基于ATR-FTIR和PAC微损快速鉴别颜料层中的蛋白质粘合剂

相较于气相色谱-质谱(GC-MS)和高效液相色谱(HPLC),衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)能实现绘画颜料中蛋白质种类的“不分离即分析”,从而简化分析步骤和减小文物样品的消耗。这项研究验证了ATR-FTIR用于颜料中蛋白质种类鉴别的可行性。以石青和白垩为矿物颜料,牛奶、明胶和鸡蛋为蛋白质粘合剂制备了新鲜样品和经紫外光老化的模拟文物样品,运用二阶导数光谱和主成分分析建立了模式识别模型。结果表明模拟文物样品中蛋白质的种类能通过新鲜样品建立的模型进行识别。因此,ATR-FTIR在文化遗产领域中蛋白质种类的微损和快速鉴别具有巨大的潜力。     

微型近红外光谱技术快速鉴别霍山石斛种类（英文）

霍山石斛是一种非常珍贵的中药材,具有很高的商品价值和药用价值。不同种的霍山石斛具有不同的商品价格和药效作用,因此需要建立一种快速且绝对无损的方法来鉴别不同种的霍山石斛。该实验,采用微型近红外光谱仪MicroNIR 1700实现对来自于三个不同种的五个不同商品等级的霍山石斛鉴别研究。经光谱预处理、波段选择及主成分数优化后所建最佳SIMCA模型结果的识别率和拒绝率均达到100%,表明微型近红外光谱仪MicroNIR 1700能够成功实现对五类霍山石斛的快速及绝对无损鉴别。     

蛋白质跨膜传输的飞秒和频振动光谱快速实时监测（英文）

精确表征界面蛋白质结构与动力学行为是理解生物大分子功能及其与界面相互作用机制的核心.而其关键在于发展同时具有足够结构与时间分辨度的技术来捕捉界面蛋白质的动态结构变化.本文利用本小组最近发展的飞秒和频振动光谱系统来实时研究蛋白质跨膜传输过程.该系统实现目前文献报导中最快的和频光谱采谱速度.通过实时监控WALP23与DMPG双层膜作用过程中酰胺I和酰胺A的和频信号,发现WALP23最初以无规则卷曲结构吸附在凝胶相的DPMG双层膜表面.DMPG膜表面上WALP23的吸附,会导致膜表面电荷发生反转,从而改变膜界面水分子的取向.通过加热使DMPG由凝胶相转变为流动相后,WALP23以N端插入的方式实现跨膜过程.在跨膜过程中,WALP23结构由无规则卷曲转变为α-螺旋/回环混合结构,最后形成纯α-螺旋结构,同时引起DMPG膜的去水合作用.此系统可直接应用到其他界面快过程的表征工作,将有助于深入理解各种界面现象的本质.     

MEMS环形谐振器椭圆模态中的锚损分析（英文）

环形谐振器是微机电系统(MEMS)谐振器中典型结构之一。其中,椭圆模态是环形谐振器面内振动的一阶模态,也是使用最为普遍的模态。以降低谐振器振荡时的锚损为目标,以有限元分析为技术手段,采用能量法对环形谐振器锚点的几何尺寸进行定量分析。分析结果表明,与研究者普遍认为的观点相反,谐振器锚点振荡模态的激发并不有助于提高谐振器的Q值。     

基于红外三级鉴定与聚类分析法的党参快速鉴别研究（英文）

红外光谱因具有快速、无损的优点,特别适合于不同中药的鉴别研究。基于红外光谱和聚类分析法对两类党参(共49个样本)进行鉴别。结果表明:在一维红外光谱中,两者红外光谱图非常相似,仅在1 738和935cm-1处有细微的差异,说明两者化学组分基本一致。在二阶导数红外光谱中,显示了更多的红外指纹特征,特别是1 747,1 515,1 468,1 368,1 264,1 163,1 147,1 108和936cm-1等峰的指纹特征更加明显。进一步采用高分辨率的二维相关红外光谱对两类党参(纹党参和白条党参)进行鉴别,在1 510~1 170cm-1范围内,纹党参的自动峰和交叉峰形成明显的3×3矩阵,在1 459,1 298和1209cm-1处有三个强自动峰,其中1 209cm-1的自动峰强度最大;而白条党参仅在1 450cm-1处有1个强自动峰,其余1 340,1 260,1209cm-1等3个自动峰都极弱。此外,还采用K-means聚类分析技术对两类党参共49个样本进行快速分类研究,结果令人满意。因此,红外三级鉴定法结合K-means聚类分析技术在相似药物的鉴别中能起到重要的作用,且有利于确保药物临床治疗安全有效。     

基于可见光光谱高效鉴别玉米单倍体籽粒（英文）

单倍体技术已发展成为玉米遗传研究及现代玉米育种的重要技术之一,单倍体籽粒的鉴别筛选是其中的重要环节。目前单倍体籽粒主要是依赖于籽粒的R1-nj遗传标记通过人工肉眼观察颜色的有或无进行鉴别,费时费工。而且部分材料由于标记颜色很难从籽粒外部观察到,导致人工筛选准确率较低。基于可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法,探索利用可见光光谱鉴别玉米单倍体籽粒的可行性。同时,由于每季用于诱导单倍体的育种材料不尽相同,模型须能够鉴别未参加建模的材料的单倍体。本研究以9个遗传背景的单倍体和杂交籽粒共284粒作为试验材料,利用便携式紫外-可见光光纤光谱仪采集单个玉米籽粒的可见光漫透射光谱。光谱数据经平滑、矢量归一化预处理和主成分分析,基于支持向量机方法建立单倍体和杂交籽粒判别模型。每次选择1个背景的样本作为测试集,其余背景的样本作为建模集对模型进行交叉验证。模型交叉验证平均正确判别率达到92.06%。其中8次测试正确判别率在85%以上。结果表明利用可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法,并使模型可鉴别未参与建模材料的单倍体具有可行性。并且基于该方法有望建立玉米单倍体籽粒的自动化快速筛选系统,提高玉米单倍体育种效率。     

利用衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)技术快速筛选可降解苯酚菌株（英文）

苯酚是一种重要的化工原料并广泛存在于工业废水中,随着各国对苯酚生物毒性的认识,排放标准日益提高。生物法作为一种高效、低成本、不易二次污染的方法常用于含酚的废水处理。但是可降解苯酚的微生物筛选却是一个复杂繁琐的过程。衰减全反射傅里叶红外光谱(attenuated total reflection Fourier transform infrared,ATR-FTIR)技术是一种高效、快捷、高指纹特性的物理检测技术,主成分分析联用最小偏二乘法(principal component analysis-partial least squares,PCA-PLS)是一种有效提取特征指纹峰并建立模型的方法,该实验联合ATR-FTIR检测技术和PCA-PLS统计方法建立苯酚浓度与吸光度模型,可以快速检测固体培养基中底物浓度。实验建立模型判定系数可以达到99.5%,预测集的判定系数可以到达99.4%,说明模型具有较高的拟合性和推广性。通过模型可以预测出菌株降解后固体培养基底物浓度,筛选出可降解苯酚功能微生物,传统的液体培养并采用气相色谱检测残留苯酚浓度筛选出的结果与ATR-FTIR方法筛选出结果进行对比发现,得到相同的筛选结果。结果表明ATR-FTIR联合PCA-PLS建立高拟合度模型,可以快速检测固体培养基底物浓度,从而达到快速筛选可降解苯酚菌的目的,这种方法可以应用到其他有特征指纹峰的底物中,ATR-FTIR是一种可以广泛应用到功能微生物筛选的快速检测方法。     

基于分子光谱图像识别的食用油快速分类研究（英文）

分子光谱分析技术结合化学计量学已成为一种非常活跃的食用油鉴别方法。然而,当不同类型的样本之间的光谱差异极其微小时,利用传统的分类技术也很难将其分开。为了完成相似品种食用油的快速识别和分类,收集了包括芝麻油、玉米油、油菜籽油、调和油、葵花油、花生油、橄榄油七种食用油的衰减全反射红外光谱,在此基础上,采用图像识别的方法对七种食用油进行快速分类。在所提出的图像识别方法中,首先,将通过多元散射校正预处理后的红外光谱吸光度矩阵进行自相关运算,利用等高线原理根据吸光度强度值的不同生成光谱图像,以扩大的光谱差异并提高光谱可视化。然后,根据图像膨胀的原理找到光谱图像的局部特征点,将其作为图像特征。最后,使用BP神经网络对特征点进行训练和分类预测。为了对比所提出的方法,PCA-BP和KL-BP的方法被用于与图像识别的方法进行比较,实验结果表明,图像识别方法的正确识别率为94.4%,高于PCA-BP的66.7%和KL-BP的83.3%。所提方法为实现食用油的快速识别和检测提供了一条新的有效途径。     

基于微机电系统技术的高性能集成型微富集器（英文）

由于大部分环境样品的浓度非常低,为了实现其直接检测,提出将一种集成化的微型富集器应用到色谱系统中。富集器可实现色谱系统的进样与样品富集,能将色谱仪的检测限提高1~2个数量级。设计的富集器采用了高容量4平行通道结构,沟道内填充了高吸附率的Tenax-TA吸附材料,来实现对环境样品中挥发性有机化合物组分的富集。此外,为了密闭热解吸过程中所释放的组分,在微型富集器后集成了微型阀。试验结果表明,研制的微型富集器取得了15倍以上的富集因子。而且,通过微阀的控制,色谱峰的拖尾和峰展宽得到了有效的控制。因此,该微型富集器可广泛应用到环境样品的快速检测中,提高各检测器对复杂环境的适应能力。     

基于MCNP计算结果的快速物理插值方法（英文）

在核辐射科学研究中经常使用MCNP蒙卡计算程序,但其计算结果只是给定位置的物理量。为了快速获得计算点附近的感兴趣位置处的值,本研究建立了一种3点插值计算方法。首先分析了粒子在材料中输运的物理规律,给出了满足3点插值的空间范围,建立了插值计算模型。然后利用距离平方反比权重法,结合粒子衰减规律,推导了插值计算公式。最后设计了计算机程序,并用X射线屏蔽后注量的MCNP计算结果进行验证。通过和直接采用的距离平方反比权重法和克里金插值法对比,考虑物理作用机制的该计算方法精度更高,且误差在10%以内。     

基于自动线性拟合的快速拉曼基线校正算法（英文）

近年来拉曼光谱以其无创、灵敏度高等众多优点在化学表征、生物医药、材料等领域引起广泛关注,而基线漂移的存在为后续的定性定量分析带来严重困扰,因此设计高性能的基线校准算法以提高分析结果的有效性及准确性具有重要意义。针对传统算法在批量拉曼光谱数据基线校正方面的不足,基于自动线性拟合算法提出一种快速基线校正算法以校正具有相似背景的批量拉曼光谱数据并详细阐述了该算法的核心思想以及算法实现流程。该算法首先从批量拉曼光谱数据中自动选择一条拉曼光谱数据作为基准光谱,使用自动线性拟合算法对其进行基线校准得到其基线以及分段标记点,然后利用标记点快速计算出组内其他与基准光谱具有较高相关性的拉曼光谱数据的基线,对于组内与基准光谱相关性不满足阈值要求的拉曼光谱则使用自动线性拟合算法对其进行单独基线校正,这使得算法具有具有较强的鲁棒性,可以适应复杂的拉曼光谱基线校正情形。分别使用快速基线校正算法与单独基线校正算法对多组实际拉曼光谱数据进行基线校正以对比分析算法基线校正效果,结果表明该算法可以实现对批量拉曼光谱数据的快速校正,基线校正效果良好,并且相较于单独进行基线校正算法耗时减少了30%以上,算法无参,简单易行,无需额外人工干预,是一种切实可行的批量拉曼数据自动基线校正算法。     

飞秒纳秒脉冲激光微构造和掺杂单晶硅（英文）

在SF6气氛下,分别利用钛宝石飞秒脉冲激光与掺钕钇铝石榴石纳秒脉冲激光对单晶硅表面进行了微构造和重掺杂,以用于光伏材料。对制备的单晶硅表面微结构的形貌、结晶性和硫元素杂质含量与分布进行了研究。实验结果表明纳秒脉冲激光制备的单晶硅表面微结构的薄层电阻较小,缺陷密度较低(结晶性高),硫元素杂质含量较高且在表面分布的范围较广,深度较大(约1μm)。此外,材料的可见-近红外波段吸收率可接近80%。基于纳秒脉冲激光微构造的单晶硅的优异性能,在样品表面制备了有效光照面积达8cm2的太阳能电池。其中,最佳太阳能电池的串联电阻、开路电压、短路电流密度分别为0.5Ω,503mV,35mA/cm2,转换效率约12%。上述太阳能电池性能还可通过优化制备工艺进一步提高。     

基于太赫兹光谱技术与CS-SVM的转基因产品鉴别（英文）

提出了一种基于太赫兹(THz)光谱技术以及布谷鸟搜索(CS)算法优化支持向量机(SVM)的有效的转基因产品鉴别方法(CS-SVM)。实验采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测量了三种转基因大豆种子及其亲本样品在0.2~1.2THz波段的THz光谱,并采用SVM方法对转基因和非转基因大豆种子进行了分类鉴别研究,其中SVM的两个重要参数(惩罚因子和核参数)采用CS算法进行优化。实验结果表明,应用THz光谱技术结合CS-SVM方法为转基因和非转基因生物的检测和识别提供了一种快速、无损和可靠的分析方法。     

基于NOA73微球与SU-8微柱的微探针制作（英文）

集成紫外固化胶NOA73微球与SU-8微柱制造的亚毫米探针,可以作为关键部件应用于三坐标测量机。NOA73微球通过NOA73对其他溶液的界面张力形成,柱子由深紫外光穿过微球曝光SU-8形成。这种新技术利用甘油补偿NOA73与空气折射率差,使得紫外光透过NOA73微球后保持接近平行。最终得到高深宽比的探针结构,高度超过1 200μm,微柱侧壁与基底呈89°。     

电容式射频微机电系统开关损耗机制（英文）

插入损耗是射频微机电系统(RF MEMS)开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件,对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分:信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算,同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真,数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外,对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析,结果表明,高阻抗的衬底、200μm左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗,提高开关的射频性能。     

超小型带宽可调谐微环谐振腔（英文）

基于狭缝波导和热光学调制的耦合特性,提出一种尺寸为15μm×20μm的绝缘硅基底的超小型微环谐振器,该器件可通过调节加热器功率调节其带宽.用时域有限差分法模拟其可调谐特性,结果表明,当加热器功率从0mW增加至0.742mW时,1550nm入射光的TE模式在1 900nm波长下的带宽可调范围为2.5nm,TM模式在1 543nm波长处的带宽可调范围为3.1nm.该器件尺寸小、驱动功率低、可调谐带宽范围大,适用于动态集成光信号处理,如重构滤波和布线等.     

微球耐压性能的自动测量方法（英文）

空心微球具有广泛的应用,耐压性能是其重要特性之一。但人工测量劳动强度大且精度较差。提出一种基于图像检测的自动测量方法,可检测微球加压过程中的破损情况并记录压力值。首先,利用梯度霍夫变换定位微球,再通过Canny边缘检测提取微球轮廓信息,并减少环境因素对检测的影响。最后Hu不变矩被用来将加压中的微球图像与加压前图像进行匹配,当微球破损后,匹配结果超过阈值,判定微球失效。为证明方法的准确性和稳定性,搭建了实验平台,对不同直径的玻璃和塑料微球进行了加压实验。实验结果表明,微球破损的成功识别率几乎为100%,同时微球破损时的压力值也被准确地记录。     

基于二维相关光谱分析的纯棉与丝光棉制品鉴别分析（英文）

纯棉与丝光棉制品是日常生活中常用的两种纤维制品,但是由于二者在物理结构和化学结构上非常相似,以至于使用一些简单的方法难以准确识别一部分纯棉与丝光棉制品。提出一种使用水含量作为扰动的二维相关光谱结合机器学习方法来对二者进行鉴别的新方法。共使用从专业机构获得的200个标准样本来设计实验对新方法进行验证,其中包括100个纯棉样本与100个丝光棉样本。对每一个样本,使用水含量作为扰动,分4次改变样本水含量并采集该水含量下样本的一维光谱,其中4次的水含量分别为20.20%, 14.52%, 7.77%与0%。根据四条不同的一维构造每一个样本的动态光谱,再通过二维相关算法来计算其同步二维相关光谱,从该同步二维相关光谱中使用移动窗口技术提取三组不同的分类特征,每组特征分别对应一个设计好的支持向量机(SVM)分类器。之后本文提出一种基于信息熵的多分类器融合方法,根据权值不同,将三个分类器融合为一个具有更优效果的强分类器。为了验证方法的准确性与有效性,设计了严谨的实验对方法进行验证。实验首先按照传统的从一维光谱中提取特征的方法对纯棉与丝光棉样本进行鉴别,使用两种样本各50个来进行分类模型建立,剩余的进行模型验证,分类效果最高只有76%。但是基于从二维相关光谱中提取的三组特征设计的三个支持向量机(SVM)分类器的准确率分别可以达到88%, 90%, 88%,最后根据提出的基于信息熵的多分类器信息融合方法将三个分类器进行融合同一可以得到92%的分类准确率,比三个基础分类器准确率都有提升。与从一维光谱中提取特征并设计分类器进行分别鉴别相比,从二维相关光谱中提取特征设计多个分类器并使用基于信息熵的多分类器信息融合方法进行分类鉴别具有更高的分类准确率。二维相关光谱将光谱信息扩展到更高的维度,将一维光谱中隐藏的折叠峰进行展开,因此具有更高的分类准确率。提出的方法是一种快速准确鉴别纯棉与丝光棉制品的新方法。     

基于回音壁模式微球腔的PDH稳频技术（英文）

光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明:耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.     

微陀螺滑模控制器中的积分算法设计（英文）北大核心CSCD

为了去除不定积分环节产生的直流偏置项,提出了一种基于"一次移动平均法"的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合,计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置,将原积分信号减去该直流偏置,最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置,在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部,并去除集合首部的数值点,从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台,采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比,该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。