期刊,光谱学与光谱分析 2024年卷9期_国家学术搜索

期刊信息/Journal information

光谱学与光谱分析

主　　编：高松

出版周期：月刊

国际刊号：1000-0593

电子邮箱：chngpxygpfx@vip.sina.com

电　　话：010-62181070

邮政编码：100081

地　　址：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

超快吸附过程太赫兹时间分辨光谱表征与评价

史昕哲祝静刘晓飞王帅...

2401-2411页

查看更多>>摘要：挥发性有机物(VOCs)污染防治是国家环境保护和人群健康防护的迫切需求,吸附法被认为是最有效的VOCs处理方法之一.当前吸附机理认知存在局限性,阻碍了其工业应用,探明微观吸附机理是实现高效处理VOCs急需解决的关键问题.现有常规微观吸附特征表征方法无法直接实时监测超快吸附现象,需要不断发展新理论、新技术.近年来,太赫兹波在表征吸附过程方面展现出巨大潜力:吸附过程中弱相互作用(范德华力、氢键)的振动模式均在太赫兹波段,化学键断裂与生成引起的表界面移动载流子变化随浓度不同太赫兹响应特征不同,利用太赫兹波谱光学参量(吸收峰、幅值、波形等)在表征吸附特征方面取得了重要进展.吸附过程中化学键的断裂、生成均在皮秒量级,太赫兹波因时间分辨率局限性无法直接获取亚飞秒时间尺度下的有效信息.太赫兹时间分辨光谱在超快过程监测领域的不断突破,在时间尺度上满足了探究超快吸附过程的需求,为揭示微观吸附机理奠定了基础.详细介绍了吸附特征太赫兹波谱表征与评价的研究进展,总结了近几年太赫兹时间分辨光谱在表征超快过程方面的突破性研究,最后提出了太赫兹时间分辨光谱在超快吸附领域的发展方向和面临的主要挑战.

关键词：

挥发性有机物吸附太赫兹时间分辨光谱微观机理

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欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告《光谱学与光谱分析》2025年征订启事国内邮发代码:82-68 国外发行代码:M905

2411页

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便携式LIBS结合SSA-KELM的废钢成分定量分析方法

黄晓红刘晓辰刘艳丽宋超...

2412-2419页

查看更多>>摘要：废钢是电炉炼钢的重要原料,为有效利用废钢,需对废钢中各元素进行检测.提出了麻雀搜索算法优化的核极限学习机(SSA-KELM)与激光诱导击穿光谱技术(LIBS)相结合的新方法,对中低合金钢和低合金钢的钢样共12组样品进行元素含量建模分析.首先通过便携式LIBS光谱仪采集两类共计12种不同的废钢样品在170～400 nm范围内的激光诱导击穿光谱数据,为降低实验波动影响,每个试验样品的表面均匀选取28个不同的位置进行检测,使用K值校验剔除粗大误差,并将剩余数据进行平均处理,最终得到12个样品共336组平均光谱数据;然后对获得的光谱数据进行基线校正和归一化处理,降低基线波动影响;然后选出待检测元素的多条相关谱线共65条作为模型的输入特征,接着对光谱数据进行训练集与测试集的划分,从每类钢种中随机选择一个样品,提取其处理后的光谱数据作为模型的测试集,剩余数据作为模型的训练集,利用麻雀搜索算法(SSA)对核极限学习机(KELM)进行参数寻优,针对相关元素进行建模.最终所建立的C、Cu、Mn、Cr、Ni、Si、V、Al、Ti元素的模型在验证集的相关决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)平均为0.996和0.016.实验比较了单变量校正模型和基于遗传算法优化的核极限学习机(GA-KELM)的多变量校正模型的定量分析效果,结果表明,与单变量校正模型和遗传算法和核极限学习机(GA-KELM)模型相比,SSA-KELM模型的所有指标都有显著提高,作为多变量模型的KELM与麻雀搜索算法相结合,能够有效的减弱多种因素对待分析元素的干扰,增强定量分析的性能,通过与便携式LIBS系统结合,可用于现场作业,实现对废钢中各元素含量的快速精准检测.

关键词：

激光诱导击穿光谱废钢麻雀搜索算法核极限学习机定量分析

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基于MTF变换的拉曼光谱和卷积神经网络的海水微塑料识别方法研究

张蔚冯巍巍蔡宗岐王焕卿...

2420-2427页

查看更多>>摘要：微塑料作为一种新型污染物,引起的污染问题在当今越发受到研究人员的关注.拉曼光谱有着无损样品,光谱特征峰位有代表性,便于识别样品种类的优点,一直以来是生物化学分析领域热门的检测方法之一.深度学习近年在特征提取、目标检测等领域的发展成就引人瞩目.针对准确高效的微塑料检测方法问题,探索了基于马尔可夫变迁场(MTF)变换的拉曼光谱和卷积神经网络的微塑料识别可行性.采集了 11种微塑料样品的拉曼光谱,每种样品采集100条光谱,并通过光谱平移、添加噪声、光谱叠加等方式数据强化扩充了光谱数据集,利用MTF将一维拉曼光谱数据转换为彩色二维图像,获得二维图像形式的光谱数据集.设计一种主体为多个小尺寸卷积核的卷积神经网络(SSMKB-CNN)模型,包括1个输入层、6个卷积层、2个池化层、1个平坦层、2个全连接层与1个输出层.选择Dropout与带权重衰减的自适应矩估计优化器以避免过拟合现象,采用阶梯式学习速率保证模型充分习得数据深层特征.分类性能的评价标准采用混淆矩阵、精确率、召回率、F1分数与整体准确率.模型的分类结果与基于二维图像光谱数据集的AlexNet、VGG16和ResNet50三个深度卷积神经网络模型和基于一维光谱数据集的随机森林(RF)、K-最邻近(KNN)和三种核函数(rbf、Linear、Poly)的支持向量机(SVM)机器学习分类器的分类结果进行对比.通过分析训练曲线及混淆矩阵的分类结果,四种CNN模型的损失与准确曲线走势平稳,均能达到良好的训练效果,其中提出的SSMKB-CNN模型准确率达到了 97.04％,综合精确率、召回率和F1分数分别为97.05％、95.06％和97.02％,均明显优于用于比较的另外三种经典神经网络模型以及三种机器学习分类器.一轮训练时长为9 s,训练时间少于三种CNN模型,综合分类性能最佳.实验结果表明,基于结合MTF变换的拉曼光谱的SSMKB-CNN模型能够准确高效地提取光谱特征并作出种类预测,利用拉曼光谱实现微塑料样品的定性识别,可以为海水中微塑料实际样品的准确客观的识别技术提供方法新思路参考.

关键词：

马尔可夫变迁场拉曼光谱微塑料神经网络

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同步荧光光谱技术结合支持向量机对掺杂牛奶智能判别研究

张微微璩怡王强吕日琴...

2428-2433页

查看更多>>摘要：牛奶因其丰富的营养成分和易消化吸收的特点,受到消费者的青睐.牛奶掺杂行为的产生使得牛奶制品质量备受关注,快速、便捷地鉴别乳品质量对于乳制品行业经济的健康发展具有重要意义.利用同步荧光光谱对掺杂牛奶进行检测,寻求一种高效判别掺杂乳品方法.采用分子荧光分光光度计测定激发波长(Ex)为220～600 nm,激发-发射间隔波长(△λ)为10～180 nm的纯牛奶、复原乳粉(全脂、脱脂)及其掺杂样本的牛奶样品的三维荧光光谱数据,利用平行因子分析方法(PARAFAC)降维获取特征光谱,通过支持向量机建立了掺杂牛奶的判别模型.结果所有乳品样品在激发波长为225～300 nm范围内都有一个特征荧光峰,荧光峰在280 nm附近,为色氨酸类物质,但该处纯牛奶荧光强度明显高于两种乳粉,且脱脂乳粉要强于全脂乳粉,这说明牛奶的主要成分都一样,发光基团一致,但由于处理方式不一致,使得其浓度存在差异.两种复原乳粉在350～400,450～500 nm之外存在荧光物质,主要为维生素A和类胡萝卜素,且脱脂乳粉比全脂乳粉对应区域荧光强度要强,主要在于脂肪物质散射使得荧光强度增强.为更好获取乳品样本特征,通过PARAFAC对三维数据进行降维之后,显示当组分数为6,△λ为40 nm时载荷值最大,该处样本信息差异显著.提取△λ为40 nm特征波长和掺杂乳品品类值作为输入数据的支持向量机(SVM)分类器,采用了遗传算法(Ga-SVM)、粒子群优化算法(Pso-SVM)和网格搜索算法(Grid-SVM)三种SVM算法对掺杂牛奶进行分类识别.结果显示Grid-SVM模式交叉验证(CV)准确率为98.91％,其训练集和测试集的分类准确率均为100.00％,且模型运行时间仅6.724 s,显著优于另两种分类器.结果表明荧光光谱与PARAFAC-SVM方法相结合,是一种简单且高效判别掺杂牛奶的方法.

关键词：

荧光光谱平行因子分析法掺杂牛奶支持向量机

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高压拉曼光谱研究均苯四甲酸二酐

丛广宇李东飞刘嘉睿

2434-2438页

查看更多>>摘要：测量了常温常压下的均苯四甲酸二酐的拉曼光谱,并对所测量的各个拉曼谱线进行归属认证.获得了从常压到24 GPa压强条件下的原位拉曼光谱,通过频率-压强关系曲线可以得出该材料在2Gpa存在晶体结构相变,定义了均苯四甲酸二酐在低于2 GPa压强条件的晶体结构为相Ⅰ,高于2 GPa压强条件的晶体结构相为相Ⅱ.在相变前后,绝大多数的拉曼谱线频率-压强曲线斜率变小,说明与相Ⅰ相比,各官能团对压强的敏感程度下降,相Ⅱ的分子晶体具有更紧密的堆积结构.拉曼光谱强度能够给出丰富的材料结构信息,通过对C—O伸缩振动的倍频(常压位于1 837 cm-1)和C＝O伸缩振动基频(常压位于1 865 cm-1)的相对拉曼光谱强度随压强的变化规律进行分析,发现两拉曼谱线强度比在2 GPa附近存在突变,为均苯四甲酸二酐在2 GPa附近发生结构相变提供了实验依据.

关键词：

拉曼光谱高压相变均苯四甲酸二酐

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洱海东岸海滨三种典型湿地植被光谱特征分析与识别建模

李璇甘淑袁希平杨敏...

2439-2444页

查看更多>>摘要：利用高光谱数据对湿地植被进行识别历来是植被遥感研究的重点之一.高光谱遥感数据包含更加细致的植被光谱特征,为高光谱植被识别提供了强有力的手段.以洱海东岸海滨为研究区,测取了 3种典型湿地植被(菰、芦、槐叶蘋)的高光谱数据作为目标样本.对原始光谱进行一阶微分、包络线去除变换并分析其光谱特征,采用连续投影(SPA)、竞争性自适应重加权采样(CARS)两种特征变量选择算法选取原始光谱及其变换光谱中的特征波长,最后基于全波段数据以及特征波长选取后的数据分别建立支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、径向基(RBF)神经网络的识别模型.结果表明:SPA与CARS算法对高光谱数据都有良好的降维效果,选取出的特征波长数量在5～18之间.对比组合不同的光谱变换处理与特征波长提取方法进行模建实验,包络线去除-SPA-SVM模型识别三类目标样本表现最好,其识别精度为0.937 5,此时选取用于输入建模的特征波长数量仅为10个,占全波段的4.7％,极大的降低了模型的运算时间,而且选取的特征波长中,70％都位于特征吸收带内,其分布可以较好的反应植被化学成分差异导致的光谱吸收特征规律.实验结果表明利用光谱变换、特征选择后建模的高光谱植被识别是可行的,可以为其他湿地植被识别方法提供参考.

关键词：

高光谱湿地植被光谱变换特征波段选择支持向量机随机森林

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基于荧光猝灭原理的比率式光纤溶解氧传感器研究

孟庆阳张红霞赵永昆贾大功...

2445-2449页

查看更多>>摘要：溶解氧浓度的准确测定在医疗应用、海洋监测、工农业生产等领域中,起到至关重要的作用.本篇论文提出了一种比率式光纤溶解氧传感器,以四乙氧基硅烷(TEOS)和正辛基三乙氧基硅烷(Octyl-triEOS)为前驱体的有机改性硅酸盐(ORMOSILs)作为载体基质,选用三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌(Ru(dpp)32+)为氧敏感染料,选用7-氨基-4-(三氟甲基)香豆素(AFC)为参比染料.吸收光谱表明,氧敏感染料和参比染料可以被中心波长为405 nm的光源激发.发射光谱表明,氧敏感染料和参考染料的发射波长没有光谱重叠,因此可以使用比率法测量溶解氧浓度.通过溶胶—凝胶工艺制备的ORMOSILs将氧敏感染料和参比染料固定在塑料光纤端部,从而形成复合氧敏感薄膜,对传感膜的厚度和疏水性进行了表征,传感膜的厚度为569 μm,水接触角为81°.将该传感器在水溶液中进行了测试,在光源激发下,氧敏感染料和参考染料在605和490 nm处有明显的发射峰,随着溶解氧浓度的增加,氧敏感染料的荧光强度降低,而参比染料的荧光强度稳定在某一数值,通过测量氧敏感染料与参比染料的比率,达到检测氧浓度的目的.采用Stern-Volmer方程对溶解氧浓度和荧光强度比进行线性拟合,该传感器在0～20.05 mg·L-1溶解氧范围内,Stern-Volmer拟合度可达98.22％,灵敏度可达0.433 4/[O2],从饱和氮溶液到饱和氧溶液传感器的响应时间为12 s,从饱和氧溶液到饱和氮溶液传感器的恢复时间为144 s,引入非对称因子ASY表明传感时间的不对称性.对传感器的光稳定性和重复性进行了测试,比率式光纤传感器可以克服光源波动,相对单荧光强度传感有更强的稳定性.

关键词：

荧光猝灭原理钌络合物激发光谱比率式光纤传感器溶解氧有机改性硅酸盐

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应用衰减全反射红外光谱无损鉴别中国传统手工纸的方法研究

吕淑贤

2450-2458页

查看更多>>摘要：纤维种类鉴别是古代纸张保护的重要基础工作.探究中国传统手工纸的无损纤维鉴别的方法对中国古籍、档案及纸质文物的研究和保护具有重要意义.该研究应用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)对已知纤维成分的17类64种中国传统手工纸标准样品进行了无损分析,参考纤维素和木质素的红外峰位及部分纸样的X射线衍射(XRD)分析结果确认纸样中的所有红外谱峰归属;并采用分波段比较分析的方法对相似度极高的谱图进行比对分析,分别总结各类纸张在4 000～1 800、1 800～1 500、1 500～1 200和1 200～600 cm-1四个波段的谱图特征;同时对4 cm-1精度的谱图进行二阶导数处理,分别总结各类纸张在1 500～1 200和1 200～900 cm-1两个波段的二阶导数谱图特征;最后通过红外结晶指数及其他峰高和峰面积比值计算结果实现对纸类更细致的区分.应用上述方法对16个盲测样品进行了有效性测试,红外分析结果与显微纤维鉴别结果一致,初步证明了该方法在中国传统手工纸无损纤维鉴别上的可行性和有效性.实验结果表明,应用ATR-FTIR无损分析法可对麻、桑构皮、檀皮、瑞香皮和竹几大类原料的传统手工纸纤维类型作出快速而准确的鉴别,对于混料的宣纸也同样适用;但对于显微分析也难以鉴别的亲缘关系较近的植物原料如桑、构皮之间的精细鉴别仍有一定局限性.

关键词：

衰减全反射傅里叶变换红外光谱二阶导数红外光谱中国传统手工纸纤维鉴别无损分析

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基于稀土上转换纳米粒子传感器的构建及其在食品添加剂检测中的应用

张璇王雅森温娜吕海霞...

2459-2466页

查看更多>>摘要：稀土上转换纳米粒子(UCNPs)因其具有毒性小、化学稳定性好和背景荧光低等优点被用于构建荧光纳米传感器.通过溶剂热法制备核壳UCNPs,采用柠檬酸钠对其进行表面配体交换得到水溶性核壳UCNPs(Cit-CS-UCNPs),以Cit-CS-UCNPs作为荧光传感器的能量供体,二氧化锰(MnO2)纳米片作为荧光传感器的能量受体,采用荧光共振能量转移(FRET)机理,构建了一种用于食品添加剂二氧化氢(H2O2)和叔丁基对苯二酚(TBHQ)检测的荧光纳米传感器(Cit-CS-UCNPs-MnO2).通过扫描电镜(SEM)、荧光光谱和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)等分析测试手段对制备的纳米材料的形貌结构和性能进行表征.考察了猝灭剂浓度、孵育温度及孵育时间等实验条件对荧光传感体系检测性能的影响.荧光光谱和UV-Vis实验结果表明,Cit-CS-UCNPs最大发射峰位于654 nm,Cit-CS-UCNPs与MnO2结合后,核壳UCNPs发生荧光猝灭,当存在H2O2时,Cit-CS-UCNPs的荧光恢复,说明在此波段H2O2与MnO2纳米片发生氧化还原反应,MnO2纳米片被还原成Mn2+,逐渐从Cit-CS-UCNPs的表面解离下来;存在TBHQ时,Cit-CS-UCNPs-MnO2与TBHQ体系峰位与TBHQ偏移到253 nm,为TBHQ与MnO2纳米片发生氧化还原反应,使得Cit-CS-UCNPs-MnO2体系中FRET效应减弱,荧光强度回升.SEM结果表明,MnO2纳米片均匀包覆在Cit-CS-UCNPs的周围,在水中仍可保持良好的分散性,表明MnO2纳米片修饰到Cit-CS-UCNPs表面.对猝灭剂高锰酸钾(KMnO4)的浓度进行了优化.结果表明,当KMnO4浓度为10 mol·L-1时,猝灭效率可达90％.对检测条件进行优化,结果表明H2O2的检测孵育时间为25 min时,MnO2和H2O2之间氧化还原反应基本完全,Cit-CS-UCNPs-MnO2荧光恢复值最大;TBHQ的检测孵育时间为30 min.在最佳实验条件下,Cit-CS-UCNPs-MnO2 的荧光强度变化比率与 H2O2 浓度(0～1 000 μmol·L-1)及 TBHQ 浓度(0～0.6 mmol·L-1)分别具有良好的线性关系.保持最佳实验条件,选取食品中存在的代表性金属离子(如K+、Na+、Ca2+和Mg2+)和常见的食品添加剂苯甲酸(BA)、D-葡萄糖(Glu)、山梨酸钾(PS)、蔗糖(Suc)、纳他霉素(Nat)和肌醇(Ino)作为研究对象进行选择性测试,发现与H2O2相比,Cit-CS-UCNPs-MnO2对其他添加物质没有强烈的反应,传感器整体荧光信号波动不大,因此Cit-CS-UCNPs-MnO2对H2O2和TBHQ可进行特异性检测.

关键词：

上转换纳米粒子核壳结构荧光纳米传感器

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