近红外光谱的结球甘蓝可溶性糖含量测定

结球甘蓝是一种富含碳水化合物的常见蔬菜,可溶性糖含量是决定其品质的重要参数。可溶性糖易溶于水,是蔬菜和水果口味的有效调节剂。作为碳水化合物,可溶性糖由三种元素C,H和O组成,其分子吸收光谱主要由被检测材料的分子中C-H,O-H和CO等基团的组合频率吸收和倍频吸收组成,包含丰富的有机物信息。因此,采用近红外光谱和化学计量学方法,探索结球甘蓝可溶性糖含量的快速检测方法。用德国布鲁克公司的MATRIX-Ⅰ型傅里叶变换近红外光谱仪采集161份结球甘蓝样本光谱数据。波数范围：12 800～4 000 cm-1(780～2 500 nm)。蒽酮比色法测量样本的可溶性糖。综合应用马氏距离法(MD)和蒙特卡洛交叉验证法(MCCV)剔除异常样本,采用Kennard-Stone(K-S)法将样本按照给定比例划分为校正集和验证集。分别使用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G),一阶导数(FD),二阶导数(SD),多元散射校正(MSC)和变量标准化(SNV)及它们的组合共12种方法对样本进行光谱预处理,获得最佳预处理方法,提高光谱数据的信噪比。采用竞争性自适应重加权采样法(CARS)筛选偏最小二乘回归(PLS)模型中回归系数绝对值大的波数点,去掉回归系数绝对值小的波数点,以有效选择与所测特性值相关的最优波数组合,获得具有良好鲁棒性和强预测能力的校正模型。使用模型决定系数R2、交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)作为模型精度评价指标。根据蒙特卡洛交叉验证法和马氏距离剔除异常样本的原理,共剔除10个光谱或者化学值异常的样本。最终参与建模分析的样本个数为151。异常样本剔除后,通过K-S法将样本按照3∶1被分成校正集(110个样本)和验证集(41个样本)。使用原始光谱数据,预处理后的光谱数据和对应于优选波数的光谱数据,建立PLS模型。结果表明,利用MSC+FD光谱预处理可以提高建模精度,校正集R2从处理前的0.68增长到0.93,MSC+FD是本研究中理想的光谱数据预处理方法。利用CARS法共优选了84个建模波数。在12 000~10 000 cm-1波数区域内,有O-H键2级和C-H键3级倍频伸缩振动吸收,此区域主要的背景信息为水和其他含氢基团,在此区域内共包含了36个选定的波数。在8 500~6 000 cm-1区域,存在糖类和水的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,葡萄糖的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,该区域是包含反映可溶性糖成分的主要光谱区间,背景影响较小,CARS方法在此区域共选择了15个建模波数。5 800~4 000 cm-1区域与12 000~10 000 cm-1区域相似,包含的选定波数多,CARS方法在此区域选择了33个建模波数。利用CARS对参与建模的波数进行优选,减少了无关信息,降低了模型的复杂度,选择的波数不但引入了表征待测组分的光谱,同时还引入了代表背景信息的光谱,使得校正模型适应性增强。建立了结球甘蓝可溶性糖的全谱PLS模型,根据CARS波数优选结果,建立了结球甘蓝可溶性糖的CARS-PLS模型。对于全谱PLS定量模型,校正集的决定系数R2为0.93,RMSECV为0.157 2%,RMSEP为0.132 8%。对于CARS-PLS模型,校正集的决定系数R2为0.96,RMSECV为0.076 8%,RMSEP为0.059 4%。数据表明,两种模型具有相当的R2,但CARS-PLS模型的RMSECV是全谱PLS模型的1/2。RMSEP也接近1/2,CARS-PLS模型比全谱PLS定量模型所用建模变量少,模型得到简化,精度更优。用CARS-PLS模型对验证集41个样本进行预测,预测集决定系数R2为0.86,预测标准误差为0.059 4%。提供了一种工作效率较高的结球甘蓝质量无损检测方法。     

显微-反射傅里叶变换红外光谱研究油酸钠与胶磷矿吸附机理

红外光谱已经成为浮选药剂作用机理研究的最重要手段之一。由于矿物本身具有较强的红外吸收,传统溴化钾压片透射光谱很难检测到矿物表面吸附药剂的微弱红外信号。采用显微-傅里叶变换红外光谱仪的反射模式,测定了不同浓度油酸钠在胶磷矿表面的吸附形式,并观察了吸附形貌。结果表明,与透射红外光谱相比,反射红外光谱对表面有更高的灵敏度,能更好地揭示实际浮选药剂浓度下的吸附机理。碱性条件下当油酸钠浓度较低时,油酸离子与表面晶格钙离子发生化学吸附,吸收峰在1 552 cm-1,同时也存在油酸钙沉淀的物理吸附,吸收峰在1 570和1 535 cm-1;当油酸钠浓度超过临界胶束浓度时,胶束使得胶磷矿表面亲水,导致油酸钠溶液残留在表面,吸收峰在1 560 cm-1,掩盖了其他吸收峰;表面经水洗涤后药剂吸收峰强度大幅减弱,是由于残留的油酸钠和物理吸附的油酸钙被洗掉。另外,随着油酸钠浓度增大,药剂二维形貌由点状吸附聚集为片状吸附,覆盖面积增大,但并不是完全覆盖,这与矿物表面异质性有关。以上研究结果有利于理解磷矿石提磷或铁矿石脱磷浮选体系中捕收剂与胶磷矿的作用机理。     

稻谷有害霉菌侵染的近红外光谱快速检测

稻谷是我国主要储粮品种。为快速、准确鉴定稻谷霉变状态,建立了一种基于近红外光谱的稻谷霉菌污染定性、定量分析方法。首先,将四种谷物中常见有害霉菌(黄曲霉3.17、黄曲霉3.3950、寄生曲霉3.3950、灰绿曲霉3.0100)分别接种在灭菌稻谷样品上。其次,将接种霉菌样品进行人工模拟储藏(28 ℃、RH 80%),并采集不同储藏时间(0,2,4,7和10 d)稻谷的近红外漫反射光谱信号。最后,利用主成分分析(PCA)、判别分析(DA)和偏最小二乘回归(PLSR)方法建立稻谷霉菌污染的快速分析模型。结果显示,近红外光谱可有效区分感染不同霉菌的稻谷样品,平均判别正确率达87.5%。稻谷霉变随储藏时间逐渐加深,近红外光谱对感染单一霉菌稻谷样品霉变状态的判别正确率达92.5%,多种霉菌的判别正确率达87.5%。稻谷中的菌落总数的PLSR模型定量结果为：有效决定系数(R2_P)为0.882 3、验证均方根误差(RMSEP)为0.339 Lg CFU·g-1,相对标准偏差(RPD)为2.93。结果表明,近红外光谱法可以作为一种快速、无损的分析方法来判定稻谷霉菌侵染状况,确保稻谷储运安全。     

土壤碱解氮含量可见/近红外光谱预测模型优化

可见/近红外光谱技术是土壤成分检测的有效工具。波长筛选对可见/近红外模型土壤属性的预测精度有重要影响。以宁夏吴忠地区75个水稻土样为研究对象,利用可见/近红外光谱技术采集土壤样品光谱,采用SPXY （Sample set partitioning based on joint X-Y distance）方法选取了校正集和预测集样本,比较了分别采用Savitzky Golay平滑（SG smoothing）、多元散射校正（Multiple scatter correction,MSC）、标准正态变量变换（Standard normal variate,SNV）3种预处理方法对光谱数据处理后建立土壤碱解氮偏最小二乘法模型和原始光谱数据建模的效果。在此基础上,分别采用遗传算法（Genetic gorithms,GA）、连续投影算法（Successive projections algorithm,SPA）、竞争性自适应重加权算法（Competitive adaptive reweighted Sampling,CARS）、随机蛙跳（Random frog,RF）进行波长筛选,最后应用偏最小二乘法建立基于不同波长筛选方法的土壤碱解氮含量预测模型。研究表明,由于仪器性能稳定,样品的颗粒度比较小和均匀,本次实验原始光谱数据建模效果最好;各种波长筛选方法均可有效减少参与建模的波长数,且连续投影算法优于全谱建模,所选波长数仅为全谱波长数的1%,其预测决定系数（R²）、预测均方根误差和相对分析误差值分别为0.726,3.616,1.906。这表明连续投影算法可以有效筛选水稻土碱解氮敏感波段,为土壤碱解氮传感器开发提供技术支持。     

外电场作用下BrCl分子的物理特性与光谱

采用HF （Hartree-Fock）方法,在6-31+G（d,p）基组水平上优化不同外电场（0~0.035 a.u.）下氯化溴分子的基态稳定构型,在此基础上计算氯化溴分子的分子结构、偶极矩、分子总能量、分子键长、分子电荷分布、分子能隙、红外光谱及解离势能面等.结果表明：随着Z轴（平行于Br-Cl连线）方向外电场的增加（0~0.035 a.u.）,分子总能量先小幅度增加后又降低,键长先减小后增大,分子偶极矩先减小后单调增加,原子电荷分布递增,分子能隙逐渐减小,分子红外光谱先蓝移后红移.通过对解离势能面的计算分析发现,强度为0.045 a.u.的外电场使得Br-Cl键断裂而降解,该结果对氯化溴进行电场降解提供参考依据.     

Tris‐amidoximate uranyl complexes via η2 binding mode coordinated in aqueous solution shown by X‐ray absorption spectroscopy and density functional theory methods

The present study sheds some light on the long‐standing debate concerning the coordination properties between uranyl ions and the amidoxime ligand, which is a key ingredient for achieving efficient extraction of uranium. Using X‐ray absorption fine structure combined with theoretical simulation methods, the binding mode and bonding nature of a uranyl–amidoxime complex in aqueous solution were determined for the first time. The results show that in a highly concentrated amidoxime solution the preferred binding mode between UO₂²⁺ and the amidoxime ligand is η² coordination with tris‐amidoximate species. In such a uranyl–amidoximate complex with η² binding motif, strong covalent interaction and orbital hybridization between U 5f/6d and (N, O) 2p should be responsible for the excellent binding ability of the amidoximate ligand to uranyl. The study was performed directly in aqueous solution to avoid the possible binding mode differences caused by crystallization of a single‐crystal sample. This work also is an example of the simultaneous study of local structure and electronic structure in solution systems using combined diagnostic tools.     

Improving Dielectric Nanoresonator Array Coatings for Solar Cells

Antireflection coatings based on dielectric nanosphere arrays are discussed in application to photovoltaic materials including silicon and gallium arsenide. Macro‐ and nanoscale characterizations and finite‐difference time‐domain calculations are performed, and demonstrate the enhanced optoelectronic properties. A significant absorptivity enhancement is achieved due to the collective resonant coupling of excited whispering gallery‐like modes and thin‐film interference effects. The resonant coupling is masked in macroscale measurements by the size variation of nanospheres, but it is clearly seen through imaging photocurrent at the nanoscale with near‐field scanning photocurrent microscopy. The resonant coupling can be effectively tuned by the material, configuration, or size of nanospheres. Hybrid coatings combining nanospheres of different materials yield the highest efficiency gain of more than 30%. The impact of manufacturing defects, such as double layer formation, is also evaluated. While the performance degrades, the antireflection coating still offers marked improvement in comparison with bare cells.     

以间质隔离法研究CH3O分子在p-H2间质中的红外吸收光谱

本研究利用低温间质隔离技术搭配红外光谱仪研究CH3ONO在p-H2间质中的光解产生CH3O。实验观察到位于689.3/694.6cm-1、945.9/951.7cm-1、1041.8cm-1、1224.7cm-1、1235.5cm-1、1347.7cm-1、1365.4cm-1、1427.5cm-1、1519.5cm-1、1522.3cm-1等处的CH3O红外吸收谱线,并分析得出各振动模式分别为电子态E1/2a1对称性的ν6、电子态E1/2a2对称性的ν6、电子态E3/2对称性的ν2、电子态E3/2e对称性的ν6、电子态E1/2e对称性的ν6、电子态E1/2a1对称性的ν5、电子态E3/2对称性的ν2、电子态E1/2对称性的ν2、电子态E3/2e对称性的ν5及电子态E1/2e对称性的ν5。     

掺杂红外染料聚叠氮缩水甘油醚工质激光烧蚀推进性能优化探索

选择含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为激光烧蚀微推力器的工质,分析了红外染料掺杂对激光烧蚀GAP工质推进性能的影响.通过对比掺杂红外染料GAP在不同激光功率密度、掺杂浓度、靶材厚度和激光烧蚀模式下的推进性能数据和烧蚀羽流,初步探索了掺杂红外染料GAP工质的推进性能优化方式.实验结果表明:透射式激光烧蚀模式下,激光能量的指数衰减特性和掺杂红外染料GAP的强黏性使得烧蚀羽流中易存在未充分烧蚀的工质; GAP的推进性能受红外染料掺杂浓度和靶材厚度的综合影响,当靶材厚度与激光吸收深度接近时,靶材充分吸收激光能量使中心烧蚀区达到化学能释放的温度阈值,同时沿激光传播方向未充分烧蚀的质量最少,此时推进性能达到最优值.反射式下掺杂红外染料的聚合物的激光烧蚀过程遵循"先吸收激光能量先喷射"的规律,工质分解充分,推进性能优于透射式.