基于密度泛函理论的肾上腺素分子的光谱分析

肾上腺素是一种神经和激素的传送体,研究肾上腺素分子的光谱和能级有助于了解其化学稳定性和药理作用。基于密度泛函理论（DFT）,利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G（d,p）基组水平上对肾上腺素分子进行结构优化,采用含时密度泛函理论（TD-DFT）的PBE方法在def2tzvp基组水平上计算肾上腺素分子在气相中的前20个激发态,利用Multiwfn3.7（dev）软件绘制出其紫外光谱图并对激发性质进行分析。肾上腺素分子紫外光谱对应的主要跃迁是从基态分别到第1,2,4,8,15和16激发态的跃迁,其他的激发态的振子强度低于阈值0.03。理论计算得出肾上腺素的紫外光谱有两个吸收峰,分别位于206.23和273.92 nm,206.23 nm峰主要由基态跃迁到第16激发态形成,273.92 nm峰主要是基态跃迁到第2、4激发态形成,主要是由苯环上π→π*跃迁所产生,并与实验光谱吻合较好。对肾上腺素分子的激发态性质分析可知,上述吸收峰都是在最高占据轨道和最低空轨道的临近轨道跃迁产生的。利用密度泛函的PBE方法在6-311G（d, p）的基组水平上计算肾上腺素分子频率并绘制红外光谱,由振动分析可知,3 738和3 662 cm-1峰是由酚羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,3 715 cm-1峰是由醇羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,2 854 cm-1峰是由甲基的C18-H20键的伸缩振动产生的特征吸收峰,1 516和1 439 cm-1峰是苯环骨架的伸缩振动的特征吸收峰,1 279与1 057 cm-1峰分别是由C6-O10和C12-O23键伸缩振动产生的特征吸收峰,620 cm-1峰是N22-H17键摇摆振动的特征吸收峰。对比肾上腺素的实验红外光谱,发现理论光谱与实验光谱中各基团的特征吸收峰都较为明显且总体吻合较好。由于肾上腺素分子二聚体和多聚体之间形成氢键,分子间氢键的形成削弱了O-H键的强度,降低了能形成分子间氢键的羟基O-H的伸缩振动频率,从而导致实验光谱在3 500～2 500 cm-1之间呈现出一个宽峰。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

基于优化面积光谱指数的玉米叶片叶绿素值估测

综合使用光谱技术对作物养分进行实时、有效诊断,有助于作物的精准管理、保障产量和减少环境污染,提高肥料利用率,并且为定量估测作物生化组分状况提供了一种新的途径。光谱指数是进行作物叶片叶绿素实时估测的重要指标,然而由于受到环境条件及内在生化成分的影响,估测结果不尽满意。为了进一步提高光谱指数在估测作物叶片叶绿素含量时的抗干扰能力和敏感性,于2020年在内蒙古玉米种植典型区域进行不同氮梯度的田间试验,在玉米的四个关键生育时期获取叶片的光谱反射率和叶绿素值,通过建立基于面积的光谱指数和叶片叶绿素值的关系模型并进行光谱指数的优化及评价。结果表明,生育时期对面积光谱指数与叶片叶绿素值的关系有显著影响。前人研究的基于面积的光谱指数在玉米苗期时对于叶片叶绿素含量的估测效果较差,而对抽雄期叶片叶绿素含量的估测效果最佳。基于优化算法构建的面积光谱指数显著提高了光谱指数对叶片叶绿素含量估测的准确度和稳定性,基于优化算法的优化三角形植被指数(OTVI)、优化叶绿素吸收积分指数(OCAI)和优化双峰面积归一化差值指数(ONDDA)在不同生育时期上比前人研究的面积光谱指数具有更强的叶绿素含量估测能力,估测模型的决定系数R2在0.94～0.99之间。与优化三角形植被指数(OTVI)和优化叶绿素吸收积分指数(OCAI)相比优化双峰面积归一化差值指数(ONDDA)在估测春玉米不同生育时期叶片叶绿素含量方面更为稳定,预测模型验证结果的决定系数R2为0.94,并且验证误差最小,RMSE和NRMSE%分别为2.29%,3.94%,模型估测值与实测值的验证斜率为0.996,接近1。综上所述,ONDDA是一个实用且适合于估测不同生育时期叶片叶绿素含量的面积光谱指数。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

EBSD-XPS法分析磷石膏中杂质物相

磷石膏是湿法磷酸过程形成的固体副产物。磷石膏中含有磷、氟、硅等有害杂质组分,极大影响磷石膏制品的质量和性能,巨量磷石膏堆存严重威胁生态环境和生命安全。确定磷石膏中杂质物相的赋存状态,为磷石膏除杂净化和综合利用提供理论指导,非常重要。以低温干燥后的磷石膏为研究对象,利用X射线荧光光谱（XRF）分析确定磷石膏中杂质元素的组成,结果表明,磷石膏中的杂质元素含量较高的有P,Si,F和Al,含量较低的有Ba,Fe和Mg等。因二水硫酸钙物相强峰对杂质物相峰有较强遮蔽作用,X射线衍射光谱（XRD）分析不能确定磷石膏杂质的物相。利用扫描电子显微镜对磷石膏进行电子背散射衍射（EBSD）分析,根据被检样品衬度的区别探明磷石膏的杂质物相,利用X射线能谱分析（EDS）成分确定杂质物相组成;利用X射线光电子能谱（XPS）对硫酸钙晶体表面以及混合杂质物相作进一步分析。EBSD分析结果表明,磷石膏中杂质物相主要包括二氧化硅、氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟磷酸钙、氟化钙、硫酸钡、硫化铁、三氧化二铝等,此外还有硅、铝、磷、氟等杂质混合组成的复盐物相,其中二氧化硅、硫酸钡、硫化铁、氟磷酸钙和三氧化二铝为独立赋存物相,氟硅酸钠和氟硅酸钾的物相则混合分布在硫酸钙晶体之间,氟化钙杂质与硅、铝、磷、氟杂质复盐物相结合赋存。XPS分析结果表明,磷石膏中还存在硅酸钙、氟化铝、氟化镁、硫酸铝、磷酸铝、磷酸钙、磷酸氢钙和磷酸二氢钙等物相,其中磷酸钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙和氟磷酸钙四种物相的特征峰位分布极为接近。采用EBSD-XPS组合分析方法,不仅确定了磷石膏中杂质的物相,还阐明了杂质物相与硫酸钙晶体之间的构效关系。该研究为磷石膏杂质物相分析提供新途径,为磷石膏除杂净化及其综合利用提供坚实的理论依据。     

光度法对不同土地利用类型河流在不同水期氮磷分布特性及定量源解析研究

氮和磷是水环境生物生长和繁殖必须的营养成分,影响水体初级生产力的水平,且水体富营养化水平与氮磷形态密切相关,随着水体环境的改变,沉积物会向水体释放氮磷,造成二次污染。同时,对外源氮磷污染来源的贡献进行定量识别,可有效管理和控制水体氮磷污染负荷。毗河和石亭江是沱江的重要支流,影响着长江母亲河的水质。采用钼锑抗分光光度法和连续提取法研究在枯水期和丰水期毗河和石亭江水体和表层沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)及各形态氮磷的分布特性,对比不同土地利用类型河流氮磷行为特性及释放风险,并采用Multiple Linear Regression of the Absolute Principal Component Scores(APCS-MLR)受体模型进行氮磷污染源的识别和量化。研究结果表明：① 研究区水体和表层沉积物中氮磷均处于不同程度的污染水平,水体枯水期TP的主要贡献者是颗粒态无机磷(PIP)和颗粒态有机磷(POP),而丰水期却是颗粒态无机磷(PIP)和溶解态无机磷(DIP),两水期水体中TN的主要贡献者是硝态氮(NO-₃-N)和有机氮(ON)。而在表层沉积物中,TP的主要贡献者是钙结合态磷(HCl-P),TN的主要贡献者是酸解态氮(HN)。在枯水期和丰水期,毗河表层沉积物生物有效磷(BAP)占TP的平均值(19.7%和23.0%)比石亭江的平均值(11.0%和12.5%)占比更高,具有较高的磷释放风险。研究发现,枯水期氮磷污染程度高于丰水期,而且石亭江的氮磷污染程度高于毗河。②APCS-MLR模型在毗河提取了城镇生活污水、生活垃圾堆积产生的渗滤液、动植物残体分解和养殖业废水4个污染源因子,其中城镇生活污水对毗河氮磷污染的贡献最大(枯水期50.9%,丰水期54.8%),而在石亭江提取了工业生产中产生的废水等、动植物残体的降解、农业废弃物的风化、农田排水渠的农业废水和农药化肥的不合理施用5个污染源因子,其中工业生产中产生的废水等对石亭江氮磷污染的贡献最大(枯水期58.7%,丰水期55.8%)。因此,当地相关部门应加强对高贡献污染源的管控,从而降低流域氮磷污染负荷。     

非平坦样品激光诱导等离子体光谱特性研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种快速、实时的元素分析技术,由于其在痕量元素探测、地质环境监测等领域有着广阔的应用前景,而受到人们极大的关注。在实际应用中,样品表面是影响等离子体产生及其特性的关键环境因素之一。在大气环境下,利用脉宽为8 ns、波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光产生等离子体,对比研究了天然岩石样品在非平坦和平坦表面条件下等离子体的发射光谱。基于激光辅助辐射波模型,阐释了非平坦样品表面对其光谱特性的影响。通过对比等离子体时间积分光谱,发现非平坦样品的谱线强度相比于平坦样品的谱线强度减弱了近70%,该结果说明非平坦样品表面对LIBS真实测量数据的负面影响不可忽视。针对褐铁矿样品中的谱线Fe Ⅰ 404.58 nm和Fe Ⅰ 438.35 nm,研究了在平坦和非平坦样品表面下的峰值强度以及其衰减因子随激光能量的变化规律,结果表明非平坦样品表面条件下采集的光谱强度始终低于平坦样品表面的光谱强度。光谱强度的衰减因子先随激光能量增大而逐渐降低,并在激光能量33 mJ达到最小值,后随激光能量的进一步增大而增大。实验结果进一步表明在非平坦样品表面条件下产生了密度较低的等离子体,并且非平坦与平坦样品的电子密度的比值在激光能量33 mJ时达到最小,此结果与光谱强度的衰减因子随激光能量的变化趋势一致,这是源于非平坦样品表面会形成较大激光入射角度,使得激光等离子体能量吸收区厚度变薄,产生等离子体屏蔽效应所对应的激光能量阈值升高。此外,样品表面状态和激光能量对等离子体温度的影响甚微。阐述了非正入射时等离子体特征参数与正入射时等离子体特征参数的联系和差异,揭示了非平坦样品激光等离子体特征参量变化的内在物理机制,为室外LIBS探测技术在元素定性和定量分析中光谱强度的校正提供参考。     

大豆水分含量的高光谱无损检测及可视化研究

采用近红外高光谱成像技术对大豆水分含量进行快速无损检测,实现大豆水分含量可视化。采集了96个不同品种大豆样本在900～2 500 nm的高光谱图像,采用直接干燥法测量每个大豆样品的水分含量。利用系统自带的HSI Analyzer软件提取图像感兴趣区域（ROI）的平均光谱信息,代表样品的光谱信息。利用SPXY算法划分样品校正集和预测集,并保留938～2 215 nm波段范围内的光谱数据。采用移动平滑（moving average）、S-G平滑、基线校正（baseline）、归一化（normalize）、标准正态变量变换（standard normal variate,SNV）、多元散射校正（multiple scattering correction,MSC）、去趋势（detrending）共7种光谱预处理方法,发现Normalize方法处理后的PLSR模型效果较好。为了去除光谱冗余信息,简化预测模型,采用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应加权算法（CARS）、无信息消除变量法（UVE）提取特征波长,其中SPA,CARS和UVE三种算法优选出14,16和29个波长,分别占总波长的6.5%,7.4%和13.4%。分别对938～2 215 nm波段光谱和特征波长建立预测模型,并将效果较优的模型与Normalize方法结合。建立的14种预测模型效果相比较,发现SPA算法筛选的特征波长建模预测效果较好,并优选出Normalize-SPA-PCR模型,模型的R２_C和Ｒ２_P值较高,分别为0.974 6和0.977 8,RMSEP和RMSECV值较低,分别为0.238和0.313,模型的稳定性和预测性较好,可以对大豆水分含量进行准确预测。将Normalize-SPA-PCR模型作为大豆水分含量可视化预测模型,计算高光谱图像每个像素点的水分含量,得到灰度图像,对灰度图像进行伪彩色变换,得到大豆水分含量可视化彩色图像。对预测集的24个大豆品种进行可视化处理,发现不同水分含量大豆的可视化图像颜色不同,水分含量变化对应的颜色变化较为明显。结果表明,高光谱成像技术结合化学计量学可以准确快速无损预测大豆水分含量,实现大豆水分含量可视化,为大豆收获、贮藏加工过程中水分含量检测提供了技术支持。     

延安时期红色文献的红外光谱无损检测研究

延安是中国共产党领导革命的中心和战略总后方,是革命的红色摇篮。延安时期出版了大量具有历史、文化以及教育意义的红色文献,这些红色文献记载了中国共产党波澜壮阔的发展历程,也反映了延安时期不断发展的科技生产水平与独特的制浆造纸工艺,具有重要的研究价值。然而,延安时期出版的红色文献虽距今不到百年时间,但其保存现状不容乐观,普遍存在纸张老化、焦脆易碎等问题,大量文献急需科学检测与修复保护,以延长其保存寿命。目前,针对延安时期红色文献的检测研究仍存在较大空白。考虑到红色文献的珍贵性与特殊性,应当尽可能选择无损检测方法对其分析检测。基于衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）,以木素1 510 cm-1处特征峰与纤维素1 030 cm-1处特征峰的强度作为定量依据,建立了造纸原料与红色文献纸张中木素相对含量的无损检测方法。通过检测不同碱强度与碱浓度处理后的构皮、苦竹与杨木的木素含量,考察了制浆过程中碱处理条件对造纸原料脱木素程度的影响,同时体现了红外光谱法测定木素相对含量的普适性。以复旦大学图书馆藏的76册延安时期红色文献为研究对象,分析了红色文献的纸张木素含量与纸张pH值以及纸张氧化度的相互关系。结果表明,木素相对含量高于25%的红色文献,其纸张pH集中在3～4之间且纸张氧化度较高,文献整体保存状况堪忧;而木素相对含量低于25%的红色文献,其纸张氧化度与酸度较低,文献整体保存情况较好。以上结果验证了红外光谱无损检测法用于延安时期红色文献木素含量分析的可行性,并结合纸张氧化度与酸度数据提出了纸张木素含量的合适范围,为制浆造纸中植物原料的脱木素过程提供参考。拓展了红外光谱法在红色文献无损检测中的应用范围,以期为延安时期红色文献的修复与保护研究提供科学依据。