基于微区LIBS菊石化石中钙元素分布的研究

化石的研究可帮助科学家了解生物的演化进程,并帮助地质学家确定地层年代等地质信息,其中不同年代地层地质元素的变化是地质研究的热门课题。为研究不同年代地层地质元素的变化,搭建了一套微区LIBS实验系统,研究菊石化石中Ca元素的分布情况。采用非对称最小二乘法去除光谱数据的基线,并确定了最优的拟合参数。采用平均值归一化算法以减小光谱强度的相对标准偏差,多元线性回归算法计算模型的回归方程。首先,通过前期实验确定微区LIBS实验系统的最佳测试参数：激光波长为1 064 nm,激光脉冲频率为30 Hz,光谱仪采集延时为700 ns。其次,选取12块经过定量标定的天然岩石样品,从中随机抽取9块样品（闪长岩、闪长玢岩、辉长辉绿岩、粗玄岩、碱长粗面岩、角闪闪长岩、黑色浮岩、斑状角闪石花岗岩、玄武玻璃）作为测试集,其余3块样品（辉石闪长岩、辉石岩、斜长花岗岩）作为预测集。选取Ca Ⅱ 393.186 nm,Ca Ⅰ 422.856 nm,Ca Ⅰ 445.572 nm,Ca Ⅱ 559.031 nm,Ca Ⅰ 616.61 nm五个特征峰的谱线强度作为自变量,测试样品的实际Ca元素含量为因变量,利用多元线性回归算法建立Ca元素的定量分析模型,经预测集检验后得平均预测精度为92.9%。对表面经打磨的菊石化石进行5×5点阵扫描,得到一系列原子光谱数据。根据Ca元素的定量分析模型,计算后得到菊石化石Ca元素的横向分布图,其横向分辨率优于100 μm。作为纵向对比,选取每个测试点的第6,11和16组光谱数据进行处理,分别得到Ca元素的横向分布图。对比可以得到菊石化石Ca元素的纵向分布情况,结果表明菊石化石在平面和空间内均呈现不均匀分布的状态, 推测实验所选取的菊石化石在形成的过程中所处周围地层地质的元素及其含量是动态变化的。菊石化石不仅可以作为判定地层年代的证据,还可以通过对菊石化石的元素分布及含量的研究推测该化石所处地层的元素信息。研究工作对于浅海地层地质的演变、环境的变化具有一定指导意义。     

基于植物油可见吸收光谱的相关系数鉴别特级初榨橄榄油

目前市场上的橄榄油品牌很多,质量参差不齐,亟需完善橄榄油的等级分类检测和特级初榨橄榄油的鉴别方法。可见吸收光谱光谱法可在不直接接触样品的情况下对样品进行无添加试剂的探测,因此为实现特级初榨橄榄油的鉴别,采用可见吸收光谱法对不同种类植物油进行了光谱测量。实验结果发现特级初榨橄榄油在500~780 nm波段内具有4个明显的吸收峰,而其他种类植物油在此波段内吸光度较弱或无吸收峰,且同种植物油不同品牌之间的光谱特征极其相似。采用相关系数比对不同种类植物油可见吸收光谱,分别计算了四个不同波长范围内植物油的可见吸收光谱的相关系数,实验发现不同波长范围内的植物油可见光谱相关系数差别较大。在520～700 nm范围内,特级初榨橄榄油间的光谱相关系数在0.999 6以上,特级初榨橄榄油与其他种类植物油的光谱相关系数均低于0.267 8,特级初榨橄榄油与其他等级橄榄油的光谱相关系数在0.194 6～0.835 8之间。研究结果表明可见吸收光谱相关系数法是一种快速非接触式鉴别特级初榨橄榄油的可行性方法。建立了一种特级初榨橄榄油快速鉴别方法,即可见吸收光谱相关系数法。该方法在特级初榨橄榄油的实际鉴别中具有一定的应用价值。     

LIBS与反向传播算法结合的橄榄石成分分析

LIBS是一项用于分析物质成分的有力手段，但是定量分析时存在结果不准确、重复性低等缺点。为了准确预测自然界中橄榄石的成分信息，通过按照自然界中的橄榄石的成分信息制作15组橄榄石样品，将其中的11组作为标准样品，另外4组作为测试样品进行LIBS定量分析。每个样本采50条LIBS光谱建立橄榄石的LIBS数据库。然后采用多元线性回归算法和反向传播算法对样本的50组数据进行分析，有效的降低了由于随机误差造成的测试结果的不准确。最终结果表明，使用激光诱导击穿光谱和反向传播算法对橄榄石中镁橄榄石与铁橄榄石含量进行检测，预测结果的决定系数为0.901，接近常规的多元线性回归算法得到的0.911，这说明反向传播算法对橄榄石含量的预测精度接近多元线性回归算法。同时使用反向传播算法得到的结果的均方根误差为28.64，优于后者的29.23，说明使用反向传播算法得到的结果分布更加集中。此外，通过分析关联矩阵中各数值的大小与各元素谱线的位置的对应关系，表明使用反向传播算法反演出来的关联矩阵F与之所代表的物理含义的相关性更高。说明反向传播运算不仅与传统的多元线性回归算法性能相当，而且在预测数据的一致性上表现得更好。此外使用反向传播算法可以直接对激光诱导击穿光谱得到的橄榄石全谱数据进行数据反演，而不需要经过光谱寻峰这一步骤，简化了数据分析流程，弥补了多元线性回归算法难以分析全谱数据的不足。     

基于红外反射光谱深空物质成分探测技术的研究

红外光谱技术是人类认识客观世界的重要途径之一,由于自然界中所有的物体均可作为红外辐射体,因此红外反射光谱可对目标物进行组分、表面纹理、粗糙度等信息探测。针对国家深空探测需求及火星探测发展计划,研究小组开展了矿物红外反射光谱探测的研究,实验选用9种国家标准岩石粉末并制成表面光滑的圆形靶材,并获取15~333μm红外反射光谱,为深空探测矿物资源开展了深入的光谱特性基础研究。为行星矿物资源及有机物分子的遥感探测建立理论及实验研究基础。     

基于远程LIBS-Raman光谱的火星矿物成分分析方法研究

实现了一套实验室环境下的LIBS-Raman测试系统的设计,并验证激光诱导击穿光谱技术（LIBS）和拉曼（Raman）光谱技术在火星模拟环境下矿物样品的综合检测能力。该系统使用卡塞格林望远镜结构进行远程的LIBS激发,使用旁路反射光路进行远程脉冲Raman光谱的激发,其激发光源的波长分别为1 064和532 nm。之后统一使用卡塞格林望远镜进行二者光谱信号的收集。为了充分模拟火星表面矿物所处的物理条件,设计与实现了一套气体腔体,通过将样品放置在气体舱中,可以实现对火星表面条件进行最大程度的模拟。为了验证使用该LIBS-Raman系统进行火星矿物分析的能力,利用8种典型矿物(孔雀石、蓝铜矿、雄黄、雌黄、文石、方解石、硬石膏和石膏等)样品展开实验分析。在这些样品中存在巨大的元素和分子成分上的差异,其中孔雀石、蓝铜矿分子具有不同的价态和原子比例;雄黄、雌黄分子的各原子的个数均不相同;文石、方解石虽具有相同的分子式,但是晶体结构明显不同;硬石膏和石膏矿物的差异则体现在其分子有无含有结晶水上。利用LIBS和Raman技术对这些差异性进行研究,以此来验证在火星条件下使用此组合仪器分析矿物种类和成分的有效性,并研究激光诱导击穿光谱技术和拉曼光谱技术在物质成分分析中的优缺点。实验结果表明,该系统可以在火星条件下有效分析矿物种类和成分。该对比实验还验证了在分析火星物质中的特定矿物元素组成这一问题上,LIBS技术可快速区分元素种类,但针对分子信息探测存在明显局限性;Raman光谱技术则可以在一定程度上对这种局限性进行补偿。二者结合将有效提高极端条件下具有不同分子组成和结构的矿物的识别效能。该系统的成功验证可为进一步火星探测计划提供有力补充,并对实验室建立有价值数据库提供帮助。     

橄榄油的聚集荧光猝灭及吸收光谱特性的研究

素有“液体黄金”之称的橄榄油已成为健康食用油的代名词,不仅身价陡增,而且在非产地市场也已成为一种畅销油。在橄榄油检测技术中光谱法与其他技术相比具有快速、无损、无样品处理等优势而备受关注,而不同的光谱检测方法在检测的物质成分上各有侧重,例如红外光谱法侧重于脂肪酸含量的检测、拉曼光谱法侧重于分子的检测、荧光光谱法侧重于光敏物质的检测以及吸收光谱法侧重于光敏物质和不饱和脂肪酸的检测等。荧光及吸收光谱对光敏物质反应极其灵敏,而橄榄油富含叶绿素等光敏物质,因此荧光及吸收光谱成为一种鉴别橄榄油的有效技术手段。叶绿素是一种含有环卟啉结构的有机分子,该类分子结构具有吸光特性,且不同的叶绿素吸收光谱各异,其中绿色植物的叶绿素a含量最多。为深入研究叶绿素的吸收光谱及荧光特性在橄榄油鉴别中的应用,将特级初榨橄榄油中掺入不同比例的玉米油,已达到间接调控橄榄油中叶绿素含量的目的,测量不同掺伪比例橄榄油的荧光及吸收光谱并研究与叶绿素浓度的相关性,以此来研究叶绿素浓度与掺伪量对橄榄油吸收光谱及荧光特性的影响。取10份同批次的特级初榨橄榄油,将其中9份按照等比例稀释,并对10份样品按照掺伪量依次排序;依次采集这10份样品的荧光及吸收光谱,比较叶绿素浓度与掺伪量的相关性及对这两种光谱技术在橄榄油鉴别中的影响。随着叶绿素浓度的上升,荧光强度由弱变强,并在某一时刻后会出现荧光强度急剧减弱的现象,即聚集荧光猝灭。这种现象主要是由于叶绿素的环卟啉分子结构引起的分子间π-π作用,使未被激发的低能分子与高能分子堆叠在一起,能量的辐射跃迁（荧光）也转变为分子间的能量转移（热能交换）。对于吸收光谱,随着叶绿素浓度的上升,吸收光谱的强度也逐渐增强。橄榄油中叶绿素吸收的能量主要去向包括镁电子辐射跃迁产生荧光以及分子间热能交换两部分,而橄榄油的吸收光谱并未出现类似于聚集荧光猝灭的现象,且吸收光谱强度与掺伪浓度间存在近似线性相关的关系。结果表明：当聚集荧光猝灭出现时,叶绿素吸收的能量仍然与浓度呈线性相关,此时高、低能分子堆叠引起的热能交换效率提高。     

基于超连续光谱特级初榨橄榄油的快速检测方法

特级初榨橄榄油作为一种冷榨植物油含有较为丰富的不饱和脂肪酸和多酚类化合物,其营养价值较高。目前,橄榄油的掺假问题是业界最严重的问题之一,中国对橄榄油的消费量与日俱增,国内橄榄油市场较为混乱,掺假造假现象层出不穷,从橄榄油的国外进口到国内二次包装都有可能存在人为干扰和品质造假,如果不加以有效监督和制止,对国民的健康和财产将造成严重损失。如果通过传统的化学分析方法获取所有成分信息势必会增加检测周期,不利于商品的快速流通,对生产厂商和消费者来说都是一种损失。为应对复杂多变的橄榄油掺伪技术及国内具备橄榄油检测资质机构不足的问题,提出一种基于超连续光谱特级初榨橄榄油的快速检测方法,为实现快速鉴别提供了可能性,研究选用特级初榨橄榄油、菜籽油、茶油、芝麻油、稻米油、葵花油、玉米油以及大豆油作为研究对象,分别采集每种植物油的超连续光谱并对初步光谱数据进行光谱预处理,最后计算了不同样本间超连续光谱的皮尔逊相关系数并以此作为特级初榨橄榄油判别的主要依据。实验结果显示不同样本特级初榨橄榄油间的超连续光谱的皮尔逊相关系数在0.901 1以上,而特级初榨橄榄油与其他种类植物油的超连续光谱的皮尔逊相关系数在0.172 2~0.899 0之间。研究表明以皮尔逊相关系数0.901 1作为判别特级初榨橄榄油与其他植物油的检测阈值,可实现快速实时的精准检测识别。该技术与分光光度计的吸收透射光谱相比,最大的优势在于采集周期短和光谱指纹特征丰富,周期短表现为光谱曝光采集时间仅为100 ms,光谱指纹特征丰富表现为除包含吸收光谱外还表现出各种荧光活性物质所特有的荧光光谱。除此之外,可将超连续谱光源应用推广到食品安全检测技术领域。该技术装置简单且易于推广对国内橄榄油的检测和市场规范具有一定的研究意义。     

温度、湿度及压强对激光在水中衰减特性的影响

从实验上研究了不同大气环境(温度、湿度、气压)条件下532 nm激光在水中的衰减特性. 实验结果显示大气环境对激光的衰减系数有着重要的影响. 衰减系数随大气压强的增加而减小, 随温度的增加而增加, 最大衰减系数出现在最高水温和最低气压条件下. 当气压低并且温度高时, 衰减系数最大, 最大衰减系数值是最小衰减系数的三倍.在实验测量的基础上, 详细分析了大气环境影响激光衰减特性的物理机理, 研究结果对分析布里渊激光雷达海洋遥感探测具有重要意义.     

超连续光谱细胞无损伤非侵入式检测技术的研究

中国在庞大的人口基数下拥有丰富的遗传资源,这些资源可能被国外非法掠夺以获取利益,非法掠夺的过程揭示可能存在一些安全隐患,例如传染疾病的扩散等。如何加强对中国公民遗传资源的保护,促进国际间正常合法的信息共享和科研合作已成为生物安全的新问题。为加强人体细胞及其制品等特殊生物物品出入境管理,防止遗传资源流失和有害物品传入,促进各个国家间医学科学研究及国际交流与合作,提出一种非侵入、快速安全的细胞光谱鉴别技术。简述了细胞超连续光谱的物理化学机制,讨论了细胞浓度对超连续光谱的影响,实现了无损伤、非侵入式探测提取生物细胞超连续特征光谱。实验发现细胞超连续特征光谱主要集中在500~700 nm的可见区域。实验中的细胞样本均为单独培养,因此各个样本间互不影响,不存在平行样本的问题;实验对象为293T细胞、HCC827细胞以及HT29细胞,3类细胞的培养基均为PBS溶液,每类细胞拥有3种浓度（5×105,5×106和5×107 cells·mL-1）且每种浓度下独立培养3个样本,一共获取27个独立细胞样本。实验测试了24个细胞样本的超连续光谱并以此建立预测模型,另有3个样本作为未知样本进行模型预判。使用主成分分析法对测试样本的原始数据进行降维和聚类,并对降维后的数据通过支持向量机回归法进行分类;训练集的均方根误差RMSE=0.097 2,R2=0.995 1,验证集的均方根误差为RMSE=0.097 2,R2=0.931 4。研究发现细胞浓度影响超连续特征光谱的提取,在建立模型时,考虑到该技术应用的普适性以及实验样本浓度参数有限,未考虑细胞浓度对预判模型识别率的影响。后期若以某一浓度阈值作为细胞检测的浓度起点,该模型的识别率将会更准确、科学。在可控的实验条件下,超连续光谱可以应用于生物细胞无损伤、非侵入式的鉴别。     

人全血的毛细管显微拉曼光谱分析

血液中含有众多生物信息,如激素、酶、抗体等丰富的蛋白质成分。通过对血液中众多生物信息进行检测鉴定可以起到对该血液种属判定、溯源的目的。因此,血液检测技术的发展在诸如刑事案件侦破、物种鉴定、疾症预防等领域具有重要意义。目前,传统血液检测手段多为显微观测、免疫法、DNA/基因检测法等,这些技术会对血液样本造成不可逆转的破坏性,且存在分析周期长、结构装置复杂、试验价格昂贵等问题。随着激光技术的发展,拉曼光谱技术作为一种非线性散射光谱技术,在血液检测技术中得到了应用。在血液检测技术中,拉曼光谱技术通常与共聚焦显微系统结合,对涂在载玻片上或盛放在透明容器中的血液样品进行光谱信号采集。该技术具有快速、无损等优势,但复杂的光路系统及昂贵的实验装置限制了该技术的广泛推广。为提出一种装置简单、操作简便的血液拉曼检测新技术,研究采用基于毛细管的显微拉曼技术方案采集并分析人全血的拉曼信号。血液样品通过毛细管的虹吸效应取样,与载玻片的涂样方式相比毛细管的方案具有模拟人血管、维持血液活性、减小空气对实验过程中血液成分的影响、降低激光对血液样品的灼伤效果等优势。为避开可见光部分荧光较强区域的荧光干扰,研究采用360 nm紫外激光器作为激发光源,防止可见荧光信号的干扰。积分时间设为800 ms,有效避免因激光长时间照射对血液样品的灼伤效果,影响实验数据的稳定性与真实性,光谱平均次数为2次,避免单次测量所带来的数据的不准确性影响。光谱扫描范围为500～1 800 cm-1, 结果表明此范围内可较好的避开可见光部分荧光较强区域的干扰。测得的拉曼光谱信号通过滤波去噪及基线校正进行处理。首先采用5阶离散小波变换滤波,进行1层信号分解,滤除高频噪声信号,保留低频有效信号,从而去除杂散信号,对光谱有效信号进行提取。其次,采用4阶多项式拟合扣除基底的基线校正,实现人全血的毛细管显微拉曼光谱峰值信号的提取。最终,通过查询SDBS数据库以及人血样本通过reishaw共聚焦显微拉曼光谱仪测量所得光谱图进行验证发现测得信号中部分为人体内数种氨基酸成分的拉曼信号。实验研究发现,基于毛细管的显微拉曼实验系统与常规拉曼探头实验系统相比,拉曼信号更稳定、重复性高,可有效提取人全血中的拉曼光谱信号, 而其与高精度的共聚焦显微拉曼系统相比价格便宜、结构简单、易于推广等优点,但信号信噪比、有效信号的峰值强度上仍有进一步的提升,是一种测量人全血拉曼信号的可行方案。