基于人工神经网络的傅里叶变换中红外光谱法对食用油油烟种类识别研究

随着餐饮业的发展,餐饮烟气已经成为某些城市三大空气污染源之一。由于餐饮烟气对人体健康威胁很大,近年来对餐饮烟气的研究愈来愈热。餐饮烟气中包含有大量食用油加热过程中裂解而产生的不饱和烃类,危害着人类健康。不同食用油裂解出来的成分以及含量有所不同,通过构建一定的分类识别数学模型,从而实现对食用油分类识别。采用自主研发的傅里叶变换红外光谱仪,采集了不同食用油油烟烟气红外光谱数据。同时构建了主成分分析(PCA)分别结合概率神经网络(PNN)以及误差反向传播人工神经网络(BPANN)的分类识别算法。将两种分类识别算法对不同食用油油烟烟气的傅里叶变换红外光谱数据进行分析。通过样本数据对数学模型进行训练,将训练好的数学模型对未知光谱数据进行分析,来确定产生油烟烟气的食用油种类。实验结果表明,两种算法都能对不同的油烟种类进行较好地分类识别。在全波段识别时,识别率分别达到90.25%和97.0%。通过对烟气光谱数据的吸收波段进行分析,提取大气窗口并且具有较强可挥发性有机物(VOCs)吸收特征的波段(1 300～700 cm-1以及3 000～2 600 cm-1);将吸光度数据分成两个分离的吸收波段,两种算法在3 000～2 600 cm-1波段都有较好的识别效果,PCA-PNN算法识别率为90.25%,PCA-BPANN算法识别率为92.25%。可见,两种人工神经网络算法都能有效对食用油烟种类进行识别。     

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

利用三维荧光结合平行因子算法研究金属离子对溶解性有机物的猝灭和校正

溶解性有机物的荧光组份由于受到金属离子的影响其荧光强度受到变化,从而为溶解性有机物的定量分析带来挑战。利用三维荧光结合平行因子分析方法研究了Cu(Ⅱ), Fe(Ⅲ), Ni(Ⅱ), Sr(Ⅱ), Hg(Ⅱ), K(Ⅰ), Mg(Ⅱ) 和Mn(Ⅱ)八个金属离子对典型溶解性有机物荧光组分的荧光猝灭作用,五个水样来源各不相同。实验表明水样被平行因子成功分解为三个荧光组分(色氨酸、腐殖酸、富里酸),这三个荧光组份的荧光得分随着Fe(Ⅲ), Cu(Ⅱ), Hg (Ⅱ)和 Ni(Ⅱ)浓度的增加呈线性或指数下降。在这四种离子中,Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)对腐殖酸和富里酸的荧光猝灭作用明显大于Hg (Ⅱ)和 Ni(Ⅱ)。Sr(Ⅱ), K(Ⅰ), Mg(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)基本没有影响。其中Fe(Ⅲ)对于三个荧光组分的荧光猝灭都有较好的分析。由于只考虑Fe(Ⅲ) 和Cu(Ⅱ)的影响,对于含有金属离子的饮用水的荧光强度的校正曲线也被建立。不同来源的饮用水中荧光组份的荧光得分的衰减规律也是不一样的,因此水样的来源也是测量时需要考虑的因素。实验证实了金属离子对溶解性有机物的荧光猝灭作用以及其他因素比如Fe(Ⅲ) 和Cu(Ⅱ)和溶解性有机物本身的多样性都是我们荧光测量典型荧光组份时需要考虑的。表明三维荧光结合平行因子分析方法是一个有效的准确测量溶解性有机物荧光组份的工具。     

多环芳烃时间分辨荧光光谱特性研究

利用时间分辨荧光光谱技术,研究了菲、荧蒽、芴、蒽、芘等五种多环芳烃的荧光时间分辨发射光谱特性。以289 nm受激拉曼光作为激发光源,研究了289 nm激发光作用下五种多环芳烃的延时特性和门宽特性。并以多环芳烃随延时时间的荧光峰强度衰减关系曲线,得到菲、荧蒽、芴、芘的荧光寿命分别为37.0, 32.7, 10.9, 147.0 ns。不同荧光物质具有特定的荧光光谱特性,多环芳烃时间分辨荧光光谱特性的研究可以为复杂水体中不同种类多环芳烃的诊断提供依据。     

基于LASSO方法的傅里叶变换红外光谱快速定性识别方法

采用红外光谱技术对未知气体组分进行监测,需要对气体组分进行定性识别分析。基于多元线性回归模型的LASSO变量选择技术广泛应用于数据分析领域。将LASSO方法引入到红外光谱分析领域,提出一种LASSO变量选择技术结合循环线性最小二乘(LCLS)分析的定性识别方法,并开展了相关的实验对其进行验证。实验采集CO,C₂H₄,NH₃,C₃H₈,C₄H₁₀和C₆H₁₄六种单组分傅里叶变换红外(FTIR)光谱吸光度谱以及一组C₂H₄和NH₃混合组分的吸光度谱,结合实验室自建光谱数据库,先采用LASSO方法对采集的光谱进行初步定性分析,然后使用LCLS方法剔除干扰组分。实验结果表明,LASSO结合LCLS的方法能有效识别出光谱中的目标组分,即使是在干扰严重的光谱波段也可以剔除掉大部分的干扰组分。     

石墨富集结合空间约束水体重金属LIBS检测方法研究

针对水体重金属污染检测的需求,研究了以高纯石墨片为水体富集基底,样品多次富集结合等离子体空间约束的水体重金属LIBS检测方法, 并对Pb,Cu,Cd,Ni等不同重金属元素的测量稳定性及检测限进行了分析。实验采用波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q激光器,分辨率为0.1 nm的光纤光谱仪分别对上述水体中重金属元素含量的特征光谱进行分光探测。结果表明,样品多次富集结合空间约束方法能够有效地提高水体重金属检测的灵敏度及稳定性并降低元素检测限,空间约束条件下特征光谱强度增强约2.5倍,光谱稳定性也得到提高,相对标准偏差由非约束情况下的11.34%降低至8.77%。对不同浓度的Pb,Cu,Cd,Ni四种重金属元素进行检测并建立定标曲线,Pb,Cu,Cd,Ni的检测限均低于国家工业废水排放标准的1/6,满足工业废水重金属的检测需求,为工业废水重金属的减排控制与超标排放预警监测提供了一种有效方法和技术支持。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法

采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究.使用酒精分子在7180 cm-1附近的一个相对较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息.为消除水汽对酒精分子检测的干扰,提出了建立多元线性回归方程拟合求解多分子吸收共存的问题.实验表明,系统的检测限达到25 ppm·m.     

可调谐半导体激光吸收光谱法测量空气中乙醇蒸气

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术开展了检测空气中乙醇蒸气浓度的方法研究,并采用乙醇分子在7180cm-1(1393nm)附近的吸收峰作为鉴别乙醇的特征信息。建立多元线性回归方程来拟合求解多分子吸收共存的问题,以消除共存水蒸气对空气中乙醇蒸气含量检测的干扰。针对谱线处理中存在的光谱误差问题,提出了修正方程,与实验的结果一致。开放光路测量实验结果表明,系统的积分浓度检测限达到30×10-6 m。     

叶绿素荧光技术对受Cu~(2+)胁迫藻类暗适应时间的研究

利用叶绿素荧光技术,对受相同浓度Cu2+胁迫的蛋白核小球藻、斜生栅藻、铜绿微囊藻的最佳暗适应时间进行研究.通过对三种供试藻在光照和暗适应时间分别为30s、1min、3min、5min、10min和20min条件下的光合荧光参量进行测定,以光化学淬灭参量值为主要参考依据,结合t检验方法对暗适应时间进行显著性差异分析,结果表明:暗适应条件下三种供试藻的潜在最大量子效率值略有增加,实际量子效率值基本保持不变;蛋白核小球藻和斜生栅藻的光化学淬灭参量值和非光化学淬灭参量值随暗适应时间的延长显著增加;铜绿微囊藻光化学淬灭参量值在光照1min时达到最大,无需进行暗适应,这可能与蓝藻在暗适应时发生状态转换有关;藻类不是暗适应时间越长越好,蛋白核小球藻和斜生栅藻的最佳暗适应时间分别为5min和10min.这将为采用叶绿素荧光技术进一步研究毒物对藻类的胁迫机理提供可靠依据.     

基于荧光动力学技术的黄渤海初级生产力快速测量

浮游植物初级生产作为海洋生态系统的重要起点,是海洋食物网的基础,是衡量海水质量的重要指标。为了准确测量、监测和预测浮游植物初级生产力的时空变化及其对外部环境条件的动力学响应,研究了一种基于叶绿素荧光动力学的测量技术,研制出响应时间为1.6 min、精度为4.86%的快速测量仪器。仪器测得的浮游植物初级生产力与液相氧电极法测得的光合放氧速率的相关系数为0.991。该仪器装备在中国海监101号实验船上,用于黄渤海浮游植物初级生产力在线测量和垂直剖面测量。测量结果表明,渤海湾内的浮游植物初级生产力是湾外的1.1~1.4倍,垂直剖面测量结果显示黄海区域各点位的浮游植物初级生产力的均与深度相关。与传统方法相比,所研制的仪器具有快速、稳定、无需样品培养等优点,可为海洋生态环境评价提供先进的技术方法。