基于TracePro软件的荧光信号光收集光路的设计与仿真

摇头丸、冰毒和海洛因等常见的毒品在特定波长激发下都可以发射荧光,但这些分子结构中的荧光基团数量较少或量子效率很低,当毒品的浓度较低时,荧光信号很弱,很难被检测到,从而限制了荧光光谱技术在毒检领域的应用。为了提高荧光光谱技术的灵敏度,从荧光信号的发散特性考虑,利用TracePro软件设计用于荧光信号收集的光路,这与传统的采用高功率激光器增加激发光能量和选用高灵敏探测器的解决方案不同;在光路中,选用抛物面型反射镜和菲涅耳透镜对不同发散角的荧光光束进行准直,采用平凸透镜和双凸透镜对光束进行缩束,采用特定尺寸的微透镜阵列对光束进行聚焦。对设计的光路进行仿真的结果表明:光路对荧光信号光的收集效率约为21.08%,比传统荧光收集光路的效率高6倍。所设计的光路可为改进本课题组已经开发的便携式高灵敏毒品荧光检测系统提供技术参考。     

基于光谱吸收法和荧光法的甲烷和二氧化硫检测系统的研究

根据污染气体的光谱吸收特性与荧光特性,设计了一套时分复用检测系统,既可以使用光谱吸收法检测甲烷和二氧化硫又可以使用荧光法检测二氧化硫。系统采用组合可切换光源、共用光路、气室及信号处理部分,首先进行光谱吸收和荧光的特性测量,然后进行光谱吸收法检测甲烷与二氧化硫浓度实验,以及紫外荧光法检测二氧化硫浓度实验。经过光谱吸收和荧光的特性测量得出吸收法测二氧化硫和甲烷的吸收峰处的激发波长分别为280nm和1.64μm,荧光法测二氧化硫最佳激发波长为220nm。经光谱吸收法实验可得甲烷浓度与相对强度的线性关系和二氧化硫浓度与输出电压的线性关系,线性度分别为98.7%,99.2%;经荧光法实验可得二氧化硫浓度与电压成线性关系,线性度达到了99.5%。研究表明,该系统能使用于污染气体的光谱吸收检测和紫外荧光检测。将两种测量方式组合在一起,降低了成本与体积,同时此系统也可用于其他气体的检测,有一定的应用价值。     

多通道PCR荧光检测仪的光学系统设计

针对目前实时定量PCR荧光检测仪系统中存在的检测效率低、体积大等问题,提出了一种基于传统单通道共聚焦型光路改善组件的方法,使激发光路和荧光收集光路共用一个大孔径透镜,并在该透镜的下方围绕多个激发光准直光路,同时在荧光收集光路中添加多个二向色镜,实现多通道荧光的同时检测。运用Code V软件设计出准直透镜和聚焦镜,将透镜数据导入到Lighttools软件中进行仿真模拟,结果表明,光学系统解决了现有实时定量PCR荧光检测仪中存在的问题,检测效率是原系统的2倍以上,体积比传统单通道集成的结构小2倍以上。     

基于NLMS滤波器的荧光检测苯并(a)芘光谱信号的去噪研究

根据苯并(a)芘在特定光的照射下能够发出荧光的特性,采用紫外荧光法检测苯并(a)芘的浓度,构建了检测苯并(a)芘浓度的实验系统。为了精确地检测出苯并(a)芘的浓度,需要将实验中所得数据中所包含的噪声滤除掉,得到有效的荧光信号。将归一化最小均方自适应滤波(NLMS)的原理应用到光谱数据的噪声处理中,并将其与小波去噪的效果相比较,用Matlab仿真出去噪效果图,从不同的角度分析去噪效果。经过对比得出,用归一化最小自适应滤波能够继续保持信号的非平稳特性,达到更加理想的去噪效果,去噪性能更优,此种方法适用于荧光法检测物质浓度的信号处理中。     

基于Boxcar滤波器的荧光检测二氧化硫信号的去噪研究

荧光法以物质发射的荧光强度与浓度之间的线性关系进行定量分析。当采用荧光法检测大气中的二氧化硫等有害气体时,由于光电探测器等光电元件在无荧光时,仍会产生暗电流噪声,使得本底噪声信号对测量结果有直接的影响。在分析Boxcar滤波算法的基础上,运用小波滤波、EMD滤波和Boxcar滤波三种算法对淹没在本底噪声中的荧光信号进行有效提取和恢复,较之前两种滤波方法,Boxcar滤波效果更佳,对本底噪声的抑制更强,并验证了取样次数影响着荧光信号的信噪比。     

基于荧光分析的氨基甲酸酯类农药残留检测系统

通过对氨基甲酸酯类农药在紫外光照射下能够产生荧光的机理研究,设计了一种用于检测氨基甲酸酯类农药残留的荧光系统。该系统采用单光源、双光路结构,能够对测量信号和参考信号同时进行处理。采用所设计的筒式光纤探头激发并探测荧光,设计了相应的信号处理电路,实现了计算机管理。利用该系统和稳态光谱仪对西维因进行了对比实验。结果表明:在激发波长为319nm、荧光波长为654nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L。当西维因浓度范围在0.0～120.0μg/L之间时,系统具有较好的线性关系,线性相关系数r=0.9996(信噪比S/N=5)。该系统达到了荧光检测的指标。     

基于单光源频域荧光寿命的水体溶解氧浓度检测方法

现有的光学溶解氧浓度检测方法中光路及电路结构复杂,本文提出了一种单路光源的频域荧光寿命的溶解氧检测方法.采用单路光源的光学结构实现水体溶解氧浓度的检测,简化了光路及电路结构,改进了溶解氧浓度检测算法,降低了整体检测过程的计算量.设计对比实验对方法进行验证,实验结果表明:单光源的频域荧光寿命的检测方法与DOP1光学溶解氧分析仪相比,在0~9mg/L范围内,实际检测误差降低至0.04mg/L;衡量稳定性的检测标准偏差为0.007mg/L,同比降低了36%;采用快速傅里叶变换以及改进的溶解氧浓度计算方法,配合优化的电路及光路结构,在达到90%稳态时响应时间平均缩短了12s,浓度上升和下降时的响应速度分别提升为40%和28%.该方法具有较好的检测精度、稳定性以及响应速度.     

基于偏振光法油雾浓度检测的研究

针对油雾具有旋光性,提出了基于偏振光法的油雾浓度检测方法.介绍了油雾浓度检测系统的基本原理,设计了检测系统的结构,建立了检测系统的数学模型,对检测系统进行了实验研究,并对两种实验方案的结果进行了对比分析.检测系统采用双光路检测法,用法拉第旋光器进行补偿,并用称重分析法对系统进行标定.实验结果表明该方法的两种实验方案在低...     

基于经验模态分解的SO_2浓度检测信号处理方法

荧光法测量SO2浓度是大气监测中常用的检测手段.双光路技术可以消除光源和光路的噪音干扰,但光电转换器件在激发光照射下产生的背景噪音也会影响定量分析的准确度.本文采用经验模态分解滤波算法降低检测中存在的各种噪音,在实现有效降噪的基础上较好地保存了有用的原始信号.仿真结果表明,针对SO2浓度检测系统,利用经验模态分解去噪后信号的信噪比达到204.273 6,均方误差为0.007 0.与小波去噪法相比,经验模态分解检测效果更佳.最后将经两组不同方法处理后的信号应用于气体检测系统中,实验数据的线性关系更好地验证了经验模态分解方法应用到浓度检测系统的可行性.     

激光激发荧光谱的双光路多道分析方法研究

在脉冲激光激发荧光的研究中由于入射激光强度的起伏会导致所激发荧光的强度随之波动 ,从而给荧光光谱及其待测物质测量结果带来较大误差。采用双光路法 (即在采集荧光谱的同时也采集激发激光强度 ,利用荧光强度与激发光强度的线性相关 ,对实验数据进行相关分析 )可以有效地克服激发光波动对荧光光谱的影响 ,显著降低了测量误差。用此法对若丹明 6G和十二烷基硫酸纳 (SDS)对R6G的荧光增强进行测量 ,可得到相关系数大于 0 9的测量结果。在激发光波动较大时双光路法与单光路采样平均法相比有明显优越性。     

微光成型法微细光束紫外光源的研制

简要介绍了光成型法的原理以及在微细加工领域应用所需解决的关键问题。着重就选取经济性好的球形高压汞灯作为光源发光体 ,通过对聚光系统结构和聚光能力 ,导光光路的传导方式和光能传递效率以及缩微光路的成像性质的综合分析 ,并结合各级传输的光束特性进行优化设计 ,选取两平凸透镜聚光系统和光纤导光方式 ,并利用显微物镜的微缩特性 ,研制成紫外光光源。该光源可产生直径为数微米的微细光斑 ,现已应用于微细光成型法进行微型结构的成型制造研究     

基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究

H₂S浓度检测的发展趋势是实时检测,基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源,降低整个系统的成本,可以提高检测系统的实用性。宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。此方法得到的光波必然会有噪声和波动,然后对其进行滤波,消除一部分系统的噪声和波动,再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动,还消除了基波分量,增大了信噪比。用数学分析的方法推导出二次谐波信号,利用SIMILINK仿真观察此信号,不同浓度的H₂S气体会有不同的输出信号,也就得到了气体的浓度。双光路差分法、谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本,增加了信噪比,提高了系统的检测能力。实验仿真结果表明,在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H₂S气体浓度正确可行,此方法降低了系统成本,为大范围实际应用提供了可能性。     

润湿效应对吸光度测量的影响

为了提高分光光度法在快速定量分析中的准确性,从润湿效应形成的机理及分光光度法的检测光路出发,提出了分析影响样本吸光度测量的一种研究方法。从理论上研究润湿效应下弯曲液面曲率对样本吸光度测量的影响;根据弯曲液面对测量的影响使用ZEMAX软件对检测光路进行重新设计;通过测量细菌悬液的吸光度,并根据测量的吸光度对细菌生长进行曲线拟合来对设计的检测光路进行实验验证。结果表明,润湿效应对分光光度法在快速定量检测时有着不可忽视的影响,且随着浓度的增加其影响就越大。     

基于棱镜模型多次折射法的海水盐度检测系统

为了提高光学折射法海水盐度检测精度,综合分析现有检测方法,认为其海水盐度检测精度低的主要原因是其检测光路为平行平板模型.由此,提出了棱镜模型多次折射法检测方案.利用棱镜模型而不是平行平板模型,提高了光线的偏折角;通过设置多个棱镜模块,进一步扩大偏折角,从而大大提高系统的分辨力.设计了光路并进行仿真分析,研制了样机并进行...     

利用荧光法检测磷酸酯液压油的泄漏

提出了一种检测飞机液压油泄漏的方法--荧光法,以美孚磷酸酯液压油为例,实验验证了荧光法检测磷酸酯液压油泄漏的可行性。采用LS-55型荧光分光光度计以及实验室搭建系统对HyJet Ⅴ磷酸酯液压油以及Jet Oil Ⅱ、2197润滑油的荧光特性进行了分析。研究结果表明,可以用不同荧光发射光谱峰值来区分三种油,荧光法检测磷酸酯液压油泄漏是可行的。该技术可实现对飞机液压油泄漏的实时、在线、现场测量。     

基于ODMR的高信噪比磁强计及荧光采集集成系统设计

为了解决传统的荧光光谱采集系统与光探测磁共振(optically detected magnetic resonance，后文简称ODMR)光谱采集系统存在的搭建繁琐、检测样品聚焦精度较低、采集系统之间转换困难以及ODMR光谱采集信号信噪比和采集精度较低的问题，设计了基于光纤传感的荧光采集与ODMR光谱采集转换系统。通过光纤将激发光源电路、微波传感天线、光纤传感器、显微聚焦光路、PD(photodetector)放大电路、信号处理模块以及荧光光谱仪各模块进行耦合集成，为信号处理的软件提供硬件部分支持。在软件部分，通过开源程序编写实现信号数据处理以及光谱成像功能，利用PD放大电路对数据进行初步处理之后，在软件部分通过信号处理模块进行进一步处理，数据以图谱形式呈现，并且最终磁灵敏度达到0.51 nT/Hz^1/2。     

光纤化学传感同步吸收-荧光法的建立

建立一种光纤化学传感同步测定吸收光谱和荧光光谱的新方法。自制同步吸收-荧光比色皿,结合光纤化学传感技术,建立同步吸收-荧光光谱法检测仪器,分别测定罗丹明B,维生素B₂,维生素B₆等溶液的同步吸收-荧光光谱,且与传统的紫外-可见吸光光度法和荧光法进行对比。同步吸收-荧光光谱法测得罗丹明B,维生素B₂,维生素B₆与传统吸光光度法和荧光光谱法检测的吸收光谱图和荧光光谱的图谱大体一致。最大荧光强度波长与传统的荧光方法比较准确度高,但最大吸收波长略有偏差。同步吸收-荧光光谱法等同于同步测定荧光物质的吸收光谱和荧光光谱,实现二光谱合二为一,测定最大发射波长时准确度高,但最大吸收波长略有偏差,值得深一步研究。     

多重定量PCR系统中多色荧光检测和光谱串扰校正方法

多色荧光的激发检测光路是多重定量聚合酶链式反应(PCR)系统的核心组成部分。根据系统对荧光激发的均一性、荧光检测的时间和灵敏度需求,提出一种基于磁光开关和光电倍增管(PMT)的多色荧光激发检测光路。通过四色LED单独激发和PMT检测来提高灵敏度;利用磁光效应实现光路的电控切换,配合一维扫描机构和滤光片切换装置,完成96孔标准PCR板的四色荧光扫描。该设计避免了多色荧光光路的系统串扰。由于荧光染料本身光谱特性产生的荧光光谱串扰是通过标准迭代的四维聚类分析算法计算串扰矩阵,并通过4种常用染料的实验研究,对所建荧光检测系统进行荧光光谱串扰评估。     

有尘环境多组分气体成分检测系统的设计

通过LabV IEW软件设计一个基于TDLAS谐波检测含尘气体浓度的虚拟系统,模拟测量在常温常压并含有已知粉尘颗粒的环境中SO_2、NO_2和NO 3种气体的浓度,且使气体成分测量的结果不受粉尘因素的干扰。设计中使用2 516.2,2 911.66,3 752.44 cm~(-1)的3种中红外激光分别对SO_2、NO_2和NO气体进行检测,根据锁相放大原理设计虚拟多通道锁相放大器分析检测到的二次谐波信号,根据谐波信号对各气体的浓度进行定标测量,最后进行数据校正来排除粉尘颗粒的干扰,使气体的定标测量得到一个稳定的结果。     

基于本征荧光的生物气溶胶测量激光雷达性能

为研究本征荧光对生物气溶胶粒子探测精度的影响,本文在阐述生物气溶胶荧光光谱信号探测原理的基础上,设计了一台紫外激光诱导荧光雷达.该雷达选用波长为266 nm的四倍频固体激光器作为激励光源,基于本征荧光波长、探测距离等主要参数,对生物气溶胶荧光光谱回波信号的信噪比及粒子浓度的最小分辨率进行数值仿真分析.仿真结果表明,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.5 km时,系统对生物气溶胶荧光波长的有效探测范围为300—800 nm;而在距离为2.1 km时,荧光波长的有效探测范围为300—310 nm.此外,在探测距离定义为0.1 km,荧光波长为350和600 nm时,系统对物气溶胶粒子浓度的最小分辨率分别为2个颗粒/L和4个颗粒/L,最小分辨率的差值为2个颗粒/L.仿真结果有利于了解荧光波长变动时激光雷达系统的探测准确度,进而实现大气生物气溶胶更加有效的探测.