激光诱导水体频率上转换的荧光发射

用Nd：YAG的二倍频532 nm激光对几种不同水体的激光诱导荧光(LIF)光谱进行了测量,利用特征光谱荧光标记(SFS)技术指认出水体中溶解有机物(DOM)、叶绿素a(Chl a)及类胡萝卜素等物质的特征光谱带。指出在455 nm波长处具有较大强度的荧光峰是附属色素中抗氧化作用的类胡萝卜素(PPC)的贡献。提出了激光诱导PPC荧光频率上转换发射的动力学模型。     

激光诱导水体中DOM的荧光猝灭特性分析

以355 nm激光为激发光源,在实验室中用激光诱导荧光(LIF)方法以不同浓度的腐殖酸为测量样品研究了水体中溶解有机物(DOM)的荧光猝灭特性。研究表明,随着腐殖酸浓度的增加,水拉曼散射强度逐渐减弱,当浓度为40 mg·L-1时,水拉曼散射信号几乎完全被DOM的荧光基态分子所吸收,而DOM的荧光强度随着浓度的增加,先是线性增加,当浓度为16 mg·L-1时,荧光强度达到最大,再继续增加腐殖酸浓度,荧光强度则缓慢降低。因此,通过对不同浓度下腐殖酸荧光猝灭特性的分析,可以更加有效的实现水体中DOM浓度的探测。     

激光诱导荧光水体污染遥测数据定量分析方法

在紫外光的激发下,污染水体中的溶解有机物(DOM)会产生特定的荧光光谱,因此利用激光诱导荧光(LIF)可对水体中的溶解有机物的含量进行定量分析,从而可估计出水体富营养化的程度。提出了一种用于对水质遥测数据进行定量分析的方法,这是一种基于遗传算法(GA)的光谱分离算法。首先确定拉曼散射信号和溶解有机物的荧光在404nm波段的信号强度,然后再利用拉曼散射信号对DOM荧光光谱进行归一化处理。根据浓度校准曲线可得到水体中的溶解有机物的浓度。     

不同水体中溶解有机物的荧光光谱特性研究

用激光诱导荧光(laser induced fluorescence, LIF)方法对几种不同水体中溶解有机物(dissolved organic matter, DOM)的荧光光谱进行了测量和分析,给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系。结果表明, 可用此种方法进行有效的水体质量监测。     

水体中溶解有机物的荧光光谱特性分析

以355 nm激光为激发光源,在实验室中利用激光诱导荧光(LIF)方法对不同水体中溶解有机物(DOM)的荧光光谱进行了测量,并以最小二乘法-高斯拟合对水体荧光光谱进行了拟合,解卷积得出了水喇曼散射谱及DOM的荧光光谱.在改变激发光脉冲强度的条件下,以一定浓度腐殖酸溶液为测量样品分析了DOM的荧光饱和特性.结果表明,随着激发光功率密度的增加,水喇曼散射强度线性增加,而DOM的荧光强度随着激发光功率密度的增加先是线性增加,此时归一化荧光强度为一恒定值.当激发光功率密度大于55 mW/cm2时, 荧光强度增加缓慢,归一化荧光强度则逐渐降低.研究发现,在有机物浓度较高时,出现了激发态分子间的单重态-单重态猝灭,并且在低浓度情况下,随着有机物浓度的增加,出现了有机物荧光峰值强度位置的红移并伴有波形的展宽.     

利用特征光谱荧光标记与高斯拟合分析水体中有机物的特性

讨论了一种自然水体中有机物的快速分析方法,以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);利用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chl a)的荧光光谱进行了正确的指认和提取。以最小二乘法-Gaussian拟合对水体的TLS进行了拟合,可有效地分离出拉曼散射及荧光光谱,拟合的相关系数优于0.996 4。结果表明,通过在TLS中利用SFS技术正确的指认特定污染物,并以Gaussian拟合进行有效地提取,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。     

激光诱导荧光探测水体中溶解有机物浓度

用Nd∶YAG激光器的三倍频355 nm光作为激发光源,根据激光诱导荧光(LIF)方法激发并探测污染水体的荧光光谱.通过对荧光光谱的分析处理研究归一化荧光强度,即450 nm处水中溶解有机物(DOM)峰与405 nm处水的拉曼峰的比值,反演溶解有机物浓度.用商品腐殖酸和去离子水配置成已知浓度的溶液代替标准DOM溶液进行标定,得到回归方程.结果证明,DOM的归一化荧光强度与水体中DOM浓度有较好的线性关系,因此LIF方法是对大面积水域水质进行动态遥测的较理想方法.     

荧光光谱法检测水质COD时温度、浊度、pH的影响分析

以COD标准液为研究对象,基于特定激发波长下的荧光发射光谱数据,采用化学计量学算法对水质COD进行了检测,分析了水的温度、浊度和pH的变化对发射光谱的影响,并对相关参数的影响进行了补偿校正。在此基础上建立了多参量共同作用时对水质COD预测模型的补偿校正方法。首先采用荧光光谱法对浓度范围为1～55 mg·L-1水质化学需氧量(COD)标准溶液进行三维荧光光谱的采集,去除散射峰以后采用基于蚁群算法优化的偏最小二乘法(ACO-iPLS)对不同激发波长(Ex=255～285 nm,间隔为5 nm)下的荧光发射光谱(Em=275～450nm)数据进行特征提取并采用基于粒子群优化的最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)进行预测模型的建立。结果表明,不同激发波长下的荧光发射光谱数据模型的检验集决定系数R2_p在0.961 8～0.998 1范围内,当采用波长为Ex=270 nm的激发光作用时所激发出的荧光发射光谱数据所建模型的效果最优,其检验集决定系数R2_p=0.998 1,预测均方根误差RMSEP=0.348 3 mg·L-1。其次,对温度、浊度、pH对荧光光谱法检测水质COD的影响进行了分析,并给出了相应的补偿模型。结果表明,温度和浊度在检测水质COD时对荧光光谱的影响不可忽略,但通过建立补偿模型可以对其影响进行有效的补偿校正,温度补偿后荧光数据模型的整体平均偏差Bias=0.130 6 mg·L-1,经浊度补偿后可以很好的校正浊度变化对荧光光谱法检测水质COD的影响,而pH范围在4～12.3内变化时对荧光光谱的影响相对较小,因此可忽略。最后,结合单一影响因素的分析结果,对荧光光谱法检测水质COD时水体的多种环境因素(温度、浊度、pH)共同作用的影响进行了分析。实验结果表明,忽略pH影响后,可以采用对温度和浊度同时补偿的方法对二者的影响进行有效的校正。该结果可为水质参数光学传感器在调试过程中抑制环境因素的影响提供参考。     

水体的温度变化对测定溶解有机物浓度的影响

用激光诱导荧光(LIF)方法研究了水体的温度变化对溶解有机物(DOM)发射荧光强度的影响。随着温度的增加,DOM的荧光强度和水的拉曼散射强度不断降低。在20～75 ℃范围之内,对归一化荧光强度与温度关系曲线进行线性拟合,计算出归一化荧光强度随温度升高的变化梯度平均值为-5.24×10-4 ℃-1,根据归一化荧光强度与浓度的关系,给出了所测DOM的浓度随着温度升高的平均下降速率为-3.45×10-3 (mg·L-1)·℃-1。因此,在这一温度范围内测量时,假设归一化荧光强度不变,则温度变化将引起DOM浓度最大为8.45%的相对变化。     

SDS增溶DCM水溶液的荧光特性研究

研究了十二烷基硫酸钠(SDS) 增溶DCM水溶液的荧光光谱特性。随着SDS浓度的增加, DCM在水中的溶解度大大增加,荧光强度增强;当SDS浓度从0.025 mol·L-1增加到0.5 mol·L-1时,荧光峰值相对强度增强95倍。用532 nm激光激发SDS增溶DCM水溶液获得648 nm的强染料激光输出, 其波长相对于由DCM乙醇溶液获得的635 nm染料激光红移13 nm。利用该溶液荧光对苯的受激拉曼散射(SRS)Stokes波长选择增强。作为对比,用DCM乙醇溶液的荧光对苯受激拉曼散射进行选择增强,结果显示出二者对苯的二、三、四阶Stokes波均可产生放大,但前者最大放大波长位于第三阶Stokes线(632 nm)处,放大因子8.5,后者最大放大波长位于第二阶Stokes线(595 nm)处,放大因子为2.5。另外分析讨论了SDS增溶DCM水溶液和荧光增强的机制及其应用前景。     

特征荧光光谱法定量检测水质的研究

讨论了一种可同时检测自然水体中有机物和叶绿素a含量的快速分析方法。以武汉东湖水为样品,采用激光诱导荧光(LIF)的方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);并用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解的有机物(DOM)及叶绿素a (Chl-a)的荧光光谱特征进行了分析和指认。并利用水的拉曼散射信号强度进行归一化的方法,分别得到较低浓度腐殖酸和叶绿素a的特征光谱归一化荧光强度以及它们在水体中浓度的标定曲线和线性关系式。另外, 对于较高浓度的腐殖酸溶液,确定了其特征光谱的荧光强度与浓度之间满足的函数关系。结果表明,在一定的浓度范围内,特征光谱的荧光强度与浓度之间仍然有很好的线性关系。该方法在自然水体质量的检测方面有广泛的应用前景,它能快速识别水体中的污染物,定量测量它们在水体中的含量,实现对自然水体的质量状况进行大范围的实时动态监测。     

饱和激发下叶绿素荧光非线性变化及影响分析

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一,激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理,是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值（I_F/R）进行反演,即叶绿素浓度n_chl＝CI_F/R,其中C为系统常量。这是依据叶绿素荧光685 nm、水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。然而,该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。当诱导激光强度达到一定程度后,685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。另外,值得注意的是,水体Raman散射并不存在信号饱和现象。为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响,在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中,设计两种测量方案,即：不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量,和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。实验结果分为2部分进行讨论：（1）为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性,通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱,发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系,而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。而且,随叶绿素浓度的增加,685 nm荧光的非线性趋势更为明显,Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。数据分析表明,685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值,可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。（2）考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象,为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响,在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。将激发光功率调节至52.00,80.70,132.10和197.30 mW·cm-2,获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。实验表明,激发光强不变的情况下,685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值,与叶绿素浓度仍满足线性关系。但是,在较高光强激发时,饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化,导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。因此,需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正,其关系为I_F/R=n_chl/C+C_F,修正值C_F不可忽略。另外,值得一提的是,修正关系中系统常量C随激发光强增加而增大。研究表明,饱和激发造成的荧光非线性,会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响,但由于造成荧光非线性因素的复杂性,仅通过荧光数据拟合获得的多项式,无法定量说明其影响权重。然而,当激发光强不变时,可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系,从而准确反演叶绿素浓度。     

用特征光谱荧光标记技术分析水中溶解有机物特性

讨论了一种自然水体中有机物的快速诊断分析方法。介绍了总荧光光谱(TLS)和特征光谱荧光标记(SFS)技术;以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱,利用特征光谱荧光标记技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chla)进行了分析,并给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系曲线．结果表明,利用特征光谱荧光标记技术对水体总荧光光谱的分析,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。     

水体中溶解有机物激光诱导荧光光谱分析方法

讨论了用激光诱导荧光(LIF)的方法分析水体中溶解有机物(DOM)的含量,利用拉曼散射信号对荧光光谱进行归一化处理,消除激发光强度和水体对荧光的二次吸收和接收条件等因素的影响,并给出了理论依据,由此依据得出了非线性浓度校准的数学模型。利用这个数学模型对实验数据进行非线性拟合,拟合的相关系数高于0.99。该浓度校准的数学模型,考虑到了水体对荧光信号的二次吸收以及溶液浓度的变化对二次吸收的影响,结果表明它可作为不同水体的通用浓度校准的数学模型对水体中的DOM进行定量分析。