双光子激发时间分辨荧光光谱测量技术

建立了一台基于高重复频率扫描相机的双光子激发时间分辨荧光光谱测量系统，能够同时测量样品的荧光光谱和寿命. 该系统的时间分辨率为6.5—200ps，光谱分辨率为1—3nm，能够实现快速数据采集以及可靠和可重复的寿命和光谱测量. 利用标准荧光染料(若丹明6G、香豆素314)及其混合溶液对该系统进行了测试，所得到的荧光光谱分布和寿命值与文献报道一致. 实验结果表明，该系统能有效区分多组分荧光团. 这为鉴别多荧光团或多组分生物组织提供了一种独特的对比方法，可用于多光谱分辨荧光寿命成像和荧光共振能量转移成像等方面. 关键词： 荧光寿命 荧光光谱 双光子激发 高重复频率扫描相机     

微分谱结合独立成分分析对三维荧光重叠光谱的解析

多组分三维荧光重叠光谱是三维荧光光谱的数据解析中的难点之一。本文基于二维微分谱的计算原理, 充分利用三维荧光光谱具有激发光谱和发射光谱的特点, 获得了三维荧光光谱展开后的激发微分谱和发射微分谱. 之后利用独立成分分析对激发光谱或发射光谱的多组分混合微分谱分别进行解析, 得到了单一组分的激发微分谱和发射微分谱。其中三次样条插值有效的弥补了实测激发波长数据点少的缺点, 而粗糙惩罚平滑技术的引入则很大程度上减少了发射光谱的噪声,为微分谱的计算提供了有利的条件。单一组分的标准谱与解析谱的相似性系数的计算表明, 利用独立成分分析对微分谱进行解析更有利于多组分混合三维荧光光谱所含成分的识别。     

三维荧光光谱技术在水监测中的应用

应用荧光光谱技术分析水中污染物的含量具有灵敏度高、检测速度快等优点,三维荧光光谱技术可以提供在普通的荧光光谱中所得不到的信息,此技术可以用于多组分同时测量。讨论了如何运用三维荧光光谱技术分析水中污染物的成分,计算其含量,并给出了有效的荧光光谱特征数据库建立、多组分分析和浓度反演的数学模型。     

基于离散三维荧光光谱的糖尿病识别方法研究

基于皮肤荧光光谱技术的糖基化终产物（AGE）检测方法被广泛用于糖尿病及其并发症的检测评估,然而生物组织体内特异性的吸收、散射特性以及多种荧光成分对于检测会产生干扰。本研究通过分析人体皮肤组织常见荧光成分的三维荧光光谱,确定皮肤组织荧光光谱测量的最佳激发波长组合,搭建集成组织漫反射光谱测量模块的离散三维荧光光谱测量系统,研究基于扩散理论的组织生理参数提取方法以及基于高斯多峰拟合的离散三维荧光光谱分离方法。在此基础上,开展临床社区队列研究,结果表明糖尿病组的黑色素、脱氧血红蛋白相对浓度均值低于正常对照组,而500 nm处约化散射系数高于正常对照组,差异有统计学意义,氧合血红蛋白相对浓度无明显差异。基于高斯多峰拟合,每位受试者共计得到78个荧光特征,剔除差异不明显的特征（p>0.1）,最终得到50个荧光特征。汇总有差异的组织生理参数和荧光特征,采用Logistic回归分析建立糖尿病筛查模型,受试者工作特征（ROC）曲线分析结果显示,该方法用于糖尿病识别时,预测训练集ROC曲线下面积为0.793,预测测试集的面积为0.799,而单波长皮肤荧光(Sf₃₆₅)的面积为0...     

用荧光光谱鉴别白酒

在对乙醇、甲醇等醇类溶液荧光光谱特性进行研究的基础上, 应用美国Roper-Scientific公司SP-2558多功能光谱测量系统, 对50多种品牌白酒及其年份酒在紫外光激励下的荧光光谱进行了检测。结果表明, 白酒在紫外光激励下能产生较强的荧光, 各品牌白酒及其年份酒的荧光光谱各有明确的特征。实验测得其三维荧光光谱, 由此构建了白酒荧光光谱指纹图库。分析各荧光光谱的特征, 以谱峰个数、峰值波长、最佳激励波长等特征值创建了各品牌年份白酒荧光光谱特征数据库。利用SQL 数据库软件和VB语言研制成一个能对白酒进行自动比对、识别的白酒荧光光谱智能鉴别系统,实现了白酒的智能化鉴别。研究结果发挥荧光光谱分析灵敏度高、准确度高和样品用量少、不需前期处理等优点, 为白酒检测、鉴别提供了一种有效的新方法, 能应用于白酒企业生产管理及白酒消费市场监督, 并为已引起广泛关注的酒类食品安全监管提供帮助。     

菲及腐殖酸混合液荧光法定量分析研究

多环芳烃作为普遍关注的优先监测污染物,在水环境中其含量很低,易受共存物腐殖酸的干扰。由于多环芳烃与腐殖酸的光谱重叠严重,很难用常规方法快速的定量检测。菲(PHE)作为多环芳烃中的模式化合物,对菲和腐殖酸(HA)的荧光光谱特性进行了研究,分析了腐殖酸共存下对菲定量检测的影响。采用平行因子算法分析混合液的三维荧光光谱,在激发波长为240～360 nm(5 nm为间隔)、发射波长为 260～575 nm(5 nm为间隔)下对该体系进行了分辨研究,并对菲和腐殖酸进行荧光光谱测量。实验结果表明,此方法可用于有干扰共存下多环芳烃化合物的直接快速定量检测。     

乙醚的荧光光谱及其特性

用UV-240紫外分光光度计和SP-2558多功能光谱测量系统,通过测量紫外吸收光谱和荧光光谱,对乙醚在紫外光激励下的光谱特性进行了实验研究.发现,乙醚能吸收波长小于304 nm的紫外光,产生强的荧光;乙醚的荧光峰是波长306 nm至345 nm范围的宽谱峰,峰值波长在317 nm左右.分析得出,乙醚吸收紫外光、产生荧光光谱是其分子中氧原子上的孤对电子跃迁所为.由此对乙醚荧光光谱的产生机理和特性作出了解释,并计算出了乙醚分子相应能级差.这些结果可为乙醚这种重要溶剂和麻醉剂的应用提供帮助.     

常用合成食品色素荧光光谱研究

分析合成食品色素的分子结构特点,根据荧光与分子结构的关系,理论上推断合成食品色素是荧光物质。应用SP-2558多功能光谱测量系统,测得胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄、亮蓝等五种最常用的合成食品色素标准溶液的三维荧光光谱。结果表明,胭脂红在波长330～430 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为621 nm,最佳激发波长为376 nm;苋菜红在波长300～440 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为643 nm,最佳激发波长为370 nm;柠檬黄在波长280～380 nm的光激发下,产生很强荧光,荧光峰值波长为565 nm,最佳激发波长为315 nm;日落黄在波长310～410 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为592 nm,最佳激发波长为348 nm;亮蓝在波长320～390 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为456 nm,最佳激发波长为350 nm。进而对这五种合成食品色素的荧光光谱进行了分析讨论。结果可为食品色素检测和食品安全提供帮助。     

晚期糖基化终末产物荧光光谱测量系统的设计

提出了一种利用荧光光谱技术测量晚期糖基化终末产物的方法,阐述了该荧光光谱测量系统的测量原理,设计并搭建了该荧光光谱测量系统。利用该系统对365,370,375,380,385 nm波段进行了激发光谱扫描测试,得出375 nm为最佳激发波长;采用375 nm的单色光作为激发光源,分别对正常人和糖尿病患者的皮肤进行了荧光光谱检测,发现两者在450 nm附近的荧光存在明显的差异。实验结果证明该荧光光谱测量系统快速、无创、简单,可应用于对糖尿病、人体衰老、氧化应激等病情进行早期预测和诊断。     

AlGaInP基LED阵列平均结温的质心波长表征

在驱动电流为350 mA时,测量了LED阵列在不同衬底温度下的归一化光谱功率分布,然后计算质心波长,并分析其与LED阵列平均结温变化量的关系,最后研究了质心波长表征结温的准确度。研究结果表明:采用1 nm采样间隔的光谱仪,质心波长与平均结温的变化成良好的线性关系,其线性度明显优于中心波长法。同时,质心波长的测量精度更高。因此,质心波长测试是一种可以精确表征AlGaInP基LED阵列平均结温的有效方法。     

三种多环芳烃混合溶液二维荧光相关谱解析

多环芳烃为优先控制污染物,但是由于其含量很低,多组分多环芳烃荧光峰相互重叠,所以常规荧光光谱法无法对其荧光峰进行有效解析。采用二维荧光相关分析方法对三种多环芳烃,蒽、菲和芘的混合溶液进行荧光峰解析。根据研究目标,按照三种多环芳烃浓度比的不同配制了三种混合物体系,共27个样本,每种体系的三种溶液浓度彼此间按规律递增和递减。在此基础上,以浓度为外扰,构建了各体系的同步和异步二维荧光相关谱。同步谱中,在425,402,381,373,365,393及347 nm处产生自相关峰。以未被覆盖的菲在347 nm处荧光峰为线索,通过其与各波长处荧光交叉峰的正负,判断出了402,381,425和452 nm处荧光峰源于混合溶液中的蒽; 373与393 nm处荧光峰源于混合溶液中的芘; 365,356及347 nm处荧光峰源于混合溶液中的菲。通过异步谱解析出菲的385 nm处荧光峰,证明了异步谱比同步谱具有更好的光谱分辨率。研究结果表明,采用二维荧光相关方法对光谱严重重叠的多组分多环芳烃的解析是可行的,并具有一定的优势,可推广到对环境中其他污染物质的检测。     

基于荧光光谱—模拟退火法年份白酒中乙酸浓度预测研究

近年来年份白酒市场中行业规范有所缺失,因此年份白酒的研究具有深远意义和市场价值。白酒中单体物质的浓度会随着白酒的年份改变,检测白酒中单体浓度可用来鉴定白酒质量及其年份。基于国内某品牌年份原桨白酒的三维荧光光谱,对其中乙酸浓度进行了建模研究。对原始光谱进行了小波分解和求导预处理。研究发现小波分解第一层和第二层呈噪声特征,浓度信息主要分布在第三层和第四层信号中。不同激发波长的荧光发射光谱强度分布不同,如何选择合适的激发波长目前还没有一个统一的方法。根据小波分解信号引入有效信号强度概念并获得了合适的建模激发波长（200 nm）;导数光谱的细节特征比原始光谱丰富,光谱求导可以提高光谱的分辨率。研究了乙酸浓度与荧光光谱的相关性,原始荧光光谱与乙酸浓度之间相关性较小,小波分解光谱和导数光谱与浓度的相关性达0.8以上,且呈现出更多离散化的相关性特征峰。因此,小波分解光谱和导数光谱中包含更多乙酸浓度信息且分布比原始光谱更广。基于荧光光谱和模拟退火法研究了乙酸浓度偏最小二乘法（PLS）多元回归模型。研究发现原始光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差高达70.03 mg·L-1,模型效果较差;小波分解光谱和导数光谱由于光谱之间多重相关性降低且分辨率提高的特点,模型预测效果更好,其中二阶导数光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差和相关系数分别为20.32 mg·L-1和0.999 8,建模效果最好。基于1 000次循环执行模拟退火算法建模得到的光谱信息密度曲线显示出二阶导数光谱比原始光谱包含更多的乙酸浓度信息。以乙酸为例,为年份白酒中物质浓度预测提供了一种简易的光学方法,研究方法对研究多组分渐变体系浓度预测具有一定的参考价值。     

改进型 PSO‐SVM算法对井下多组分气体定量分析的研究

对于多组分混合气体定量分析而言,基于特征光谱的定量分析技术具有不可比拟的优势,而定量检测效率与精度取决于其采用的光谱数据处理算法的优劣。优化光谱分析算法参数与改进光谱数据处理方式是提高定量分析速度与精度的重要手段。针对井下多组分气体定量分析建模过程中支持向量机(SVM)参数难以确定,并且随组分数增多而呈指数增长的光谱数据运算量的问题,提出了一种改进型粒子群优化-支持向量机(PSO-SVM)算法。该算法主要针对多组分气体混合光谱数据量大,光谱特征信息存在交叠的问题进行研究。通过粒子变异约束PSO算法的收敛路径,再通过粒子信息共享提高模型优化效率,最后利用设置动态不敏感区提高模型精度。设计了一种井下多组分气体快速定量检测系统。该系统由CPU控制信号调制模块驱动红外光源,信号光经过滤尘除湿后的气室照射在探测器上。在压力与温度传感器补偿的基础上,由信号处理模块将探测得到的光信号量化传入CPU,最终,结合改进型PSO-SVM算法实现各组分气体浓度的定量分析。在完成井下实际样气采集、预处理的基础上,对浓度范围0～10.0%的CH₄和浓度范围0～1.0%的C₂H₆,C₃H₈,SO₂和CO₂共5种组分的混合气体进行了测试,获得了800组红外光谱数据,其中训练集400组,验证集400组。采用SVM建立了多组分气体的定量分析模型,利用改进型PSO对SVM中的参数进行了优化,并将获得的最优参数重建了定量分析模型。对采集的红外光谱数据分别由本算法与传统BP网络算法进行各组分气体浓度反演,实验结果显示,由于变异粒子对其产生的约束,使最优值收敛范围变小,从而提高了收敛速度,该算法建模时间仅为传统方法的1/10;由于通过气体光谱特性给出不敏感区,使特征光谱计算时交叉敏感效率降低,从而提高了模型预测的准确度,平均误差约为传统方法的1/5。由此可见,该算法在全局优化及快速收敛方面得到了显著提升,改进型PSO结合SVM用于井下多组分气体定量分析是可行的。改进型PSO-SVM算法对于多组分气体混合红外光谱数据的分离具有很好的适用性,其有一定的实际应用价值。     

基于荧光光谱分析的农药残留检测研究进展

在农业生产中施用农药可提高农产品的产量,然而农药的过量使用也威胁着我国农产品的质量安全,因此对农产品的农药残留进行快速有效的检测成为农业生产大环境下的迫切要求。荧光光谱分析技术具有突出的高灵敏度以及有利的时间标度,对多组分农药残留检测具有良好的分辨能力,与气相色谱法、液相色谱法、气-质联用法等农药残留检测方法相比具备前处理简单、检测速度快等优点,在复杂的农药残留检测环境中有较大的优势。介绍了基于荧光光谱分析技术的农药残留快速检测方法,概述了传统的荧光光谱分析方法在农药残留检测上的应用,以及荧光光谱分析结合同步-导数法、三维荧光光谱、人工神经网络,生物传感器,金属纳米材料等方法与技术用于农药残留检测的研究发展现状,分析了基于荧光光谱分析的农药残留检测现阶段仍存在的局限与挑战,以及未来发展趋势。荧光光谱分析技术在农药残留检测上的普遍推广及应用需通过荧光检测仪器不断朝集成化、模块化发展来实现,使得检测更快捷高效。     

变压器油中多组分气体高精度在线检测研究

针对多组分气体测量精度低、交叉影响等问题,建立了一种高精度多气体网络式在线检测系统。系统中采用窄线宽激光器作为光源,设计了新型长光程气室,通过单一高频三角信号调制激光光谱,利用谐波检测技术和光学时分、空分复用技术相结合,实现了三种气体(CO,CH₄,C₂H₂)的同时多点高精度在线测量。实验结果表明,多气体浓度测量最大相对误差小于4%,每种气体响应时间均小于15 s。该系统多气体检测精度高、响应时间快,非常适合用于变压器绝缘油中多组分气体实时在线检测。     

基于IERT的非线性全光谱复杂水体定量分析算法研究

水是一种有限的资源,对农业、工业乃至人类的生存都是必不可少的,良好的水环境是可持续发展的重要保障。对水质信息的科学监测,是实现水资源优化配置与高效利用的基础。联合国环境署（UNEP）与世界卫生组织（WHO）指出,应当加强发展中国家的水质监测网络,包括数据质量的保证和分析能力的提高。光谱法作为一种新兴的水质分析方法,相比传统的化学水质监测方法,具有“响应速度快、多参数同步、绿色无污染”的特点。传统单波长、多波长的线性模型依赖于水体对特定波长的吸收特征,不适用于多组分混合溶液且普适性较差。因此,提出了一种基于IERT的非线性全光谱定量分析算法,建立适用于多组分混合溶液浓度预测模型,达到利用全光谱信息来预测浓度信息的目的。利用实验室配置的COD,BOD₅和TOC多组分混合溶液与NO₃-N、浊度、色度多组分混合溶液作为实验样本,使用光谱仪采集样本的光谱曲线,通过全光谱数据进行浓度预测实验,结果显示,对于COD,BOD₅和TOC多组分混合溶液,本算法对于三种组分的决定系数（R2）分别为0.999 3,0.991 4和0.999 3,均方根误差（RMSE）分别为0.024 4,0.057 7和0.000 4;对于NO₃-N、浊度、色度多组分混合溶液,决定系数（R2）分别为0.983 4,0.868 4和0.981 0,均方根误差（RMSE）分别为0.100 5,0.326 4和0.120 2。通过对比本算法与偏最小二乘（PLS）、支持向量机回归（SVR）、决策树（DT）、极端随机树（ERT）对于同一组数据的实验结果,表明：在两组多组分混合溶液的实验中,本算法对于其中各组分的决定系数（R2）均为最优,相比于其他对比算法均方根误差（RMSE）均有大幅减少。本算法可利用光谱信息对多组分混合溶液进行定量分析,在计算时间相当的情况下,可有效的提高浓度预测精度,减少定量分析的均方根误差,可为光谱法水质监测提供一种新的有效途径。     

基于温度变量的四维荧光光谱的石油类污染物测定

三维荧光光谱结合多元校正分析对石油类污染物复杂多组分体系测定方法多谱图混叠,且易受到空白荧光和干扰物荧光影响降低了测定准确性。提出在三维荧光光谱中增加一维温度信息构造激发波长-发射波长-温度-样品（EEM-temperature data array）的四维荧光光谱数据阵列,应用四线性成分模型建立高维荧光光谱定性定量分析的方法。实验证明在15～25 ℃温度范围内,矿物油荧光光谱轮廓形状不随温度变化,而其强度随温度线性变化,满足四线性要求,这为构建四维荧光光谱发展高维数据的三阶校正提取更丰富的有效信息提供了可能。三阶校正不仅可以在干扰物共存的情况下对感兴趣组份进行定量测定,即具有“二阶优势”,还具有更高的选择性和灵敏性,可以对高共线性和背景干扰的重叠光谱表现更好的解析能力,即“三阶优势”。对0#柴油、97#汽油和机油为混合油待测组分,腐殖酸为水体干扰组分组成的复杂体系污染油样品为进行实验,得到的三维荧光光谱利用平行因子（PARAFAC）算法和交替惩罚三线性分解（APTLD）算法进行二阶校正分析,将三维荧光光谱在温度方向上堆叠构成增加温度维度的四维荧光光谱数阵,并将其利用四维平行因子算法（4-PARAFAC）和交替惩罚四线性分解（APQLD）算法进行三阶校正分析,比较,0#柴油、97#汽油和机油的预测结果表明增加了影响荧光光谱的温度因素构造的四维荧光光谱提高了有效信息提取能力,四维荧光光谱结合高阶校正算法能提高油种光谱识别和浓度精确检测,较传统的三维荧光光谱分析提高了回收率（recovery rate）和预测均方根误差（root mean square error of prediction,RMSEP）,有利于石油类污染物的有效,准确,实时,绿色环保检测。同时指出了4-PARAFAC和APQLD算法各自的特点及其不同适用环境,为油类污染物检测具体情况提供算法选择依据。引入温度参量的四维荧光光谱结合三阶校正算法的检测技术较三维荧光光谱技术,在组分光谱定性分辨和浓度定量检测方面能对复杂体系油类污染物实现快速有效,绿色无污染地检测,实现“数学分离”更有效代替“化学分离”。     

不同水体中有色可溶性有机物质荧光光谱定量分析研究

有色可溶性有机物(CDOM)是指水体中对紫外及可见光均有光吸收的溶解有机物,能对水色产生影响,是自然生态系统、水色光学遥感、水体碳循环研究中必不可少的环境因素。由于CDOM具有荧光特性,荧光光谱技术已成为开展CDOM研究的重要手段,被用于CDOM的来源、分布及其变化规律的研究。文章主要利用荧光检测技术,研究了不同水体CDOM的发射荧光光谱峰面积、荧光峰强度与其浓度间的变化关系,发现在低浓度范围内,发射光谱峰面积和荧光强度与CDOM浓度具有良好的线性关系(r2＞0.98);不同浓度的CDOM水溶液的发射光谱峰面积及其荧光强度随浓度的变化趋势是一致的。文章首次利用低浓度下CDOM的发射光谱峰面积与浓度间的线性关系,建立了适合于水体中组成复杂的CDOM的定量分析方法,拓展了荧光分析技术在CDOM研究中的应用。     

荧光光谱数据解析中的信息冗余初步研究

提出了光谱数据解析中的信息冗余系数的问题,从光谱数据处理过程中波段优化选择的方法入手,考察了多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)中的蒽、芘和菲三组分混合体系的荧光光谱数据,采用化学计量学中的主成分回归分析和波段变量选择的窗口移动法,通过理论分析和实验论证得到结论:(1)荧光光谱信号中存在信息冗余;(2)经冗余优化后的荧光光谱数据可以反演出更真实的样本的定量信息,对光谱重叠严重的多组分混合体系,采用冗余优化分析过的数据可以增加预测模型的灵敏度和稳定性。