基于光纤氧气传感器的细胞培养氧分压测试实验

基于荧光淬灭原理,利用光纤氧气传感器检测PK-15细胞培养过程中的氧分压.实验结果表明:随着细胞密度的增高,测得的氧分压减小,说明细胞在代谢过程中,耗氧量要大于氧气的扩散溶解量.细胞培养过程中液相中的氧分压水平不仅依赖于细胞培养环境气相中的氧分压,而且也依赖于细胞的密度和细胞代谢.     

旋涂法制备氧化锆介质层及其在薄膜晶体管中的应用

采用旋涂法制备了氧化锆介质层薄膜，重点讨论了退火温度以及旋涂转速对薄膜性能的影响及作用机制。研究发现高温后退火一方面使得氧化锆水合物脱水形成氧化锆，另一方面促使氧化锆薄膜结晶。此外，转速较高时，其变化对薄膜厚度及粗糙度无显著影响。当转速为5 000 r/min、退火温度为300℃时，制备的绝缘层厚度具有良好的厚度均匀性，粗糙度为0.7 nm，漏电流为3.13×10^-5 A/cm²（电场强度1 MV/cm）。最终，利用ZrO₂薄膜作为栅极绝缘层，在玻璃基板上制备了铟镓锌氧化物-薄膜晶体管（IGZO-TFT），其迁移率为6.5 cm²/（V·s），开关比为2×10⁴。     

采用条纹分析的镜头畸变测量与校正

针对目前条纹模板测量法在图像畸变校正中所存在的过校正问题,文章采用载频条纹相位解调分析结合畸变模型实现对镜头桶形畸变的测量与校正。以载频条纹图像作为校正模板,使用广角镜头相机进行拍摄,获得畸变条纹图像;采用具有高空间局域特性的四步相移分析方法进行相位解调,获得畸变中心位置以及径向畸变量分布;根据桶形径向畸变的偶数阶多项式模型展开数值拟合分析,对畸变参量进行估算,结合畸变中心位置点参量,最终实现对畸变图像的校正。数值模拟以及实验结果表明,方法简单、有效,具有实际的应用价值。     

镍基光催化产氢助催化剂

近年来,化石能源的持续使用导致能源短缺和环境污染问题日益突出,因此,人们一直致力于开发新的清洁可再生替代能源.其中,氢气因其燃烧热值高、燃烧产物无污染等优点被认为是最具发展潜力的清洁能源之一.自从1972年日本东京大学Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO_2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,非均相光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.然而,由于光催化剂普遍存在缺少活性中心、表面反应速率低、光生载流子快速复合、热力学势垒高等制约因素,因此如何在光催化产氢反应中提高催化剂的量子效率和稳定性仍是目前所面临的一项巨大挑战.将电催化剂(用作助催化剂)负载到不同的半导体表面后,其表现出较高的光催化分解水产氢活性和稳定性.一般来说,采用贵金属(如铂、金和银)作为助催化剂可有效地提高半导体的光催化产氢性能.然而,贵金属成本高、丰度低,大大限制了其广泛应用.在非贵金属中,镍基助催化剂因其成本低、活性高、稳定性好而表现出较好的应用前景.本文主要针对用于光催化制氢反应的镍基助催化剂进行综述.首先,对镍基助催化剂的光催化动力学研究进行了总结,从光捕获、光生载流子的分离、半导体的本体及界面电荷输运、助催化剂捕获载流子及其表面电催化反应等过程进行详细分析,发现协同考虑和优化上述过程是开发高效产氢光催化剂的关键.同时,通过不同方法对催化剂改性并担载合适的镍基助催化剂,从而集成设计光催化剂是一种具有较好应用前景的策略.然后,对镍基电催化剂在催化制氢反应中应用的基本原理进行分析,系统地从组成工程、纳米结构工程、界面工程、表面工程和杂化工程方面综述了电催化剂的设计策略;并对镍基助催化剂的作用进行分析,包括:增加析氢活性中心,降低活化能,提高光催化效率,促进电荷的分离和传输,降低电化学析氢过电位和增强催化析氢动力学等.同时,对镍基助催化剂活性位的原位表征及反应路径相关文献进行了简要总结.通过上述分析得出以下结论:为设计高效的光催化产氢催化剂体系,需要综合考虑并优化镍基助催化剂表面的电催化产氢性能、捕光半导体中的电荷分离/转移及它们之间的界面电荷分离性能.本文着重对基于提高光捕获率(包括设计分级光催化剂、利用表面敏化和开发宽光谱光催化剂)、增强电荷分离(包括设计纳米结构、构建肖特基结、构造II/p-n型异质结和建立直接Z型异质结)、增强半导体/助催化剂的界面相互作用、提高助催化剂的电催化活性(包括增加活性位数量、加强单个活性位本征活性和实现高分散/限阈效应)四种改性策略进行了较详细的讨论和比较,为设计高活性和高稳定性的镍基产氢光催化剂提供了新的设计思路.最后,对镍基产氢助催化剂进行了展望.一方面,进一步开发新型镍基析氢助催化剂和半导体异质结,通过调节和优化助催化剂的半导体/助催化剂界面结构和电导率,从而达到最优光催化效率.同时,应尝试通过工艺简单、易规模化的方法制备更多金属、多功能、超薄二维镍基纳米片、核壳和限制性纳米结构及单原子等催化剂体系,并将其应用于开发高效的光催化制氢催化剂.另一方面,进一步采用多种原位表征技术,如XAS研究、EPR测试和拉曼光谱技术等,精准地分析镍基催化剂上的析氢活性中心,深入分析不同异质结和助催化剂中的电荷载流子转移/分离动力学.同时,通过DFT精确计算反应势垒、氢吸附能和水分子吸附/解离特性等相关信息,进而充分理解电荷载流子动力学和反应途径,明确镍基助催化剂活性中心表面电催化反应机理.希望在不远的将来,根据镍基析氢活性中心的详细结构与性能关系,可以精准地设计、构建高效的镍基析氢活性中心,为高效光催化产氢,并为最终开发新的清洁可再生替代能源提供效的催化技术.     

基于紫外LED阵列光催化降解抗生素的研究

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响，光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。在光催化降解抗生素过程中，光源对其降解效率至关重要，与传统的汞灯催化光源相比，紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗，使光催化工艺发生了巨大的变化。首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台，采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间，其主波长为275 nm，由于光场叠加效果，光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大，装置轴向位置光照强度分布较为均匀；其次通过三维超景深显微镜、UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析，同时使用半导体求导公式对TiO₂粉末进行禁带分析，结果显示TiO₂为球形，由于空气中相对湿度过大，水在TiO₂微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力，因此有团聚现象产生，其禁带宽度为3.1 eV；最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源，P25型TiO₂为催化剂分别对甲基橙、磺胺类抗生素进行光催化降解，使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线，进而对抗生素降解率进行分析。结果表明，甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解，分别经过160和240 min的催化降解过程后，降解率分别达到70%和36%，符合一级动力学方程，经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0.007 5和-0.113 5 min-1，对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0.001 9和-0.019 4 min-1。因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时，汞灯降解速率高于紫外LED阵列；由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同，对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法，即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析，对于甲基橙，汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED，但对于抗生素，紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。依据以上各类光谱分析和应用结果，紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源，此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

基于可见光谱通道的松树年轮参数获取方法研究

年轮参数是树木生长的重要指标。目前年轮的检测方法主要有人工测量法、扫描仪法和X射线法等。这些方法费时费力、检测成本高、操作难度大。为此，提出采用可见光谱进行年轮参数检测的新方法。首先针对活立木年轮检测需求，设计了木芯专用可见光谱分析装置。装置采用宽光谱对称式光源，封闭式暗箱设计，彩色CCD外置、固定距离采集方式。进而采集样品全彩色图像，分别提取不同光谱通道数据进行分析，最终获得年轮特征光谱参数。以从松树活立木钻取的木芯为例，经打磨后的木芯水平固定于载物台，光源均匀照射样品，CCD采集木芯漫反射RGB图像，基于对木芯全彩色图像的不同光谱通道的分析，分别提取RGB三帧灰度图像的强度曲线，区分早晚材分界线，得到树木年轮各项指标，实现树木年轮参数的快速提取。实验首先将CCD采集的RGB图像转换至NTSC色彩空间，以扩大色彩域。在设置滤波窗滤除背景，截取出木芯图像后，通过提取木芯图像的R，G和B三灰度分量图像，发现木芯B灰度图的早晚材区域差异最分明。基于该特征，可提取出早晚材分界线的位置信息。对木芯B灰度分量图微分，得到灰度沿水平方向的空间梯度。确定灰度变化率极大值对应的各点，鉴于木芯生长特性，灰度变化率极大值对应空间位置首先取为窄像素区域，进而在窄像素区域取中间值，此即木芯年轮各早晚材的中心点。其中，早材中心点对应光谱曲线的极大值，晚材中心点对应光谱曲线的极小值。结合专家经验，建立早晚材中心点与分界线的灰度关系，可得各分界线的位置。通过早晚材分界线与年轮各参数的关系，可进一步得出年轮各项指标。对比3位林木育种专家人工识别结果，本方法检测结果除了在木芯靠近端点处的位置外，都具有极高的准确度。采用可见光谱通道的数据采集与分析方法检测树木年轮参数，检测过程可实现全自动，高效、无损，精度可达到0.1 mm，结果精确。相比于人工测量法、扫描仪法，检测效率更高；相比于X射线法，检测过程更加安全、低耗，操作更方便。是一种具有较强应用性的方法。     

构建低成本的Ni3C/孪晶Zn0.5Cd0.5S异质结/同质结纳米杂化体系来实现高效的光催化分解水产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢化是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有孪晶结构的ZnxCd1-xS(ZCS)固溶体引起了人们的研究兴趣,这主要是由于孪晶相之间形成了同质结,同质结可以通过提高体相光生电子-空穴对的分离效率,从而提高原始硫化物光催化剂的光催化分解水产氢活性.但由于孪晶ZCS固溶体表面超快载流子复合以及活性位点不足,进一步提高其光催化析氢活性还需解决这些不足.负载助催化剂被认为是加速产氢动力学和促进表面光生电子空穴分离最有效策略之一.因此,我们将低成本的类金属Ni3C助催化剂与孪晶ZCS固溶体通过简单的研磨方法结合来实现高效的可见光催化分解水产氢.合成的Zn0.5Cd0.5S-1%Ni3C(ZCS-1)异质结/同质结最高的可见光光催化分解水产氢速率可达783μmol h–1,是纯ZCS的2.88倍.在420 nm时,ZCS和ZCS-1的表观量子效率分别为6.13%和19.25%.这是由于孪晶ZCS固溶体中闪锌矿段和纤锌矿段的同质结连接可以显著提高光生电子空穴对的体相转移和分离.同时,ZCS与金属Ni3C助催化剂间的异质结可以有效地增加孪晶ZCS固溶体的光捕获及表面载流子分离,增强产氢活性位,从而提高催化活性.本文以乙酸镉、乙酸锌和氢氧化钠为原料合成了CdZn(OH),后者与硫代乙酰胺水热合成了孪晶CZS,并用超声研磨方法合成CZS-Ni3C.在可见光下进行了产氢测试,实验结果证实了优化的ZCS-1在Na2S·9H2O和Na2SO3的水溶液中光催化析氢活性最高.经过4次连续的循环反应,ZCS-1二元复合体系展现出良好的稳定性.为深入探讨高效产氢机制,对纳米级ZCS复合材料的光催化物化性能及载流子分离机制进行了表征.通过X射线衍射确定了ZCS和ZCS-1的晶体结构.用高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱证实合成了ZCS和Ni3C助催化剂的成功复合.用紫外-可见漫反射光谱法对制备的ZCS和ZCS-1复合样品的光吸收特性进行了表征.结果表明,在ZCS上负载Ni3C以后,样品的可见光吸收能力显著提升.利用稳态及瞬态荧光光谱研究了ZCS-1光催化剂的电荷载流子复合和转移行为.进一步对纯ZCS和ZCS-1复合光催化剂的瞬态光电流响应(I-t曲线)进行了研究,确定了光生载体的分离效率.阻抗是深入研究电荷载流子迁移和界面转移的最有力技术,利用阻抗技术证实ZCS-1界面高效的载流子分离性能.极化曲线结果表明,加入Ni3C可以降低ZCS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.由此可见,本文所构建的ZCS同质结与Ni3C助催化剂的协同作用可以明显促进体相及表面光生电子空穴对的分离,从而显著增强光催化分解水产氢活性.该文所采用基于ZCS纳米孪晶与异质助催化剂耦合策略可以作为一种通用策略扩展到各种传统半导体的改性,从而极大地推进高效光催化产氢材料的持续进步.     

小波变换和连续投影算法在火龙果总酸无损检测中的应用

应用可见/近红外光谱技术、小波变换(WT)和连续投影算法(SPA),对火龙果总酸含量(TA)进行精确、快速的无损检测,为火龙果内部品质无损检测提供科学依据。利用Maya2000光纤光谱仪采集380~1 099nm范围的火龙果漫反射光谱数据,通过WT消噪、SPA优选波长和偏最小二乘回归(PLSR)分析方法,建立了火龙果总酸的定量预测模型。试验结果表明:经过WT消噪联合SPA优选波长压缩光谱变量后建立的WT-SPA-PLSR模型,预测精度都高于全谱PLSR模型。由全部样本的原始光谱变量作为输入变量建立PLSR模型的预测相关系数(R_p)为0.851 394,预测均方根误差(RMSEP)为0.086 848;全部样本的原始光谱数据使用dbN(N=2,3,…,10)小波进行分解消噪,其中消噪效果最优的是db4小波2层分解(db4-2),WT-PLSR模型的Rp为0.915 635,RMSEP为0.066 752,小波变换消噪后的光谱预测模型精度明显提高;原始光谱经过db10-3小波消噪联合SPA算法,从570个光谱变量中优选出530,545,604,626,648,676,685,695,730,897,972,1 016nm共12个变量作为输入变量,建立WT-SPA-PLSR预测模型,模型的RP为0.882 83,RMSEP为0.077 39。SPA算法适合火龙果TA模型的光谱变量选择,能够有效提取与总酸相关度高的波长变量,增加了预测模型的精度和稳定性。研究结果表明小波变换技术联合连续投影算法的漫反射近红外光谱无损检测火龙果总酸含量具有可行性。