频域近红外光谱法研究生物组织内部光子传输特性

基于光子在生物组织中的辐射传输理论以及Feng模型,应用频域近红外光谱法研究生物组织中异质体位置的变化,对出射光的光强和相位变化的影响及规律。设计了一仿真实验,用牛奶代替强散射性质的生物组织,并在牛奶中放置一个高度可控的具有一定吸收系数和散射系数的小球。移动小球在牛奶中的高度,检测出射光的交流幅度AC、直流光强DC和相位延迟Phase的值,绘制小球位于不同深度时AC,DC和Phase的曲线,并探讨其变化规律。结果表明,随着小球在牛奶中深度的变化,光强AC,DC和相位Phase呈现一定的相关性;随着光源和检测器之间距离的增加,检测到的光强和相位曲线的波谷点均向右偏移;当小球偏离光源和检测器越远,对检测到的光强和相位的影响越小。验证了光子在生物组织中的传输规律,为用频域近红外光谱法进行组织光学参数的检测及组织中异质体位置的定位奠定了基础。     

应用近红外光谱和多算法融合方法分析烤烟的香型风格特征

以全国17个主要烤烟产地省份中收集的3 914个烟叶样品的近红外光谱为实验对象,其中浓香型、中间香型、清香型烟叶光谱分别865条、1 403条、1 646条,应用近红外光谱和多算法融合方法分析其香型风格特征。在以产地进行初步划分烟叶香型以及认可过渡型和非典型香型类型的基础上,选取基于主成分及Fisher准则的投影法(PPF)、偏最小二乘判别(DPLS)、支持向量机(SVM)作为单分类器,得到各个算法第1和2判别分析结果;应用PPF-DPLS-SVM融合和各算法第1和2判别分析结果,将预测验证样品的分析结果详细划分为典型、过渡型、非典型香型样品(分别为493,392,115个);其中典型香型烟叶样品的判别准确率达到92.7%,较未进行典型样品划分时PPF,DPLS,SVM单算法的识别准确率分别提高了30.2%,15.4%,16.6%。样品数据来源于全国主要烤烟产地,数据量大,代表性较好,分析结果具有一定普遍性;提出的多算法融合分析方法大幅度提高了通过客观数据判别烤烟香型的准确率;同时,将烤烟香型细划分为典型、过渡型和非典型香型的方式,对烤烟烟叶原料的科学合理利用以及烟叶原料的模块化工业加工等有指导作用。     

Wavelength-Locked 878.6 nm In-Band Pumped Intra-Cavity 2.1 μm Optical Parametric Oscillator

We report herein a high-power folded intra-cavity 2.1μm optical parametric oscillator(ICOPO)which is the first example of an ICOPO that utilizes a wavelength-locked 878.6 nm in-band pumped Nd:YVO_4 laser as the pump source.The thermal effect of PPMgLN crystal and the divergence angle of the incident laser are considered comprehensively to determine the 2128 nm degenerate temperature.In the experiment,the functions of different output coupler transmittances and different repetition rates on the parametric laser output power are studied,respectively.The temperature versus parametric laser output power in an in-band p umped non-wavelength-locked880 nm laser diode(LD)and in a wavelength-locked 878.6 nm LD is compared.A maximum output power of 5.87 W is obtained at the pump power of 56.9 W when the repetition rate is 80 kHz.The corresponding conversion efficiency is 14.55%,with a linewidth of 73.65 nm and pulse width of 3.62 ns.The wavelength-locked 878.6 nm LD in-band pumping technology can stabilize the 2.1μm laser output power of Nd:YVO_4 crystal effectively in the environment of intense temperature change.     

不同傅里叶近红外仪器间(积分球漫反射测量)的模型传递及误差分析

模型传递是近红外光谱分析技术中一个关键的共性基础技术问题,通过在同一工作原理的两台仪器之间寻求可行的数学方法, 使得在一台仪器上建立的模型能够应用于另外一台仪器样品光谱响应的预测,对近红外技术的实际应用具有重要意义。以150份烤烟作为试验样品,以两台布鲁克公司MPA近红外光谱仪,一台热电公司Antaris近红外光谱仪作为研究对象,通过积分球漫反射检测技术获得光谱数据。采用一阶导数(first-order derivative,1st Der)和标准正态变量变换(standard normal variate, SNV)对光谱数据进行处理分析,计算不同仪器间光谱的残差值、残差一阶矩、残差信号概率密度和最大信噪比等参数,并采用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)建立烤烟总糖含量数学模型,检验模型传递效果。结果表明,一阶导数具有降低残差一阶矩,将仪器偏差信号转换为标准高斯分布的优点,但同时会降低信噪比。标准正态变量变换同样可以降低一阶矩,同时可大幅度提高信噪比,但无法将仪器偏差信号转换为标准高斯分布,需要进一步的信号处理。一阶导数与SNV相结合可保留两种方法的优点,同时在一定程度上弥补每种方法单独处理的缺点,是一种可以消除以积分球漫反射作为光谱测量方式的因仪器厂家或型号不同、使用年限不同等原因所产生的噪声的处理方法,可实现傅里叶型近红外光谱仪之间的模型传递效果的明显改善。     

近红外光谱和多分类器融合的葡萄酒品种判别研究

将多种单分类器模型融合,并用融合后的模型对不同品种干红葡萄酒进行判别分析。用BRUKER MPA傅里叶变换型近红外光谱仪采集170个干红葡萄酒样品的近红外透射光谱,选取PLS-DA,SVM,Fisher和AdaBoost作为单分类器建模方法,分别建立葡萄酒品种判别模型,通过差异性度量值对单分类器进行筛选,得到差异性较大的四个单分类器作为基分类器,其中基分类器对测试集葡萄酒品种判别准确率最高为88.24%,最低为81.18%。然后通过加权投票机制对基分类器进行融合,融合后的模型对测试集葡萄酒品种判别准确率提高至92.94%,误判样品个数由单分类器最少的9个降为6个。实验结果表明多分类器融合所建立的模型优于传统近红外光谱定性分析一般采用单分类器模型结果,提高了葡萄酒品种判别的准确性,采用基于近红外光谱的多分类融合方法对葡萄酒种类判定具有可行性。     

4.1μm高功率中红外内腔光参量振荡器

提出了一种紧凑型、声光调Q、高功率的4.1μm中红外内腔式氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡激光系统.基于内腔单谐振光参量振荡器动力学模型,对内腔光参量振荡器的阈值倍数及下转换效率的影响因素进行分析,提出实验中对光参量振荡阈值调节的办法,优化了大功率情况下光参量振荡的下转换效率.引入共振泵浦与单端键合晶体方式提高了大功率泵浦的热稳定性.基于光场传输理论与谐振腔稳定性理论,并考虑增益介质热效应,数值模拟了大功率泵浦注入时腔内基频光、信号光及闲频光的三波光场模式匹配,以确保光参量振荡器在高功率下稳定运转.对光参量振荡阈值进行调节,提高了参量光的下转换效率,最终得到4.125μm的中红外高重频脉冲瓦级激光输出,激光重复频率1～100kHz可调,脉冲宽度小于9ns,最高单脉冲能量36.7J,最高峰值功率4.257kW,最高输出功率为1.12 W,其对应的下转换效率为29.7%,最大光光转换效率为4.26%.     

基于多周期MgO∶PPLN的内腔宽调谐连续中红外光参量振荡器

报道了一种内腔光参量振荡器,该器件通过改变多通道MgO∶PPLN极化晶体的极化周期和温度,可以快速实现3.2~4.1μm中红外参量光可调谐连续输出.采用1.064μm谐振腔与多光参量振荡腔折叠型复合结构,考虑晶体热效应及宽范围调谐参量光振荡过程中光斑模式匹配,通过对两个子腔谐振结构的数值模拟分析,确定最佳腔型结构参数.基于该谐振腔结构,实验研究了多周期MgO∶PPLN晶体的温度和极化周期对参量光波长的影响,实验中克服了MgO∶PPLN晶体在3.8~4.1μm中红外波段较为严重的本征吸收以及量子亏损导致的效率降低问题,获得2.78~4.18μm中红外激光连续调谐输出,调谐范围达1.399μm.在3.2μm、3.5μm、3.8μm、4.1μm四个典型波长下实现了参量光输出,功率分别为1.72W、1.39W、0.79W和0.442W,对应转化效率分别为7.17%、5.4%、3.1和1.84%.     

基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

脯氨酰胺衍生的新型噻吩-叔胺手性N-氧化物的合成

叔胺手性N-氧化物配体的结构多样性合成对金属不对称催化反应具有重要意义。为了拓展手性N-氧化物配体的化学空间,以光学纯的脯氨酰胺或羟脯氨酰胺(1)与各种取代的噻吩-2-甲醛(2)发生缩合环化反应,生成缩合的中间体(3),然后中间体(3)中的氮原子在氧化剂m-CPBA(间氯过氧苯甲酸)的作用下发生N-氧化反应,室温下合成了10个新型噻吩-叔胺手性N-氧化物(4a～4j),总产率41%～57%,dr值为18/1～>20/1,其结构经¹H NMR,¹³C NMR和HR-MS(ESI-TOF)表征。该类手性N-氧化物以L-脯氨酰胺或羟脯氨酰胺作为手性源制备,今后可以为金属不对称催化提供新配体筛选。     

基于脯氨酸的新型手性叔胺N-氧化物合成

叔胺衍生的N-氧化物配体的结构多样性合成仍然是不对称催化领域最重要的课题之一。以光学纯的脯氨酰胺或羟脯氨酰胺1与各种取代的吡啶-2-甲醛2发生缩合环化反应，生成中间体3,然后中间体3中的氮原子在氧化剂m-CPBA(间氯过氧苯甲酸)的作用下发生氧化反应，合成了24个新型手性叔胺氮氧化合物4aa～4bk,总产率43%～58%,dr值为10/1～>20/1,其结构经¹H NMR,¹³C NMR和HR-MS(ESI-TOF)表征，化合物4ai的绝对构型(3S, 4R, 7aS)通过单晶X-射线衍射进行了进一步确定。该类化合物以L-脯氨酸衍生物作为手性源制备了手性N-氧化物，今后可以为金属不对称催化提供新配体筛选。