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期刊信息/Journal information
光谱学与光谱分析
光谱学与光谱分析

高松

月刊

1000-0593

chngpxygpfx@vip.sina.com

010-62181070

100081

北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院

光谱学与光谱分析/Journal Spectroscopy and Spectral AnalysisCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊系中国光学学会会刊，由钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学联合承办的学术性刊物。刊登主要内容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X-射线荧光光谱、激光显微光谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析最新进展、开创性研究论文、学科发展前沿和最新进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。本刊适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、进出口商检等各领域的科学研究单位、高等院校、光谱仪器制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高等院校有关专业教师和研究生、有关专业管理干部。《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础性、高科技学术期刊，是中国科技论文、中国科学引文数据库、中物理文摘、中国学术期刊文摘的统计源刊，被国外的SCI，AA，CA，EI，MEDLINE，AJ等文献结构收录。
正式出版
收录年代

    基于MEMS-FPI片上光谱芯片的多组分痕量气体检测系统

    刘兆海安昕辰陶治刘向...
    359-366页
    查看更多>>摘要：气体的特征吸收频率可以通过红外光谱技术进行提取,但以可调谐激光吸收光谱法(TDLAS)为标志的气体光谱检测技术难以兼顾宽波段与高精度.因此,高集成度、高速度和高稳定性的多组分痕量气体的检测技术一直是科研界研究的热点.为了拓宽红外激光器检测的范围,本项目研发了中心波长分别为1 543、1 579、1 626、1 653、1 690与1 742 nm波段可调谐的多通道、可调频分布式反馈(DFB)激光器作为光源.利用MEMS-FPI片上光谱芯片探测带宽窄(约5 nm)、工作波长可精准调控、滤波效率高等一系列优势,实现了与多波长红外激光器的同步探测,完成多种混合气体的稳定高精度的识别与浓度检测,有效抑制了背景气体的相互干扰.该系统采用可寻址的MEMS-FPI光谱芯片的多通道波长调制(WMS)技术,通过单路锁相放大电路分别对不同气体吸收谱线的二次谐波(2f)信号进行解调与数字采集.实现了甲烷(CH4),硫化氢(H2S),乙烯(C2H4)等七种气体标志物的快速痕量级检测.能够兼顾多组分识别与低气体检测下限(识别速度2 s以内),检测下限相比于传统宽光谱直接测量方法降低了约700倍.实验结果表明,本系统对甲烷的检测下限可达到0.2 μL·L-1,且二氧化碳的检测下限为10 μL·L-1,丙酮的检测下限为2 μL·L-1,乙烯、硫化氢的检测下限为1μL·L-1,氨气的检测下限为5 μL·L-1,氯化氢的检测下限为4 μL·L-1,完全满足包括双碳背景下的低浓度温室气体监测、医疗领域人体呼出气体检测与诊断在内的一系列痕量级多组分气体检测的应用需求.

    多组分痕量气体检测TDLAS近红外光谱MEMS-FPI光谱芯片

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    基于卷积神经网络和高光谱成像技术的多宝鱼新鲜度鉴别

    章海亮周孝文刘雪梅罗微...
    367-371页
    查看更多>>摘要：鱼类产品新鲜度鉴别一直是重要的研究课题,相较于目前常规鱼类品质检测方法存在的成本高、检测时间长等问题,高光谱成像技术(HSI)因其无损、快速等优势得到了学者的广泛研究.卷积神经网络是深度学习中应用较为广泛的模型,表达能力强,模型效率高.因此,使用卷积神经网络(CNN)结合高光谱成像技术建立多宝鱼新鲜度鉴别模型.采集160个多宝鱼样本感兴趣区域(ROI)光谱,并根据样本不同冻融次数和冷冻时间分为5类新鲜度.以VGG11网络为基础,针对光谱数据特点对网络结构进行调整,减少全连接层数量,降低模型的复杂度,分别对比不同卷积核个数、激活函数对分类性能造成的影响,确定最佳CNN网络结构.由于高光谱数据量大同时存在的冗余信息较多,分别采用无信息变量消除算法(UVE)和随机青蛙算法(RF)对高光谱数据进行波长筛选,将波长筛选后的高光谱数据分别输入卷积神经网络(CNN)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)、K最近邻算法(KNN)建立模型.采用无信息变量消除(UVE)提取的165个特征波长建立的UVE-CNN模型鉴别效果最佳,分类模型在测试集上的精度达到了 100％.结果表明,利用卷积神经网络与高光谱成像技术相结合可实现对多宝鱼新鲜度的有效鉴别,该研究为多宝鱼新鲜度无损、准确鉴别提供新思路.

    卷积神经网络多宝鱼高光谱深度学习

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    太赫兹各向异性超材料极化调控器设计与实现

    李艳红廖萌萌冯杰
    372-379页
    查看更多>>摘要：电磁波极化特性会影响无线通信系统的性能,随着电磁场与微波技术的广泛应用,为满足信息传输和信息获取需求,电磁波极化特性的自由调控变得非常重要,在无线通信和雷达目标识别技术领域,都是通过改变极化状态来实现极化自由调控,随着波长的变短,相比微波通信,太赫兹通信具备频谱资源更丰富、传输速率更高的优势,但传统结构的极化调控器因存在各种缺陷,在太赫兹频段中的应用具有一定的局限性.针对这个问题,利用各向异性超材料设计了一款可用于太赫兹频段的双功能极化调控器,首先采用坐标分解法分析了器件的双功能极化调控特性,分析结果表明所设计的调控器既可以实现线极化波调控,又可以实现圆极化波调控,具备双功能调控特点;然后采用表面电流法分析了调控器的极化转换机理,仿真结果表明调控器具有4个谐振点,超材料单元结构中发生的四阶电磁谐振叠加,使得调控器工作频带宽,且极化转化效率高,在0.45～1.152 THz的频带内效率可高达90％以上;最后还分析了器件的不同参数对器件性能的影响,提出了调控器性能的优化思路和调控器的实际使用条件.通过对结构参数的分析,发现结构参数的变化会影响调控器工作时的频带宽度和谐振点的分布位置,调控器性能与自身工作频带宽度存在互斥关系,工作频带变宽,调控器性能变差,工作频带变窄,调控器性能变好,在调控器的实际应用过程中,为获取满意的调控特性,要根据具体的调控要求对结构参数进行优化调整;通过对入射角和方位角的分析,发现调控器性能对入射角的变化非常敏感,并指出在使用调控器时,它的摆放位置方向要满足入射波在调控器中的投影与调控器边沿保持平行.与现有工作相比,所设计的调控器性能更高效,结构更简单,并且双功能特性使器件的使用更加便捷和多样化,该工作为太赫兹极化转化器的发展和应用提供了理论参考.

    调控器各向异性超材料双功能调控极化转化率

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    ZnSe及其Mn掺杂复合材料光吸收催化性能和高压结构性能研究

    王世霞王晓雨胡天意
    380-385页
    查看更多>>摘要：ZnSe半导体材料是制备光电器件和光催化反应催化剂的重要原材料.其单体材料具有强光下易变质、电子-空穴复合等现象.通过元素掺杂制备ZnSe复合材料,并与单体材料对比研究了元素掺杂所提升的ZnSe的光学及结构性能.首先采用水热法实验室制备纯ZnSe和Mn:Zn加入比分别为5％、10％、15％和20％的ZnSe复合材料,对比材料形貌、结构,光吸收和催化性能,结果显示掺杂比为10％的样品结晶度最高,杂质成型量最少,催化性能最佳.采用Mao-Bell型金刚石压腔结合原位拉曼光谱探究纯ZnSe和掺杂比为10％的样品的高压结构相变行为,以探究元素掺杂对样品结构性能的影响.研究结果:(1)扫描电子显微镜(SEM)图显示,加入Mn元素后制得的ZnSe样品形貌为球状,与纯样大致相同,球状颗粒表面有小颗粒负载,且随着Mn加入量的增加,表面负载的物质增多;(2)X射线衍射(XRD)图谱表明,ZnSe样品结构为立方闪锌矿结构,随着Mn加入量的增加,样品MnSe特征峰增强,杂质MnO2成型越完全.掺杂比为10％的样品ZnSe结晶度高,杂质成型量少;(3)固体紫外漫反射(UV-Vis)结果表明,掺杂比为10％的样品对光的吸收边最大,禁带宽度最小,为1.65 eV;(4)光催化实验结果显示,掺杂比为10％的样品催化降解甲基橙的效率最大,6 h降解85.4％.研究表明掺杂Mn元素比为10％的ZnSe复合材料,光吸收和催化性能相对最好.金刚石压腔结合原位拉曼光谱探究ZnSe样品和掺杂比为10％的样品的高压相变结果表明,(1)纯ZnSe的LO声子模在压力上升到12.3 GPa时基本消失,TO声子模在压力上升到20.8 GPa时消失,整个加压过程中没有新峰生成,纯ZnSe发生闪锌矿相向岩盐矿相转变的高压行为;(2)复合材料的TO声子模在6.9 GPa时发生劈裂,在8.0 GPa时208 cm-1处有新峰出现,表明在此压力下部分样品由闪锌矿相转变为辰砂矿相.在10.8 GPa时辰砂矿相的峰消失,体系发生由辰砂矿相向岩盐矿相转变;加压至18.8 GPa,LO声子模非常微弱,几近消失,此时体系中的闪锌矿相完全转化为岩盐矿相.研究了不同条件下ZnSe的光催化性能和相变行为,探究了不同掺杂比对ZnSe光催化性能的影响,确定掺杂比为10％的ZnSe样品为最佳掺杂比复合材料,丰富了极端条件下ZnSe的物理化学性质的多样性研究.

    ZnSeMn掺杂光吸收性能光催化性能高压相变

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    番茄苗期叶位色素含量高光谱检测及可视化研究

    赵建贵王国梁张宇赵丽洁...
    386-391页
    查看更多>>摘要：叶片色素含量是表征作物栽培基质营养元素和生理状态的重要指标;快速、精准获取色素含量及叶位分布规律是设施农业水肥精准化管理的基础.以番茄苗期不同叶位叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chll)和类胡萝卜素(Caro)为研究指标,用营养液配制10个氮素浓度;根据叶片位置摘取1 710片(285个样本)用于可见光-近红外高光谱采集;运用卷积平滑(S-G)、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)对光谱数据预处理.首先采用竞争自适应加权算法(CARS)对特征波段"粗"提取,然后利用迭代和保留信息变量算法(IRIV)判断"粗"提取波段的重要性,并对强弱波段组逆向消除"精"提取最优波段集合,建立偏最小二乘回归(PLSR)模型.结果表明:(1)营养液氮素浓度为302.84 mg·L-1,叶片色素含量最大,且高浓度的抑制作用高于低浓度,叶位色素含量呈上叶位＞中叶位＞低叶位分布规律;(2)采用CARS-IRIV-PLSR算法"粗-精"特征波段筛选策略分别对Chla、Chlb、Chll和Caro提取了 4、4、10和11条特征波段,其Rp为0.772 2、0.732 1、0.847 1和0.858 7;(3)结合最优模型色素定量反演图像可视化表达,Chla、Chlb和Chll分布规律一致,而Caro与Chll分布规律相反,该结论与植物生理特征和测定结果相吻合.采用高光谱成像技术能够实现对叶片色素含量进行无损检测及可视化表达,为设施农业植物叶片色素分布、养分亏缺和施肥决策等提供数据支撑和理论依据.

    高光谱叶位色素含量特征波段可视化

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    基于显微高光谱成像技术判别食源性致病菌种类的方法研究

    康睿程雅雯周玲莉任妮...
    392-397页
    查看更多>>摘要：如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一.传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期.该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能够借助显微镜技术突破传统光谱成像的灵敏度和分辨率极限,并利用可见/近红外光谱为单个致病菌细胞添加高分辨率的图像和光谱信息.以空肠弯曲杆菌、大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌为检测对象,采用显微高光谱成像技术进行数字化表征和数据采集,结合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)算法对各致病菌细胞的图像和光谱数据进行建模分类.结果显示,显微尺度的致病菌光谱数据呈现可判别的分布规律,新采用的Bi-LSTM网络在光谱数据集中表现优异,在三种致病菌的分类任务中取得了 91.0％的平均准确率,而传统的线性判别分类器(LDA)和支持向量机分类器(PCA-SVM)的平均准确率分别为80.1％和88.5％.但是,仅依赖光谱数据进行致病菌种类判别仍然存在较为严重的假阳性问题,尤其是在大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌的分类中存在错误分类.图像信息的加入则能够显著改善各分类的识别准确率,其中Bi-LSTM分类器取得了高达98.1％的准确率,LDA和PCA-SVM均取得了 95.3％的准确率.研究结果表明,显微高光谱成像技术在食源性致病菌的特异性光谱和图像表征中具有优势,提出的Bi-LSTM网络能够直接处理高维的图谱特征,两种技术的融合在食源性致病菌细胞级别的早期检测应用中展现潜力.

    食源性致病菌细菌细胞检测显微高光谱成像技术光谱识别

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    9-羟基菲对α-葡萄糖苷酶的活性影响及相互作用研究

    张静王鸿辉金亮廖颖敏...
    398-405页
    查看更多>>摘要：α-葡萄糖苷酶(GAA)作为一类重要的糖苷水解酶,是维持人体血糖平衡的重要功能性蛋白质.长期以来,为实现高血糖人群的降糖,研究人员多关注于探寻具有GAA活性抑制作用的食品、药品,但鲜有研究关注于人体非主动摄取的外源物质对GAA正常生理功能可能产生的影响.该研究选取典型多环芳烃类物质—菲的羟基代谢产物9-羟基菲(9-OHPhe),探究其对GAA活性功能的影响及潜在机制.为获得9-OHPhe与GAA的结合作用信息,PARAFAC法被应用于光谱重叠的9-OHPhe和GAA的三维荧光光谱(EEM)数据的解析,同时分子对接法被运用于分析分子层面两者结合的微观信息.9-OHPhe对GAA的活性有抑制作用,相应的IC50值为(7.59±1.91)μmol L-1;PARAFAC可有效应用于荧光光谱重叠的GAA和9-OHPhe反应体系的荧光数据解析;9-OHPhe可引起GAA内源荧光的静态猝灭,两者能形成1∶1复合物,在 298 K 下其结合常数为(8.91±0.68)× 103 L·mol-1;9-OHPhe 与 GAA 的 GLN281、LEU305、ASN319、LEU321、TYR322、LEU323 和 TYR352 之间产生了疏水作用力,与 GLN309 和 ASN319 分别形成了键长为2.71和3.05 Å的氢键;低浓度的9-OHPhe可使GAA的二级结构变得稳定,但过高浓度的9-OHPhe则会破坏GAA的结构稳定性.9-OHPhe对GAA活性有明显抑制效应,提示相关外源污染物进入健康人体后经这一途径所可能引起的血糖平衡紊乱值得关注和深入研究.

    α-葡萄糖苷酶9-羟基菲三维荧光光谱平行因子分析法结合作用活性抑制

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    手持式近红外光谱仪测定梨三种品质指标通用模型建模方法研究

    毛欣然夏静静徐惟馨韦芸...
    406-412页
    查看更多>>摘要：梨是生活中非常常见的水果,梨的糖度、酸度(pH)、硬度是评价梨品质的重要指标.近红外光谱技术因快速、无损和高效等优点,广泛应用于检测水果品质指标.手持式近红外光谱仪可以应用于现场无损检测梨品质,梨的大小不同会对梨的光谱和建模产生一定影响.因此,采集大小不同的5个品种梨果(雪梨、红香酥、蜜梨、红肖梨、酸梨)的近红外光谱,最大的雪梨平均赤道周长27.64 cm,重量为362.84 g,最小的蜜梨平均赤道周长18.35 cm,重量为112.67 g,共197个样品.光谱范围为900～1 700 cm-1,并在梨的赤道上选取三个点测量梨果的可溶性固形物、酸度(pH)与硬度三个化学指标.采集光谱发现,小梨吸光度较大,而大梨吸光度较小.采用三点平均光谱代表样品光谱和一阶导预处理,改善了光谱的一致性,解决了样品不均匀性、不同梨大小不同等因素的影响.线性回归模型PLS可溶性固形物、酸度(pH)和硬度的校正集决定系数依次为0.739 4、0.933 5、0.886 6,预测集决定系数依次为0.755 9、0.873 4、0.787 4,校正集RMSEC 依次为 0.550 4、0.194 1、0.518 1.预测集 RMSEP 依次为 0.656 4、0.242 0、0.669 2.非线性回归LSSVM模型可溶性固形物、酸度(pH)和硬度的校正集决定系数依次为0.976 3、0.999 9、0.996 0,预测集决定系数依次为0.923 4、0.977 7、0.939 4,校正集RMSEC依次为0.194 9、0.003 3、0.089 4.预测集RMSEP依次为0.316 9、0.108 9、0.361 3.对比线性算法和非线性算法,LS-SVM建模效果明显优于PLS,LS-SVM算法适用于更多的品种、更宽的品质指标范围的样品预测,模型的准确度和稳定性有了显著提高,可以建立不同品种大小的梨的通用模型.手持式近红外光谱仪可用于梨果的糖度、硬度和pH值的快速无损高效检测,并摆脱了实验室的限制,可以实现现场快速检测.

    手持式近红外仪梨偏最小二乘法最小二乘支持向量机

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    荧光光谱法的卤酸脱卤酶活性全细胞检测

    陈鹏陆峰赵云丽
    413-418页
    查看更多>>摘要：卤酸脱卤酶能够降解对环境具有危害性的卤代羧酸类化合物,并且其具有立体选择性,可以拆分出纯手性的卤代羧酸,在环境保护和化学合成领域具有潜在的应用价值.建立卤酸脱卤酶活性的分析方法具有重要意义.催化性能较好的卤酸脱卤酶DehE在弱碱性范围内(pH 8.00～9.50)能催化2-氯丙酸发生脱卤反应产生氢离子,从而改变弱缓冲能力反应体系的pH,而某些物质的荧光强度受溶液pH影响较大.进行了荧光-pH指示剂的筛选,并以此建立了基于荧光光谱法的卤酸脱卤酶活性全细胞检测方法.结果表明:筛选出的荧光-pH指示剂2-萘酚-6,8-二磺酸二钾能够灵敏地反映弱碱性范围内(pH 8.00～9.50)的pH变化.所建方法在20 mmol·L-1的4-羟乙基哌嗪乙磺酸、pH 8.50、45 ℃、45 mmol·L-1的2-氯丙酸条件下检测效果最好,并且能避免假阳性结果的出现.当被检测的菌液OD600=2.0时,15 min即可出现50％的荧光变化.采用HPLC验证了方法的专属性.该方法能够快速、简单、灵敏地在全细胞水平上检测卤酸脱卤酶活性.当微生物含有卤酸脱卤酶的活性与DehE相当时,所建立的方法对该微生物检测限为菌液OD600=0.3,具备对含有卤酸脱卤酶的微生物原位筛查分析潜力.

    荧光光谱法卤酸脱卤酶酶活性检测正交试验设计全细胞检测

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    电镀污泥成分X荧光检测水分影响机制及校正方法研究

    滕婧石垚李会泉刘作华...
    419-425页
    查看更多>>摘要：电镀污泥是金属加工、电子元器件制造等行业在废水处理过程中所产生含重金属危险废物.我国每年产生大量电镀污泥约1 000万吨,因含有Zn、Cu、Fe、Ni、Cr等多种有价金属元素其资源化利用潜力巨大,同时大量污泥处置不当也会危害人体健康和污染环境.传统化学分析测试过程复杂周期长,不利于电镀污泥实时污染防控.能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱法分析快速简便、费用低廉、可实现原位检测,然而电镀污泥样品含水率高、成分含量不稳定,影响测试结果的及时性和准确度,导致关键元素的资源转化效率难以保证、环境污染管控难度高.因此需要分析X荧光检测水分影响机制并探究水分校正方法,以提高EDXRF测试结果准确度.以不同含水率电镀污泥为对象,研究了水分对电镀污泥EDXRF测试过程中光谱本底、散射峰、目标元素特征峰的影响机制,通过目标元素特征峰与瑞利散射峰强度的比值、样品含水率ω.wt％和目标元素含量Ci％建立水分校正模型,探究了 Ca、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn目标元素的水分校正方程中的实验修正因子.结果表明,水分抬高了光谱本底改变谱峰轮廓,对低能段、计数小的谱峰测试结果影响较大.含水率越高,散射峰净强度越大,瑞利散射线更能准确描述散射峰净强度和含水率的关系,目标元素特征峰与瑞利散射峰强度比值与含水率、目标元素含量能够准确符合线性关系.水分校正模型对Cr、Fe、Ni、Cu、Zn五种重金属校正结果准确度较高,校正值与基准值相关系数R2均大于0.95,RMSE均小于0.05,对Ca元素校正准确度较低R2为0.93,RMSE为1.046需增加相关校正因子进一步优化.该研究有望应用于再生铜行业电镀污泥处置现场测量的水分校正方法中,在提高电镀污泥资源利用效率的同时降低环境污染风险.

    X射线荧光光谱电镀污泥水分影响基体效应散射校正

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