高场不对称波形离子迁移谱非线性函数系数误差分析

离子迁移率非线性函数系数α₂和α₄是高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)实现物质识别的基础。现有的α₂和α₄缺少先验值和误差分析方法,因此有必要建立关于α₂和α₄求解结果误差的评估标准,进而在此基础上提高α₂和α₄的求解精度。通过自制FAIMS分别对丙酮、异丙醇和1,2二氯苯三种物质在不同分离电压下的检测实验,获取样本在不同分离电压下的谱图和谱图特征值,运用组合的方法从多组分离电压值和相应补偿电压值的数据中选取指定组数,计算出大量的α₂和α₄数据。通过对α₂和α₄的数值分析,探究了α₂和α₄的分布特点和二者之间的相关性,研究了分离电压取点数量和取点方式对其求解结果误差的影响。在拟合α₂和α₄数据不同范围的频数后,发现α₂和α₄符合正态分布,其拟合度均在0.96以上,可以利用α₂和α₄分布的标准差来评估其求解结果的误差。通过对(α₂, α₄)散点进行拟合,发现α₂和α₄之间具有很强的负相关性,三样本的相关度分别为-0.977,-0.968,-0.992。随着分离电压选取点数的增加,其相应的求解结果误差在不断减少。通过不同分离电压取点方式的对比,发现当分离电压取V_Dmax和0.7 V_Dmax时求解结果最优。在保证α₂和α₄求解的准确性的前提下有效降低了检测次数,为FAIMS实现快速现场检测和精确的谱图解析创造了有利的条件。     

高场不对称波形离子迁移谱谱图峰分析方法研究

从离子运动轨迹入手,引入损耗高度,建立了高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)的谱图峰模型. 该模型将流场分布、离子迁移管结构、分离电压以及补偿电压等FAIMS关键参数与FAIMS谱图峰形、峰高、半高宽联系起来,得到了清晰的量化关系,与实验数据符合较好.     

基于UV-FAIMS的挥发性氯代苯检测方法

挥发性氯代苯是一类典型的环境有机污染物,离子迁移谱(IMS)是一种大气压下基于离子迁移率的快速现场检测技术。采用自制的真空紫外离子源-高场不对称波形离子迁移谱(UV-FAIMS),对空气中氯苯、对二氯苯、邻二氯苯、间二氯苯进行了检测。获取了不同分离电压条件下的CV-I谱图,并以此得到了四种物质的CV-DV指纹谱图。在指纹谱图支持下,设计了对二氯苯、邻二氯苯、间二氯苯三种同分异构体最优化分离检测参数,结果表明在800和1 000 V的分离电压下,通过特征峰的选取,在补偿电压(CV)为20.4 V(DV=800 V),3.2 V (DV=800 V)和11.9 V (DV=1 000 V)处三种物质的混合物可以得到有效的分离识别。研究了流速对谱图峰位置和峰形的影响,得到不同流速下灵敏度和识别精度关系,为优化流量的选取提供了依据。在特征识别前提下考察了DV=450 V条件下,CV=4.3 V的对二氯苯特征峰的UV-FAIMS检测限,结果高达0.05 mg·m-3。该研究为卤代苯等多同分异构体苯类环境污染物的快速高精度检测提供了一种方法参考。     

痕量挥发性有机物的高场不对称波形离子迁移谱研究

高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry,FAIMS)技术是一种快速、高灵敏的痕量物质检测技术.利用自制的高场不对称波形离子迁移谱仪分别对丙酮、苯和甲苯样品进行了检测,结果表明三种挥发性物质在谱图中的分离效果优于传统离子迁...     

混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He‐N2 比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究

载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法,在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用,但缺乏在环境小分子领域的研究。选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、醇、烷烃、酸、酮类中的五种物质（邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮）为研究对象,研究了混合气体中He-N₂比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、分离度及总离子通过率的影响。实验结果表明,随着FAIMS载气中He比例的增加,5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移,且单体峰与二聚体峰偏移程度不同,单体峰偏移量先增加后减少,而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加;随着FAIMS载气中He比例的增加,五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是：20%,30%,10%,40%和20%;随着FAIMS载气中He比例的增加,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、丙酮的离子信号强度无明显变化,乙酸的离子信号强度下降明显。该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。同时,也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。     

一种离子迁移谱谱图重构及特征峰提取算法

离子迁移谱(IMS)是一种常压下快速、高灵敏度的痕量化学物质检测方法,广泛应用于化学战剂、爆炸物和毒品等检测领域。在离子迁移谱定性和定量分析中,采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外,还包含了电噪声、背景干扰等噪声,特别是当分析物浓度低时,噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率,需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。通过建立优化目标函数,采用l_1范数作为线性惩罚项,λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。为了求解优化目标函数,首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形,采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解,当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。为了验证提出的方法性能,分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯(DMMP)样本数据进行验证,其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。与此同时,我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。采用均方根误差(RMSE)和信噪比(SNR)作为评价指标,实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取,预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升,为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。     

基于局部加密纯无网格法非线性Cahn-Hilliard方程的模拟

为数值求解描述不同物质间相位分离现象的高阶非线性Cahn-Hilliard(C-H)方程,发展了一种基于局部加密纯无网格有限点集法(local refinement finite pointset method,LR-FPM).其构造过程为:1)将C-H方程中四阶导数降阶为两个二阶导数,连续应用基于Taylor展开和加权最小二乘法的FPM离散空间导数;2)对区域进行局部加密和采用五次样条核函数以提高数值精度;3)局部线性方程组求解中准确施加含高阶导数Neumann边值条件.随后,运用LR-FPM求解有解析解的一维/二维C-H方程,分析粒子均匀分布/非均匀分布以及局部粒子加密情况的误差和收敛阶,展示了LR-FPM较网格类算法在非均匀布点情况下的优点.最后,采用LR-FPM对无解析解的一维/二维C-H方程进行了数值预测,并与有限差分结果相比较.数值结果表明,LR-FPM方法具有较高的数值精度和收敛阶,比有限差分法更易数值实现,能够准确展现不同类型材料间相位分离非线性扩散现象随时间的演化过程.     

求解粘性Hamilton-Jacobi方程的高阶方法

提出了求解具有粘性项的Hamilton-Jacobi方程的二阶、四阶方法.该方法以加权基本无振荡(WENO)格式为基础,通过修正数值通量函数和构造右端粘性项的基于非线性限制器的二阶近似、基于Taylor展开的四阶近似,成功地求解了一维、二维的粘性Hamilton-Jacobi方程.给出的算例说明了本方法具有高分辨率、鲁棒性和无振荡特性.     

六种蜂花粉的红外光谱三级鉴别研究

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合二阶导数谱和热扰动下的二维相关红外光谱技术对6种不同花粉,即杏花花粉、油菜花粉、茶花花粉、西瓜花粉、荷花花粉和虞美人花粉,进行了快速无损的鉴别。结果表明,在一维红外光谱图上,不同花粉的蛋白质、脂肪和糖类物质的特征吸收峰在相对峰强和峰位上均存在一定的差异,在二阶导数谱上差异很明显。而在二维红外谱图上,由于6种花粉的自动峰及相关峰峰簇的位置和数量不同,其差别体现得更为明显和直观。因此,三级红外宏观指纹图谱法是鉴别不同蜂花粉种类的一种有效和快速检测方法。     

不同精度格式的格子Boltzmann热模型的传热分析

通过在格子Boltzmann (LBM)热模型中添加参数项,使得在对应的宏观传热方程中,消除了一阶非线性误差项,具备二阶精度.通过Rayleigh-Benard对流数值试算,初步探索该二阶精度格式及其对应的一阶精度格式三个热模型的传热特征和适应性,并做出相应对比分析.针对一二阶精度模型在Ra数极高或热传导系数极大时,Nu数的计算与经验值相比出现较大偏差,分析LBM对应宏观热传导方程的截断误差后,在平衡分布函数中引进一个调节因子.通过调节对应宏观传热方程的截断误差项系数,校正Nu数的计算偏差,提高模拟精度,拓展模拟范围,增强了LBM作为一个数值方法在传热中的适应性.     

Spectrum reconstruction based on the constrained optimal linear inverse methods

The dispersion effect of birefringent material results in spectrally varying Nyquist frequency for the Fourier transform spectrometer based on birefringent prism. Correct spectral information cannot be retrieved from the observed interferogram if the dispersion effect is not appropriately compensated. Some methods, such as nonuniform fast Fourier transforms and compensation method, were proposed to reconstruct the spectrum. In this Letter, an alternative constrained spectrum reconstruction method is suggested for the stationary polarization interference imaging spectrometer (SPIIS) based on the Savart polariscope. In the theoretical model of the interferogram, the noise and the total measurement error are included, and the spectrum reconstruction is performed by using the constrained optimal linear inverse methods. From numerical simulation, it is found that the proposed method is much more effective and robust than the nonconstrained spectrum reconstruction method proposed by Jian, and provides a useful spectrum reconstruction approach for the SPIIS.     

Optical pulse compression using the combination of phase modulation and high-order dispersion compensation

Optical pulse compression using high-order dispersion compensation is proposed and theoretically analyzed. Firstly, the required dispersion profile for the high-order dispersion compensation is derived, according to the linear chirp and the nonlinear chirp of a phase-modulated continuous-wave (CW) laser source. With the use of the high-order dispersion compensation, such as the combination compensation of the second order dispersion (SOD) and the fourth order dispersion (FOD), an efficient pulse compression having a less time-bandwidth product and a greater peak power is realized. A sampled fiber Bragg grating (FBG) with both the SOD and the FOD is then designed using the equivalent chirp and the reconstruction algorithm. Finally, in the numerical simulation an optical pulse with a time-bandwidth product of 0.79 is generated via high-order dispersion compensation that is performed by using the sampled FBG.     

集成光学电光调制干涉光谱仪的模式谱分析

基于钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO3)波导的集成光学电光调制技术的干涉光谱仪是Ti∶LiNbO3调制器的一种崭新应用,一般应用的探测光谱区间是在波导的单模区间。为拓宽探测波长范围至多模传输范围,以x向切割,y向传输。以共面对称电极的Ti∶LiNbO3波导电光调制干涉器(器件长度60mm)为例,模拟了多模传输时电光调制系数的模式色散现象。数值模拟中采用了有限差分方法(FDM)。分析表明,在多模传输情况下,光的各阶模式的光场分布差异导致了电光调制系数的模式色散;在对经线性扫描电压调制后的干涉输出数据进行傅里叶变换谱分析后,可发现对应波长的各阶传输模式谱。实验采用0.808μm单模偏振光源,在激励起准TE多模式和激励起混合模两种情况下,验证了数值模拟和分析的结果。     

具有高阶色散项的交叉相位调制不稳定性分析

以包含了三、四阶色散项的耦合非线性薛定谔方程为基础,重点研究了三、四阶色散对交叉相位调制不稳定性的影响。结果表明：三阶色散对调制不稳定性不起作用;当满足一定条件时,由于四阶色散的影响,不仅在光纤的反常色散区,而且在光纤的正常色散区,交叉相位所致的调制不稳定性均发生在两个频谱区。当光纤各参量及两束入射光波功率一定时,光纤反常色散区第一区域的增益谱要比正常色散区第一区域的增益谱宽;同时,反常色散区第二区域的增益谱比正常色散区第二区域的增益谱更靠近零点;进一步对比反、正常色散区的这两个频谱区,发现两个频谱区的范围有确定的对应关系。     

基于能量色散X射线荧光光谱的鱼粉产地溯源方法研究

鱼粉是一种在养殖业中占有重要地位的高蛋白饲料原料。我国对鱼粉的市场需求很大,但不同产地的鱼粉存在品质差异的问题。为保证鱼粉品质安全,建立鱼粉产地溯源系统具有非常重要的意义。能量色散X射线荧光光谱根据元素辐射X射线荧光光子能量不同,能够检测样品矿物质元素种类和含量。鱼粉所含矿物质元素种类和含量会因鱼粉产地不同而存在差异,因此提出采用能量色散X射线荧光光谱(EDXRF)法对鱼粉进行扫描检测来获得鱼粉的元素信息,将原始光谱进行预处理后,采用鲸鱼算法改进的自适应净信号权重局部超平面方法识别鱼粉样品的光谱向量,从而对其产地进行溯源判别。首先对产地来自辽宁和浙江的51份鱼粉样品进行压片,并在EDXRF谱仪的检测程序中设置不同的滤光片,得到51组(每组6条光谱)光谱。然后对光谱进行预处理,采用基于自适应迭代重加权惩罚最小二乘法算法（airPLS）进行基线校正,从而消除基线漂移的影响,提高精度。采用小波变换对光谱进行平滑,去除光谱曲线的高频噪声。选取每个鱼粉样品6条光谱的有效区段,计算谱峰面积,获得代表样品矿物质元素含量的16维向量。最后采取鲸鱼算法对自适应净信号权重局部超平面(ANWKH)方法的关键参数（近邻数、主成分数、调节参数）进行最优选择,再利用寻找到的最优参数建立自适应净信号权重局部超平面模型,随机选取每个产地鱼粉样品的70%作为训练集,30%作为测试集进行鱼粉产地判别。鱼粉样品分别来自辽宁和浙江两个产地,经预测模型识别正确率分别为94.3%和100%,总正确率为97.3%,均高于人工寻找参数的自适应净信号权重局部超平面分类准确率。结果表明,基于能量色散X射线荧光光谱的鱼粉溯源方法能够准确地实现鱼粉产地溯源,经鲸鱼算法改进后的自适应净信号权重局部超平面方法能够寻找到最优参数,建立分类准确度更高的模型,为以后进行更加详细的国内外鱼粉产地溯源提供了参考。     

吸收光谱法测量大气压空气介质阻挡放电的臭氧浓度

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂,在污染物降解,食品加工,杀菌消毒,医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法,利用平行平板介质阻挡放电装置,采用交流高压激励,产生了大气压空气非平衡态等离子体。通过测量其电压和发光信号,发现在电压的正、负半周期均存在着许多随机的放电脉冲,并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间,这表明其机制是流光放电。放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系(C 3Π-B 3Π)和第一正带系(B 3П-A 3П),氮分子离子的第一负带系(B 2Σ-X 2Σ),以及氧原子谱线(715.7和799.5 nm)。由于流光放电在紫外区域(200~300 nm)没有明显的发射谱线,但臭氧在此区域存在吸收峰,因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况,其优势在于操作简单,对实验环境要求低,可在放电条件下使用,并且可以连续监测臭氧浓度变化。基于此,通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化,结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加,臭氧浓度升高。这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。     

高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的数值研究

基于广义非线性薛定谔方程,通过数值计算对高非线性光纤正常色散区产生超连续谱进行了研究.结果表明,抽运脉冲的峰值功率、脉冲宽度以及脉冲初始啁啾对该光纤正常色散区超连续谱的形成有极其重要的影响;在高非线性光纤正常色散区产生超连续谱的过程中,三、四阶群速度色散甚至更高阶群速度色散对超连续谱的影响完全可以忽略,但与其他高非线性效应相比,自陡峭效应对超连续谱产生的影响更为明显.高功率超短光脉冲在高非线性光纤正常色散区,得到了没有泵浦成份残余、－20 dB谱宽达400 nm以上而频谱强度起伏小于10 dB的超宽而平坦超连续谱.