三维荧光光谱多峰校正测量水中汽油浓度

针对荧光峰值法浓度测量中最佳激发和发射波长的选择问题,提出基于三维荧光光谱的多峰线性回归参数比较法。以市售93号和97号汽油为例,首先利用FS920型稳态荧光光谱仪扫描纯水和纯油品的三维荧光光谱,确定特征荧光峰峰位和强度;其次按不同体积比分别配置7种浓度的油水混合液样品,提取不同样品的荧光峰峰位、强度等特征参量,发现浓度对荧光峰特征参量有较大干扰;然后用排除法确定了93号和97号油水混合液样品分别有23个和22个特征峰;最后采用最小二乘法对每个峰的强度与浓度作线性回归,通过对校正决定系数、F值、灵敏度和截距等参数的比较得出,93号和97号油水混合液的最佳激发/发射波长分别为275/302 nm和285/322 nm。实验结果表明,根据最佳峰校正模型,93号和97号汽油浓度测量的绝对误差分别为0.006‰、0.007‰,比传统的最强峰校正模型精度高1个数量级。     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

燃烧产物组成激光诱导荧光光谱的测量

对激光诱导荧光（LIF）光谱技术在燃烧过程中的应用进行研究，介绍测量燃烧过程中常见自由基OH和NO的LIF光谱的实验方案，以及采用激光诱导荧光光谱技术测量小分子荧光光谱的方法，利用YAG激光器、染料激光器、CO2激光器、光谱仪、ICCD等设备对燃烧产物中常见小分子自由基OH和NO进行了测量，从实验中得到了自由基OH和NO的荧光光谱。实验结果表明，荧光光谱与激发波长无关，但是激发波长改变后，荧光强度因离开最佳波长而有所下降，这符合分子荧光光谱的特征。与其他光谱技术相比，激光诱导荧光光谱技术具有极高的选择性和灵敏度。     

油气样品的固定波长同步荧光光谱特征研究

固定波长同步荧光光谱是同时扫描激发波长和发射波长而获得的荧光光谱，具有图谱简单、窄化、光谱重叠少、干扰小等优点，通过在量油气的固定波长同步荧光光谱，提出不同性质油气的荧光光谱特征。将此技术应用于钻井岩屑分析可以判断油气的属性，用于地下水样和地表土壤样分析，可以判断下伏的含油气性，为钻井提供有利靶区。事实证明，固定波长同步荧光光谱和三维荧光光谱的指正是一致的，可以用简单、快捷的同步荧光谱分析代替三维荧光光谱分析，取得事半功倍的效果。     

多波长LED阵列诱导荧光光谱在多组分分析中的应用研究

荧光光谱技术是对水中的溶解有机物、油类污染物,以及各种浮游植物生物量识别与测量的有效手段之一。构建了多波长LED阵列(450～610 nm)诱导荧光光谱测量系统,讨论了系统的原理和利用此系统进行多组分分析的方法。在实验室应用该系统获取了多组分混合荧光物质溶液的三维荧光光谱,并采用平行因子算法分析了多组分三维荧光光谱数据,结果显示得出的多组分浓度值与实际浓度的相关性大于98％。表明基于多波长LED阵列诱导荧光光谱测量系统在多组分分析中具有很好的应用前景。     

激发单色仪波长校准的标准物质的探索

找到了一种用于荧光光谱仪的激发单色仪波长校准用的标准物质。用光激发氧化钬滤光片标准物质GBW(E)130112时,能发射547.7 nm的荧光谱线。测量547.7 nm荧光的激发谱,发现激发谱峰的波长测量值为333.56, 360.43,418.39 nm,与上述标准物质证明材料所给出的真值333.8, 360.9,418.5 nm吻合得较好,说明用氧化钬滤光片标准物质GBW(E)130112可以用来作为荧光光谱仪的激发单色仪校准用的标准物质。如果选用发光效率高的材料作为稀土离子掺杂的基质和有效地提高样品的纯度、减小交叉弛豫,那么,氧化钬滤光片作为荧光光谱仪的激发谱波长校准用的标准物质的性能还会有大幅度的提高。     

基于试验方差分析的血氧测量波长选取的研究

为了提高血氧饱和度光谱测量的精度和可靠性,增强血氧饱和度测量数据的有效性,提出了基于试验方差分析的血氧测量波长选取的方法。通过分析不同波长组合对应的血氧饱和度系数分布情况,合理地利用统计理论,从中选取较好的波长组合。实验中以不同血氧饱和度临床数据为基础,建立了不同波长组合(660和940 nm,660和805 nm,805和940 nm)计算出的血氧饱和度系数的单因素试验方差分析模型,参照分析模型中的F指标和p参数,比较分析不同波长组合的显著性,进而从光谱数据中选取出相对较好的波长组合,为进一步建模分析提供了可靠的中间数据。结果表明,选取660和805 nm的波长组合引入的总误差相对较小,能更显著的代表血氧饱和度的变化,相比其他的波长组合进行分析能够提高血氧测量精度。本研究将试验方差分析方法用于血氧测量中波长组合的优选,效果显著,为血氧饱和度的测量和其他相关光谱的特征波长选取以及定量分析提供了新思路。试验方差分析方法有助于从光谱中提取代表被测量的有效信息。     

乙二醇和丙三醇的吸收光谱和荧光光谱研究

对乙二醇和丙三醇的紫外吸收光谱和荧光光谱进行了实验研究和理论分析,发现两者的最大吸收波长均位于198 nm,且在适当的紫外波长激励下均能发射出荧光,文章中给出了相应的荧光光谱图,但荧光相对强度和激发波长间似乎没有明显变化规律,其原因有待进一步探索。从乙二醇的一阶导数荧光光谱,得知在210 nm激发下荧光相对强度随时间变化最快,在225 nm激发下的绝大多数时间内变化速率最慢。另外,文章还从量子计算出发,采用一维势阱模型,根据电子从HOMO到LUMO的跃迁,计算出了两者的吸收波长值。比较分析了计算值与实验值之间的误差,考虑到将分子直链化后其键长与实际情况有所差别,结果认为理论计算有一定的参考价值。     

基于偏最小二乘回归的藻类荧光光谱特征波长选取

针对藻类荧光光谱解析中常见的信息冗余和光谱相关性问题,基于偏最小二乘(PLS)的方法,提出了区间蒙特卡罗偏最小二乘(IMC-PLS)方法,有效地解决了特征波长的选取问题。根据特征色素荧光峰位置预选出特征区域,综合利用了此特征区域内单个波段的信息和不同的随机波段组合对于模型的贡献,基于荧光光谱的三线性特点,联合了发射波长和激发波长的信息。研究结果表明,与无信息变量消除算法(UVE)相比,IMC-PLS反演4种藻类浓度得到的平均相对标准偏差分别降低了0%、34.3%、55.9%、30.5%,选择出的特征波长数和运算时间分别减少了80.1%、81.3%,IMC-PLS方法有效地解决了实时监测问题,也为离散三维荧光光谱仪器的研制提供了理论支持。     

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。     

三维同步荧光检索和数据处理方法用于荧光分析

本文对三维荧光检索法和数据处理方法相结合，进行荧光光度分析的最佳条件（包括同步谱）的选择及样品分析。通过对多种体系的荧光光度法测定的实验证明，本法操作简便，快速，可避免主观因素影响，容易找到最佳定量条件，并可判断未知组成样品可否进行定量分析。     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

基于荧光多光谱融合的水质化学需氧量的检测

为了对水中的有机污染物进行绿色、快速、准确的检测,提出了一种基于荧光多光谱融合的水质化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)的检测方法。实验样本为包含近岸海水和地表水在内的实际水样53份,采用标准化学方法获取样本的化学需氧量的理化值,利用荧光分光光度计采集样本的三维荧光光谱并对光谱数据进行处理和建模。在200～300 nm(间隔5 nm)的激发波长范围内将三维光谱展开成二维的发射光谱(发射波长范围250～500 nm,间隔2 nm)。采用ACO-iPLS(蚁群-区间偏最小二乘)算法提取发射光谱特征,PSO-LSSVM(粒子群优化的最小二乘支持向量机)算法建立预测模型,分别建立了单激发波长下的荧光发射光谱数据预测模型、多激发波长下发射光谱的数据级融合(LLDF)预测模型以及多激发波长下发射光谱的特征级融合(MLDF)预测模型,通过对预测效果的对比,得出结论。实验结果表明,对于不同激发波长下荧光发射光谱数据而言,265 nm激发光作用下的发射谱数据的预测模型最优,其检验集决定系数R2_P和外部检验均方根误差RMSEP分别为0.990 1和1.198 6 mg·L-1;对于荧光多光谱数据级融合模型(简写为：LLDF-PSO-LSSVM)而言,在235,265和290 nm激发光作用下的发射光谱的LLDF模型效果最优,其检验集的R2_ｐ和RMSEP分别为0.992 2和1.055 1 mg·L-1;对于荧光多光谱特征级融合模型(MLDF-PSO-LSSVM)而言,在265,290和305 nm激发光作用下的荧光发射光谱的MLDF模型效果最优,其R2_p=0.998 2,RMSEP=0.534 2 mg·L-1。综合比较各类建模结果可知,MLDF-PSO-LSSVM的模型效果最优,说明基于荧光发射光谱数据,采用多光谱特征级融合模型检测水质COD时,检测的精度更高,预测效果更好。     

一种溶解氧敏感膜荧光发射效率光谱检测系统的研制

荧光猝灭法是快速测量污水、地表水以及渔业养殖水环境中溶解氧含量的先进技术之一,氧敏感膜是荧光猝灭法检测技术的核心,高荧光发射效率的氧敏感膜具有灵敏度高、特异性强、信噪比高的优点,检测结果更为准确。高效率是优选氧敏感膜的依据,也是溶解氧检测元器件、检测电路和检测光路优化设计的关键。现有溶解氧荧光检测装置中未有对氧敏感膜进行质量评估的标准方法,基于对已有传感器探头光路和电路的研究,该研究分析了全波段的荧光发射效率,选用大功率氙灯作为激发光源,基于连续单波长逐级扫描进行单色分光,构建了氧敏感膜的激发光-荧光光谱扫描装置,然后通过扫描测定氧敏感膜的激发光光谱和荧光光谱,提出并建立了荧光发射效率计算方法,提出的方法能客观地评估荧光发射能力,准确寻找最佳激发波长。为验证该方法的可行性,对来自国内外的多个氧敏感膜样品进行了实验测定,测试结果表明：单张氧敏感膜荧光发射效率随波长变化,呈多峰分布,同一型号的样品荧光效率曲线相似,但荧光发射效率差异较大,同一激发波长下荧光发射效率最大者较最小者高出14.5%,三张氧敏感膜的最大峰值波长均不同,分别为：401,543和435 nm,但发射峰值波长均为650 nm;不同型号的氧敏感膜相比较,最大荧光发射效率可相差1～2个数量级;实测传感器中使用的激发波长,其所选用的激发波长并非最大发射峰值波长,其荧光发射效率仅为最大荧光发射效率的1/2,表明传感器光源可以进一步优化选型。综上所述,本文建立了一种溶解氧敏感膜荧光发射效率检测系统,提出了以荧光发射效率评估氧敏感膜的方法,并开展了相关实验测定。本文工作可望用于新型氧敏感膜材料、工艺的研究及传感器优化设计与制造。     

香蕉贮藏气体3D荧光表征特征选择及早期腐败预警初探

为利用3D荧光技术实现基于贮藏室气体荧光信息的香蕉腐败早期预警,选取两批不同贮藏日期的香蕉贮藏室气体进行三维荧光数据采集。首先对荧光数据进行了预处理：为消除三维荧光仪整体漂移现象,对得到的三维荧光数据进行去除漂移处理;利用matlab中eemscat工具包对瑞利与拉曼散射进行去除处理,有效消除了瑞利散射和拉曼散射的不利影响;运用Savitzky-Golar(SG)进行数据平滑处理,减少了噪声对荧光信号的干扰。同时,对三维荧光数据进行初步筛选,去除了荧光强度接近于0的发射波长,以及利用三阶高斯混合分布对不同激发波长下的发射光谱进行拟合去除了离散性较大的激发波长。然后针对荧光数据的特征表征,提出了一种基于Wilks Λ统计量融合间隔偏最小二乘法(iPLS)的荧光数据特征选择策略。具体是：用Wilks Λ统计量进行特征激发波长的选取,初步选出了5个特征激发波长;根据初选的特征激发波长用iPLS结合pH值及相对电导率进行了特征发射波段的选取,结果每个特征激发波长下均选出包含14个波长的特征发射波段。为进一步减少分析变量个数,根据选出的特征发射波长,运用Wilks Λ统计量再次进行特征激发波长反选,最终得到了3个特征激发波长。考虑到各特征激发波长下对应14个特征发射波长,故可选出42个特征发射波长。最后基于香蕉在贮藏中其品质变化具有时变特点,根据42个特征发射波长使用系统聚类分析法(SCA)进行香蕉腐败基准界定,得到两批香蕉均在贮藏的第5天出现品质突变。因此选用第5天贮藏室气体荧光信息来表征香蕉的腐败情况。另外,利用主成分分析(PCA)初步探索了用第1主成分实现香蕉早期腐败的预警。结果表明：文中提出的三维荧光数据特征波长的选择策略是能够有效降低光谱数据的复杂度,同时给出的早期腐败预警方法是可行的。     

口红的荧光和拉曼光谱特性的研究

人们消费方式的变化促使电商崛起,美妆市场呈爆发式增长,口红产品的安全成为关注焦点。面对品牌口红真伪问题,市场检测化妆品方法单一,对品牌口红的特征无针对性。采用三维荧光技术和共聚焦拉曼技术对某品牌真假口红的光谱性质进行了研究。三维荧光光谱显示五组口红均存在激发光峰值波长为320 nm左右,发射峰波长在372 nm附近的荧光（Ⅰ区）。A1,A2,A3,B1,B2和B3这6个样品中,激发光峰值波长为230 nm时会发出中心波长在400 nm左右的荧光,而在A4,A5,B4和B5这4个样品中,激发光峰值波长红移到250 nm左右,其荧光发射峰也发生了相应的红移,到450~470 nm（Ⅱ区）。此外,A5还存在激发光峰值波长550 nm,发射峰在590 nm附近的荧光;B1还存在270 nm激发,292 nm左右发射的荧光峰（Ⅲ区）。采用荧光强度相对法来定量分析,若都以Ⅰ区的荧光强度为1,口红不同色号间、同色号真假口红间的Ⅱ区和Ⅲ区的相对荧光强度显著不同。拉曼光谱显示正品口红中存在TiO₂的振动峰,也还存在大量的C-C,C-N,-CH₂和-NH₂等有机化官能团的振动特征峰。相比于正品口红,部分假口红中还存在四个特异性的振动峰,分别是228,447,609和1 090 cm-1,这与Fe₂O₃的拉曼峰位吻合。实验结果表明口红不同色号间、同色号真假口红之间均存在着明显的光谱差异,利用口红光谱的指纹特性可实现对真假口红的鉴别。     

基于跃迁偶极矩取向特征研究乙醚溶液中分子的各向异性度

利用偏振荧光光谱和偏振激发光谱研究了乙醚溶液中荧光分子跃迁偶极距的取向特征.实验结果表明,在垂直线偏振光照射下,乙醚溶液发射出峰值位于305 nm的荧光谱,对应的最佳激励光波长为256 nm.由偏振激发光谱分析得到荧光体的吸收跃迁偶极矩和发射跃迁偶极矩间夹角α的变化规律,揭示了荧光去偏振过程：在粘性溶液中的荧光分子具有一定的偶极取向,α随激发光波长发生变化,当激发波长接近最佳激发光波长时,吸收跃迁偶极矩和发射跃迁偶极矩间趋于平行,荧光的退偏效果较弱,偏振度最大.研究结果能为分子空间取向特征的理论研究提供参考.     

基于三维荧光光谱和四元数主成分分析的食醋品牌溯源研究

提出基于四元数主成分分析的三维荧光光谱特征提取新方法,并将其运用于品牌食醋溯源研究。首先利用F7000荧光光谱仪测得不同品牌食醋样本的三维荧光光谱数据,获取样本的等高线图和三维投影图,并进行三维荧光等高线图分析;然后利用激发波长分别为380,360和400 nm下的发射光谱数据建立食醋三维荧光光谱数据的四元数并行表示模型,对四元数荧光光谱矩阵进行四元数主成分特征提取,并基于乘积运算、模值运算和求和运算三种方法对提取出来的四元数主成分特征进行特征融合;最后将融合特征作为K近邻分类器的输入,得到不同食醋品牌的最优分类模型。分别讨论三种不同特征融合方法和四元数主成分个数与最终模型分类正确率之间的关系。针对四个不同食醋品牌120个样本的分析结果可得：基于求和特征融合运算所得到的融合特征可以利用最少的特征数目,建立最优的溯源模型,样本预测集溯源正确率可达100%。研究结果表明：四元数主成分特征提取和特征融合方法能够并行表示三维荧光光谱数据所蕴含的丰富信息,为三维荧光光谱数据分析提供新思路。     

宽谱段高分辨扫描光谱定标技术

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。