光谱学与光谱分析

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2024年 44卷 04期刊出日期：2024-04-01

论文

论文

	901	飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展
		云胜^1，2，章媛^1，4，张盛⁴，张志斌^1，4，邓岩岩^1，2，田亮³，刘照虹^1，2，刘硕^1，2，张勇²，王雨雷^1，2，吕志伟^1，2，夏元钦^1，2，4*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0901-09
		当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中，火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度，获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率，改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展，各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期，此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量，近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟，并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率（每秒可提供上千个测温数据）、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理，综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展，简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用，着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理和应用进展。指出了三种测温技术的优缺点，并提出飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术目前需要关注并解决的技术问题，主要为在高温高压湍流燃烧等极端条件下实现高精度CARS光谱高保真反演出温度信息，以及高温高压湍流燃烧场极端条件下如何获得高信噪比CARS信号的问题。展望了今后的发展趋势：通过高时间分辨的测量，获得湍流火焰中温度的瞬时演化规律，并建立各种复杂火焰的温度演化信息数据库，为研究各种发动机机理提供支撑。
		2024 Vol. 44 (04): 901-909 [摘要] ( 126 ) RICH HTML PDF (12626 KB) ( 243 )

	910	基于CiteSpace软件分析的太赫兹超材料器件研究
		戴林林¹，苏晋¹，寇菲菲^1，亓丽梅^1，2，孙丹丹¹，石丹¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0910-08
		超材料具备天然材料没有的电磁性质，基于超材料的太赫兹（THz）功能器件在生物分子检测、医学成像、安全检查等领域都具有广泛的应用前景。采用CiteSpace软件对2016年—2023年web of science网站上有关太赫兹超材料功能器件的参考文献进行了可视化分析，综述了THz超材料功能器件的研究进展、热点领域，并对其发展前景进行了预测，从而为从事相关研究的工作人员提供借鉴。此次分析共检索到紧密相关文献2 159篇。论文从发表文献的国家、机构和作者贡献、被引次数和关键词聚类等多方面分别进行了分析和讨论。得到了最近几年THz超材料功能器件的研究领域，主要包括吸波器、滤波器、电磁诱导透明、调制器、非对称传输、波前调控、编码超表面、机器学习、生物传感和量子纠缠超表面等。研究发现在THz超材料功能器件领域，中国发文量占所有文章总数的50%以上，英国、中国、美国这三个国家的影响力最高。通过对科研机构的合作网络分析，发现发文量排名前十位的科研机构均是中国单位，其中天津大学发文量占据第一位。通过对论文作者的共现分析和共被引分析，可以分别统计出作者的发文数量和影响力。为进一步研究THz超材料功能器件的研究热点，对关键词进行了聚类分析，得到了11个集群，总结了5个关键研究领域。最后给出了研究领域的分布图，以知识树的形式分析了各个领域的发展现状。其中吸波器、滤波器、调制器、电磁诱导透明等领域已经研究成熟。生物传感、非对称传输、天线等领域处于发展阶段，并逐渐成熟。机器学习、量子纠缠超表面成为未来的研究热点。
		2024 Vol. 44 (04): 910-917 [摘要] ( 113 ) RICH HTML PDF (12925 KB) ( 117 )

	918	基于CRISPR-Cas系统的光学信号传感检测策略综述
		刘思彤，黄朝鹤，罗美玉，王桢，陈虹铮，张钰婕，裴晓静^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0918-07
		簇状规则间隔短回文重复序列（CRISPR and CRISPR-associated system，CRISPR-Cas系统）是在大多数细菌和古菌中发现的一种获得性免疫系统，由Cas酶和引导RNA （guide RNA，gRNA）组成，根据gRNA序列的特异性识别并剪切靶标DNA或RNA。近年来，得益于CRISPR-Cas系统优异的酶切活性，建立了多种生物传感技术（biosensor），光学信号传感策略简单、便携，广泛应用于科学研究和实际应用中。详细总结了近五年来基于CRISPR-Cas系统的各种光学传感策略的基本原理以及代表性成果和应用。同时，也对当前的应用前景和挑战进行展望。
		2024 Vol. 44 (04): 918-924 [摘要] ( 141 ) RICH HTML PDF (5062 KB) ( 330 )

	925	基于大口径高温固定点黑体的光谱辐射照度国家基准量值复现新方法
		代彩红，王彦飞^*，李玲，吴志峰，谢一航
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0925-07
		采用国际前沿的大口径高温固定点黑体新技术，中国计量科学研究院NIM（National Institute of Metrology）组建了大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体辐射源，在3 020.11 K的融化点温度，实现了250～2 500 nm光谱辐射照度、相关色温和分布温度基准的量值复现。这是国际上首次将大口径高温固定点黑体技术成功应用于光谱辐射度基准复现领域。针对大口径固定点黑体熔化温坪曲线的特点、以及测量期间温坪曲线中间部分缺失的问题，提出了固定点熔化温坪拐点温度计算新方法，重构了缺失的熔化温坪曲线。采用光谱比较法，通过双光栅光谱比较测量系统将黑体的量值传递至光谱辐射照度副基准灯组，完成光谱辐射照度基准量值的复现和保存。新的量值复现方法将黑体温度的测量不确定度减小为0.36 K，缩短了量传链，实现光谱辐射照度最佳测量不确定度0.25%（k=2）。在250～2 500 nm，基于固定点新方法和传统变温黑体法进行量值复现的平均偏差为0.42%，将两种方法相结合，最终实现我国光谱辐射照度基准的测量不确定度（k=2）为：250～400 nm，U_rel=1.9%～0.43%；400～1 000 nm，U_rel=0.43%～0.25%；1 000～2 200 nm，U_rel=0.25%～0.76%；2 200～2 500 nm，U_rel=0.76%～2.4%。基于固定点黑体的光谱辐射照度量值复现技术已经应用于遥感仪器的辐射定标，用于提升仪器的测量准确度。
		2024 Vol. 44 (04): 925-931 [摘要] ( 101 ) RICH HTML PDF (11067 KB) ( 75 )

	932	用于大尺度模型发动机高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统
		曹振^1，2，于欣^1，2，彭江波^1，2*，柳强³，杨顺华⁴，张顺平⁴，赵延辉⁴，李沛霖³，高龙^1，2，张善春^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0932-05
		针对大尺度模型发动机试验台工作时间短（~百毫秒到秒量级）和激光能量要求高（＞1 mJ）的特点，常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求，要求用于高频平面激光诱导荧光（PLIF）测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和激光输出能量高，并且系统具有高可靠性和环境适应性。设计了一套用于真实发动机地面试验台高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统，能够获取有效的火焰动力学数据。脉冲串紫外激光系统采用自主研制的脉冲串模式激光器泵浦染料激光器，具备能量监测、波长监测和片光分布监测等功能，可以校正激光参数对测量结果的影响。其中脉冲串模式激光器采用电光调Q、脉冲串模式和MOPA技术，使输出的泵浦激光具有高脉冲能量（~50 mJ@532 nm）、短脉冲宽度（~10.8 ns）和较高的脉冲串频率（20 Hz）。脉冲串紫外激光系统的串时间间隔为50 ms，是国外激光器脉冲串间隔时间的1/200；系统整体转换效率为6%，紫外单脉冲能量为2.95 mJ@283 nm，是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍。为满足发动机地面试验台测量需求，自主集成了工程可用的高可靠性移动式10 kHz PLIF测量系统，具有抗震、防潮和防尘等功能，提升了高频PLIF系统的环境适应能力。国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上实现了大尺度模型发动机燃烧流场远距离大视场成像测量（~15 cm），获得了高信噪比的氢燃料及乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果。未来可结合光谱图像特征提取与分析方法对其燃烧状态和动态过程开展研究，为发动机复杂流动燃烧机理研究、CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。
		2024 Vol. 44 (04): 932-936 [摘要] ( 97 ) RICH HTML PDF (10536 KB) ( 30 )

	937	地面目标的中波红外高光谱成像特性测量
		江岳鹏，曹运华^*，吴振森，曹轶森，胡绥靖
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0937-08
		利用Telops公司设计的Hyper-Cam中波高光谱成像仪对水泥地上某坦克模型进行3~5 μm波段的红外高光谱成像测量。对实验数据进行了逐像素点的大气校正。基于矫正后的实验数据，分析了仪器误差、随机误差、大气校正传递误差等对测试不确定度的影响。分析了该坦克模型在不同谱段上的亮度分布和模型上不同部位的光谱分布特性。结果表明：在波数为2 000～3 000 cm^-1波段，其相对不确定度一直稳定在10％以内，但是在大于3 000 cm^-1的波段，其误差迅速上升，主要因为常温物体的中波辐射低，在该波段目标辐射与大气路程辐射接近，而引起的噪声增大，造成的测试信噪比降低。该坦克模型光谱辐射亮度测试数据的平均相对不确定度在20％以内，整体误差较低。光谱分布上，坦克各部分特征点和水泥地表的光谱辐射亮度在波长为4.2~5 μm波段时的差异性比波长为3.0~4.2 μm波段时的差异性更大，且探测器接收到的4.2~5 μm波段的光谱辐射亮度要大于3.0~4.2 μm的光谱辐射亮度。由于4.3 μm波段处于大气吸收带，大气透射率几乎为0，以至于无法获得目标的光谱辐射亮度的真实测量值。空间分布上，模型的辐射亮度主要集中在侧边涂层上，炮口处和履带处的辐射亮度较小。目标各部位辐射亮度分布与周边水泥地表的辐射亮度有着明显差异性。在3~5 μm的辐射亮度中，4.4~4.8 μm波段的辐射亮度占比较高，该波段成像效果最好。3.2~3.8 μm波段的辐射亮度占比较低，该波段成像效果较差。处于大气吸收带的4.2~4.4 μm波段，由于大气透射率几乎为0，无法获得其准确的空间辐射亮度分布。研究表明该拓展中波高光谱成像仪在地面目标的中波红外高光谱成像特性研究上具有目标区分精确、误差小、“图像光谱合一”的特点，测试数据可以应用于目标的红外高光谱隐身设计、目标的分类与识别等领域。
		2024 Vol. 44 (04): 937-944 [摘要] ( 87 ) RICH HTML PDF (20891 KB) ( 147 )

	945	基于EAST束发射光谱的中性束衰减特征研究
		李建康^1，2，符佳^2*，向东¹，吕波²，尹相辉¹，李颖颖³，王进芳²，傅盛宇²，李义超²，林子超²，路兴强^1，4
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0945-07
		中性束注入（NBI）是托卡马克装置重要的辅助加热与电流驱动手段，中性原子的离化是决定中性束的加热（能量和粒子沉积剖面）和电流驱动效率的关键环节。通常情况下，利用背景等离子体参数与中性束参数模拟计算快的中性粒子与等离子体的离化，即中性束沉积过程，进而分析托卡马克中性束加热和电流驱动效果。束发射光谱是高能中性粒子注入等离子体后，与等离子体的电子、离子发生碰撞激发，中性粒子退激发过程中产生的一系列特征谱线，其束发射光谱强度受等离子体密度、温度、束能量、束密度等因素影响，可以利用束发射光谱强度变化研究中性束的衰减特性。在EAST托卡马克上通过实验测量中性束粒子与等离子体碰撞激发的光谱强度，分析得到了中性束在不同等离子体密度以及不同中性束能量下的衰减特性，并采用主动束光谱仿真与数值分析软件（SOS）进行了相应的模拟计算，研究表明实验测量与模拟计算结果两者具有较好的一致性，这验证了通过实验测量束发射光谱获取中性束衰减特征的可行性。
		2024 Vol. 44 (04): 945-951 [摘要] ( 117 ) RICH HTML PDF (5649 KB) ( 78 )

	952	时间分辨动态LIBS测量方法
		张振荣，方波浪，李国华，叶景峰，王晟
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0952-04
		针对激光诱导击穿光谱（LIBS）研究对时间分辨动态光谱测量方法的需求，建立了基于多通道光纤束的动态LIBS测量方法。该方法首先利用不同长度的光纤组成多通道光纤束，对瞬态LIBS信号进行差异延迟，使按照特定时间序列发射的光谱信号同步到达探测器，而后采用面阵ICCD相机对同步到达的多通道光谱信号进行高时间分辨探测。该方法单次测量即可获得LIBS辐射不同时刻的时间分辨光谱。为了验证基于多通道光纤束的动态LIBS测量方法，研制了具有19个通道的光纤束，光纤束中包含的各个单根光纤长度呈等差数列排布，长度差设置为10 m，对应测量的时间间隔约为50 ns，单次测量记录的总时间长度近900 ns。分别基于短脉冲激光光源和标准光源，开展了系统时间响应和光谱响应特性研究，获得了系统的时间响应数据和光谱响应曲线。用YAG激光器的二倍频激光（532 nm）诱导Si产生等离子体辐射光谱，在线测量了辐射光谱的时间演化历程，获得了Si等离子体辐射过程中Si Ⅰ 390. 52 nm, Si Ⅱ 385. 51 nm, Si Ⅱ 413. 12 nm谱线从0～898 ns时间范围内19个时刻的光谱信息，获得了特征光谱的演化规律，验证了该测量方法的可行性。结果表明，利用该测量方法，单次测量可以获得瞬态LIBS辐射过程中19个时刻的光谱参数，具有很高的测量效率。对于实验成本较高、运行频率低的激光诱导等离子体实验研究，采用该方法可以大大降低了测量成本，有效提升等离子体时间分辨动态光谱测量能力。
		2024 Vol. 44 (04): 952-955 [摘要] ( 105 ) RICH HTML PDF (3262 KB) ( 262 )

	956	混合颗粒系蒙特卡罗消光模型及反演方法
		黄茜，苏格毅，孙存金，邓飞，陈军，杨荟楠，苏明旭^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0956-07
		在单一颗粒系中，消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和Lambert-Beer(LB)定律。但多种颗粒物构成的混合颗粒系的消光特性更为复杂，颗粒粒径与混合比均会影响消光谱，需要发展新的理论模型。作者设计一种蒙特卡罗(Monte Carlo，MC)原理的混合颗粒系消光模型，将入射光束离散化成光子，通过追踪其从发射至接收/逃逸过程中所有事件，统计光子去向并研究混合颗粒系的消光特性。为了验证蒙特卡罗模型的准确性，分别对聚苯乙烯和玻璃微珠单一颗粒系中消光谱进行数值计算，结果与Lambert-Beer定律预测误差小于2%。进一步将模型扩展至由聚苯乙烯和玻璃微珠构成的混合颗粒系，其消光谱随玻璃微珠占比(混合比)增大而依次递增，直至混合比为1时退化为单一颗粒系，而波长减小时，消光随混合比变化趋势由线性向非线性转变，两种颗粒自身消光特性差异越大则非线性趋势越明显，说明混合系消光值由颗粒类型、混合比、颗粒粒径和光波长共同决定且相互耦合。根据预测消光谱，采用三种全局最优算法对混合颗粒粒径和混合比参数反演。结果表明：混合比单参数反演结果的误差最小，均在1.5%以内；对两种颗粒粒径进行双参数反演时，误差均在3%以内；对两种粒径和混合比进行三参数同步反演时，误差增大，但均在10%以内。综合分析三种反演算法，PSO算法耗费时间最长，是其他算法的数倍，IGA算法效果较好且更加稳定。初步验证了设计的蒙特卡罗模型可应用于混合颗粒系的消光谱预测，实现了两种颗粒粒径与颗粒系混合比的同步反演。
		2024 Vol. 44 (04): 956-962 [摘要] ( 103 ) RICH HTML PDF (4172 KB) ( 23 )

	963	空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究
		王新强^1，3，王祯^1，3，梁秋裕^1，3，熊伟^2，4，李志伟^2，4，叶松^1，3，甘永莹^1，3，王方原^1，3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0963-06
		空间外差光谱技术（SHS）作为新型高光谱分析技术，被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域，但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差，使干涉图数据不准确，需要进行误差校正。在卫星平台下，由于与地面环境的巨大差异，导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用，特别是调制项误差（相位误差和非均匀误差）的改变，极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差，从光谱与干涉图两个方面入手，进行误差分离与原因分析，认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化，提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪（GMI）实测的12条O₂吸收光谱。取其中一条作为标定光谱，以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准，与标定光谱进行对比，分析两者在光谱维的频率偏差，通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸，使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合，计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图，将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正，得到校正后光谱。为了衡量校正效果，以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低，同时信噪比显著增大，且标准差基本都在0.07以下，信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱，标准差减少了0.376 7，信噪比提高了25.101 6，均方误差降低了0.158 7，校正效果较差的实测光谱，标准差减少了0.229 6，信噪比提高了9.632 8，均方误差降低了0.104 9。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果，且处理过程简单，为同类数据的处理提供了一种新思路。
		2024 Vol. 44 (04): 963-968 [摘要] ( 94 ) RICH HTML PDF (5644 KB) ( 56 )

	969	一种自适应的三维荧光光谱去散射方法
		伍卓慧^1，3，黄冰佳^1，3，李学勤^1，3，王晓萍^1，2，3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0969-08
		三维荧光光谱因其数据量大、灵敏度高等优点，在食品科学、分析化学、生物化学和环境科学等领域应用广泛。然而，因为同时存在瑞利散射和拉曼散射，给三维荧光光谱的定量分析和数据显示带来了困难。因此，在数据处理前期，消除散射干扰对其具有重要意义。在已有方法中，对较低浓度溶液和散射峰与物质荧光信号重叠严重光谱的去散射算法的研究相对空白。针对现有问题，提出了一种自适应的三维荧光光谱去散射方法。首先，该方法通过减去每次实验获取的溶剂的光谱基线来校正拉曼散射和背景干扰。然后综合考虑散射峰与物质峰的荧光强度和重叠程度将光谱分为五类情况对应三个重叠等级：无重叠、微弱重叠和严重重叠，分别采用置零法、分段三次Hermite插值多项式算法和高斯拟合-分段三次Hermite插值多项式耦合算法对瑞利散射进行校正处理。此方法基于一维插值，仅对单个发射光谱进行研究，降低了算法复杂度，计算时间较短。通过对酪氨酸、黄腐酸、萘乙酸和罗丹明B四种典型有机化合物进行实验，评估了该方法扣除散射干扰的有效性。并且与现阶段研究中使用最多的Delaunay三角形内插值法进行比较，以重叠区域散射校正后的数据对四种有机化合物分别进行浓度回归，此自适应方法所得的平均决定系数为0.996 2，相比于Delaunay三角形内插值法提高了5.04%。同时，通过对比天然有机化合物黄腐酸分别经此方法和Delaunay三角形内插值法进行散射校正后的三维荧光光谱，进一步证明了该方法更好地保持了物质荧光光谱区域的结构特征，有效地避免了过拟合现象的发生。最后，利用该方法对模拟突发污染水样进行监测，验证了此方法具有很好的普适性，有实际应用价值，为三维荧光光谱去散射提供了一种新的思路。
		2024 Vol. 44 (04): 969-976 [摘要] ( 118 ) RICH HTML PDF (13183 KB) ( 91 )

	977	LASSO-LSSVM与激光诱导击穿光谱技术结合提高铝合金中Mn成分检测精度研究
		戴宇佳¹，高勋^2，刘子源^1
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0977-06
		铝合金作为一种重要的航空航天装备材料，其元素含量是决定铝合金材料质量和性能的关键因素，其组成成分的多样性对铝合金的铸造、冶炼以及回收分类有较大的影响，其中Mn是铝合金中的重要元素，能够止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度。铝合金成分的定量测定是合金成分在线检测的重要组成部分。信号波动（激光能量波动、等离子体不稳定性、样品不均匀性等）和自吸收效应对激光诱导击穿光谱（LIBS）技术测定铝合金中微量元素有一定影响。为了消除自吸收效应和信号波动所引起的偏差，提出了一种利用LIBS技术结合LASSO-LSSVM机器学习法检测铝合金材料中微量元素含量的新方法。利用最小绝对收缩和选择算子（LASSO）模型对光谱特征向量进行选择，降低光谱数据的维度从而与训练样本相匹配，降低了过拟合风险，有效提取表征LIBS光谱最重要的特征。利用最小二乘支持向量机（LSSVM）模型对LASSO所选择的特征光谱进行训练，分析结果与内标法和偏最小二乘回归（PLSR）相比，LASSO-LSSVM回归模型的精度和准确性都有所提高，其中，Mn元素回归曲线的相关系数（R²）从74.62%提高到99.29%，平均相对误差（ARE）从22.38%降低到3.56%，训练集均方根误差（RMSEC）从0.66 wt%降低到0.040 wt%，测试集均方根误差（RMSEP）从0.58 wt%降低到0.042 wt%。LASSO-LSSVM回归模型适用于复杂、不确定性较高的高维光谱数据，能够大大降低输入光谱数据的维数和冗余信息，因此，该模型减少了LSSVM的过拟合问题。研究结果表明，LIBS技术和LASSO-LSSVM回归模型的结合可以有效改善LIBS技术对于铝合金材料的定量分析性能，是一种简单、可靠、高精度检测合金含量的新方法。
		2024 Vol. 44 (04): 977-982 [摘要] ( 103 ) RICH HTML PDF (2237 KB) ( 32 )

	983	北京先农坛建筑彩画颜料的光谱学研究
		马峻杰，李岩，吴福容，何康，王凤平^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0983-08
		北京先农坛是明清时期皇家祭祀建筑的重要历史遗迹，是中华民族传统重农思想的传播载体，见证着中华文化源远流长。在自然和人为因素的长期影响下，先农坛建筑彩画出现了烟熏、剥落等多种病害，亟待保护。为了获取先农坛建筑彩画中的物质成分信息以支撑彩画的保护修复工作，应用便携式拉曼光谱仪、便携式X射线荧光（XRF）对先农坛具服殿中三幅具有代表性的建筑彩画进行无损分析，结合显微拉曼光谱、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）等方法对残片的分析，成功获得了绘制彩画所用颜料的主要成分。结果表明，三幅彩画的打底材料均含有碳酸钙，金龙图案表面有金箔留存。此外，在原始彩画中使用了朱砂、铅丹、铅白、氯铜矿和靛蓝等颜料；修复彩画中除上述朱砂、铅丹、铅白外，在金龙图案区域检测到了铅丹和雌黄的混用，且所用蓝色和绿色颜料分别为群青和巴黎绿，这与原始彩画中所使用的颜料不同；在重绘彩画中鉴别出多种近代合成颜料，如钛白、铬黄、苏丹红Ⅰ、酞菁绿、群青、亮红色β-萘酚等。根据颜料的使用情况结合史料记载，确定了三幅彩画的绘制时期分别为1754年、1860年以及1997年左右。由于缺乏对原始彩画中所用颜料的了解，导致后期修复的彩画所用颜料与原始彩画不同。该研究不仅有助于建筑彩画保存历史的判断，更为彩画的保护提供了可靠依据，对后续的保护和修复工作具有重要的指导意义。
		2024 Vol. 44 (04): 983-990 [摘要] ( 100 ) RICH HTML PDF (11546 KB) ( 82 )

	991	红外光谱的不同产地黑果腺肋花楸果实鉴别
		杨承恩^1，2，李萌³，王天赐^1，2，王金玲⁴，李雨婷^2，苏玲^1
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0991-06
		黑果腺肋花楸是已被列入新食品原料名单中的小浆果，富含花青素等成分，在酒类、饮料、功能食品、化妆品等领域广泛应用，具有较高的经济价值。因受不同产地气候等环境因素及种植条件的影响，黑果腺肋花楸果实品质差异明显。为规范黑果腺肋花楸果品市场管理，以中红外光谱技术结合化学计量学方法对不同产地黑果腺肋花楸果实进行鉴别。采集15个产区共750份黑果腺肋花楸果实红外光谱数据，采用K-S样本划分法，按4∶1比例将样本划分为训练集和测试集，并进行多元散射校正（MSC）、标准正态化（SNV）、移动平滑（SG）、一阶导数（FD）、二阶导数（SD）等光谱预处理，与原始光谱进行支持向量机（SVM）建模识别效果对比，确定最佳光谱预处理方法，同时对最佳光谱数据进行归一化处理。采用竞争性自适应重加权算法（CARS）和连续投影算法（SPA）提取光谱特征信息，并结合随机森林（RF）、极限学习机（ELM）、支持向量机（SVM）、偏最小二乘-判别分析（PLA-DA）进行建模对比，确定最佳模型。结果表明，MSC为最佳光谱预处理方法，MSC-SVM训练集识别率为93.33%，测试集识别率为92.67%，能有效减少光谱采集时产生的随机误差。经CARS、SPA提取MSC特征光谱波长，进行4种算法的建模结果对比，确定SPA-SVM模型为最佳识别模型，其训练集与测试集识别率均为100%，且仅需16个波长点即可完成准确识别。红外光谱结合化学计量学方法，尤其是SPA-SVM模型，可准确鉴别黑果腺肋花楸果实产地，为黑果腺肋花楸果实产地溯源、质量评价提供快速、简便的方法支撑，为打造地区特色品牌提供技术基础。
		2024 Vol. 44 (04): 991-996 [摘要] ( 104 ) RICH HTML PDF (4542 KB) ( 175 )

	997	基于高光谱数据的地表水化学需氧量反演
		王雪映^1，2，刘适搏⁴，朱继伟^1，3*，马婷婷³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0997-08
		化学需氧量（COD）是地表水质量评价的重要指标。传统的COD检测方法存在需使用有毒试剂、易造成二次污染等缺点，高光谱法可避免上述缺点，在COD检测方面有着广阔的应用前景。为了探索在室内利用高光谱技术反演地表水COD浓度的可行性方法，以吉林省内流域的129个地表水样本为研究对象，将样本集以3∶1划分为训练集和测试集，使用高光谱成像系统收集样本的DN值并计算相应的水体光谱反射率，采用导数法进行数据预处理，通过Pearson相关性分析判断光谱数据与COD浓度实测值间的相关程度并提取特征谱数据。利用全谱数据和特征谱数据分别建立基于粒子群算法优化的最小二乘支持向量机（PSO-LSSVM）反演模型，通过决定系数R²、均方差RMSE和相对偏差RPD分析比较这几种模型的预测精度和可靠性。研究结果表明：经过导数法预处理后，地表水COD浓度与光谱反射率的相关性明显增强；利用导数光谱数据建模的预测结果优于用原始光谱数据建模的预测结果；提取特征谱数据所建立的模型比利用全谱数据建立的模型有更好的预测效果。其中采用一阶导数预处理方法并利用特征谱建立的地表水COD浓度反演模型预测结果最好，验证集决定系数R²=0.856 7，均方差RMSE=3.822 9，相对偏差RPD=2.641 4。以上研究初步证实了在室内基于高光谱数据对地表水COD浓度进行反演的可行性，为高光谱技术用于地表水COD检测提供了新的方法和思路。
		2024 Vol. 44 (04): 997-1004 [摘要] ( 130 ) RICH HTML PDF (9611 KB) ( 79 )

	1005	ZnO/ZnSe复合材料的制备、表征及催化特性
		张晓凯¹，蒋瑞枫²，付晓雪²，刘忠民^3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1005-06
		对传统的两步水合热法进行改进，采用更加经济、安全、简便的方法在室温下合成ZnO/ZnSe核壳结构。调节原料比例，实验温度，优化了制备ZnO/ZnSe核壳结构的最佳生长与修饰条件，使其具有良好的分散性，时间稳定性，良好的发光特性。研究采用醋酸锌作为锌源，硒粉作为硒源，通过调整原料比例以及实验温度制备出球形核壳结构的ZnO/ZnSe复合材料, 用透射电子显微镜（TEM），X射线粉末衍射仪（XRD），紫外可见分光光度计(UV-Vis)，光致发光光谱(PL)，X射线光电子能谱(XPS)对晶体结构进行了表征，同时对光催化性能进行了研究。结果表明，改变实验条件，原料比例为Zn∶Se=1.6∶1，温度为80 ℃时生成的ZnO/ZnSe核壳结构对甲基橙溶液有较好的吸光效果。ZnSe过厚的壳层生长会阻碍复合材料对甲基橙的降解效率。实验数据结合理论分析得到了实验最佳条件。
		2024 Vol. 44 (04): 1005-1010 [摘要] ( 99 ) RICH HTML PDF (10736 KB) ( 177 )

	1011	好氧堆肥污泥农用后溶解性有机质释放特征
		时聪慧¹，张瑞昌^1，2，朱书法¹，李欣彤¹，周新全¹，张宁¹，荣亮³，杨丽珍³，魏学锋^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1011-07
		研究污泥农用后溶解有机质（DOM）的释放特征，有助于评价和预测土壤中共存污染物的环境行为和效应。以河南省洛阳市某污泥处理厂好氧堆肥后的市政污泥作为样本，利用扫描电子显微镜（SEM）、总有机碳分析仪、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、凝胶渗透色谱（GPC）、三维荧光光谱（3D-EEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振波谱（NMR）等表征技术，研究污泥农用后释放DOM的浓度、分子量、组成和结构等性质的演变特征。结果表明，污泥还田60 d内，释放的DOM微观形貌上存在较大变化，由致密块状物变为不规则松散物质；污泥农用后释放溶解性有机碳（DOC）量在4.25~6.22 mg·g^-1污泥范围，呈现先上升后稳步下降的趋势；释放过程中，污泥DOM的分子量和芳香性等性质也存在显著的变化：污泥DOM重均分子量由0.5 d时2 674 g·mol^-1的逐渐升高为60 d的129 026 g·mol^-1；污泥还田后释放的DOM分子中芳香性物质逐渐积累；3D-EEM结合平行因子分析（PARAFAC）模型分析污泥释放DOM中的荧光物质，发现DOM中荧光物质主要为类富里酸和类腐殖质，释放过程中，类腐殖质逐渐积累，DOM整体上呈现腐殖化趋势；FTIR图谱表征污泥DOM脂肪族烷烃类物质的减少和芳香烃物质生成。污泥还田后释放DOM数量和性质变化，显著改变土壤中共存污染物环境行为和生态效应。该研究可为评估和预测污泥农用后产生的环境影响提供理论依据，也对市政污泥的资源化利用具有一定指导意义。
		2024 Vol. 44 (04): 1011-1017 [摘要] ( 122 ) RICH HTML PDF (9783 KB) ( 42 )

	1018	基于拉曼光谱结合CNN-LSTM深度学习方法的铁皮石斛总黄酮含量快速检测研究
		刘宗溢^1，2，张彩虹^1，2，蒋健康^1，2，沈斌国³，丁艳菲^1，2，张雷蕾^1，2，朱诚^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1018-07
		铁皮石斛具有很高的商业价值和营养价值，将云南文山、广西金秀、安徽霍山、浙江台州四个产地共130个样品作为研究样本，在785 nm激光下利用便携式拉曼光谱仪获得了铁皮石斛拉曼光谱，采用NaNO₂-Al(NO₃)₃-NaOH比色法测定铁皮石斛总黄酮含量。以每条经过归一化后的拉曼光谱数据作为输入，利用Savitzky-Golay卷积平滑（SG平滑）、标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正（MSC）等不同预处理方法对光谱数据进行处理，以偏最小二乘（PLS）、支持向量机（SVM）和卷积神经网络-长短期记忆神经网络（CNN-LSTM）模型作为比较，竞争自适应重加权采样（CARS）作为波长选择方法，对不同的机器学习模型进行比较研究。采用以下预测质量指标：校正集、测试集相关系数（R_c、R_p），校正集、测试集均方根误差（RMSEC、RMSEP），评价铁皮石斛总黄酮含量预测模型的性能。结果表明：光谱在经过SNV预处理之后，CNN-LSTM方法预测铁皮石斛总黄酮含量准确率最高，R_c、R_p分别为0.983和0.964，RMSEC、RMSEP分别为0.032和0.047 mg·g^-1。结合拉曼光谱建立的SNV-CNN-LSTM深度学习模型准确可靠，具有很强的鲁棒性，优于传统的机器学习模型（PLS、SVM）。利用拉曼光谱结合CNN-LSTM模型对铁皮石斛总黄酮含量进行预测，克服了传统的理化鉴别法的缺陷，具有快速无损的特点。该方法能对铁皮石斛的品质进行区分，并加快药食同源植物市场铁皮石斛产业化，构建自主品牌并增加其影响力，同时此项技术也可应用于消费者和市场监管部门。
		2024 Vol. 44 (04): 1018-1024 [摘要] ( 124 ) RICH HTML PDF (4851 KB) ( 349 )

	1025	光谱技术用于泥炭甲烷发酵残渣腐植酸的影响研究
		路亚楠¹，马力通^1，2，3*，李丽萍¹，李冉冉¹，邓雅卉¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1025-06
		生物甲烷化可能是泥炭低碳转化最有利的方法，为探索泥炭甲烷发酵残渣再利用提取腐植酸，实现泥炭甲烷发酵耦合腐植酸提取新工艺，需要解析碱液对甲烷发酵残渣腐植酸得率、纯度、结构的影响。以草本泥炭为原料，先进行氢氧化钠预处理再甲烷发酵，残渣采用碱溶酸析法提取腐植酸，分别采用氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂和焦磷酸钠萃取，对得到的腐植酸样品进行产率、纯度分析和紫外-可见光谱、红外光谱、荧光光谱表征。结果表明，不同萃取剂萃取、氢氧化钠预处理甲烷发酵均对泥炭腐植酸产率、纯度、结构有明显影响。氢氧化锂萃取氢氧化钠预处理甲烷发酵与对照组残渣腐植酸产率、纯度均最高，产率分别达43.59%、41.07%、纯度分别是70.4%、70.6%。焦磷酸钠萃取泥炭腐植酸中羟基、甲基、亚甲基、醚键含量较多，芳构化程度较低；氢氧化钠萃取泥炭腐植酸酮、醛、羧酸和苯环等结构含量丰富，芳构化程度较高。氢氧化钠预处理甲烷发酵残渣腐植酸羟基、甲基、亚甲基、醚键含量均降低，羰基、苯环含量较高，芳构化程度增大。甲烷发酵残渣提取泥炭腐植酸的变化特征研究表明，氢氧化钠预处理甲烷发酵对碱溶酸析法提取泥炭腐植酸的结构有明显影响，泥炭甲烷发酵残渣再利用提取腐植酸工艺可行。
		2024 Vol. 44 (04): 1025-1030 [摘要] ( 85 ) RICH HTML PDF (5783 KB) ( 40 )

	1031	三维荧光光谱结合IGOA-SVM分类鉴别油类污染物
		程朋飞¹，朱燕萍^2*，潘金燕¹，崔传金²，张怡²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1031-08
		溢油污染是一种典型的环境污染形式，通过多重渠道危害着生物多样性和人类自身安全。因此，针对油类污染物自身组成成分及其特性，采用多种方法相结合的方式，对其进行实时、精确、高效的检测对生态环境监测具有重要意义。三维荧光光谱分析法以其检测精度高、实时性好、操作简便、干扰性小等优势在荧光类物质检测领域应用十分广泛。三维荧光光谱结合支持向量机等算法在物质分类鉴别和浓度预测方面取得较好的成效，但仍存在收敛速度慢、易陷入局部最优等缺陷。将三维荧光光谱与改进蚱蜢优化支持向量机算法（IGOA-SVM）相结合，提出一种对油类污染物分类鉴别的新方法。首先，以0.1 mol·L^-1十二烷基硫酸钠溶液作为溶剂，将0#柴油、95#汽油和煤油以不同浓度配比配制成0#柴油和95#汽油、0#柴油和煤油两组分混合样本20个和18个，三组分混合样本20个，各取一半为训练集和测试集。然后，采用F-7000荧光光谱仪采集混合溶液的荧光数据，分析三种油的标准溶液及配制的混合溶液，发现荧光光谱均在一定范围内存在不同程度的重叠现象，仅利用光谱检测无法准确鉴别。最后，结合混沌初始化、精英优化算法和差分进化算法对蚱蜢优化算法进行改进，提取激发波长270 nm，发射波长270~450 nm范围内的荧光峰数据作为训练的输入值，以三种分类标签作为输出，将数据分别输入到蚱蜢优化支持向量机算法（GOA-SVM）、粒子群优化支持向量机算法（PSO-SVM）和遗传优化支持向量机算法（GA-SVM）中进行训练，IGOA-SVM模型在收敛速度、稳定性和跳出局部最优能力上明显优于GOA-SVM、PSO-SVM和GA-SVM，为油类污染物的准确鉴别提供了一种新思路。
		2024 Vol. 44 (04): 1031-1038 [摘要] ( 103 ) RICH HTML PDF (9855 KB) ( 70 )

	1039	拉曼光谱联合WOA特征筛选的矿井水源识别方法研究
		周茗皓¹，陈小刚^1*，崔继峰¹，卞凯²，胡锋²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1039-06
		在矿井突水灾害防治过程中，准确、快速判别突水水源类型对煤矿安全生产意义非常重大，而传统的水化学方法存在耗时长、检测复杂等不足，为此提出采用拉曼光谱进行矿井突水水源辨识这一新思路。首先从淮南矿区采集老空水、顶板砂岩裂隙水、奥灰水、太灰水和地表水以及它们混合的水样作为实验对象，并借助拉曼光谱系统收集水样的拉曼光谱数据。随后，采用常见的光谱预处理方法对原始拉曼光谱进行降噪。接着，采用鲸鱼优化算法（WOA）对水样的拉曼光谱进行特征信息筛选，得到最能够表征矿井水样的特征拉曼信息。最后，将筛选出的特征拉曼信息作为输入，分别构建BP神经网络（BPNN）、K-近邻算法（KNN）、支持向量机（SVM）、决策树（DT）以及朴素贝叶斯（NB）分类模型，以此来验证拉曼光谱结合WOA筛选特征拉曼信息用于矿井水源识别的可行性。实验证明：利用WOA可以从2 048个拉曼数据点中筛选得到102个特征拉曼信息，将拉曼信息的点数缩减为原来的4.98%，而且WOA筛选的特征拉曼信息的建模精度高于全拉曼数据建模精度，此外，采用WOA筛选的特征拉曼信息构建BPNN、KNN、SVM、DT和NB水源辨识模型时，其分析速度都有着不同程度的提升。研究结果表明，采用WOA筛选矿井水源拉曼光谱的特征信息，可以有效地减少拉曼光谱数据的冗余，提升拉曼光谱分析的速度，这可以为矿井水源的快速检测提供借鉴。
		2024 Vol. 44 (04): 1039-1044 [摘要] ( 98 ) RICH HTML PDF (2498 KB) ( 256 )

	1045	基于正交试验的粒子群优化算法对火焰原子吸收光谱法分析金元素参数的优化
		王鹏¹，何涛¹，白金峰²，冯小娟¹，寇少磊¹，吕明超³，赵浩¹，邓一荣³，范慧⁴，甘黎明^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1045-07
		国内新一轮战略找矿行动全面启动，金矿产资源以其独特的稀有性和战略性具有特殊意义，其分析检测技术直接影响金元素的准确测试。以矿石中金元素为研究对象，采用正交试验设计方案对实验要素中的王水浓度、振荡时间和硫脲浓度进行方法测试，测定结果相对误差为量化指标；按照层次分析法(AHP)中确定要素指标、建立矩阵、一致性判断步骤计算要素权重为(0.252, 0.159, 0.589)，通过客观赋权(CRITIC)法计算正交试验数据的对比强度和冲突性，计算要素权重为(0.452, 0.172, 0.377)，提出基于AHP-CRITIC混合加权算法对要素权重综合分析，其结果为(0.314, 0.075, 0.611)；利用粒子群算法构建粒子多维空间，通过粒子的速度和方向属性迭代位置设计算法流程图，在迭代过程中结合混合加权算法结果通过线性递减的方式校正惯性权重，优化粒子在迭代初期和末期的学习因子，结合正交试验结果利用粒子群算法建立目标适应度函数，改进算法流程，应用MATLAB软件仿真模拟粒子群迭代过程，从全局各位置和方向逐渐向最优组合收敛，得到优化后的粒子群算法寻找原子吸收光谱法分析金元素的最佳条件参数为王水浓度10.62%、振荡时间32.8 min、硫脲浓度9.5 g·L^-1。粒子群优化算法验证结果表明，在分析条件最优化参数下对金标准分析物质GAu-15a、GAu-16b、GAu-17b、GAu-18b、GAu-19b、GAu-22a进行11次平行性试验测试，计算其平均值、相对误差和相对标准偏差指标，均满足《地质矿产实验室测试质量管理规范》，表明基于正交试验的粒子群优化算法对于原子吸收光谱法分析金元素参数的优化问题科学可行，验证了该优化算法的正确性和稳定性，对国内新一轮战略找矿事业提供新的研究思路。该方法提出混合加权算法结合进化计算技术对多目标参数寻求最优解，有望拓展于分析实验室其他领域的测试环境，更展望应用于寻求参数优化方向的科学研究中。
		2024 Vol. 44 (04): 1045-1051 [摘要] ( 103 ) RICH HTML PDF (4409 KB) ( 85 )

	1052	利用ATR-FTIR研究脂质纳米粒的鼻黏液渗透性
		王健敏¹，李雪梅¹，马士超¹，李志勇¹，唐华东^2，马凤森^1
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1052-09
		鼻黏液是影响疫苗和药物经鼻吸收的首要屏障。由于干扰因素复杂多变，在体评价黏液渗透性较难实施，多采用体外评价。现有的药物鼻黏液渗透性检测方法如细胞模型法、多粒子示踪技术等，存在细胞培养周期长、操作繁琐、成本高、可获得信息少且需要进行荧光标记等不足，对鼻黏膜制剂的体外评价具有很大的局限性，因此迫切需要建立一种快速、简便、灵敏的鼻黏膜制剂黏液渗透性评价方法。基于衰减全反射-傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）对药物结构以及粘蛋白二级结构变化的敏感性，利用其对不同性质（粒径与电荷）脂质体的鼻黏液渗透性进行研究，通过FTIR 图谱分析不同脂质纳米粒与黏液中粘蛋白的相互作用，建立了鼻黏膜制剂黏液渗透性的体外评价方法。方法学研究表明，对于聚乙二醇10000（PEG10000）、壳聚糖、海藻酸钠脂质体，该方法线性关系分别为Y=2.386 6X+2.154、Y=1.870 3X+0.278 9、Y=1.130 14X+0.060 9，线性相关系数分别为0.995 8、0.994 5、0.990 9，精密度RSD值分别为0.62%、0.73%、0.95%；重复性试验中RSD值分别为0.83%、0.97%、0.88%，说明该方法线性关系良好、精密度高、重复性好，可用于体外评价药物制剂在黏液中的渗透性。研究结果表明，利用ATR-FTIR在不同时间内扫描样品可得到不同脂质体制剂样品的强度增加的吸收带。对于不同粒径PEG脂质体而言，粒径越小其黏液渗透性越强；对于不同电荷脂质体而言，壳聚糖脂质体黏液渗透性最弱，海藻酸钠次之，PEG脂质体黏液渗透性最强。进一步研究表明，不同电荷脂质体黏液渗透性的差异源于其与粘蛋白相互作用，该结论可通过分析粘蛋白酰胺Ⅰ带所包含的各二级结构信息得到。综上，基于ATR-FTIR所建立的体外评价方法灵敏简便，可作为多种不同制剂的鼻黏液渗透性的快速测定，经改进后还可用于药物制剂在其他黏液中的渗透性评价，应用前景广阔。
		2024 Vol. 44 (04): 1052-1060 [摘要] ( 91 ) RICH HTML PDF (7113 KB) ( 86 )

	1061	实验室光源的微束X射线荧光成像系统研制及应用研究
		张文星^1，2，3，陶芬³，刘一¹，邓彪^2，3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1061-06
		微束X射线荧光成像(μ-XRFI)是无损获取样品内部元素微区分布信息的重要方法，主要应用于微米量级区域内的元素分辨成像。同步辐射是μ-XRFI的理想光源，由于其装置庞大、造价高昂，用户机时紧张，并不适宜于常规应用。基于实验室X射线光管、多毛细管聚焦镜、高精度样品台及硅漂移探测器，研制了一套具有元素分辨的μ-XRFI系统，性能测试结果表明该系统可以测量分析元素含量为0.001%量级的溶液样品和优于20 μm的空间分辨能力。基于该μ-XRFI系统开展了应用研究，获得了小鼠脑、芯片及古代陶瓷样品中的多种主要元素及微量元素的空间分布，结果表明该系统可满足μ-XRFI的需求，可为生物医学、电子元件检测、瓷器色彩成分鉴定等领域研究提供帮助。
		2024 Vol. 44 (04): 1061-1066 [摘要] ( 106 ) RICH HTML PDF (28659 KB) ( 45 )

	1067	便携式X射线荧光光谱仪对粉丝中KAl(SO₄)₂的快速检测技术研究
		苏莹^1，2，3，周陶鸿^1，2，3，刘杰^1，2，3，黄徽^1，2，3，柳迪^1，2，3，王晶晶⁴，谢云飞^5*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1067-06
		硫酸铝钾[KAl(SO₄)₂]又称明矾，常被加入到粉丝的制作工艺中为了改善粉丝韧劲差、易断裂的缺点，也能在一定程度上提升粉丝的口感。硫酸铝钾中的铝元素具有神经毒性，长期摄入过量的铝对人身体健康具有极大危害。常规测定粉丝中硫酸铝钾时，样品需要消解，处理方法繁琐且费时。而便携式X射线荧光光谱仪（XRF）具有体积小、操作简便、检测速度快和灵敏度高等优点还能同时测定多种金属元素。以粉丝为研究对象，以电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）为参比，建立了XRF对粉丝中的KAl(SO₄)₂的快速检测与鉴别新方法，并将XRF技术用于鉴别粉丝中是否添加KAl(SO₄)₂。首先使用方程对仪器进行基体效应修正，建立了峰面积和浓度的线性曲线，校正的工作曲线拟合R²>0.99，可用于粉丝样品的测定。对仪器的检测条件进行优化。将样品直接上机测定时，XRF测试结果相对误差在0.65%～24.33%范围内。针对KAl(SO₄)₂中铝含量小于100 mg·kg^-1的粉丝样品可采用快速碳化处理，将粉丝中低含量的铝富集后再测定，XRF测试结果相对误差为1.36%～15.39%，碳化处理极大缩短了样品直接测定的相对误差。研究发现添加了硫酸铝钾的粉丝标样Al、S和K元素成相关性，三种元素的比例在1∶3∶1~1∶4∶1范围内，而未添加硫酸铝钾的粉丝并不满足这个比例。便携式XRF能高效完成大批量样品分析，单次测试仅需5 min，方法快速、简便、经济、精密度高，同时可快速鉴别粉丝中是否添加KAl(SO₄)₂，及时发现食品质量安全隐患，为粉丝的质量控制提供了新思路，具有广泛的实际推广意义。
		2024 Vol. 44 (04): 1067-1072 [摘要] ( 119 ) RICH HTML PDF (3756 KB) ( 247 )

	1073	改进的局部最值分段多项式拟合算法精确校正拉曼光谱基线
		田超凡，李剑君^，翁国军，朱键，赵军武^
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1073-08
		基线校正作为拉曼光谱预处理极为关键的步骤之一，对进一步拉曼光谱数据分析和实现拉曼成像等有重要意义。目前，最常用的基线校正算法基于多项式拟合，由于其采用手动或半手动的形式，因此依赖人工经验，对用户的专业性要求较高，处理过程繁琐，处理结果差异较大。同时，在使用过程中，多项式阶数及移动分段窗口难以选择确定，因此处理的结果常出现欠拟合或过拟合现象。针对传统多项式拟合算法的此类局限性，改进了局部最值分段多项式拟合(NPPF)算法用于精确校正拉曼光谱基线。首先采用了改进的基于分段的局部最值算法，选取光谱中最宽峰底部轮廓的近似横向宽度作为背景点窗口宽度，依次选取窗口内的最小两个值作为需要拟合的背景基线点，避免直接比较或者人工选取导致的背景点选取困难，实现更准确地选取每个背景轮廓基线点。然后通过每个窗口三次拟合迭代覆盖的方式，得到三个拟合曲线函数，选取窗口内每个点对应三个曲线函数值，分别计算与前一拟合值的差值绝对值，取绝对值最小的曲线函数值作为此点拟合曲线值，从而较好地避免了传统分段多项式拟合(PPF)算法中的欠拟合和过拟合现象，同时也确定了拟合过程中的阶数和分段窗口。模拟了两种不同背景类型的拉曼光谱，将NPPF与PPF算法分别对两种模拟光谱进行处理比较，发现NPPF处理结果均方根误差(RMSE)小，证实NPPF较于PPF的优越性。最后，对实际样品(烯啶虫胺、罗丹明6G)的拉曼光谱进行了NPPF和PPF对比处理，发现NPPF的拟合基线较为准确，证实该算法NPPF在拉曼光谱基线校正预处理中具有广泛的实际应用价值和前景。
		2024 Vol. 44 (04): 1073-1080 [摘要] ( 112 ) RICH HTML PDF (4674 KB) ( 21 )

	1081	基于荧光光镊与机器学习的单细胞血液分类方法
		周哲海，熊涛，赵爽，张帆，朱桂贤
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1081-07
		利用物种间血液成分的差异来识别物种，对生物医学、医疗健康、海关、刑侦、食品安全、野生动物保护等工作十分重要。但目前的研究都是针对群体细胞展开，忽略了单细胞的异质性，开展基于单细胞的血液光谱分类方法研究非常迫切。在此提出了一种基于荧光光镊和机器学习的单细胞血液分类方法，利用光镊实现了单细胞捕获，通过荧光光谱检测系统获得了单细胞荧光光谱数据，并基于机器学习方法实现了准确分类。首先，设计并搭建了一套荧光光镊系统，实现了单细胞捕获和荧光光谱检测。然后，制备了马、猪、犬、鸡四种动物的红细胞稀释液，以440 nm激光作为荧光激发光源，获得了四个物种每种100条、共计400条荧光光谱数据，并进行了背景去除、平滑、归一化的预处理，消除了信号中的噪声干扰。随后，建立了随机森林分类模型，分析了当抽取特征数k=20时，模型中树的棵数与预测准确率之间的关系，当决策树m=500时，分类正确率趋于稳定，有很高的分类正确率和运行效率。进一步地，设定样本数据的30%作为测试集、70%为训练集，计算不同波长与特征重要性之间的关系，得到了10个分类准确率，并取平均值作为模型分类的准确率，测试集最终准确率达到93.1%，方差为0.31%。最后，计算了混淆矩阵，对模型预测精度进行了评价，鸡的分类正确率最高，马的分类正确率最低。分析表明，对分类有重要贡献的物质分别是卟啉类物质、血红素和黄素腺嘌呤二核苷酸。总之，研究表明，将荧光光镊与机器学习方法相结合，可实现单细胞水平的血液分类，较高的分类正确率验证了这种方法的可行性和有效性。同时，该方法不需要过多样品就能满足建模需求，避免了因浓度低带来的荧光自吸收强度过低等问题，具有快速、准确分类的优点，具有非常重要的潜在应用价值。
		2024 Vol. 44 (04): 1081-1087 [摘要] ( 101 ) RICH HTML PDF (5682 KB) ( 204 )

	1088	1.27 μm O₂(a¹Δ_g)气辉临边观测辐射传输特性
		王道琦¹，王后茂²，何微微¹，胡向瑞¹，李娟³，李发泉⁴，武魁军^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1088-10
		1.27 μm波段的O₂(a¹Δ_g)气辉辐射具有辐射信号强、空间跨度大、自吸收效应弱等诸多内禀优势，是临近空间大气遥感的重要目标源，对于中高层大气的动力学及热学特性研究，全球温室气体探测，以及臭氧浓度三维层析等卫星遥感具有重要的科学意义和应用价值。首先基于O₂(a¹Δ_g)光化学反应模型，研究了O₂(a¹Δ_g)气辉的产生机制及湮灭机理，在此基础上，计算得到了O₂(a¹Δ_g)气辉体辐射率廓线，并基于HITRAN数据库给出的谱线强度及爱因斯坦系数，提出了两种计算O₂(a¹Δ_g)气辉光谱分布的方法。采用最新的分子光谱参数、光化学反应速率常数及F10.7太阳紫外通量等参数，结合光化学反应模型计算得到的O₂(a¹Δ_g)气辉体辐射率廓线信息，借助逐线积分算法，建立了1.27 μm O₂(a¹Δ_g)气辉临边观测辐射传输理论模型，并分析了自吸收效应对不同临边观测高度处气辉辐射光谱强度的影响。然后，利用剥洋葱算法，对大气图像扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）在临边观测模式下测得的O₂分子近红外大气带的气辉辐射信号进行处理得到了目标层O₂(a¹Δ_g)气辉辐射光谱，并通过谱积分算法反演得到了O₂(a¹Δ_g)气辉的体辐射率廓线信息。最后通过对比气辉临边观测辐射传输理论模型计算得到的以及SCIAMACHY仪器测量反演得到的1.27 μm O₂(a¹Δ_g)辐射光谱及体辐射率廓线信息，验证1.27 μm O₂(a¹Δ_g)气辉临边观测辐射传输理论模型的可靠性与合理性。基于比对结果，对O₂(a¹Δ_g)气辉临边辐射强度和体辐射率的影响因素进行了分析。分析结果表明，在50 km以上的高空区域，理论计算结果与卫星实测结果吻合性较好，而随着海拔高度的降低，两者的偏差逐渐增大，这是因为在临边观测模式下，中低空区域的卫星遥感信号受自吸收效应及大气散射效应影响严重。此外，与HITRAN数据库给出的谱线强度参数相比，基于爱因斯坦系数建立的O₂(a¹Δ_g)气辉临边辐射模型与卫星实测结果更加吻合。1.27 μm O₂(a¹Δ_g)气辉临边观测辐射传输理论模型的建立，对于临近空间大气遥感，奠定了理论基础。
		2024 Vol. 44 (04): 1088-1097 [摘要] ( 112 ) RICH HTML PDF (6033 KB) ( 46 )

	1098	水下珊瑚双向反射率观测技术的研究
		谢栢成^1，2，许占堂^1，3*，杨跃忠^1，3，曾凯^1，2，张雨^1，2，刘永明^1，3，周雯^1，3，李彩¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1098-08
		遥感作为一种高效海洋环境监测手段，可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前，海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测，开展底质多角度光反射特性观测技术的研究，分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征，对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义，在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法，设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统，获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量，数据分析表明：（1）岸上沙质的BRDF特征：在400～700 nm内，当天顶角不变时（θ=20°，40°或60°），不同方位角（Φ=0°，45°，135°，180°，225°和315°）所测得的反射率值标准偏差小于1.5%；当方位角不变时（Φ=0°，45°，135°，180°，225°或315°），不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%，表明岸上沙质的BRDF变化较小，具有朗伯体特性；水下沙质的BRDF特征：在400～700 nm内，当天顶角不变时，不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大；在400 nm时，反射率值的标准偏差为3.8%，在700 nm时，反射率值标准偏差递增至12%。水下沙质的BRDF表现为各向同性特征。（2）水下珊瑚BRDF特征：在天顶角不变时，不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小，而后激增的趋势。从400到605 nm，标准偏差从1%升至2%，而后从605到675 nm，标准偏差从2%降至1.2%，在675～700 nm, 标准偏差从1.2%增至4.9%。现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱。通过现场获取的测量数据，对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析，为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化（如，珊瑚生长状态）提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征。
		2024 Vol. 44 (04): 1098-1105 [摘要] ( 88 ) RICH HTML PDF (11716 KB) ( 266 )

	1106	新疆哈密恐龙骨骼化石风化原因分析
		韩向娜¹，代黎洋¹，蒋顺兴²，汪筱林^2，3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1106-06
		新疆早白垩世哈密翼龙动物群中恐龙化石的发现，增加了动物群的多样性，也为恐龙的系统演化提供了新的信息，具有重要的科学意义。然而，哈密恐龙化石在脱离原始埋藏环境在异地保存时，由于保存环境的改变，化石出现严重的风化现象。为了使哈密恐龙化石能够得到更好的保存、研究和展陈，采用多种分析技术方法，对产生明显风化现象的哈密恐龙骨骼化石进行检测，分析导致化石风化破碎的原因。X射线衍射（XRD）结果显示，哈密恐龙骨骼化石风化严重区域是骨松质部分，其主要矿物成分为石英和方解石，含有较少磷灰石、长石和黏土矿物等。其中石英和长石是充填骨松质孔隙中的外来碎屑颗粒，方解石是后期成岩或化石风化过程中形成的胶结物，而少量的磷灰石则主要来自骨骼。离子色谱（IC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）以及扫描电子显微镜能谱仪（SEM-EDS）的结果表明，哈密恐龙骨骼化石风化区域的可溶盐以NaCl、CaCl₂和Ca(NO₃)₂·4H₂O为主，以及少量CaSO₄，可溶盐含量高达2.63%，初步判断高可溶盐含量是造成化石出现严重风化现象的主要原因。压汞（MIP）测试结果表明，哈密恐龙骨骼化石风化区域的孔隙率为21.272 2%，与未风化区域16.420 6%的孔隙率相比显著增大。另外，恐龙骨骼化石风化区域存在两种孔径分布的孔隙，尺寸分别为0.005~0.04和17.3~283.2 μm，相较于未风化区域，风化区域产生较多微裂隙，大孔径孔隙数量急剧增多。结论认为化石中含有大量以CaCl₂和Ca(NO₃)₂·4H₂O为代表的潮解盐，易受北京四季温湿度变化的影响，潮解盐具有巨大破坏作用，从而使哈密恐龙骨骼化石风化区域孔隙率升高，孔隙增大，并且其内部充填物结构酥松且不均一，最终导致哈密恐龙骨骼化石酥粉破碎。该研究工作对哈密恐龙化石的异地保存及保护具有一定的科学指导意义。
		2024 Vol. 44 (04): 1106-1111 [摘要] ( 113 ) RICH HTML PDF (9059 KB) ( 153 )

	1112	花生籽仁黄酮含量近红外分析检测方法
		李振，侯名语，崔顺立，陈淼，刘盈茹，李秀坤，陈焕英，刘立峰^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1112-05
		黄酮是影响花生籽仁营养价值的重要指标，常用的分光光度法及色谱法测定黄酮含量费时费力，不适于育种过程中大批量的检测。构建其近红外测定模型可为快速检测籽仁黄酮含量提供重要的技术保障。该研究以290份不同黄酮含量的花生种质为材料，Al³⁺显色法测定的黄酮含量在46.96～140.18 mgRT（RT: rutin）·(100 g)^-1之间。使用瑞典波通DA7250型号的近红外分析仪（950～1 650 nm）扫描和采集花生籽仁的近红外光谱值，选用全波长光谱范围内偏最小二乘回归法（PLSR），对比单一和复合不同的预处理方法，比较不同模型的相关系数和误差来预测最佳模型，确定黄酮含量近红外光谱定标模型的最佳光谱预处理方法为“Savitzky-Golay Derivative+Baseline+De-trending”，校正集相关系数（R_c）为0.884，标准误差（RMSEC）为4.998。模型构建过程中，采用含有Savitzky-Golay Derivative的组合光谱预处理方法可以显著提高模型预测的相关系数。利用50份花生样品对该模型进行外部验证，预测的相关系数R_p为0.904，而预测的均方根误差RMSEP为1.122。本研究所构建的近红外光谱模型能够无损、高效的测定花生籽仁中的黄酮含量，为选育高黄酮含量的花生品种奠定基础，并为μg·g^-1级物质含量的近红外模型构建提供借鉴。
		2024 Vol. 44 (04): 1112-1116 [摘要] ( 120 ) RICH HTML PDF (1620 KB) ( 99 )

	1117	基于机器学习的马铃薯叶片叶绿素含量估算
		李成举^1，3，刘寅笃^1，3，秦天元^1，3，王一好^1，3，范又方^1，3，姚攀锋^2，3，孙超^1，3，毕真真^1，3，白江平^1，3
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1117-11
		为了提高马铃薯叶绿素含量估算模型的精度，使用无人机平台搭载多光谱相机，获取对照处理和干旱处理下马铃薯关键生育期的遥感影像，选取13种植被指数作为叶绿素含量反演模型的输入变量，使用多元线性回归（MLR）、支持向量回归（SVR）、随机森林回归（RFR）、决策树回归（DTR）构建马铃薯叶绿素含量估算模型。首先分析了植被指数与叶绿素含量之间的相关性，结果表明，在对照处理块茎形成期，CIre、GNDVI、NDVIre、NDWI、GRVI、LCI与叶绿素含量之间的相关系数绝对值在0.5以上，且存在显著（p<0.05）或极显著(p<0.01)相关性；在马铃薯其他生育时期，13种植被指数与叶绿素含量之间的相关系数绝对值均在0.5以上，且存在极显著(p<0.001)相关性。然后对MLR、SVR、RFR和DTR等模型的精度进行比较，结果表明：SVR模型在对照处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳，R²和RMSE在块茎形成期为0.89和2.11，块茎膨大期为0.59和4.03，淀粉积累期为0.80和3.18；RFR模型在干旱处理块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期的预测效果均是最佳，R²和RMSE在块茎形成期为0.90和1.57，在块茎膨大期为0.87和2.16，在淀粉积累期为0.63和3.01。该研究为马铃薯叶绿素含量监测提供一种新的方法，后期可根据不同试验处理选择相应的估算模型。
		2024 Vol. 44 (04): 1117-1127 [摘要] ( 96 ) RICH HTML PDF (24332 KB) ( 135 )

	1128	最优光谱特征变量反演颗粒物污染生菜的生理信息
		孔丽娟¹，隋媛媛²，刘爽³，陈丽梅¹，周丽娜¹，刘春慧¹，姜玲¹，李松¹，于海业^2*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1128-08
		叶类蔬菜的品质和产量与其净光合速率息息相关，秋冬季节受颗粒物污染的影响，温室大棚内叶菜的光合作用受到制约，对生理信息的准确预测不利。以采收期生菜为试验对象，研究其在颗粒物污染生长环境下，基于高光谱技术建立并对比生菜净光合速率的反演模型的最优方法。获得生菜的净光合速率和高光谱数据；选取比值植被指数（RVI）、差值植被指数（DI）、归一化植被指数（NDVI）、可视化气压阻抗指数（VARI）、再归一化植被指数（RDVI）、垂直植被指数（PVI）和植被衰减指数（PSRI）的原始和一阶变换共14个光谱植被指数；用相关矩阵法优选出最优波长位置，而非选择既有的固定波长，计算得到最优植被指数，与光谱位置变量（红边幅值，Dr）及光谱面积变量，即红边面积（SDr）、红边面积与蓝边面积的比值（SDr/SDb）、红边面积与黄边面积的比值（SDr/SDy）共同作为光谱特征变量，建立颗粒物污染环境下生菜净光合速率的反演模型。采用多项式拟合和多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）、偏最小二乘（PLS）和主成分回归（PCR）光谱建模组合方法进行反演预测结果比较。研究结果表明：最优波长位置的PSRI（515, 499）和DI（515, 499）与净光合速率的相关性最大，可以反映颗粒物污染下生菜的更多生理信息，采用光谱预处理建模组合方法按精度从高到低排序为：SG+MSC+PCR>SG+SNV+PLS>SG+SNV+PCR>SG+MSC+PLS，其中，SG+MSC+PCR组合建模方法的精度最高，决定系数为R_c=0.901 1，R_p=0.945 8，基于最优光谱植被指数建模效果最佳；光谱面积变量（SDr/SDb）的拟合精度最高（R²=0.936 5），可以实现生菜净光合速率的可靠预测，是基于光谱位置变量和面积变量建立生菜净光合速率的最优方法。该工作对颗粒物污染环境下利用高光谱技术进行植物的生理信息反演研究具有一定参考价值。
		2024 Vol. 44 (04): 1128-1135 [摘要] ( 91 ) RICH HTML PDF (23736 KB) ( 19 )

	1136	基于Sentinel-2时序数据的广东省英德市茶园分类研究
		陈盼盼，任艳敏^，赵春江，李存军，刘玉^
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1136-08
		茶叶是一种高附加值的经济作物，是我国南方山区乡村振兴的主要抓手。由于毁林种茶等破坏行为，导致森林资源破坏并引发水土流失等生态环境问题。快速准确获取茶园的空间分布对于政府监管和茶叶产业的规划发展至关重要。由于研究区天气多阴雨，茶园分布较为分散，与森林等植被光谱较为接近等原因，导致基于卫星影像提取茶园挑战性较大。为了摸清英德市的茶园空间分布，系统分析了中高分辨率的多光谱Sentinel-2影像数据，结合多时序多特征信息在茶园提取中的应用潜力。以英德市全境为研究区，选用2019年—2021年的9期Sentinel-2影像数据，详细分析了茶树生长的物候特征，进一步探究了茶园和其他地类在多时序中的特征变化，采用Relief算法对所有特征进行重要性排序。根据特征排序结果，选取特征权重值加权90%的特征因子，即7个植被指数特征和2个纹理特征，通过不同的组合排序构建了9种茶园分类场景，采用RF算法对所有分类场景进行精度评价，选取最佳分类场景，进一步探讨了RF分类算法和SVM分类算法对茶园提取的可行性。结果表明：(1）在进行英德市茶园提取时，2月和10月是采用多时相构造茶园多特征的最佳组合，可能因2月茶树处于萌芽期长出部分嫩绿的新叶易于和森林植被区分且在10月前后由于茶园进行了修剪其特征也较明显，因此两时相特征融合易于区分茶园。(2）RF分类方法与SVM分类方法相比，后者的精度较高，其总体精度达到91.56%，Kappa系数为0.89，生产者精度和用户精度分别为80.22%和84.56%。该研究为快速高效获取英德市茶园空间分布信息提供了一种高效的方法，同时为政府在进行茶叶产业规划、管理提供了数据支持。
		2024 Vol. 44 (04): 1136-1143 [摘要] ( 100 ) RICH HTML PDF (8675 KB) ( 32 )

	1144	基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪
		吴婧仪¹，周哲海^1*，赵爽¹，闵昆龙²，李慧宇¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1144-07
		因为便携、低成本、集成化等优势，微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势，其中工作波段在近红外的微型光谱仪，在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题，为此，提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构，开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构，新的设计主要有三个特征：使用光纤代替入射狭缝，以减少光能损失；采用双光栅将光束进行二次衍射；使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先，利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析，光谱范围为1 525～1 570 nm，光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内，光谱分辨率理论上达到0.2 nm，比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后，根据理论分析，选购了合适的光电器件进行了系统封装，与匹配的电路模块结合，实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内，实际测量的光谱分辨率为0.215 nm，与理论结果较为吻合。进一步地，搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统，该微型光谱仪作为信号解调仪，选择了四个中心波长分别为1 534、1 538、1 542和1 545 nm的光纤光栅作为传感器，温度在0～50 ℃范围内以1 ℃为间隔连续变化，最终实现了温度实时测量和信号解调，系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^-1，验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上，系统内部无可移动元器件，体积小、分辨率高、稳定性好，可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。
		2024 Vol. 44 (04): 1144-1150 [摘要] ( 82 ) RICH HTML PDF (8196 KB) ( 32 )

	1151	基于主成分分析的多重定量PCR荧光串扰校正
		王鹏^1，2，3，王振亚²，汪舜²，张杰²，张哲²，杨天航²，王弼陡^1，2，罗刚银^1，2，翁良飞²，张翀宇³，李原³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1151-07
		聚合酶链式反应（PCR）是分子生物学常用的检测手段，主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制，检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰，串扰的存在使PCR结果分析变得复杂，并可能影响最终的检测结果。选择合适的光学元件，并确定通道间的补偿矩阵，可以降低甚至消除荧光串扰。目前荧光补偿矩阵大多通过迭代计算获得，还没有一种简单的方法可以从混合的多通道荧光数据中找到荧光补偿矩阵。为了快速获得荧光补偿矩阵，减小计算量，采用主成分分析法（PCA）中确定主成分的方式，基于搭建的测试平台进行单一染料实验，获得染料的荧光信号在各个检测通道的分布情况，计算得到荧光补偿矩阵。通过分析补偿矩阵，发现对于搭建的硬件系统，Cy5染料对Cy5.5通道串扰较大，串扰比例为8.76%，同时Cy5.5染料对Cy5通道串扰影响也相对较大，比例约为6.2%；其次是ROX染料对HEX通道串扰，比例约为2.68%；HEX染料对FAM通道串扰，比例约为1.58%；FAM染料对HEX通道串扰相对较小，比例约为0.25%，其余通道无明显串扰，与荧光光谱反映的结果一致。采用得到的荧光补偿矩阵对单一染料实验得到的原始荧光数据进行处理，有效去除了非目标通道的荧光串扰，实现了荧光通道数据的解耦，验证了方法的可行性。最后设计了染料颜色分辨实验，将不同浓度的多种染料进行组合测试，并采用所提出的方法将得到的数据进行荧光补偿。实验结果表明，荧光通道各自的线性相关性较高，五个荧光通道的线性相关系数r均大于0.99，该结果进一步验证了该补偿方法的有效性。
		2024 Vol. 44 (04): 1151-1157 [摘要] ( 151 ) RICH HTML PDF (5271 KB) ( 159 )

	1158	基于距离修正的小目标中波红外光谱辐射测温方法
		李文凯^1，2，周亮^1*，刘朝晖¹，崔凯¹，刘凯¹，李治国¹，谢梅林¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1158-07
		对高速运动的远距离空间目标而言，温度是表征其工作状态与性能的重要参数之一。准确获取目标的温度对判别其运动状态和预测其态势发展等具有重要的参考价值。目前常用的面目标或点目标的处理方法，在小目标的辐射特性测量中将不再适用，而光谱探测增加了目标在波长维度的可分辨信息，可以准确获取目标能量随波长的分布情况，为目标温度的反演提供了可能，极具应用潜力。无狭缝光谱仪可以降低对空间目标的跟踪和稳定精度的要求，具有结构简单、帧频高和响应速度快等特点，在天文观测和航天器观测等方面具有较高的应用价值。对目标红外辐射特性测量的光谱定标模型进行了分析，确定了红外探测器像元线性响应模型中的主要参数。为了减小成像距离对测温精度的影响，提出了一种基于距离修正的目标温度反演模型，提高了测温精度，符合实际工程实践应用中的精度需求，对红外辐射光谱测温具有一定的指导意义。
		2024 Vol. 44 (04): 1158-1164 [摘要] ( 96 ) RICH HTML PDF (4588 KB) ( 63 )

	1165	热损伤玉米种子的高光谱无损检测
		张伏^1，2，禹煌¹，熊瑛³，张方圆¹，王新月¹，吕庆丰⁴，武一戈⁴，张亚坤¹，付三玲^5*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1165-06
		玉米是世界主要粮食作物之一，使用不符合国家标准的劣质种子将严重影响玉米作物产量，如何快速准确高效鉴别劣质玉米种子亟待解决。采用高光谱图像系统获取900粒“豫安三号”玉米种子的900~1 700 nm光谱曲线，其中训练集和测试集比例为3∶2，分别为540粒和360粒。利用电鼓风式烘干箱对种子损伤处理，获得不同损伤程度的玉米种子样本，采集光谱后完成发芽试验，以此判别种子活力。为提高信噪比，截取963.27～1698.75 nm范围内的玉米种子光谱波段作为有效波段；采用标准正态变换（SNV）、多元散射校正（MSC）两种预处理方式对原始光谱数据预处理，并采用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权算法（CARS）两种特征波段提取算法对预处理后的光谱数据提取特征波段，波长反射率作为输入矩阵X，预设样本类别作为输出矩阵Y；最后采用支持向量机（SVM）模型建模分析，研究结果表明：MSC-CARS-SVM模型为最佳模型，模型识别成功率为98.33%，其Kappa系数为0.985。在此基础上，采用遗传算法（GA）对SVM中惩罚系数c和核函数参数g寻优，模型准确率提升至100%，可实现对热损伤劣质玉米种子的鉴别。该研究为劣质玉米种子及其他作物种子快速鉴别提供了新思路和方法。
		2024 Vol. 44 (04): 1165-1170 [摘要] ( 97 ) RICH HTML PDF (12371 KB) ( 50 )

	1171	Er³⁺/Nd³⁺/Tm³⁺共掺碲酸盐玻璃近红外发射和能量传递机理
		陈安民^1，2，3，马飞云²，崔令江²，张鹏^1，2，王传杰^1，2*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1171-06
		为满足通信网络飞速发展对密集波分复用系统(DWDM)传输容量需求的不断增加，对DWDM系统核心器件掺铒光纤放大器(EDFA)性能的要求也越来越高。碲酸盐玻璃因其具有稀土离子溶解度高，声子能量低和高折射率等优点已成为替代传统掺铒石英光纤的理想材料。掺稀土碲酸盐玻璃可以作为宽带光纤放大器的理想增益介质来实现信号有效放大，因此提高掺铒碲酸盐玻璃光谱性能并拓展其放大带宽对DWDM系统扩容具有重要意义。通过Er³⁺、Nd³⁺和Tm³⁺共同掺杂提高碲酸盐玻璃的放大带宽以获得超宽带发光。Er³⁺、Nd³⁺和Tm³⁺分别通过跃迁产生1.55、1.34和1.85 μm波段的发光，且三个近红外发射波段基本相邻。采用三种离子共掺的方式，通过离子间发生能量传递(ET)来实现碲酸盐玻璃在连续光谱中的发光。在TeO₂-WO₃-ZnO-Na₂O-Er₂O₃碲酸盐玻璃中，先进行Er³⁺/Nd³⁺掺杂，分析Er³⁺/Nd³⁺间能量传递机理，得到Er₂O₃、Nd₂O₃掺杂浓度分别为1、0.1 mol%时玻璃发光强度较佳。再进行不同Tm³⁺浓度下的Er³⁺/Nd³⁺/Tm³⁺三种离子掺杂，最后采用高温熔融退火法制备得到热稳定性能良好的Er³⁺/Nd³⁺/Tm³⁺掺杂碲酸盐玻璃。Er³⁺、Nd³⁺和Tm³⁺间发生能量传递，在1 250~2 100 nm范围内产生了发光中心为1.3、1.5和1.8 μm的三个波段发光，覆盖了整个O、E、S、C、L和U波段。1.5 μm处的荧光半高宽(FWHM)增加到131.68 nm，1.8 μm处的FWHM高达251.75 nm。详细分析了三种稀土掺杂时稀土离子之间的能量传递过程机理。光谱结果表明，当Er₂O₃、Nd₂O₃、Tm₂O₃掺杂浓度分别为1、0.1、0.2 mol%时，Er³⁺/Nd³⁺/Tm³⁺三掺碲酸盐玻璃是超宽带光纤放大器设计的一种有效材料。
		2024 Vol. 44 (04): 1171-1176 [摘要] ( 80 ) RICH HTML PDF (2490 KB) ( 20 )

	1177	盾粉/橡胶增容复合材料性能与机理的光谱学分析
		于先坤^1，2，4，徐维成¹，张浩^1，2，3*，吴玉喜¹，李海丽³，龙红明^1，2，程峥明⁵，刘自民⁶，容北国⁷，张贵文⁸
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1177-06
		碳酸钙是橡胶生产中重要的无机填充剂，具有增容、补强等功能。随着中国橡胶需求量的不断增长，碳酸钙用量不断扩大，其生产成本与能源消耗等问题日益突出。钢渣是炼钢过程中产生的副产品，存在着利用率低、堆积量大等问题。钢渣的主要成分为CaO、SiO₂ 、Fe_xO_y、Al₂O₃等物质，物化性能与传统填料相近，且钢渣的耐磨性与多孔性优异，因此利用钢渣替代部分碳酸钙作为橡胶填充材料不仅具有重要研究意义而且可以缓解能源消耗、环境污染等问题。基于此，利用自制功能复合剂和超细立磨的方法对钢渣进行联合处理得到粒径800目的样品盾粉，制备活性碳酸钙与盾粉用量比不同的盾粉/橡胶增容复合材料。利用智能型硫化仪、电子拉力机、橡胶硬度计、微型量热仪（MCC）对制备的盾粉/橡胶增容复合材料进行性能测试，热重分析-傅里叶变换红外光谱仪（TG-FTIR）、拉曼光谱仪（Ram）对盾粉/橡胶增容复合材料进行表征分析。结果表明：盾粉替代部分活性碳酸钙对橡胶体系硫化性能有一定的促进作用，可以提高盾粉/橡胶增容复合材料的硫化速度；盾粉的加入可以提高复合橡胶体系的力学性能与阻燃性能；通过微型量热仪（MCC）和拉曼光谱仪（Ram）对盾粉/橡胶增容复合材料分析发现，盾粉替代部分活性碳酸钙后的橡胶体系热释放能力和总热释放量降低、炭渣石墨化程度提升，进一步说明了盾粉替代部分活性碳酸钙在保证盾粉/橡胶增容复合材料物理学性能的前提下也具有一定的阻燃性能。热重-红外分析表明盾粉/橡胶增容复合材料在裂解过程中产生的气体主要为碳氢化合物；自制功能复合剂的加入可以缓解钢渣界面与橡胶界面不相容的问题，优化橡胶复合材料。以上研究为制备性能更优的盾粉/橡胶增容复合材料提供数据理论支持。
		2024 Vol. 44 (04): 1177-1182 [摘要] ( 111 ) RICH HTML PDF (3019 KB) ( 217 )

	1183	Maillard反应前体物质参与木质素微生物转化产物的FTIR光谱特性
		曾玉萍，王楠^*，曹志伟，宋岩，郭洪鹏，邱小成，王帅
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1183-08
		腐殖质（HS）是由各类前体物质缩聚而成，前体物质是调控HS形成的关键。Maillard反应前体物质能否对木质素转化、HS形成有促进作用有待验证。鉴于此，采用液体摇瓶培养法，以木质素培养液为研究对象，通过添加邻苯二酚、葡萄糖和甘氨酸的单一及组合溶液，启动120 d的液体摇瓶培养，采用离心法收集上清液（细胞代谢产物）和沉淀（菌体残留物），分析两者性质并深入研究菌体残留物FTIR的光谱特性，系统评价各前体物质对木质素向HS转化的贡献。结果表明：（1）在木质素培养液中添加甘氨酸，历经液体摇瓶培养更有利于细胞代谢产物有机分子的缩合，使其结构趋于复杂，而邻苯二酚参与的4个处理及单独添加葡萄糖更易促进细胞代谢产物的降解，使其分子结构更加简单。与作为空白对照(CK)的无菌去离子水相比，外源添加Maillard反应前体物质能够促进细胞代谢产物矿化，使总有机碳(total organic carbon, TOC)含量下降，单一添加邻苯二酚能够使细胞代谢产物TOC含量始终高于其他处理；（2）添加Maillard反应前体物质可显著提升木质素微生物转化形成菌体残留物的回收率，单一添加邻苯二酚的菌体残留物回收率提升幅度最大，而邻苯二酚、葡萄糖和甘氨酸三者组合溶液对菌体残留物回收率的提升幅度最小，葡萄糖和甘氨酸的组合溶液使菌体残留物回收率在整个培养期间始终处于最高水平。添加Maillard反应前体物质使菌体残留物TOC含量的增加幅度小于CK，尽管如此，培养结束时，邻苯二酚参与的4个处理、葡萄糖和甘氨酸组合溶液的添加使菌体残留物TOC含量显著高于CK；（3）木质素经微生物转化形成的菌体残留物拥有羟基O—H、不对称脂族—CH₃、对称脂族—CH₂—、芳香碳C═C及多糖类物质，与土壤胡敏酸有着相似的FTIR特征，但其分子缩合度尚无法达到土壤胡敏酸的复杂程度。各处理在完成培养后，菌体残留物中的羟基含量有着不同程度增加，而多糖含量有所下降，单一甘氨酸以及葡萄糖和甘氨酸组合溶液的添加使菌体残留物的脂族化程度提高，而邻苯二酚参与的4个处理及单独添加葡萄糖可使菌体残留物中的芳香碳比例进一步提高。综上，添加Maillard反应前体物质可促进细胞代谢产物矿化，使TOC含量下降、提高菌体残留物回收率，同时使其羟基含量增加、多糖含量降低，不同前体物质对菌体残留物脂族化和芳香化的影响规律不同，邻苯二酚参与的4个处理及单一添加葡萄糖可使菌体残留物中的芳香碳比例提高。
		2024 Vol. 44 (04): 1183-1190 [摘要] ( 98 ) RICH HTML PDF (3574 KB) ( 83 )

	1191	金霉素和土霉素对生物除磷中微生物EPS的影响
		陶传奇^1，2，3，张华^1，2，3*，黄健^1，2，3，奚姗姗^1，2，3，何春华^1，2，3，罗涛^1，2，3，王金花^1，2，3，张佳妹^1，2，3，马牧野¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-1191-10
		金霉素和土霉素在城市污水处理厂中检出率较高，通常以混合物的形式存在于污水中。微生物胞外聚合物（EPS）作为保护层抵御外界有害物质的侵害，在微生物生命活动中发挥着重要作用。目前，关于金霉素和土霉素对生物除磷中微生物EPS的影响较少。为探究金霉素和土霉素对生物除磷中微生物EPS的影响，采用直接均分射线法设计3种不同浓度配比（L1、L2和L3）混合物，研究了不同浓度金霉素、土霉素单独作用及其混合物对EPS中蛋白质和多糖的影响。采用三维荧光光谱（3D-EEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析金霉素和土霉素对EPS组分及结构的影响。结果表明：随着浓度增加和反应时间的延长，生物除磷系统性能逐渐恶化，微生物EPS中蛋白质和多糖含量均呈现先上升后下降的趋势，且蛋白质含量均高于多糖。3D-EEM分析表明，随金霉素、土霉素及其混合物浓度增加，EPS中类蛋白质物质荧光强度均先增强后减弱，浓度较高时产生了类腐殖酸物质和类富里酸物质。金霉素与土霉素之间存在拮抗作用，使得混合物荧光物质的荧光强度均弱于单独作用，只有配比L3中未出现类腐殖酸物质和类富里酸物质。FTIR分析表明，金霉素、土霉素及其混合物对EPS中1 653 cm^-1酰胺Ⅰ谱带的CO伸缩振动、1 403 cm^-1酰胺Ⅱ谱带的CO对称拉伸、1 266 cm^-1的PO伸缩振动、1 100 cm^-1的糖类C—OH伸缩振动均产生影响。金霉素与土霉素存在拮抗作用引起各官能团存在差异性，1 004 cm^-1的P—OH伸缩振动只存在于土霉素、配比L2、配比L3；900 cm^-1的P—O伸缩振动只存在于金霉素、土霉素、配比L2、配比L3；770 cm^-1的氨基酸COO变角振动只有金霉素中不存在。该研究将为科学评估金霉素和土霉素及其混合污染物对生物除磷中微生物EPS影响机制提供理论依据。
		2024 Vol. 44 (04): 1191-1200 [摘要] ( 106 ) RICH HTML PDF (19062 KB) ( 45 )

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