱；采用SNV作为光谱数据预处理方法，谱区范围选择4 000~9 000 cm-1；主成分个数为9，采用偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）两种方法建立“无损-有损”二分类模型，预测集的平均识别率分别为85.00%和89.80%，模型识别效果有待提高。在以上实验结果的基础上，使用波段范围为1 000~2 350 nm的近红外相机采集无损、轻度瘀伤、中度瘀伤和重度瘀伤的100个苹果样品的近红外图像，相机加装1 150和1 400 nm的滤光片后分别再次采集这些苹果样品的近红外图像，所有图像均在瘀伤产生后立即采集。共采集3个波段、4种瘀伤程度的苹果样本图像共1 200张。提取图像吸光度信息并分别建立KNN、SVM和DT分类模型，DT法“无损-损伤”二分类模型和“无损-轻度-重度”三分类模型的识别率最高，分别为99.00%和94.67%。相比基于近红外光谱的苹果早期外部瘀伤识别方法，近红外相机多波段成像法在苹果表面早期瘀伤和瘀伤程度分类的应用中都有更高的识别准确率。与此同时近红外相机成像方法方便确定瘀伤的位置，这为苹果表面瘀伤的实时在线检测与分类提供了一种快速高效的新思路。


2024 Vol. 44 (05): 1364-1371 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (15692 KB)  ( 12 )


1372不同产地蓝铜矿矿物学及谱学特征研究

徐翠香1，陈宇迪2，邹 涛2，杨 颖2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1372-07


蓝铜矿是含铜的碳酸盐矿物，它产于铜矿床的氧化带，是一种次生矿物，因此蓝铜矿的出现可作为寻找原生铜矿床的标志。国内学者对蓝铜矿的谱学研究比较少，且对世界不同著名产地蓝铜矿矿物学与谱学特征对比是空白区。通过扫描电镜能谱分析仪、粉晶X射线衍射仪、同步热分析仪、红外光谱仪等仪器对2块中国产地蓝铜矿矿物样品（安徽六峰山、广东阳春）与2块外国产地蓝铜矿矿物样品（老挝、澳大利亚）的成分、结构及谱学特征进行了分析与探讨。能谱元素分析结果显示4块矿物样品的主要元素为C、O、Cu三种元素。X衍射结果表明除产于安徽六峰山矿物外，其他3种产地矿物X衍射物相分析结果均为蓝铜矿Cu3(OH)2(CO3)2。产于安徽六峰山矿物除了主物相蓝铜矿的衍射峰外，在其他位置也检测出衍射峰，表明产于安徽六峰山的矿物含有第二物相孔雀石CuCO3·Cu(OH)2。从同步热分析仪热重曲线可以看出主要有两个失重台阶，300 ℃之前的失重可能是蓝铜矿中含有小部分的孔雀石的分解失重，而300~600 ℃的失重对应的是蓝铜矿的分解失重。从红外光谱上看主要的红外峰为蓝铜矿的特征峰，四个不同产地的红外光谱比较相似。结合蓝铜矿的外观特征，可为不同产地蓝铜矿的产地鉴定和检测提供依据。


2024 Vol. 44 (05): 1372-1378 [摘要] ( 21 ) RICH HTML PDF (31221 KB)  ( 21 )


1379大气湍流对LIF探测海面溢油影响的BRRDF仿真研究

谢贝贝1，2，赵佳伟1，周炫宇1，张晓丹3，刘俣佳4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1379-07


及时定位海面溢油事故发生地并监测海面溢油信息对海洋污染治理和海洋生态环境保护有重要意义。激光诱导荧光（LIF）可搭载于无人机构建LIF雷达系统并应用于海洋环境监测。LIF雷达系统以大气为传输信道，大气湍流会导致信号衰落。双向反射再辐射分布函数（BRRDF）利用受激辐射荧光光子的权重、位置和方向描述物质的荧光特性，为LIF探测海面溢油提供理论指导。基于大气湍流理论和蒙特卡罗方法模拟海面溢油的受激辐射荧光过程，建立光子传输模型进行海面溢油BRRDF的仿真研究。仿真分析不同湍流强度下，光强闪烁、光束漂移、光束扩展效应对海面溢油BRRDF的影响。仿真结果表明，海面溢油受激辐射荧光信号具有各向同性，其强度与激发光的强度成正比。光束漂移效应对荧光漂移范围影响微弱，可以忽略；在弱大气湍流下（湍流强度参数σ2R＜1），BRRDF所表征的荧光信号强度集中在2×10-5～5×10-5范围内，荧光光斑半径由1 mm扩展至5 mm，LIF雷达系统可以正常进行探测工作；大气湍流强度到达中等后（σ2R≈1），荧光信号强度在10-5～10-4范围内波动，荧光光斑半径扩展至15 mm，此时大气湍流的不利影响无法忽视，LIF雷达系统探测到的荧光信号不够稳定，最终导致光谱不理想。在实际探测中，可通过适当提高探测器性能参数来增强系统的抗湍流能力。强大气湍流下（σ2R＝25），出现光斑破裂现象，荧光信号分散并衰落至某一阈值之下，LIF雷达系统无法探测到荧光信号。文中的分析与提出的可行的研究建议，为LIF探测海面溢油相关研究提供参考依据，对LIF雷达系统设计具有一定的参考价值。


2024 Vol. 44 (05): 1379-1385 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (5128 KB)  ( 6 )


1386基于红外光谱与聚类分析法的宁夏产地枸杞子品种鉴别研究

徐 荣1，敖冬梅2*，徐 鑫1，2，王占林1，2，胡 颖2，刘 赛1，乔海莉1，徐常青1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1386-06


宁夏枸杞(Lycium barbarum L.)为宁夏传统道地中药材，因其良好的药食两用价值，已引种至甘肃、新疆、青海等省区。因长期引种和改良，宁夏枸杞品种繁多，是影响其质量的重要因素之一。本研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对宁夏中宁产地的宁杞1号、4号、5号、7号、0909号、10号共6个品种的枸杞子进行测定，一维红外光谱及二阶导数光谱范围均为4 000～650 cm-1，得到图谱后进行图谱解析；采用谱带较密集的指纹区（1 800～650 cm-1）计算红外光谱图的相似系数；然后结合SMICA聚类分析法对不同品种枸杞子的红外指纹图谱进行聚类比较。结果表明，不同品种枸杞子样品的一维红外光谱图较为相似，峰的位置、峰高和峰形都较为接近，其共同吸收峰较多，仅在3 282～3 288、1 239～1 242和1 143～1 147 cm-1附近的吸收峰强度、峰位置、峰形状有所不同，说明不同品种枸杞子中多糖类、苷类、蛋白质类、脂类和黄酮类等成分的种类和含量有所差异。二阶导数光谱中，宁杞1号、4号、7号在2 880 cm-1处吸收峰不明显，0909号在969 cm-1处吸收峰不明显。不同品种枸杞子的相似度范围在0.948 9～0.992 8之间，说明不同品种枸杞子存在一定差异，其中，宁杞7号与其他品种的平均相似度系数最小，为0.964 0，说明其成分特异性最高。0909号与宁杞10号相似系数为0.992 8，相似度最高。采用Assure ID软件以各药材吸收波数为变量进行聚类分析，宁杞1号与其他品种的差异均较小，类间距在2.17～2.97范围内；0909号与其他品种间的差异最大，类间距在2.97～8.06范围内。聚类模型中，不同品种枸杞子的识别率均为100%，仅宁杞1号的拒绝率较低，为66%，易与其他品种枸杞子混淆，0909号的拒绝率和识别率均为100%，最易区分。类模型图中，0909号与宁杞5号、0909号与宁杞7号两两分开，可以明显鉴别出不同品种的样品。采用已知品种的枸杞子对聚类分析模型进行验证，其识别率和拒绝率与聚类分析模型相同。不同品种枸杞子类模型图与一维红外光谱、二阶导数图谱、相似度、类间距、识别率和拒绝率结果相互印证，佐证了宁杞1号为大多数宁杞系列品种的来源品种，而09系列品种0909号与其他品种有较大差异。因此，红外光谱与聚类分析法相结合可以快速、无损地鉴别不同品种枸杞子，对枸杞子药材生产和新品种选育具有一定的指导作用。


2024 Vol. 44 (05): 1386-1391 [摘要] ( 20 ) RICH HTML PDF (2083 KB)  ( 23 )


1392基于高光谱图像技术的高粱品种识别研究

宋少忠1，刘园园2，周紫阳3，滕 星3，李继红3，刘君玲1，高 勋2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1392-06


高粱是酿造白酒的重要原料，高粱内的成分对白酒中微量成分含量和品质十分重要，并且高粱品质影响着白酒的质量和风味，因此，无损快速鉴别高粱品种对于提高白酒质量是个迫切需要的重要问题。采用高光谱成像技术结合机器学习算法对高粱品种进行分类鉴别，通过高光谱成像技术，获取了10个品种高粱的高光谱谱线以及图像纹理数据。采用多元散射校正（MSC）对光谱进行预处理，并用连续投影算法（SPA）筛选出62个特征波段，采用灰度共生矩阵提取高粱的4种纹理特征，分别以高光谱数据和光谱-图像数据融合，采用PLS-DA、SVM、ELM和RF等4种机器学习算法模型对10个高粱品种进行分类识别。结果表明，高光谱经MSC预处理后，用SPA降维提取的高光谱特征波段可以代表全光谱的数据信息，提高了PLS-DA模型识别高粱品种的稳定性。10个品种高梁的分类准确度从67.58%提高到93.85%，识别精度提升了27%。高光谱数据与图像纹理特征数据融合后，PLS-DA基于模型全光谱和特征谱段的高粱品种分类识别精度分别提升到96.47%和97.16%，相比于单一的高光谱数据更适用于高粱品种分类识别。相比于SVM、ELM和RF三种分类机器学习算法模型结果，PLS-DA机器学习算法模型的高粱品种分类识别精度最好。研究证明了高光谱成像技术结合机器学习算法在高粱品种鉴别中的有效性，可实现快速精确的高粱品质检测。


2024 Vol. 44 (05): 1392-1397 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (11408 KB)  ( 18 )


1398油液光谱数据诊断综合传动装置异常磨损定位方法

徐 峰1，张倩倩2，季文龙1，贾 然3*，张 鹏4，郑长松4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1398-07


磨损是影响综合传动装置工作可靠性及使用寿命的重要因素之一，当前相关研究中常用的聚类、主成分分析、加权融合等油液光谱数据分析方法，缺乏对特定元素浓度指标异常磨损情况下随时间增长的考虑。为分析综合传动装置不同零部件的磨损状态，提出一种基于油液光谱数据的零部件异常磨损定位分析方法。针对综合传动装置异常磨损过程中部分元素在特定阶段会出现快速增长的情况，提出基于时间窗相关距离的聚类方法，分离表征不同零部件磨损状态的元素；提出磨损元素的磨损趋势分级方法，以高磨损趋势元素为聚类中心，使聚类结果具备可解释性；通过分级系数确定零部件磨损元素权重，融合各零部件磨损元素，获取不同零部件磨损状态表征；通过异常磨损界限值识别异常磨损，实现零部件异常磨损定位。以综合传动装置润滑油液光谱数据为例，检测判断该装置异常磨损的零部件及时间段。检测结果表明：Fe、Cu、Pb三种元素的磨损趋势分级系数最高，携带大量磨损信息，能够有效表征装置的磨损状态；基于时间窗相关距离的有中心聚类方法，成功将油液光谱数据分为Fe、Cu、Pb三类，可用于有效表征整体、摩擦片、齿轮组的磨损状态；基于分级系数的加权融合方法可以有效对该装置的异常磨损部位和时间周期进行检测和判断，为后续的故障预防和维护提供技术指导。


2024 Vol. 44 (05): 1398-1404 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (5577 KB)  ( 5 )


1405基于太赫兹频谱的绝缘油中微量甲醇无损检测新方法

何雨欣1，杨丽君1*，俞 华2，陈奇宇1，成 立1，廖瑞金1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1405-07


甲醇是油纸绝缘中纤维素老化的特有标志物，目前采用的顶空气相色谱/质谱测试方法过程繁琐，无法实现无损快速检测。现有的拉曼光谱和红外光谱也难以实现低浓度甲醇(mg·L-1级)的感知。利用太赫兹检测技术对极性物质的敏感性，提出了一种实现绝缘油中微量甲醇的无损检测新方法。通过采用克拉玛依25#矿物绝缘油和色谱级别的甲醇配制浓度为99、59.4、19.8、9.9、4.95、2.48、1.24、0.62、0.31和0.15 mg·L-1的含甲醇的绝缘油混合溶液。检测含微量甲醇的绝缘油在太赫兹频段的吸收光谱，发现在1.7 THz左右存在特征峰，其与油中甲醇浓度有较好的定量相关关系，初步在实验室中实现了0.15 mg·L-1的绝缘油中微量甲醇的测量。基于量子化学计算分析揭示了甲醇与绝缘油之间复杂的分子间力使油与甲醇分子协同振动，是太赫兹频段特征峰的机理。甲醇和绝缘油之间复杂的分子间作用力，使得两种分子在太赫兹频段产生协同振动。同时，随着甲醇浓度的增加，甲醇分子间会形成氢键，更易缔合，减少了甲醇分子与绝缘油分子缔合的比例，从而1.7 THz左右的特征峰增长速度变缓。因此，吸收峰的强度与甲醇浓度存在非线性关系。含微量甲醇的老化绝缘油的太赫兹频谱在1.7 THz左右同样出现了吸收峰，在同一甲醇浓度时，吸收峰的强度随着老化天数的增加而增加，增幅与老化程度存在非线性关系，这可能与不同时期的绝缘油裂解的产物含量有关。聚合物和绝缘油对太赫兹波的低吸收性，有机会实现变压器上绝缘油中低浓度甲醇的快速原位检测。未来将通过进一步增大光程、绝缘油老化产物与甲醇的协同振动机理分析以及自适应大数据信号提取算法来提高测试下限，并排除老化因素的影响，实现全周期绝缘油中甲醇含量的准确无损测量。


2024 Vol. 44 (05): 1405-1411 [摘要] ( 14 ) RICH HTML PDF (11466 KB)  ( 9 )


1412基于激光吸收光谱的CO/CO2/H2S浓度同步在线测量研究

张学军1，陈勤根2，杨 展1，邓 琴1，贺拴玲3，彭志敏3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1412-05


CO、CO2、H2S是燃煤锅炉炉内气氛重要组成部分，其浓度不仅能够反映燃烧工况，还可作为水冷壁高温腐蚀程度判断依据，因此实现CO、CO2、H2S浓度的准确测量意义重大。首先采用波长调制-直接吸收（WM-DAS）方法结合约40 m长光程Herriott池，在室温低压下，开展不同CO/CO2浓度配比下三种气体吸收率同步测量实验，结果表明三种气体的吸收率测量值与理论计算值相近，相对误差在6.82%以内，测量结果可靠性较高；然后对不同浓度CO/CO2（0~2 000 μL·L-1）、H2S（0~20 μL·L-1）进行动态测量，结果表明，测量系统对三种组分浓度变化的响应具有较好的线性度。


2024 Vol. 44 (05): 1412-1416 [摘要] ( 12 ) RICH HTML PDF (6050 KB)  ( 8 )


1417一种生成对抗网络半监督回归的废纺样品中羊毛含量的预测方法

胡锦泉1，2，杨辉华1，赵国樑3，周瑞知4，李灵巧5


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1417-08


针对废旧纺织品回收在线分拣的需求，提出了一种基于生成对抗网络的半监督回归方法，使用少量标记样本和大量未标记样本来训练半监督回归器。半监督回归器由神经网络组成的生成器和由神经网络构成的判别器组成。生成器用于生成尽可能接近实际标记和未标记训练数据集内容的混合样本。鉴别器用于验证生成器生成的样本并预测这些样本的连续标记。生成的网络通过特征匹配损失进行训练，损失函数是鉴别器中间层真实样本的输出与生成样本之间的误差平均值。判别式有两个输出，一个用于预测序列标记，另一个用于确定生成的样本是真样本还是假样本的概率。通过使用传统的无监督生成对抗性网络损失函数和监督回归损失的组合来训练判别式。生成的网络通过特征匹配损失进行训练，损失函数是鉴别器中间层真实样本的输出与生成样本之间的误差平均值。先后收集了400个不同羊毛含量的混纺样品和3 000个未知成分的混纺样品。70%的标记和未标记的混合样本被随机选择作为训练集，其余30%的标记样本被用作重复实验的测试集。开展了多个实验进行验证。第一个实验为混纺光谱生成实验，用于验证生成对抗网络能够根据内在规律有效生成混合样本光谱。第二个实验为半监督对抗网络定量分析性能对比实验，对羊毛成分分析模型训练与测试，并将本半监督对抗网络定量分析模型与其他定量模型进行性能对比。第三个实验为现场高羊毛含量混纺细分模型预测对比实验，用羊毛含量在80%到99%之间的混纺样品进行成分分析，并将本文的半监督对抗网络定量分析模型与其他定量模型进行性能对比。第四个实验为中高羊毛含量混纺细分综合模型现场预测实验，用羊毛含量在40%到99%之间的混纺样品训练半监督对抗网络定量分析模型并部署在分拣系统，由操作员进行现场测试数据进行准确率、分析时间等测试。实验结果表明，基于生成对抗网络的半监督回归方法优于PCR、PLSR、SVR、BPNN等模型，该模型的预测R2达到0.964。经过现场反复测试，该模型能快速提取出40%以上羊毛含量的混纺样品。


2024 Vol. 44 (05): 1417-1424 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (8169 KB)  ( 10 )


1425三尺度分解和稀疏表示的红外和可见光图像融合

冀鲸宇，张玉华，邢 娜，王长龙，林志龙*，姚江毅


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1425-14


为提高对含噪声源图像的处理效果，以及提高融合图像的对比度、结构信息等，提出一种基于三尺度分解和稀疏表示的红外和可见光图像融合算法。首先，为增强对噪声的去除效果，并且维持源图像的结构和边缘特性，利用滚动引导滤波器对源图像进行分解，将源图像分解为基础层和细节层；其次，为充分利用基础分量中的细节和能量，同时降低模型的复杂性，构造结构-纹理分解模型，将基础层再次分解为基础结构层和基础纹理层。然后分析三个分量的不同特点，使用不同的融合规则对三个分量分别进行融合，针对细节分量，其含有主要的噪声成分，但含噪声程度又不一样，因此根据图像含噪声的程度自适应确定稀疏融合去噪参数，从而同时实现对细节分量的融合和去噪，并且能够有效地提高计算效率；针对基础结构分量，其包含的细节特征较少，直接采用基于视觉显著图的加权平均技术进行预融合；针对基础纹理分量，由于其包含了视觉上重要的信息或图像特征，如边缘、直线和轮廓等活动信息，能够反映出原始基础图像的主要细节，因此采用主成分分析方法进行预融合，最终通过重构细节、基础结构和基础纹理层来得到融合图像。为验证所提方法的有效性，选取了多组红外和可见光图像进行试验，并与近期的五种方法CNN、FPDE、ResNet、IFEVIP、TIF进行了对比，采用主观和客观的形式对结果进行分析。实验结果表明，同其他图像融合算法进行对比分析，该方法能够兼顾含噪声和无噪声图像的融合，在有无噪声的情况下均能够将源图像的细节、亮度和结构保留到融合图像中，而且能有效地消除噪声。


2024 Vol. 44 (05): 1425-1438 [摘要] ( 16 ) RICH HTML PDF (3311 KB)  ( 6 )


1439敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

张 勇1，2，3，徐寒列1，2，张立军1，2，李 元1，2，孙 凌1，2，覃丹宇1，2，戎志国1，2，胡秀清1，2，陆其峰4，卢乃锰1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1439-10


利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验，实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标，是目前的重要手段之一。然而，中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测，不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏，而且获取的测量数据缺乏区域代表性。鉴于此，自2016年起，在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主，跑场测量为辅，完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试。多次飞行试验表明，采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量，不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性，还提高了地表反射率光谱的测量效率，也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护，极大的节约了人力物力成本。通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析，发现多次测量数据的均值一致性较好，并且航飞测量的数据标准差更小。利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估，结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内，可以代替跑场数据完成定标，精度满足要求。随着无人机性能的进一步优化和提高，在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用，在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用。


2024 Vol. 44 (05): 1439-1448 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (9381 KB)  ( 5 )


1449微分光谱变换方法对土壤重金属含量反演精度的影响研究

白宗璠1，韩 玲1*，姜旭海1，武春林2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1449-08


随着我国工农业的日益发展，土壤中以镍（Ni）、铁（Fe）、铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）等为代表的重金属污染对人类生活产生了严重影响。高光谱遥感技术具有实时、无损、快速等优点，为高效准确地获取土壤重金属含量提供了科学手段。而在利用高光谱数据反演土壤重金属含量时，微分光谱变换方法的选择对遥感反演土壤重金属含量的精度有显著影响。为明确二者关系，基于研究区采集的60个土壤样品，测定其Ni、Fe、Cr、Cu、Pb等含量以及350～2 500 nm波段范围的光谱反射率。在相关系数（CC）分析法的基础上通过改进离散粒子群算法（MDBPSO）优选遥感探测土壤重金属含量的特征波段。最终以优选出的特征波段作为自变量利用随机森林（RF）算法构建了Ni、Fe、Cr、Cu、Pb等重金属含量的估测模型。在对原始反射率数据进行高斯平滑的基础上，对比分析了一阶微分（R′）、对数倒数的一阶微分（1/lgR）′、倒数的一阶微分（1/R）′、指数的一阶微分（eR）′四种微分光谱变换方法对土壤重金属反演精度的影响。结果表明，在CC分析法的基础上，MDBPSO算法可以有效地降低光谱数据的冗余度，提高模型的运行效率。其中R′、（1/lgR）′、（1/R）′、（eR）′中对Ni、Fe、Cr、Cu、Pb敏感的特征波段个数分别至少减少了154、363、135、744和889个。（1/lgR）′、R′、R′、（1/R）′、R′光谱变换方法分别应用到Ni、Fe、Cr、Cu、Pb特征波段的组合运算中，得到的估测模型的精度优于其他微分变换方法；模型检验集的决定系数分别为0.913、0.906、0.872、0.912、0.876，均方根误差分别为0.743、0.095、2.588、1.541、1.453。本研究为利用遥感数据反演土壤重金属含量微分光谱变换方法的选择提供了科学的参考，为进一步实现土壤重金属含量的大面积高精度遥感监测提供新的思路。


2024 Vol. 44 (05): 1449-1456 [摘要] ( 13 ) RICH HTML PDF (5156 KB)  ( 6 )


1457无人机高光谱遥感的水稻叶瘟病的光谱特征提取与检测方法研究

刘子扬1，2，冯 帅1，2，赵冬雪1，2，李金朋1，2，关 强1，2，许童羽1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1457-07


为了确定最佳的无人机高光谱遥感检测水稻冠层叶瘟病分类模型，以水稻大田试验为研究基础，获取了400~1 000 nm波段内的无人机高光谱图像，参照国家标准GBT 15790—2009稻瘟病测报调查规范，按病情指数将叶瘟病划为5个等级，提取了0~4级共227组高光谱数据。采用Savitzky-Golay平滑（SG平滑）、一阶微分光谱（1-Der）和二阶微分光谱（2-Der）对数据进行预处理，并构建SVM模型，对比得出较优的预处理方法。采用主成分分析法（PCA）选取主成分累计贡献率；连续投影法（SPA）和随机青蛙法（RF）筛选光谱特征波段，并将筛选的结果作为模型的输入，分别构建粒子群优化的极限学习机（PSO-ELM）、极限学习机（ELM）、支持向量机（SVM）和决策树（DT）分类模型，并对模型进行对比分析得出最优分类模型。结果表明：相比于1-Der和2-Der，SG平滑方法的去噪效果较好，分类准确率较高，是较优的预处理方法，分类准确率和Kappa系数分别为93.47%、91.85%。PCA的前2个PC的累计贡献率为93.13%，为了模型的有效构建，最终选取了前6个PC，累计贡献率为99.02%。SPA使用RMSE作为最佳光谱特征波段选择标准，共显示了7个最佳光谱特征波段，其中可见光波段为400.8、416.7和426.2 nm，绿光波段为566 nm，红光波段为683.9 nm，近红外波段为830.2和916.4 nm。RF将筛选概率大于0.2的波段选为最佳光谱特征波段，最终筛选了8个光谱特征波段，其中红光波段为663.4和694.2 nm，近红外波段为784.4、787.9、791.4、905.5、927.2和930.9 nm，该方法有效地降低了波段间相关性和冗余性。将3种筛选结果分别构建分类模型，结果显示所有模型的总体分类准确率全部大于92.61%，建模结果较好；其中，以PSO-ELM模型对PCA的分类准确率达到97.77%，Kappa系数为97.22%，在所有模型中分类准确率最高，相比于ELM模型的最高分类准确率和Kappa系数高1.42%和1.56%，相比于SVM模型的最高分类准确率和Kappa系数高2.12%和2.66%，相比于DT模型的最高分类准确率和Kappa系数高4.44%和5.58%。综合评价PSO-ELM模型的建模效果优于ELM模型、SVM模型和DT模型，是最优的分类模型。因此，利用无人机高光谱遥感检测水稻叶瘟病具有可行性，为水稻生产和叶瘟病的检测提供科学依据和技术支持。


2024 Vol. 44 (05): 1457-1463 [摘要] ( 18 ) RICH HTML PDF (10167 KB)  ( 16 )


1464一种基于改进的XGBoosting算法对婴幼儿奶粉中的脂肪含量的预测模型

张文婧1，2，薛河儒1，2*，姜新华1，2，刘江平1，2，黄 清1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1464-08


婴儿奶粉成分配比中，脂肪有着重要地位。脂肪不仅是婴儿生长发育中的重要成分, 同时也为婴儿的生长提供必需的能量, 对于婴儿脑发育及神经髓鞘的形成具有重要意义。化学的婴儿奶粉脂肪含量检测如乙醚提取法，方法检测灵敏，但存在破坏样本和检测周期较长的缺点，因此寻求一种为婴儿奶粉成分的无损检测方法，高光谱成像技术提供了一种可能的途径。以内蒙古地区不同阶段的婴儿奶粉为研究对象，采用多元散射校正（MSC）、标准正态变换（SNV）、平滑滤波算法（Savitzky-Golay）、鲁斯特算法（Roust）等对高光谱数据进行预处理，再利用竞争性自适应重加权算法（CARS）算法从125个特征波长中筛除光谱数据中冗余的波长保留有效波长66个。对极值梯度提升算法（XGBoosting）算法进行了贝叶斯优化（BO），最终构建了基于BO-XGBoosting对婴儿奶粉脂肪含量的预测模型。结果显示，该模型预测效果优于传统的偏最小二乘回归（PLSR）和支持向量回归（SVR）模型，且优于集成算法中Bagging、GrdientBoosting算法。贝叶斯优化极值梯度提升算法BO-XGBoosting模型在测试集实验，得到的决定系数(R2)和均方根误差（RMSEP）分别为0.953 7和0.577 3，比XGBoosting算法的R2和RMSEP分别提高2.91%和降低19.2%。该研究为奶粉中脂肪含量的预测提供了基于BO-XGboosting集成算法的快速无损检测的算法支持和理论依据。


2024 Vol. 44 (05): 1464-1471 [摘要] ( 17 ) RICH HTML PDF (4992 KB)  ( 11 )


1472土壤As含量光谱指数反演方法评估

宁 京1，2，邹 滨1，2*，涂宇龙1，2，张 霞3，王玉龙1，2，田容才1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1472-10


为探究基于光谱指数反演土壤砷(As)含量的有效性和适用性，选取河北省保定市某农田为研究区，利用PSR-3500便携式地物光谱仪和电感耦合等离子发射光谱法测定42个土壤样品实验室及野外原位光谱信号和As含量；基于实验室光谱、野外原位光谱及野外原位-直接标准化校正（DS）光谱，计算叶绿素指数（CI）、差值指数（DI）、和值指数（SI）、比值指数（RI）和简化归一化指数（NDI和NPDI），采用相关性分析提取强相关光谱指数参与土壤As含量随机森林回归建模。在此基础上，通过与相同光谱环境全波段建模方法的精度对比评估光谱指数的有效性；对比不同光谱环境中各类光谱指数建模精度的稳定性以评估其适用性；结合典型土壤组分的吸收特征波段尝试解析光谱指数提升土壤As含量反演性能的内在机制。结果表明：（1）相较于全波段建模，光谱指数法在“实验室光谱、野外原位光谱、野外原位-DS光谱”三种光谱环境中均能有效提升土壤As含量反演建模精度，R2p和RPD分别从0.243和1.2提升至0.730和2.009、0.264和1.213提升至0.669和1.809、0.334和1.279提升至0.678和1.841；（2）三种光谱环境中，DI、RI、NDI在野外原位光谱、SI和NPDI在野外原位-DS光谱环境中的适用性较差，CI综合适用性最强，R2p>0.66，RPD>1.8；（3）指数特征波段表现出与铁氧化物、粘土矿物和有机物吸收特征的相关性，但部分指数特征波段缺乏可解释性，无法揭示指数计算通过组合波段放大有效信息和消除噪声的统一规律。该研究可为后续发展基于光谱指数的土壤重金属遥感反演应用甚至卫星有效载荷研制中的波段设计提供科学依据。


2024 Vol. 44 (05): 1472-1481 [摘要] ( 15 ) RICH HTML PDF (25962 KB)  ( 20 )


1482纳米氧化锌对钙钛矿薄膜本征性能和光谱性能的影响研究

于 嫚*，谢国鑫，赵肖娟，李 兆*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1482-05


有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率等优越特性，成为光伏领域的研究热点。电子传输层作为钙钛矿电池的核心层，主要起到提取和传输光生载流子的作用，且能够作为空穴阻挡层，抑制钙钛矿活性层中电荷复合，所以优异性能的电子传输层对钙钛矿太阳能电池的发展至关重要。可目前钙钛矿光伏器件常用的刚性电子传输层（介孔层或致密层）均需要高温烧结，这限制了其在柔性钙钛矿器件方面的应用。因此，开发一种可应用于钙钛矿光伏领域的柔性电子传输层成为当前亟待解决的问题之一。纳米ZnO具有合适的能级和较高的电子迁移率，且可以通过低温制备，被广泛应用在光伏器件中作为电子传输层。因此，通过旋涂法和静电纺丝法分别制备了刚性纳米ZnO和柔性纳米ZnO电子传输层，确定了静电纺丝法制备柔性纳米ZnO的最佳制备工艺。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和稳态/瞬态荧光光谱系统研究了刚性和柔性纳米ZnO对钙钛矿薄膜形貌、结构和光谱性能的影响。结果表明，钙钛矿薄膜的形貌对基底纳米ZnO的形貌依赖性很强。而基于刚性和柔性纳米ZnO的钙钛矿薄膜几乎呈现相同的结构和光谱吸收范围，荧光发射峰均在770 nm附近，且柔性纳米ZnO的荧光猝灭效率为82%，几乎和刚性纳米ZnO的荧光猝灭效率（85%）相媲美。进一步，根据瞬态荧光动力学数据计算获得刚性和柔性纳米ZnO的界面电荷分离效率分别为61%和41%，这表明通过静电纺丝法制备的柔性纳米ZnO具备一定的界面电荷分离能力，有望成为新型的柔性电子传输层。这对柔性基底钙钛矿太阳能电池的设计具有重要参考价值，对促进钙钛矿光伏应用具有现实意义。


2024 Vol. 44 (05): 1482-1486 [摘要] ( 18 ) RICH HTML PDF (15085 KB)  ( 12 )


1487基于光谱学分析的硬质聚氨酯泡沫/钢渣/次磷酸铝复合材料阻燃机理研究

刘梦茹1，戴 震2，龙红明3，4，张 浩1，3，4，季益龙3，4，杨亚东1，唐 刚1，3，4*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1487-07


硬质聚氨酯泡沫(RPUF)的优异性能使其在各领域被广泛应用，但本身的易燃性为其在应用过程中埋下了巨大的安全隐患。钢渣(SS)作为提炼铁精矿后排放的固体废弃物，因其综合利用效率低下而造成一系列环境污染问题。为提高RPUF火灾安全性和钢渣的附加值，将SS和次磷酸铝(AHP)引入到RPUF中，采用一步全水发泡法，制备一系列阻燃RPUF(FR-RPUF)复合材料。利用射线荧光光谱分析(XRF)探究了SS的化学成分，并系统研究了SS/AHP对FR-RPUF复合材料的微观形貌、热稳定性、阻燃性能以及气相产物的影响。XRF测试表明：钢渣的化学成分主要是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、MgO，以上金属氧化物能够作为协效剂促进聚合物成炭，并覆盖在材料表面阻隔燃烧热，在凝聚相达到阻燃目的。扫描电镜(SEM)测试表明：SS/AHP与RPUF基体的相容性较差导致FR-RPUF的泡孔出现不同程度的破损。阻燃测试表明：RPUF-1、RPUF-4、RPUF-5的极限氧指数分别为24.2 vol%、23.4 vol%、19.7 vol%，说明SS和AHP存在一定的协效阻燃作用，且RPUF/SS/AHP复合材料全部通过UL-94 V-0级别，满足外墙保温材料使用要求。热重-红外分析(TG-FTIR)测试表明：SS/AHP并未改变RPUF的降解过程，气相产物主要为碳氢化合物、羰基化合物、氨基甲酸酯、CO2、异氰酸酯化合物、芳香族化合物、氰化氢、羰基化合物和酯类。对典型挥发性产物进一步分析发现，AHP和SS的加入促进RPUF基体早期降解。拉曼测试表明：当SS/AHP加入到RPUF后，RPUF-4的D峰与G峰的峰面积比(ID/IG)值最小，表明SS/AHP的加入提高了FR-RPUF复合材料炭渣的致密性、石墨化程度。结合上述分析提出阻燃机理：首先AHP吸热分解，降低了火焰周围的温度，其分解的PO·自由基捕获游离的HO·抑制连锁反应，分解产生的焦磷酸铝与炭渣覆盖在基体表面，抑制了火焰和可燃气体的扩散。AHP分解产生的PH3遇氧气生成酸性物质（磷酸和聚磷酸），促进了RPUF脱水成炭，并且钢渣中的矿物成分会与磷酸或聚磷酸反应，形成致密炭层，与AHP共同发挥协效阻燃作用。研究为SS和AHP复配阻燃硬质聚氨酯泡沫材料提供理论依据和实验基础。


2024 Vol. 44 (05): 1487-1493 [摘要] ( 18 ) RICH HTML PDF (11614 KB)  ( 7 )


1494高光谱结合哈里斯鹰优化核极限学习机鉴别化橘红胎切片年份

谢百亨1，马晋芳1，周泳欣1，韩雪勤1，陈嘉泽1，朱思祁1，杨懋勋2，3*，黄富荣1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)05-1494-07


化橘红胎是药用历史悠久的广东省道地中药材，由于其制品收藏年份越久远价格越高，市面上常有以次充好的现象。为此，采用高光谱成像技术，结合哈里斯鹰优化核极限学习机对四组不同年份的化橘红胎切片样品进行鉴别。采集四个年份共193个化橘红胎切片样本400～1 000 nm的高光谱图像。首先采用主成分分析法（PCA）分析化橘红胎切片的原始反射光谱，然后分别采用Savitzky-Golay平滑（S-G平滑）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量交换（SNV）对样本光谱进行预处理并建立核极限学习机（KELM）模型；发现经SNV处理的样本光谱的判别准确率最高，训练集达到99.24%，测试集95.56%；进一步用竞争性自适应重加权算法（CARS）、蒙特卡洛无信息变量消除法（MCUVE）对样本光谱进行特征波长的选择；最后，采用KELM建立判别模型，同时使用哈里斯鹰算法（HHO）优化KELM参数选择并比较建模效果。结果表明：基于HHO-KELM的判别效果相较KELM有0.76%～4.44%的提升，通过 MCUVE 筛选所得特征波段信息冗余明显减少且精度提升，训练集和测试集最佳准确率均可达100%，故采用高光谱成像技术可以实现对不同年份的化橘红胎切片进行无损鉴别。


2024 Vol. 44 (05): 1494-1500 [摘要] ( 10 ) RICH HTML PDF (12689 KB)  ( 14 )


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