土壤中机油激光诱导荧光信号随激发光能量变化的特性研究

石油的勘探开发遍布我国各地区,其产品的应用与工农业生产和人民日常生活密不可分。石油及石油制品在使用过程中泄漏到土壤中不断累积,会破坏生态环境。激光诱导荧光(LIF)是检测土壤中石油烃类有机污染物的重要方法。激光脉冲能量是LIF的重要实验参数,对检测灵敏度,稳定性有显著影响。为探究土壤中石油烃的激光诱导荧光信号随激发光脉冲能量变化的特性,以机油为例,在实验室制备了机油浓度为0.5%～6%的土壤样品,使用Nd∶YAG激光器作为激发光源,通过改变266 nm激光的脉冲能量,获取不同能量密度下油污土壤的荧光光谱。实验结果表明,土壤和土壤中机油的荧光光谱强度随激光脉冲能量的增加而增加,但增加到一定程度后增幅明显减小。原因是虽然激光能量密度逐渐增强荧光强度也在增强,土壤中单位面积的有机物含量有限,部分有机质已经被光解,有机物被激发的荧光趋于饱和。在适当的能量密度下,土壤中机油的荧光强度与其浓度有良好线性关系。实验发现,随着激光能量密度的减小, LIF系统测量机油的平均相对误差先减小后增大,其原因是,当激光能量密度小于一定范围时,信号的信噪比随之减小,因此测量的平均相对误差逐渐增大;当激光能量密度大于一定范围时,虽然信号的信噪比随之增大,但已经逐渐超出系统最佳的测量范围,所以测量的平均相对误差逐渐增大。当激光能量密度在2.4～4.0 mJ·cm~(-2)时,土壤中机油的荧光强度随激光脉冲能量密度线性增强,且对机油浓度的测量误差均小于2.5%,检测限在200～300 mg·kg~(-1)之间。当能量密度大于4.0mJ·cm~(-2)时,机油的荧光强度增幅显著降低,测量误差也随之增大。因此,兼顾LIF测量土壤中机油的平均相对误差和测量检测限,激光脉冲能量选择2.4～4.0 mJ·cm~(-2)较优。所述方法也可扩展其他土壤中石油烃荧光信号检测。     

基于迭代逼近算法的土壤中机油和柴油混合物荧光信号重叠特性研究（英文）

随着我国经济的迅速发展,石油制品需求量与日俱增,伴随着工农业生产活动,大量石油制品进入土壤,造成严重的土壤石油污染。土壤中的石油污染物会对植物生长产生危害,并通过食物链威胁人类健康,因此需对土壤中的石油污染物进行现场、快速检测。激光诱导荧光技术(Laser-Induced fluorescence, LIF)具有检测速度快、灵敏度高、可现场检测等优点,但在检测土壤中有机污染物时,面临着荧光光谱重叠严重等问题。为了研究土壤中机油和柴油混合物荧光信号的重叠特性,制备了10种含有不同浓度机油、柴油混合物的土壤样品。通过搭建LIF实验系统,获取不同混合浓度的机油和柴油的荧光光谱,对油类荧光光谱进行了最大值归一化处理,建立土壤中机油、柴油混合光谱的反演关系,以最小残差平方和为指标,使用迭代逼近算法计算出土壤荧光光谱中柴油和机油样品的荧光贡献率。分别使用了全谱法和截取特征光谱两种方法计算机油和柴油的荧光贡献率。全谱法是在混合油样的全波段光谱(200~600 nm)范围进行迭代逼近,截取特征光谱方法是在截取油样光谱(330~460 nm)段进行迭代逼近。(330~460 nm)范围内包含了混合油样的所有光谱特征。用计算出的机油的荧光贡献率与机油样品浓度做线性拟合时发现,截取特征光谱法的拟合系数R为0.989,优于全谱法的0.923。分别用全谱法、截取特征光谱法计算出的荧光贡献率以及归一化机油、柴油光谱合成混合油归一化光谱,与实际归一化混合光谱比较,截取特征光谱法计算的平均相对误差为3.38%,优于全谱的8.79%,其原因是全谱法比截取特征光谱法引入了更多的噪声信号,所以在计算油类荧光贡献率时产生了较大的误差。选取机油和柴油归一化光谱上300, 350, 400, 450和500 nm等5个位置的荧光强度与归一化混合油光谱做多元线性回归拟合,计算出平均相对误差为10.31%。结果表明截取特征光谱方法优于多元线性回归方法;土壤中机油和柴油的荧光贡献率与自身的浓度之间成良好的线性关系,说明在土壤中机油和柴油混合后各自的化学性质保持稳定,在土壤中的荧光信号重叠特性是线性叠加的。这种这种方法同样可以用于其他石油类混合物的解离。通过该研究提高了LIF技术在土壤中石油烃类污染物定性与定量检测的准确性。为土壤中石油烃现场快速检测提供了方法支撑。     

紫外诱导荧光的土壤石油烃类污染物原位检测技术

石油烃类污染物进入土壤后会随着时间逐步迁移到土壤深层。传统的土壤石油烃检测方法因自身的局限性,无法及时快速地检测深层土壤中的石油烃质量分数。为快速检测深层土壤中的石油烃类污染物,提出了一种基于紫外诱导荧光的石油烃原位检测技术,利用280 nm的深紫外发光二极管（LED）作为激发光源、光电倍增管（PMT）作为信号检测器完成对土壤中石油烃质量分数的探测。实验结果表明,该检测技术能够实现对不同土壤类型（红壤、黄壤、黑土和湖底淤泥土）中各类机油（汽油机油、柴油机油和空压机油）的定量检测,检测结果的平均相对误差（RE）小于10.00%,平均相对标准偏差（RSD）小于4.00%,土壤中各类石油烃的检出限均小于136 mg/kg,完成单个样本测量仅需2.0 s。     

基于数字微镜器件的数字线扫描荧光显微成像技术

在激光扫描共聚焦显微镜的基础上,线扫描荧光显微术利用线扫描代替点扫描,提升图像获取速度,具有系统结构简单、成像速度快、光毒性弱、更适合于活体厚样品的高分辨快速成像,对于生命科学和生物医学等领域的研究具有重要的意义.然而,目前的线扫描显微技术在系统灵活性、成像速度、分辨率和光学层析能力等方面仍面临着许多亟需解决的问题.因此,本文提出一种基于数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)的数字线扫描荧光显微(digital line-scanning fluorescence microscopy, DLSFM)成像方法和系统,在照明光路中引入高速空间光调制器DMD实现多线并行扫描激发,简化光学系统,提升系统灵活性和扫描速度;提出基于荧光信号标准差的DLSFM图像重构算法,结合三维Landweber解卷积算法实现了三维高分辨光切片图像重构.在此基础上,利用搭建DLSFM开展了荧光珠和老鼠肾切片标准样品的成像实验,实验结果表明, DLSFM具有快速三维高分辨层析成像能力.     

双光子阵列点激发同时多维荧光信息的处理

五维同时荧光信息显微成像方法是一种新的荧光信息获取技术，它采用了双光子阵列点激发方式.这一方法可同时获取激发阵列点每点荧光的位置信息、荧光光谱信息和荧光寿命信息，弥补了现有荧光检测技术的不同功能信息不具有同时性的缺陷.给出了从这种技术的复合信息中提取复合光谱几何强度结构图像、不同光谱几何强度结构图像、不同光谱寿命图像的方法.提出了一种激发荧光强度修正系数矩阵方法，消除阵列点激发光强不均匀对激发荧光强弱产生的不利影响，取得明显效果.实验对实际样品做了数据采集和处理，给出图像结果，表明处理的效果良好.对存在的问题也作了讨论. 关键词： 荧光信息处理 双光子 荧光光谱 荧光寿命     

融合拉曼散射光和荧光信号反演海面溢油厚度的算法研究

随着海洋溢油问题的日益严重,多种遥感技术被用于海面溢油监测,其中激光诱导荧光(LIF)技术是目前被认为最有效的海面溢油探测技术之一。Hoge等基于LIF技术提出了一种利用拉曼散射光评估薄油膜厚度的积分反演算法并广泛应用于海面溢油探测,针对该算法存在误差较大的问题,提出一种融合拉曼散射光和荧光信号评估海面溢油厚度的反演算法。首先利用拉曼散射光信号反演油膜厚度,然后利用该反演结果计算获取溢油油品的荧光特征光谱,最后利用荧光信号反演油膜厚度。文中推导了利用荧光信号反演油膜厚度的算法,给出了油品荧光特征光谱的逼近算法,并给出了利用荧光信号反演油膜厚度的误差分析。通过实验对该方法进行了验证,选用原油和柴油为实验油品,以波长405 nm的激光作为激发光源,采集波长范围为420～700 nm,采集了海水的背景荧光和拉曼散射光信号、实验油品2,5,10和20 μm等不同厚度油膜的光谱信号。将采集数据分为训练集和测试集,利用训练集数据采用梯度下降法获取油品的荧光特征光谱,利用测试集数据分别采用积分拉曼法和该方法反演油膜厚度。采用积分拉曼法,原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为12.6%,4.6%,4.4%和2.3%,柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为14.0%,7.0%,4.2%和3.6%;采用本文方法,原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为2.5%,2.2%,1.2%和1.1%,柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为3.0%,2.4%,2.7%和1.6%。实验结果表明,2 μm油膜反演结果的误差降低最多,原油和柴油2 μm油膜的反演结果误差分别由12.6%和14.0%降低为2.5%和3.0%,其他厚度油膜反演结果的误差也有较大程度的降低,油膜厚度反演结果的误差均小于3%,采用本文算法可以有效提高油膜厚度反演结果的精度。     

高焓流场氧原子激光诱导荧光技术初步研究

基于双光子吸收激光诱导荧光(TALIF)技术,在纯净的高焓流场环境中,将脉冲激光从垂直于流场方向射入流场,并通过布置在风洞试验段外与流场和激光形成的平面向垂直方向上的ICCD测量获取到了二维氧原子的荧光信号,该信号可以反映氧原子相对浓度。为保证实验中使用到的激发激光波长为最佳激发波长,分别对氧原子基态处在不同角量子数的情况进行了测试,最终确定J=2时,波长为225.584 nm为最终实验激发波长,为了保证所获取的氧原子荧光信号在非饱和线性区,在同种状态下,将激发激光能量从小到大调整并进行荧光信号的测试,获取了激光能量在3.4 mJ以下的线性区域。为确保获取清晰对比度最优的ICCD荧光图像,选择了Nikon f=105 mm F/2.8镜头为实验测试镜头, 同时将50次曝光的累计结果作为图像输出。对所获取的荧光图像进行分析,实验结果可以清晰地看到超声速流场中压缩波形成的距中心线约±50 mm位置处左右各一个的小峰,亚声速流场中中心处氧原子浓度有一个约60 mm宽的均匀区域,区域以外氧原子浓度急剧下降,这些结果符合实验风洞特性,此测试方法可以很好地运用到流场测量中。     

多重定量PCR系统中多色荧光检测和光谱串扰校正方法

多色荧光的激发检测光路是多重定量聚合酶链式反应(PCR)系统的核心组成部分。根据系统对荧光激发的均一性、荧光检测的时间和灵敏度需求,提出一种基于磁光开关和光电倍增管(PMT)的多色荧光激发检测光路。通过四色LED单独激发和PMT检测来提高灵敏度;利用磁光效应实现光路的电控切换,配合一维扫描机构和滤光片切换装置,完成96孔标准PCR板的四色荧光扫描。该设计避免了多色荧光光路的系统串扰。由于荧光染料本身光谱特性产生的荧光光谱串扰是通过标准迭代的四维聚类分析算法计算串扰矩阵,并通过4种常用染料的实验研究,对所建荧光检测系统进行荧光光谱串扰评估。     

面向XRF的竞争性自适应重加权算法和粒子群优化的支持向量机定量分析研究

研究高效、准确、便捷的土壤重金属检测方法对于了解土壤的污染状况以及开展污染防治工作具有重要的意义。由于X射线荧光光谱分析(XRF)技术具备快速、准确、无损检测、样品制备简单等优势，在土壤重元素定量检测获得广泛应用。XRF仪器测试标准样品的荧光光谱并建立校准曲线，通过反演计算得到待测样品的元素含量。由于样品元素间存在基体效应，以及荧光谱特征峰存在叠加干扰，未经优化的校准曲线的线性度较差，这给反演计算来困难。为了解决上述问题，分别利用小波变换、非对称加权惩罚最小二乘法(arPLS)对光谱进行去噪和扣除本底基线，提高校准曲线的决定系数(R²)；运用竞争性自适应重加权算法(CARS)，针对不同目标元素优化变量选取；进一步地，基于选取的变量建立粒子群算法(PSO)优化的支持向量机回归(SVR)模型，并通过该模型反演计算各元素含量，提高定量分析的准确度和预测的泛化能力。实验结果显示，经过小波去噪和arPLS本底扣除后的校准曲线的决定系数(R²)有明显提升，Cr、Cu、Zn、As、Pb分别从0.965、0.979、0.971、0.794、0.915提高为0...     

基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法

针对传统的基于超声信号的高铁钢轨无损检测方法对于表面微裂纹检测效果不佳的问题,提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法.首先,使用有限元及K-wave方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号;然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建,并研究了不同传感器中心频率对成像结果的影响;最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析.实验结果表明,基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法对于表面微裂纹有很好的检测效果,该方法在钢轨探伤领域有较大的可行性及发展潜力.     

细菌自体荧光检测装置的研究与设计

细菌感染会造成伤口愈合延迟，增加患者和医疗卫生系统的负担，因此非常需要对伤口细菌进行及时检测和适当的处理。基于细菌自发荧光原理，设计了一种对伤口常见细菌快速检测成像的系统，可用于辅助识别伤口细菌负荷和判断感染情况，无需采样培养或染色鉴定。使用智能手机采集细菌荧光图像，以405 nm LED作为细菌激发光源，配合荧光图像信息提取和定量算法能够快速识别提取图像上的感兴趣区域并对荧光信号进行量化，定位细菌荧光信号区域。梯度浓度实验证实了荧光强度与细菌浓度高度相关，荧光强度与浓度之间存在线性关系，随着细菌浓度的降低，荧光信号强度呈下降趋势，系统最小检测限约为10⁵ CFU/mL。与传统细菌检测方法相比，本装置具有操作简单、检测速度快、成本低等特点，为伤口细菌检测提供了一种新的手段。     

基于最小二乘法和支持向量机的海洋内孤立波传播速度反演模型

传播速度是内孤立波的重要参数之一,如何通过光学遥感图像准确快速地获得内孤立波速度是目前需要解决的重要科学问题.本文在实验室建立了模拟内孤立波光学遥感成像系统,开展了系列综合实验,获取实验数据库,并利用最小二乘法和支持向量机两种方法分别建立基于单景光学遥感图像的内孤立波速度反演模型.利用中国南海的MODIS图像和GF-4图像数据对速度反演模型进行精度检验.研究结果表明:最小二乘法内孤立波速度反演模型能够给出回归方程,物理意义更为直观,且在300—399 m水深范围精度更高,而支持向量机内孤立波速度反演模型在水深400—1200 m和83—299 m的范围内精度高.因此两种内孤立波速度反演模型各有优势,都可以应用于真实海洋中内孤立波速度的反演.     

多色双光子激发荧光显微技术实验研究

双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)显微是一种非线性光学显微技术, 具有高的时间分辨率和空间分辨率、高的信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点. 传统的TPEF显微一般采用波长可调谐的超短脉冲激光器作为光源. 在实际应用中, 利用TPEF显微技术研究含有多种荧光团或未知成分的待测样品, 往往需要多次改变激发光的波长以获得对各种荧光团的最佳激发. 为了同时获取不同荧光团的荧光信号, 利用超连续谱激光光源实现了多色TPEF显微成像, 实验中无需调节波长, 能够同时获得具有两种不同发射波长的荧光标记的铃兰根茎切片样品的TPEF图像. 实验结果表明, 与传统的TPEF显微相比, 该方法能够同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度TPEF图像, 具有系统结构简单、操作简便、信息量大等优点, 在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景.     

激光诱导植物荧光寿命校正技术及其特性分析

激光诱导植物荧光寿命测量法是在植物荧光光谱分析法基础上开发的一种评估植物生长状况及环境监测的新技术。根据植物叶绿素荧光信号的物理特性,利用信息仿真技术开发了一种叶绿素荧光寿命校正方法,可提高植物叶绿素荧光寿命的测量精度。利用激光诱导叶绿素荧光寿命测量系统分别测得叶绿素荧光及其背景信号,先用解卷积法叶绿素荧光信号中分离出荧光衰减函数,可获取荧光寿命估计值。再结合叶绿素荧光寿命校正技术就能反演得到高精度的植物荧光寿命。仿真与实验结果表明：该方法可实现高精度的植物荧光寿命实时监测;并对不同含量的叶绿素提取液进行了测试,构建了植物荧光寿命与叶绿素含量的对应关系模型。未来该技术可用于遥感监测海洋、湖泊、河流中藻类植物的生物含量。     

基于小波变换的干涉光谱信号检测与校正方法

傅里叶变换光谱仪通过获取待测光的干涉信号来反演光谱信息,是重要的光谱测试与分析仪器。受光电探测电路不稳定、干涉模块装调不到位等因素的影响,傅里叶变换光谱仪获得的干涉光谱信号会出现漏采点、过饱和点、噪声点等无效数据点,导致反演的光谱信号出现失真。为此,研究了一种基于小波变换的干涉光谱信号检测方法,该方法能够快速有效地定位干涉信号中多种无效数据点的位置;在此基础上,研究了干涉光谱信号的校正方法,根据无效点所在区间段的信号特征,通过样条插值方法进行数据拟合,校正干涉光谱信号。通过仿真验证了本方法的可行性;搭建了近红外波段傅里叶变换光谱实验系统,并基于该系统进行验证性实验,对获得的干涉信号进行检测与校正,提高了反演光谱信号的准确性。     

基于CCD器件的农药荧光检测系统的研究

根据一些有机农药受到紫外光激发能够发出荧光的光谱特性,设计了基于荧光分析的农药浓度检测装置。系统以脉冲氙灯为激发光源,采用光纤进行传输和探测荧光,利用CCD线阵实现了光电信号的转换,设计了相应的弱信号处理电路,并由微机进行存储和显示。利用该系统实现了对西维因农药的荧光光谱特性的检测。实验结果表明,在激发波长319nm、荧光波长647nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L,西维因浓度范围在0~120.0μg/L之间时系统具有较好线性关系,线性相关系数r为0.9996(S/N=5)。该系统能满足荧光测量的需要。     

基于激光诱导荧光的油类污染物检测系统研究

油类污染物具有破坏海洋生态系统和间接污染大气及土壤的危害,快速、准确地检测污染物的成分及其浓度具有重要意义。由于油类污染物光谱重叠严重,因此难以通过传统荧光分析准确加以区分。本文基于激光诱导荧光技术,以氙灯作为激发光设计荧光光谱检测系统,并对0#柴油、92#汽油和煤油进行扫描和检测,从而获得激发/发射光谱以及最佳激发/发射波长。并对该系统的软件算法部分进行改进,运用Savitzky-Golay卷积平滑直接获得更加精确的激发/发射光谱,更能全面、准确地反映油类物质的荧光特性信息。并与传统的荧光光谱仪得到的光谱图进行对比,经实验验证激光诱导荧光技术的荧光光谱检测系统的有效性,对油类污染物的荧光光谱信号的检测具有更高的灵敏度。     

煤油燃烧场主要组分浓度测量

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统,测量了空气中主要组分的摩尔分数,分析了该技术的测量精度;测量了煤油蒸气在355nm激光激励下产生的荧光光谱,分析了荧光信号对拉曼信号的干扰;对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2,O2,H2O,CO2等)的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。     

地面核磁偏共振响应特征与复包络反演方法

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)方法在地下水探测领域具有直接、定量和解释唯一等优势,但是由于地磁场存在不均匀、随时间变化和易受噪声影响等难以确定的问题,导致偏共振激发,严重影响反演结果的准确性.本文基于地面核磁偏共振(surface nuclear magnetic off-resonance,SNMOR)模型和相应的核函数表达式,讨论了频率偏量对偏共振信号的影响,并提出了基于系统相位自动搜索和信号实部与虚部同时参与的复包络反演方法.通过仿真模型和反演结果对比得到:偏共振信号相位随频率的增加而增大,仿真模型中的信号幅度最大提高了65.9%;当频率偏量大于2 Hz时,利用SNMOR核函数的反演结果的准确度明显优于SNMR核函数的结果;当噪声较大时,复包络方法充分利用测量数据的有用信息,比常规幅度反演具有更高的稳定性和可靠性.最后,通过野外实测数据和反演结果,验证了本文提出的SNMOR模型和复包络反演方法的有效性和准确性,为地下水探测领域提供了新的技术手段.     

基于野外双向反射信息利用反射模型反演土壤含水量研究

为了分析土壤含水量对双向反射的影响以及反演土壤含水量,研究了基于野外实测多角度高光谱数据,获取了双向反射模型的参数,并且通过模型计算值反演土壤含水量。通过分析在3个波段以及不同角度反演的模型参数与含水量之间的关系,发现在不同角度利用模型反演土壤含水量的结果具有差异性;并且在865 nm处反演精度最稳定。这表明利用双向反射分布特性能够以较高的精度反演土壤含水量,同时也应该考虑方向反射对反演精度的影响。