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。     

717树脂吸附渗滤液中有机物的荧光特性研究

利用同步荧光光谱和三维荧光光谱技术分析了717树脂处理卫生填埋场渗滤液过程中有机质的组成变化。同步荧光光谱显示,在开始10 min内,波长较长的特征荧光峰强度急剧下降,波长较短的荧光峰升高,其后变化不大。三维荧光光谱扫描发现,渗滤液中只有两个类富里酸荧光峰,随时间的增长,荧光峰强度下降,紫外和可见类富里酸荧光强度比值降低,发射波长明显蓝移。结果表明,717树脂对渗滤液中有机物的吸附速度快,主要吸附分子量较大、复杂程度较高的有机物,这可能有利于后续的生物处理。     

氧化还原条件变化对上覆水体中溶解有机质的三维荧光光谱特征影响

利用三维荧光光谱(3EEMs)技术,考察了不同氧化还原条件对上覆水体中溶解有机质的三维荧光光谱特征的影响。好氧条件下上覆水体中DOM的荧光指数要高于厌氧条件,说明在不同的氧化还原条件下,上覆水体中DOM来源和组成均存在一定的差异性。上覆水体的三维荧光光谱特征也存在显著差异:好氧条件下,上覆水体中的类蛋白荧光峰强度均高于腐殖质类荧光峰强度,且三维荧光光谱图显示腐殖质类DOM存在氧化降解现象。厌氧条件下,上覆水体中腐殖质类荧光峰的强度随培养天数逐渐增加,当厌氧培养时间为21 d,C和D荧光峰的强度已分别上升至初始的3.51和3.78倍。在不同的氧化还原条件下,类蛋白和类腐殖质类DOM荧光峰位置和强度的变化,表明不同类型DOM的生物可利用性程度和在沉积物-水界面间迁移转化特征的差异性。     

多功能荧光分光计的微机化

本文在原有实验室自制多功能荧光分光计的基础上，通过微机Ａ／Ｄ转换技术的软件设计，实现了光谱的ＣＲＴ显示，分别得到了常规荧光光谱，各种同步荧光光谱及它们的一，二阶导数谱，并且测绘了三维立体荧光光谱和等高图荧光光谱。同时建立了各种光谱及数据处理技术。     

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”。     

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。     

基于Savizky-Golay多项式的三维荧光光谱的曲面平滑方法

平滑处理是光谱分析中常用的预处理方法.在二维光谱分析中应用广泛的Savizky-Golay多项式曲线平滑方法并不能直接应用于三维荧光光谱的曲面平滑.文章针对三维荧光光谱提出了多项式平滑方法,从而将Savitzky-Golay多项式平滑方法扩展到三维荧光光谱,以解决曲面平滑问题.对基于三维荧光光谱的水体有机污染物浓度检测...     

三维荧光光谱结合Tchebichef矩快速鉴别掺伪芝麻油

应用FS920荧光光谱仪测定样品的三维荧光光谱数据,直接利用Tchebichef矩提取三维光谱灰度图的特征信息,然后对其进行聚类分析,最后通过逐步回归建立样本中各成分的线性模型。聚类分析能够准确识别掺伪芝麻油,并正确解析其组成成分,得到的线性模型相关系数R>0.99。研究表明,Tchebichef矩能够有效提取光谱的特征信息,应用于掺伪芝麻油鉴别可获得良好的定性和定量分析结果。     

三维荧光光谱结合PCA-SVM对几种浓香型白酒的鉴别

提出一种利用三维荧光光谱技术鉴别不同品牌浓香型白酒的方法。运用FLS920荧光光谱仪测量了七个不同品牌浓香型白酒的三维荧光光谱,不同品牌浓香型白酒的荧光光谱特征相似,仅凭荧光特征参数较难区分。采用求偏导和小波压缩相结合的数据预处理方法,求解光谱数据中每一激发波长下,荧光强度对发射波长的一阶和二阶偏导数,选取db7紧支撑正交小波对数据进行压缩,选择4尺度分解后的近似系数作为新的数据矩阵,然后做主成分分析(PCA)。将提取的主成分作为支持向量机(SVM)的输入,并利用K-fold交叉验证的方法寻找支持向量机的最优参数c和γ,建立不同品牌白酒的分类鉴别模型。从每个品牌白酒中随机选取14个样本,共98个样本组成训练集,其余的42个样本组成预测集。分别比较了数据不求偏导,对数据求一阶偏导和二阶偏导的预处理后对鉴别模型的影响。结果表明：三维荧光光谱经过二阶偏导的预处理后,结合主成分分析和支持向量机能很好地实现不同品牌浓香型白酒的分类鉴别,模型的准确率为98.98%,预测集的准确率为100%。该方法具有简单,快速,成本低的优点,可为中国白酒的检测和鉴别技术的发展提供帮助。     

吲哚、3-甲基吲哚和L-色氨酸的荧光量子产率和荧光寿命

近年来，三维荧光技术已经成为常用的化学分析技术，但有些结构相近的荧光有机物的三维荧光光谱十分相似，可能导致分析结果错误。因此，如何精准区分具有相似三维荧光光谱的有机物是十分重要且亟待解决的问题。荧光量子产率和荧光寿命是荧光有机物两个重要的光学参数，对于分子结构的差异更灵敏。对吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的三维荧光光谱、荧光量子产率和荧光寿命进行了研究。结果表明，它们的三维荧光光谱都出现两个荧光峰，且荧光峰位置十分接近。吲哚和L-色氨酸的荧光峰大致位于[激发波长，发射波长]=[275, 340～350]和[220, 340～350] nm附近，3-甲基吲哚的荧光峰位于[激发波长，发射波长]=[280, 365]和[225, 365] nm附近。在相同浓度下，三种有机物在激发波长为275～280 nm处的最高荧光强度依次为：吲哚>3-甲基吲哚>L-色氨酸。利用绝对量子产率测量技术测得吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的荧光量子产率分别约为0.264、 0.347和0.145;利用时间相关单光子计数技术测得吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的荧光寿命分别约为4.149、 7.89...     

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%。     

三维荧光光谱-小波变换-粒子群算法联用快速识别测定浮游藻群落组成方法的研究

利用三维荧光光谱(EEMs)技术测定了实验室培养的分属5个门13个属的17种中国近海常见赤潮藻的荧光性质,通过db7二维小波变换提取赤潮藻三维荧光光谱的特征参量,采用系统聚类法构建荧光特征标准谱库,并利用多元线性回归辅以粒子群算法进行参数估计建立识别技术,实现了赤潮藻在门、属水平上的识别测定。测定样品中:赤潮藻纯种培养体在门、属水平上的平均识别正确率分别为96.1%和73.6%;对于优势度分别为60%,75%,80%,90%的赤潮藻模拟混合样品,优势藻在门水平上的平均识别正确率分别为86.7%,96.9%,98.7%,99.4%,识别相对含量分别为62.6%,72.7%,76.0%,81.6%;优势藻在属水平上的平均识别正确率分别为51.0%,68.9%,72.0%,78.8%;对于优势度达75%的赤潮藻实际混合样品,优势藻在门、属水平上的平均识别正确率分别为99.4%和75.9%。将所建技术用于围隔实验水样和现场调查采集水样进行分析,有效实现了浮游藻群落组成的识别测定,尤其是硅藻和甲藻的分类识别。     

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。     

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。     

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。     

浮游植物的吸收-衰减特性及其与粒径间的关系

室内测量了十六种浮游植物的吸收-衰减光谱,及其粒径分布和叶绿素a浓度。研究结果表明,粒径和单位细胞叶绿素浓度是影响浮游植物吸收和衰减系数量值的两个重要因素;粒径是决定衰减光谱形状的重要因子之一,粒径与衰减光谱斜率之间存在非单调的变化关系;粒径不是影响浮游植物吸收光谱的蓝-红波段比和光谱斜率的决定性因子,但是,藻细胞密度与粒径平方的乘积是决定吸收光谱斜率的关键量。适用于均匀球体颗粒的Mie散射理论能对粒径与浮游植物吸收光谱和衰减光谱间的相关关系进行阐释,该文研究的藻类其非均匀球体结构并没有从根本上改变粒径与吸收—衰减光谱间存在的内在规律。     

Flow cytometric discrimination of phytoplankton classes by fluorescence emission and excitation properties

The ataxonomic discrimination of phytoplankton species on the basis of fluorescence data obtained by multiwavelength excitation in combination with wavelength selective detection in flow cytometry is demonstrated. The discrimination is based on differences in pigment composition between the species, which are reflected in their spectral characteristics. Classification can be done both by making use of the absolute fluorescence intensities and with fluorescence parameter ratios. The latter approach has the advantage that size-related effects and instrument fluctuations are reduced to a large extent. Photoadaptation does influence the absolute as well as the ratioed parameters that are obtained but does not impede the classification into major ataxonomic groups.     

同步荧光技术检测鲜牛乳中掺杂复原乳的可行性研究

近年来随着人们对乳制品需求的不断增加,将复原乳冒充或添加在鲜乳中出售的现象也日益严重,亟需简单、快速的检测方法监测掺假行为。利用同步荧光技术,分别对两种鲜牛乳(未经杀菌的生牛乳和低温处理的巴氏杀菌乳)掺杂复原乳的情况进行了定性判别和定量分析。以各类样本及全部样本的判别正确率作为定性判别模型的评价指标;以相关系数(r)、校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)作为定量分析模型的评价指标。通过分析牛乳的三维荧光图谱确定同步荧光扫描的固定波长差Δλ值为80 nm;在对图谱进行二阶求导后,偏最小二乘-判别分析法(PLS-DA)对生鲜牛乳、巴氏杀菌乳和复原乳的种类判别总正确率可达100%,并且在判断两种鲜乳中是否添加复原乳时,校正集样品的正确率均可达到100%,预测集样品的正确率分别为75%和81.25%,鲜牛乳和复原乳的种类判别模型,以及鲜乳与掺假乳的定性判别模型均取得了良好的效果;PLS回归对同步光谱值与复原乳含量建立线性关系时,两种鲜乳定量模型的r值分别为0.911 2和0.936 7,RMSEC分别为0.042 2和0.038 4,RMSEP分别为0.054 8和0.057 5,鲜乳中复原乳含量的定量分析模型的r值均可达到0.9以上,能对添加量较高的样品进行预测。因此,同步荧光技术可以较为准确、快速的检测鲜牛乳中是否掺杂复原乳。