不同生境条件下藻蓝蛋白活体荧光光谱特性研究

蓝藻生物量检测技术发展是应对目前频繁发生的水华事件的重要环节。藻蓝蛋白作为蓝藻的特异性蛋白,在一定程度上比叶绿素更能准确反应自然水体中的蓝藻生物量,因而成为蓝藻生物量检测技术的重要指标。本文利用三维荧光光谱技术,以不同光照、不同生长期的铜绿微囊藻、鱼腥藻活体为研究对象,比较了单点法和包络法两种光谱解析方法的可靠性,探究了不同生境条件下的藻蓝蛋白活体荧光光谱特性。结果表明：(1)荧光光谱强度随生长期延长而增大;(2)采用包络法解析藻蓝蛋白特征荧光光谱的方法比单点法更为可靠;(3)在不同生境条件下,铜绿微囊藻藻蓝蛋白活体荧光激发波长基本保持614 nm、发射波长基本保持654 nm不变,鱼腥藻藻蓝蛋白活体荧光激发波长随生长期在610和620 nm之间波动减小,发射波长随生长期在650和660 nm之间波动增大。这种波动与藻种样品颗粒度大小和光谱扫描模式有关。该研究结果为发展蓝藻生物量活体荧光监测技术发展提供了实验基础。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究

星载痕量气体差分吸收光谱仪是一种大视场天底观测方式的成像光谱仪,采用面阵CCD探测器。在成像光谱仪空间维的每列探测像元存在响应非均匀性,会在观测的遥感数据中引入仪器相关的高频光谱结构。星载痕量气体差分吸收光谱仪的像元响应非均匀性的校正需要考虑两个因素：光谱弯曲效应和大视场。基于此,提出来一种像元响应非均匀性校正方法。结果表明,光谱图像的光谱弯曲和像元响应的非均匀性得到了有效的校正,去除了光谱图像中的高频光谱结构。     

基于衰减全反射-傅里叶变换红外光谱技术的气溶胶中水溶性无机离子定量分析方法研究

利用衰减全反射-傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱技术探讨了气溶胶颗粒物中SO2-₄,NO-₃,NH+₄三种水溶性无机离子的快速无损测量方法。利用IC法测量三种无机离子含量的对照值,结合偏最小二乘(PLS)法建立了三种无机离子的定量分析模型,并对模型进行了评价;利用马氏距离判别法对异常值进行了判别与剔除,并探讨了不同光谱预处理方法和不同光谱范围对建模结果的影响,确定了最佳建模参数。结果表明剔除异常值之后经二阶微分处理的模型预测性能较好,SO2-₄在1 220～900 cm-1光谱范围内预测性能较好,NO-₃在1 521～900 cm-1光谱范围内预测性能较好,NH+₄在1 521～1 220 cm-1光谱范围内预测性能较好,预测均方根误差分别为1.736 7,1.023 9和1.482 3。所建立的模型为实现对大批量气溶胶样品中三种无机离子的实时快速定量分析建立了基础。     

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2

介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演对流层NO2的方法.利用差分吸收光谱技术(DOAS),扣除太阳夫琅和费结构及Ring效应的影响,拟合得到了大气中NO2的差分斜柱浓度dSCD,结合不同观测方向的测最结果分析得到了对流层大气中NO2的差分斜柱浓度(△SCID),结合辐射传输模型SCIATRAN计算得到了大气质量因子(AMF),并进一步计算得到了对流层NO2的垂直柱浓度(VCD)信息.为确保数据的准确性和可比性,将计算结果与长光程差分吸收光谱仪(LP-DOAS)的测量结果进行对比,二者具有较好的一致性,其相关系数R2分别为0.940 27和0.969 24.     

被动多轴差分吸收光谱大气气溶胶光学厚度监测方法研究

介绍了基于太阳散射光的被动多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术在大气气溶胶光学厚度（aerosol optical density,AOD）监测中的应用. MAX-DOAS根据氧的二聚物（O₄）在紫外、可见波段的特征吸收来确定气溶胶参数,实验中利用测量得到的O₄在360 nm处斜柱浓度,并结合O₄垂直柱浓度基本稳定等信息,在选取合适的气溶胶单次散射反照率、非对称因子及其廓线形状等条件下,基于大气辐射传输模型采用迭代算法解析出大气气溶胶光学厚度. 经过与太阳光度计(CE318)测量结果的对比,两者相关性达到87%. 关键词： 多轴差分吸收光谱 大气气溶胶 光学厚度     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

持久性有机污染物荧光光谱检测技术研究进展

持久性有机污染物(POPs)种类繁多,分布范围广,对生态环境和人体健康的危害性已引起广泛关注。环境中POPs的监测分析对于污染评价、污染物修复和生产管理等有着重要的意义。基于色谱分离技术的传统检测方法具有检测限低、灵敏度高、稳定性好等优点,但也普遍存在周期长、消耗高、过程繁琐等弊端。荧光光谱分析法具有样品使用少、预处理简单、快速、无损等优势而发展迅速,国内外学者开展了大量研究工作,形成了比较完善的方法体系。介绍了我国现行环境标准中POPs的控制浓度和检测方法,综述了近年来直接/间接荧光、同步荧光扫描联用技术、化学多维校正-三维荧光光谱法和激光诱导荧光技术对POPs检测方面的应用和研究进展,重点包括土壤及水体中多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等,着重介绍了最新研究成果,总结了技术各自适用的情况,分析了不足与待完善之处,并针对POPs的直接荧光光谱检测技术今后的研究与应用方向提出了展望,为进一步发展POPs的荧光光谱快速检测技术提供参考。     

土壤有机污染物激光诱导荧光光谱检测方法研究进展

土壤有机物污染源广、危害程度高、监测手段有限,是继水污染、大气污染又一个引起全球关注的环境问题。土壤有机污染快速在线检测分析对农业生产、土壤调查、土质修复有着重要的意义。激光诱导荧光(LIF)光谱技术是一种基于光致发光的物质成分和含量分析技术,具有样品使用量少、预处理过程简单、检测速度快等特点,在环境科学、生物分析、生命科学等众多领域有广泛应用。国内外研究人员展开大量研究工作,已形成较完善的方法体系及技术设备。文章介绍了LIF测量系统的组成结构和工作原理,综述了现阶段LIF技术在土壤有机污染物检测研究进展,重点包括土壤中油类污染物、多环芳烃污染物、有机农药污染物的识别及定量分析方法等,以及仪器开发过程中涉及的相关问题,给出了LIF技术在土壤有机污染物检测方面的发展趋势,为进一步发展基于LIF技术的土壤有机污染物现场快速检测仪器提供参考。