无人机视角下的林木爆燃火特性研究（英文）

森林火灾"爆燃"现象的特征是突然发生的高强度、高蔓延速度的燃烧。目前为止,关于"爆燃火"的原因还没有达成共识。以无人机视角下对林木爆燃火特性研究,以四川木里特大森林火灾为研究对象,通过分析凉山州某森林扑火部队3月31日木里森林火灾当天KWT(科卫泰)无人机航拍火场画面,结合无人机实时影像及实地调研数据,分析了峡谷地形林火蔓延时空特征,探讨了峡谷中风向风速变化时空分布规律,研究了地形变化条件下,不同海拔高度风速特征,建立了无人机倾角测量风速模型(其中为风速m·s~(-1),为无人机倾角°)。结果表明,高山峻岭特殊地形环境下每天4:00—12:00时间段为静风期,为峡谷林火扑救最佳时期;午后15:00—17:00和晚上20:00—22:00为山谷地形风速活跃期;仿真软件数据显示山顶、谷底与山腰不同海拔位置的风速风向不统一,谷底会产生乱流现象,且风速与海拔不存在正相关关系,小气候在复杂地形中占主导影响地位;在谷口至山谷深处的中间位置会出现气流速度的波峰状态,并易形成乱流,为爆燃火发生提供了客观必要条件。该研究可为复杂地形环境下,森林草原火灾扑救安全提供数据和技术支撑。     

科学普及太重要了,不能单由科普作家来担当

 1.小引 法国政治家克雷孟梭(Georges Clemenceau,1841—1929)有一句名言:“战争太重要了,不能单由军人去决定。” 美国科普作家阿西莫夫(Isaac Asimov,1920—1992)仿此句型,引出又一名言:“科学太重要了,不能单由科学家来操劳。”他的意思是说,全社会、全人类都必须切实地关心科学事业。 作为一名科学普及事业的热心人,我想这样说:“科学普及太重要了,不能单由科普作家来担当。” 作为一名专业天文工作者,我更觉得有必要阐明:“天文学太重要了,不能单由天文学家来操持。” 于是就形成这篇提纲式的随记。发表这篇尚不成其为论文的东西,意在抛砖引玉,以期引起更广泛的讨论与关注。     

中国古灯具中的物理学原理

 我国古代灯具,从考古发现的实物看,至少有几千年历史。当人类开始用火时,就发现火能发出光和热,可以用于照明。早期人们用篝火照明,后来才发明火炬。最初的“烛”字,指的就是火炬。因火炬不易控制,人们便开始探索新的照明方法。经过实践,发现油和蜡是性能较好的照明燃料,后来又发明了灯具。通常,人们把以油为燃料的灯具叫做灯盏,把以蜡为燃料的灯具叫做烛台。灯在古代也称“登”或“镫”。《雅尔·释器》说:“瓦豆谓之登”,《楚辞·招魂》说:“兰膏明烛,华镫错些”。由此可见,灯的形制可能是从生活器皿“豆”演变过来的。最初人们或许借用瓦豆作为灯具照明,渐渐瓦豆也就演变成灯具了。     

寻找南极的“地下宝藏”

 南极洲指南纬60º以南的岛屿和大陆，这片面积约1400万平方千米的土地，是人类发现的最后一块大陆。这里常被喻为地球底部的遥远边疆，年平均风速为每秒18～20米，最大风速达每秒100米，素有“暴风故乡”之称。南极大陆是地球上最干旱的地区，年平均降水量仅有50毫米，其中部地区年平均降水量仅有3～5毫米，南极点的降水量则几乎为零，其干旱程度甚至超过非洲的撒哈拉沙漠；同时它又是“世界寒极”，年平均气温为-25℃～-30℃，最低气温达-89.6℃，比北极还低20℃。……     

基于MODIS数据的森林火险时空分异规律研究

森林火灾严重危害生态环境,引起了全球的高度重视。将从MODIS(MODerate-resolution imaging spectroradiometer)中提取的活动火点与历史火烧痕迹进行比较研究,发现MOD14A1(火掩膜数据产品a daily Level 3 1-km fire hot spot product)中提取的8+9波段适合消防监测,与现场勘察数据相比较吻合度高达0.83。使用MOD14A1中8+9波段结合相关数据对这个区域的长达11年(2000—2010年)的森林火灾发生的时间和空间分析,结果表明：火灾发生频率最多的是春季,秋季次之,夏天概率最低,除非干旱。通过对研究区域黑龙江省分析,针叶林和温带针阔混交林过火面积所占比例分别为53.68%,44%,草原区过火面积较小为2.32%。大兴安岭是主要的燃烧区域,面积达到64.74%,小兴安岭约为23.49%,而其他区域面积不超过5%。且火灾发生的较大部分森林有个平缓的斜坡(≤5°),大部分处于中海拔(200 m≤H≤500 m)。因此,通过卫星遥感对森林火区区域的时间序列分析,阐明火灾活动规律和气候、地形、植被类型的相互关系,有助于预测火灾区域危险性等级。     

基于红外热成像的林地余火死灰复燃点诊断方法研究（英文）

林地余火阴燃特性具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大、且具有死灰复燃等特点,从而一直困扰森林火灾的彻底扑灭。为了及时、高效地发现林地余火阴燃点,探索林地余火死灰复燃的特征及规律,在南京森林警察学院点烧基地里进行测试实验,以无人机搭载热红外成像系统、气象采集系统等为工具,把火源点设置在杨树林内,人为干预进行点烧、熄灭、复燃等重复实验,实验包括白天和夜晚两个时间段,用安装于无人机上的红外热成像仪对火源进行观测。实验表明:林地余火死灰复燃的温度在500~600℃,离散程度较大;林地余火死灰复燃在白天的时间普遍短于夜晚时间,表明外界温度越高,越会促进林地余火死灰复燃的速率;在森林中,不同地点、不同时间段的森林背景温度标准差比较稳定,主要处于1~9之间;林地余火红外图像的温度数据的标准差值分布在30~85之间;红外图像的温度数据的标准差值分布在55~85之间,则可定为死灰复燃可疑阶段。该方法量化了死灰复燃的火环境及温度参数阈值,明确林地余火阴燃点引燃特征值。该研究成果将推动森林防火技术的发展,为安全扑火提供重要的方法和资料。     

基于红外热成像的林地余火死灰复燃点诊断方法研究

林地余火阴燃特性具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大、且具有死灰复燃等特点,从而一直困扰森林火灾的彻底扑灭。为了及时、高效地发现林地余火阴燃点,探索林地余火死灰复燃的特征及规律,在南京森林警察学院点烧基地里进行测试实验,以无人机搭载热红外成像系统、气象采集系统等为工具,把火源点设置在杨树林内,人为干预进行点烧、熄灭、复燃等重复实验,实验包括白天和夜晚两个时间段,用安装于无人机上的红外热成像仪对火源进行观测。实验表明：林地余火死灰复燃的温度在500～600℃,离散程度较大;林地余火死灰复燃在白天的时间普遍短于夜晚时间,表明外界温度越高,越会促进林地余火死灰复燃的速率;在森林中,不同地点、不同时间段的森林背景温度标准差比较稳定,主要处于1～9 之间;林地余火红外图像的温度数据的标准差值分布在30～85之间;红外图像的温度数据的标准差值分布在55～85 之间,则可定为死灰复燃可疑阶段。该方法量化了死灰复燃的火环境及温度参数阈值,明确林地余火阴燃点引燃特征值。该研究成果将推动森林防火技术的发展,为安全扑火提供重要的方法和资料。     

燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模, 离散Boltzmann方法(discrete Boltzmann method, DBM) 是近年来发展起来的一种新的流体介观建模方法. 本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模. 主要介绍在燃烧系统模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果. 本文重点传递的信息为: 作为复杂系统微介观动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出“流动”及其相伴随的、关系最密切的那部分“热动”非平衡效应; 它为燃烧等复杂系统中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁、有效的方法; 它所提供的热动非平衡测量量有两类: 一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的, 一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项. 基于第二类DBM, 可以实现(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.     

2021年春季葫芦岛海陆风特征及对臭氧污染影响

作为一种中尺度天气现象，海陆风通过对污染物的累积与输送影响沿海地区的空气质量。2021年3月到4月，相干多普勒测风激光雷达系统架设在辽宁省葫芦岛市，开展风场观测实验。结合自动气象站的常规气象参数，识别得到海陆风日11天。结果表明：海风平均登陆时间为8:30;14:00～17:00海风发展较盛，平均风速超过7.0 m?s^-1;10:00～16:00海风发展高度为0.3～0.5 km,18:00后保持在0.9 km以上；海风主风向为东，随时间顺时针偏转；海风阶段，高空有北、西北方向的返海陆风。环境监测站数据表明，海陆风日白天O₃浓度上升速度快，峰值浓度更高。以4月4日为例，利用中尺度天气预报(WRF)模式分析南北向垂直剖面海风环流，结果表明：海风、陆风交汇会造成污染物聚集，海风登陆形成的冷气团有利于污染物向下输送；海陆风环流对污染物有循环累积作用，计算得4月4日葫芦岛水平风局地回流指数仅为0.049，表明空间内风场输送能力弱，污染物不易扩散。     

高光谱的矿区植物异常信息提取

白茎绢蒿是一种广泛分布于新疆富蕴县各个矿区的一种植物。在矿区进行矿产勘查时，由于植物等障碍信息的存在，传统的勘查方法已经难以发挥作用，急需一些新方法、新思路。遥感植物地球化学方法可以巧妙地利用植物这一天然的信息源，把植物从障碍信息转换为了有用信息。帮助人们快速、经济地获取植物屏障下的矿产有用信息。由于其具有大面积、快速、无损性等优点，受到了越来越多学者的关注，成为当下的研究热点。近些年虽然有学者综合考虑“吸收系数”和“衬度系数”这两个指标，证明了白茎绢蒿是对隐伏矿床的勘查具有较好指示性作用的植物，生在在矿床上部的植物可以较好的吸收土壤中的成矿元素，在其体内形成地球化学异常，相比于其他植物异常信息更加清晰可见。但是目前没有人研究是否可以从光谱的角度来发现白茎绢蒿体内的地球化学异常，进而为隐伏矿床的勘查提供参考。因此，本研究首次尝试从白茎绢蒿的光谱信息中寻找出与地球化学异常密切相关的特征波段或者特征值, 然后构建基于植物光谱的隐伏矿床预测模型。采取的方法是首先利用ASD FieldSpec3 型光谱仪分别对生长在矿床上部和背景区的植物进行光谱测定，然后从原始光谱、一阶导数光谱、二阶导数光谱、一阶导数的分形维数、二阶导数的分形维数五个层面对生长在这两个区域的植物光谱进行对比分析，最终优选出了10个差异显著的特征波段，分别为：R′₈₂₄，R′₈₃₄，R′_{1 533}，R′_{1 573}，R′_{1 633}，R′_{1 643}，R″_{1 284}，R″_{1 703}，一阶导数的分形维数以及二阶导数的分形维数。这些特征波段可以作为植物地区寻找隐伏矿床的植物地球化学标志。以优选出的10个特征波段作为输入参数，分别用随机森林 (RF)和偏最小二乘-支持向量机(PLS-SVM)构建了基于植物光谱数据的隐伏矿床预测模型。结果表明：(1)两种模型均可以取得较好的效果，但是相比于随机森林模型，偏最小二乘-支持向量机模型具有更好的鲁棒性，泛化能力也更强；(2)利用植物的光谱异常寻找隐伏矿床具有较大的潜力，因为相比于传统方法，更加简单、快速。课题组已经利用动力三角翼和HySpex成像高光谱传感器构建了“超低空探测平台”，可以实现对地“亚米级”的观测。但是如何有效的解决“空间尺度”和“光谱尺度”问题，如何把地面试验场建立的模型更好的应用于超低空探测平台，实现研究区大面积地、快速地植物异常信息提取将是我们下一步的研究重点。     

北京市平谷区桃林土壤重金属元素含量反演估测

矿产资源开采中产生的废渣废液长期堆存后产生的渗滤液向土壤中扩散易造成周围土壤的重金属污染,影响作物生长;人类通过食物链食用含重金属元素的果实后,会引起神经系统的神经衰弱、手足麻木,消化系统的消化不良,血液中毒和肾损伤等症状;这种对生态环境和人身安全的污染和损害是十分严重的。因此如何快速有效摸清矿区周围农作物土壤污染情况尤为重要。多光谱遥感由于具备光谱分辨率高、实时无损、大面积监测等优势,在突破植被屏障监测土壤重金属上具有巨大的潜力。以平谷区主要的农作物桃树为研究对象,利用桃叶的高光谱数据、土壤采样数据,分析桃叶光谱曲线的响应特性,对桃叶反射光谱进行一阶／二阶微分、标准正态、连续去统等四种变换,结合相关分析及多元线性回归模型确定光谱特征变量,构建植被指数HMSVI;结果表明HMSVI与土壤中Cd,AS和Pb含量的相关性较常用植被指数高。运用线型回归方法进行元素含量与植被指数HMSVI建模后,选取拟合较好的模型,实现了叶片高光谱与土壤重金属含量的统计建模, 最后利用Sentinel-2遥感影像反演三种重金属含量空间分布,并对结果进行精度验证。结果表明：受重金属胁迫叶片的平均光谱反射率高于正常叶片且红边位置发生了“蓝移”现象。780,945和1 375 nm三个波段对三种重金属污染都较为敏感,利用三个波段构建的植被指数建立的反演模型能较好的用于桃林土壤重金属元素含量预测,其预测模型分别为Y=0.44X+0.193,Y=7.436lnX+13.161,Y=-15.359X+13.583X2+23.541,且具有较好稳定性和适宜性。空间反演结果表示,三种重金属高值区均大面积的分布在平谷区刘家店尾矿库、万庄尾矿库、金海湖尾矿库附近,西部相比东部矿区重金属污染更为严重。研究结果可以为北京平谷区桃林重金属污染的预防与治理提供基础数据支持。     

异丙甲草胺农药残留吸收光谱检测方法研究

除草剂可以快速、有效地进行除草，已被广泛应用，但是在除草剂使用同时也会对周围环境和农作物带来一定程度的污染，例如农业生产过程中经常发现由于除草剂使用不当而使果树中毒的现象。异丙甲草胺是一种酰胺类选择性除草剂，被广泛应用于旱地作物、蔬菜和果园、苗圃。根据相关文献报道，基于气相色谱法、气相色谱-质谱联用法和固相萃取等方法可以实现异丙甲草胺残留检测，而基于吸收光谱法对异丙甲草胺的分析未见相关文献报道，提出直接利用吸收光谱及其导数光谱分析法实现异丙甲草胺农药及其在苹果汁中的农药残留检测。首先利用分光光度计对不同浓度异丙甲草胺药液进行吸收光谱实验研究，发现在266 nm处有明显吸收光谱特征峰。对农药吸收光谱进行拟合分析，得到异丙甲草胺药液浓度和吸光度之间预测模型函数方程，函数方程为y=2.147 09x+0.031 98，相关系数为0.998 5。然后利用分光光度计对苹果汁-异丙甲草胺混合溶液进行吸收光谱实验研究，相对于纯苹果汁吸收光谱，在混合溶液吸收光谱中发现266 nm处为异丙甲草胺所对应的特征峰。对苹果汁中药物浓度和吸光度进行建模，模型函数为：y=0.704 9+0.826 8x，其相关系数为0.991 1。可以看出，当苹果汁中异丙甲草胺残留量很低时，其农药吸收光谱特征峰并不明显。为进一步提高检测效果，对混合溶液吸收光谱进行一阶导数处理，得到其一阶导数吸收光谱。与苹果汁吸收导数光谱相比较，苹果汁-农药混合溶液导数光谱有两个明显特征光谱峰，分别位于269和276 nm处。进一步分析苹果汁-异丙甲草胺混合溶液的导数吸收光谱峰值与农药含量之间的关系，对异丙甲草胺含量与导数光谱吸光度进行函数拟合。其中269 nm对应预测模型函数关系式：y=0.005 3-0.090 6x，相关系数r=0.992 5；276 nm对应预测模型函数关系式为y=-0.000 769-0.302 8x，相关系数r=0.990 6。为验证由吸收光谱和其一阶导数光谱所得苹果汁中农药残留预测模型的准确性，另外配置五种浓度苹果汁-异丙甲草胺混合溶液。然后在同等条件下对其进行吸收光谱实验，将266，269和276 nm处的吸光度分别代入对应模型函数可求得浓度预测值，结合已知浓度值可计算其平均回收率，其中吸收光谱266 nm对应平均回收率为104.68%，导数光谱269 nm对应平均回收率为104.59%，276 nm对应平均回收率为105.18%。对苹果汁中异丙甲草胺检测模型进行分析，计算得到检出限(LOD)和定量限(LOQ)参数值，其中原始吸收光谱对应LOD和LOQ分别为0.014 8和0.049 2 mg·mL-1，一阶导数光谱对应LOD和LOQ最小值分别为0.001 5和0.004 9 mg·mL-1。研究结果表明，采用吸收光谱方法对苹果汁中异丙甲草胺进行直接检测与分析是快速和可行有效的，而且对吸收光谱进行导数运算处理后，检测效果更优。     

SO2-4/BO3-3掺杂对NaGd(MoO4)2∶Eu3+荧光粉发光性能影响的研究

采用柠檬酸钠为表面活性剂的水热法制备了NaGd(MoO₄)₂∶xEu3+(x=10%, 20%, 30%, 40%)和NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉,对所制备样品的晶相、形貌、发光性质进行了表征。XRD分析表明NaGd(MoO₄)₂∶xEu3+和NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉均为四方相的白钨矿结构;红外光谱测试发现有SO2-₄/BO3-₃的特征吸收峰,这表明SO2-₄/BO3-₃被成功掺入基质;荧光光谱测试说明,在NaGd(MoO₄)₂基质中Eu3+掺杂量为30%时发光最强;通过研究NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉的发射光谱,发现适量的SO2-₄/BO3-₃掺杂会使Eu3+的特征发射增强,且掺杂10%SO2-₄或10%BO3-₃后可以减少3%左右的Eu3+掺杂,起到了节约稀土掺杂量的作用。     

吴茱萸碱与脂质体模拟生物膜的相互作用:FTIR和DSC研究

药物与生物膜相互作用的研究对于了解药物药效和改善其生物性能具有重要的意义。但生物膜的组成复杂,直接研究药物活性成分与生物膜的相互作用比较困难。以脂质体作为生物膜模型,研究了吴茱萸碱与脂质体的相互作用,分析了吴茱萸碱分子在脂质体中的包封位置,探讨了吴茱萸碱抗炎作用可能的作用机制。以二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）为膜材,应用薄膜分散法制备含有不同摩尔百分比（x）的吴茱萸碱脂质体,应用傅立叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热（DSC）技术分析随着脂质体中药物摩尔百分比的增大,DPPC分子各红外特征吸收峰频率、峰形及量热参数的变化情况,从而探讨药物在脂质体中的包封位置及吴茱萸碱分子对脂质体膜流动性的影响。实验数据表明,在0＜x＜10 mol%的浓度范围内,DPPC头部区域磷酸基团的不对称伸缩振动频率没有明显变化,脂质体相变温度和相变焓均随药物摩尔百分比的增大而减小。在0＜x＜5 mol%浓度范围内,DPPC界面区域的水化的羰基峰的吸收波数由1 726.0 cm-1增加到1 731.8 cm-1,当x=10 mol%时,该波数又减小到1 728.0 cm-1。在10 mol%≤x＜20 mol%浓度范围内,磷酸基团的不对称伸缩振动的波数由1 242.0 cm-1减小为1 236.3 cm-1,水化的羰基峰的吸收频率没有明显变化,脂质体相变温度和相变焓均随药物摩尔百分比的增大而增大。纯DPPC脂质体中亚甲基的对称伸缩振动波数为2 848.4 cm-1,载药后该波数都增大到2 850.3 cm-1。这些结果表明吴茱萸碱在脂质体中的包封位置具有浓度依赖性：在0＜x＜10 mol%浓度范围内,吴茱萸碱主要作用于DPPC分子的疏水尾链区域,少部分药物分子作用于DPPC分子的界面区域。在10 mol%≤x＜20 mol%浓度范围内,吴茱萸碱分子则主要作用于DPPC分子的头部区域,少部分药物分子作用于DPPC分子的疏水尾链区。所有载药脂质体的相变温度均低于纯DPPC脂质体的相变温度,即不同浓度的吴茱萸碱均可以使脂质体的膜流动性增加,并且,当药物摩尔百分比为10 mol%时,吴茱萸碱对生物膜流动性的增加效应最为明显。研究工作对于进一步揭示吴茱萸碱与生物膜的相互作用机制具有重要意义。     

基于色彩参数和高光谱特征的针叶树种色素含量预估

光谱成像技术广泛应用于植物理化参数无损伤测定等领域研究,而色素与色彩参数相关性研究也有学者探索。但比较并优选分别以色彩参数值、光谱参数值作为自变量与色素含量拟合出的模型,还未见报道。本实验以5种针叶树种为研究对象,筛选蓝边幅值Db、黄边幅值Dy、红边幅值Dr、绿峰幅值Rg、红谷幅值Rr、蓝边面积SDb、黄边面积SDy、红边面积SDr、比值植被指数RVI、差值植被指数DVI、归一化植被指数NDVI 11种光谱植被参数作为该光谱分析的基础,将实测针叶色彩参数值、光谱参数值分别作为自变量,采用多元线性逐步回归方法（SMLR）预估色素含量建立模型,以R2、RMSE为评价标准,对比选出模型精度最高的参数组合应用于实践。研究结果表明：(1) 树种间针叶色素含量、色相参数值、光谱反射率均存在一定差异（p<0.05）。(2) 树种间针叶光谱反射率红松显著低于北美短叶松、樟子松、赤松（p<0.05）,针叶树种原始光谱在可见光波段500和680 nm附近呈现“蓝谷现象”和“红谷现象”,在550和760 nm波段附近呈现“绿峰现象”和“红边现象”;一阶微分光谱反射率在700 nm附近产生剧烈变化。(3) 色素含量与色彩参数、光谱反射率、光谱特征参数存在显著线性关系。(4) 花青素和叶绿素分别以L,a*和L,a*,b*,S色彩参数组合为自变量时,拟合模型R2最高,分别为0.588和0.638;而类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b都是以FD₆₅₂,FD₇₀₀,SDb,SDy,RVI,DVI和NDVI光谱参数组合为自变量时,拟合模型R2最高,分别为0.779,0.786,0.774。该研究运用高光谱相机、色彩色差仪、紫外-可见分光光度仪实现了快速预估针叶色素含量,在色彩参数值与光谱值都与色素含量存在显著相关性的基础上,成功选出建立模型精度最高的参数组合,在针叶树种色素预估时可以根据精度需求及研究条件选择不同方法和参数值。     

劈裂纳米环多极表面等离激元共振及折射率传感特性分析

研究了在三开口劈裂金属纳米环中,当入射场偏振方向不同时出现的多极局域表面等离激元共振现象及折射率传感特性。研究表明,当入射场偏振方向分别沿x 轴和y 轴时,在可见光-近红外区域分别激发起两个和三个明显的共振峰。通过改变缺口的张角,能够实现对共振峰位和强度的可控调整。共振峰位处劈裂纳米环的近场分布表明,LHA(左半弧)和DRHA(双右半弧)之间等离激元的杂化耦合是形成上述共振的原因。劈裂纳米环的多极共振非常适合折射率传感应用。当改变周围环境折射率,入射场沿x 轴偏振时,折射率敏感度的最大值可达到1365nm/RIU;入射场沿y 轴偏振时,折射率敏感度最大值可达2229nm/RIU。     

基于氮化碳量子点和金纳米簇的尿液中胰蛋白酶高灵敏度荧光检测研究

胰蛋白酶生产障碍会阻碍消化过程,在胰腺组织以外产生胰蛋白酶可能涉及癌症过程。胰蛋白酶明显增高可能表明胰腺炎或者慢性肾功能衰竭等病症的发生,它的含量与生命活动息息相关,简单并及时监测胰蛋白酶含量对疾病的诊断具有重要的参考价值。因此,该研究构建氮化碳量子点和金纳米簇（CNQDs和AuNCs）的复合纳米探针检测尿液中胰蛋白酶含量。通过煅烧三聚氰胺获得氮化碳粉末,并将氮化碳粉末作为原材料通过溶剂热法合成了发射峰在440 nm的类石墨相氮化碳量子点（CNQDs）。牛血清蛋白（BSA）和CNQDs两者同时作为还原剂和稳定剂合成了金纳米簇（AuNCs）,且AuNCs吸附在氮化碳量子点表面形成具有双发射性质的CNQD-AuNCs复合荧光纳米材料,发射波长分别为440 nm（CNQD的发射波长）和650 nm（AuNC的发射波长）。由于胰蛋白酶能特异性的水解CNQD-AuNCs中的牛血清蛋白,导致牛血清蛋白结构被破坏,从而破坏AuNCs稳定的结构,使得其沉淀聚集,引起荧光猝灭。由于AuNCs产生的650 nm处的荧光被猝灭,而CNQDs产生的440 nm处的荧光不受影响,CNQD-AuNCs复合荧光纳米探针产生比率型荧光信号响应。利用比率型荧光信号的变化情况,可实现胰蛋白酶的定量检测。CNQD-AuNCs探针在650 nm处的荧光强度随着胰蛋白酶浓度的增加而逐渐下降,而440 nm处的荧光强度保持不变。胰蛋白酶在一定浓度下（10～400 ng·mL-1）与荧光强度比值（I₆₅₀/I₄₄₀）呈良好的线性关系,建立的线性方程为y=2.471-0.004x[y为荧光强度比值（I₆₅₀/I₄₄₀）,x为胰蛋白酶的浓度（ng·mL-1）],相关系数（R2）高达0.997 6,检测限为1.5 ng·mL-1（3倍信噪比）。利用建立的荧光法检测尿液中胰蛋白酶（实际含量分别为50,100和150 ng·mL-1）,检测得到的平均含量分别为52.41,103.25和154.39 ng·mL-1。尿液中胰蛋白酶的回收率和相对标准偏差范围分别为102.93%～104.82%和3.57%～4.16%。结果表明,利用荧光强度比值（I₆₅₀/I₄₄₀）作为胰蛋白酶定量检测的信号,能够校正外界影响因素的干扰,克服单一荧光信号易受光漂白、探针浓度、激发光强度以及光程等外界因素的影响的缺点。基于CNQD-AuNCs建立的比率型荧光分析方法能够实现尿液中胰蛋白酶的高灵敏度和高特异性检测,为实际样品中胰蛋白酶的检测提供科学依据。     

激光拉曼光谱分析中药复方制剂中青蒿素含量的研究

从中药材黄花蒿中提取的青蒿素,是一种含有过氧基团的倍半萜内酯药物,目前已成为世界卫生组织推荐的抗疟疾药物。含有青蒿素的复方制剂具有抗疟、抑菌和调节免疫功能等作用,然而含青蒿素的复方制剂没有可量化的统一质量标准,因此难以控制和评价这些复方制剂的质量。目前对于青蒿素复方制剂的研究主要集中在定性分析其有效成分上,但具体如何定量分析其中青蒿素含量的研究工作却并不多,迫切需要一种简便、快速、无损的方法监控青蒿素的生产和使用。激光拉曼光谱是一种分子联合的光散射现象,能够提供样品分子的成分及结构,对研究青蒿素具有重要的意义。首先对青蒿素标准样品进行激光拉曼光谱定性分析测试,获得青蒿素标准品的拉曼特征图谱,这些标准图谱为以后分析中药复方制剂中的青蒿素奠定了基础。通过拉曼测试分析得到位于724 cm-1处的拉曼峰是与青蒿素中过氧基团直接相关的特性声子振动模式,可用于检测过氧桥键的存在,也是决定其抗疟活性的关键;而位于1 736 cm-1处的拉曼峰强度大、周围无其他振动峰干扰,是与青蒿素中内酯基团相关的特性声子振动模式,也可用来检测分析青蒿素。因此,拟采用青蒿素分子中位于724 cm-1处和1 736 cm-1两处的拉曼特征峰进行定性定量分析。然后,在实验室制备了一系列具有不同青蒿素质量百分数的青蒿素/面粉混合样品,确定出混合样品中青蒿素724 cm-1处和1 736 cm-1处拉曼光谱参数。并以峰面积比值A₇₂₄/A_{1 736}的平均值作为横坐标,青蒿素质量百分数作为纵坐标,拟合青蒿素质量百分数与峰面积比的函数关系,得到二次函数关系式为y=0.907 22x2+0.465 93x(0<x<0.9),相关系数r为0.992 65。最后,将该关系式用于中药复方制剂青蒿素哌喹片中青蒿素的含量检测分析,按照此方法计算得到的青蒿素含量值与真实值（14.29%）比较,相对误差较小（<10%）,可以初步建立起青蒿素含量的拉曼光谱测试方法。本文提出应用激光拉曼光谱技术,以期实现原位、无损和快速检测。在青蒿素标准样品实验研究基础上,确定青蒿素拉曼光谱参数和实验条件,建立起复方制剂中青蒿素含量的实验分析方法,为青蒿素的研究和应用开创新的局面。     

山区智能视觉火情高空图像搜集系统的设计与实现

介绍了一种针对山区多样性突发火情事件中基于智能视觉的高空图像搜集系统,采用以ST意法半导体公司的STM32F107VCT6为处理核心的开发平台,地面控制平台通过高空无人机的高速照相机对目标区域火情图像数据进行搜集,并将图像数据带回到地面控制平台的PC处理器上进行综合分析。地面控制平台根据智能视觉信息采集模块采集的山区遥感图像的均值作为初始背景,并对背景图像进行实时更新,利用光谱特征与距离算法获取差分图像,并进行图像处理,从而获取山区发生火情区域的图像分析数据,以实现对山区森林突发火情事件的及时监测,在火情发生初始阶段就能扑灭。本文对山区智能视觉火情高空搜集系统的实现原理、核心硬件设计、系统软件设计等分别进行了研究,并通过系统实验进行了验证,测试结果表明,该系统在对山区的高空图像搜集实验中,对不同颜色物体的分别识别率为100%,对火灾与地形地貌的识别率为95.55%和81.12%,非常适用于各种山区环境下的智能视觉监控系统。     

Incorporating topography in a cellular automata model to simulate residents evacuation in a mountain area in China

In China, both the mountainous areas and the number of people who live in mountain areas occupy a significant proportion. When production accidents or natural disasters happen, the residents in mountain areas should be evacuated and the evacuation is of obvious importance to public safety. But it is a pity that there are few studies on safety evacuation in rough terrain. The particularity of the complex terrain in mountain areas, however, makes it difficult to study pedestrian evacuation. In this paper, a three-dimensional surface cellular automata model is proposed to numerically simulate the real time dynamic evacuation of residents. The model takes into account topographic characteristics (the slope gradient) of the environment and the biomechanics characteristics (weight and leg extensor power) of the residents to calculate the walking speed. This paper only focuses on the influence of topography and the physiological parameters are defined as constants according to a statistical report. Velocity varies with the topography. In order to simulate the behavior of a crowd with varying movement velocities, and a numerical algorithm is used to determine the time step of iteration. By doing so, a numerical simulation can be conducted in a 3D surface CA model. Moreover, considering residents evacuation around a gas well in a mountain area as a case, a visualization system for a three-dimensional simulation of pedestrian evacuation is developed. In the simulation process, population behaviors of congestion, queuing and collision avoidance can be observed. The simulation results are explained reasonably. Therefore, the model presented in this paper can realize a 3D dynamic simulation of pedestrian evacuation vividly in complex terrain and predict the evacuation procedure and evacuation time required, which can supply some valuable information for emergency management.