基于光谱解调的对称波导型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振(SPR)传感系统有角度谱、光谱、强度、相位等解调方式,其中光谱型的(SPR)传感系统因可以使用光纤导光,将传感部分独立出来,可进行远距离传感和现场检测,并能有效缩小系统的体积。对称光波导型(SOW)SPR因金属膜层两边的折射率完全相同,表面等离子体波传播距离更长,穿透深度更深,比传统的SPR系统具有更高的灵敏度和分辨率。对对称波导型(SOW)SPR进行光谱解调研究,以MgF₂-Au-MgF₂结构的SOW-SPR为传感单元,同时以光纤输出的卤素灯为光源, 搭建了一套光谱解调的SOW-SPR检测系统,以不同浓度的葡萄糖溶液对系统折射率分辨率进行测量,得到2.8×10-7 RIU的分辨率。为SOW-SPR系统小型化、现场检测以及远距离探测提出一种可能实现的手段,具有很好的应用前景。     

氯柱硼镁石在硼酸溶液中溶解转化的Raman光谱

利用Raman光谱对氯柱硼镁石在30 ℃时,4.5%的硼酸水溶液中溶解相转化过程进行了研究。研究结果表明相转化产物为库水硼镁石(2MgO·3B₂O₃·15H₂O)。根据Raman光谱位移对溶液中各种聚硼酸根B(OH)-₄,B₂O(OH)2-₆,B₃O₃(OH)-₄等阴离子的Raman峰进行了归属以及它们间的相互作用分别进行了讨论分析。提出了溶液中硼氧配阴离子的存在形式及其相互作用机理和我国青藏高原盐湖区库水硼镁石形成的地球化学成盐条件和机理。     

DKDP晶体的拉曼散射谱分析

根据空间群理论分析和指认了磷酸二氘钾晶体[K(D_xH_1-x)₂PO₄,简称DKDP]的拉曼活性晶格振动模,测量了其室温拉曼光谱。结果表明DKDP晶体的晶格振动谱主要是由D₂PO-₄阴离子团簇的内振动引起的。与H₂PO-₄阴离子稀溶液的拉曼谱和NaD₂(PO₄)₂晶体的拉曼谱比较,DKDP晶体中D₂PO-₄阴离子的四个特征内振动模可被指认为881 cm-1(ν₁),357 cm-1(ν₂),514/541 cm-1(ν₃),965 cm-1(ν₄)。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

绿松石的激光拉曼光谱研究

对湖北、安徽地区绿松石进行了激光拉曼光谱测试分析。结果表明,绿松石中H₂O,OH-及PO3-₄的基团振动是导致其激光拉曼光谱形成的主要原因。3 510～3 440 cm-1的谱峰是由ν(OH)伸缩振动所致,其中ν(OH)振动导致的强拉曼特征谱峰在3 470 cm-1附近,ν(H₂O)伸缩振动致拉曼谱峰位于3 290～3 070 cm-1附近的较为宽缓的弱谱峰处;由ν₃(PO₄)伸缩振动致强拉曼特征谱峰在1 200～1 030 cm-1之间,其中ν₃(PO₄)振动导致的强拉曼特征谱峰在1 039 cm-1附近,ν₄(PO₄)弯曲振动位于650～540 cm-1范围,ν₂(PO₄)的弯曲振动谱峰位于500～410 cm-1处;不同产地、不同结晶类型的绿松石表现出的拉曼谱峰特征基本一致。     

红外光谱法及单晶X衍射法研究Fe(Ⅲ)水解形态分布

采用Fe-Ferron逐时络合比色法研究了聚铁絮凝剂中不同pH值的Fe(a),Fe(b),Fe(c)的稳定性。结果表明,Fe(b)不稳定,10～15 d后全部转化为Fe(c),Fe(c)的含量经10～15 d后趋于稳定,Fe(a)的含量10 d后也趋于稳定。采用常温长时间结晶法从Fe(Ⅲ)-SO2-₄水溶液中制备出了单晶,并用红外光谱法及单晶X射线衍射法研究了所得单晶的结构。研究显示,从低pH值(pH 0.5左右)的Fe(Ⅲ)溶液中所得单晶中没有Fe—OH—Fe基团、Fe—OH基团、Fe的二聚羟基络合基团,仅为Fe(Ⅲ)离子形态的单晶,以氨水为碱化剂时其单晶化学式为Fe(H₂O)₆ (SO₄)₂NH₄·6H₂O。采用常温长时间结晶法,随水分的不断蒸发,不同初始pH值及不同碱化剂的Fe(Ⅲ)溶液一般都在pH 0.5左右结晶,还由于铁盐水解形态不稳定等原因引起。在低pH值下难以得到Fe(Ⅲ)的羟基络合物或聚合体单晶。实验研究显示,在絮凝剂水解形态研究中,红外光谱法、单晶X射线衍射法均有良好的应用前景。     

多酸有机亚胺衍生物的紫外-可见光谱及其取代基效应

以(Bu₄N)₄[α-Mo₈O₂₆]和各种取代苯胺及其盐酸盐为原料, 在碳二环己基亚胺(DCC)存在下, 经脱水反应,合成了多种六钼酸根有机亚胺衍生物, 并用元素分析,1H-NMR,IR和UV-Vis光谱等进行表征,重点研究了六钼酸根有机亚胺衍生物在乙腈溶液中的紫外光谱。研究结果表明,该类化合物具有典型的分子内电子转移的紫外-可见光谱特征,其特征峰位移Δλ_max与苯胺的苯环取代基的共轭效应指数(σ_R)之间存在良好的线性关系。     

光纤化学传感同步吸收-荧光法的建立

建立一种光纤化学传感同步测定吸收光谱和荧光光谱的新方法。自制同步吸收-荧光比色皿,结合光纤化学传感技术,建立同步吸收-荧光光谱法检测仪器,分别测定罗丹明B,维生素B₂,维生素B₆等溶液的同步吸收-荧光光谱,且与传统的紫外-可见吸光光度法和荧光法进行对比。同步吸收-荧光光谱法测得罗丹明B,维生素B₂,维生素B₆与传统吸光光度法和荧光光谱法检测的吸收光谱图和荧光光谱的图谱大体一致。最大荧光强度波长与传统的荧光方法比较准确度高,但最大吸收波长略有偏差。同步吸收-荧光光谱法等同于同步测定荧光物质的吸收光谱和荧光光谱,实现二光谱合二为一,测定最大发射波长时准确度高,但最大吸收波长略有偏差,值得深一步研究。     

电子助进化学气相沉积金刚石中的光发射谱特性

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α, H_β, H_γ)、碳原子C(2p3s2p2∶λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π∶λ=420～440 nm)的光发射过程进行了模拟,气体温度随空间的变化采用温度梯度变化,研究了不同反应室气压及衬底温度下的光发射谱特性。结果表明,不同衬底温度下各谱线强度均随气压的增大先增大后减小; 当气压较低时,谱线强度随衬底温度的增大而减少,而气压较高时,谱线强度随衬底温度的增大而增大。     

离子分子束源的浓度调制光谱研究

建立了一套交流放电产生离子分子束源的装置,以N₂为例,束流中N＋₂的发射谱强度远大于N₂的发射谱强度,N+₂(B)/N₂(C)高达6∶1。根据其发射谱,对交流放电过程和浓度调制光谱进行了测量研究,并计算了离子分子激发态振动温度和转动温度,分别为3 310和282 K。     

Total dissolved solids estimation with a fiber optic sensor of surface plasmon resonance

In this paper, surface plasmon spectra of ion influence was investigated by using a fabricated fiber optic sensors, then spectrum subtraction of ion and non-ionic solutions were developed for field applications of total dissolved solids (TDS) estimation. We confirmed the SPR spectral difference between seven ionic and three non-ionic liquid samples, that for the same refractive index, resonance wavelength in SPR spectrum is much higher for ionic samples than that in the case of non-ionic ones due to the ions influence. The positive correlation of ion content and extra resonance wavelength shift has been established for TDS estimation in water. With three groups of water samples investigation and field testing, the proposed SPR technique showed a good performance comparable to the conductivity method.     

基于银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振气体传感器

表面等离子体共振是一种免标记的传感技术,当介质周围的介电常数发生改变时,则SPR谐振光谱特性也会随之改变.因此表面等离子体共振传感技术已广泛应用于生物化学和环境监测等领域.由于二氧化钛(TiO2)覆盖层不仅可以保护金属层,还能调谐SPR谐振的光谱强度和谐振波长于近红外波段,应用于1550 nm的光纤传感,其氧化还原反应...     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C₆MIMBF₄,C₆MIMCF₃COO,C₆MIMHSO₄三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理。结果表明：向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C₂烃产物收率,C₆MIMCF₃COO和C₆MIMBF₄有助于提高C₂烃选择性,而C₆MIMHSO₄则导致C₂烃选择性下降。在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C₂,C₃,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加。核磁共振研究表明反应后离子液体C₆MIMBF₄结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用。     

固体发射光谱法测定地球化学样品中的高含量锡

介绍了一种固体发射光谱法测定地球化学样品中高含量锡的分析方法。研制了一套专用高含量锡光谱标准系列,以K₂S₂O₇,NaF,Al₂O₃,碳粉为缓冲剂,Ge为内标,样品、基物、缓冲剂比例为1∶1∶2。以弱灵敏线(Sn 242.170 0 nm)作为分析线,采用垂直电极法,交流电弧重叠摄谱,截取曝光,计算机定量译谱,同时扣除分析线和内标线背景。方法测定范围为：100～22 350 μg·g-1,检出限为：16.64 μg·g-1,精密度为(RSD, n=12)：4.11%～6.46%。测定了国家一级标准物质,结果与认定值符合。本方法可不用稀释直接测定地球化学样品中的高含量锡,提高了固体发射光谱法测定锡的检出上限,具有一定的实用价值。     

基于辐射度的光谱校正与自适应拟合相结合的SPR共振波长确定方法

表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、无需标记、可原位实时监测的特点,被广泛应用在生物医学、化学检测、食品安全、环境监测等领域。对于波长调制型SPR传感器,由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同,从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰,影响到实验检测结果。为消除这种影响,提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法,并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线,将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱,进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱),此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势,从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。随后基于拟合误差最小化的目标,对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱,使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm,表明此方法的光谱峰形优势具备普适性;连续采集了4 000组光谱并计算共振波长,其相对标准偏差为0.007 8%,处理速度为每个光谱12 ms,表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性;测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱,其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5,品质因数为传统校正方式的3倍,表明此方法具备良好的可靠性,并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能,相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式,处理简便,效果更突出。结果表明,基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、运算速度快、分辨率高、抗噪声、品质因数高等特点,能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。     

拉曼光谱分析青铜器本体中锈蚀产物

青铜器锈蚀研究能够揭示出青铜器腐蚀机理,为制定科学的保护措施提供重要的参考资料。目前,青铜器锈蚀研究主要从其外部锈蚀产物入手,通过锈蚀组成结构分析,探讨其腐蚀机理。本文选择了保存较好青铜器本体样品进行了内部锈蚀情况研究。首先采用金相制备技术,通过打磨、抛光和超声清洗处理后,制备了断面相组织形态清晰的24件秦早期青铜器青铜本体样品。然后利用共聚焦显微拉曼光谱仪对样品夹杂物进行了光谱学研究,发现其物相为PbCO₃和PbO及Cu₂O,都属于常见的青铜合金腐蚀产物。样品金相组织中圆形或者大面积无规则亮灰色区域为Cu₂O,反映出青铜器表面不仅易于形成一定厚度Cu₂O锈蚀层,在相界之间也容易发生氧化反应生成Cu₂O,存在合金内部和外部同时发生腐蚀生成赤铜矿锈蚀的情况。此外,拉曼光谱分析显示黑灰色物质主要为铅腐蚀产物——PbCO₃和PbO,反映出铅元素的腐蚀过程：Pb→PbO→PbCO₃。在铸造态青铜合金组织中,铅一般呈近圆形颗粒状态分布在相界之间。青铜器内部分布的铅颗粒在土壤埋藏环境中会发生氧化反应生成PbO,再与地下水中溶解的CO2-₃发生化学反应生成比较稳定的PbCO₃。结果表明：外界腐蚀因素(水、溶解氧和碳酸根等)能够通过合金中相界间通道进入青铜器内部,在相界表面逐步发生反应形成以金属氧化物为主的腐蚀产物。     

变压器油溶解气体的FTIR定量分析

针对色谱进行变压器溶解气体在线监测需要载气、定期标定、安全性低等缺陷,试图建立一种傅里叶变换红外光谱法的油溶解气体在线分析系统。考虑特征气体量小、成分多、检测限及安全要求高,根据特征气体的吸收光谱特征与分析要求,利用分段比基线校正、改进TR正则化特征变量提取算法,建立稀疏偏最小二乘的定量分析模型。以CH₄,C₂H₆,C₃H₆和CO₂等特征气体为例,给出了分析的测试结果。结果表明,在光谱波数分辨率为1 cm-1,光程为10 cm情况下,可以满足变压器绝缘油溶解气体分析要求。     

基于紫外光谱的GIS局部放电快速检测方法研究

SF₆气体作为绝缘介质大量应用于气体绝缘组合电器(GIS)中。GIS绝缘缺陷引起的局部放电会导致SF₆气体发生分解。分析SF₆气体及其主要衍生物是检测GIS设备局部放电的一种重要方法。研究表明,SO₂是一种典型且稳定的局部放电衍生物,其变化规律可以用于表征GIS的绝缘状况。此外,紫外光谱检测系统具有价格低廉、不受现场电磁及振动干扰等优点。本文通过紫外光谱定性、定量分析SF₆气体稳定的衍生物SO₂,达到对GIS局部放电的快速检测。一阶导数和S-G滤波被用于光谱信息的去噪和平滑;以模拟放电实验验证特征选取合理性;主成分回归对SO₂浓度做定量分析;用SO₂浓度对放电时间做模糊判断。通过选择合适的波段(295～305 nm),紫外光谱能够很好的从SF₆气体复杂的衍生物中识别出SO₂。首先回顾了SF₆气体局部放电下的分解机理,然后通过模拟局部放电实验验证了紫外光谱用于GIS局部放电快速检测的合理性,最终做到了对GIS局部放电的快速检测和放电时间的模糊判断。     

制革废水处理过程溶解性有机物的光谱特性研究

制革工业是我国国民经济的传统产业,制革废水已成为工业废水的重要组成部分。现阶段对于制革废水的研究多关注于进水和出水的水质状况,对于废水处理过程溶解性有机物(DOM)的转化规律和净化行为涉及很少。通过紫外光谱和三维荧光光谱跟踪识别制革废水不同处理工段水体DOM的生成特性,尝试建立总荧光强度与水质参数的线性关系。结果表明：废水DOM的吸光度随着紫外波长的增加先上升后下降,最大吸收峰位于230 nm附近。A₂₅₃/A₂₀₃比值和SUVA₂₅₄的参数值先增大后减小,暗示了废水游离取代基和芳环取代基种类和数量的变化。废水原水荧光峰主要出现在λ_ex/em=320～350/440～460和λ_ex/em=270～300/390～420区域,分别归属为可见光区类腐殖酸荧光峰和可见光区类富里酸荧光峰。随着废水处理过程的进行,相继检测到类腐殖酸荧光峰蓝移(水解酸化池)、类色氨酸荧光峰(λ_ex/em=290/340,二级生化池)、弱荧光峰(λ_ex/em=350/520,四级生化池)以及荧光特性趋于稳定(二沉池和出水口)等现象,证实了废水有机物的降解特性和生成规律对荧光图谱的影响。制革废水总荧光强度去除率与总有机碳去除率的线性关系更好,相关系数r为0.835 5。紫外光谱和荧光光谱能在一定程度上揭示制革废水的净化规律和机制。