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。     

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。     

藻类内源产生有色溶解有机物的吸收和三维荧光特性研究

利用吸收光谱和三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC) 方法,研究了海洋中常见的四种硅藻、两种甲藻藻液的CDOM的光吸收性质和三维荧光特性。吸收光谱测定结果表明在六种藻类生长过程中,旋链角毛藻、三角褐指藻、小新月菱形藻和盐生舟行藻四种硅藻以及东海原甲藻和裸甲藻两种甲藻的α(355)分别增加了64.8%,242.3%,535.1%,903.2%,836.0%和196.4%。表征CDOM分子量和类腐殖质组分比例的Sg呈下降趋势,分别降低了8.7%, 34.6%, 39.4%, 53.1%, 46.7%和35.7%。在三维荧光光谱测定中检测出小新月菱形藻和盐生舟行藻两种硅藻藻滤液的CDOM包括三种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分：C1(Ex/Em=350(260) nm/450 nm),C2(Ex/Em=260(430) nm/525 nm),C3(Ex/Em=325 nm/400 nm)和C4(Ex/Em=275 nm/325 nm)。随着藻类的生长,小新月菱形藻和盐生舟行藻藻滤液的CDOM荧光强度分别增加了8.68,24.9,7.19,39.8倍和2.64,0.07,4.39,12.4倍,经过相关性分析表明各组分的荧光强度与α(355)和Sg之间均表现为良好的相关性。综上研究结果表明不论是甲藻还是硅藻,在生长过程中藻类内源所产生的CDOM的含量及分子量均表现为上升趋势,且硅藻类相比甲藻增长变化更为明显。在CDOM的组成中,类腐殖质成分随藻类生长所占比重同步增大,类蛋白质组分增长缓慢。另外通过该研究可以发现不同种类的藻所产生的CDOM的吸收光谱有明显差异,由三维荧光光谱得到的不同荧光组分强度也因藻种不同而不同,说明不同藻种在天然海水中对CDOM的贡献有很大区别。     

藻类内源产生有色溶解有机物的吸收和三维荧光特性研究（英文）

利用吸收光谱和三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)方法,研究了海洋中常见的四种硅藻、两种甲藻藻液的CDOM的光吸收性质和三维荧光特性。吸收光谱测定结果表明在六种藻类生长过程中,旋链角毛藻、三角褐指藻、小新月菱形藻和盐生舟行藻四种硅藻以及东海原甲藻和裸甲藻两种甲藻的α(355)分别增加了64.8%,242.3%,535.1%,903.2%,836.0%和196.4%。表征CDOM分子量和类腐殖质组分比例的Sg呈下降趋势,分别降低了8.7%,34.6%,39.4%,53.1%,46.7%和35.7%。在三维荧光光谱测定中检测出小新月菱形藻和盐生舟行藻两种硅藻藻滤液的CDOM包括三种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分:C1(Ex/Em=350(260)nm/450nm),C2(Ex/Em=260(430)nm/525nm),C3(Ex/Em=325nm/400nm)和C4(Ex/Em=275nm/325nm)。随着藻类的生长,小新月菱形藻和盐生舟行藻藻滤液的CDOM荧光强度分别增加了8.68,24.9,7.19,39.8倍和2.64,0.07,4.39,12.4倍,经过相关性分析表明各组分的荧光强度与α(355)和Sg之间均表现为良好的相关性。综上研究结果表明不论是甲藻还是硅藻,在生长过程中藻类内源所产生的CDOM的含量及分子量均表现为上升趋势,且硅藻类相比甲藻增长变化更为明显。在CDOM的组成中,类腐殖质成分随藻类生长所占比重同步增大,类蛋白质组分增长缓慢。另外通过该研究可以发现不同种类的藻所产生的CDOM的吸收光谱有明显差异,由三维荧光光谱得到的不同荧光组分强度也因藻种不同而不同,说明不同藻种在天然海水中对CDOM的贡献有很大区别。     

基于四阶导数的浮游植物叶绿素荧光激发光谱特征研究

测量了分属硅藻和甲藻两个门类的六种我国东海常见赤潮藻的叶绿素荧光激发光谱,以Matlab为操作平台,采用自编的光谱求导程序,对荧光激发光谱进行四阶导数处理。结果表明,四阶导数法能有效去除光谱中的细小杂峰,并将重叠的色素荧光峰分离,实现主要色素的定性定量分析。四阶导数光谱在350～550 nm波长范围内出现的6个极大值主要代表了活体藻液中的非色素荧光物质、叶绿素和类胡萝卜素的荧光峰。通过原始叶绿素荧光激发光谱和四阶导数光谱的对比分析,表明四阶导数光谱法能够凸显硅藻和甲藻之间的光谱差异,增强光谱识别硅藻和甲藻的能力,同时也提高了光谱的稳定性和重现性。     

黄渤海浮游植物种群比吸收光谱的确定及其应用

浮游植物比吸收系数是关联浮游植物生物量与吸收光谱的重要参数。对浮游植物种群比吸收系数的量化分析,可弥补黄渤海浮游植物种群比吸收光谱研究的不足,为监测浮游植物种群浓度提供新思路。结合2016年6月黄渤海航次的浮游植物吸收系数与色素浓度数据,利用CHEMTAX软件分析得到黄渤海8个优势藻种的浓度。运用留一法,对吸收系数与藻种浓度数据进行多元线性回归分析,提取各藻类比吸收光谱,重建总吸收光谱。结果显示,模型反演效果较好,重构的吸收光谱与实测光谱在蓝、红光波段具有较高的一致性。此外,分析优势藻种对浮游植物吸收系数的贡献时,发现在所有优势藻种中,定鞭藻对浮游植物的吸收贡献最大,蓝藻次之。     

三亚鹿回头海域珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱分析

以海南三亚湾鹿回头附近海域常见的8种优势造礁石珊瑚的反射率光谱代表该海域珊瑚的反射率光谱,用光纤光谱仪测量它们和此海域常见底质团扇藻、砂的反射率光谱。利用反射率、导数光谱法分析研究了该海域造礁石珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱的差异。分析表明500～ 700 nm和珊瑚反射率差异相对较大;珊瑚反射率光谱明显低于砂反射率光谱,反射率谱线整体差异显著。导数分析结果显示造礁石珊瑚、团扇藻和砂的可区分波段为：石珊瑚与团扇藻的一阶导数,主要为415.1～425.6,482～487,514.5～529,577～587.6和631.9～644 nm等波段。二阶导数主要为,413～418.7,427.4～432.5,462.3～470.6,494.4～503.6,551.6～561.4,590～594和639～643 nm波段。四阶导数主要为,412.2～418.4,420.5～425.3,470.9～480.2,481.3～486.9,540.8～545.7,560～568.3和635.6～639.6 nm等波段。石珊瑚与砂的一阶导数,主要为400～413.7,514.5～529.6,576.9～587.6和602.7～667 nm波段。二阶导数主要为,420.5～430.7,446.9～458.8,467.3～472.3,537～544.3,556.8～561.4,582.8～587.2和637.6～649.4 nm。四阶导数主要为,414.4～418.7,419.5～430.3,486.9～495.8,534.2～540.1,579～583.1,622.7～627.5,640～645和665.4～672.8 nm等波段。     

一次赤潮生消过程的水体光谱模拟

基于Mie散射理论,利用一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体吸收光谱数据,反演了藻细胞的折射率虚部,开展了细胞平均吸收效率因子(Qa)、后向散射效率因子(Qbb)和散射相函数的光谱模拟与分析。研究发现:(1)均匀球模型(Mie理论)能较好地重现聚生角毛藻的吸收光谱特征,Qa平均相对误差在11%以内。(2)Qbb受吸收影响,这一方面体现于Qbb在400～700nm波段的光谱变化,即吸收极大值的波长处Qbb取极小值;也体现在整个赤潮生消过程中,赤潮爆发前Qbb大,赤潮爆发后Qbb变小。(3)总散射与粒径参数(表征粒径相对于波长的大小)成正比,受吸收的影响小;总散射与角度散射强度反比于波长。     

水体细菌微生物多波长透射光谱特征分析研究

多波长透射光谱能够反映出样品细胞大小、形状、内部结构和化学组分等丰富而独特的信息,是微生物快速、实时、在线检测与识别的有利工具。将多波长透射光谱技术应用于水体致病性细菌微生物的快速有效检测对控制水体细菌微生物污染及保护饮用水源水质安全具有重要的现实意义。为了建立及发展基于多波长透射光谱技术的水体致病性细菌微生物快速有效的检测方法,采用紫外-可见分光光度计获取了多种水体致病性细菌微生物(如： 肺炎克雷伯氏菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)在200～900 nm波段的多波长透射光谱,对比分析了不同细菌及同种细菌在不同浓度时的多波长透射光谱特征。结果表明： 对于同种细菌,当细菌浓度发生变化时,400～900 nm波段透射光谱形状较为一致,并且在400,450,500和550 nm波长处的光密度值与浓度具有很好的线性关系,该波段由细菌体的散射起主要作用;但在200～400 nm波段范围内,细菌透射光谱的形状随细菌浓度的变化而变化,在200,258,300和350 nm波长处的光密度值与细菌浓度分别具有很好的二次多项式关系。根据微粒的Mie散射理论,采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘方法对测得的四种细菌透射光谱进行了散射光谱和吸收光谱拟合,并对比分析了不同细菌散射光谱特征和吸收光谱特征,结果表明： 四种细菌散射光谱的特征峰均在245 nm波长处,但该波长处的光密度值具有明显差异性,这与不同细菌外部结构及内部结构细胞器的大小、形状等不同有关;而四种细菌吸收光谱特征峰均在260 nm波长处,且不同细菌在240～400 nm波段内吸收光谱也具有明显差异性,这与不同细菌细胞内的核酸、蛋白质等化学组分含量不同有关。该研究表明对于不同种细菌及具有不同浓度的同种细菌,测得的多波长透射光谱及计算出的散射光谱和吸收光谱特征都具有明显的不同,通过多波长透射光谱解析可以获得细菌多种特征参数,多波长透射光谱可以被用于快速有效检测水体中的致病性细菌微生物。该研究为发展水体细菌微生物快速在线监测仪提供了重要依据。     

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。     

一维小波分析在浮游植物吸收光谱有害赤潮藻类检测中的应用

研究了利用小波分析从浮游植物吸收光谱中提取赤潮藻类特征光谱信息的技术。其中应用了13组单种培养的赤潮藻类的吸收光谱,这些吸收光谱对应的藻类属于4个门,6个属和7个种。首先,对13组吸收光谱数据进行了5级一维小波分析。低频的第5级分量对应于对藻类检测无用且量值较大的背景信息,高频分量的第1-2级为随机噪声,其他高频分量(第3级到第5级)则是对藻类检测有用的信息(或称为特征光谱)。另外,为了检验小波分析在提取特征光谱中的性能,文章利用聚类统计分析方法对提取的13组特征信息进行了聚类。聚类结果显示,13组吸收光谱被正确地进行了分类,这验证了小波分析在提取藻类特征光谱中的有效性。     

赤潮光谱特征及其形成机制

采用海面以上光谱测量方法 (Above water method),利用美国FieldSpec® Dual VNIR光谱仪测量了丹麦细柱藻、中肋骨条藻、海洋褐胞藻等三种浮游植物赤潮以及红色中缢虫这一原生动物赤潮的离水辐射光谱数据。强调赤潮与正常海水的光谱差异在于687～728 nm波段的特征反射峰,指出了浮游植物赤潮与原生动物赤潮间的显著光谱差异,并认为可据此进行某些赤潮种类的遥感识别。给出了浮游植物赤潮光谱反射峰、吸收峰成因;红色中缢虫这一原生动物引起的水色异常,与其体内的共生藻类及浮游植物色素碎屑有关;其摄食偏好、与藻类的共生特性研究以及藻类常温下的荧光发射特性研究,将有助于加深对于红色中缢虫赤潮光谱成因的认识。     

基于coif2小波的浮游植物活体三维荧光光谱识别技术研究

小波分析技术是提取不同门类以及种属水平上浮游植物的三维荧光光谱特征的有效手段,利用coif2小波函数对分属于7个门,30个属的37种我国近海常见的浮游植物的三维荧光光谱进行小波分解,小波分量和尺度分量作为浮游植物备选荧光特征谱,通过Bayes分析确定第3层尺度分量作为浮游植物门类特征光谱,第3层尺度分量和第2和第3层小波分量的组合作为浮游植物属特征谱。对获得的浮游植物荧光特征谱进行系统聚类分析,得到37种浮游植物门类水平上的107条和属水平上的155条浮游植物荧光标准谱,组成浮游植物荧光标准谱库。在此标准谱库的基础上,利用非负最小二乘法解析的多元线性回归建立浮游植物三维荧光光谱识别技术。该技术对1 776个单种藻样品和384个混合藻样品进行识别分析,单种浮游植物样品在门类水平上的识别正确率为98.1%,属水平上的识别正确率为97.0%;浮游植物混合样品中的优势种在门水平上的识别正确率分别为94.8%,在属水平上的识别正确率为92.7%。     

浮游植物群落组成的离散三维荧光光谱识别测定技术

从荧光分光光度计所测浮游植物三维荧光光谱中.选取12个激发波长点(400,430,450,460,470,490,500,510,525,550,570,590nm)组成离散三维荧光光游,采用db7小波技术及Bayes判别法对光谱进行特征提取,并利用多元线性回归辅以非负最小二乘建市识别技术,实现了浮游植物群落组成门、属...     

基于二维相关荧光谱土壤中PAHs检测方法研究

传统荧光光谱技术已被用于土壤中多环芳烃(PAHs)的检测,但由于土壤体系的复杂性、PAHs污染物的多样化和微量化,传统的荧光光谱技术无法有效提取土壤中PAHs的特征信息。为了解决上述问题,提出并建立一种基于二维相关荧光谱土壤中多环芳烃的检测方法。以土壤中典型的多环芳烃蒽和菲为研究对象,配置38个蒽菲混合标准土壤样品(蒽和菲的浓度范围均为0.000 5～0.01 g·g-1),在激发波长265～340 nm,发射波长350～500 nm范围内采集了所有样品的三维荧光谱。以激发波长为外扰,对外扰变化的动态一维荧光谱进行相关计算,得到每一样品的同步二维相关荧光谱。研究了浓度均为0.005 g·g-1蒽菲混合土壤样品的三维荧光谱和同步二维相关荧光谱特性,在同步谱主对角线398,419,444和484 nm处存在自相关峰,其中,398和484 nm荧光峰来自土壤中的菲,419和444 nm荧光峰来自土壤中的蒽;在主对角线外侧,蒽和菲两组荧光峰之间存在负的交叉峰,进一步验证了其来源不同;同时,在(408,434) nm和(434,467) nm处出现交叉峰,其中408和434 nm荧光峰来自土壤中的菲,467 nm荧光峰来自土壤中的蒽。指出与三维荧光谱表征的信息相比,二维相关荧光谱不仅能提取更多的特征信息(408和467 nm的特征峰在三维荧光谱中未被表征),而且还能提供荧光峰之间的相互关系,对其来源进行有效解析。在上述研究二维相关荧光谱特性的基础上,基于同步相关谱矩阵(38×151×151)建立了定量分析土壤中蒽和菲污染物浓度的多维偏最小二乘(N-PLS)模型,对蒽的校正和预测相关系数分别为0.986和0.985,校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)分别为4.33×10-4和5.55×10-4 g·g-1;对菲的校正和预测相关系数分别为0.981和0.984,RMSEC和RMSEP分别为5.20×10-4和4.80×10-4 g·g-1。为了比较,基于三维荧光光谱矩阵(38×16×151)建立了定量了分析土壤中蒽和菲的N-PLS模型,对蒽的校正和预测相关系数分别为0.981和0.972,RMSEC和RMSEP分别为5.09×10-4和6.74×10-4 g·g-1;对菲的校正和预测相关系数分别为0.957和0.956,RMSEC和RMSEP分别为7.36×10-4和7.77×10-4 g·g-1。指出,对于土壤中的蒽和菲检测,基于二维相关荧光谱的N-PLS模型的相关系数r,RMSEC和RMSEP都要优于基于三维荧光谱的N-PLS模型。研究结果表明：所提出和建立的方法-二维相关荧光谱直接检测土壤中PAHs污染物不仅可行,而且能提供更好的分析结果。该研究为激光诱导荧光结合相关谱技术现场直接检测土壤中多环芳烃污染物提供了理论和实验基础,具有较好的应用前景。     

近红外光谱和特征光谱的山茶油掺假鉴别方法研究

山茶油素有"东方橄榄油"美誉,实现掺假山茶油的鉴别具有重要实用价值,采用近红外光谱技术对掺有葵花油的山茶油进行检测。分别以1%,5%,10%为梯度制备掺假比例不同的山茶油样品,并根据掺假比例将其分为A组(0%~5%)和B组(6%~10%)共11个样品,C组(15%~40%)6个和D组(50%~100%)6个样品。将每个掺假样品充分混匀后再分为9份,依次采集其1 000~2 500nm范围的吸收光谱,共获得207条光谱曲线。每组样品的光谱数据按2∶1随机分为训练集与验证集。经去除首尾噪声后,通过主成分分析法(principal component analysis,PCA)降维,并利用前四个主成分建立了鉴别山茶油不同掺假等级的主成分-支持向量机判别模型,训练集与验证集的总体判别准确率分别达96.38%和94.20%;进一步,通过对前四个主成分的载荷系数的分析,并结合原始光谱,提取建模过程中权重较大的波长并解析其化学含义,最终确定出五个特征波长:1 212,1 705,1 826,1 905及2 148nm,以此波长重新建立近红外特征光谱山茶油掺假等级判别模型,对训练集与验证集的总体判别准确率也达到了94.20%和92.75%。研究结果表明,利用近红外光谱和特征光谱均能够较好实现山茶油掺假等级的鉴别,同时所建立的近红外特征光谱模型也为设计相应的掺假山茶油实用便携式检测仪器提供了理论基础。     

单个血小板的拉曼光谱分析

利用波长为785 nm的激光束构建光镊拉曼光谱系统,俘获悬浮在生理盐水中的人和三种动物(家猪、大鼠、家兔)的单个血小板,激发并收集其拉曼光谱。单个血小板的平均拉曼光谱信号清楚地反映了血小板的生化组成特点,人血小板的拉曼光谱与三种动物的明显不同,1 524 cm-1是人类血小板所特有的拉曼信号峰,而1 157 cm-1在人类中显著高于三种动物的,人类血小板的平均I_{1 157}/ I_{1 003}为0.795,而家猪、大鼠、家兔的分别为0.532,0.502,0.485。多元统计分析结果显示,不同物种血小板的拉曼信号落入不同的空间,可以判别区分。上述结果表明,单个血小板的拉曼光谱基本反映了血小板的主要组成成分,结合多元统计分析可以用于辨别不同的物种的血小板,光镊拉曼光谱系统是实时研究细胞生理、生化变化的快速简便而有效的工具。     

掺Pb的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体及非晶体的Raman光谱

本文研究了Bi2Sr2CaCu2O8单晶(Tc=85K)、Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3Oy单相(Tc=107K)和Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O非晶体室温下20-720cm-1的Raman光谱.通过谱图的比较,我们认为456-466、631-650cm-1是高Tc氧化物的特征谱,它们与Cu-O链及Cu-O面上的强电子-声子耦合有关;掺Pb导致Bi(Pb)-O双层之间氧的分布改变,增强了Bi(Pb)-O双层之间的耦合,从而有助于提高超导转变温度Tc.