基于三维荧光的产麻痹性贝毒藻浓度监测研究

近年来,我国沿海赤潮发生的次数和面积持续增加,经济损失严重。根据赤潮的毒性特点,通常分为三类,分别为无毒赤潮、鱼毒性赤潮和有毒赤潮。其中有毒赤潮产生的毒素主要是麻痹性贝毒,其由于分布广,毒性强成为危害最大的生物毒素之一。根据麻痹性贝毒的摄入量不同,人类误食染毒的贝类后,身体各部位会出现刺痛或灼热的感觉,然后全身麻痹,严重者甚至在短时间内死亡。近年来,多地出现人类误食染毒的贝类后死亡的事件。麻痹性贝毒的摄入量主要取决于产麻痹性贝毒藻的浓度,因此,对产麻痹性贝毒藻浓度的监测就显着尤为重要。提出了用三维荧光光谱结合化学计量学方法建立产麻痹性贝毒藻定量分析模型。首先,利用F-4600荧光光度计采集微小亚历山大藻（Alexandrium minimum）、链状裸甲藻（Gymnodinium catenatum）和太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）三种典型的产麻痹性贝毒藻类三维荧光光谱数据,获取藻类样本的三维荧光光谱等高线图,并进行图谱分析;然后,利用不同激发波长下的发射光谱数据建立产麻痹性贝毒藻三维荧光光谱的串行表示模型,提取新的特征;最后,将新的特征数据分别作为粒子群优化最小二乘支持向量机算法（particle swarm optimization-least squares support vector machine, PSO-LSSVM）和偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）的输入,建立产麻痹性贝毒藻的定量分析模型。结果表明,运用粒子群优化最小二乘支持向量机算法建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型普遍优于偏最小二乘回归算法。当激发波长选择460和530 nm,发射波长选择650～750 nm作为PSO-LSSVM的输入数据,建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型效果最好,结果显示R_c=0.999 9,RMSEC=0.017 1,R_p=0.949 2,RMSEP=0.291 0。这体现出三维荧光光谱结合PSO-LSSVM定量分析模型可有效地监测活体产麻痹性贝毒藻的浓度数值,为产麻痹性贝毒藻浓度检测提供了一种在线检测的新方法。     

利用电压敏感荧光染料测定贝体中的麻痹性贝毒

麻痹性贝毒(paralytic shellfish poisoning, PSP)是分布最广、危害最大的赤潮毒素,可阻断钠离子通道从而抑制动作电位的形成导致动物体中毒。以膀胱癌移行细胞T24为实验材料,采用电压敏感荧光染料bis-oxonol,根据PSP毒素GTX2,3对藜芦定诱导细胞去极化的抑制作用,建立了一种麻痹性贝毒电压敏感荧光染料检测法。实验结果显示,在2～100 ng·mL-1范围内,PSP毒素GTX2,3可显著改变培养体系的荧光强度,GTX浓度与荧光强度之间存在很好的线性关系。市售贝类PSP毒素检测结果表明,此方法测定结果与小鼠法基本一致,但灵敏度更高,说明根据GTX浓度与荧光强度之间的线性关系可实现对样品中PSP毒素的快速检测。利用电压敏感荧光染料测定贝体中的麻痹性贝毒是一种非常有潜力的贝毒快速筛查方法。     

海洋微藻生长过程藻液三维荧光特征

利用三维荧光光谱技术监测了中肋骨条藻（Skeletonema costatum）,塔玛亚历山大藻（Alexandrium tamarense）,微小亚历山大藻（Alexandrium mimntum）,锥状斯氏藻（Scrippsiella trochoidea）,东海原甲藻（Prorocentrum donghaiense）及海洋原甲藻（Prorocentrum micans）实验室培养过程中产生的荧光溶解有机物。中肋骨条藻为代表的硅藻主要产生类腐殖质荧光物质,而甲藻在指数增长期主要产生类蛋白荧光物质。进入消亡期后类蛋白荧光和类腐殖质荧光强度迅速增大,原因可能是衰老、死亡藻细胞的破碎释放出大量的荧光有机物质所致,此外还有细菌对非荧光有机物进一步降解。塔玛亚历山大藻、微小亚历山大藻、东海原甲藻及海洋原甲藻的类蛋白荧光强度在消亡后期由于细菌降解或光降解等因素而降低。同属微藻产生的荧光物质相似,例如塔玛亚历山大藻与微小亚历山藻、东海原甲藻与海洋原甲藻,但具体荧光峰位置有所不同。     

冷鲜猪肉的三维荧光光谱特征研究

利用三维荧光光谱技术,研究了冷鲜猪肉三维荧光光谱特征,主要探讨了不同温度存储条件下冷鲜猪肉荧光峰的位置和荧光峰所处区域内荧光强度平均值随存储时间变化的规律,并初步判断了荧光物质的种类,为实现基于三维荧光光谱技术快速、无损检测冷鲜猪肉新鲜度奠定了理论基础。实验结果表明,不同温度存储条件下样本的三维荧光光谱图中均含有2个明显的荧光峰（Peak A和Peak B）,它们所在位置的激发波长（λ_ex）/发射波长（λ_em）范围分别为：λ_ex/λ_em约为250～310 nm/300～400 nm和约为300～450 nm/400～550 nm。其中,Peak A为类蛋白荧光,Peak B为脂质氧化产物荧光。此外,实验还发现,两个荧光峰在各自所处区域内荧光强度的平均值随存储时间变化的趋势不受存储温度影响,均是Peak A在λ_ex/λ_em=250～310 nm/300～400 nm区域内荧光强度的平均值（I_A）逐渐下降,Peak B在λ_ex/λ_em=300～450 nm/400～550 nm区域内荧光强度的平均值（I_B）逐渐上升。但I_A和I_B的变化速率受存储温度影响,冷藏条件下比室温条件下变化慢。     

活体浮游植物同步荧光光谱特征分析研究

测量了东海五种常见浮游植物在3个温度(25,20,15 ℃)、3个光照(7 000,4 100,1 100 Lx)下的不同生长期的同步扫描荧光光谱,对其进行了多项式平滑和归一化处理,考察了同种藻的光谱相似性,并运用主成分分析确立了其标准谱。分析结果表明,中肋骨条藻(Skeletonema costatuma, Sk)、等鞭金藻(Isochrysis galbana, Is)、岛国大扁藻(Platymonas helgolanidica, Pl)的特征光谱相似度高,塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)和裸甲藻(Gymnodinium stein)的光谱相似度稍差。实验所用的硅藻中肋骨条藻与甲藻塔玛亚历山大藻、裸甲藻的标准光谱明显不同。     

鱼毒性藻类及其溶血活性的三维荧光光谱识别研究

利用小波分析和Fisher判别等方法,研究了典型鱼毒性藻类米氏凯伦藻(karenia mikimotoi)、海洋卡盾藻(chattonella marina)及卵圆卡盾藻(chattonella ovata)在不同铁浓度培养条件下各生长期的溶血毒素与三维荧光特征光谱的关系。通过Coif2小波分析发现,鱼毒性藻类与非鱼毒性藻类的荧光特征谱差异主要集中在第1～10个数据点(波长λ_em=650～680 nm)和35～47个数据点(波长λ_em=725～750 nm;λ_ex=400～425 nm)的荧光强度变化。利用该波段的藻类荧光强度及其对应的溶血活性值进行Fisher判别函数分析,对鱼毒性藻类的正确判别率为91.7%,非鱼毒性藻类的正确判别率高达100%,对具中等溶血活性(≥10 HU, <20 HU)藻类的正确判别率为70%,而对低活性(<10 HU)和高活性(≥20 HU)藻类的正确判别率均达80%以上。     

醋酸N-正辛基吡啶离子液体在不同溶剂中的荧光光谱分析

离子液体具有熔点低、可忽略的蒸气压、电化学窗口宽、热稳定性高和良好的导电性等独特性能,引起了化学工业和相关领域的广泛关注。离子液体具有低蒸气压,不会造成空气污染,但这并不意味着它们对环境完全无害。大多数离子液体易溶于水,可能会因为意外泄漏或通过污水进入水生环境。常用离子液体[BMIM][PF₆]和[BMIM][BF₄]的水溶液中,很容易形成氢氟酸,磷酸,具有一定的腐蚀性。将离子液体列为绿色溶剂,也需要提供其关于代谢和降解的毒性、生态毒性研究数据,或者其对环境影响的数据,离子液体在不同溶剂中的检测方法是非常重要的。离子液体的光谱分析法用量较少、方法简单、结果准确。离子液体和许多有机溶剂互溶,可形成均一、稳定的溶液。荧光检测法具有灵敏度高,选择性好,线性范围宽和受外界干扰少等优点。本工作研究了醋酸N-正辛基吡啶（OP-OAc）离子液体在水、乙醇、乙腈、乙酸等4种溶剂中的荧光光谱。研究结果表明,OP-OAc离子液体在不同溶剂中的荧光强度：I_乙酸＞I_乙腈＞I_乙醇＞I_水;最大发射波长的大小顺序：λ_{em, 水}＞λ_{em, 乙醇}＞λ_{em, 乙腈}＞λ_{em, 乙酸};它们的最大发射波长相对于激发波长发生红移;水中OP-OAc的荧光强度与浓度存在较高的相关性;当加入的甲醇、乙醇、乙腈溶剂不断增加时,OP-OAc离子液体的荧光强度增加,溶剂与水的比例为8∶2时,OP-OAc离子液体的荧光强度最强,溶剂的比例超过80%时,荧光强度突然降低;水中OP-OAc离子液体在pH 10时,荧光强度最高,在pH 14时,荧光强度最低。     

光谱法和分子对接研究红斑红曲胺与牛血清白蛋白相互作用

近年来,随着对红曲色素的深入研究,其越来越多的功能活性被发现,但其某些致毒作用也使红曲色素的安全性受到了质疑。因此,阐明红曲色素在人体中与大分子的相互作用对深入研究其转运代谢及毒副作用具有重要作用。光谱法是研究溶液中小分子与蛋白质相互作用的一种有效方法,其具有灵敏度高、选择性强、用样量少、方法简单等优点,在研究中得到越来越广泛的应用。为探究红曲色素在体内的转运机制和血液中与转运蛋白的相互作用,本研究首次用红斑红曲胺(Rubropunctamine,Rub）作为红曲色素的典型代表与牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）相互作用。利用内源荧光光谱、同步荧光光谱探究不同浓度的Rub对BSA的荧光猝灭作用,采用Stern-Volmer方程、Lineweaver-Burk函数和Van’t-Hoff方程对不同温度下BSA与Rub作用后在λ_EX/λ_EM(280.0 nm/340.0 nm)（λ_EX/λ_EM表示荧光的激发波长和发射波长）的内源荧光强度值确定二者作用类型、结合位点数及相互作用机理,进一步利用圆二色谱定量测定了Rub的结合对BSA二级结构影响,最后运用软件Discovery Studio2.5对Rub与BSA的相互结合进行分子对接模拟。结果显示：(1) Rub对BSA具有较强的内源荧光猝灭效果,在λ_EX/λ_EM(280.0 nm/340.0 nm)的荧光强度下降306.1,发射波长由338.6 nm蓝移到331.8 nm,同步荧光显示荧光猝灭主要发生在色氨酸残基上。(2)Stern-Volmer方程计算得到动态猝灭速率常数K_q为2.335×1012 L·(mol·s)-1,远大于此类型允许的最大扩散碰撞常数2.0×1010 L·(mol·s)-1,判定该猝灭是单纯的静态猝灭过程。利用Lineweaver-Burk函数计算得到静态猝灭速率常数K_q随温度升高而减小,即该复合物在温度升高时变得不稳定。(3)利用等式lg[(F₀-F)/F]=lgK₀＋nlgc_Q得到两者结合常数可达103 L·mol-1以上,结合位点数近似为1,且随着温度增加表观结合常数变小。(4)不同温度下Van’t-Hoff方程计算得到ΔH,ΔS,ΔG都小于0,则该相互作用能自发进行且氢键和范德华力是其主要的相互作用力。(5)圆二色谱测得BSA与Rub结合后二级结构中α-螺旋含量由29.4%降至20.2%;β-折叠由39.9%上升到50.7%;β-转角由6.5%下降到3.5%;无规则卷曲由24.2%上升到25.6%。(6)分子对接发现Rub结合点位于 BSA中由Arg458,Asp108,Glu424和Ser428等氨基酸形成的口袋内,与Arg458有范德华力作用,与Arg144形成分子内氢键,影响到Trp213微环境。     

生物炭中溶解性有机质的光谱分析

稻壳和木屑是农林业废物处理与利用的重点，将稻壳和木屑制备成生物炭并用于环境污染与防治成为研究热点，但对稻壳和木屑生物炭中溶解性有机质（DOM）的研究还较少。以稻壳和木屑为生物质原料，在不同温度（200~700 ℃）下制备稻壳和木屑生物炭，利用紫外-可见光谱、三维荧光光谱和红外光谱技术对生物炭DOM的光谱特征进行分析，研究不同热解温度对生物炭DOM光谱特征的影响。结果表明，随着热解温度升高，稻壳和木屑生物炭DOM中溶解性有机碳（DOC）浓度逐渐降低，且木屑生物炭的DOC浓度远高于相同温度下的稻壳生物炭。稻壳和木屑生物炭DOM的紫外吸收均随着波长的增大而逐渐降低，且随着热解温度升高，稻壳生物炭DOM的吸光度先增加后降低，而木屑生物炭DOM则持续降低。紫外光谱的特征参数值（SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀）随着热解温度升高变化趋势相同，且在相同温度下，稻壳生物炭DOM的特征参数值均高于木屑。三维荧光光谱表明稻壳和木屑生物炭DOM的荧光峰主要出现在λ_ex/em=300~315/400~425 nm和λ_ex/em=210~245/380~435 nm波段，分别代表类腐殖质荧光峰和富里酸荧光峰，可用来表示生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量。随温度升高，稻壳生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量先升高后降低，而木屑生物炭DOM则逐渐降低。三维荧光参数表明稻壳和木屑生物炭DOM的自生源指标（autochthonous index，BIX）不强，生物可利用性和类蛋白比例较低；随着温度升高稻壳生物炭DOM腐殖化指数（humification index，HIX）先增加后降低，而木屑生物炭DOM的HIX则逐渐降低。此外，红外光谱结果表明，随着热解温度的升高，稻壳和木屑生物炭DOM中-OH逐渐降低，-CH₂、-CH₃变化不明显，芳环C═C， C-H增强，芳香化程度增强。     

浸入式可见/近红外光谱技术的藻种鉴别研究

对藻类的识别分类及其生化分析已成为海洋生物学的研究热点之一。以普通小球藻、蛋白核小球藻、微绿球藻、莱茵衣藻为样品,通过便携式USB4000微型光纤光谱仪、Y形光纤和探针,卤素光源构建的光谱采集系统对不同浓度梯度的120个微藻样本进行浸入式可见/近红外透射光谱的原位采集,比较去基线、卷积平滑等光谱预处理方法的效果,并基于连续投影算法(SPA)筛选特征波长,通过偏最小二乘法(PLS)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和极限学习机(ELM)进行建模,探讨采用透射光谱原位快速鉴别四种不同藻种的可行性。结果表明：卷积平滑的处理效果较为理想,有效波长可用于代替原始光谱建立微藻种类判别分析模型。SPA-LV-SVM和SPA-ELM的预测效果显著高于SPA-PLS,三者的平均预测正确率分别是80%,85%,65%。浸入式可见/近红外光谱技术和便携式光纤探针结合的藻种鉴别方法,有效实现了对四种微藻的鉴别,为藻种鉴别和藻种分类研究领域提供了一种新思路。     

高温高压处理对褐色CVD钻石谱学特征的影响

目前CVD法合成单晶钻石是超硬材料科学和宝石学关注的热点之一,该方法合成的单晶钻石常带有褐色调。通常采用高温高压法（HPHT）提高褐色CVD钻石的色级和透明度,在前期HPHT处理褐色CVD钻石实验基础上,选出颜色改善明显的三颗样品,对其处理前后谱学特征进行对比。采用紫外-可见吸收光谱、红外光谱、光致发光光谱、三维荧光光谱、激光拉曼光谱以及X射线摇摆曲线进行分析。结果表明,褐色和深褐色样品褪色温度较高,处理后样品紫外-可见吸收光谱吸收系数明显减小,透明度明显提高。样品中红外与近红外光谱显示,在1 332 cm-1处的吸收峰与N+中心有关,该中心是褐色CVD钻石常见特征。在3 124 cm-1处吸收峰与NVH0缺陷中心有关,该峰在CVD钻石和HPHT处理钻石中常见。另外在2 700~3 200 cm-1范围变化的一组吸收峰,与C-H键伸缩振动有关。高温对CVD钻石含H基团影响较大,在5~6 GPa压力下处理温度在1 500~1 700 ℃范围,会在近红外波段4 673,6 352,7 354,7 540,7 804和8 535 cm-1出现一组吸收峰,可指示样品经过较高温度处理。目前针对CVD钻石以及经过HPHT处理的CVD钻石近红外波段的论述较少,该研究可以为鉴定CVD钻石及HPHT处理CVD钻石提供依据。综合光致发光光谱和三维荧光光谱分析,处理后样品NV-缺陷比例减小,SiV-中心缺陷比例增加。在5~6 GPa压力下,仅当处理温度高于1 500 ℃时,样品三维荧光光谱在λ_ex/λ_em=500 nm/575 nm处荧光峰增强,在λ_ex/λ_em=490 nm/550 nm处荧光峰消失,从某种意义上该峰位变化可指示样品经过较高温度处理。物相分析结果显示,HPHT处理后CVD钻石在1 332 cm-1处拉曼位移半高宽和XRD摇摆曲线半高宽均减小,表现出了较好的一致性,说明经HPHT处理的褐色CVD钻石结晶质量变优。     

基于荧光分析法和APTLD相结合的多环芳烃的检测

为准确进行浓度检测,用Savitzky-Golay(SG)多项式曲面平滑法去除三维荧光光谱数据的冗余信息,分别采用平行因子法(PARAFAC)算法和交替惩罚三线性分解(APTLD)算法对光谱数据进行分解。设计多环芳烃类污染物的检测实验,分析了芴(FLU)、苊(ANA)及两者混合溶液的荧光光谱特性。FLU溶液在λ_(ex)/λ_(em)=302/322 nm处存在一个明显的荧光峰,并且存在连续侧峰。ANA溶液存在两个荧光峰,分别为λ_(ex)/λ_(em)=290/322 nm和λ_(ex)/λ_(em)=290/336 nm。在激发波长200～370 nm扫描范围和发射波长240～390 nm扫描范围内,FLU和ANA荧光光谱重叠严重。结果表明,两种算法均能分辨出FLU和ANA,并取得了很高的回收率,但APTLD算法的检测效果更好。     

常见翡翠的三维荧光光谱特征研究

翡翠为一种珍贵的玉石。不同品级的翡翠价值差异巨大,翡翠经充填、染色等处理以提高外观质量,并冒充天然翡翠。鉴别翡翠就显得非常必要。全面收集了市场上常见的A,B,C,不同颜色B+C货翡翠样品,在常规宝石学特征描述的基础上, 进行了三维荧光光谱测试。三维荧光光谱技术是近年发展起来的一门新的荧光分析技术,该技术在宝石学方面还未得到广泛应用。目前主要依赖红外光谱对经充胶处理的宝石进行无损检测,其测试结果会受到样品表面抛光程度及样品透明度的影响,三维荧光光谱技术对样品抛光程度及透明度要求不高,在一定程度上能避免红外光谱由于抛光程度、透明度对测试结果的影响,采用三维荧光光谱技术对市场上不同处理类型翡翠样品的三维荧光光谱特征进行分析, 结果显示：除A货翡翠没有荧光反应外, B货翡翠荧光中心多集中在380 nm(λ_ex)/440 nm(λ_em),在长波紫外灯下具有中强蓝白色荧光。C货翡翠荧光中心集中在365 nm(λ_ex)/443 nm(λ_em),在长波紫外光下呈弱紫色荧光,B+C紫色翡翠荧光中心集中在365(λ_ex)/443 nm(λ_em), 长波紫外光下具有蓝紫色荧光。B+C绿色翡翠荧光峰值主要集中在290(λ_ex)/308 nm(λ_em),短波紫外光下具有弱蓝白色荧光。B+C黄色翡翠荧光峰值集中在335(λ_ex)/377 nm(λ_em), 长波紫外光下具有弱绿色荧光。B+C红色翡翠荧光峰值为290(λ_ex)/308 nm(λ_em),长波紫外光下具有弱绿色荧光。在255 nm激发光源下时,不同处理类型翡翠发光范围集中在紫-蓝区域,发光中心波长呈B+C绿色翡翠>B货翡翠>C货翡翠,在365 nm的激发光源下,翡翠样品的荧光明显强于短波,不同处理类型翡翠发光范围集中在紫-绿区域,发光中心波长呈B+C黄色翡翠>B+C绿色翡翠>B+C紫色翡翠>C货翡翠>B货翡翠的大小关系。三维荧光光谱有助于表征树脂,有机染料及金属染剂, 它能快速有效鉴别不同方法处理的翡翠类型。     

浮游植物活体三维荧光光谱分类判别方法研究

选取中国东海6种分属于4个门类的赤潮藻种、优势种在实验室进行扩大培养,测量了2个温度(20和15℃)、3个光照(7000,4100和1100Lux)、不同生长期浮游植物的三维激发／发射荧光光谱,对浮游植物活体三维荧光光谱分类判别方法进行了研究。结果表明：基于主成分的判别分析法是利用三维光谱数据判别浮游植物种类的有效方法,对于金藻is,绿藻pl,中肋骨条藻sk三个物种,区分识别率理想;可以将中肋骨条藻(硅藻)与甲藻al和pr分开。     

基于叶绿素荧光光谱和反射光谱的甜瓜种子品种鉴别

甜瓜的品种多样,富含多种营养成分,甜瓜种子品种不纯将对甜瓜生产造成一定危害,研究采用种子的叶绿素荧光光谱结合反射光谱的分析方法鉴别甜瓜种子品种,以甜瓜品种“一特白”、“一特金”、“京蜜7号”、“京蜜11号”、“伊丽莎白”为研究对象。构建了甜瓜种子品种鉴别光谱系统,包括激发光源单元、光谱数据采集单元和数据处理单元,使用该系统获取不同品种甜瓜种子的光谱数据。对光谱数据分别进行一阶导数(first derivative, FD),Savitzky-Golay(SG) 平滑,FD结合SG平滑预处理。采用主成分分析(principal component analysis, PCA)方法降低光谱数据的维数,提取主成分。使用两种不同分组方法将样品按照3∶1的比例分为训练集和验证集,并分别采用Fisher判别和Bayes判别分析方法建立甜瓜种子品种的判别模型。本文比较了仅使用叶绿素荧光光谱与使用叶绿素荧光光谱结合反射光谱建立判别模型的判别结果,结果显示,使用叶绿素荧光光谱结合反射光谱建模的判别结果优于仅使用叶绿素荧光光谱建模的判别结果,Fisher判别分析和Bayes判别分析的验证集样品品种的判别正确率均达到98.0%。研究结果表明,采用叶绿素荧光光谱结合反射光谱鉴别甜瓜种子品种具有可行性。