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首页/光谱学与光谱分析摘要/ 正文
2024 年 08 月 25 日  （浏览量：3440）

《光谱学与光谱分析》2024年, 第44卷，第06期

       论文

1501稀土发光纳米材料在手印显现中的应用进展

丁 寒


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1501-11


自2000年起，研究人员陆续将一系列新型纳米材料应用到手印显现中，由此衍生了手印纳米显现技术。显现材料的推陈出新和显现方法的借鉴创新共同促进了手印纳米显现技术的迅速发展。近十年来，将稀土发光纳米材料应用于手印纳米显现技术的研究报道日益增多，已经逐渐成为该领域的研究热点之一。基于稀土发光纳米材料的手印显现技术具有对比度强、灵敏度高、选择性佳、毒害性低等突出优势，因此具备重要的理论研究价值和广阔的实践应用前景。目前，该研究领域的文献报道形式主要为研究类文章，鲜有涉及综述类文章。该文从显现材料的推陈出新和显现方法的借鉴创新两个方面综述了稀土发光纳米材料在手印显现中的研究进展。在显现材料的推陈出新方面，总结了基于稀土下转换发光纳米材料、稀土上转换发光纳米材料、复合型稀土发光纳米材料的手印显现应用；在显现方法的借鉴创新方面，总结了基于静电吸附原理、疏水作用原理、化学键合原理、适配体识别原理的手印显现方法。基于稀土发光纳米材料的手印显现研究呈现出如下发展趋势：显现材料由下转换发光材料向上转换发光材料发展，由单一发光材料向多重发光材料发展，由光致发光材料向功能复合材料发展；显现方法由非特异显现向靶向性显现发展，由痕迹物证的定性显现向遗留物质的定量检测发展，由物理显现向化学显现发展；显现效果由痕迹特征的宏观无损向生物物证的微观无损发展；显现操作由潜在毒害向绿色环保发展；显现评估由主观、片面、定性描述向客观、全面、定量分析发展。该综述对基于稀土发光纳米材料的手印显现技术提出了如下展望：首先是纳米材料的物理性质对手印显现效果的影响研究，其次是纳米材料的诸多性质对生物物证检验的影响研究，最后是显现原理的广泛借鉴与显现方法的深度开发研究。


2024 Vol. 44 (06): 1501-1511 [摘要] ( 55 ) RICH HTML PDF (25161 KB)  ( 67 )


1512表面增强拉曼散射技术应用于基因分析的研究进展

王 波1，王宇春1，张 超2，郜洪胜2，贺慧英2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1512-06


基因是生物体中传递遗传信息的基本单位，对从分子水平上理解生命现象具有重要意义。近年来针对基因的高效检测及基因相关领域的研究备受关注，基因检测的常用方法是分子生物学方法，主要集中在实验室内开展。相对而言表面增强拉曼散射（SERS）实时表征技术在基因分析中具有很好的应用前景，在基因的检测与鉴别的一些领域逐渐发挥出明显的优势。SERS是一种重要的光谱分析技术，是基于光化学技术的生物活性分子传感器。20世纪70年代，SERS现象的发现给光谱技术的研究注入了新的活力。由于SERS技术不受水分子干扰，因此具有灵敏度高、选择性高、信息量大以及适合水溶液物质研究等优点，能够快速、准确地为生物提供丰富的结构信息，即分子的“指纹”信息。在生命科学领域，SERS技术越来越多地应用于目标样本的原位无损探测。通过对拉曼光谱技术的特点，结合基因的结构特征进行分析，简要介绍了拉曼光谱的原理，围绕SERS散射的原理综述了拉曼光谱信号放大的增强模式和增强介质材料，解决了其含量低检测难、灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点，因此在基因分析领域中得到迅速发展，成为国内外研究的热点，显示出独特的价值和作用；重点阐述了SERS在DNA分子结构、DNA作用机制等方面的探索；并且针对SERS技术结合最新生物技术用于基因分析进行分类综述，讨论了SERS基因分析技术在疾病诊断、病原检测、药物分析、转基因鉴定等方面的最新进展，总结了SERS技术在实际应用中面临的机遇与挑战，简要分析其存在的问题以及在生命科学领域发展的方向和潜力，并对SERS技术广阔的应用前景进行了展望。


2024 Vol. 44 (06): 1512-1517 [摘要] ( 62 ) RICH HTML PDF (844 KB)  ( 36 )


1518基于可见光谱特征波长提取和分类算法的柑橘黄龙病快检研究

邱鸿霖1，刘天元1*，孔丽丽1，3，于新娜1，王贤达2*，黄梅珍1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1518-08


柑橘黄龙病（HLB）是由亚洲韧皮杆菌引起的一种严重病害，目前无法根治。其防控具有重要意义和经济价值。当前利用健康和患病叶片的光谱差异对其进行诊断显示了良好的应用前景。因患病叶片在叶绿素反射区及O—H伸缩振动区的可见光谱与健康叶片存在显著差异，而可见光谱检测在采集和数据处理方面具有成本低、简便的优势，研究可见光谱的黄龙病快速检测方法具有可行性和重要意义。为了减少光谱数据冗余和计算量，实现精准的黄龙病的早期鉴别以及降低黄龙病相似病症的误诊率，采集了黄龙病患病地区共160个叶片样本。经qPCR测定分别将其分类标定为健康、轻度疾病、重度疾病和缺镁症四类。根据叶片样本在可见光波段450～800 nm的反射光谱特征，通过S-G平滑以及降采样等预处理光谱数据后，为了优选出尽可能囊括光谱特征信息的特征波长，分别使用遗传算法（GA）、连续投影算法（SPA）以及竞争自适应重加权采样法（CARS）对采集到的可见光谱数据进行特征波长提取和降维优选出特征波长，进一步降低模型复杂度，提高预测精度。综合泛化能力及检测速度的考量，在定性判别分析模型的选择中采用训练速度快，分析准确率高的最小二乘支持向量机（LS-SVM）以及随机森林（RF）对两种变量筛选算法降维后的数据进行分类判别。通过对不同的模型的验证优选，筛选出最佳的快检方案。对比发现，在建立的模型中，SPA-RF模型与其他模型比较，对于训练集和测试集的判别准确率分别达到了100%和97.5%。结果表明，连续投影算法以及随机森林的组合分类模型可以很好地实现黄龙病早期的病理鉴别，同时也能够很好地识别出黄龙病病叶与其他相似病症的差异，为柑橘黄龙病快速检测及防治提供了一种方法依据。


2024 Vol. 44 (06): 1518-1525 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (7283 KB)  ( 61 )


1526一步法制备荧光开启传感器检测BRCA2

任林娇1，魏铭航1，陈青华1*，张 培1，闫艳霞2，薛梦晓1，秦自瑞1，姜利英1，3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1526-06


筛查乳腺癌易感基因2(BRCA2)基因突变对于乳腺癌患病风险评估、发病检测、早期诊断及基因治疗均具有重要临床意义。现有乳腺癌基因传感检测方法大多需要复杂的处理过程，成本较高且对单碱基突变识别能力较弱。为简化基因传感器制备过程，提高其应用可能性，文章通过DNA分子发夹结构设计，一步实现了BRCA2的检测。其中分子发夹茎部含BRCA2互补序列，茎与环连接处标记四甲基罗丹明荧光基团(TAMRA)，环部5个G碱基通过光诱导电子转移猝灭部分荧光信号，降低背景荧光信号；待测BRCA2序列与发夹茎部序列竞争结合，发夹结构被打开，荧光信号上升，测量上升的荧光信号强度即可实现一步法定量检测靶基因。优化实验结果表明，分子发夹浓度不同时，传感器检测范围不同。当分子发夹浓度为150 nmol·L-1时，对BRCA2的线性检测区间为1~50 nmol·L-1；浓度为300和600 nmol·L-1时，线性检测区间分别为1~100和1~200 nmol·L-1。三种浓度传感器检出限分别为0.54、0.72和1.81 nmol·L-1。此外，传感器对BRCA2的特异性检测较为突出，尤其对单碱基突变的识别能力较强。该方法制备与检测过程简单且特异性突出，不仅可用于乳腺癌高危人群的早期筛查，还可拓展应用于其他种类的基因检测，为基因传感器的推广应用提供一种制备简单、操作便捷的新方法。


2024 Vol. 44 (06): 1526-1531 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (5856 KB)  ( 35 )


1532基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究

梁 冉，张欣睿，丁晨鑫，苏 波*，张存林


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1532-05


磁流体是将超微磁性粒子均匀地分布在载基液中，形成的胶态液体磁性材料，它打破了传统固体磁性材料的形态，是一种同时具有固体磁性和液体流动性的新型材料，具有非常广泛的应用前景。目前磁流体已经被应用于医学领域，已有研究表明，磁流体可被用于癌细胞的治疗、细胞的分离以及靶向给药等；另外，磁流体还可以应用于密封、润滑等方面。太赫兹波是指频率范围在0.1~10 THz，波长范围在30~3 000 μm的电磁辐射。由于许多生物分子的振动和转动模式均处于太赫兹波频段，并且太赫兹波的能量较低，不会破坏被测物品，所以太赫兹波可用于无损检测，是一种安全可靠的测量方法。微流控技术可用于对极少量液体样品的测量，具有操作简单、检测速度快、节约被测样品等优点。该研究将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合，通过改变外加磁场的时间和温度，研究了磁流体的太赫兹时域谱和频域谱的变化情况，发现在外加不同时间的磁场强度时，随着时间的增加，磁流体的太赫兹时域谱图右移，频域谱图强度下降；外加不同温度时，随着温度的增加，同样出现时域谱图右移，透射强度降低的现象。初步认为磁流体中的磁性粒子在外加磁场下聚集定向排列，随着时间的延长，近似认为纳米粒子团簇半径增大，使得太赫兹波不易透过从而使其强度变低；在温度升高时，分子热运动加剧，分子振动和转动加强，使得太赫兹波不易透过进而强度变低。由于利用太赫兹研究磁流体特性方面的相关报道较少，该研究为探究磁流体提供了新的方法；对外加磁场下的磁流体太赫兹特性的研究可在医学领域的广泛应用，为太赫兹技术在生物医学方面提供了新的途径，为磁流体的深入应用和研究提供了技术支持。


2024 Vol. 44 (06): 1532-1536 [摘要] ( 51 ) RICH HTML PDF (5978 KB)  ( 27 )


1537针对船舶排放污染物分布监测的地基快速IDOAS技术研究

胡春桥1，2，罗宇涵1*，宋润泽1，2，常 振1，奚 亮1，周海金1，司福祺1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1537-09


针对我国船舶排放污染物防治的迫切需求，2021年中国出台了《船舶大气污染物排放监测通用要求》，对船舶大气污染物排放的监测精度提出了更高的要求。现阶段，我国内河中的多数船只都以低端柴油发动机作为主要动力来源，并在未来的很长一段时间内，柴油机都将继续作为船舶的主要动力装置使用。船舶使用的油品通常杂质多、品质差，加上柴油发动机大多较为老旧，老化的柴油发动机工作时会排放大量硫氧化合物、氮氧化合物等大气污染物，对大气环境造成严重危害，因此对于船舶大气污染物排放的监测研究尤为重要。基于成像差分吸收光谱技术研制了一套地基快速成像差分吸收光谱系统，能够实现对污染物空间分布的“拍照”式探测。系统时间分辨率可达秒级，系统视场角为6°×6°。选择无云条件下的正午天顶太阳散射光光谱作为参考光谱并使用QDOAS软件对获得的数据进行反演。根据系统中摄像头采集到的观测区域图像信息，将污染气体浓度信息与空间信息进行匹配，能够获得船舶大气污染物的空间二维分布情况。为验证系统的可靠性，2022年9月，在铜陵以发电厂烟羽中的SO2为目标进行了比对验证实验，并与推扫地基成像差分吸收光谱仪器的结果进行了相关性分析，SO2斜柱浓度的相关性为0.935。2022年12月，采用地基快速成像差分吸收光谱系统对长江船舶污染物排放进行了观测，获取了时间分辨率为5 s的SO2连续空间二维分布信息，通过与摄像头获取的图像信息匹配，能够将高浓度排放追溯到具体船只。该研究为船舶等快速移动污染源的监测提供了有效的实时监测手段，为船舶排放的治理提供了可靠的数据支撑。


2024 Vol. 44 (06): 1537-1545 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (50933 KB)  ( 22 )


1546中红外光谱双重校验异常样本检测方法研究

张朱珊莹1，2，3，张若静1，2，3，顾瀚文5，谢勤岚1，2，3*，张献文4*，撒继铭5，刘 繄6，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1546-07


中红外吸收光谱法目前最有前途的无创血糖检测技术之一。中红外吸收光谱的血糖浓度检测结果准确性与光谱信号的可靠性密切相关。采集中红外光谱信号的过程易受环境或人为等因素的影响而产生包含大量干扰信息的异常光谱。异常样本存在会降低预测模型的有效性和可靠性，故异常样本的检测和剔除至关重要。本研究提出双重校验异常样本检测法能够将异常样本准确筛选出来并剔除。本算法分为两个阶段，首先利用蒙特卡洛交叉验证异常样本检测，初步筛选异常样本，提高光谱样本集的稳定性；其次以马氏距离平方近似服从卡方分布为理论基础，自适应确定最优阈值，对剩余数据集进行异常样本再识别。以64份包含葡萄糖、白蛋白、尿素、乳酸、果糖、胆固醇在内的葡萄糖混合仿体溶液样本为研究对象。双重校验法首先利用预测误差平方和对异常样本敏感的特性对光谱数据集中的异常样本进行初步判定，共检测出3个异常样本，从光谱数据集中剔除检测出的异常样本后建立PLS校正模型，该模型的相关系数为0.91，RMSECV为60.17 mg·dL-1。其次，双重校验法以马氏距离平方近似服从卡方分布为理论基础，实现异常样本自适应识别。共检测出了12个异常样本，剔除全部异常样本后构建的PLS模型性能得到了提升，相关系数达到0.99，RMSECV达到57.77 mg·dL-1。通过与无异常样本剔除、PCA-MD法、蒙特卡洛法相比较双重校验法结果最优，证明了本算法在异常样本检测上的优越性。与未剔除异常样本时的PLS模型相比，相关系数从0.86上升到了0.99，RMSECV从67.51 mg·dL-1降低至57.77 mg·dL-1，分别提升了15.12%、14.42%。本研究针对异常样本检测方法中易受阈值影响而出现正常样本误检或异常样本漏检的问题给出了很好的解决策略，该方法能够准确检测并剔除异常样本，进而提高预测模型的精度和预测性能。为中红外光谱数据集异常样本的准确剔除提供了一种思路。


2024 Vol. 44 (06): 1546-1552 [摘要] ( 58 ) RICH HTML PDF (4660 KB)  ( 36 )


1553激光诱导击穿光谱技术对水稻产地识别研究

宋少忠1，符少燕2，刘园园2，齐春艳3，李景鹏4，高 勋2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1553-06


水稻是中国主要粮食作物，而水稻品质与其生长的外部环境如土壤特性、气候、日照时间和灌溉水等环境息息相关，高品质水稻的产地区域面积有一定地域限制，因此水稻可看成为是一个明显的地理标志物。市场常出现一些假冒或者贴牌的知名优质水稻出售，损害了水稻品牌，降低了消费者的水稻品质保障，并且扰乱了市场稳定性，因此对于水稻产地快速识别技术的需求十分迫切。利用LIBS结合机器学习算法，对吉林省5个产地(大安、公主岭、前郭、松原、洮儿河)的水稻进行产地识别，建立了主成分分析(PCA)算法分别结合Bagged Trees、Weighted KNN、Quadratic SVM和Coarse Gaussian SVM共四种机器学习算法的水稻产地识别模型。实验选取了5个水稻产地共450组在200～900 nm的LIBS数据，对水稻LIBS光谱数据采用卷积平滑(S-G平滑)进行降噪和特征谱线归一化预处理，对水稻LIBS光谱数据进行主成分分析，实现了水稻产地具有较好的聚类空间集群分布，但部分水稻产地存在空间重叠。采用5倍交叉验证，采用PCA-Bagged Trees、PCA-Weighted KNN、PCA-Quadratic SVM和PCA-Coarse Gaussian SVM共四种机器学习模型，水稻产地的识别精度均达到91.8%以上，并且PCA-Quadratic SVM模型的识别精度高达97.3%。结果表明结合LIBS技术和机器学习算法能够高精度和高效率实现水稻产地的识别。


2024 Vol. 44 (06): 1553-1558 [摘要] ( 49 ) RICH HTML PDF (4613 KB)  ( 31 )


1559基于粒子群-支持向量机算法的激光诱导击穿光谱钢铁快速检测与分类

曾庆栋1，2，陈光辉1，3，李文鑫1，孟久灵1，李 耿1，童巨红1，田志辉1，张晓林1，李国辉1，郭连波2，肖永军1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1559-07


钢铁是国民经济中的支柱性产业，由于受生产技术的限制，我国钢铁产品主要集中为质量参差不齐的中低端产品，废品率较高，易造成资源浪费和环境污染。因此，钢铁产品的快速检测与鉴别分类，对保护环境以及提高钢铁资源的回收利用率有着重要意义。利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)进行10种钢铁样品光谱数据的快速采集，并采用支持向量机(SVM)算法对其数据进行学习建模，得到钢铁快速分类模型。然而，由于不同钢铁样品的光谱数据特征是复杂且相似的，导致设置的模型参数也会对SVM模型的分类结果有着较大的影响。为了实现对不同牌号钢铁合金的快速检测分类，实验中采用粒子群算法(PSO)与网格寻优法两种不同方法来优化模型参数，并分别选取样品中6种微量元素(Mn、Cr、Cu、V、Mo、Ti)的17条特征谱线，和经主成分分析法(PCA)对全谱数据降维提取得到的前17个主成分作为模型的输入，建立PSO-SVM、PSO-PCA-SVM、PCA-SVM和SVM四种分类模型。实验结果表明，相比于精度最高的PCA-SVM模型的优化时间（257.84 s），PSO-SVM模型优化时间最短（11.5 s），且识别精度可达96.67%，与PCA-SVM模型的精度（97.5%）几乎相当。该结果表明LIBS结合PSO-SVM算法可实现快速的钢铁检测与分类，该方法为钢铁产品的快速检测与分类提供了一种新的解决途径。


2024 Vol. 44 (06): 1559-1565 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (6438 KB)  ( 26 )


1566基于密度泛函理论的灭蝇胺分子的表面增强拉曼光谱特性

李长明1，顾一凡2，张红臣1，宋少忠3*，高 勋2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1566-05


灭蝇胺是一种白色结晶粉末状的应用于各种瓜果类、茄果类、豆类及多种叶菜类农业生产中的昆虫杀虫剂，广泛应用农业生产等领域。灭蝇胺的大量使用对生态环境有极强的破坏性，危害人类身体健康。因此，对蔬菜农业生产过程中的灭蝇胺农药残留的快速检测技术的需求十分迫切。表面增强拉曼光谱技术（SERS）具有高灵敏度、高准确度以及样品准备简单等优点，已经成为农药残留检测领域的热点研究技术；密度泛函理论（DFT）可用于分子结构与性质的理论模拟及拉曼光谱的计算。基于密度泛函理论对引入金纳米团簇基底灭蝇胺分子的表面增强拉曼光谱进行计算，采用Multiwfn软件结合VMD软件探究了灭蝇胺分子表面静电势分布，基于B3LYP/6-31++G（d,p）基组对结合4个Au原子团簇形成的灭蝇胺—金纳米团簇复合物采用B3LYP方法，对灭蝇胺分子中与Au纳米团簇可能配位的原子使用6-31++G（d,p）基组，Au原子团簇使用LANL2DZ赝式基组，进行灭蝇胺—金纳米团簇复合物的结构优化与表面增强拉曼光谱计算，获得灭蝇胺分子的拉曼散射光谱和灭蝇胺分子与Au4聚体吸附的表面增强拉曼光谱，并进行特征峰指认和比较。由分子静电势分布可知，Au纳米团簇可能与灭蝇胺分子中的N1、N3和N5原子位置处形成配位，与C6H10N6分子形成C6H10N6-4Au纳米团簇化合物。计算对比分析了N1、N3和N5原子配位形成的C6H10N6-4Au的拉曼光谱，由于Au原子团簇的侵入，Au原子团簇与N1、N3和N5配位形成的C6H10N6-4Au分子Raman光谱特征峰最大增强分别达到4.0倍、1.4倍和3.2倍，且Raman谱峰出现了选择增强，并且谱峰位置发生一定程度的红移或者蓝移。研究结果为SERS技术用于蔬菜表面农药残留的快速检测奠定了理论基础。


2024 Vol. 44 (06): 1566-1570 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (4751 KB)  ( 20 )


1571高气压下三维旋转滑动弧放电光谱特性分析

张 磊，张登成，于锦禄*，赵兵兵，徐哲霖，程伟达


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1571-07


为探究气体压力对滑动弧放电稳定性的影响规律，在高气压放电实验平台上，开展了滑动弧放电光谱特性研究。利用发射光谱法对滑动弧放电过程中的激发态物质进行诊断，并对不同气体压力条件下滑动弧放电的电子密度、振动温度、转动温度进行了计算。在滑动弧放电发射光谱中观测到氮气第二正带系N2(C3Πu→B3Πg)和氮气第一负带系N+2(B2Σ+u→X2Σ+g)的发射谱线，随着气体压力升高，氮气第二正带系谱线发射强度增强，氮气第一负带系的发射强度变化幅度较小。当气体压力超过0.26 MPa之后，在滑动弧放电发射光谱中发现了氮气Gaydon's Green带系507.4 nm的发射谱线，其发射强度为3 508.49 arb，随气体压力升高其谱线发射强度无明显变化。利用Stark展宽法对滑动弧放电过程中的电子密度进行了计算，得到电子密度在1023量级，并且随着气体压力的增加，滑动弧放电的电子密度呈线性增加。针对氮气分子第二正带系的5条谱线，采用玻尔兹曼图解法对滑动弧放电的振动温度进行计算，振动温度随气体压力的变化并非单调变化，在0.3 MPa之前振动温度变化幅度较小，气体压力超过0.3 MPa之后振动温度迅速增加。对氮气分子第一负带系390～391.6 nm处的发射谱线进行拟合计算滑动弧放电的转动温度，结果表明在0.24 MPa之前转动温度随气体压力升高变化幅度较大，气体压力超过0.24 MPa之后转动温度增长幅度变小。


2024 Vol. 44 (06): 1571-1577 [摘要] ( 40 ) RICH HTML PDF (4808 KB)  ( 20 )


1578基于THz-TDS的氟橡胶材料寿命预测方法

王 洋1，林振衡2，1*，郑志杰1，谢海鹤2，聂泳忠3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1578-06


氟橡胶（FKM）材料具有优异的耐热性、耐腐蚀性、耐油性，已成为航空、航天、石油、机械等领域的热门材料。但由于传统的FKM材料寿命检测方法存在离线检测、会损伤待测材料、检测步骤繁琐、检测效率低等缺点，目前在FKM材料实际应用中往往采用定期更换的办法，易造成材料浪费与经济损失。提出了一种基于太赫兹时域光谱检测技术（THz-TDS）的FKM材料使用寿命预测新方法。首先，通过对在热空气老化箱中经不同温度、不同时长热氧老化处理的FKM材料进行THz-TDS透射检测，获得其对应的时域光谱图，提取相应的电流峰峰值，即在一个透射采样周期中最大的探测电流值与最小的探测电流值之间的差值；再将不同老化温度的FKM材料的THz时域波形的峰峰值与老化时间进行拟合，发现FKM样品时域光谱的峰峰值随着老化时间的延长呈下降趋势，且老化温度越高该下降趋势越明显。在200、300和360 ℃这三个老化温度下的拟合直线的相关系数分别高达0.973 4、0.982 1和0.993 5。其次，根据阿伦尼乌斯公式的基本思想，建立起以时域光谱峰峰值为参考标准的FKM材料寿命预测数学模型。利用时域光谱峰峰值的FKM材料使用寿命预估办法获得的老化反应速率常数的对数与老化温度倒数关系拟合直线的相关系数达0.996 9。最后，采用力学拉伸测量FKM材料断裂伸长率的办法，对其基于THz-TDS的使用寿命预估数学模型中的THz-TDS峰峰值失效临界值进行验证，可得构建的基于THz-TDS的FKM材料使用寿命预估模型成立且正确。研究结果表明：将THz-TDS检测方法应用到FKM材料寿命检测具有较高的准确性，且该方法具有无损、高效、操作简便、适用性广等优点，为FKM材料制品在线检测和寿命预测提供可能性，也为其他非极性材料和电介质材料的寿命预测方法研究提供参考。


2024 Vol. 44 (06): 1578-1583 [摘要] ( 37 ) RICH HTML PDF (4037 KB)  ( 20 )


1584基于北方苍鹰优化核极限学习机的玉米品种鉴别研究

倪 金1，索丽敏1*，刘海龙1，赵 蕊2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1584-07


玉米作为我国种植最为广泛的农作物，其产量对于我国粮食安全具有重大意义，由于不同品种具有不同的特性，根据种植条件科学选种能够很大限度上提高产量并且降低生产成本，但不同玉米种子外观极其相似，导致科学选种工作产生了一定难度。该研究基于近红外光谱技术结合核极限学习机(KELM)针对玉米品种分类问题构建鉴别模型，利用甜糯黄玉米、甜妃、昌甜、金色超人、香甜5号五种玉米种子，每种取(13±0.5) g作为一份样品，共计126个样品作为研究对象，对采集的近红外光谱数据进行标准正态变量变换(SNV)处理后采用竞争性自适应重加权采样法(CARS)对数据集进行降维。按照5∶1的比例将样本随机分为训练集和测试集，探讨北方苍鹰优化算法(NGO)对KELM模型性能的影响。分别使用NGO算法、粒子群算法(PSO)和灰狼算法(GWO)对KELM模型的两个重要参正则化参数Ｃ和高斯核函数γ进行寻优，选择五折交叉验证识别准确率最高时对应的C和γ作为建模参数，建立KELM分类模型。将各算法寻优后建立的KELM模型性能进行对比。实验发现，通过NGO算法寻优后建立的KELM模型性能高于其他两种算法优化的KELM模型，测试集识别准确率可达100%。在CARS降维的基础上分别建立CARS-NGO-KELM、CARS-PSO-KELM和CARS-GWO-KELM模型，结果表明，在面对降维后的数据时NGO算法仍能表现较好的性能，其测试集准确率和F1值均达到了100%。为了验证样本数量对模型的影响，使用各品种样品数量同步后的共计90个样品重新训练KELM模型。结果表明，在同步各类样品数量后，各个模型在训练集和测试集上的表现均有提升。该研究在近红外光谱的基础上引入多种优化算法构建核极限学习机模型并将识别准确率提升至100%，实现了对玉米种子快速、无损、准确的品种鉴别，研究结果为玉米品种快速鉴别提供了一种新方法，同时也对监管部门具有一定的指导意义。


2024 Vol. 44 (06): 1584-1590 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (4815 KB)  ( 29 )


1591一种两阶段求解LED光谱匹配系数高效全局优化算法

王永军1，吴贵文2*，黄 河1，李同军3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1591-09


用单色发光二极管（LED）组份合成目标光谱在现实中有重要意义。当单色LED组成成份多、目标光谱合成精度要求高时，求解光谱组成成份的比例问题变成了超定方程组非负解的组合优化难题。智能优化类算法提高了解的全局最优性，但若没有利用目标函数的数学解析性质，其收敛速度慢，解的精度不高。梯度类算法收敛到局部解的速度快且精度高，但至今没有成熟理论技术求解非凸优化全局最优解，且问题中非负解的要求限制了该类算法的收敛速度。同时，目标函数的最小二乘信息在求解时没有得到充分利用。基于目标函数的数学可解析性、表现形式的二次非线性格式、最终解的非负要求，提出了一种两阶段优化算法LLR_LBFGS。第一阶段进行无约束的线性拟合，得到目标函数的最小二乘近似理论解，第二阶段借助带约束的拟牛顿方法LBFGS进一步求取问题的非负全局最优解。以标准目标光谱CIE-A、CIE-D65、CIE-D50、CIE-D55、CIE-D75的最佳拟合为研究对象，对比了新方法与拉索回归算法（LASSO）、岭回归算法（RIDGE）、差分进化算法（DE）、粒子群算法（PSO）及遗传算法（GA）的求解精度和运行速度，以及决策系数R2。基于实际工业案例的数值结果表明，LLR_LBFGS能够较快地锁定全局解的范围，收敛速度更快；能够借助目标函数的数学可解析性提高解的精度。两个阶段的衔接融合能够获得较好的全局最优解的起始点和高精度的最优解。该方法对解决LED光谱拟合问题潜力大，有普适性。基于该设计思路，可以在算法的两个阶段中，组合设计更多、更灵活的光谱配比解决方案。这对于求取LED光谱匹配最优解的智能优化类方法改善效果有较好的启发意义。


2024 Vol. 44 (06): 1591-1599 [摘要] ( 40 ) RICH HTML PDF (3656 KB)  ( 26 )


1600两种咔唑基-吡啶-N-氧化物内盐荧光极性探针研究

梁文娟，王慧敏，白云峰，冯 锋*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1600-07


合成了4-（9H-咔唑-9-基）吡啶1-氧化物（CPNO）和4-(4-(9H-咔唑-9-基)苯基)吡啶1-氧化物（CPPNO）两种咔唑基-吡啶-N-氧化物内盐，测定了它们在不同溶剂中的紫外-可见吸收和荧光光谱，均表现出对溶剂极性较好的敏感性。计算表明，两个化合物都具有较大的激发态偶极矩，是化合物溶剂极性敏感性的原因。研究为开发新型的荧光极性探针提供了一种新思路。


2024 Vol. 44 (06): 1600-1606 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (8810 KB)  ( 26 )


1607新型酸性磷酸酶“Turn-on”型荧光底物

李晓佩1，2，张勇杰1，王东东2，卿光焱2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1607-06


酸性磷酸酶（ACP）是前列腺癌、戈谢病、肾病等疾病的重要生物标记物，因此开发灵敏、高选择性的ACP检测方法具有重要的意义。目前，已发展出多种ACP检测方法，包括免疫法、光谱法、色谱法、电化学法等；其中，荧光检测方法因灵敏度高、选择性好、快速、准确等优点备受关注。通过席夫碱反应，利用2-氨基苯硼酸（2-APBA）二聚体和磷酸吡哆醛（PLP）合成了一种新型的ACP“Turn-on”型荧光底物APBA-PLP (ABPL)。反应后，PLP的—CHO基团和2-APBA二聚体的—NH2基团的特征峰消失，同时ABPL的CN基团的特征峰出现；此外，1H和1H—1H COSY核磁波谱的信号峰与ABPL的结构相对应。以上表征结果证实了ABPL的成功合成。进一步，将ABPL应用于ACP检测。我们发现向ABPL水溶液中加入ACP后，体系的荧光强度增强，机理为：2-APBA二聚体为聚集诱导发光增强（AIEE）分子，其AIEE特性源于2-APBA二聚体的高度有序堆积；当2-APBA二聚体分子上引入PLP后（即合成ABPL），分子的高度有序堆积结构被破坏；加入ACP后，PLP水解为吡哆醛并从2-APBA二聚体分子上脱落，2-APBA二聚体分子又可重新进行高度有序堆积，表现为体系的荧光增强。在0～5 U·L-1活性范围内，376.5 nm处的相对荧光强度与ACP活性之间呈现出良好的线性关系（R2=0.99）。此外，当ACP、果胶酶、木瓜蛋白酶和脂肪酶的活性分别为4、50 000、80 000和10 000 U·L-1时，四种酶对应的相对荧光强度分别为0.2、-0.006、0.03和0.05。该结果表明ABPL对ACP具有高选择性。ABPL分子易合成，对ACP具有线性和高选择性响应，为设计合成可用于ACP检测的新型高效荧光底物提供了新策略。


2024 Vol. 44 (06): 1607-1612 [摘要] ( 32 ) RICH HTML PDF (5523 KB)  ( 15 )


1613一种融合叶绿素荧光技术与可见-近红外光谱的番茄幼苗热胁迫无损检测方法

魏子朝1，2，卢 苗1，2，雷文晔1，2，王浩宇1，2，魏子渊1，2，高 攀1，2，王 东1，2，陈 煦1，2*，胡 瑾1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1613-07


全球气温上升导致高温天气频发，番茄作为温度敏感型植物更易发生热胁迫，最终导致产量损失。在植物热胁迫检测中，温度通常被用作标定其受胁迫程度的依据，但由于不同植株个体的耐热性和自身健康状态存在差异，同一温度下的植株可能会产生不同程度热胁迫症状，以温度来标定热胁迫状态可能会导致误判。以番茄幼苗为研究对象，提出了一种融合叶绿素荧光技术与可见-近红外光谱的番茄幼苗热迫胁程度快速分类方法，以提高对番茄热胁迫程度评估的准确性。采集了对照组植株和热胁迫植株的叶绿素荧光参数与可见-近红外光谱数据，以叶绿素荧光参数为热胁迫评价指标，结合k-means++聚类算法评估了番茄幼苗受热胁迫影响的严重程度，通过对标定后样本的叶绿素荧光参数和植物逆境胁迫相关生理量进行分析，验证了标定结果的合理性。以聚类模型输出为依据对光谱数据进行标定，采用3种预处理方法及其组合，结合3种特征波长提取算法对光谱数据进行处理，获得了6个与样本热胁迫程度相关的特征波段。最后以6个特征波段为输入，热胁迫程度为输出，基于4种机器学习算法构建分类模型，实现了对样本热胁迫程度的分类。结果表明：样本叶绿素荧光参数Fv/Fm，Fv/Fo，NPQ，Y(NPQ)和Y(NO)与其胁迫状态存在显著的中高度相关，依据以上参数将所有样本标记为无胁迫，轻度热胁迫和重度热胁迫三类。三类样本的叶绿素荧光参数、丙二醛（MDA）含量以及光合色素含量均表现出了组间显著差异，聚类结果合理。基于聚类结果对光谱数据进行标定，根据标定结果提取光谱特征波长，99%以上的冗余特征被消除，进一步筛选获得了6个用建立分类模型的特征波长。在建立的4个模型中，线性判别分析（LDA）模型具有最优性能，其测试集分类准确率为92.45%，F1分数为0.929 1，AUC为0.9780。结果表明，采用叶绿素荧光技术结合可见-近红外光谱技术检测热胁迫是可行的，该研究为热胁迫的快速检测、耐热性快速筛选以及高温灾害预警提供了一种有效方法。


2024 Vol. 44 (06): 1613-1619 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (4666 KB)  ( 30 )


1620不同浓度氧气对氧化铁促进的非生物腐殖化产物光谱特性的影响

张颖超1，2，3，毕志涛1，田雯鑫1，徐 锐2，唐首锋1，石洪影4，张鸿琼5*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1620-07


腐殖化是有机残体经微生物转化或化学氧化聚合形成腐殖质的固碳过程，产物腐植酸（HA）所具有的活性基团对污染物的环境化学行为有重要影响。天然矿物如含Mn/Fe/Al/Si的氧化物可以促进有机单体小分子物质（如多酚、还原性糖、氨基酸等）氧化聚合成HA。作为天然氧化剂，氧气可与金属氧化物协同促进非生物腐殖化，并提高产物HA质量。不同氧气浓度对金属氧化物促进的非生物腐殖化及有机质基团演化的影响尚不清楚。该研究选择儿茶酚和甘氨酸作为腐殖化前体物，分别代表多酚和蛋白质类物质降解的小分子。采用氧化铁作为腐殖化强化剂。对反应过程中的溶液及提取的HA进行紫外可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析。结果表明，在不同氧气浓度气氛下，有机质芳构化程度（UV254）依次表现为：21%氧气浓度> 40%氧气浓度>0%氧气浓度。HA产量变化趋势与UV254结果一致，且在21%氧气浓度下，HA产量较40%与0%氧气浓度提升了25%。XPS光谱分析表明：21%氧气促进了HA中胺基N向吡咯N的转化，而40%氧气浓度则促进了胺基N向酰胺N的转化，0%氧气浓度下HA仍有胺基N。FTIR分析结果表明：·OH促进芳香类物质环裂形成了HA中的含氧官能团（C═O, COOH）。FTIR与UV-Vis的异质二维谱图分析结果表明，氧气促进了氨基酸转化成HA的C═O基团及酰胺转化成HA的芳基与脂肪族基团。结构方程模型（SEM）分析结果表明：铁离子溶出量是影响HA产率的关键因素，21%浓度的氧气通过促进铁离子的溶出加速了有机质的聚合。此外，Fe2+/Fe3+与HA产率呈负相关，说明氧气通过促进铁离子的转化间接影响了腐殖化反应。氧气浓度影响了腐殖化产物的转化，进而影响了HA的产量和官能团组成。研究揭示了氧气浓度对腐殖化产物的影响，为腐殖化理论的完善提供参考。


2024 Vol. 44 (06): 1620-1626 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (7712 KB)  ( 17 )


1627并联卷积神经网络的近红外光谱定量分析模型

于 水1，宦克为1*，刘小溪2，王 磊1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1627-09


近红外光谱分析已成为工农业生产过程质量监控领域中不可或缺的重要分析手段之一，在食品、农业、医药等定性定量分析领域被广泛应用。预测精度高、运行速度快、泛化能力强的近红外光谱预测模型可用于不同物质的定性定量分析。但由于近红外光谱数据量的激增，传统的近红外光谱建模方法已经出现明显的不足。随着人工智能技术的不断发展，深度学习算法在近红外光谱分析领域得到了广泛应用。提出了一种基于并联卷积神经网络的近红外光谱定量分析模型（PaBATunNet）。该模型由1个一维卷积层、1个并联卷积模块（Module）、1个展平层、4个全连接层和1个参数调节器（PR）组成，Module模块包括5个子模块分别对光谱数据进行线性及非线性多维特征提取，并通过Concatenate函数将提取后的光谱特征数据进行拼接，PR模块通过调节优化PaBATunNet模型参数，提高模型预测精度。基于Gard-CAM思想给出了PaBATunNet模型高贡献度特征波长，增加了PaBATunNet模型的可解释性。以谷物、柴油、啤酒、牛奶四组公开的近红外光谱数据为例，将PaBATunNet模型的预测结果与偏最小二乘（PLS）、主成分回归（PCR）、支持向量机（SVM）和BP神经网络（BP）模型的预测结果进行比较。结果表明，与PLS相比，PaBATunNet模型在谷物、柴油、啤酒、牛奶数据集的预测精度上分别提高了30.0%、40.7%、43.0%、52.8%；与PCR相比，PaBATunNet模型的预测精度分别提高了28.8%、35.9%、40.8%、52.2%；与SVM相比，PaBATunNet模型的预测精度分别提高了45.5%、37.4%、45.3%、54.7%；与BP相比，PaBATunNet模型的预测精度分别提高了7.9%、32.4%、90.1%、62.0%。基于并联卷积神经网络的近红外光谱建模方法相比于传统建模方法解决了模型预测精度低、运行时间长、泛化能力差以及可解释性不强等问题，可有效应用于工农业生产中不同物质的定量分析，为建立快速、无损、高精度的近红外光谱定量分析模型提供了科学基础。


2024 Vol. 44 (06): 1627-1635 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (7611 KB)  ( 31 )


1636婴幼儿护肤品中违禁激素丙酸氯倍他索的荧光渐变型比色分析

许春华，张惠煊，孙 毓，唐楷臻，徐银娟，赵 媛*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1636-04


丙酸氯倍他索(CP)是一种糖皮质激素，可用于治疗湿疹、银屑病等皮肤病。婴幼儿长期频繁使用含CP的护肤品可能会导致严重的健康隐患。CP属化妆品禁添加组分，急需开发一种快速、简单护肤品中违禁激素CP的检测方法。通过橙色发光全无机钙钛矿量子点(CsPbBr1.5I1.5 QDs)和CP之间发生的卤素交换反应，荧光信号发生蓝移，偏移波长与CP浓度之间呈良好的线性关系，实现婴幼儿护肤品中CP含量的快速检测，检出限为0.2 mmol·L-1，检测时间为10 min。开发了用于婴幼儿护肤品中CP检测的荧光比色卡，可快速、准确、简便地用于婴幼儿护肤品中CP含量的检测。


2024 Vol. 44 (06): 1636-1639 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (8100 KB)  ( 17 )


1640大口径辅助阳极型辉光放电溅射源的设计与研究

万真真1，武 佳1，施 宁1*，王永清1*，刘少锋1，沈懿璇2，王海云1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1640-08


辉光放电原子发射光谱分析技术可对金属样品表面进行沿深度方向的逐层分析与表征，具有溅射速率快、分析效率高、可大面积溅射的优点。另外，辉光放电等离子体能量较低，材料逐层溅射激发过程中不易引起材料本身组织结构的变化，能够实现沿样品深度方向逐层剥蚀制样。将辉光放电溅射源与扫描电镜、光谱分析检测仪器等联用，可作为金属材料高通量定量表征的有效手段。为了高通量地获取材料表面的成分分布信息，需要对材料表面在多尺寸、大面积溅射条件下进行辉光放电等离子体溅射。因此在传统辉光溅射源的基础上，改进了阳极筒结构，设计了4种直径为cm级的（15、20、30和40 mm）大口径阳极筒，并对其进行COMSOL数值模拟仿真和实际溅射效果研究。大尺寸溅射面可获得材料表面更为丰富的信息，但在相同溅射条件下，阳极口径增大也带来溅射速率下降、溅射面中心区域离子化率降低、影响溅射均匀性和坑型平整度等问题。为解决这些问题，设计了可应用于大口径直流辉光放电溅射源的辅助阳极结构，通过改变放电空间的电场分布情况调控等离子体分布，增强了阳极中心区域离子化率。详细阐述了辅助阳极结构的设计原理，并对传统阳极和辅助阳极进行了数值模拟仿真研究和实际溅射效果对比实验。结果表明增设辅助阳极对大口径溅射源溅射速率的提升效果明显，对阳极口径30 mm溅射源的溅射速率提升33%~48%，对阳极口径40 mm溅射源的溅射速率提升34%~57%。采用大口径辅助阳极型溅射源对紫铜样品进行了溅射激发，并用光学相干断层扫描仪（OCT）测试了溅射坑形貌，结果表明增设辅助阳极可有效改善溅射均匀性和坑型平整度。


2024 Vol. 44 (06): 1640-1647 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (26170 KB)  ( 25 )


1648基于表面增强拉曼光谱的牛肝菌主成分分析及快速鉴定

司民真1，2，王 敏1，2，李 伦1，2，杨永安1，2，钟加菊3，余成敏3*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1648-07


2021年《中国疾病预防控制中心周报》指出蘑菇中毒是我国最严重的食品安全问题之一，2021年发生蘑菇中毒事件327次，涉及923例患者，其中20例死亡，总死亡率为2.17%，事件中共鉴定出毒蘑菇74种。牛肝菌由于味道鲜美，是人们最喜爱的菌类之一。由于烹调不当或是混入有毒牛肝菌，就会发生牛肝菌中毒事件。如何快速得出牛肝菌的主成分并进行鉴定，成为了一个迫切需要解决的问题。该研究从楚雄市鸿福农贸市场上购买的10个新鲜牛肝菌样品，使用菌盖进行徒手切片，用微波法制备的纳米银溶胶制成银胶装片，置于DXR显微拉曼光谱仪的10倍物镜下，获得10个样品的表面增强拉曼光谱（SERS）。通过对SERS的分析发现10个样品中，样品7、8、10主成分相同，样品6、9主成分相同，其余样品主成分各不相同。以样品1为例，主成分有L-苯基丙氨酸（1 583 cm-1环内C—C伸缩振动、1 199 cm-1 NH2摇摆振动）、L-组氨酸（1 572 cm-1 C═C伸缩振动、COO-不对称伸缩、1 229 cm-1面内环变形振动）、异亮氨酸（1 342 cm-1 C—H、N—H变形振动、486 cm-1 COOH摇摆振动、353 cm-1骨架振动）、L-天冬氨酸（1 136 cm-1 C—N伸缩振动）、甘氨酸（1 386 cm-1 COO-变形振动、889 cm-1 C—C伸缩振动）、蛋氨酸（681 cm-1 C—S反对称伸缩振动）、吡喃糖化幌物（973 cm-1对称环振动）。采用光谱软件OMNIC Specta的建库功能随机挑选10个样品的一条谱线进库，建库后可快速进行光谱匹配度的检索，通过匹配度的高低鉴定待测样品。在10个样品中，除2、10号样品的匹配度小于60%外，其余样品的匹配度都大于60%。样品7、8的匹配度接近且有交叉，说明样品7、8是同一品种，而样品6、9的匹配度接近而交叉项少，说明这两个样品是同一品种或相近品种。DNA检测结果表明样品7、8、10同为白牛肝菌，而样品6、9同为薄瓤假美柄牛肝菌。该实验为牛肝菌的主要成分检测和快速鉴定提供了一种简单可靠的方法。同时，该方法对野生蘑菇的物种鉴定具有很大的应用潜力，在野生菌中毒病例中，迅速确定毒蘑菇种类，从而为抢救病人赢得时间具有重要的意义。为此首次对野生蘑菇子实体进行SERS研究。


2024 Vol. 44 (06): 1648-1654 [摘要] ( 47 ) RICH HTML PDF (16475 KB)  ( 33 )


1655张家窑林场出土玛瑙的谱学特征与加工工艺研究

于 涵1，2，杨 璐1，2*，李梓轩1，2，丛丽莉3，付永平3，申桂云4


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1655-06


张家窑林场出土了四个玛瑙管珠文物，为研究出土玛瑙的特征以及加工工艺，使用激光显微拉曼光谱、超景深显微镜、X射线荧光光谱、X射线探伤等技术观察并分析了张家窑林场辽墓出土的玛瑙串饰，并对其原料来源、加工工艺和保存状况进行了讨论。结果表明，样品的主要组成为α-石英和斜硅石，致色矿物为针铁矿、赤铁矿和六方纤铁矿，样品的拉曼谱带的积分比为4.18，根据函数曲线估算样品的斜硅石相对含量约为20%，斜硅石与α-石英特征峰面积之比（A501/A462）约为0.22~0.3，推测玛瑙为可能为北红玛瑙。X射线探伤结果表明，管珠的加工工艺为对向钻孔，加工工具可能为实心钻具加少量解玉砂，样品表面受沁情况比较严重，对张家窑1号棺棺内土壤进行研究后发现木棺内土壤为中性土，对管珠的影响较小，结合目前对玉器老化的相关研究，推测玛瑙的受沁情况与原料质量以及样品风化有关。


2024 Vol. 44 (06): 1655-1660 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (19034 KB)  ( 26 )


1661徐州土山二号汉墓中白灰材料的科学研究

李 婷1，2，3，王茜蔓1，2，3，贺康特1，2，3，刘 妍1，2，3*，杨富巍1，2，3*，鹿瑞聪1，2，3，赵晓伟4，张 坤1，2，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1661-07


徐州土山二号墓是近年来发掘的一座重要的东汉早期诸侯王级墓葬，并成功入选2020年度全国十大考古新发现。该墓葬属于砖室墓，墓葬中多处、大量使用白灰的情况为同时期墓葬中所罕见，代表着当时高度发达的白灰生产和应用的工艺水平。白灰是中国古代应用最为广泛的胶凝材料之一，但目前针对它的科学研究仍存在着较大的空白。为深入探究土山二号白灰的成分和功用，对该墓中白灰的使用情况进行了调查，并利用X射线衍射分析(XRD)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、热重-差示扫描量热分析(TG-DSC)、扫描电镜显微观察(SEM)、碘淀粉实验和多孔材密度、孔隙率、吸水率测试、X射线荧光光谱分析（XRF）等多种技术手段对各类白灰样品进行了分析测试。研究结果显示，土山二号墓中的所有白灰样品均由天然石灰石经人工煅烧后生成，且没有添加骨料成分，反映出汉代时古人烧制石灰的工艺已经十分纯熟；白灰的原材料都来源于利用徐州本地青石类高钙天然材料烧制的石灰，碳酸钙含量到达了85%以上，说明当时在煅烧石灰时已经具有优选原材料的意识；石灰在墓中具有多种用途，包括墓室砖石墙体的砌筑灰浆、墓室踢脚线和顶券的装饰抹灰及棺内墓主尸身下防腐吸潮的衬灰等，说明当时人们已经对石灰的性质有了相当的了解并能够将之善加利用；样品由于与外界自然环境接触，发生了明显的侵蚀和风化，亟需进行加固保护处理。该研究对于了解中国东汉时期古人对石灰性能的认识及其在生产生活中的应用等科技文明发展状况具有重要意义，也为后续相关文物的保护提供了科学的参考。


2024 Vol. 44 (06): 1661-1667 [摘要] ( 45 ) RICH HTML PDF (21324 KB)  ( 28 )


1668基于CNN与LSTM复合深度模型的恒星光谱分类算法

李 浩1，赵 青1*，崔辰州2，樊东卫2，张成奎1，史艳翠1，王 嫄1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1668-08


恒星光谱分类是天文学领域中非常重要的研究方向。随着科技的迅猛发展，大型巡天望远镜采集的恒星光谱数据已经达到了TB或甚至PB级别，传统的分类方法已经无法满足如此庞大数据量的处理需求。正确分类光谱对于研究恒星的物理性质以及演化过程具有重要意义。CNN通过卷积运算学习数据的局部特征，去除冗余信息，并通过最大池化运算对特征进行压缩。然而，由于原始CNN模型的全连接层缺乏长距离依赖挖掘的功能，如果加入LSTM网络，通过其独特的三个“门”的远距离依赖挖掘能力可提取的重要特征，并检测特征中的微小差异，恰好可以解决这个问题。因此，提出了一种基于CNN和LSTM复合的深度模型，用于对LAMOST DR8中的恒星光谱进行分类。这种模型能够更好地学习恒星光谱的特征，为恒星演化研究提供了重要的帮助。为了提高模型的收敛速度，使用了常见的Z-Score标准化方法对数据进行处理。提出的模型在F、G、K三分类实验中取得了94.56%的分类准确率。同时，与前人使用过的RBM、PILDNN、PILDNN*、DBN、Inception v3、1D-SSCNN、LSTM方法进行对比，结果表明该方法具有更高的分类准确率。在十分类实验中，该方法取得了97.35%的准确率，并且相比于仅使用LSTM、1D-SSCNN方法的实验结果，该方法的结果更好，且训练时间减少了近十倍。使用F1-score对每类恒星光谱分类准确度进行说明，在三分类和十分类实验中，每类的F1值都在0.9以上。与前人在文献中的实验结果进行对比，该模型的结果更好。通过混淆矩阵的结果，可以得出该模型在光谱种类越多的实验中准确率越高，甚至可以达到100%。综上所述，所提出的基于CNN和LSTM相结合的模型可以有效地对大规模恒星光谱数据进行分类，并取得了优异的分类效果。


2024 Vol. 44 (06): 1668-1675 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (6659 KB)  ( 29 )


1676“非洲独龙玉”的矿物成分及谱学特征

余炼钢1，郑金宇2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1676-08


“非洲独龙玉”是近年来滇西珠宝市场上涌现的新兴玉石品种。其鲜艳绿色呈脉状和团絮状分布于无色至灰白色基体上，局部存在红褐色。品质优于云南怒江州“独龙玉”，市场前景引起业界广泛关注，但其宝石学特征及矿物种属尚不清楚。运用红外光谱仪、拉曼光谱仪、X射线粉晶衍射仪、扫描电子显微镜及能谱、X射线荧光光谱仪、紫外-可见光谱仪等测试方法对其矿物组成及结构特征、化学成分、谱学特征及颜色成因等进行了研究。红外光谱测试表明该玉石的绿色部分显示白云母与石英的红外特征混合谱，其中3 623、694、1 080和1 619 cm-1处特征吸收峰指示白云母。拉曼光谱测试显示玉石基体部分在204、262、355、395和463 cm-1处具α-石英特征峰，绿色部分在261、395、694、3 623 cm-1处具白云母特征峰，表面金属光泽矿物在343、379和437 cm-1处具黄铁矿特征峰，局部浸染状橙黄-红褐色矿物在224、295、409、493和610 cm-1处具赤铁矿特征峰。X射线粉晶衍射测试在3.48、2.98、2.56 Å处特征衍射峰指示为2M1型白云母。扫描电子显微镜及能谱面扫描显示白云母呈纤柱状、鳞片状集合体，单颗粒长约25～40 μm，宽约2～4 μm；少量杂质矿物辉砷镍矿呈近似立方体晶形，粒径约为10～15 μm，由黄铁矿蚀变作用形成，其中Fe、Co部分类质同像替代Ni，As含量高于S，指示为高温热液矿床成因。综合化学成分及紫外-可见光谱特征表明，致色矿物白云母含Ba、Cr，不含Fe，其中Cr为致色元素。除颜色特征外，利用多种谱学的方法揭示了“非洲独龙玉”与云南怒江“独龙玉”在杂质矿物、化学成分及致色元素方面的差异，可作为区分二者的有效证据，同时丰富了天然绿色石英质玉的成分信息和谱学特征数据，亦为进一步做“非洲独龙玉”的产地溯源及成矿地质条件背景研究奠定了理论基础。


2024 Vol. 44 (06): 1676-1683 [摘要] ( 53 ) RICH HTML PDF (22385 KB)  ( 31 )


1684基于拉曼光谱与色度学的彩色淡水有核珍珠研究

王子轩，杨 淼，柳迪文，孟 彬，祖恩东*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1684-05


淡水有核珍珠因为其粒径大、圆度好、色彩丰富、光泽强等优点，在珍珠市场上占据了较大份额。目前关于彩色淡水有核珍珠的致色机理尚没有一致的结论，且关于该致色物质如何使淡水有核珍珠呈现多种颜色的研究较少。基于此研究现状，选取多种颜色的淡水有核珍珠进行激光拉曼光谱与色度学研究。拉曼光谱研究发现样品具有三种不同的C—C与C═C峰，且表现出对应关系：1 123~1 125 cm-1处的C—C峰常与1 506~1 509 cm-1处的C═C峰同时出现；1 132~1 134 cm-1处的C—C峰常与1 522~1 523或1 525 cm-1处的C═C峰同时出现；1 128~1 131 cm-1处的C—C峰常与1 506~1 509与1 520~1 523或1 525 cm-1的C═C双重峰同时出现。依据拉曼光谱中C═C键峰的差异将全部样品分为P、T、G、P+T、T+G、P+G共6种类型。结合样品的色度学参数，在同类型样品中，建立亮度L或饱和度S与其拉曼光谱中CO3/C—C峰面积比的相关性，发现P型珠的亮度L与CO3/C—C峰面积比有明显的正相关性，而P、T、G型珠的饱和度S都与CO3/C—C峰面积比有明显的负相关性，证实三种不同的C—C与C═C峰是由不同的致色物质所致。并根据拉曼谱峰将彩色淡水有核珍珠中的致色有机物归属为线性多烯类分子。线性多烯分子的拉曼峰位随着有序度的增加而红移，拉曼峰位更靠近红外区的线性多烯分子的碳骨架更长更直，这导致不同类型样品的拉曼光谱中C—C与C═C的峰有所区别。此外，依据色度学参数对彩色淡水有核珍珠进行颜色系列的划分。将色调角h∈(0, 15)的珍珠归为红色系列；将色调角h∈(15, 45)的珍珠归为黄色系列；将色调角h∈(335, 360)的珍珠归为紫色系列。


2024 Vol. 44 (06): 1684-1688 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (5856 KB)  ( 25 )


1689雪宝顶白钨矿的谱学特征及主微量元素分析

曹沁元1，史 淼2，3，4*，马世玉2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1689-08


白钨矿是一种稀有宝石，具粒状、块状构造，颜色为白-浅黄色，油脂光泽，荧光性明显。四川平武雪宝顶白钨矿矿床为围岩蚀变较弱的脉状热液巨晶宝石级矿床，产出白钨矿颜色饱和度较高，具完美晶型且色泽纯正，与绿柱石、锡石和白云母共生。该研究选取雪宝顶近无色-橘黄色调白钨矿为研究对象，使用X射线粉晶衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱分析仪、紫外-可见分光光度计、激光拉曼光谱仪、电子探针、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）的综合分析，结合矿物学、谱学与主微量元素特征，确定近无色-橘黄色调白钨矿的矿物成分、晶体结构、特征鉴别谱带、致色离子以及主微量、稀土等化学组分含量，探讨白钨矿稀土元素含量与颜色成因关系，为雪宝顶近无色-橘黄色调白钨矿提供诊断性鉴别依据。研究结果表明，白钨矿结晶程度较好，化学成分均匀，无明显间断，矿物成分含量相对集中，共生矿物多为白云母和伊利石。样品具典型的白钨矿红外特征峰440、809和870 cm-1及与Ca2+有关的448 cm-1特征峰，谱峰显示色调越深者吸收度越高；拉曼特征峰909 cm-1和Ca—O晶格振动峰207 cm-1，随色调加深强度加深；紫外吸收峰表现为橙黄区强吸收，尖峰在383、570、584和804 nm附近，近无色调者仅具383 nm尖峰，黄色调较浅者近紫外区Fe3+吸收度较低，黄色调较深者蓝紫区Fe3+强吸收且其橘黄色调由Nd3+所致；白钨矿化学组分WO3和CaO质量比接近甚至超过理想值，近无色者含量相对集中；微量元素中Fe元素与色调呈正相关，黄色调越深者，含量越高；稀土总量变化范围大，轻稀土更为富集，具明显的Eu负异常，Ce异常不明显。浅黄色调受微量元素Si、Fe元素及Fe3+的d—d电子跃迁影响，黄色调受微量元素Mn、Fe元素及Fe3+的电子跃迁所致，橘黄色调受稀土Nd和Sm元素影响较大。


2024 Vol. 44 (06): 1689-1696 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (12622 KB)  ( 26 )


1697弓长岭磁铁矿拉曼光谱特征及意义

刘 静，姚玉增*，付建飞，李梓宁，侯婷婷，张永利


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1697-06


弓长岭铁矿床是我国最大的沉积变质型磁铁富矿，诸多学者对其开展了大量研究工作，但磁铁矿拉曼光谱方面的研究较少。采用HORIBA XploRA PLUS显微拉曼光谱仪对弓长岭铁矿床典型贫铁矿石和富铁矿石中的磁铁矿进行了拉曼光谱测试，结果表明，贫铁矿石中磁铁矿在300、550和670 cm-1处的拉曼峰位向高波数偏移，应与其中磁铁矿的铁平均氧化态升高及微量元素类质同象取代导致矿物晶格尺寸减小有关；富铁矿石中磁铁矿的拉曼峰强明显升高，应为富铁矿形成过程中磁铁矿重结晶致使其内部微量元素整体含量降低而铁离子含量相对升高所致。贫铁矿石中部分磁铁矿出现了微弱的赤铁矿拉曼光谱特征，可能与磁铁矿形成后的表生氧化有关。X射线衍射(XRD)分析表明，富矿中铁氧化物主要为磁铁矿，而贫铁矿石中的磁铁矿有向镁磁铁矿转变的趋势。扫描电镜能谱分析结果表明，富矿中磁铁矿相较于贫矿中的微量元素含量降低，即由贫矿到富矿，磁铁矿经历了“纯化”，与前面拉曼结果研究相一致。本次研究表明，拉曼光谱测试具有快速、简单、可重复且无损伤的特点，可有效估计磁铁矿中微量元素含量并可用以鉴别鞍本地区贫、富两类铁矿石。


2024 Vol. 44 (06): 1697-1702 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (7403 KB)  ( 24 )


1703不同生长时期玉米茎秆强度的无损检测研究

张天亮1，2，3，4，张东兴1，2，崔 涛1，2，杨 丽1，2*，解春季1，2，杜兆辉1，2，肖天璞1，2


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1703-07


针对传统玉米茎秆强度破坏式检测方法费时费力的问题，采用高光谱成像数据结合统计学习方法对灌浆期和蜡熟期的19个玉米品种的茎秆穿刺强度和折断力进行检测，给出适于进行玉米茎秆强度检测的特征提取和建模方法。试验在5 000株·亩-1种植密度下种植了19个玉米品种，采集灌浆期和蜡熟期茎秆基部的高光谱图像，使用目标区域分割的方式自动进行光谱图像反射率校正和目标光谱曲线提取。对采集的样本数据使用主成分分析法(PCA）和包裹式特征提取法提取光谱特征，并分别建立了主成分回归（PCR）和偏最小二乘回归（PLSR）的茎秆强度预测模型。通过对各特征提取方法和各模型交叉验证预测结果的对比，找到适于进行玉米茎秆强度检测的特征提取和建模方法。试验结果表明：PCA方法提取光谱特征具有明显的降维效果，但用PCA方法提取特征建立的PCR模型对玉米茎秆强度的预测效果一般，用包裹式特征提取方法建立的PLSR模型在灌浆期和蜡熟期的模型预测效果均优于PCR模型，模型的剩余预测残差（RPD）在2.90~3.93之间，可以用于定量分析预测茎秆强度。


2024 Vol. 44 (06): 1703-1709 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (5977 KB)  ( 29 )


1710基于全透射可见-近红外光谱的西瓜糖度在线检测研究

王贺功1，2，黄文倩2，蔡仲磊2，严忠伟2，黎 胜2，李江波2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1710-08


糖度是评价西瓜品质的重要指标之一，影响着西瓜的受欢迎程度和销售价格。但体积大、皮厚的自然生物特征为西瓜糖度的快速、无损评估带来了挑战。为探索西瓜糖度快速无损检测，选择230个西瓜作为试验样本，使用自行研制的全透射可见-近红外光谱系统在线采集西瓜光谱数据，在线检测过程中保持光谱连续检测点在西瓜的赤道部位，并分别测量西瓜整果糖度和中心糖度作为理化糖度参考值。首先对样本在线检测过程中产生的多条光谱数据进行均值化处理，并选取波长范围690～1 100 nm的光谱数据，使用蒙特卡洛方法剔除其中的异常样本，使用多种预处理方法（SNV、SG平滑等）对光谱数据优化，并采用SPXY算法划分样本校正集和预测集以减小因西瓜内部糖度分布差异造成的影响；基于优化的光谱数据构建了线性PLSR模型和非线性LS-SVM模型预测西瓜中心糖度和整果糖度。结果表明，基于SNV和SG组合法预处理光谱构建的LS-SVM模型预测西瓜整果糖度效果最好，其校正集相关系数RC=0.92，建模均方根误差RMSEC=0.37°Brix；预测集相关系数RP=0.88，预测均方根误差RMSEP=0.40°Brix。进一步使用特征波段挑选算法（CARS、UVE、SPA等）对光谱数据优化，结果显示构建的模型效果更好，其中使用CARS和UVE组合算法选取的特征波长构建LS-SVM模型预测西瓜整果糖度时效果最好，其校正集相关系数RC=0.94，校正均方根误差RMSEC=0.31°Brix；预测集相关系数RP=0.91，预测均方根误差RMSEP=0.37°Brix，且建模变量从1524个特征变量缩减到39个特征变量。该研究为实际生产中西瓜糖度快速无损检测应用提供了参考。


2024 Vol. 44 (06): 1710-1717 [摘要] ( 45 ) RICH HTML PDF (9044 KB)  ( 33 )


1718基于PLS-DA和LS-SVM的可见/短波近红外光谱鉴定港种四九、十月红和九月鲜菜心种子的可行性研究

章海亮1，聂 训1，廖少敏1，詹白勺1，罗 微1，刘书玲3，刘雪梅2*，谢潮勇1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1718-06


目前市面上菜心的品种复杂，不同菜心种子的品质与发芽率不同，但菜心种子单从外观上差别不大，因此区分菜心种子的类别成为了一大难题。为了实现菜心种子类别的快速区分，探究了基于可见/短波近红外光谱分析菜心种子类别的可行性。从南昌市种子交易场所购买了港种四九、十月红和九月鲜三个品种的菜心种子，从中挑选出品相较好且大小适中的子粒，将每种菜心种子均匀分为30份，按照2∶1划分为建模集和预测集，所有样本共计90份。通过近红外光谱仪获取采样间隔为1 nm的菜心种子的光谱反射率，波长覆盖范围325~1 075 nm，将原始光谱数据采用多元散射校正(MSC)、卷积平滑(S-G)和标准正态变换(SNV)三种预处理方法进行预处理，预处理后的光谱变量建立偏最小二乘回归(PLSR)模型，确定了SNV是最佳预处理方法。采用主成分分析(PCA)对菜心种子进行了聚类分析，从前三个主成分因子(PCs)得分图可知三种菜心种子存在光谱特征差异。将原始光谱变量、前三个PCs(累计贡献97.15%)和基于随机蛙跳(RF)算法挑选的13个特征波长作为偏最小二乘判别(PLS-DA)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型的输入变量，从模型结果可知：三种输入变量中，采用RF筛选特征波长作为模型输入变量时，模型预测效果最好，PCs建立的模型最差，相比于PCA分析，采用RF筛选出的特征波长更能够反映原始光谱信息。比较不同模型预测效果，LS-SVM模型比PLS-DA模型得到的预测精度更好，其中RF-LS-SVM模型是所有模型中最佳的预测模型，建模集和预测集均为100%。采用可见/短波近红外光谱研究菜心种子的类别可行，并且能够获得很好地预测效果，为菜心种子的快速区分提供了理论依据。


2024 Vol. 44 (06): 1718-1723 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (2921 KB)  ( 22 )


1724高光谱结合深度学习的桑椹采后TSS含量无损检测

王子轩1，杨 良2，3，4*，黄凌霞2，何 勇4，赵丽华3，占鹏飞3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1724-07


桑椹起源于中国，是我国最具历史的“药食同源”水果之一。但桑椹采后快速变质和皮薄易腐败的特点制约了其产业化发展。总可溶性固形物（TSS）是决定桑椹风味和品质的重要成分，是其商业化的最基本品质特性之一。借助于近红外高光谱成像技术和深度学习方法优化桑椹采后TSS含量的预测模型，同时评估采后常见储运温度条件对定量模型的影响，为桑椹采后品质快速评价提供依据。选用具有一致商业成熟度的桑椹分别在常温（25 ℃）和低温（4 ℃）储藏，然后在不同储藏阶段对样本进行光谱数据采集和TSS含量测定直至桑椹腐败不适宜食用。基于校正后的高光谱图像提供的空间信息提取感兴趣区域以获得无背景的代表性光谱，然后将标准正态变换（SNV）、多元散射校正（MSC）、Savizkg-Golag（SG）平滑用于光谱的预处理，以提升光谱信噪比。利用深度学习方法实现了桑椹采后TSS含量的预测。对于常温和低温桑椹样本，最优CNN模型剩余预测偏差（RPD）值分别达到5.828和5.449，预测均方根误差（RMSEP）值分别为1.082和1.099 °Brix，可见低温条件储藏降低了CNN模型的预测性能。为进一步验证CNN模型的效果，建立了基于传统经典机器学习方法偏最小二乘（PLS）和最小二乘支持向量机（LS-SVM）的TSS含量预测模型。结果表明，非线性模型LS-SVM更适合桑椹的TSS含量预测。对于两个不同储藏温度，最优LS-SVM模型RPD值分别为4.221和4.423，表明CNN优于经典机器学习方法。综上所述，高光谱成像结合深度学习CNN的桑椹采后TSS预测具有较大潜力，这为桑椹品质快速检测提供了技术支撑。


2024 Vol. 44 (06): 1724-1730 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (4541 KB)  ( 33 )


1731区间值直觉模糊麦克劳林聚合算子的近红外反射波段划分方法

任维佳1，2，3，杜向军1，3，杜玉琴4*，孙荣禄1，3，李学良1，3


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1731-09


采用不同波段光谱对不同类异性纤维进行识别，可有效剔除异性纤维，提高检出率。针对波段传统划分方法存在的评价指标单一性问题，研究不同异性纤维多种属性间相互影响，结合多属性群决策(MAGDM)方法的优势，提出利用多属性群决策方法实现棉花中异性纤维最佳检测波段的选取，根据不同异性纤维多种属性指标的关联性，综合考虑多种属性指标，确定波间可分度、相关性和ABS指标作为异性纤维属性的评价指标。首先，针对多属性群决策方法中评价准则不准确问题，构建评价准则函数线性方程组，使其增广矩阵的秩等于未知量个数，保证方程组具有唯一解，从而提高决策结果的准确性。接着，使用幂等(PA)算子消除不合理评价信息数据值对决策结果的负面影响，结合麦克劳林对称平均(MSM)算子综合考量多个数据间的相互关系，推导加权区间直觉模糊幂等麦克劳林对称平均(WIVIFPMSM)聚合算子，拓展TOPSIS方法确定异性纤维权重信息，聚合不同异性纤维多种属性的评价信息，根据所建立的评价准则确定决策结果，进而构建基于区间值直觉模糊集(IVIFS)的多属性决策方法，实现多种异性纤维多种属性指标的最佳波段选取。将区间值直觉模糊幂等麦克劳林聚合算子与类间可分性波段选择(ISBC)方法和自适应选择(ABS)方法进行了对比，分析了不同波段划分方法对结果的影响，总结了现有研究中存在的问题和不足。为提高多属性群决策方法的决策精度，分析了参数k对决策结果的影响，证明区间值直觉模糊幂等麦克劳林聚合方法稳定性更好，为复杂环境下异性纤维波段划分研究提供了新思路。最后，通过实验验证近红外波段W3: 780~1 100 nm为最佳检测波段。该方法对波段选取领域的理论扩展和多属性群决策方法的应用具有一定的指导意义。


2024 Vol. 44 (06): 1731-1739 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (1588 KB)  ( 19 )


1740典型铅锌矿区土壤重金属含量高光谱反演模型研究

吴艳花1，赵恒谦1，2*，毛继华1，金 倩3，4，王雪飞3，4，李美钰1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1740-11


矿区开采造成的土壤重金属污染严重影响作物产量、引发人体疾病；有效预防土壤重金属污染对健康的损害非常重要。高光谱快速、动态获取地物连续光谱信号的特点，为发展基于遥感的土壤重金属含量监测提供了新的思路。针对河北省涞源县典型铅锌矿区，实地采集矿区及周边土壤样本，基于SVC HR-1024i地物光谱仪（350~2 500 nm）获取土壤光谱反射率，通过对光谱数据进行平滑、一阶导数、多元散射校正、标准正态变换、多元散射校正后一阶导数、标准正态变换后一阶导数六种光谱数据组合变换，使用差值指数、比值和归一化方法从六种预处理数据中提取光谱指数，通过实验室化学测试分析得到土壤重金属镉、铅、锌含量，对不同重金属元素使用不同光谱变换方式进行预处理，得到不同类型重金属元素的最优光谱变换方式。采用差值指数、比值指数和归一化植被指数，提取不同光谱指数下的最优波段组合，从而得到用于不同重金属元素建模使用的最优自变量。基于随机森林和偏最小二乘回归法分别构建重金属元素反演模型。研究表明，通过对光谱数据预处理，可以有效地降低噪声，增强光谱特征。从结果来看，经过预处理后光谱数据与重金属含量相关性有所提高。对不同重金属元素建模选择对其最优的光谱指数自变量，增加了反演建模的有效特征。对三种重金属镉、铅、锌利用随机森林算法和偏最小二乘回归法建立预测模型，最优模型的R2分别达到了0.90、0.91、0.84, 证实了该方法的有效性。该研究可为铅锌矿区土壤重金属含量反演建模提供依据，为矿区土壤重金属含量检测提供方法参考。


2024 Vol. 44 (06): 1740-1750 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (25626 KB)  ( 35 )


1751草甸草原植物beta多样性高光谱遥感估算方法

杨星晨1，雷少刚1*，徐 军2，苏兆瑞3，王维忠3，宫传刚4，赵义博1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1751-11


目前，全球生物多样性的状态非常堪忧，因此，利用光谱技术估算生物多样性成为了生态学家和遥感学家共同关注的热点。目前关于植物alpha多样性的研究很多，而关于beta多样性的研究较少，仍存在一些问题值得去探索。为了探究利用遥感技术估算植物beta多样性的最佳光谱指数以及最佳影像空间分辨率，以草甸草原为研究区，基于无人机高光谱遥感影像，从光谱距离、光谱角度、生物多样性概念三个方面计算了6种beta多样性估算指数（4种为我们构建的新指数，2种为已有的指数），并采用Mantel tests和相关系数筛选最佳的光谱指数。然后将筛选出来的指数应用于不同空间分辨率的影像，以期得到最佳观测尺度。另外，为了提高指数的估算能力，对比了一阶导数变换和Savitzky-Golay滤波两种光谱变换方法，以及相关系数法、连续投影法、竞争性自适应重加权法三种特征波段选择方法。结果表明，不论是采用亚尺度观测（像元大小＜样方大小）还是等尺度观测（像元大小=样方大小），最佳的光谱指数均为光谱距离指数，且光谱距离指数在不同影像空间分辨率下均表现良好。在草原地区，当影像空间分辨率约为0.25 m时，该指数可以取得最佳的估算结果。经一阶导数变换并用相关系数法提取特征波段后构建的光谱距离指数与beta多样性拥有最强的相关性，今后可利用该指数构建估算模型或者直接表征beta多样性。该研究对于科学的选取光谱指数和影像空间分辨率去估算植物beta多样性具有一定的指导意义。


2024 Vol. 44 (06): 1751-1761 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (21633 KB)  ( 21 )


1762基于多光谱技术对原儿茶酸抑制低密度脂蛋白氧化及其与牛血清白蛋白相互作用的研究

王晨雨1，2，陈成诚2，甘宇鑫1，2，张平平1*，王峰星1，2，王月霞4，刘常金3，熊 勇2，江慎华2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1762-11


植物多酚被称作人类健康的“第7类营养素”，在医药、食品和营养保健等多个领域受到广泛关注。红心猕猴桃果皮（RKP）中多酚含量丰富，是提取植物多酚的优良原料，但常被视为加工废料遭弃用。该研究拟通过脉冲超声（PU）辅助天然深共晶溶剂（NADES）提取RKP多酚，并通过荧光光谱和紫外-可见光谱探究RKP中重点多酚—原儿茶酸（PCA）抑制低密度脂蛋白（LDL）氧化功效及其与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用机制。结果表明，NADES对RKP多酚的提取率显著高于常规溶剂（如水或乙醇）。在超声功率400 W、料液比1﹕40（g·mL-1）、温度70 ℃、提取20 min及含水率20%（ω/ω）条件下，所筛选的6种NADES溶剂中，氯化胆碱-乙二醇组合提取率最高（29.84 mg GAE/g DW）。光谱实验结果表明，PCA具有较强的DPPH自由基清除能力，清除率最高可达94.39%。PCA能够显著延长LDL氧化过程中共轭二烯（CD）生成的延滞时间及达到峰值时间，有效抑制脂质氧化过程中脂褐素及总荧光产物生成，减少LDL氧化过程中色氨酸（Trp）及赖氨酸（Lys）残基的氧化修饰，显示出对LDL氧化极强的抑制效果。多光谱法对PCA与BSA相互作用研究发现，两者之间存在相互作用，具有较强的亲和力，且只有一个结合位点，疏水作用力在相互作用过程中起主要作用；相互作用后酪氨酸（Tyr）周围微环境几乎不发生改变，而Trp周围微环境极性降低、疏水性增加；三维荧光光谱进一步证明二者之间存在相互作用，并由此引起蛋白质结构发生变化；综合荧光光谱和紫外-可见光谱的实验结果，PCA与BSA相互作用猝灭机理为静态猝灭。该研究为开发RKP及PCA提供参考。


2024 Vol. 44 (06): 1762-1772 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (8886 KB)  ( 22 )


1773基于水质荧光指纹技术的复合污染河道溯源研究

熊秋燃1，2，沈 鉴1，2，胡 远2，3，柴一荻1，2，3，顾意琴2，3，冷晓婷2，3，程 澄1，2，吴 静1，2*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1773-08


复合污染水体的污染源组成解析是当前水污染溯源领域难题，基于三维荧光光谱的水质荧光指纹技术是解决该难题的关键方法。采用水质荧光指纹技术对苏南地区Y河开展溯源分析。通过平行因子分解与水质荧光指纹比对有效识别Y河中印染废水荧光信号来自上游河道异地输入。利用氨氮浓度划分重污染区域，依托水质荧光指纹对Y河流域内109个排口开展筛查，通过污染路径溯源法精准定位35家主要责任单位。落实整改要求后，Y河水质由劣Ⅴ类迅速提升至Ⅲ类，并持续稳定达标。Y河河道治理工程取消，降本增效效果显著。针对复合污染河道提出了以水质荧光指纹技术为抓手的精准溯源与微创治理新模式，对实现精准治污、科学治污、依法治污具有重要指导意义。


2024 Vol. 44 (06): 1773-1780 [摘要] ( 46 ) RICH HTML PDF (16547 KB)  ( 28 )


1781基于MAX-DOAS观测的鹤山地区对流层甲醛廓线反演研究

钱园园1，2，罗宇涵1，周海金1，窦 科1，常 振1，杨太平1，奚 亮1，汤付颖1，2，徐自强1，2，司福祺1*


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1781-08


甲醛（HCHO）是大气中一种十分重要的痕量气体，它不仅与人类健康和环境密切相关，还在对流层光化学反应中扮演着极其重要的角色。近年来，我国珠三角地区的秋季对流层臭氧及甲醛污染问题较为严重，而对流层甲醛也是分析边界层臭氧形成机理的关键性指标之一，因此，在珠三角地区开展甲醛观测实验具有十分重要的意义。利用多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）反演了鹤山超级站2019年9月20日至10月3日期间的氧气二聚体（O4）与HCHO的差分斜柱浓度（DSCD），使用几何近似法得到了甲醛的大气质量因子（AMF），进而获得了对流层甲醛的垂直柱浓度（VCD）。结果显示，观测期间的对流层甲醛VCD在4.99×1013～6.48×1016 molec·cm-2之间波动，平均值为2.18×1016 molec·cm-2。将MAX-DOAS反演的对流层甲醛VCD与TROPOMI结果进行了对比，结果表明，MAX-DOAS与TROPOMI结果近乎一致，相关性系数R为0.80，但9月25日与28日的TROPOMI结果偏低了约25%，这可能是由于观测方式不同所导致的。此外，该研究还基于反演的O4与甲醛DSCD，使用基于最优估计算法的海德堡大学廓线反演算法（HEIPRO）反演了观测期间的对流层气溶胶及甲醛廓线，结果表明，甲醛污染主要集中在近地面0～800 m内，观测期间的甲醛污染主要来源于当地的工业及机动车尾气排放。将MAX-DOAS技术反演的近地面甲醛结果与2,4-二硝基苯肼色谱技术测量结果进行了对比，结果表明，两种技术的近地面甲醛结果的一致性较高，均观测到了9月27至29日的近地面甲醛高值（峰值达到了14.31 μg·m-3），且相关性系数R为0.88，斜率为0.98，验证了MAX-DOAS技术反演的近地面甲醛结果的可靠性。MAX-DOAS技术可实现对流层甲醛VCD的实时监测，可作为验证星载观测结果的一种重要手段，结合最优估计算法，MAX-DOAS技术还可以实现对流层甲醛廓线的反演。


2024 Vol. 44 (06): 1781-1788 [摘要] ( 50 ) RICH HTML PDF (8251 KB)  ( 25 )


1789甲乙基化植物油对藻荧光法检测三嗪类除草剂阿特拉津、扑草净与特丁通生物毒性的增敏性能研究

杨 瑞1，崔建升1，2*，马小龙1，2，王合宇1，刘大喜1，2，王柳卜1


DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)06-1789-12


为了提升藻叶绿素荧光对痕量三嗪类除草剂的检测效果，以蛋白核小球藻、铜绿微囊藻和斜生四链藻为试验藻种，通过水样叶绿素荧光仪（WATER-PAM-WALZ）测量四个藻叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm、Y（Ⅱ）、NPQ和qP作为毒性评价指标，研究微藻对阿特拉津、扑草净与特丁通三种三嗪类除草剂毒性的响应时间和甲乙基化植物油对藻荧光法检测除草剂生物毒性的增敏效果。实验结果显示：①蛋白核小球藻、铜绿微囊藻和斜生四链藻对三种除草剂的生物毒性最佳响应时间分别为20、10和10 min；增敏效果最显著时甲乙基化植物油浓度分别为0.25%、0.5%和0.25%。②斜生四链藻对三种除草剂的响应敏感性最高，而铜绿微囊藻对除草剂的适应性和抗性较强，在20 μg·L-1的扑草净暴露下，实验组斜生四链藻和蛋白核小球藻的Fv/Fm抑制率均达到23%，而铜绿微囊藻Fv/Fm抑制率只达到8%。③甲乙基化植物油的作用下，Y（Ⅱ）和NPQ对除草剂的毒性响应灵敏度最高。40 μg·L-1的扑草净对斜生四链藻Y（Ⅱ）抑制效果达到了56%，对Fv/Fm抑制率最高达到41%，是对照组的2.5倍，而除草剂浓度至200 μg·L-1时，三种藻类NPQ值均提升了1.5倍以上，参数值qP的响应程度受甲乙基化植物油的增敏效果较小。实验结果表明甲乙基化植物油扩大了除草剂与藻细胞的接触面积，增强了除草剂的渗透力，提升了藻荧光对除草剂的毒性响应，可降低除草剂的检出限值。研究中首次将甲乙基化植物油应用于藻荧光法检测三嗪类除草剂中，并且在甲乙基化植物油的作用下，藻荧光法表现出良好的检测效果，解决了某些情况下叶绿素参数响应不灵敏的问题，为快速、灵敏地检测环境中的痕量三嗪类除草剂的生物毒性提供了一种新的方法。


2024 Vol. 44 (06): 1789-1800 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (52887 KB)  ( 23 )


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