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2023年 43卷 01期
刊出日期：2023-01-01
论文
 
         论文
1 基于光谱诊断的烃类火焰碳烟形成机理研究综述
吴润民1，谢 非1，宋旭东1*，白永辉1，王焦飞1，苏暐光1，于广锁1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0001-08
碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物，其对人类健康、空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。碳烟生成是一个复杂的物理化学过程，控制碳烟排放，需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异，这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。近些年，研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究，对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程，确定碳烟颗粒分子组成、精细结构、浓度分布等特征，也可从碳烟结构变化、黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势，探讨LIBS，LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、生长到颗粒生成、凝聚，最后进行颗粒氧化)。总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状，包括对碳烟体积分数、温度和基于图像处理的碳烟结构表征，反应碳烟前驱体(多环芳烃)、反应气氛、温度等对碳烟颗粒物生成的影响。最后，对光谱诊断方法在碳烟中的应用进行展望。未来光谱诊断方法将会呈现对碳烟生成化学反应机理进行更细致准确的研究、降低不均匀碳烟对火焰图像造成影响、优化光谱诊断测量方法对火焰中多种气体组分及生成碳烟浓度进行同时采集和实时在线监测等发展趋势。光谱诊断方法和图像分析在均相燃烧火焰碳烟中的分析将为推动清洁燃烧和为非均相流动领域研究提供思路并具有重要的科学指导意义。
2023 Vol. 43 (01): 1-8 [摘要] ( 217 ) RICH HTML PDF (4879 KB)  ( 238 )
9 基于CiteSpace的内表面缺陷检测研究进展与趋势
盛 强1，2，郑建明1*，刘江山2，史卫朝1，李海涛2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0009-07
为分析内表面缺陷检测的发展历程、趋势和研究动态，通过对WoS和CNKI数据库中该领域相关文献的检索，共搜集相关文献英文4 708篇，中文818篇，利用可视化分析软件CiteSpace对文献数据开展共现分析、聚类分析等知识图谱研究，分析内表面缺陷检测领域在国家、机构及研究人员层面的分布现状及合作情况，梳理研究热点和前沿趋势。研究发现内表面缺陷检测研究具有明显的多学科交叉属性，主要涉及分析化学、材料科学、光谱学、仪器仪表、机械工程和计算机等学科。近几年WoS数据库相关主题收录文献年增长率超过10%，CNKI年增长率超过20%，中美两国为本领域研究最为活跃的国家，两国发文量约占总发文量的40%，中国学者在无损检测、图像处理等领域的研究明显落后于国外学者，但在机器视觉和深度学习领域实现赶超。按照研究路线可将相关研究分为基于声光电热磁的检测和基于视觉成像的检测两类，其中前者包括采用不同技术手段获取光谱、超声和电磁图像并借助图像处理技术实现缺陷检测，而后者主要基于视觉图像进行缺陷识别和分类，目前已成为该领域主要的研究热点。内表面缺陷检测发展历程分为缺陷识别、缺陷分类、缺陷分析三个阶段，2000年以前主要借助声光电热磁信号或图像实现缺陷的识别和判定，2000年以来，支持向量机技术大幅提高了缺陷分类的效率和准确度，近十年来随着对缺陷分析及测量需求的不断出现，基于机器视觉的缺陷定位与测量逐渐成为发展趋势，缺陷检测对象也逐渐向深孔和小尺寸孔内表面发展。
2023 Vol. 43 (01): 9-15 [摘要] ( 187 ) RICH HTML PDF (2471 KB)  ( 336 )
16 中红外及近红外光谱在小杂粮品质检测中的应用进展
冯海智1，李 龙1*，王 冬2，张 凯1，冯 淼1，宋海江1，李 荣1，韩 平2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0016-09
中红外光谱以及近红外光谱在现代分析化学中有重要的地位，是人类认识物质结构、功能、成分以及含量的重要途径。小杂粮泛指生育期短、种植面积少、种植地区和种植方法特殊，有特种用途的多种粮豆，其特点是小、少、特、杂。小杂粮营养丰富，既是传统口粮，又是保健食品资源。随着人民生活水平的提高和膳食结构的改善，小杂粮作为药食同源的新型食品资源，在现代绿色保健食品中占有重要地位。对小杂粮进行品质检测可为小杂粮生物活性物质研究、品质分级、小杂粮育种、产地溯源与真伪鉴别等方面提供可靠的数据支撑。按照麦类小杂粮及豆类小杂粮分类，对国内近30年来小杂粮品质检测有关文献加以综述。研究表明，麦类小杂粮品质检测文献更多，约占文献数量的2/3左右，且以近红外光谱技术应用居多；豆类小杂粮品质检测文献相对较少，约占文献数量的1/3左右，且以中红外光谱技术应用居多。中红外光谱、近红外光谱在小杂粮品质检测分析方面有诸多重要应用。其中，中红外光谱更多应用于小杂粮中活性物质以及小杂粮加工过程的表征，而近红外光谱则更多应用于小杂粮中粗蛋白、粗脂肪、水分等主要品质指标的定量分析检测，可为小杂粮品质监测、科学育种提供高效的数据来源。近年来，随着化学计量学的发展和计算机技术的进步，近红外光谱不再局限于小杂粮品质指标定量分析，而且还被应用于小杂粮产地溯源等领域，亦取得了良好的效果。最后对中红外光谱、近红外光谱在小杂粮品质无损分析检测方面做出了展望。
2023 Vol. 43 (01): 16-24 [摘要] ( 219 ) RICH HTML PDF (877 KB)  ( 527 )
25 激光诱导击穿光谱和人工神经网络的青白色软玉产地溯源
鲍珮瑾1，陈全莉1，3*，赵安迪1，任跃男2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0025-06
建立基于激光诱导击穿光谱仪技术获取的半定量青白色软玉的微量元素含量的人工神经网络模型，以促进人工神经网络技术在宝石产地溯源方面的应用。以我国新疆、广西、江苏、青海，以及韩国和俄罗斯六个产地的青白色软玉为样品，利用激光诱导击穿光谱仪在颜色均匀干净的部分获取元素含量数据。使用数据筛选原则对数据进行了筛选和Al的归一化处理之后，以因子分析和线性回归分析讨论了数据间的共线性，在数据间不存在明显多重共线性的情况下建立了三层人工神经网络的判别模型。结果表明，所选取的每个变量的VIF值小于5，数据间不存在明显的多重共线性，因子分析的KMO值小于0.6，表明变量间无明显关系。同时利用软玉t-SNE图对数据进行降维和可视化处理，t-SNE图显示大部分数据点都重叠在一起，表明对此数据进行简单聚类和相关分析是无法区分产地的，因此选择人工神经网络的方法对六个产地的数据进行产地判别分析。经人工神经网络模型迭代判别之后，模型对我国新疆、广西、江苏、青海，以及韩国和俄罗斯六个产地的青白色软玉判别的精度达到0.933，其中韩国软玉的数据判别结果精度最高，达到0.995，误差为0.028，青海软玉的数据判别结果最低为0.803，误差为0.090。综上所述，激光诱导击穿光谱结合人工神经网络的方法在宝石产地溯源方面的应用是具有很大潜力的。
2023 Vol. 43 (01): 25-30 [摘要] ( 133 ) RICH HTML PDF (2879 KB)  ( 266 )
31 基于密度的凹版专色梯尺光谱预测模型的研究
海敬溥1，2，郭凌华1，2*，戚瑜颖1，2，刘国栋1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0031-06
基于密度与光谱反射率的关系建立了一种凹版专色梯尺的光谱反射率预测模型。该方法首先依据密度的定义建立实地光谱反射率与其密度的关系，并基于实地光谱反射率建立阶调光谱反射率的计算方法；然后根据密度的叠加原理，假设阶调密度与实地密度比例关系成立建立阶调密度、实地密度和承印物密度的关系；最后结合计算阶调光谱反射率的方法建立凹版专色梯尺光谱反射率预测模型；调配30种专色油墨通过凹印实打样，对预测模型通过决定系数R2和色差进行验证。实验结果表明，不同专色在同一网点面积率下实际阶调密度与实际实地密度的比例系数相同，两者的决定系数R2均大于0.98。在此关系基础上所建立的预测模型在不同网点面积率下都具有较高的决定系数，其均方根误差都小于0.01，最大色差为2.667 NBS。最后另外调配10种专色油墨在相同工艺条件下实打样样张，利用实际阶调密度与实际实地密度的比例系数，通过色差公式进而验证该模型预测专色油墨梯尺光谱反射率的精度。色差结果表明，82.12%的色差小于2.5 NBS，大部分色差在0.5～2 NBS之间，占据了总频率的58.32%，平均色差为1.58 NBS，达到了企业精细复制颜色的要求。验证了该模型对于预测凹印专色梯尺光谱反射率具有较高精度，可为数码打样代替凹印上机打样提供科学方法。
2023 Vol. 43 (01): 31-36 [摘要] ( 128 ) RICH HTML PDF (2543 KB)  ( 83 )
37 马铃薯近红外光谱无损检测影响因素研究
韩岷杰，王相友，许英超*，崔英俊，吕丹阳
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0037-06
为提高马铃薯近红外光谱快速无损检测的准确性和稳定性，对比了光纤光源、卤素灯杯光源和环形光源三种光源条件下的光谱，结果显示环形光源的光谱噪声最小，辐照强度与均匀度最好。该工作对光源功率、光源距马铃薯表面距离以及光纤距马铃薯表面检测点距离进行研究，通过三因素三水平响应面试验，评价不同因素水平条件下对马铃薯可溶性固形物含量的光谱模型预测效果，得到最优参数组合为光源功率238.33 W，光纤探头距样品表面距离8.17 mm，光源距样品表面距离370 mm，并建立可溶性固形物定量预测模型。在最优参数条件下，预测偏最小二乘回归模型（PLSR）的相关系数优化到0.867，均方根误差0.149°Brix。为进一步消除设备及环境噪声，通过不同预处理算法降低噪声的干扰，结果显示标准变量排序法去噪效果最好，PLSR预测相关系数可达0.914，预测均方根误差降低到0.132°Brix，既能有效去噪又有较好的预测效果。试验结果表明，响应面试验优化检测环境和条件能有效提高马铃薯品质检测的预测精度，为近红外光谱马铃薯无损检测环境搭建和设备选型提供技术参考。
2023 Vol. 43 (01): 37-42 [摘要] ( 167 ) RICH HTML PDF (3197 KB)  ( 279 )
43 长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究
李振钢1，2，司赶上1，2，宁志强1，2，刘家祥1，方勇华1，2*，程 真1，2，斯贝贝1，2，杨长平1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0043-07
二氧化碳（CO2）是植物光合作用的原材料，也是一种温室气体，其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下，研制高灵敏度的CO2检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO2含量的变化，设计了一种长光程共振式CO2气体光声传感器，并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器（DFB）作为激发光源，激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔，在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹，降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管，当其工作在一阶纵向共振模态时，光声信号被放大，在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号，通过饱和加湿样品的方式来加快CO2气体的弛豫速率，加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO2样品标定光声检测装置，结果表明，光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上，通过对标准气体的检测实验，验证了装置的准确性与稳定性。利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度，当平均时间为865 s时，检测灵敏度为0.35×10-6。与传统T型光声池相比，光程增加了约20倍，光声信号提升了约6倍。使用装置对室外环境中的CO2进行了共10 h的检测，得到室外CO2的平均浓度约为381×10-6。综上所述，由于长光程、声共振以及加湿样品的有机结合，有效地增大了CO2的光声信号，为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。
2023 Vol. 43 (01): 43-49 [摘要] ( 136 ) RICH HTML PDF (4441 KB)  ( 218 )
50 基于SiPLS-SPA波长优选的血红蛋白定量分析研究
高西娅1，2，3，张朱珊莹1，2，3*，卢翠翠1，2，3，蒙泳吉1，2，3，曹汇敏1，2，3，郑冬云1，2，3，张 莉1，2，3，谢勤岚1，2，3
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0050-07
血红蛋白是人体的一项重要生理指标，浓度异常会导致人体产生各种疾病。红外光谱技术具有简单、无损、快速等优点，非常适合用于生理参数的定量分析。由于光谱背景复杂、有效信息弱，如何提取有效特征变量，构建精准定量模型是个难题。针对此问题，以血液样本和血红蛋白仿体溶液样本光谱数据为研究对象，采用SPXY法、K_S法、duplex法、等间隔划分法四种数据集划分方法划分数据并通过建模对比，优选出最佳数据集划分方法为SPXY法。遍历了SavitzkyGolay一阶求导滤波（S_G1）+小波变换、小波变换+S_G1、标准正态变量变换（SNV）+S_G1三种预处理方法，优选出SNV+S_G1预处理方法。结合串联思想，提出组合区间偏最小二乘法(SiPLS)与连续投影算法（SPA）串联的特征波长优选方法，构建SiPLS-SPA-PLS预测模型，用两组数据对模型进行验证，依据评价指标判断模型的优劣，并与全谱PLS，SPA-PLS和SiPLS三种定量模型相比较。实验结果表明：（1）使用SiPLS-SPA-PLS模型进行定量分析，血液样本的Rc，Rp，RMSEC和RMSEP值分别为0.993 6，0.990 6，0.199 2和0.184 6，仿体溶液样本的Rc，Rp，RMSEC和RMSEP值分别为0.998 9，0.998 5，1.848 9和2.007 4。相比全谱PLS，SPA-PLS，SiPLS三种定量模型，Rc和Rp值最大，RMSEC和RMSEP值最小，该模型最优，可以更精准地实现血红蛋白的定量分析。（2）SiPLS-SPA-PLS定量模型能更加准确地筛选最优波段，两种样本筛选出来的有效波段分别为血液（1 144~1 264，1 606~1 798 nm）、仿体溶液（1 018~1 390，1 600~1 700 nm），剔除掉仪器的影响因素，大致相同，此方法可以精准优选出特征波长。（3）该模型可以提取有效变量，去除无用噪声影响，血液样本从全谱的700个光谱变量中优选出28个，仿体溶液样本从全谱的1201个光谱变量优选出41个，提高检测速度和预测效率。该方法为血红蛋白快速精准检测提供了一种思路。
2023 Vol. 43 (01): 50-56 [摘要] ( 167 ) RICH HTML PDF (2883 KB)  ( 343 )
57 铀元素的激光诱导击穿光谱测量分析
张志威1，2，邱 荣1，2*，姚胤旭1，2，万 情3，潘高威1，史晋芳1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0057-05
为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用，提高检测灵敏度和准确性，采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术，分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。首先，对激光脉冲能量、电压和采集延时等参数进行优化，提高铀元素特征谱线的强度和信噪比；然后在优化实验参数条件下，对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发；选取UII 367.01 nm、UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线，通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系，建立定标曲线。双脉冲激光激发条件为：激光脉冲1作为预脉冲，主要参数为1 064 nm，90 mJ，9.2 ns，激光脉冲2作为再加热脉冲，主要参数为355 nm，50 mJ，8 ns，两个脉冲的时间间隔800 ns，光谱采集相对第二个脉冲延时1 μs，得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg-1，拟合优度值R2分别为0.958和0.999。在光电双脉冲激发条件下，激光脉冲作为预脉冲，主要参数为355 nm，50 mJ，8 ns，高压电脉冲作为再加热脉冲，主要参数为3 900 V、方波、脉宽50 μs，两个脉冲的时间间隔1 μs，得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测限分别为108和64 mg·kg-1，拟合优度值R2分别为0.991和0.997。研究结果表明：在相同激发条件下，铀元素的特征谱线存在明显的基体效应，在二氧化硅样品中具有更高的光谱强度、更低的检测限和更高的拟合优度值；相比于激光双脉冲，光电双脉冲能显著增强铀元素特征谱线的强度、稳定性和提高信噪比，且光电双脉冲系统的光路更简单，这对于LIBS技术的发展以及应用具有重要参考意义。该研究方法和研究结果可为土壤重金属污染检测、核泄漏时土壤和气溶胶的应急监测提供技术支持。
2023 Vol. 43 (01): 57-61 [摘要] ( 229 ) RICH HTML PDF (2037 KB)  ( 315 )
62 基于TSFS结合高阶张量特征提取方法的海水半潜油种类鉴别研究
孔德明1，崔耀耀2，3，仲美玉2，马勤勇2，孔令富2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0062-08
半潜油是一种隐藏于海面之下并呈现悬浮状态的溢油，其长期毒害并侵蚀着海洋生态环境。然而，针对半潜油污染到目前还未形成有效地监测手段和处理方式，致使其污染的突发性和危害性更甚于海面溢油。因此，研究有效地半潜油鉴别方法对保护海洋生态环境具有重要意义。三维荧光光谱技术中的总同步荧光光谱(TSFS)在油类污染物检测与鉴别中具有不存在瑞利散射干扰以及冗余数据少的优势，但由于TSFS数据本身不具备三线性结构，使得多维校正分析方法在其应用上受到了一定的限制。基于此，开展基于TSFS结合高阶张量特征提取方法的海水半潜油种类鉴别研究。首先，利用有机分散剂和六种不同种类的油品配制了90个半潜油实验样本；然后，利用FS920荧光光谱仪采集实验样本的TSFS数据，并对该数据进行标准化预处理；最后，通过高阶张量特征提取方法二维线性判别分析(2D-LDA)以及二维主成分分析(2D-PCA)分别建立了半潜油样本的鉴别模型；并将所建模型与常规方法多元曲线分辨率交替最小二乘法(MCR-ALS)结合线性判别分析(LDA)以及多维偏最小二乘判别分析(NPLS-DA)进行了对比。分析结果表明，2D-LDA和2D-PCA所建立的半潜油样本鉴别模型具有可靠的性能，鉴别模型的精确率、灵敏度及特异性分别为100%，100%和100%。并且，2D-LDA和2D-PCA能够直接提取TSFS光谱图像矩阵在空间、统计学以及图形学上的精细光谱特征，为区分半潜油样本带来更为精准的鉴别依据。因此，相较于常规的基于展开或分解数据的方法，高阶张量特征提取方法所建立鉴别模型所得到的预测结果更加精确。该研究为半潜油种类鉴别提供了一种参考。
2023 Vol. 43 (01): 62-69 [摘要] ( 119 ) RICH HTML PDF (5079 KB)  ( 141 )
70 江西朱溪钨矿床矽卡岩矿物热红外光谱学特征研究
傅明海1，2，代晶晶1*，王先广3，胡正华4，彭 勃1，万 新3，张忠雪2，赵龙贤1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0070-08
朱溪钨矿床白钨矿化与矽卡岩化密切相关，白钨矿多与石榴子石、透辉石等矽卡岩矿物一起产出。该研究对朱溪典型矽卡岩矿物如石榴子石、透辉石、符山石、硅灰石、阳起石等进行显微红外光谱测量和电子探针分析，探究朱溪矽卡岩矿物的热红外光谱特征及其对成矿的指示意义，并建立朱溪地区的矽卡岩矿物热红外光谱库。结果表明，朱溪钨矿床石榴子石主要为钙铝—钙铁榴石系列，在800和920 cm-1附近存在一大一小两个吸收峰，在880 cm-1附近存在特征吸收谷；当石榴子石成分中钙铝榴石含量大于50%时，石榴子石特征吸收谷位于880~900 cm-1，当钙铝榴石含量小于50%时，石榴子石吸收谷位于865~875 cm-1。随着Al2O3含量增加，其特征吸收谷向高波数方向移动，钙铝榴石偏向高波数，钙铁榴石偏向低波数；辉石主要为透辉石—钙铁辉石系列，在850~950 cm-1波数范围内存在诊断式、呈阶梯状降低的吸收峰，且在1 050 cm-1处存在吸收峰，在1 000 cm-1存在微弱的双谷式吸收特征；随着透辉石含量的减少，MgO含量减少，透辉石吸收峰向低波数方向移动，钙铁辉石的吸收峰相对于透辉石集中在低波数范围内，与石榴子石的变化规律一致，推测与Al、Mg化学性质比Fe活泼有关。符山石拥有850~950 cm-1范围内与透辉石类似形态的吸收峰，区别在于符山石在800 cm-1左右还存在一吸收峰。硅灰石在875，1 000和1 060 cm-1附近存在一大两小三个吸收峰，在980和1 040 cm-1附近存在两个特征吸收谷。阳起石在750和900 cm-1附近存在一小一大两个吸收峰，在770，930和1 020 cm-1附近存在三个特征吸收谷。朱溪矿床白钨矿与石榴子石、透辉石关系最为密切，主要沿石榴子石和透辉石边界呈脉状生长，其热红外光谱可以作为寻找白钨矿的指示标志。上述研究成果，对深入分析和研究江西朱溪钨矿床的矿物学特征及成因环境，以及探索利用热红外技术指导矽卡岩矿物分带与找矿勘查的可能性等具有理论和实际意义。
2023 Vol. 43 (01): 70-77 [摘要] ( 142 ) RICH HTML PDF (3595 KB)  ( 101 )
78 近红外光谱结合化学计量学对五元调和油中单组分油的定量分析
胡晓云1，卞希慧1，2，3*，项 洋2，张 环1，魏俊富1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0078-07
有关调和油快速准确定量检测的研究对于调和油质量控制具有重要意义。以往对调和油定量分析的研究大多集中于二元、三元和四元调和油，对更高元数调和油的研究很少，难以满足调和油检测需求。该研究的目的是探讨近红外光谱结合化学计量学对五元调和油中各单组分油进行定量分析的可行性。由玉米油、大豆油、稻米油、葵花油和芝麻油配制成51个五元调和油样品，并采集各样品12 000～4 000 cm-1范围内的近红外透射光谱。首先，采用光谱-理化值共生距离（SPXY）算法将调和油样品划分为38个校正集和13个预测集样品。其次，考察了主成分回归（PCR）、偏最小二乘（PLS）、支持向量回归（SVR）、人工神经网络（ANN）、极限学习机（ELM）等五种多元校正方法对五元调和油各组分定量分析的建模效果。然后，在最佳建模方法的基础上比较了SG平滑、标准正态变量（SNV）、多元散射校正（MSC）、一阶导数（1st Der）、二阶导数（2nd Der）和连续小波变换（CWT）六种光谱预处理方法，并讨论了预处理方法有效地原因。最后，在最佳预处理方法的基础上进一步利用竞争自适应重加权采样（CARS）和蒙特卡罗无信息变量消除法（MCUVE）筛选与预测组分相关的变量。结果显示，在五种建模方法中，PLS是最佳的建模方法，对玉米油、大豆油、稻米油、葵花油和芝麻油五种组分的预测均方根误差（RMSEP）分别为5.564 4，5.559 2，3.592 6，7.421 8和4.193 0。经过光谱预处理-变量选择，再建立PLS模型，对五种组分的RMSEP分别降低至1.955 3，0.562 4，1.145 0，1.619 0和1.067 1，预测相关系数（Rp）均高于0.98，表明采用合适的光谱预处理和变量选择方法，可以明显提高五元调和油中各单组分油定量分析的预测准确度。该研究为多组分调和油的快速无损定量检测提供了一种参考。
2023 Vol. 43 (01): 78-84 [摘要] ( 220 ) RICH HTML PDF (3171 KB)  ( 183 )
85 基于Voigt线型的尿液中芬太尼类表面增强拉曼光谱解析
何 遥1，2，李 伟1，2，董荣录2，祁秋景3，李 萍5，林东岳2*，孟凡利4，杨良保2*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0085-08
在全球范围内频繁发生芬太尼类物质滥用与致死案件，人体中芬太尼类物质的检测与识别愈发重要。芬太尼类物质在经过人体一段时间后，仍有一部分原体随着尿液排出，因此可通过检测尿液中芬太尼类物质反映其毒品滥用史。表面增强拉曼光谱（SERS）具有快速、高灵敏、易操作等特点，适合尿液中芬太尼类物质的现场检测与分析。但尿液中尿素等物质的背景峰与芬太尼类物质SERS特征峰高度重合，芬太尼类物质特征峰被尿液背景峰所掩盖，这对尿液中芬太尼类的光谱识别造成了很大的干扰。结合Voigt线型建立谱峰解析模型，对尿液与芬太尼类物质重叠部分进行谱峰分析。针对SERS光谱噪声与荧光等因素对谱峰解析模型的干扰，采用无约束Nelder-Mead算法对模型进行优化与计算，利用该算法对迭代参数初始值不敏感的特点，提高谱峰解析模型的准确度。根据SERS光谱半峰宽的特征对解析峰集合进行筛选，对SERS光谱的尿液背景峰进行扣除，以还原芬太尼类SERS光谱1 000与1 030 cm-1处谱峰特征。实验结果与现象表明，利用Voigt线型建立的谱峰解析模型对尿液中芬太尼类SERS光谱拟合度均达到99%以上，能够通过解峰集合的筛选还原尿液中芬太尼类SERS光谱特征，还原光谱与芬太尼类特征峰的半峰宽与峰比例等特点均高度一致。在空白尿液SERS光谱进行解析时，其解析峰集合中不含有芬太尼类物质的特征谱峰，可以有效区分空白尿液与含芬太尼类物质尿液。利用相似系数（HQI）对还原光谱片段（935~1 100 cm-1）进行识别，能有效区分尿液中奥芬太尼、呋喃芬太尼、乙酰芬太尼三种芬太尼，并提升光谱之间的区分度。该解析模型有望为尿液中芬太尼类的识别与判断提供解决实际问题的途径。
2023 Vol. 43 (01): 85-92 [摘要] ( 150 ) RICH HTML PDF (5131 KB)  ( 122 )
93 基于仿生优化算法的水稻叶绿素含量反演模型
李晓凯，于海业，于 跃，王洪健，张 蕾，张 昕，隋媛媛*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0093-07
用光谱信息精准、高效地检测水稻叶片叶绿素含量，对诊断和优化水稻叶片氮素营养、开发和优化稻田氮素追肥系统、监测和评价水稻病虫害具有重要的实际意义。针对单纯采用机器学习模型反演水稻叶片叶绿素含量模型精确性和稳定性差的问题，以粳稻吉粳88为研究对象，通过网格试验获得分蘖期等关键生育期的叶片表型高光谱数据和相对叶绿素含量。选取核极限学习机（KELM）为基础建模模型，提出了一种先依据基础KELM建模效果选择预处理方法后，再利用仿生优化算法对所选预处理组合所对应的KELM模型的训练过程进行优化的新思路，以提高模型预测精度。首先，对光谱数据的各类预处理方法展开研究，通过对4类预处理方法进行全排列组合共得到72种预处理组合。利用连续投影算法（SPA）选择特征波段输入KELM模型以筛选较优预处理组合。依据建模效果，预处理组合CWT+MMS，CWT+MSC+SG+SS和CWT+SS所对应KELM的测试集决定系数（R2p）较高，分别为0.850，0.835和0.828。其次，为使KELM模型在保证稳定性和泛化性的前提下性能达到最优，引入哈里斯鹰优化算法（HHO），通过模拟鹰群在捕食时的合作行为和追逐策略，自动最优调节上述三种KELM模型参数，使得HHO-KELM模型R2p分别为0.957，0.867和0.858，模型精度得到有效提升，最高提升10.7%。通过研究，证明了HHO算法优化机器学习模型反演水稻叶片叶绿素含量的可行性，为东北粳稻叶绿素含量的测定和评估提供了有力的参考和借鉴。
2023 Vol. 43 (01): 93-99 [摘要] ( 162 ) RICH HTML PDF (2681 KB)  ( 247 )
100 基于电磁振动上料的茶梗和昆虫异物近红外光谱和荧光图像在线检测研究
孙旭东1，2，廖琪城1，韩 熹3，Hasan Aydin4，谢冬福1，龚志远1，付 伟1，王欣鹏1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0100-07
茶叶是大众青睐的健康饮品之一，但茶叶在机器采收和加工过程中，容易混入茶梗和昆虫异物，污染茶叶、影响其质量安全，是未来应防范和检测的重点。X射线成像技术，根据食品基质和异物的密度差实施检测，广泛适用于金属异物并延伸至高密度塑料，但对于茶梗、昆虫这类低密度有机异物尚不适用，所以迫切需要研发新型无损检测技术和方法。针对片状茶叶重叠、遮掩异物的问题，提出了电磁振动上料辅助近红外光谱和荧光图像的检测方案，进行绿茶中的内源性异物茶梗和外源性异物昆虫的在线检测研究。通过电磁振动上料辅助近红外光谱和荧光成像系统，采集了600～1 050 nm范围的近红外光谱600条和RGB-N四通道图像各65幅。采用451条光谱进行建模，其余149条光谱作为预测集，评估模型的性能，比较了去趋势（Detrending）、多元散射校正（MSC）、标准正态变换（SNV）、变权重正态变换（VSN）、迭代自适应加权惩罚最小二乘法（airPLS）、不对称最小二乘法（ALS）、光程估计与校正（OPLEC）等不同光谱预处理方法的处理效果，其中OPLEC能较好地消除散射效应，偏最小二乘判别分析（PLS-DA）模型的正确识别率由78%提高到85%。结果表明，近红外光谱结合OPLEC能够更加准确地检出茶叶中的茶梗和昆虫异物。与近红外光谱的精确点测量相比，图像提供了较大范围的检测手段。对65幅蓝色（B通道）图像进行分析，采用最大类间方差法进行阈值分割后，对图像进行取反运算、中值滤波、连通区域标记和特征提取，提取出长轴长、短轴长、长短轴比、离心率四个特征变量，采用267个感兴趣目标，建立了线性判别分析（LDA）模型，用未参与建模的88个感兴趣目标来评价模型的预测能力，正确识别率达到了64%。实验结果表明，电磁振动上料辅助近红外光谱和荧光图像在线检测茶梗和昆虫异物具备可行性，为食品中有机异物在线检测提供了低成本的解决方案。
2023 Vol. 43 (01): 100-106 [摘要] ( 139 ) RICH HTML PDF (3632 KB)  ( 42 )
107 凡纳滨对虾新鲜度的高光谱检测方法
朱晨光1，刘亚军2，李鑫星1，3，宫薇薇4*，郭 渭1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0107-04
以凡纳滨对虾为研究对象，探索一种高效快速无损的新鲜度检测方法。挥发性盐基氮（TVB-N）是判断虾新鲜度的重要化学指标，然而传统方法耗时耗力，限制了大批量的实时检测。高光谱技术是一种集成图像和光谱信息的分析技术，高光谱图像上的每个像素包含整个波段的光谱信息，近年来，该技术已经被应用于肉类新鲜度检测。连续8 d采集了样品的860~1 700 nm高光谱数据，在去除异常样本后确定150组试验样本，每组采集254维光谱数据，对原始的高光谱图像进行黑白校正，并从高光谱图像中提取光谱数据。为确保所提取的光谱数据和TVB-N指数之间有对应关系，所选择的感兴趣区域的位置保持固定在虾样本的第二和第四肢。计算了感兴趣区域的平均光谱以获得光谱数据矩阵，该矩阵被转换成ASCII码并保存。同时，通过凯氏定氮法获得TVB-N真实值含量。为减少环境和虾表面的高含水量的干扰，有效地消除不相关的信息和噪声，预处理方法是多元散射校正（MSC）算法，并选择出7个敏感波段，分别为875，894，919，953，983，1 024和1 094 nm。最后，以120组训练集样本，建立了凡纳滨对虾TVB-N总量的定量预测模型，以30组验证集样本，对比BP神经网络、径向基神经网络、主成分分析三种预测模型算法。BPNN算法预测模型的相关系数（r）和归一化均方根误差（NRMSE）分别为0.902 1和0.214 0，RBFNN算法的预测模型为0.868 3和0.223 0，PCR算法预测模型为0.757 6和0.390 0。结果表明，MSC-BPNN模型的预测效果最佳，凡纳滨对虾的高光谱反射率与新鲜度间存在较密切的相关性，为基于光谱的虾类新鲜度检测提供了支持。
2023 Vol. 43 (01): 107-110 [摘要] ( 154 ) RICH HTML PDF (1809 KB)  ( 182 )
111 基于光弹调制的运动斯塔克效应诊断
李义超1，2，符 佳1*，吕 波1*，黄 耀1，钱金平1，罗正平1，傅盛宇1，李建康1，魏永清3，刘冬梅4，肖炳甲1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0111-05
电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数，在托卡马克先进运行模式发展，电流驱动，约束与输运等方面发挥着重要的作用。中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱，包括σ分量与π分量，水平观测时，σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向，π分量的偏振方向平行于等效电场的方向，通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、时间响应迅速的独特优点，非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变，其折射率会产生周期性的变化，当偏振光通过时，出射光的偏振特性将相应产生周期性变化，再经过偏振片，形成调制的光强变化。运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器（PEM）和一个偏振片组成，通过检测不同调制频率的调制强度的比值，从而快速、精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化，进而得到等离子体电流密度分布。详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断，初步完成了离线测试与标定，参与中性束电流本文驱动物理实验，初步获得了等离子体电流密度分布的信息。
2023 Vol. 43 (01): 111-115 [摘要] ( 141 ) RICH HTML PDF (2260 KB)  ( 33 )
116 基于近红外在线装置苹果糖度模型参数优化研究
姜小刚1，朱明旺1，姚金良1，李 斌1，廖 军1，刘燕德1*，张剑一2，景寒松2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0116-06
糖度(SSC)是苹果内部品质主要评价指标之一，近红外光谱技术是预测苹果SSC的首选技术，优化近红外光谱采集装置的参数，可以提升模型的性能。采用本课题组自主研发的动态在线设备采集苹果的近红外光谱(350~1 150 nm)，研究不同参数条件下(运动速度、积分时间和光照强度)对近红外光谱预测苹果糖度模型的影响，优化动态在线装置的参数。210个红富士苹果被分为两批，第一批90个苹果样品，经过Kennard-Stone算法(K-S)算法分为建模集和预测集，用于研究不同运动速度、不同积分时间对苹果SSC含量在线预测模型的影响。在0.3和0.5 m·s-1两种运动速度下，使用多元散射校正(MSC)、小波变换(WT)、标准正态变量变换(SNV)对采集到的光谱进行预处理，对不同移动速度的光谱构建糖度的偏最小二乘回归模型（PLS），结果表明：装置的运动速度为0.5 m·s-1所建立的预测模型性能较优，在四种不同积分时间中，积分时间为120 ms时，经SNV预处理所建立的模型性能最优，其预测集的相关系数和均方根误差分别为0.968和0.331。第二批苹果120个，经K-S分为建模集和预测集，选择运动速度为0.5 m·s-1，积分时间为120 ms的装置参数进行不同光照强度对苹果SSC预测模型影响的研究，结果发现：在光照强度为4.5 A时，采集到的光谱相对其他光照强度组有较大的变化，光谱在640和800 nm处的波峰基本消失。在光照强度为6.5 A时，经SNV预处理后建立的模型性能最优。再使用竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法(SPA)对采集的光谱数据进行波长筛选后，建立苹果SSC模型，结果表明：CARS-PLS所建立的模型性能较好，其预测集的相关系数和均方根误差分别为0.991和0.149，同时简化了模型，提高了模型的稳定性。研究表明：对动态在线设备进行参数优化，有助于提高苹果模型的预测精度，该研究有助于对苹果品质在线分选提供技术支持。
2023 Vol. 43 (01): 116-121 [摘要] ( 170 ) RICH HTML PDF (2457 KB)  ( 187 )
122 DSAZn与槲皮素的配位结合及对槲皮素的高灵敏度检测
翟艳珂1，潘宜杏1，向 浩1，徐 黎1*，朱泽策2，雷 咪1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0122-07
槲皮素为天然黄酮类化合物，可用于高血压、高血脂、心血管疾病、癌症等的预防和治疗；槲皮素的定量检测在生物化学、临床医学等领域尤为重要。利用分子荧光物质(DSAZn)的聚集诱导发光现象(AIE)，通过配位作用识别靶标分子槲皮素，结合激发态电子转移原理，提出了一种AIE型荧光分子对槲皮素的高灵敏度、高选择性检测方法。实验研究了pH 7.0的PBS缓冲液中DSAZn的荧光随着五种药物分子（槲皮素、淫羊藿素、异鼠李素、芦丁、多巴胺）加入后的变化情况。采用荧光分光光度计，以415 nm为激发波长，扫描435~680 nm的荧光发射光谱。采用紫外分光光度计，扫描DSAZn 250~750 nm的紫外吸收光谱。紫外检测表明中药分子槲皮素可以与AIE荧光探针形成复合物，因此加入槲皮素后AIE探针的荧光被静态猝灭。荧光检测表明五种药物分子对荧光探针的猝灭强弱有明显差异，槲皮素与DSAZn结合常数为1.34×107 L·mol-1，比其他四种药物分子和DSAZn的结合常数高出一个数量级，显示出DSAZn对槲皮素具有较好的选择性。槲皮素的检测限为3.07 nmol·L-1，低于诸多文献已报道的参考值，表明DSAZn对槲皮素的识别具有较高的灵敏度。由荧光滴定光谱和荧光滴定曲线得到槲皮素对DSAZn的滴定方程为：y=0.013 4x-0.294 82，槲皮素浓度在0~5 μmol·L-1范围内线性关系良好，线性相关系数r=0.994 3。由此构建出一种AIE型荧光分子对槲皮素的高选择性、高灵敏度检测方法，该方法操作简便、重复性好，为具有相似结构药物的检测提供了新的研究思路。
2023 Vol. 43 (01): 122-128 [摘要] ( 149 ) RICH HTML PDF (5630 KB)  ( 66 )
129 利用拉曼光谱技术研究低剂量X射线辐射对人神经母细胞瘤细胞的影响
陈 珊1，林 兰2，陈 钧3，刘 樱1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0129-04
低剂量电离辐射引发的生物效应复杂而多样，其研究往往又受到辐射标志物和检测技术手段的限制。将拉曼光谱技术应用于低剂量辐射生物效应研究，利用10 mW，532 nm共聚焦拉曼光谱对经过100，200和500 mGy三种辐射剂量的X射线辐照之后的人神经母细胞瘤细胞进行检测，发现细胞嘌呤核苷酸（722～728和1 572～1 581 cm-1等等）、嘧啶核苷酸（770～785 cm-1等等）等DNA相关的拉曼特征峰受到电离辐射影响而发生变化，说明低剂量X射线辐照造成细胞DNA水平改变。采用流式细胞术对同样条件辐照后培养6 h的人神经母细胞瘤细胞进行细胞周期分析发现，三种剂量的X射线电离辐射均造成细胞在G2期阻滞，同样提示电离辐射引起DNA水平升高。通过划痕实验分析辐照后20 h的细胞迁移能力，结果显示，相较于未接受X射线照射的对照细胞，受到三种剂量电离辐射的人神经母细胞瘤细胞均出现迁移水平下降。研究结果表明，通过拉曼光谱分析发现低剂量X射线电离辐射引起人神经母细胞瘤细胞DNA水平变化，其结果与细胞周期分析和迁移分析的结果相一致，但检测时间大大提前，利用拉曼光谱技术可以实现低剂量辐射损伤等细胞生物学效应的早期发现与监测。
2023 Vol. 43 (01): 129-132 [摘要] ( 138 ) RICH HTML PDF (2333 KB)  ( 47 )
133 近红外和电子鼻数据融合识别不同香型风格
王文俊1，沙云菲1，汪阳忠1，于 洁1，刘太昂2，张旭峰3，孟祥周3，葛 炯1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0133-05
分别基于近红外和电子鼻融合数据、近红外数据以及电子鼻数据建立判别烟叶清香型、中间香型和浓香型三种香型风格的定性判别模型，结果表明虽然三种模型的建模准确率差异不大，都超过了89.00%，但基于融合数据建立的模型对中间香型和浓香型的预报准确率分别为82.67%和80.00%，比仅仅利用近红外数据建立模型的72.41%和73.33，也比仅仅基于电子鼻数据建立模型的68.97%和53.33%都有明显的提高。融合后预报准确率提高的可能原因是：电子鼻风味分析仪对于影响中间香型和浓香型的烟叶致香成分感应更加灵敏，捕获的信息也更多，这些新的信息可以作为NIR数据信息的有利补充，可用于建立烟叶香型分类判别准确率更高的模型。同时本研究还基于相同的融合数据，对比不同数据挖掘算法建模和预报结果差异性。实验结果表明：人工神经网络的建模结果高于支持向量机建模，人工神经网络模型的预报结果准确率只有65.00%，远低于支持向量机模型的预报结果的83.75%。这也验证了支持向量机算法可以在建模过程中减少过拟合。该研究可以为快速鉴别烟叶香型风格提供支撑，而且随着研究的深入可以争取为烟草系统的专业评吸人员提供辅助的鉴别方法。
2023 Vol. 43 (01): 133-137 [摘要] ( 214 ) RICH HTML PDF (1600 KB)  ( 116 )
138 基于LIBS的山药饮片产地溯源研究
蔡 羽1，2，赵志方3，郭连波4，陈运中1，2*，姜 琼4，刘思敏1，2，张聪子4，寇卫萍5，胡秀娟5，邓 凡6，黄伟华7
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0138-07
山药为薯蓣科植物薯蓣的根茎，其中的多糖、多酚、皂苷、黏蛋白和维生素C等成分使山药具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎症、降血糖和降血脂等作用。不同产地的山药由于生长条件存在差异，致使药用成分含量显著不同，结合独特的炮制工艺，进而导致市场价格差别大，所以山药饮片的产地识别至关重要。为对山药饮片进行产地溯源，本文基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术提出多元散射矫正-改进遗传算法-支持向量机（MSC-IGA-SVM）模型对山药产地进行精确识别。使用八个不同产地的山药饮片进行LIBS实验，八种产地的山药饮片磨粉过筛后制成粉末压片，通过采集山药饮片的LIBS光谱，分别使用单一分类器与使用光谱预处理、特征提取及模式识别算法的模型对光谱的识别结果进行对比。将光谱信号按2∶1的比例划分为训练集和测试集，使用5次交叉验证K-邻近算法（KNN）模型的测试集准确率作为预处理参数优化的评价指标。各类药材的平均光谱整体趋势一致，所含谱峰基本相同，但因产地不同导致峰值强度各不相同，道地山药对一些金属元素（K，Na，Ca，Mg，Al）的富集能力大于非道地产区山药，其中，K元素特征谱线（769.90 nm）的峰值最高，即山药饮片中K元素含量最多，相关研究表明山药根茎对K元素的富集能力最强。选取35条关键谱线进行分析，在识别种类多、识别难度大的情况下，改进遗传算法（IGA）比主成分分析（PCA）更能清楚辨别光谱中的非线性关系，同时受噪声的影响更小。MSC-IGA-SVM模型的产地溯源效果最好。MSC-IGA-SVM模型的交叉验证集准确率为96.9%，测试集的准确率为97.32%，与直接使用原信号建立的最好模型支持向量机（SVM）（96.43%）相比，测试集准确率提高了0.87%。同时，MSC-IGA-SVM模型将输入变量的维度减少了99.93%。结果表明，LIBS技术结合MSC-IGA-SVM模型能够快速、准确对山药饮片进行产地溯源。
2023 Vol. 43 (01): 138-144 [摘要] ( 168 ) RICH HTML PDF (3684 KB)  ( 144 )
145 便携式拉曼光谱仪用于合成大麻素类物质快速定性分析探究
胡 爽1，刘翠梅2*，贾 薇2，花镇东2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0145-06
我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制，在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力，比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结果差异，探讨了制约拉曼光谱在一线查缉现场广泛应用的原因。ProTT-EZRaman-A7便携式拉曼光谱仪的整体性能介于台式拉曼和手持式拉曼之间，选用该仪器采集了90种合成大麻素对照品的拉曼光谱，并利用兼容性强的KnowItAll软件建立了90种合成大麻素通用拉曼光谱库。分析90种合成大麻素的拉曼光谱，结果表明，当不存在荧光干扰时，拉曼光谱可以区分所有合成大麻素物质，但对部分结构相差一个甲基、卤素原子等的结构类似物区分度欠佳。不同款拉曼光谱仪的性能差异大，为考察其原因，本研究选用了四款手持式拉曼光谱仪分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行了测定，随后使用KnowItAll软件并选用包含90种合成大麻素的通用拉曼光谱库对每张光谱图进行谱库检索。四款手持式拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%，68.3%，46.7%和24.2%。抗荧光干扰能力和分辨率的不同是造成不同拉曼光谱仪匹配结果差异的主要原因。便携式拉曼光谱仪具有操作简单、测样速度快，可用于一线查缉站点快速检测的优点，但考虑到实际缴获样品的纯度未知且可能存在荧光干扰，不同拉曼光谱仪的抗荧光干扰能力、分辨率及谱库完备程度均不同，因此现阶段拉曼光谱的测试结果只能作为定性初筛使用。该研究内容为法庭科学实验室和一线办案民警正确理解和应用拉曼光谱测试结果提供了指导。
2023 Vol. 43 (01): 145-150 [摘要] ( 165 ) RICH HTML PDF (3203 KB)  ( 71 )
151 基于多峰协同和纯元素特征峰面积归一化的重叠峰快速解析算法
陈吉文，杨 浈，张 帅，崔恩迪，李 明*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0151-05
由于元素间特征峰的相互干扰，受实验仪器能量分辨率的影响，当多个元素的特征峰峰位相近且展宽较宽时就会形成重叠峰。以分离度低且分解需求精度高的重叠峰为研究对象，提出一种基于多峰协同和纯元素特征峰面积归一化的重叠峰快速解析算法，并结合实际的X射线荧光光谱进行了新方法的验证。选取镝铁合金的X射线荧光光谱图作为实例，在该实验条件下镝Lα特征峰和铁Kα特征峰形成的重叠峰分离度约为0.273 5，同时还存在分离度较大但荧光产额较低的镝Lβ特征峰和铁Kβ特征峰。首先，配置浓度范围（7.8～8.2 mg·mL-1）的镝标液和浓度范围（1.8～2.2 mg·mL-1）的铁标液进行测量获取到纯元素谱图，分别进行面积归一化处理并取平均得到镝Lα峰和铁Kα峰的归一化特征峰。然后，使用镝、铁标液混兑出铁元素质量百分比范围在19.1%～21%，梯度为0.1%的20组样品液进行测量。由于重叠峰部分仅由镝Lα峰和铁Kα峰组成，因此设定重叠峰中镝Lα峰权重加上铁Kα峰权重等于1，使用镝Lα峰和铁Kα峰的归一化特征峰进行重叠峰的拟合。通过镝Lβ特征峰和铁Kβ特征峰确定铁元素大概权重区间，结合粒子群寻优算法进行权重值寻优完成重叠峰的分解。通过寻优解出的铁元素权重与实际样品液的铁元素质量百分比进行拟合，得到一条镝铁样品液中铁元素权重到实际铁元素质量百分比的回归线。最后进行实际样品实验，对比该方法检测的铁元素含量值与国标重铬酸钾容量法测定的铁元素含量参考值，得出两方法测定结果偏差绝对值小于0.2%，低于国标允许差。结果证明：基于多峰协同和纯元素特征峰面积归一化的重叠峰快速解析算法能够解析分离度低且分解需求精度高的重叠峰。
2023 Vol. 43 (01): 151-155 [摘要] ( 211 ) RICH HTML PDF (2399 KB)  ( 249 )
156 基于近红外光谱技术的小龙虾新鲜度快速检测研究
王 超1，刘 言1*，夏珍珍2，王 桥1，段 烁1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0156-06
小龙虾是近年来广受消费者欢迎的淡水产品，相关产业迅猛发展，产生巨大的经济利益。小龙虾整虾及虾仁、虾尾在运输过程中极易腐败变质，产生有害物质。如果不能对小龙虾新鲜度进行及时检测，任由腐败小龙虾进入食品流通环节，极易酿成食品安全事故，危害消费者生命安全，对整个产业链造成不良影响。挥发性盐基氮（TVBN）是衡量水产品新鲜度的主要指标，也可以用于衡量小龙虾的新鲜度，但传统的挥发性盐基氮检测方法存在步骤复杂、检测时间长和化学试剂污染的等问题，无法满足小龙虾庞大产业链的检测需求。近红外光谱技术是一种快速、无损、环境友好的分析技术，在食品分析领域中已有较为广泛的应用。本研究基于近红外光谱分析技术（NIR），结合化学计量学方法提出一种小龙虾新鲜度的快速检测方法。使用偏最小二乘算法（PLS）建立小龙虾虾尾挥发性盐基氮定量分析模型。为了提高模型的预测能力，使用多元散射校正（MSC）、标准正态变换（SNV）、连续小波变换（CWT）和1阶导数（1st）法对光谱进行预处理，扣除光谱背景；使用蒙特卡洛-无信息消除（MC-UVE）和随机检测（RT）算法进行波长筛选，选择光谱中有效变量。结果显示，光谱预处理和波长筛选技术能够有效提高模型的预测能力。其中，经过1阶导数和蒙特卡洛-无信息变量消除法组合优化处理之后的光谱所建立的偏最小二乘模型与其他模型相比具有更好的预测能力，对于预测集样品，其预测均方根误差和相关系数可达1.626和0.950，能够实现对小龙虾新鲜度的快速、准确检测。
2023 Vol. 43 (01): 156-161 [摘要] ( 158 ) RICH HTML PDF (1909 KB)  ( 201 )
162 结合2D-COS和光谱融合技术的小麦淀粉回生特性定量表征
安焕炯1，翟 晨2，马倩云1，张 凡1，王书雅2，孙剑锋1，王文秀1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0162-07
回生是淀粉加工、运输和储藏过程中的重要理化性质，快速检测淀粉回生程度对淀粉制品的品质和保质期有重要意义。为了探究二维相关光谱法（2D-COS）优选回生淀粉特征变量的可行性，研究结合2D-COS和光谱融合技术对小麦淀粉的回生特性进行定量表征。首先，将不同回生时间的小麦淀粉测定结晶度和回生度，从淀粉体系中晶体含量和对淀粉酶水解抗性的角度表征淀粉回生特性。然后，分别采集样品的近红外和中红外光谱数据，对采集的原始光谱进行Savitzky-Golay平滑和标准正态变量变换预处理后，结合偏最小二乘法分别基于近红外光谱、中红外光谱和融合光谱构建全光谱的预测模型。在此基础上，以回生天数为外部扰动，分别选取回生0，1，2，3，5，7，10，14，21和35 d的10条淀粉光谱进行2D-COS分析。通过分析同步谱和自相关谱，辨识了近红外13个和中红外11个与回生特性有关的特征波长。最后，基于这些特征波长进一步建立回生度和结晶度的预测模型。结果表明，全光谱模型结果中，光谱融合后的模型预测效果较好，结晶度模型的相对分析误差（RPD）值由1.203 4和2.069 0提高至3.980 9，回生度模型的RPD值由2.594 0和2.109 9提高至4.576 3，表明光谱融合能提高模型性能。利用2D-COS筛选特征波长后建立的模型预测效果有大幅度提高，结晶度模型的RPD值提高至8.095 9，回生度模型的RPD值提高至14.183 6。与利用竞争性自适应重加权算法筛选特征波长建立的模型结果相比，2D-COS更能提高光谱分辨率，获得更多的化学结构信息，因此光谱融合技术结合2D-COS的模型结果更佳。研究结果表明，将2D-COS用于筛选与淀粉回生特性有关的特征波长是可行的，为融合光谱的特征变量优选提供了新思路；同时也表明光谱融合技术结合2D-COS可以实现淀粉回生程度的快速检测，为淀粉食品的质量和保质期的快速检测提供了方法支持。
2023 Vol. 43 (01): 162-168 [摘要] ( 153 ) RICH HTML PDF (4338 KB)  ( 202 )
169 偏振X射线荧光分析尾矿薄层样品的散射校正方法研究
贾文宝1，李 俊1，张新磊1，杨晓艳2，邵金发3，陈齐炎1，单 卿1*，凌永生1，黑大千4
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0169-06
了解尾矿浆中的重金属元素含量能为矿物浮选提供决策依据，不仅可以提高矿物的利用率，还可减少环境污染。X射线荧光光谱法是一种常用的重金属元素分析技术，对于地质类样品的分析，康普顿散射内标法是一种常用的定量方法。但对于薄层沉积样品，其康普顿散射峰强度会受到支撑滤膜的散射影响。由于样品紧密附着在支撑滤膜上，难以直接获得来自样品本身的康普顿散射强度，不利于直接应用康普顿散射峰强度进行定量分析。以尾矿薄层样品为分析对象，研究了不同聚丙烯滤膜厚度对康普顿散射峰强度的影响，并对薄层样品的康普顿散射强度进行了校正。实验结果表明，在0.34～3.06 mm厚度范围内，康普顿散射峰强度随聚丙烯滤膜厚度的增加线性增加，通过建立探测器获得的总康普顿散射强度与滤膜厚度的线性关系，计算出样品的净康普顿散射峰强度。为验证该修正方法的可靠性，利用蒙特卡洛方法模拟研究了无滤膜的尾矿样品和带有不同厚度滤膜的尾矿样品，结果显示经滤膜厚度影响修正后的净康普顿散射峰强度与无滤膜样品康普顿散射峰强度基本一致，相对偏差为0.41%。同时通过实验和模拟计算了0.34 mm厚聚丙烯滤膜时修正后的净康普顿散射峰强度占总康普顿散射峰的比例，分别为91.31%和89.91%，二者基本一致。最后，利用了上述基于滤膜厚度康普顿散射影响的校正方法，建立了基于康普顿散射内标法的定量校准曲线，对两种尾矿浆中的Cu，Zn和Pb元素的定量分析结果显示，未经滤膜厚度修正的康普顿内标校正相比校正前，部分元素定量结果与ICP-OES结果相比，其相对偏差反而增加3.18%～9.00%。而经滤膜厚度修正的康普顿内标方法的定量结果与ICP-OES结果的相对误差在1.14%～11.15%之间，相比于校正之前，相对偏差减少了0.30%～8.97%。
2023 Vol. 43 (01): 169-174 [摘要] ( 190 ) RICH HTML PDF (2816 KB)  ( 233 )
175 唐代苏同家族墓天王俑彩绘的光谱分析
梁家祥1，王 甜1*，张亚旭2，王 芬1，李 强3，罗宏杰3，赵西晨2，朱建锋1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0175-08
天王俑是中原地区的达官贵人墓葬的镇墓俑，是唐墓葬冥器中重要的一种神煞俑。为探究天王俑彩绘颜料的组成元素以及彩绘工艺，使用X射线荧光光谱分析了陕西省咸阳市渭城区苏同家族墓KTJ-2019-019M2、KTJ-2019-019M3坑出土的天王俑彩绘区域的元素组成。分析结果表明陶俑表面金色贴片主要为金箔(Au)；红色颜料的组成元素则是Hg、S以及少量的Pb、P；蓝色颜料和绿色颜料的组成元素均为Cu，白色颜料的组成元素为P、S、Pb。使用拉曼光谱对彩绘颜料层的鉴定物相，使用拉曼光谱分析技术对彩绘层分析结果确定了红色颜料的主要组成物相为朱砂(HgS)和铅丹(Pb3O4)的混合颜料; 蓝色颜料的主要组成物相为石青; 绿色颜料的主要组成物相为石绿；白色颜料的组成物相可能为铅白。进一步使用XRF面扫描技术分析了天王俑的彩绘工艺，解析金、红、蓝、绿色区域的组成元素位置，发现陶块样品中的M2-1金色陶块、M3-1白色陶块、M3-2红色陶块、M3-3蓝色陶块、M3-4绿色陶块的彩绘均使用的是单层工艺，而M2-2样品彩绘是在以铅白为底再施加一层朱砂和铅丹混合颜料，即使用了双层彩绘工艺，通过将唐代苏同家族墓天王俑彩绘层测试结果与唐代各地区出土彩绘文物进行比较，得到唐代苏同家族墓使用的各种彩绘颜料与同时期不同地区出土彩绘文物使用彩绘一致。使用X射线荧光光谱面扫技术能直观得到颜料层的元素分布特征，可以为天王俑的保护以及修复工作提供可靠的科学支持和有益借鉴。
2023 Vol. 43 (01): 175-182 [摘要] ( 199 ) RICH HTML PDF (15252 KB)  ( 56 )
183 基于拉曼光谱和机器学习的百合分类识别
王志新，王慧荟，张文波，王 忠，李月娥*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0183-07
百合鳞茎，百合科百合属多年生草本球根植物生长的肥厚鳞片构成的地下变态茎，是一种典型的药食同源作物，含有丰富营养成分的同时还具有抗肿瘤、抗抑郁、降血糖、提高免疫力等保健作用。不同产地百合鳞茎的市场价格差异较大，依赖于人工经验感官的传统评测方法主观性强、确定性差，难以广泛推广在现代生产环节。以化学检验法为主的先进检测方法耗时长、费用高，而且难以满足产地鉴别这一要求。针对百合鳞茎现场快速地产地判断和品质评价的需求，提出了一种使用拉曼光谱和机器学习的百合鳞茎检测方法。拉曼光谱是一种基于非弹性散射的振动光谱，能够做到快速准确的无损检测，将拉曼光谱与机器学习算法相结合，建立了我国分布最为广泛的三种百合鳞茎（兰州百合、宜兴百合和龙牙百合）的产地分类模型，着眼于基质光谱上479，870，942和1 606 cm-1等特征峰，提出了一种基于拉曼光谱的成分含量判断产地和评价百合鳞茎品质的无损检测方法。首先采集百合鳞茎样本的光谱，经过光谱数据预处理后，使用人工先验法提取百合鳞茎代表物质并确定特征峰，再使用主成分分析和t-分布随机邻域嵌入方法降维提取光谱数据特征。并将获得的数据特征分别应用于支持向量机、决策树和随机森林算法。实验结果显示，这些分类模型在同一个测试集上均表现出较为理想的分类准确率，其中基于主成分分析和决策树算法的模型准确率可达91.7%，基于t-分布随机邻域嵌入和支持向量机的模型分类准确率为93.7%，基于主成分分析和随机森林算法的组合模型，准确率高达95.8%。综上，该方法可以实现现场快速识别和鉴定百合鳞茎的产地，提高现代生产过程中质量评估环节的准确性，为现代化生产的产地鉴别和百合鳞茎质量分析提供参考。
2023 Vol. 43 (01): 183-189 [摘要] ( 231 ) RICH HTML PDF (3880 KB)  ( 450 )
190 明代永宣时期景德镇御窑青花瓷“铁锈斑”的显微结构研究
王文轩1，温 睿1*，张 悦2，江建新3
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0190-08
“铁锈斑”，是青花瓷线条色彩浓重处凝聚成的黑色、褐色或带有金属锡光的斑点。作为早期青花瓷器一种典型的鉴定特征，长久以来被认为与使用高铁低锰的进口钴料有关。多年来虽有零星报道，但受到亚微级晶体尺寸、釉熔体不均一性以及元素掺杂、晶体偏析等因素影响，其形态及结构并未得到充分研究，从而导致“铁锈斑”呈色机理不明，其作为进口钴料鉴定标准的观点也遭到质疑。结合前人研究，发现拉曼光谱与扫描电镜能谱仪在古陶瓷微晶结构解析方面极具优势，为系统阐明“铁锈斑”成分结构特征与呈色机理，使用超景深三维视频显微镜、扫描电镜与能谱仪(SEM-EDS)、拉曼光谱仪(Raman)对五件景德镇御窑永宣时期青花瓷器样品中“铁锈斑”处晶体的显微形貌与结构进行解析，并利用激光剥蚀电感耦合等离子体发射光谱(LA-ICP-AES)分别测试样品白釉区域、蓝彩区域与“铁锈斑”区域的成分。显微观察结果表明，不同样品“铁锈斑”区域析晶形态及分布的多样性是造成“铁锈斑”呈现众多视感的主要原因，且同一斑点的析晶区域内伴生有多种形态的晶体。显微结构表明，永乐时期“铁锈斑”枝晶主要以CoFe2O4-Fe3O4固溶体为主，宣德时期“铁锈斑”的晶体则以掺杂了Mg2+和Co2+的MnFe2O4-Mn3O4固溶体为主，并伴生有网状钙长石析晶。结果表明，使用进口钴料或国产钴料烧制的青花瓷器上均可形成“铁锈斑”，由于其形成的主要晶体均属于立方晶系反尖晶石结构，在宏观形态上具有一定相似性，因而造成了以往对“铁锈斑”认知的误解。该研究实现了对明代永宣时期御窑青花瓷“铁锈斑”显微结构与成分特征的解析，凸显了拉曼光谱与扫描电镜能谱联用在古陶瓷复杂微晶结构解析方面的应用前景，首次揭示了“锡光”物理结构色呈色机理，为景德镇御窑青花瓷器的鉴定提供一定科学依据。
2023 Vol. 43 (01): 190-197 [摘要] ( 315 ) RICH HTML PDF (4443 KB)  ( 96 )
198 GF-1与GF-6 WFV影像在滇池悬浮物浓度反演中的对比分析
赵 冉1，杨凤芸1*，孟庆岩2，3，康育鹏2，4，郑佳媛1，胡新礼2，杨 杭2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0198-08
总悬浮物（TSM）是水环境评价的重要参数之一，也是遥感水质反演的重要指标。GF-1/WFV和GF-6/WFV作为高分系列对外免费开放的卫星数据，在遥感监测中的应用较为广泛，但目前针对两种数据的对比分析以及GF-6/WFV新增波段在水体水质参数反演中的适用性研究较少。以云南滇池水域为研究区域，对与水体实测数据同步过境（或时相相近）的GF-1/WFV和GF-6/WFV遥感影像采用统计分析的方法进行相同波段（蓝、绿、红、近红外）一致性分析，在此基础上运用经验回归方法分别构建两种数据的TSM反演模型，并将加入GF-6/WFV新增波段的模型与GF-1/WFV构建的模型进行对比分析，选择最优模型应用于滇池2020年的6幅GF-6/WFV图像得到滇池TSM分布图。结果表明：GF-1/WFV与GF-6/WFV的蓝、绿、红、近红外波段的相关系数分别为0.98，0.98，0.97和0.99，两种数据的表观反射率具有很高的一致性。GF-1/WFV基于蓝、绿、近红外波段构建的差值模型“B2+B4-B1”反演精度较高，模型反演的均方根误差为6.35 mg·L-1，平均绝对百分比误差为23.60%。GF-6/WFV基于近红外、红边1和红边2波段构建的比值模型“1/B5+B6”反演精度较高，模型反演的均方根误差（RMSE）为3.07 mg·L-1，平均绝对百分比误差（MAPE）为20.65%，以GF-1/WFV构建的差值模型“B1-B4”与GF-6/WFV构建的“B5-B4”对比发现后者均方根误差减小了2.61 mg·L-1，平均绝对百分比降低了32.33%，实验表明加入红边波段的模型反演效果较其他模型更好。采用建模公式得到了2020年滇池TSM分布图，滇池TSM的变化范围在4~45 mg·L-1，均值为18.23 mg·L-1，总体空间分布呈现北重南轻的分布态势，滇池TSM时间分布表现为上升-下降趋势。该研究不仅可以为湖泊水质监测传感器波段设置提供参考和借鉴，也为滇池水资源监管部门进行水质遥感监测提供了技术支撑。
2023 Vol. 43 (01): 198-205 [摘要] ( 157 ) RICH HTML PDF (4709 KB)  ( 119 )
206 基于连续小波变换下的土壤有害元素砷含量估测
王雪梅1，2，玉米提·买明1，黄晓宇1，2，李 锐1，2，刘 东1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0206-07
与传统检测方法相比，利用高光谱技术进行土壤有害元素砷含量的估算，具有快速、准确，成本低的特点，可对干旱区绿洲土壤有害元素砷污染进行动态监测。基于新疆渭干河-库车河三角洲绿洲耕层土壤样品的采集，获取土壤光谱数据和有害元素砷含量。通过bior1.3，db4，gaus4和mexh这4种小波基函数对土壤原始光谱反射率进行连续小波变换，并将变换后光谱数据与有害元素砷进行相关分析，以筛选出的敏感小波系数为自变量，采用偏最小二乘回归、支持向量机回归、BP神经网络和随机森林回归方法对有害元素砷含量进行高光谱反演。研究结果显示：（1）4种小波基函数在3~8尺度的光谱分解效果明显优于其他尺度，特别是4~6尺度的连续小波变换有效提升了光谱反射率与土壤有害元素砷之间的相关性，通过显著性检验的小波系数数量有了明显增多（p<0.01），在可见光的400~700 nm以及近红外的1 100~1 700和2 200~2 400 nm附近具有较强的相关性；（2）通过比较4种小波基函数对光谱数据中有效信息的辨识能力，认为小波基函数bior1.3和mexh要优于db4和gaus4，其中bior1.3的光谱分解效果最好，gaus4相对最弱；通过bior1.3第5尺度的光谱变换，与土壤有害元素砷显著相关的波段数量最多，为507个（p<0.01）；（3）比较4种建模方法的反演结果发现，SVMR，BPNN和RFR模型相较于PLSR模型具有更强的估测能力，模型的估测精度更高。综合分析各模型的稳定性及估测精度后，认为bior1.3-25-RFR模型可作为研究区土壤有害元素砷的最佳估测模型。该模型的训练集和验证集的R2分别为0.893和0.639，RMSE为1.075和1.651 mg·kg-1，RPD分别为2.89和1.64，表明模型估测效果较好，稳定性较强。采用合适的小波基函数进行连续小波变换可减少土壤高光谱数据中的白噪声，挖掘出土壤光谱数据中的有效信息，对土壤有害元素砷含量的准确估测提供有力的技术保障。
2023 Vol. 43 (01): 206-212 [摘要] ( 130 ) RICH HTML PDF (4135 KB)  ( 90 )
213 巴基斯坦斯瓦特山谷祖母绿的谱学特征研究
鲍珮瑾1，陈全莉1，2*，吴燕菡1，李 璇1，赵安迪1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0213-07
随着哥伦比亚祖母绿矿的日益枯竭，巴基斯坦祖母绿逐渐成为市场的主力军之一，运用常规宝石学仪器、红外光谱仪、激光拉曼光谱仪、紫外-可见-近红外光谱仪（UV-Vis-Nir）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对巴基斯坦斯瓦特产区的祖母绿谱学特征进行了较系统的研究。结果表明，巴基斯坦斯瓦特祖母绿颜色整体呈深绿色-深蓝绿色，折射率较高为1.589～1.615。巴基斯坦斯瓦特产区的祖母绿中含有种类和数量较多的内含物，其中三相内含物呈边界清晰平直的矩形且具有明显定向性，与俄罗斯、赞比亚和埃塞俄比亚产区祖母绿的三相内含物接近。根据同一样品不同颜色的紫外-可见-近红外光谱和LA-ICP-MS的分析表明，在颜色较深的区域，紫外-可见-近红外光谱显示相对较强的427，608，637和679 nm（o光）Cr的R线吸收以及在o光下370 nm Fe的吸收，同时此区域内Cr和Fe含量相对较高，因此祖母绿色带是由含量不同的Cr和Fe所致。巴基斯坦斯瓦特祖母绿是由Cr致色，V对颜色有一定贡献且Cr/V极高。根据LA-ICP-MS结合红外光谱可知，巴基斯坦斯瓦特祖母绿属于富碱祖母绿，在红外光谱的指纹区显示了与一般祖母绿相同的振动吸收峰，在中红外区4 000～2 000 cm-1，低强度3 518和3 700 cm-1为Ⅰ型水不对称伸缩振动，其他的水谱带饱和；中等强度的3 232 cm-1为[Fe2（OH)4]2+多聚合离子吸收谱带；在8 000～5 000 cm-1近红外光谱区，在垂直于c轴的方向上，5 264 cm-1为Ⅰ/Ⅱ型水ν3+ν2合频吸收带，中等7 097 cm-1为Ⅱ型水倍频振动峰、弱的7 187和6 842 cm-1为Ⅰ型水倍频振动峰；在平行c轴方向上，5 272 cm-1为Ⅰ/Ⅱ型水ν3+ν2合频吸收带，7 073 cm-1为Ⅰ型水的合频振动峰，7 185 cm-1为Ⅱ型水的倍频振动峰。总之，巴基斯坦斯瓦特山谷的祖母绿的主要致色离子为Cr3+和Fe3+，碱金属离子含量偏高，属于Ⅱ型水为主的祖母绿类型。
2023 Vol. 43 (01): 213-219 [摘要] ( 190 ) RICH HTML PDF (2818 KB)  ( 463 )
220 基于岩石光谱吸收特征的白云母含量反演
赵健铭，杨长保，韩立国*，朱梦瑶
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0220-05
岩石是由多种矿物组成，其反射率光谱吸收特征与矿物含量之间存在紧密联系，矿物光谱在特定波段处的光谱吸收特征是定量估算含量的重要指标之一。为提升岩石光谱吸收特征定量反演矿物含量的准确度与精度，以白云母为研究对象，分析岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征及其白云母含量，采用Savitzky-Golay平滑滤波和连续统去除法对岩石光谱反射率进行处理，进而提取光谱吸收特征参数（吸收深度、吸收宽度、吸收面积），分析岩石光谱在2.2 μm附近吸收特征与白云母含量之间的相关性。研究中采用单一吸收特征建立统计模型、多维吸收特征建立偏最小二乘法（PLS）和多层感知器（MLP）模型，对岩石中白云母含量与光谱吸收特征参数进行分析，进而提出一种非线性预测岩石中矿物含量的方法。研究结果表明，岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征中，吸收深度与白云母含量之间的相关性最高。基于单一吸收特征的统计模型中，二次曲线模型对吸收深度拟合的效果最佳，R2为0.935 0，RMSE为0.063 0，岩石光谱的吸收深度随白云母丰度满足二次曲线变化，岩石中白云母的含量越高，岩石光谱吸收深度值越大；基于多维光谱吸收特征的PLS模型相较于MLP模型拟合的效果更佳，其R2为0.947 7高于MLP的0.901 2，RMSE为0.002 7低于MLP的0.005 1；整体上，多维模型优于单一维度模型，PLS模型反演能力最佳，该模型在预测白云母含量上具有运算量小、精度高的特点。通过分析岩石在诊断特征处的光谱吸收特征，为其矿物组分的含量等进行定量反演提供理论参考，为矿产资源监测与评估提供快速高效便捷的方法。
2023 Vol. 43 (01): 220-224 [摘要] ( 155 ) RICH HTML PDF (1610 KB)  ( 210 )
225 基于超表面的多光谱成像系统设计
张淳钰1，2，周锦松1，2，何晓英1，景娟娟1，2，冯 蕾1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0225-05
超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面，重量轻，易集成，可实现多种功能，被广泛应用于诸多领域。传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦，无法满足系统集成化需求。不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差，超表面依靠界面相位变化来进行相位调控，可实现十分轻薄的光学系统。研究传输相位型超表面，使用时域有限差分算法（FDTD算法）优化单元结构。将超表面引入光谱成像系统中，通过优化亚波长结构尺寸，进行结构排布，开展超表面光谱成像系统研究，实现多波长色散与聚焦独立调控。利用该方法，扫描不同单元结构参数对相位的影响，依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布，仿真实现了一个波段范围为510~720 nm，焦距为2 mm，谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布，并分析了系统的成像性能。相比于传统光栅或棱镜分光结构，超表面光谱成像系统可有效减小系统体积，其超轻、超薄、便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性，为小型化、轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。
2023 Vol. 43 (01): 225-229 [摘要] ( 370 ) RICH HTML PDF (2397 KB)  ( 323 )
230 完全氧化DZ125的双向反射特性实验研究
叶志鹏1，2，3，赵树男4，李勋锋1，2，3*，淮秀兰1，2，3
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0230-09
作为燃气轮机的核心部件，涡轮叶片长期在上千度的高温下工作，为了保证叶片安全可靠地运行，需要对其温度进行实时的监测。辐射测温是目前涡轮叶片非接触式测温的主流方法，其测温精度与叶片材料反射特性关系密切，如何预测不同方向反射能量的大小，减小反射辐射对测温结果的影响是目前研究的难点。为了预测叶片反射能量大小，提高辐射测温的准确性，对涡轮叶片常见材料——完全氧化DZ125的双向反射分布函数(BRDF)进行研究。采用对比法作为实验测量的方法，先分析了BRDF对比法测量原理及数据处理方法，之后自主搭建了试验台，在温度分别为25，900和1 100 ℃，波长分别为1 060，1 550和1 908 nm的条件下，控制入射天顶角及反射天顶角在0°~60°范围变化，方位角在0°~180°范围变化，测量计算出了多组BRDF值，分析了各种因素对完全氧化DZ125的BRDF的影响。最后采用Modified Phong模型对BRDF测量值进行了拟合，并与实验测量结果进行了对比，得到了较好的结果。研究结果表明，温度、波长对完全氧化DZ125的BRDF影响较小，在涡轮叶片工作的温度范围变化不大，辐射波长变化不大时，可忽略二者对BRDF的影响。而入射天顶角、反射天顶角与方位角对BRDF的影响很大，入射天顶角与反射天顶角大小越相近，方位角越接近180°，测量探头所处位置与镜面反射方向就越接近，试样的镜面反射特性就越显著，BRDF就越大；反之，当探头远离镜面反射方向，漫反射占据主导，BRDF将呈现快速的衰减。实验结果显示完全氧化DZ125具有很强的镜面反射特性。Modified Phong模型拟合得到的结果，能够较好地反映出完全氧化DZ125的双向反射特性。这一模型简单可靠，适用于后期采用蒙特卡罗方法进行数值模拟研究，以预测完全氧化DZ125材料的反射能量分布，为后续开展涡轮叶片辐射测温的研究提供理论基础。
2023 Vol. 43 (01): 230-238 [摘要] ( 128 ) RICH HTML PDF (8641 KB)  ( 38 )
239 集成学习结合波长选取的有机物红外光谱定量回归方法研究
鞠 薇1，鲁昌华2，3，张玉钧3，陈晓静1，蒋薇薇2*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0239-09
研究集成学习方法在有机物红外光谱定量分析中的应用及特征波长选取方法对红外光谱集成学习建模效率和预测精度的影响。以柴油红外光谱的十六烷和总芳香烃含量为研究对象，首先采用极端随机森林(ERT)、线性核支持向量机(LinearSVM)、径向基核支持向量机(RBFSVM)和多项式核支持向量机(polySVM)作为基学习器，LinearSVM作为元学习器建立两层Stacking集成学习框架，分析比较单个基学习器与集成学习对柴油红外光谱的定量回归预测精度，与偏最小二乘(PLS)定量回归模型相比，Stacking集成学习模型对柴油光谱的两种有机物含量的预测精度均有提升，其中十六烷含量的ERT模型预测结果最优(r=0.848, RMSEP=1.603, RDP=2.627)，总芳香烃含量的Stacking模型预测结果最优(r=0.991, RMSEP=0.526, RDP=9.243)；进一步利用组合偏最小二乘(SiPLS)和连续投影算法(SPA)对红外光谱进行特征波长选取，利用优选出的红外光谱特征波长建立集成学习定量回归模型，其中十六烷含量的SiPLS-ERT模型预测结果最优(r=0.893, RMSEP=1.013, RDP=3.051)，芳香烃含量的SiPLS-Stacking模型预测结果最优(r=0.998, RMSEP=0.354, RDP=11.475)，且模型平均训练时间较全光谱训练时间减少50%以上，建模速度明显提高。研究结果表明，特征波长结合集成学习定量回归建模能够用于有机物红外光谱的定量分析中，与传统定量回归方法相比，该方法的建模效率和预测精度均有较大提高，为进一步研究机器学习在光谱定量分析中的应用提供相关方法支持。
2023 Vol. 43 (01): 239-247 [摘要] ( 140 ) RICH HTML PDF (6526 KB)  ( 85 )
248 生物质碳量子点的绿色制备及对Cu2+的检测
刘玉莹1，2，汪溪远1，2*，梅傲雪1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0248-06
向日葵作为我国主要的油料作物之一，其秸秆是天然的纤维素材料，具有绿色无毒，成本低廉的优势，是制备生物质碳量子点的理想材料之一。近年来，由于含铜农药和化学肥料的不规范使用，大量含铜污染物被排放导致农田土壤和水环境中的铜含量远高于环境背景值。因此，迫切需要开发出一种选择性好、灵敏性强且对环境友好的Cu2+检测方法。碳量子点（CDs）是一种粒径小于10 nm的准球形荧光碳纳米材料，因其表面含有丰富的极性官能团，具有良好的水溶性而被广泛研究。与传统的半导体量子点（CdSe, CdTe）相比，CDs具有合成原料广泛、生物相容性好等优点。主要应用于生物成像、光催化、光电转化以及传感检测等领域。然而目前用于碳化合成CDs的前驱体大多为昂贵的化学品，且合成过程复杂污染环境，限制了CDs的大规模生产与应用。开发出一种生态友好，简单、廉价的CDs合成方法是很有意义的。本研究以废弃的向日葵秸秆为碳源，采用简便的水热法合成生物质碳量子点（S-CDs）作为荧光探针，用于检测识别Cu2+。通过对S-CDs的一系列光学性质分析与表征，鉴定出其表面官能团主要包括O—H，N—H以及C═N等，其中丰富的O—H可以提供胶体稳定性，有效地控制纳米颗粒的形态和粒径分布，从而提高S-CDs的量子产率（QYs）。ex=317 nm，em=456 nm，S-CDs在pH为2.0～12.0的范围内具有优异的光学性能和良好的光稳定性，受高盐度环境的影响较小，QYs约为8.42%，在365 nm的紫外分析仪照射下发射出蓝色荧光。此外，以合成的S-CDs作为荧光探针，进一步研究了基于Cu2+诱导S-CDs的荧光猝灭效应。结果表明，制备的S-CDs在0～10 μmol·L-1浓度范围内对Cu2+反应灵敏，呈良好的线性关系(R2=0.971 4)，检出限（LOD）低至167 nmol·L-1。在实际应用中，湖水中的Cu2+检测回收率在96.18%～109.22%。该研究在资源化利用秸秆废弃物的基础上，介绍了一种基于荧光碳量子点的Cu2+检测方法。
2023 Vol. 43 (01): 248-253 [摘要] ( 187 ) RICH HTML PDF (4208 KB)  ( 82 )
254 基于连续光谱法联合测定NH3-N、COD方法研究
李 文，陈银银*，罗学科，何 娜
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0254-06
针对地表水中Ⅰ—Ⅴ类水域、地下水、工业废水对氨氮及化学需氧量准确快速联合测定的需求，融合光谱分析法中的连续光谱法与顺序注射技术（SIA），基于地表水国家检测标准，以氨态氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）原位水质参数为检测对象，设计了一种小型微量原位水质NH3-N、COD高效快速检测仪。该系统主要依据自主设计的基于紫外灯照射消解与加热密闭消解方法同时进行的消解池结构以及基于光谱扫描设计的的检测池结构，达到快速消解稳定检测的目的。同时系统基于分光光度法优化了检测流程，测定开始COD消解的同时，待检测池中的NH3-N指数显色后的配位化合物进行光谱扫描测定，消解后，进行COD的测定，整个检测过程相比国标检测法缩短至少60 min，可以实现25min内自动完成NH3-N及COD的测定，大大节约时间成本。绘制经光谱扫描显色反应后配位化合物的吸光度与连续波长曲线可得：NH3-N、COD分别于690和445 nm处具有明显吸收峰，经读取峰的吸光度值，采用最小二乘法分别建立NH3-N、COD回归建模，拟合回归方程并计算相关系数，绘制相应参数的吸光度-浓度工作曲线。实验结果表明：在0~2 mg·L-1浓度范围内，NH3-N标准工作曲线相关系数r≥0.998 7，且浓度与吸光度成正相关。重复性相对标准偏差为1.36%~1.68%，加标回收率为97%~102%；在0~50 mg·L-1浓度范围内，COD标准工作曲线相关系数r≥0.997 8，浓度与吸光度呈负相关。重复性相对标准偏差为2.14%~2.48%，加标回收率为97.6%~102.95%。系统的测定结果准确、直线性与稳定性良好，具有较高的可行性与可靠性。基于SIA与连续光谱法联合测定NH3-N、COD的方法研究，为拓宽光谱法在水质快速检测领域的应用、提高检测效率等方面的研究具有重大价值。
2023 Vol. 43 (01): 254-259 [摘要] ( 236 ) RICH HTML PDF (2756 KB)  ( 53 )
260 基于DE算法和NURBS曲线的ICP-AES光谱基线校正方法研究
廉小亲1，2，陈彦铭1，2，王宇乔1，2，刘 钰1，2
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0260-08
电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析法是一种常用的溶液元素浓度分析方法，但在ICP-AES测量过程中，由于温度漂移、杂散光和仪器暗电流等原因，光谱往往会存在一定程度的基线漂移，导致元素光谱强度值的测量结果存在误差，进而影响元素浓度的定量分析结果，因此基线校正是ICP-AES分析法中的必要环节之一。对传统光谱基线校正方法进行简要分析，在此基础上设计了一种基于非均匀B样条曲线和差分进化算法的ICP-AES光谱基线漂移校正方法；首先验证了光谱信号中噪声的概率密度分布服从高斯分布，然后对原始光谱进行预处理，通过高斯滤波对光谱信号去噪；然后以光谱基线校正过程中极小值序列的标准偏差作为评价指标，以非均匀B样条曲线作为基线模型，以曲线的控制点序列C和内接点序列T作为评价函数特征参数，建立ICP-AES光谱基线校正评价函数，将光谱基线校正问题转换为求解评价函数特征参数全局最优解的问题；最后简要介绍了差分进化算法的流程，通过差分进化算法求解使得评价函数取得最小值时的特征参数的全局最优解，即非均匀B样条曲线的控制点序列C与内接点序列T的取值，并以此拟合相应的非均匀B样条曲线作为光谱基线，实现对ICP-AES光谱的基线校正。利用一组实测的ICP-AES光谱数据对本文提出的基线漂移校正方法进行验证，实验结果表明，提出的基于差分进化算法和非均匀B样条曲线的ICP-AES光谱基线校正方法能够准确地计算出非均匀B样条曲线的控制点序列C与内接点序列T，并拟合出理想的光谱基线，从而实现ICP-AES光谱的基线校正，该方法能够克服非均匀B样条曲线在光谱基线校正领域应用的局限性，为后续的元素含量定量分析提供了技术基础。
2023 Vol. 43 (01): 260-267 [摘要] ( 142 ) RICH HTML PDF (5081 KB)  ( 46 )
268 模糊K-Harmonic-Kohonen网络的FTIR光谱数据聚类分析
陈 勇1，2，郭云柱1，王 威3*，武小红1，2*，贾红雯4，武 斌4
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0268-05
食品的品种不同则其含有营养成分和功效存在差异，得到的傅里叶变换红外光谱也存在差异。为了准确的实现品种分类，设计了一种将傅里叶变换红外光谱与模糊聚类分析方法相结合的品种鉴别方法。在模糊Kohonen聚类网络（FKCN）基础上将模糊K调和聚类（FKHM）引入到Kohonen聚类网络的学习速率和更新策略中，提出了模糊K-Harmonic-Kohonen网络（FKHKCN）算法。FKHKCN利用模糊C均值（FCM）聚类的模糊隶属度计算其学习速率，以FKHM的聚类中心为基础通过推导计算得到FKHKCN的聚类中心，可以解决模糊Kohonen聚类网络方法对于初始类中心敏感而导致聚类结果不稳定的问题。FKHKCN作为一种模糊聚类算法，可实现傅里叶变换红外光谱数据的聚类分析。采用三种数据集：（1）采集产自四川的三种茶叶（优质和劣质的乐山竹叶青以及峨眉山毛峰）作为实验样本，样本总数为96。（2）两个品种（robusta和arabica）的咖啡样本。（3）三个品种（鸡肉、猪肉和火鸡）的肉类样本。首先对三个光谱数据集进行预处理，利用多元散射校正降低茶叶样本原始光谱数据集的散射影响，使用Savitzky-Golay减少噪声对肉类和咖啡这两个光谱数据集的影响。再利用主成分分析将高维的三种光谱数据集压缩至低维。然后采用线性判别分析进行特征提取，将光谱数据投影到求得的鉴别向量上。最后分别采用FCM，FKCN和FKHKCN对茶叶、肉类和咖啡进行判别。最终结果如下：FCM，FKCN和FKHKCN对茶叶品种的聚类准确率分别为90.91%，90.91%和93.94%；对肉类品种的聚类准确率分别为90.83%，0.00%和92.50%；对咖啡品种的聚类准确率分别为89.17%，89.17%和90.83%。以上实验结果表明：采用傅里叶红外光谱技术结合主成分分析、线性判别分析和FKHKCN的方法能够较有效地对食品的品种进行鉴别，且鉴别准确率比FCM和FKCN更高，聚类结果更稳定。
2023 Vol. 43 (01): 268-272 [摘要] ( 124 ) RICH HTML PDF (1006 KB)  ( 48 )
273 基于可见光谱与轻量级卷积神经网络的冬小麦分蘖数估算
李云霞1，马浚诚2，刘红杰3，张领先1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0273-07
分蘖数是表征冬小麦生长的关键性参数，对于冬小麦苗情监测、产量预估具有重要意义。针对目前冬小麦分蘖数估算方法存在的数据获取繁复和估算模型体量大的问题，提出一种基于可见光图像和轻量级卷积神经网络的冬小麦分蘖数估算方法，以期实现冬小麦分蘖数无损快速估算，并且可嵌入移动终端设备。可见光图像具有获取便捷，处理简单的特点，利用数码相机连续采集2017年—2018年和2018年—2019年两个生长季的冬小麦冠层可见光图像。利用该数据图像，分别构建基于轻量级卷积神经网络MobileNetV2，SqueezeNett，ShuffleNet的冬小麦分蘖数估算模型进行比较试验，并与基于非轻量级卷积神经网络AlexNet和ResNet系列构建的估算模型进行对比试验。开展冬小麦分蘖数估算模型针对不同植株密度数据的鲁棒性以及针对不同生长季数据的泛化能力的验证试验。结果表明，基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的决定系数（R2）为0.7，归一化均方根误差（NRMSE）为0.2，在三个轻量级卷积神经网络中具有最优表现；基于非轻量级卷积神经网络构建的冬小麦分蘖数估算模型体积是基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的2.3~16.1倍。与非轻量级卷积神经网络相比较，基于MobileNetV2构建的估算模型在具有较好R2的同时有较小的体量，适宜嵌入移动终端设备；针对120，270和420 株·m-2三个不同植株密度的可见光图像数据集，基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型的R2分别为0.8，0.8和0.7，表现鲁棒；针对两个生长季的可见光图像，基于MobileNetV2构建的冬小麦分蘖数估算模型通过迁移学习将R2提升了2倍，NRMSE下降了7.6%，表现出对数据季节性差异较好的适应性，体现了模型的泛化能力。利用可见光图像，基于MobileNetV2构建的估算模型能够满足冬小麦分蘖数估算需求，为冬小麦生长观测以及田间农艺措施管理决策提供了一个准确、鲁棒、可嵌入移动终端设备的工具。
2023 Vol. 43 (01): 273-279 [摘要] ( 169 ) RICH HTML PDF (3087 KB)  ( 54 )
280 融合数据增强与改进ResNet34的奶牛热红外图像乳腺炎检测
张 倩1，杨 颖1*，刘 刚1，2，3，吴 潇1，宁远霖1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0280-09
乳腺炎是奶牛生产养殖中最为严重的疾病之一，奶牛乳腺炎的早期检测可以为后续治疗提供依据，从而提高疾病治疗效率，降低养殖风险。为了对自然行走的奶牛实现快速、高精度的“一步式”乳腺炎疾病检测，提出了一种基于热红外图像，融合数据增强与改进ResNet34的奶牛乳腺炎疾病检测方法。相对于现有的“多步式”奶牛红外图像乳腺炎检测方法，该方法无需奶牛关键部分如乳房和眼睛的定位以及温度提取等，可有效避免“多步式”造成的误差累计，从而实现更高效的乳腺炎检测。首先，将包含奶牛关键部位的局部图片水平拼接成信息完整的整体图片，结合RandAugment数据增强方法扩增训练样本；其次，采用ResNet34残差网络作为实验的基础网络，并根据热红外图像特性对模型进行如下改进：（1）精简网络内部冗余层使得模型更轻量化；（2）中间层添加辅助分类器弥补由于模型精简带来的特征损失；（3）将改进的多融合池化层代替原有单一池化层，使得特征提取内容更丰富。随机选取3 298张热红外图像（66头奶牛）作为实验对象，并设置多组对比实验，结果表明: 与传统ResNet34相比改进后ResNet34模型分类准确率提高3.4%，基于改进ResNet34并融合迁移学习和数据增强的模型验证准确率达到90.3%，测试准确率为88.4%，分类时间仅需3.39×10-3 s。为了保证实验数据集的样本独立性，进一步将奶牛个体数量按照3∶1∶1划分为训练集、验证集和测试集，测得模型测试准确率达到80.3%，证明所提出模型具有很好的鲁棒性。根据测试结果，计算出模型查准率为91.2%、查全率为91.6%、F1分数为91.4%，与前人所做实验相比准确率提高了5.1%，特异度提升5.3%。该研究方法可以为初期奶牛乳腺疾病筛选和医学诊断提供辅助和参考。
2023 Vol. 43 (01): 280-288 [摘要] ( 185 ) RICH HTML PDF (4504 KB)  ( 123 )
289 基于多任务卷积神经网络的红外与可见光多分辨率图像融合
朱雯青1，2，3，张 宁1，2，3，李 争1，2，3*，刘 鹏1，3，汤心溢1，3
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0289-08
红外与可见光图像融合一直是图像领域研究的热点，融合技术能弥补单一传感器的不足，为图像理解与分析提供良好的成像基础。因生产工艺以及成本的限制，红外探测器的分辨率远低于可见光探测器，并在一定程度上因源图像分辨率的差异阻碍了实际应用。针对红外与可见光图像分辨率不一致的问题，提出了用于红外图像超分辨率重建与融合的多任务卷积网络框架，应用于多分辨率图像融合。在网络结构方面，首先设计了双通道网络分别提取红外与可见光特征，使算法不受源图像分辨率的限制；其次提出了特征上采样模块，先用双线性插值方法增加像素个数，再通过多层感知器精细化拟合像素平滑空间与高频空间的映射关系，无需重新训练模型即可实现任意尺度的红外图像上采样；接着将线性注意力引入网络，学习特征空间位置间的非线性关系，抑制无关信息并增强网络对全局信息的表达。在损失函数方面，提出了梯度损失，保留红外与可见光图像中绝对值较大的滤波器响应值，并计算该值与重建的融合图像响应值的Frobenius范数，无需理想的融合图像作为真值监督网络学习就能生成融合图像；此外，在梯度损失、像素损失的共同作用下对多任务模型进行优化，可以同时重建融合图像和高分辨率红外图像。算法在RoadScene数据集上进行训练，与其他4种相关算法在TNO数据集上进行对比，主观性能上该方法可以输入任意分辨率的源图像，融合图像红外目标突出、可见光细节纹理丰富，在源图像分辨率相差较大时能重建特征清晰的高分辨率红外图像，模型泛化性能强；客观性能上在信息熵、差异相关性总量、空间频率等多个评价指标上表现优异，结果表明重建的融合图像信息丰富、信息转化率高、清晰度高，验证了算法的有效性。
2023 Vol. 43 (01): 289-296 [摘要] ( 163 ) RICH HTML PDF (6353 KB)  ( 125 )
297 典型伪装材料高光谱特征及识别方法研究
胡怡斌1，包妮沙1，2*，刘善军1，2，毛亚纯1，2，宋 亮3
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0297-06
针对某些特定环境下，伪装目标和背景目标出现的“异物同谱”现象，传统的可见光及多光谱遥感伪装识别存在局限性，为此，将高光谱应用到典型伪装材料的特征分析与识别。以北方地区常用丛林迷彩伪装网为研究对象，利用SVC HR1024光谱仪获取其不同浸水时间的可见光-近红外光谱，通过光谱相似性度量和包络线去除处理，分析揭示不同浸水条件下伪装网和北方典型植被光谱特征和敏感波段，并基于近红外波段构建光谱比值指数RCI，用于识别绿色植被环境中的伪装目标，最后通过高光谱成像实验获取仿真伪装环境高光谱图像，并利用高光谱图像对识别效果进行验证。结果显示：（1）不同浸水时间的丛林迷彩伪装网的光谱曲线基本形态相似，且反射率随浸水时间的增加而整体呈下降趋势；1 900 nm波段是伪装网反射光谱对含水量响应最为明显的波段，其光谱特征会因浸水处理而相似于植被，相似度从0.895提高到了0.939。（2）丛林迷彩伪装网和植被在可见光波段的相似度较高，光谱波动情况相似，但在近红外波段光谱特征差异明显。通过包络线统去除分析得出970，1 190和1 440 nm波段附近处是丛林迷彩伪装网识别的敏感波段，且基于迷彩伪装网和各植被在900~1 900 nm波段范围内存在的2处明显反射率斜率的差异，构建了伪装网识别特征指数RCI1(R1 190/R1 270)和RCI2(R1 270/R1 440)。（3）基于RCI指数构建决策树分类模型，可以快速有效的将伪装目标从绿色植被背景中提取出来。实验结果表明，基于RCI指数对伪装目标区域进行识别提取，所得结果在形态和大小上与原影像具有较好地一致性，识别精度可达95%，表明该指数对于伪装目标具有较好的识别效果。
2023 Vol. 43 (01): 297-302 [摘要] ( 239 ) RICH HTML PDF (3655 KB)  ( 166 )
303 基于改进U-Net++和近红外光谱技术的羊毛含量快速定性分析方法研究
冷思雨1，2，乔嘉慧1，王连庆3，王 军1，2 *，邹 亮1
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0303-07
羊毛制品因其柔软、保暖性好等优点广受欢迎，羊毛含量是衡量这类产品质量的重要依据。目前市场上羊毛制品质量参差不齐，传统检测方法具有破坏性大、主观性强等缺点，已无法满足实时快速评估目标羊毛制品质量情况的需求。近红外光谱技术是一种无需破坏样品结构、可模型封装操作的快速测量方法。将近红外光谱技术和深度学习技术融合，提出了一种基于注意力机制和U-Net++网络的羊毛含量快速定性分析方法。在数据准备方面，使用手持便携式光谱仪采集羊毛制品样本的光谱数据，其波段范围为908.1~1 676.2 nm，并根据其含量的不同对原始样本进行了等级划分。为减少光谱采集方式对建模数据集的影响，针对同一样本在距探头5，6，8，9和19 mm 5种高度，分别采集了5次光谱数据，并使用马氏距离法剔除异常样本，最终共5 125组光谱数据用于建模。在模型选择方面，U-Net++网络可通过下采样、跳跃连接和上采样等环节实现对光谱数据的特征提取，并进一步对样本进行分类预测。然而，该网络使用了大量密集的跳跃连接，易产生模型参数冗余、低层特征被重复使用等问题。鉴于此，在原始网络的基础上引入了注意力门控模块，可以更有效地提取特征信息，提高预测精度。建模过程中，将羊毛制品样本90%的光谱数据用于训练和验证，10%的数据用于测试。实验结果表明，基于U-Net++网络的预测模型在独立测试集上的准确率为93.59%，召回率为93.53%，精确率为94.24%，其性能超过了多种传统分类模型。同时，与U-Net，Attention U-Net等其他U-Net系列网络模型相比，所提出的分类模型的各项评价指标也高于上述网络模型，验证了跳跃连接和注意力门控模块的效果。基于近红外光谱技术，构建了Attention U-Net++模型，为羊毛含量快速无损检测提供了一种新思路，具有一定的理论和实际意义。
2023 Vol. 43 (01): 303-309 [摘要] ( 194 ) RICH HTML PDF (2027 KB)  ( 178 )
310 面向近红外光谱定量分析的深度学习建模与模型迁移
傅鹏有1，2，文 岳2，张雨柯3，李灵巧1*，杨辉华1，2*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0310-10
近红外光谱分析技术依赖于表征光谱向量和预测目标之间关系的化学计量学方法。然而，样品的光谱由信号和各种噪声组成，传统化学计量学方法较难直接提取光谱的有效特征，并为复杂的预测任务建立具有较强泛用性的校正模型。进一步地，受限于仪器间的差异，在一台仪器上建立的模型应用于另一台仪器时，难以取得相同的定量分析结果。为此，提出了一种基于卷积神经网络和迁移学习的定量分析建模及模型传递方案，以提高模型在单仪器和跨仪器上的预测性能。在卷积神经网络的基础上，一种结合多尺度特征融合和残差结构，名为MSRCNN的先进模型被设计，并在主仪器上展现了卓越的预测能力。然后，设计了四种的基于fine-tune模型迁移策略，将在主仪器上建立的MSRCNN模型迁移到从仪器。在药品和小麦的公开数据集上的实验结果表明，MSRCNN在主仪器上的RMSE和R2分别为2.587，0.981和0.309，0.977，优于PLS，SVM和CNN。在利用30个从仪器的样本微调主仪器建立的模型后，迁移MSRCNN中的卷积层和全连接层的方案取得了最好效果，其RMSE和R2可分别达到2.289，0.982和0.379，0.965。增加参与模型微调的从仪器样本，可进一步提高性能。
2023 Vol. 43 (01): 310-319 [摘要] ( 354 ) RICH HTML PDF (4370 KB)  ( 423 )
320 基于银纳米粒子的局域表面等离子体共振效应提高草甘膦基于茚三酮间接检测的灵敏度
徐梦蕾1，2，高 宇3，朱 琳1，韩晓霞1，赵 冰1*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0320-04
常规的农药残留检测一般存在前处理操作复杂，耗时较长，方法不够灵敏等问题。根据氨基与茚三酮显色原理和局域表面等离子体共振（LSPR）增强光吸收原理，利用紫外-可见吸收光谱对水样品中草甘膦含量进行定量分析，并利用密度泛函理论进一步分析了显色的类似罗曼紫产物的光吸收增强机理。草甘膦与茚三酮在钼酸钠催化下反应生成类似罗曼紫产物；该物质在紫外–可见吸收光谱570 nm处有最大吸收峰，当其吸附在银纳米粒子（Ag NPs）表面上时，最大吸收峰蓝移至568 nm处，同时吸收强度显著提高；本研究中检出限为2.017 4×10-11 mol·L-1，显著低于文献中约6.5×10-7 mol·L-1的检出限。Gaussian 09软件计算得出，类似罗曼紫产物经由茚三酮的C═O基团垂直吸附在Ag NPs表面，静电势表明茚三酮的C═O基团优先与Ag稳定相互作用并形成Ag—O键，C═O基团和C—N基团构成了π键共轭系统；连接草甘膦和茚三酮之间的C—N键是类似罗曼紫产物的生色团。因此，茚三酮衍生法可用于间接检测水样品中草甘膦，银纳米粒子LSPR效应增强了光吸收强度，比常规方法具有更高的灵敏度。
2023 Vol. 43 (01): 320-323 [摘要] ( 145 ) RICH HTML PDF (1382 KB)  ( 68 )
324 丁香精油抗LDL糖基化活性及其主要成分—丁香酚与牛血清白蛋白的相互作用
李金芝1，刘常金1，4*，佘智煜2，周 飚2，谢志勇2，张军兵3，江慎华2，4*
DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)01-0324-09
实验室前期研究结果表明，在国家规定的药食两用物品名单中，丁香抗氧化活性最强。前人发现天然产物的抗氧化功能与抗糖基化活性息息相关。因此，目的是在此基础上进一步对丁香精油（clove essential oil，CEO）的抗糖基化活性及其中含量最高的组分—丁香酚（Eugenol）与牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）的相互作用进行研究。在低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）的非酶糖基化孵育体系中，光谱测定结果表明CEO对LDL糖基化早期、中期和末期产物的生成均具有显著的抑制效果，且对末期产物的抑制作用最强。采用气相色谱-质谱联用技术（gas chromatography mass spectrometry, GC-MS）对CEO分析发现，CEO中含量最多的组分是丁香酚。通过多光谱和分子对接对丁香酚与BSA的相互作用研究发现，紫外-可见（ultraviolet-visible, UV-Vis）光谱表明丁香酚与BSA之间存在相互作用；在荧光发射光谱中，随着丁香酚浓度增加，BSA的荧光强度逐渐增强且发生蓝移，进一步证明了二者之间存在相互作用。通过计算不同温度下的结合常数发现，丁香酚与BSA产生相互作用过程中有热力学过程参与，热力学参数和位点标记竞争试验表明丁香酚通过氢键和范德华力与BSA在位点Ⅰ结合。随着丁香酚浓度增加，丁香酚与BSA混合体系的同步荧光（synchronous fluorescence，SF）、三维荧光（three-dimensional，3D）和傅里叶变换红外（Fourier transform infrared，FTIR）光谱的信号强度在发生变化的同时也发生了位移，表明丁香酚的添加使BSA构象发生了改变。通过分子对接技术进一步验证了丁香酚与BSA间相互作用的试验结果。该研究为丁香进一步开发应用提供理论支持。
2023 Vol. 43 (01): 324-332 [摘要] ( 175 ) RICH HTML PDF (4238 KB)  ( 59 )

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