光譜學(xué)分析精選(九篇)

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第1篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：光學(xué)多道分析器；氫原子光譜；巴耳末系；里德伯常量

中圖分類號(hào)：G307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2012）15-0262-01

1 引言：

電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射的光子能量hv為兩能級(jí)間的能量差，

hv=E(m)-E(n) （m > n）

以波數(shù)?啄＝1/?姿表示， 則上式為 ?啄＝■=T(n)-T(m)=R■(■-■)

式中RH為氫原子的里德伯常數(shù)。

從圖1中可知，從m≥3至n =2躍遷，光子波長位于可見光區(qū)，其光譜符合規(guī)律?啄=R■（■-■） （m=3，4，5…）

這就是1885年巴耳末發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，稱為巴耳末系。

2.實(shí)驗(yàn)原理：

OMA光路見圖2。光源S經(jīng)透鏡L成像與多色儀的入射狹縫S1，入射光經(jīng)平面反射鏡M1轉(zhuǎn)向90°，經(jīng)球面反射鏡M2反射后成為平行光射向光柵G。衍射光經(jīng)球面反射鏡M3和平面鏡M4成像于觀察屏P。由于各波長光的衍射角不同，P處形成以一波長λ0為中心的一條光譜帶，使用者可在P上直觀地觀察到光譜特征。轉(zhuǎn)動(dòng)光柵G可改變中心波長，整條譜帶也隨之移動(dòng)。多色儀上有顯示中心波長的波長計(jì)。轉(zhuǎn)開平面鏡M4，可使M3直接成像于光電探測器CCD上，它測量的譜段與觀察屏P上看到的完全一致。

由于Hα線波長為656.28nm，Hδ波長為410.17nm，波長間隔246nm超過CCD一幀159nm范圍，無法在同屏中觀察到，故需分兩次觀察測量。第一次測量Hβ、Hγ、Hδ三條線，第二次單獨(dú)測量Hα線。第一次測量使用汞燈的546.07nm（綠光）、435.84nm（藍(lán)光）、404.66nm（紫光）三條譜線作為標(biāo)準(zhǔn)譜線手動(dòng)定標(biāo)；第二次用汞燈的546.07nm（綠光）、576.96nm（黃光）、579.07nm（黃光）及三條紫外光的二級(jí)光譜線312.567×2=625.13nm、313.17×2=626.34nm、334.17×2=668.34nm來定標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟：

1)將多色儀起始波長調(diào)到390 nm、入射狹縫S1的寬度為0.1mm。

2)用筆形汞燈作光源，調(diào)節(jié)L·S與多色儀共軸，并令光源S成像于入射狹縫處，這時(shí)在多色儀的觀察屏P上觀察到清晰、明亮的水銀譜線。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)M4使光譜照到CCD上，調(diào)節(jié)入射狹縫，使譜線變銳。選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間以獲得清晰、尖銳的譜線。由于譜線強(qiáng)度不同，對(duì)不同的譜線可選用不同的曝光時(shí)間。

4)用水銀的幾條標(biāo)準(zhǔn)譜線定標(biāo)，使橫坐標(biāo)表示波長（nm）。

5)改用氫燈，轉(zhuǎn)動(dòng)M4，使譜線成像于觀察屏P上，調(diào)節(jié)氫燈的位置，使譜線強(qiáng)度為最強(qiáng)。

6)轉(zhuǎn)動(dòng)M4，測量Hβ、Hγ、Hδ線的波長。

7)將多色儀的起始波長調(diào)至540nm，用汞燈定標(biāo)后，測出Hα線的波長。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理： 圖3（a）中1、2、3號(hào)譜線對(duì)應(yīng)氫光燈Hβ、Hγ、Hδ三條線;（b）中1號(hào)譜線對(duì)應(yīng)Hα線

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表 以δ為縱坐標(biāo)■-■為橫坐標(biāo)經(jīng)過Origin擬合后，可見斜率即為里德伯常量RH=1.10215×107 ，與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差僅為0.435％。

參考文獻(xiàn):

第2篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：健美操；普及組；推廣；影響因素

近年來，中國青少年體質(zhì)健康狀況逐年下降，對(duì)此，國家高度重視。國務(wù)院令（第560號(hào)）《全民健身?xiàng)l例》第二十一條指出：“學(xué)校應(yīng)當(dāng)按照《中華人民共和國體育法》和《學(xué)校體育工作條例》的規(guī)定，根據(jù)學(xué)生的年齡、性別和體質(zhì)狀況，組織實(shí)施體育課教學(xué)，開展廣播體操、眼保健操等體育活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生的體育鍛煉，提高學(xué)生的身體素質(zhì)。學(xué)校應(yīng)當(dāng)保證學(xué)生在校期間每天1小時(shí)的體育活動(dòng)?！睘榱诉M(jìn)一步貫徹落實(shí)《全民健身?xiàng)l例》，配合全國億萬學(xué)生陽光體育活動(dòng)，中國健美操協(xié)會(huì)組織了全國健美操專家，根據(jù)不同年齡特點(diǎn)創(chuàng)編了6套規(guī)定動(dòng)作普及組健美操，小、中、大學(xué)每個(gè)年齡段各兩套（一套徒手操、一套輕器械操）。

一、影響中學(xué)普及組健美操推廣的因素分析

中學(xué)組徒手規(guī)定動(dòng)作針對(duì)青少年青春、陽光、活力的特征，以健康、活潑的陽光牛仔為成套主題，在動(dòng)感的節(jié)奏里融入歡快的恰恰步伐和個(gè)性化牛仔手型，調(diào)皮、可愛，展現(xiàn)青春的活力和運(yùn)動(dòng)的魅力。簡單的街舞動(dòng)作的第二風(fēng)格，與牛仔的風(fēng)格相互對(duì)應(yīng)，使成套內(nèi)容更為豐富。核心動(dòng)作有：（1）刺激大腿外側(cè)肌群，修飾腿部線條，增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)的靈活性的點(diǎn)地動(dòng)作（Tap）；（2）鍛煉青少年背闊肌、胸大肌，提高肩關(guān)節(jié)靈活性，有效地糾正駝背、斜肩等不良姿態(tài)的動(dòng)肩；（3）增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)力量，預(yù)防崴腳，提高腿部靈活性與協(xié)調(diào)性的恰?。╟ha cha）；（4）鍛煉小腿肌肉控制力，增強(qiáng)下肢運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的漫步（Mambo）以及增強(qiáng)大腿和踝關(guān)節(jié)爆發(fā)力、定點(diǎn)控制能力、增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)靈活性，鍛煉大腿前側(cè)肌群的彈踢腿（Skip）。

中學(xué)組輕器械套路選擇具有中華民族特色的扇子，利用扇子來寓意翅膀，表現(xiàn)當(dāng)代中學(xué)生勇于拼搏、積極向上的精神。將街舞中的Up-Down的律動(dòng)融入創(chuàng)編中，簡單易學(xué)，節(jié)奏感與發(fā)力制動(dòng)感強(qiáng)。核心動(dòng)作有：（1）踹腿街舞動(dòng)作，需配合腹背肌收縮完成，隨音樂節(jié)奏加大動(dòng)作幅度，可鍛煉腰腹與腿部發(fā)力的協(xié)調(diào)性，增強(qiáng)腹背肌力量，美化腰部線條，對(duì)大腿前側(cè)肌肉以及身體控制力與爆發(fā)力都有很好的鍛煉效果；（2）吸腿跳（Knee lift）可隨吸腿高度的增加，加強(qiáng)對(duì)大腿前側(cè)肌肉的力量鍛煉；（3）鍛煉小肌肉群的力量與協(xié)調(diào)性，同時(shí)可開發(fā)小腦，提高手指的靈活性的開扇經(jīng)典動(dòng)作。

從普及組健美操兩套動(dòng)作的內(nèi)容分析中我們可以看出，普及組健美操主題鮮明，動(dòng)作簡單易學(xué)，內(nèi)容豐富多彩，為健美操愛好者提供了更多的選擇機(jī)會(huì)。第二風(fēng)格更是各套動(dòng)作亮點(diǎn)所在，在很大程度上增加了各套動(dòng)作的新穎性、趣味性、時(shí)尚性和觀賞性，為普及組健美操的推廣提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

2010年7月11日，全國普及組健美操規(guī)定動(dòng)作首次培訓(xùn)班在杭州隆重開班，考核合格的學(xué)員將具備本年度普及組健美操聯(lián)賽分站賽的執(zhí)法資格，為普及組健美操在全國的推廣邁出了關(guān)鍵的一步。2010年12月11日，湖南省普及組健美操教練員培訓(xùn)班在湖南師范大學(xué)體育學(xué)院舉行，為我省及全國普及組健美操的推廣做出了重要貢獻(xiàn)。緊接著2011年1月29日，中國健美操協(xié)會(huì)推出了《全國普及健美操系列推廣活動(dòng)管理辦法（試行）》，為普及組健美操在全國的推廣做出了賽制的保障。2011年3月，國家體育總局體操運(yùn)動(dòng)中心公布了《2011年全國普及健美操系列推廣活動(dòng)競賽規(guī)程》，普及組健美操競賽在全國開始具體實(shí)施。通過比賽達(dá)到宣傳、交流、促進(jìn)的效果。普及組健美操有其自身獨(dú)特的競賽觀賞性，充分挖掘健身運(yùn)動(dòng)競賽表演市場，并通過建立全國以及地方性的聯(lián)賽制度，調(diào)研設(shè)計(jì)賽事頻率、賽事規(guī)模，來促進(jìn)普及組健美操賽事的發(fā)展，以賽事來宣傳、以賽事來促進(jìn)健身操運(yùn)動(dòng)技術(shù)的交流，真正實(shí)現(xiàn)以賽促練、以賽帶練的目的。

合理的健美操場地和舒適的環(huán)境是普及組健美操的物質(zhì)保障，場地的地面材料、高度都會(huì)影響健美操鍛煉者的練習(xí)效果。普及組健美操場地選擇室內(nèi)場地較為適宜，地面應(yīng)為木質(zhì)材料地板且地面平坦、無裂痕、有彈性、防滑并保證室內(nèi)空氣流通。鏡子是健美操鍛煉不可缺少的設(shè)備，一般來說，可選擇高度在2米以上，寬度貼于整個(gè)墻面的壁鏡，這樣投影清晰、照出的人體不變形。音響設(shè)備是健美操鍛煉所必需的設(shè)備，要求聲音純正、效果好。目前，我國中學(xué)體育設(shè)施及場館不斷完善，為普及組健美操的推廣與發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

二、從各方面入手，加大健美操推廣的力度

相關(guān)部門和單位應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的賽事，建立全方位的賽制，促進(jìn)健身操運(yùn)動(dòng)技術(shù)的交流。積極組織不同的普及組健美操比賽，發(fā)現(xiàn)人才，加快普及組健美操在中學(xué)的影響力，通過比賽達(dá)到宣傳、交流、促進(jìn)普及組健美操發(fā)展的效果。

要將教練員、裁判員的培訓(xùn)工作列入項(xiàng)目推廣的首要工作，定期開展培訓(xùn)，培養(yǎng)專業(yè)人才，讓他們熟練掌握普及組健美操的專業(yè)知識(shí)，從而推動(dòng)學(xué)校乃至全國組健美操的發(fā)展，促進(jìn)健美操技術(shù)水平的提高。

從學(xué)校教育體系出發(fā)，將普及組健美操作為“體育、藝術(shù)2+1”項(xiàng)目工程的課外體育活動(dòng)，逐步建立從小學(xué)到大學(xué)普及組健美操運(yùn)動(dòng)員的培養(yǎng)體系，立足于校園，實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。

普及組健美操的推廣應(yīng)建立在黨委和政府的領(lǐng)導(dǎo)下，制訂教育、

體育、衛(wèi)生部門和共青團(tuán)組織等共同參加的聯(lián)席會(huì)議制度，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)完成，把普及組健美操的推廣作為陽光體育活動(dòng)的內(nèi)容，列入全民健身?xiàng)l例，加大普及組健美操推廣的經(jīng)費(fèi)投入，加強(qiáng)學(xué)校體育設(shè)施特別是健美操體育場地建設(shè)，并且在課余和節(jié)假日免費(fèi)或優(yōu)惠向大眾開放。

第3篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：吉首市 陽光體育 現(xiàn)狀 建議

1.1 研究對(duì)象

以吉首市普通中學(xué)陽光體育運(yùn)動(dòng)開展現(xiàn)狀為研究對(duì)象，結(jié)合隨機(jī)與整群抽樣的方法抽取吉首市一中，四中,雅思中學(xué)三所學(xué)校中的學(xué)生共600人為調(diào)查對(duì)象，其中男生315人，女生285人，體育教師共28人。

1.2 研究方法

文獻(xiàn)資料法;訪談法;問卷調(diào)查法;數(shù)理統(tǒng)計(jì)法;邏輯分析法

2.研究結(jié)果與分析

2.1吉首市普通中學(xué)開展陽光體育運(yùn)動(dòng)現(xiàn)狀調(diào)查

2.1.1吉首市普通中學(xué)師資力量現(xiàn)狀調(diào)查

體育教師是學(xué)校體育活動(dòng)的主導(dǎo)者，是“陽光體育”運(yùn)動(dòng)運(yùn)行好壞的“指揮棒”，因此學(xué)校體育的師資情況直接關(guān)系到學(xué)生“陽光體育”的落實(shí)情況，教師學(xué)歷的高低、體育教師的數(shù)量從一定程度上影響著教學(xué)質(zhì)量的提高，從調(diào)查來看吉首市普通中學(xué)教師學(xué)歷有待提高， 96%的體育教師均為大學(xué)本科，而碩士研究生僅占一小部分，其中大部分學(xué)校體育老師兼雙職。此外由于體育教師的結(jié)構(gòu)性缺編，體育教師和在校學(xué)生比例嚴(yán)重失調(diào)。這給陽光體育的開展造成一定影響。

2.1.2吉首市普通中學(xué)師生對(duì)陽光體育運(yùn)動(dòng)的了解程度調(diào)查

從調(diào)查得知，大部分體育教師對(duì)陽光體育這一概念還是比較了解，但學(xué)生對(duì)陽光體育的了解卻不容樂觀。在調(diào)查中有36% 的學(xué)生完全不了解這個(gè)概念;46% 的中學(xué)生只是基本了解;真正比較了解“陽光體育運(yùn)動(dòng)”的僅有18%。由此可知學(xué)生對(duì)陽光體育這一概念不清晰，學(xué)校和體育教師應(yīng)加大宣傳力度，使學(xué)生理解陽光體育的真正含義，自愿參與陽光體育運(yùn)動(dòng)，把身體鍛煉得更好。

2.1.3吉首市普通中學(xué)學(xué)生參加體育鍛煉時(shí)間的情況

從表1可以知，大部分學(xué)生不同程度地參加了體育活動(dòng)，只是每周運(yùn)動(dòng)的次數(shù)偏低，每次活動(dòng)的時(shí)間大部分都在三十分鐘以下。其中每周活動(dòng)五次以上的僅占一小部分。離我們“每天活動(dòng)1 h”的要求還有一定的差距。

2.1.4 吉首市普通中學(xué)有無陽光體育運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)撥款的調(diào)查

據(jù)調(diào)查得知，沒有專項(xiàng)撥款的學(xué)校達(dá)到64%，而有專項(xiàng)撥款的為35%。在資金方面，大部分學(xué)校還不到位，這直接影響到學(xué)校陽光運(yùn)動(dòng)的開展。通過訪談得知，小部分學(xué)校有一定的體育活動(dòng)經(jīng)費(fèi)，可資金很少。這是導(dǎo)致陽光體育未能很好實(shí)施的一個(gè)重要原因，原因主要是學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)陽光體育運(yùn)動(dòng)的不重視，把大量的人力，物力和財(cái)力用在其他科目上。

2.1.5吉首市普通中學(xué)場地器材現(xiàn)狀情況調(diào)查

據(jù)調(diào)查可知，學(xué)生進(jìn)行體育活動(dòng)的主要場所與器材的配備明顯不足，這與教育部規(guī)定的每生活動(dòng)場地面積為3平方米相比，明顯不成比例，通過我們對(duì)老師和學(xué)生的交談得知學(xué)校的體育器材比較缺乏，并且有些體育器材已經(jīng)比較陳舊，學(xué)校沒有進(jìn)行及時(shí)的更新體育設(shè)備。學(xué)校應(yīng)在體育的硬件和軟件上進(jìn)行改善。使學(xué)校體育能更好的發(fā)展。讓學(xué)生能有更加寬敞的活動(dòng)環(huán)境和更加標(biāo)準(zhǔn)的體育場地。

2.2 影響吉首市普通中學(xué)陽光體育運(yùn)動(dòng)開展的原因分析

2.2.1 吉首市普通中學(xué)學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)開展“陽光體育”運(yùn)動(dòng)的態(tài)度

學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)“陽光體育”運(yùn)動(dòng)的重視程度，直接影響到學(xué)校體育活動(dòng)的組織和開展，因此學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)開展“陽光體育”運(yùn)動(dòng)的態(tài)度是影響吉首市普通中學(xué)陽光體育運(yùn)動(dòng)開展的一個(gè)直接原因。

2.2.2 吉首市普通中學(xué)體育教師師資力量狀況

目前吉首市普通中學(xué)體育教師存在結(jié)構(gòu)性失調(diào)，體育教師的數(shù)量無法滿足學(xué)生的需要；因此，吉首市政府要加大教師人事改革，增大體育教師數(shù)量，注入年輕新力量，改革管理機(jī)制，以便更好的開展陽光體育運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 吉首市普通中學(xué)學(xué)校場地器材配備及資金情況

陽光體育運(yùn)動(dòng)的開展必須依賴于體育場地和器材，而體育器材的使用頻率高，需要投入大量的資金作為購買器材和維修,通過訪談與調(diào)查發(fā)現(xiàn)吉首市普通中學(xué)缺乏資金保障,體育器材得不到更新.因而使陽光體育運(yùn)動(dòng)沒有收到預(yù)期的效果.

3.結(jié)果與建議

3.1 結(jié)果

3.1.1吉首市普通中學(xué)的體育師資力量不足，體育教師和學(xué)生對(duì)陽光體育運(yùn)動(dòng)了解不透徹。每天的體育活動(dòng)時(shí)間達(dá)不到一小時(shí)。

3.1.2學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)陽光體育運(yùn)動(dòng)在校園的開展，還沒有形成足夠的重視，學(xué)校的場地器材條件有限。

3.1.3學(xué)校對(duì)開展陽光體育運(yùn)動(dòng)的經(jīng)費(fèi)缺乏；沒有充足的資金保障，另外，體育教師工作量大,新生力量補(bǔ)充不足。

3.2 建議

3.2.1學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)重視關(guān)心陽光體育運(yùn)動(dòng)，各級(jí)部門加強(qiáng)宣傳，制定詳細(xì)和長遠(yuǎn)的實(shí)施方案，設(shè)立專項(xiàng)資金，為陽光體育運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步開展提供條件保障。

3.2.2教育部門重視，建立和完善學(xué)校體育的管理制度，將學(xué)生每天一小時(shí)體育活動(dòng)納入學(xué)校督導(dǎo)內(nèi)容及評(píng)估體系，把學(xué)生體質(zhì)健康狀況作為評(píng)價(jià)教育工作的重要指標(biāo)。

3.2.3繼續(xù)升化學(xué)校體育改革，加大課程資源開發(fā)與利用，把課外體育活動(dòng)開展得豐富多彩，使之成為全體學(xué)生參與實(shí)踐陽光體育運(yùn)動(dòng)的主要形式。（作者單位：1.上海體育學(xué)院，體育教育訓(xùn)練學(xué)院；2.上海體育學(xué)院，中國乒乓球?qū)W院）

參考文獻(xiàn)

［1］ 教育部、國家體育總局、.關(guān)于全面啟動(dòng)全國億萬學(xué)生陽光體育運(yùn)動(dòng)的通知［Z］.教體藝［2006］6 號(hào)，2006-12-20.

［2］ 苗秀麗.開展億萬學(xué)生陽光體育運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)與思考［J］.哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(2)：43-44．

［3］ 朱志軍.陽光體育”伴新世紀(jì)青少年健康成長［J］.管理論壇,2007(8):47-48.

第4篇：光譜學(xué)分析范文

微觀量子“攝影師”的成長之路

聶博士于2007年畢業(yè)于中科院長春光機(jī)與物理研究所，凝聚態(tài)物理專業(yè)。他博士階段的工作側(cè)重于材料合成和發(fā)光動(dòng)力學(xué)研究。從微觀上來說，發(fā)光是接受能量躍遷到高能級(jí)的電子回到低能級(jí)并將能量以光的形式放出的過程。電子回到低能級(jí)之前，往往首先要經(jīng)過一系列密集的電子組態(tài)或振動(dòng)能級(jí)馳豫到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，而后通過發(fā)光釋放能量回到基態(tài)。聶博士意識(shí)到，他研究的發(fā)光過程其實(shí)是整個(gè)過程后期階段的表現(xiàn)，而當(dāng)時(shí)他的實(shí)驗(yàn)條件不具備足夠高的時(shí)間分辨來觀察電子前期弛豫的超快動(dòng)力學(xué)過程。拓展來講，人們研究的各種現(xiàn)象往往都是事件發(fā)展過程中的某一個(gè)階段的表現(xiàn)，那么事件的整體特征是什么，常常令人困惑。即使是對(duì)某一階段的表現(xiàn)，由于時(shí)間分辨的逐步提高，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也是層層深入的，愈“深入”愈精彩。人們認(rèn)識(shí)事件的時(shí)候，要么只是個(gè)大概，要么只是抓住了“大象”的一個(gè)“尾巴”或“耳朵”，對(duì)整頭“大象”好似一無所知。聶博士常常問自己：我們真的可以認(rèn)識(shí)這個(gè)世界嗎？這個(gè)在聶博士現(xiàn)在看來近似幼稚的問題在他心中纏繞了很多年。

聶博士表示，他很幸運(yùn)地遇到了他的恩師張家驊研究員和王笑軍教授，他們都是激光光譜學(xué)專家，并且張家驊研究員還負(fù)責(zé)講授《激光光譜學(xué)》這門課程。通過這門課程的學(xué)習(xí)他認(rèn)識(shí)到，超短脈沖激光的持續(xù)周期可以為飛秒（1飛秒=10-15秒）甚至亞飛秒，這為我們研究超快現(xiàn)象提供了刻度非常精細(xì)的時(shí)間“尺”，由此成為多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)的核心。這些超快激光技術(shù)就像“攝像機(jī)”一樣，可以使人們能夠?qū)ψ匀唤绲囊恍┧矐B(tài)現(xiàn)象進(jìn)行“錄像”，以幫助人們了解這些超快現(xiàn)象變化的過程。這門課程的學(xué)習(xí)，在他心里種下了利用超快激光光譜學(xué)研究微觀超快動(dòng)力學(xué)的種子。

這顆種子在聶博士畢業(yè)后的時(shí)間里，一直成長了8年。在這期間，他先后在韓國（延世大學(xué)和國立忠北大學(xué)）、日本（電氣通信大學(xué)小林孝嘉研究組）和新加坡（南洋理工大學(xué)Loh Zhiheng研究組）從事相關(guān)的超快和超強(qiáng)光物理研究。聶博士一路高歌猛進(jìn)，直到2016年回到祖國懷抱，在廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院任“百人計(jì)劃”特聘教授?；仡櫼酝?，他的研究工作涉及超快動(dòng)力學(xué)、超快光學(xué)技術(shù)、高密度光存儲(chǔ)、發(fā)光材料和發(fā)光動(dòng)力學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科。累計(jì)共發(fā)表文章39篇，包括ACS Nano， Phys. Rev. B， J. Phys. Chem. Lett.， Appl. Phys. Lett.， Opt. Lett.等業(yè)界廣泛認(rèn)可的文章37篇（SCI或EI收錄）。小種子已開花，這些工作已經(jīng)引起超強(qiáng)和超快激光光譜學(xué)及材料物理學(xué)等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

回顧過去，量子“舞臺(tái)”上看好“戲”

在國外近五年的研究工作中，聶博士沉浸在電子和聲子的世界里，研究這些量子們的“表演”與宏觀物理現(xiàn)象的必然聯(lián)系。電子，聲子，以及電-聲子耦合是凝聚態(tài)物理中許多現(xiàn)象的核心問題。在這個(gè)世界里，最關(guān)鍵的過程往往發(fā)生在皮秒、飛秒甚至亞飛秒量級(jí)。人類本身視覺的分辨能力只有1/24秒，根本不滿足這方面的要求。而亞10飛秒的時(shí)間分辨可以滿足這一層次大部分動(dòng)力學(xué)觀察的需要。比如，它可以有效地觀察載流子傳輸和弛豫、化學(xué)反應(yīng)過程中化學(xué)鍵斷裂和重新組合，還可以研究生物學(xué)上的光合作用等等。聶博士的工作主要是利用亞10飛秒的時(shí)間分辨泵浦-探測研究低維半導(dǎo)體納米材料和生物分子的超快電-聲子動(dòng)力學(xué)過程。

他的成果主要包括：（1）用亞10飛秒時(shí)間分辨光譜學(xué)技術(shù)，在國際上首次通過實(shí)驗(yàn)得出MoS2載流子熱能化時(shí)間小于20飛秒，同時(shí)發(fā)現(xiàn)載流子之間和載流子與聲子之間的兩種散射模式對(duì)載流子熱能化過程都有重要影響。（2）以往泵浦-探測光譜學(xué)的研究工作往往只考慮三階非線性極化率虛部的貢獻(xiàn)。聶博士采用亞5飛秒泵浦-探測光譜學(xué)，重新評(píng)估了實(shí)部對(duì)碳納米管聲子振幅譜的貢獻(xiàn)。這有利于人們深入理解當(dāng)時(shí)國際上尚有爭議的碳納米管聲子產(chǎn)生機(jī)理。（3）基于伯恩-奧本海默近似，電子和聲子的動(dòng)力學(xué)過程通常被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。聶博士采用亞5飛秒激光脈沖，在碳納米管中實(shí)現(xiàn)了通過控制電子運(yùn)動(dòng)來誘導(dǎo)納米管軸向聲子振蕩模式的改變。這啟示人們重新理解電-聲子耦合現(xiàn)象。（4）到目前為止，大多數(shù)飛秒泵浦-探測光譜學(xué)注重了正向時(shí)間（泵浦光到達(dá)樣品的時(shí)間早于探測光）的動(dòng)力學(xué)分析，聶博士進(jìn)一步研究了沿負(fù)向時(shí)間的動(dòng)力學(xué)過程，討論了碳納米管激發(fā)電子態(tài)的電子失相和振動(dòng)相位弛豫動(dòng)力學(xué)。這加深了人們對(duì)超快激光光譜學(xué)的理解。（5）通過非線性多光子吸收的原理，實(shí)現(xiàn)了在有機(jī)玻璃材料內(nèi)部不同深度層面上的多層數(shù)據(jù)點(diǎn)刻錄，并誘導(dǎo)數(shù)據(jù)點(diǎn)本身的光致發(fā)光。這種三維存儲(chǔ)模式可大大提高存儲(chǔ)密度和信噪比。所用材料成本低，穩(wěn)定性高，使用周期長，具有潛在的商用價(jià)值。

談到超快動(dòng)力學(xué)的研究意義，聶博士表示，超快動(dòng)力學(xué)的研究往往不會(huì)直接帶來實(shí)用的產(chǎn)品，但它是一項(xiàng)能協(xié)助多種學(xué)科在更深層次上認(rèn)識(shí)客觀世界本質(zhì)的技術(shù)。如今，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，飛秒超快動(dòng)力學(xué)的研究可以在實(shí)驗(yàn)和理論上，對(duì)光功能、新能源，化學(xué)反應(yīng)，生命現(xiàn)象等諸多領(lǐng)域提供重要的機(jī)理性指導(dǎo)。

第5篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：火焰原子吸收光譜；沼液；濕法消解；礦質(zhì)營養(yǎng)元素

中圖分類號(hào)：S182 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）12-2914-03

Determination of Mineral Nutrition Elements in Fermented Liquid by Temperature-Controlled Wet Digestion and Flame Atomic Absorption Spectrometry

JIANG Zhong-yuan1，HU Ming-hua1，AO Ke-hou1，WEI Jing-xu1，LUO Yan-wen2

（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Zunyi Normal College， Zunyi 563002，Guizhou，China；

2. Court of Zunyi Product Quality Inspection Detection， Zunyi 563002，Guizhou，China）

Abstract： Temperature-controlled HNO3-H2O2 wet digestion and flame atomic absorption spectrometry were employed for determination of mineral elements in the fermented liquid residue of livestock dung. The mineral elements， including K， Mg， Na， Fe， Ca， Mn， Cu and Zn in fermented liquid were analyzed. The results showed that the correlation coefficient（r） of each mineral element’s quantitative standard curve was above 0.999 3， the quantitation limit was 0.90～67.0 ng/L， the relative standard deviation was 0.79%～2.51%， and the standard addition recovery rate was 95%～103%. It was found that the average content of the 8 mineral elements in fermented liquid was in a descending order of K， Na， Ca， Mg， Fe， Mn， Zn and Cu.

Key words： flame atomic absorption spectrometry； fermented liquid； wet digestion； mineral element

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沼氣技術(shù)的應(yīng)用與推廣日益廣泛，沼氣發(fā)酵殘留物的開發(fā)應(yīng)用問題也倍受人們關(guān)注。而沼液作為人畜糞便等有機(jī)物在厭氧條件下充分發(fā)酵后的液體殘余物[1]，不僅含有N、P、K等營養(yǎng)元素，而且含有豐富的腐殖酸、有機(jī)質(zhì)、氨基酸、生長激素及有益菌群等營養(yǎng)物質(zhì)，其營養(yǎng)全面，養(yǎng)分利用率高，是一種多元的速效復(fù)合肥[2]。沼液在作物種植中不僅能顯著地改良土壤，確保農(nóng)作物生長所需的良好微生物環(huán)境，還有利于增強(qiáng)作物抗凍、抗旱能力，減少病蟲害，提高作物產(chǎn)量[3]。原料中含有的礦物元素在發(fā)酵過程中，參與了微生物代謝過程，但最后又殘留于沼殘液中。因此，開展針對(duì)沼液中礦質(zhì)元素及其含量范圍的分析研究，將有助于促進(jìn)畜牧養(yǎng)殖糞污發(fā)酵殘留物在肥料、飼料、浸種、植物生長激素和生物農(nóng)藥等方面的應(yīng)用，并為相關(guān)應(yīng)用提供科學(xué)參考。

必需礦質(zhì)元素K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Ca及Mg對(duì)動(dòng)植物正常生長和生產(chǎn)不可或缺，在動(dòng)植物體內(nèi)具有重要的營養(yǎng)生理功能。目前，已建立了上述元素在環(huán)境、食品、醫(yī)藥、生物、地質(zhì)等樣品中的檢測方法[4-11]，但是溫控濕法消解-火焰原子吸收光譜測定法應(yīng)用于沼液的礦質(zhì)元素及其含量檢測方面的報(bào)道較少。本試驗(yàn)通過溫控濕法消解-火焰原子吸收光譜，建立了沼液中多種礦質(zhì)元素的分析方法，以期為腐熟水溶性速效肥中的礦質(zhì)元素檢測提供有益探索，也為肥料中礦質(zhì)元素含量檢測提供一種快速、便捷、靈敏的方法。

1 材料與方法

1.1 試劑

H2O2、HNO3、HCl均為優(yōu)級(jí)純試劑，購于國藥試劑有限公司，試驗(yàn)用水為去離子水。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液： 1 000 μg/mL Mn、Cu、Zn、Ca、Mg、K、Na、Fe標(biāo)準(zhǔn)溶液（中國計(jì)量科學(xué)研究院）。

1.2 儀器

TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限公司）；電子天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)）；AKDL-II-16超純水儀（成都康寧實(shí)驗(yàn)專用純水設(shè)備廠）。所有器皿均用4 mol/L HCl浸泡24～48 h，然后用去離子水沖洗3～4次，待用。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備 取適量K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液，逐級(jí)稀釋成標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液（表1），在儀器工作條件下測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度及樣品溶液的吸光度。

1.3.2 樣品采集及處理 將采集的不同地區(qū)沼液樣品渦旋混勻，準(zhǔn)確量取10 mL沼液樣品于50 mL燒杯，用少許5%（m/V，下同）HNO3潤洗移液管內(nèi)壁并移入燒杯中，加入10 mL 30%（V/V）H2O2和20 mL濃HNO3，蓋上表面皿，于控溫電熱板上逐漸升溫至120 ℃。消解至消解液澄清、透明且無懸浮物，剩余溶液體積≤10 mL，取下冷卻至室溫，用5% HNO3定容于15 mL比色管中，過水系濾膜（？準(zhǔn)=0.45 μm）后，按表2條件測定[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

對(duì)1.3.1中標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液進(jìn)行測定，由儀器自動(dòng)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線和確定線性相關(guān)系數(shù)，確定檢出限，結(jié)果見表3。

2.2 樣品測定

對(duì)來自于4個(gè)地區(qū)畜牧養(yǎng)殖糞污經(jīng)厭氧發(fā)酵的剩余沼液中的礦質(zhì)元素含量進(jìn)行了測定，結(jié)果見表4。

2.3 回收率和準(zhǔn)確度分析

為考察方法的可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)品加入法測定各元素的平均回收率來確定方法的準(zhǔn)確性。設(shè)定0.5、1.0、2.0 mg/kg 3個(gè)添加水平，按照優(yōu)化條件檢測，K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg回收率都在96%～101%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.56%～3.01%。結(jié)果表明，采用溫控HNO3-H2O2濕法消解-火焰原子吸收光譜分析方法測定上述8種礦質(zhì)元素穩(wěn)定性好，結(jié)果可靠準(zhǔn)確，能夠滿足檢測要求。

2.4 精密度分析

按照1.3.2處理，對(duì)某地區(qū)沼液樣品平行測定6次，計(jì)算測定方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%，誤差在痕量分析允許范圍內(nèi)，表明方法精密度良好。

3 結(jié)論

建立了沼液中礦質(zhì)元素的溫控HNO3-H2O2濕法消解-火焰原子吸收光譜檢測8種礦質(zhì)元素的分析方法。試驗(yàn)中采用強(qiáng)氧化性物質(zhì)的氧化作用破壞樣品中的有機(jī)物質(zhì)，使待測元素溶解于溶液中，使混合酸與樣品中有機(jī)物大分子作用完全，消化省時(shí)、徹底、不容易造成損失。由結(jié)果可知，在沼液中的礦質(zhì)元素中K、Na、Ca含量較高，而Cu含量最低。該方法操作簡便，分析速度快，精密度和準(zhǔn)確度都符合要求，可為腐熟水溶性速效肥中礦質(zhì)元素的檢測提供有效的分析方法。

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第6篇：光譜學(xué)分析范文

4 246．7 cm－1優(yōu)化光譜范圍內(nèi)，所建的偏最小二乘法分析模型的內(nèi)部交叉驗(yàn)證均方差RMSECV僅為0．767，決定系數(shù)R2達(dá)到0．827 9。所建模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測臍橙的糖酸比，為臍橙糖酸比的測定提供一種快速簡便的無損檢測方法。

關(guān)鍵詞：臍橙；糖酸比；近紅外光譜；模型優(yōu)化

中圖分類號(hào)：O657．33；S666．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0439－8114（2011）13－2753-03

Nondestructive Determination of Sugar－acid Ratio of Navel Orange by Near

Infrared Spectroscopy

HU Run－wen1，GAO Hai－zhou2，XIA Jun－fang1

（1． College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070，China；

2． School of Electrical and Electronic Information Engineering， Huangshi Institute of Technology， Huangshi 435003，Hubei，China）

Abstract： In order to measure sugar－acid ratio of navel orange fast， a calibration model between the information of the near infrared （NIR） spectra of navel orange samples and chemical analysis of the sugar－acid ratio was established by scanning the navel orange samples with near infrared diffusive spectroscopy， and the effects of different spectral data preprocessing methods and different spectral range on near infrared spectroscopy （NIRS） nondestructive determination of sugar－acid ratio were analyzed． The results showed that Multiplicative Scatter Correction（MSC） was obviously superior to the other spectral data preprocessing methods． In 7 502．1～5 446．2 cm－1 and 4 601．5～4 246．7cm－1 optimized spectral range， the Root mean square errors of Cross－Validation （RMSECV） obtained by Partial least squares（PLS） model was 0．767， the correlation coefficient R2 between prediction and true values was 0.827 9． The model could accurately predict the sugar－acid ratio of navel orange， and a fast and convenient method of sugar－acid ratio determination was established．

Key words： navel orange； sugar－acid ratio； near－infrared； model optimization．

臍橙品質(zhì)優(yōu)良、無子、色澤鮮艷，且營養(yǎng)豐富，含有人體所必需的各類營養(yǎng)成分，是世界各地競相栽培的柑橘良種。甜酸度是臍橙果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的重要指標(biāo)，它在很大程度上取決于果實(shí)內(nèi)所含糖的種類、數(shù)量以及有機(jī)酸含量和糖酸比，而且糖酸比還反映了果實(shí)總糖和有機(jī)酸的相對(duì)含量［1，2］。在貯藏過程中，臍橙內(nèi)部品質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，為了適時(shí)地掌握臍橙內(nèi)部品味，貼牌銷售，提高臍橙的商品價(jià)值，簡單、快捷、準(zhǔn)確的檢測方法和手段是必要的。

近紅外光譜分析技術(shù)（Near infrared spectroscopy）是利用近紅外光譜區(qū)包含的物質(zhì)信息進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)定性和定量分析的一種分析技術(shù)。由于其光譜信號(hào)容易獲取、光譜分析信息量豐富、檢測快速無損等特點(diǎn)，使近紅外光譜分析成為一類新型的分析技術(shù)。近紅外分析技術(shù)已在石油、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用［3，4］。夏俊芳［5］已提出了臍橙內(nèi)部品質(zhì)近紅外光譜快速無損檢測方法，包括總糖、總酸、維生素C、可溶性固形物等。國內(nèi)外學(xué)者利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)臍橙的定量無損檢測和分級(jí)均取得了很好的效果［6－10］，然而近紅外光譜快速檢測臍橙糖酸比的研究國內(nèi)外報(bào)道得還不多。研究旨在應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)，建立臍橙糖酸比的預(yù)測模型，為臍橙的糖酸比快速檢測及在線分級(jí)提供依據(jù)。

1材料與方法

1．1臍橙樣品收集與光譜采集

從江西省定南縣果園里隨機(jī)采集90個(gè)臍橙作為試驗(yàn)樣品。臍橙樣品由德國布魯克儀器公司生產(chǎn)的BRUKER Fr－NIR（VECTOR22N型）傅立葉近紅外光譜儀進(jìn)行近紅外光譜掃描。將掃描參數(shù)設(shè)置為：光譜掃描范圍為10 000～4 000 cm－1，鍍金漫反射體作背景，分辨率為8 cm－1，掃描次數(shù)為64。掃描時(shí)將臍橙整果的橫向最大直徑部位置于旋轉(zhuǎn)樣品杯上，在臍橙“赤道”上相對(duì)90°方向做4次光譜采集，得到每個(gè)樣品的4條普通光譜，并將每個(gè)樣品的4條普通光譜在OPUS軟件中計(jì)算得到平均光譜，以每個(gè)樣品的平均光譜作為原始光譜數(shù)據(jù)。90個(gè)樣品的原始光譜見圖1。

1．2樣品糖酸比的化學(xué)測定

將掃描光譜后的臍橙樣品分別測定其可溶性總糖和總酸的含量?？扇苄钥偺堑臏y定方法為硫酸苯酚比色法［11］，測得樣品的濃度范圍為9．768％～

15．159％；總酸含量的測定參照文獻(xiàn)［12］采用酸堿滴定法，測得樣品的濃度范圍為0．454％～1．094％。用可溶性總糖與總酸的比作為糖酸比，測得樣品糖酸比的范圍為14．398～24．133。

2結(jié)果與分析

應(yīng)用德國布魯克儀器公司的OPUS定量分析軟件，將樣品光譜與化學(xué)分析值結(jié)合，建立偏最小二乘法（PLS）校正模型，并利用驗(yàn)證集樣品預(yù)測模型的有效性。有效的光譜預(yù)處理方法和有效的光譜波段范圍是影響模型預(yù)測精度的關(guān)鍵因素。用于建模的原始光譜在采集過程中可能受測量條件、光譜儀器狀態(tài)和周圍溫度等影響，導(dǎo)致原始光譜可能存在不同的噪聲，因此在利用光譜數(shù)據(jù)建模前，須分析比較不同光譜預(yù)處理方法對(duì)臍橙糖酸比定量模型的影響。另外，還需要對(duì)建立模型的有效光譜波段范圍進(jìn)行選擇，對(duì)不同波段范圍內(nèi)的定量分析模型進(jìn)行對(duì)比分析，確定最優(yōu)波段組合，找出光譜與待測信息之間的關(guān)系。

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2．1異常樣品的剔除

采用OPUS 5．5定量分析軟件，將90個(gè)臍橙樣品劃分得到校正集樣品78個(gè)，驗(yàn)證集樣品12個(gè)。由于采集光譜數(shù)據(jù)、進(jìn)行化學(xué)分析測定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)會(huì)因操作、環(huán)境溫度引起誤差而產(chǎn)生異常樣品，這些異常樣品對(duì)校正模型的影響很大，必須將其從校正集中剔除。采用基于預(yù)測濃度殘差準(zhǔn)則［13］逐個(gè)剔除異常樣品，經(jīng)過異常樣品剔除后的校正集樣品74個(gè)。

2．2預(yù)處理方法的選擇和光譜波段的優(yōu)化

儀器狀態(tài)、樣品狀態(tài)與測量條件在掃描過程中的差異會(huì)造成NIR光譜發(fā)生細(xì)微的變化，通過對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理可以消除這些影響，改善模型的性能。連續(xù)譜區(qū)的近紅外光譜數(shù)據(jù)雖然可以應(yīng)用基于全光譜數(shù)據(jù)分析的偏最小二乘法（PLS）建立數(shù)學(xué)模型，但選擇合適的譜區(qū)范圍是必要的。建模前對(duì)光譜波長范圍進(jìn)行篩選，可以避免引入多余的信息，改善數(shù)學(xué)模型的性能，提高計(jì)算速度。試驗(yàn)在OPUS 5．5軟件中采用了10種光譜預(yù)處理方法消噪，并結(jié)合PLS進(jìn)行建模。由表1可知，采用不同的光譜預(yù)處理方法及不同的光譜范圍得到的決定系數(shù)R2和內(nèi)部交叉驗(yàn)證均方差RMSECV有顯著不同。

由表1可以看出，各種光譜預(yù)處理對(duì)所建模型的預(yù)測效果存在較大的差異。所建模型效果最好的預(yù)處理方法是多元散射校正（MSC），其內(nèi)部交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.827 9，內(nèi)部交叉驗(yàn)證均方差（RMSECV）僅為0．767。其次是MMN，決定系數(shù)R2為0.821 8，RMSECV為0．780。這兩種光譜預(yù)處理方法均比在沒有光譜預(yù)處理情況下所建的PLS模型效果好。效果最差的是二階導(dǎo)數(shù)，其PLS模型的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.634 0，RMSECV高達(dá)1．120。試驗(yàn)表明，MSC有效地去除了光譜噪聲，提高了分析信號(hào)質(zhì)量，是適合建立臍橙糖酸比PLS模型的最佳光譜預(yù)處理方法。MMN在要求不高的情況下也可用來作臍橙糖酸比PLS模型的預(yù)處理方法。

2．3臍橙糖酸比模型的建立

經(jīng)模型優(yōu)化后得到的PLS定量校正模型：光譜預(yù)處理方法為多元散射校正，光譜波段范圍為

7 502．1～5 446．2 cm－1和4 601．5～4 246．7 cm－1，最佳主成分?jǐn)?shù)為9，決定系數(shù)R2為0.827 9。內(nèi)部交叉驗(yàn)證均方差（RMSECV）為0．767。校正集的真實(shí)值和預(yù)測值的關(guān)系如圖2所示，可以看出臍橙光譜與糖酸比之間具有良好的相關(guān)性。

2．4對(duì)驗(yàn)證集樣品中臍橙糖酸比的預(yù)測

使用上述建立的PLS模型對(duì)驗(yàn)證集中的12個(gè)樣品進(jìn)行預(yù)測，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。驗(yàn)證集中的臍橙糖酸比真實(shí)值與預(yù)測值的關(guān)系見圖3，其驗(yàn)證集的決定系數(shù)R2為0.833 5，預(yù)測均方差（RMSEP）為0．934，從圖中也可以看出，樣品的真實(shí)值與預(yù)測值之間具有良好的線性關(guān)系，建立的模型可以滿足臍橙糖酸比的快速檢測要求。

3討論

通過對(duì)臍橙糖酸比近紅外光譜模型的建立，探討了不同的光譜預(yù)處理方法、不同的譜區(qū)范圍和不同主成分?jǐn)?shù)的選擇對(duì)建立近紅外光譜模型的R2值與RMSECV值的影響。并由此可知，選擇合適的預(yù)處理方法、恰當(dāng)?shù)淖V區(qū)范圍和最佳主成分?jǐn)?shù)對(duì)校正模型的建立是非常必要的。優(yōu)化后的模型有效地消除了由于儀器狀態(tài)、樣品狀態(tài)與測量條件對(duì)采集到的光譜的影響，利用優(yōu)化好的模型，建立了臍橙的糖酸比近紅外光譜分析模型。試驗(yàn)表明本研究建立的臍橙糖酸比近紅外光譜分析模型具有較好的預(yù)測能力，為臍橙糖酸比的預(yù)測提供了一種可行的快速無損檢測方法。

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第7篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：光譜法；農(nóng)藥；DNA；相互作用

中圖分類號(hào)：TQ450.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）01-0005-03

Spectroscopic Analyses on the Interaction of Pesticides and DNA

XU Hang-jie，LI Jing，ZHANG Quan，ZHOU Cong，LU Mei-ya，YE Jing-jia

（Environmental Science Research Center， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310032， China）

Abstract： Analyzing the interaction of DNA and pesticides with spectrometry including ultraviolet-visible absorption spectroscopy， fluorescent spectroscopy， circular dichroism spectroscopy， infrared spectroscopy， resonance light scattering spectroscopy and Raman spectroscopy was reviewed. Results showed that spectroscopy was highly effective and powerful for studing the interaction of DNA and pesticides， and would promote understanding molecular mechanisms of the genotoxicity of pesticides.

Key words： spectroscopy； pesticide； DNA； interaction

收稿日期：2013-06-25

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2012M521180）

作者簡介：許杭杰（1989-），男，浙江杭州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)藥與DNA的相互作用，（電話）0571-88320265（電子信箱）

；通訊作者，張 全，博士，（電子信箱）。

農(nóng)藥是一類由人類主動(dòng)投放到環(huán)境當(dāng)中用來防治農(nóng)作物病蟲草害和其他有害生物的藥劑的統(tǒng)稱。隨著社會(huì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)集約化要求的不斷加強(qiáng)，對(duì)農(nóng)藥的需求也在不斷增加，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)農(nóng)藥的作用是不可替代的。然而大量的事實(shí)證明，農(nóng)藥的廣泛使用已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要原因之一。DNA是生物體的重要組成部分，是生物遺傳信息的主要載體。農(nóng)藥能通過飲食、呼吸、皮膚接觸等途徑進(jìn)入機(jī)體，可能與DNA相互作用后不同程度地導(dǎo)致DNA的結(jié)構(gòu)及其功能的變化，對(duì)生物體產(chǎn)生持久性危害[1-4]，進(jìn)而引發(fā)潛在的生態(tài)安全和健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，關(guān)于農(nóng)藥與DNA之間相互作用而導(dǎo)致遺傳物質(zhì)誘變已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[5]。

農(nóng)藥與DNA的作用方式主要有三種：非共價(jià)鍵結(jié)合、共價(jià)鍵結(jié)合和剪切作用。其中非共價(jià)鍵結(jié)合又可分為靜電結(jié)合、溝槽結(jié)合和嵌插結(jié)合[6]。農(nóng)藥與DNA作用后可能導(dǎo)致DNA構(gòu)象變化、鏈聚合或斷裂、堿基脫落、堿基被修飾、交聯(lián)、重組等[7-9]，亦即體系的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定變化（圖1）。人們采用多種方法（生物學(xué)方法、光譜法、電化學(xué)法和色譜法等）從不同角度探索這些變化，進(jìn)而判斷作用方式和闡述作用機(jī)理[10]。本文綜述了常用于研究農(nóng)藥與DNA相互作用的光譜方法原理和應(yīng)用。

1 紫外可見光譜法

紫外可見光譜法是研究農(nóng)藥與DNA相互作用的一種最方便、最常用的技術(shù)[11]。小分子與DNA的相互作用會(huì)引起吸收帶的紅移（藍(lán)移）現(xiàn)象或增色（減色）效應(yīng)。增色效應(yīng)是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞的結(jié)果，減色效應(yīng)則是DNA分子軸向收縮、構(gòu)象變化的結(jié)果。吸光度減小、吸收帶紅移以及等吸收點(diǎn)的形成是小分子與生物DNA發(fā)生嵌插作用的光譜標(biāo)志[12]。嵌插作用對(duì)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用，可導(dǎo)致熔鏈溫度Tm值增大5～8 ℃，而非嵌插作用的小分子不會(huì)使Tm值增大得如此明顯。邵華等[11]已采用紫外光譜法研究農(nóng)藥的DNA加合作用，結(jié)果表明馬拉硫磷、呋喃丹、氯氰菊酯及兩兩混配后均可能與哺乳動(dòng)物DNA結(jié)合，引起DNA的紫外譜圖發(fā)生明顯的波長位移，甚至產(chǎn)生新的波峰[12]。Farhad等[13]也利用紫外和熒光光譜法發(fā)現(xiàn)二嗪農(nóng)能使小牛胸腺DNA（Calf thymus DNA，ct DNA）光譜產(chǎn)生藍(lán)移。此外，劉偉等[14]研究了農(nóng)藥毒死蜱對(duì)小牛胸腺DNA和蠶豆根尖細(xì)胞的損傷作用。結(jié)果表明，它使得小牛胸腺DNA吸收光譜在207 nm處的吸收峰出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，隨著藥劑濃度的增加，譜圖出現(xiàn)了減色效應(yīng)。

2 熒光光譜法

熒光光譜法作為一種快速、靈敏的光譜分析方法也廣泛用于農(nóng)藥與DNA相互作用的研究。通過對(duì)熒光參數(shù)（如熒光偏振、熒光強(qiáng)度等）的測定，可獲得許多關(guān)于農(nóng)藥與DNA相互作用的信息。農(nóng)藥與DNA作用后熒光偏振的變化是判斷農(nóng)藥是否與DNA發(fā)生嵌插作用的標(biāo)志之一。借助熒光強(qiáng)度的變化，可測得農(nóng)藥與DNA的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和作用方式等。

對(duì)于熒光很弱的農(nóng)藥，可借助熒光探針進(jìn)行研究。溴化乙錠（Ethidium bromide，EB）是較為常用的一類探測農(nóng)藥與DNA相互作用的熒光探針，利用EB-DNA體系的熒光變化，可判定農(nóng)藥與DNA的作用方式。孟慶翔等[15]選用溴化乙錠（EB）為熒光探針，考察了阿特拉津濃度、磷酸鹽、離子強(qiáng)度以及碘化鉀對(duì)系統(tǒng)熒光的影響。結(jié)果表明，阿特拉津?qū)tDNA-EB體系的熒光存在淬滅現(xiàn)象，并同時(shí)存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種淬滅方式。張立金等[16]對(duì)農(nóng)藥甲萘威（Carbaryl）對(duì)ct DNA的損傷作用也進(jìn)行了初步的探討，證明甲萘威的確對(duì)DNA具有一定的損傷作用，而這種損傷可能和甲萘威與DNA的相互作用有關(guān)。

3 圓二色光譜法

圓二色光譜（Circular dichroism，CD）是測定樣品對(duì)左、右旋偏振光的吸光度差。樣品是否有圓二色性取決于樣品的發(fā)色團(tuán)是否具有手性。一般可通過農(nóng)藥對(duì)DNA的圓二色信號(hào)的改變判斷DNA構(gòu)象的變化，如果DNA在280 nm附近圓二色信號(hào)無變化，可排除農(nóng)藥與DNA作用方式是嵌插作用。Soheila等[17]對(duì)二嗪農(nóng)對(duì)DNA的CD光譜進(jìn)行了研究，結(jié)果在280 nm處發(fā)現(xiàn)峰形未發(fā)生變化，表明二嗪農(nóng)與DNA的作用是非嵌插作用。Farhad等[18]用CD證明了有機(jī)氯殺蟲劑2，4-D與DNA亦可發(fā)生作用。

4 紅外光譜法

當(dāng)紅外光照射時(shí)，物質(zhì)的分子將吸收紅外輻射，引起分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷，所產(chǎn)生的分子吸收光譜成為紅外吸收光譜。近年來，傅里葉變換紅外光譜法在小分子與DNA相互作用的研究中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[19]報(bào)道了致癌物質(zhì)Diethylstilbestrol（DES）與ct DNA之間的作用模式、結(jié)合常數(shù)、序列選擇性以及DNA結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化情況。當(dāng)DES濃度較低時(shí)，A·T富集區(qū)是DES與DNA發(fā)生嵌插作用的主要位點(diǎn)，伴隨著這種嵌插結(jié)合過程，DNA逐漸由B型向A型轉(zhuǎn)變；當(dāng)DES藥物濃度較高時(shí)，DES與G·C堿基發(fā)生作用，并削弱了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Zhou等[20]通過紅外等光譜手段研究了聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）與DNA之間的作用方式。紅外光譜研究結(jié)果表明，PDDA與DNA分子中的堿基和磷酸基團(tuán)發(fā)生了作用，且DNA/PDDA復(fù)合物的形成導(dǎo)致DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生了變化。

5 共振光散射和拉曼光譜法

共振光散射技術(shù)一般檢測物體的共振瑞利光信號(hào)。利用農(nóng)藥誘導(dǎo)DNA共振光信號(hào)的變化可探測DNA的構(gòu)象變化、聚集和超螺旋結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而推斷農(nóng)藥與DNA的作用方式[21，22]。拉曼光譜屬于振動(dòng)光譜，共振拉曼效應(yīng)極大提高了拉曼光譜的靈敏度。拉曼光譜法對(duì)農(nóng)藥與DNA的分析主要研究其構(gòu)象的變化、堿基的損傷、氫鍵的斷裂和單雙鏈的斷裂等。周殿鳳等[23]的研究結(jié)果表明，ct DNA在253.7 nm處受到紫外輻射的損傷作用最嚴(yán)重，DNA的構(gòu)象受到破壞，DNA的構(gòu)型發(fā)生變化，部分單雙鍵發(fā)生斷裂，出現(xiàn)了各種各樣由于DNA鍵斷裂產(chǎn)生的多核苷酸。Wen等[24]運(yùn)用拉曼光譜對(duì)病毒DNA在不同波段處的吸收進(jìn)行了研究。

綜上所述，光譜方法在農(nóng)藥與DNA相互作用的研究中應(yīng)用十分廣泛，不同的光譜法互相驗(yàn)證可提供更準(zhǔn)確的信息。紫外方法檢測紫外吸收的差別有簡單、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但紫外可見光譜反映的信息量有限；熒光光譜有多種熒光參數(shù)可利用，能推斷農(nóng)藥與DNA的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和作用方式等；而且紫外方法和熒光方法又常受限于一些物質(zhì)，如紫外吸收信號(hào)或熒光信號(hào)弱，又或與DNA光譜重疊等問題。圓二色譜、紅外色譜、共振光散射和拉曼光譜法都是檢測DNA結(jié)構(gòu)變化的有效方法，圓二色譜對(duì)手性分子的檢測具有一定的優(yōu)勢，有可能在手性農(nóng)藥與DNA相互作用的研究中發(fā)揮更大的作用。紅外光譜由于受水的紅外吸收的影響而限制了其在水溶液體系中的應(yīng)用。因此，研究農(nóng)藥與DNA的相互作用常要求結(jié)合多種光譜方法互相驗(yàn)證。

6 展望

目前，關(guān)于農(nóng)藥與DNA相互作用的研究主要集中在少數(shù)幾種農(nóng)藥上，且基本上使用紫外光譜法、熒光光譜法和彗星實(shí)驗(yàn)這三種方法來評(píng)價(jià)農(nóng)藥對(duì)DNA的損傷作用。如果再結(jié)合其他的分析技術(shù)如電化學(xué)方法等從不同角度進(jìn)行多方位、多層次的研究，對(duì)農(nóng)藥與DNA作用的方式和機(jī)理的了解會(huì)更加深入。此外，隨著手性農(nóng)藥在目前使用的農(nóng)藥中所占比例越來越大，以及它們在生物體上表現(xiàn)出的潛在生物效應(yīng)如毒性、致癌性、致突變性等對(duì)映體的選擇性[25]，建立一種能夠準(zhǔn)確可靠的研究手性農(nóng)藥對(duì)映體水平上遺傳毒性的差異的快速評(píng)價(jià)方法將顯得尤為重要，因此開展手性農(nóng)藥與DNA相互作用研究的光譜法研究是一個(gè)重要的領(lǐng)域，能為手性農(nóng)藥的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)提供更為寶貴的科學(xué)依據(jù)。

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第8篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：懸浮物； 差分探測； 光散射

中圖分類號(hào)： TN 249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.004

Abstract：A method based on laser difference detection for measuring suspended matter concentration is introduced in the paper. It can be used for the concentration measurement of suspended particles such as smog， dust and other aerosols. Based on the light scattering effect of the suspended particles， realtime monitoring of the suspended particles without changing their properties can be achieved. By means of a direct amplification of the differential signal of the test and reference light， fluctuations of the laser energy can be reduced. The measuring principles and methods are presented in detail. Through the study of the light decaying mechanism during laser propagating in the suspended particles， the relationship between the suspended matter concentration and light intensity attenuation is deduced. We also build a laser differential detection system for the measurement of the suspended matter concentration. By measuring the smog of known concentration， practical feasibility of the measurement method is verified.

Keywords： suspended matter； difference detection； light scattering

引 言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大氣中懸浮物的污染越來越嚴(yán)重，極度危害著大氣環(huán)境質(zhì)量和人類健康。因此，懸浮物質(zhì)量濃度的測量在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域有著十分重要的意義[1]。

目前，國內(nèi)外對(duì)于粉塵質(zhì)量濃度檢測技術(shù)的研究越來越重視，經(jīng)過對(duì)懸浮物質(zhì)量濃度檢測技術(shù)的多年研究，可將其質(zhì)量濃度的檢測方法分為兩大類：非光學(xué)分析法和光學(xué)分析法。其中非光學(xué)分析法主要有黑度法、超聲波技術(shù)、氣敏法、熱催化法等；光學(xué)分析法主要有光干涉法、差分吸收光譜技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)和拉曼散射激光雷達(dá)技術(shù)等[2]。非光學(xué)分析法已經(jīng)在這一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于檢測設(shè)備響應(yīng)速度慢，處理復(fù)雜，難于對(duì)懸浮物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，也無法進(jìn)行遙感監(jiān)測，其應(yīng)用范圍受到限制。

相比較于非光學(xué)分析法，基于光學(xué)分析的氣體濃度檢測技術(shù)具有探測靈敏度高、選擇性強(qiáng)、可探測的氣體種類多、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適合現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測，成本較低，必將成為未來懸浮物質(zhì)量濃度檢測的理想工具。光干涉法是利用光的折射率與被測氣體的含量來檢測氣體體積分?jǐn)?shù)，測量環(huán)境，如溫度、濕度、壓力等會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。差分吸收光譜技術(shù)是根據(jù)大氣中衡量氣體成分在紫外和可見光譜波段的特征吸收性質(zhì)來反演其種類和質(zhì)量濃度[34]。差分技術(shù)可消除大氣湍流對(duì)信號(hào)的影響，不同污染物之間的干擾和濕度、氣溶膠的干擾，能夠滿足連續(xù)監(jiān)測的要求，但是該方法要根據(jù)吸收光譜的變化快慢對(duì)光譜進(jìn)行分解，只適用于具有窄帶吸收結(jié)構(gòu)的氣體，對(duì)不同的氣體監(jiān)測需要安裝不同的光程和接收裝置，操作過于復(fù)雜[5]?？烧{(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種高靈敏、高分辨率的大氣衡量氣體吸收光譜檢測技術(shù)，但是該方法調(diào)諧范圍有限，限制了可探測的氣體種類。拉曼散射激光雷達(dá)是根據(jù)激光拉曼散射光頻率相對(duì)于入射光頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生拉曼頻移，其頻移量取決于大氣中的氣體成分而實(shí)現(xiàn)測量的，該方法的檢測精度、線性度和信噪比還有待進(jìn)一步提高。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)懸浮物的實(shí)時(shí)探測，使相對(duì)誤差控制在15%之內(nèi)，根據(jù)懸浮物顆粒對(duì)光的散射信息來測量散射顆粒的質(zhì)量濃度、大小及尺寸分布情況[67]，提出一種基于激光差分探測的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法，采用光散射的方法進(jìn)行差分檢測，將單光源分為雙光路既可消除檢測時(shí)光強(qiáng)等的干擾，又避免了使用雙光源檢測而引入的差異，同時(shí)考慮在適當(dāng)?shù)纳⑸淠Ｐ椭懈淖兗す忸l率大小來觀察測試結(jié)果的變化，以改善對(duì)懸浮物質(zhì)量濃度的測量精度。

2 激光差分懸浮顆粒質(zhì)量濃度探測系統(tǒng)與差分探測電路設(shè)計(jì)

根據(jù)激光在懸浮物顆粒中傳播的散射原理，當(dāng)光通過不均勻介質(zhì)以后，光強(qiáng)要發(fā)生衰減。當(dāng)一束單色平行光照射到懸浮物顆粒中并傳播一定長度的距離時(shí)，由于微粒的散射作用，出射光強(qiáng)會(huì)有一定程度的衰減，由朗伯-比爾（LambertBeer）光透射定律可得到出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的關(guān)系。

系統(tǒng)總體方案如圖2所示，采用雙光路差分探測方法。該懸浮物濃度檢測系統(tǒng)包括光源穩(wěn)定控制模塊、半導(dǎo)體激光器、λ/2波片、偏振分束器、反光鏡、光電差分探測器、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)等。除探測光光路暴露于測試環(huán)境之中，整個(gè)懸浮物質(zhì)量濃度檢測裝置位于一個(gè)密閉腔體之內(nèi)。半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生功率穩(wěn)定的線偏振激光輸出。λ/2波片用于調(diào)整激光的偏振方向，使之以適當(dāng)?shù)钠窠侨肷涞狡穹质魃?。偏振分束器將偏振光分為兩偏振方向相互垂直的線偏振激光，配合λ/2波片，可以得到功率完全相等的兩束激光。一束激光作為參考光送入差分探測器的一個(gè)光電傳感器上，另一束光作為探測光經(jīng)過待測環(huán)境中的懸浮物后照射到差分探測器的另一個(gè)光電傳感器上[910]。

探測光光強(qiáng)經(jīng)過測試環(huán)境中的懸浮物時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，與未經(jīng)過測試環(huán)境的參考光光強(qiáng)產(chǎn)生差分信號(hào)。光電差分探測器接收到這兩路光信號(hào)后輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、采樣后，獲得懸浮物質(zhì)量濃度的觀測數(shù)據(jù)。

在物質(zhì)擴(kuò)散之前，首先對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行測量，通過調(diào)節(jié)半波片使差分探測器輸出信號(hào)為零。再在此基礎(chǔ)上將待測物質(zhì)釋放并進(jìn)行測量，從而可以獲得懸浮物的實(shí)際質(zhì)量濃度。

參考光路的作用是補(bǔ)償大氣環(huán)境與探測光路參數(shù)不對(duì)稱、溫度變化對(duì)測量精度的影響。一方面用來作為未衰減光束的參考標(biāo)準(zhǔn)，另一方面可以消除激光器輸出功率波動(dòng)造成的測量誤差。

圖3所示的是三運(yùn)放高共模抑制比光電差分放大電路，經(jīng)過此電路可將光電轉(zhuǎn)換后得到的兩路電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大，使其達(dá)到可檢測范圍。它由五個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中AR21、AR22為性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入的通用集成運(yùn)放器，構(gòu)成平衡對(duì)稱差動(dòng)放大輸入級(jí)，AR23構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來進(jìn)一步抑制AR21、AR22的共模信號(hào)。由于該電路具有高共模抑制比，所以差分電路對(duì)溫漂具有很強(qiáng)的抑制能力，測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高。電路中光電二極管輸出電流約為幾毫安，為了便于觀測，將光電差分放大電路的放大倍數(shù)設(shè)定為500倍，其中光電轉(zhuǎn)換模塊放大50倍，差分放大模塊放大10倍。

由于激光器脈寬可調(diào)，實(shí)驗(yàn)中所采用的調(diào)制頻率為100 Hz，即激光信號(hào)脈沖寬度最小為10 ms，由式（6）可得放大電路帶寬應(yīng)大于89 Hz。光電轉(zhuǎn)換電路中AR21、AR22單位增益帶寬為1.6 MHz，為了獲得50倍的閉環(huán)增益，則運(yùn)放在理論上可處理矩形脈沖信號(hào)的最大頻率為1.6 MHz/50=32 kHz。又由于差分放大模塊中AR23增益帶寬為0.5 MHz，因此放大電路的設(shè)計(jì)滿足帶寬限制。

當(dāng)AR21、AR22性能一致時(shí)，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓相關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R205兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，同時(shí)不要求外部電阻匹配。為了消除AR21、AR22偏置電流等的影響，通常取R201=R2011。另外，本電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)R205可以改變增益而不影響電路的對(duì)稱性。通過Multisim對(duì)光電差分放大電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4～6所示。

由仿真結(jié)果可知V1out處電壓脈沖值為76.6 mV，V2out處電壓脈沖值為153.1 mV，經(jīng)過差分放大后輸出電壓脈沖值為1.515 V，則認(rèn)為光電差分放大電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)差分光路的探測。

3 激光器調(diào)制頻率和探測波長選擇

3.1 激光調(diào)制頻率選擇

為了便于在示波器中觀測并有利于后續(xù)電路處理，對(duì)半導(dǎo)體激光器的頻率進(jìn)行調(diào)制，使其輸出方波信號(hào)，即利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變其輸出特性。

在待測懸浮物顆粒質(zhì)量濃度一定的情況下，隨著激光光源調(diào)制頻率的變化，會(huì)引起光信號(hào)接收裝置（光電差分探測器）接收到的光信號(hào)改變，從而使光電差分探測器輸出的電壓信號(hào)發(fā)生變化。為了得到理想的探測信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)之前，首先需要確定激光光源的調(diào)制頻率。分析激光光源頻率與光電差分探測器輸出信號(hào)之間關(guān)系時(shí)，將探測光完全遮擋，通過改變激光光源的輸出頻率，得到光電差分探測器電壓輸出信號(hào)與頻率的關(guān)系如圖7所示。

由圖可知，隨著激光光源頻率的升高，光電差分探測器輸出信號(hào)會(huì)逐漸降低，在0～50 kHz范圍內(nèi)輸出信號(hào)與光源頻率呈線性關(guān)系，當(dāng)激光頻率達(dá)到50 kHz或者更大時(shí)，光電差分探測器輸出的電信號(hào)發(fā)生驟降，因此50 kHz認(rèn)為是探測器所能檢測到激光信號(hào)的截止頻率。最終實(shí)驗(yàn)中選擇調(diào)制頻率為100 Hz。

3.2 最佳探測波長選取

圖8為BPX65光電二極管光譜響應(yīng)曲線。BPX65作為光電探測器，具有光譜靈敏度高，響應(yīng)速度快，頻響范圍寬的特點(diǎn)。為了獲得較高的檢測靈敏度，提高檢測精度，分別針對(duì)405 nm、658 nm、780 nm這三種波長的可調(diào)制半導(dǎo)體激光器輸出光通過物質(zhì)后的散射特性做了測試。由于在絕大多數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生煙霧粒度成分及大小與實(shí)際測量時(shí)的煙霧顆粒成分及大小都是不相同的。不過一些典型應(yīng)用場合下的煙霧顆粒成分及大小都會(huì)表現(xiàn)出共同的特征，因此可針對(duì)這些典型應(yīng)用場合，分別進(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果預(yù)置于測量電路之中。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇對(duì)粒徑為0.1～2 μm的煙霧粒子進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)過后續(xù)檢測可得出激光通過煙霧后所顯現(xiàn)的共同特征。測試中物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度由質(zhì)量濃度標(biāo)定儀給出。標(biāo)定儀測量范圍為0～500 mg/m3，測量精度為±1%。經(jīng)過對(duì)煙霧質(zhì)量濃度檢測，分別得到了輸出電壓隨質(zhì)量濃度變化的關(guān)系，并對(duì)測試結(jié)果做了非線性擬合，如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)測量與分析

比較標(biāo)定后激光差分探測系統(tǒng)的輸出結(jié)果與標(biāo)定儀器的輸出結(jié)果，如圖11所示，可以看到在較小質(zhì)量濃度條件下，兩曲線有明顯偏離，而標(biāo)準(zhǔn)濃度超過6.95 mg/m3后，實(shí)測值與參考值非常接近。對(duì)于較小質(zhì)量濃度條件下的偏離，應(yīng)是較稀薄質(zhì)量濃度與較高質(zhì)量濃度對(duì)激光的不同散射規(guī)律所致。

其中，實(shí)線對(duì)應(yīng)激光差分探測系統(tǒng)標(biāo)定后的實(shí)測擬合結(jié)果，圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)標(biāo)定儀器的結(jié)果以作參考。標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度超過6.95 mg/m3之后，激光差分探測系統(tǒng)輸出相對(duì)于標(biāo)定探測儀器輸出的相對(duì)誤差，如圖12所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，將粉塵儀測得的質(zhì)量濃度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，由光電差分探測器輸出信號(hào)計(jì)算得到的質(zhì)量濃度值作為實(shí)際測量值，實(shí)測質(zhì)量濃度值與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度值的相對(duì)誤差可維持在12%之內(nèi)。

因此，經(jīng)過標(biāo)定之后，激光差分探測系統(tǒng)可以對(duì)超過30 mg/m3的較高質(zhì)量濃度的煙霧類氣溶膠懸浮物實(shí)現(xiàn)相對(duì)誤差在12%以內(nèi)的質(zhì)量濃度測量。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于激光差分探測技術(shù)的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法。通過對(duì)激光在懸浮物顆粒中傳播時(shí)衰減原理的研究，獲取了懸浮物顆粒質(zhì)量濃度與光強(qiáng)衰減的關(guān)系，激光光源頻率與響應(yīng)度的關(guān)系以及激光器波長與探測器響應(yīng)度的關(guān)系。通過標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠質(zhì)量濃度測試儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，并以人工方式產(chǎn)生煙霧為實(shí)驗(yàn)媒質(zhì)使用該系統(tǒng)進(jìn)行懸浮物質(zhì)量濃度測量，對(duì)超過30 mg/m3的較高質(zhì)量濃度的煙霧類氣溶膠懸浮物實(shí)現(xiàn)了相對(duì)誤差在12%以內(nèi)的質(zhì)量濃度測量。經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，該測量系統(tǒng)可用于煙霧、粉塵等空氣懸浮顆粒含量的實(shí)時(shí)測量。

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第9篇：光譜學(xué)分析范文

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；高光譜遙感；估算方法；統(tǒng)計(jì)分析；預(yù)測精度

中圖分類號(hào)：TP79；S158；S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1248-06

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，大量污染物進(jìn)入土壤環(huán)境，其中重金屬是重要的污染物質(zhì)之一[2]。土壤污染中重金屬主要指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的物質(zhì)，也指具有一定毒性的一般重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫等，目前最令研究者關(guān)注的重金屬是汞、鎘、鉛等。土壤重金屬污染不僅會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)，質(zhì)量下降，嚴(yán)重者會(huì)通過食物鏈影響人體健康，因此對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測非常必要。傳統(tǒng)的野外采樣和室內(nèi)化學(xué)分析方法具有測量精度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難獲取大面積空間上連續(xù)的污染物含量分布信息。遙感技術(shù)因其多時(shí)相、大面積等特點(diǎn)逐漸被研究者應(yīng)用于土壤性質(zhì)的監(jiān)測，高光譜遙感則以其多且連續(xù)的光譜波段特點(diǎn)被應(yīng)用于監(jiān)測土壤重金屬含量，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、非破壞性和非接觸元素的快速測樣[3，4]。

由于土壤中重金屬含量低，對(duì)土壤光譜曲線影響微弱，直接分析土壤樣品重金屬元素的特征光譜來估算其含量比較困難。通過借助重金屬元素與土壤有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、鐵錳氧化物、碳酸鹽礦物之間的吸附或賦存關(guān)系，可以間接反演土壤重金屬元素含量，反演精度在一定程度上取決于重金屬元素與這些組分之間的相關(guān)性[5-7]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者在土壤重金屬遙感反演研究方面已經(jīng)取得長足進(jìn)展，多數(shù)研究基于實(shí)驗(yàn)室的土壤光譜分析。例如有學(xué)者基于土壤可見-近紅外、近-中紅外反射光譜特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)用地[8，9]、農(nóng)業(yè)用地[10，11]、潮灘[12，13]等研究區(qū)土壤重金屬元素含量的反演研究。如Kemper 等[8]利用土壤反射光譜反演了Aznalcollar礦區(qū)土壤As、Hg、Pb以及Fe元素的含量。國內(nèi)的Wu等[10]利用實(shí)驗(yàn)室土壤的反射光譜模擬Hymap、Aster以及TM影像波段，實(shí)現(xiàn)了大面積監(jiān)測南京江寧地區(qū)土壤Hg污染，發(fā)現(xiàn)估測土壤中Hg的最佳波段和土壤Fe的吸收波段一致，且相關(guān)分析表明土壤Hg的含量與土壤反射率成負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外Moros等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)了土壤重金屬元素和有機(jī)物質(zhì)之間的相關(guān)性，基于土壤可見-近紅外和中紅外反射光譜，建立偏最小二乘回歸模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河灘土壤中As、Cd、Co等元素污染水平的定量監(jiān)測。

土壤反射光譜特征與重金屬元素含量之間的定量反演研究，可為進(jìn)一步應(yīng)用空間或航空遙感技術(shù)進(jìn)行高光譜遙感定量監(jiān)測土壤重金屬污染提供技術(shù)和理論支持，為土壤中重金屬含量的快速監(jiān)測和大面積的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 土壤光譜特性及特征波段的提取

土壤光譜信息是土壤表層各種屬性的綜合反映，其中土壤顏色、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量和各種礦物質(zhì)成分等對(duì)土壤光譜的影響作用較為明顯[14]。土壤屬性與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測反射光譜的相關(guān)關(guān)系已得到證實(shí)：在可見光和近紅外波段，土壤光譜的吸收特征主要是由金屬離子的電子躍遷形成，在短波紅外區(qū)域，土壤的吸收主要?dú)w因于有機(jī)質(zhì)、層狀硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等礦物質(zhì)的各類分子團(tuán)中化學(xué)鍵的伸展、彎曲、變形等振動(dòng)[7]。

土壤中有機(jī)質(zhì)、氧化鐵、黏粒比例的增加，會(huì)降低土壤光譜反射率；土壤有機(jī)質(zhì)與反射率較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系主要反映在可見光波段，而土壤氧化鐵和黏粒則在近紅外波段可以得到更精確的區(qū)分[15]。在可見光波段，土壤光譜曲線斜率較大，429、490 nm附近是土壤氧化鐵微弱的吸收峰，470 nm附近則是土壤氧化錳微弱的吸收峰，波長600 nm附近是土壤有機(jī)質(zhì)典型的反射峰，815 nm附近則是有機(jī)質(zhì)的次反射峰，在近紅外波段，反射光譜的斜率較小，接近水平。900 nm附近的吸收峰是土壤中3價(jià)鐵所致，1 000 nm附近的吸收峰是土壤中鐵的氫氧化合物特征譜帶，1 400、1 900、2 200 nm附近的吸收峰是土壤硅酸鹽礦物中水分子羥基伸縮振動(dòng)和Al―OH彎曲振動(dòng)的合頻譜帶，濕度降低了所有光譜段的反射率并在1 400、1 900 nm處產(chǎn)生較強(qiáng)和較寬的吸收帶。2 455 nm附近的吸收峰則是土壤碳酸鹽中CO32-基團(tuán)振動(dòng)產(chǎn)生的譜帶[16，17]。圖1為土壤樣品的原始光譜曲線示意圖。

通常土壤反射光譜需要預(yù)處理以突出光譜信息中的細(xì)微特征，常見預(yù)處理方法有光譜反射率的微分、倒數(shù)對(duì)數(shù)和連續(xù)統(tǒng)去除等，以此來獲得表征不同土壤成分的特征波段。但實(shí)際工作中需要針對(duì)不同的土壤背景條件，不同的重金屬污染類型，更加系統(tǒng)地分析土壤反射光譜特征差異，運(yùn)用合適的預(yù)處理方法和統(tǒng)計(jì)方法提取研究區(qū)土壤特征波段，建立土壤重金屬的光譜特征數(shù)據(jù)庫。土壤重金屬特征光譜的確定，可為區(qū)域土壤重金屬含量反演模型的建立（包括特征波段參數(shù)選擇）打下基礎(chǔ)[11]。

2 土壤重金屬含量反演的主要方法

土壤中重金屬元素含量很低，在土壤反射光譜的各波段沒有明顯的吸收特征，且土壤組成成分復(fù)雜，每個(gè)組分對(duì)反射光譜的影響是非線性混合，致使土壤的反射輻射過程復(fù)雜。用物理模型進(jìn)行反演較難，通常采用統(tǒng)計(jì)方法分析土壤重金屬含量與反射光譜特征之間的相關(guān)性，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤重金屬元素含量的估算。常用方法主要包括單變量以及多元統(tǒng)計(jì)分析方法，多元統(tǒng)計(jì)方法較之單變量方法反演精度要高[16，18，19]。也有研究同時(shí)采用以上兩種方法來計(jì)算土壤重金屬含量[10，18]。

2.1 單變量統(tǒng)計(jì)分析方法

單變量統(tǒng)計(jì)法主要運(yùn)用相關(guān)分析方法來探討土壤重金屬含量與光譜反射率之間是否存在較為顯著的相關(guān)性，選擇相關(guān)性最顯著的波段建立模型來預(yù)測土壤重金屬含量。根據(jù)波段選擇方法不同可分為單波段分析方法和波段有效變換后的分析方法。

如李淑敏等[11]利用光譜分析的方法探討北京地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中重金屬含量與可見-近紅外光譜反射率的相關(guān)關(guān)系，通過對(duì)土樣原始反射光譜及其一階、二階微分光譜與各土壤重金屬含量進(jìn)行單波段分析，確定了Cr、Ni、Cu等8種土壤重金屬的特征光譜，建立了估算土壤重金屬含量的回歸模型。任紅艷[18]研究分析了礦區(qū)農(nóng)田土壤原始反射光譜和經(jīng)過連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜信息，確定了土壤光譜反射率與重金屬元素含量相關(guān)性最大的波段，得到了反演Cu、Cd等重金屬元素含量的最佳擬合模型。

由于土壤的高光譜反射率極易受到環(huán)境差異的影響，單波段反射率建立反演模型穩(wěn)定性不足，因此可用敏感波段均值處理或組合等變換后的光譜波段與土壤重金屬含量進(jìn)行相關(guān)分析，提高模型的穩(wěn)定性，達(dá)到更高的預(yù)測精度。蔣建軍等[20]通過對(duì)敏感波段511 nm處對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)診斷指數(shù)R/R450-750進(jìn)行間隔10 nm的均值化處理，以敏感范圍均值R507-516/R450-750取代敏感波段R/R450-750作為自變量x，建立了有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測模型，然后根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量和重金屬含量之間的關(guān)系間接反演Cd含量。此外，根據(jù)不同波段反射率提供的信息可以互相補(bǔ)充的特點(diǎn)，解憲麗等[7]提出利用波段組合方法能夠顯著提高光譜變量和重金屬含量間的相關(guān)性的論點(diǎn)，所建立Pb、Zn等元素的反演模型的可靠性要優(yōu)于單波段預(yù)測方法。

2.2 多元統(tǒng)計(jì)分析

多元統(tǒng)計(jì)分析是光譜學(xué)研究中預(yù)測光譜特征物質(zhì)的常用方法，因其綜合使用較多的波譜段，提高了統(tǒng)計(jì)預(yù)測的精度[18]。多元逐步回歸分析、主成分回歸（PCR）分析和偏最小二乘回歸（PLSR）分析是目前分析土壤組成與反射光譜間關(guān)系常用的統(tǒng)計(jì)方法[16]。此外，還有研究用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[9]或多種多元統(tǒng)計(jì)分析方法相結(jié)合[21，22]來反演土壤重金屬含量。

2.2.1 多元逐步回歸法 多元逐步回歸法是根據(jù)土壤重金屬含量與土壤反射光譜的相關(guān)分析，找出與重金屬元素相關(guān)性較好的光譜特征波段，對(duì)各重金屬含量與特征波段的光譜變量進(jìn)行多元回歸分析。根據(jù)回歸系數(shù)和F統(tǒng)計(jì)量最高、均方根誤差最小的原則，選擇土壤重金屬高光譜遙感監(jiān)測的最佳回歸模型。多元逐步回歸分析方法簡單明了，常被用來確定對(duì)于某種化學(xué)成分敏感的波段，并說明敏感波段值與這種化學(xué)成分濃度有較好的相關(guān)性，據(jù)此可以用這些確定的波長位置來估計(jì)化學(xué)成分的濃度[19]。

龔紹琦等[17]通過對(duì)濱海鹽土土壤光譜進(jìn)行處理，通過對(duì)鎘、銅、鎳等重金屬含量與反射光譜變量的相關(guān)分析，獲得了反演土壤成分的特征波段為429、470、490、1 430、2 398、2 455 nm，利用逐步回歸分析方法分別建立了反演上述幾種重金屬元素的最佳遙感模型。另外王維等[23]運(yùn)用土壤光譜反射率、一階微分、倒數(shù)對(duì)數(shù)這3種光譜數(shù)據(jù)對(duì)土壤銅含量進(jìn)行了多元逐步回歸分析，并比較了不同光譜預(yù)處理方法對(duì)模型精度的影響。

2.2.2 主成分回歸法 主成分回歸分析是一種多元回歸分析方法，被廣泛應(yīng)用在化學(xué)與測譜學(xué)分析中[22]。它利用全部光譜信息并進(jìn)行壓縮，將高度相關(guān)的波長點(diǎn)歸于一個(gè)獨(dú)立變量，提取為數(shù)不多的獨(dú)立變量建立回歸方程，通過內(nèi)部檢驗(yàn)來防止過度擬合。用預(yù)測均方根誤差（RMSEP）來評(píng)價(jià)模型的預(yù)測能力。

其中：ym是土壤重金屬含量實(shí)測值，yp是對(duì)應(yīng)的模型預(yù)測值。

部分學(xué)者用主成分回歸分析方法取得了很好的預(yù)測效果。Wu等[10]用 PCR 法建立了室內(nèi)土壤光譜與Hg含量的反演模型， 二者相關(guān)系數(shù)R=0.69，均方根誤差RMSE=0.15。任紅艷等[22]利用在實(shí)驗(yàn)室獲取的礦區(qū)農(nóng)田土壤可見-近紅外反射光譜與土壤As和Fe的濃度數(shù)據(jù)構(gòu)建了反演As和Fe的PCR預(yù)測模型，并指出其預(yù)測能力要優(yōu)于偏最小二乘回歸預(yù)測模型。但現(xiàn)有研究也證明PCR預(yù)測能力要受重金屬種類的影響[24，25]，如Islam等[24]用紫外-近紅外-可見光譜反演了農(nóng)業(yè)土壤中Ca、Mg等元素的含量，但對(duì)K、Na元素的反演能力就差。

2.2.3 偏最小二乘回歸法 偏最小二乘回歸方法作為一種有效的光譜分析方法，在光譜數(shù)據(jù)處理中已得到廣泛應(yīng)用。該方法提供一種多對(duì)多線性回歸建模的方法，當(dāng)兩組變量的個(gè)數(shù)很多，且都存在多重相關(guān)性，而觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量又較少時(shí)，與傳統(tǒng)的多元線性回歸分析方法相比，PLSR方法解決了多元線性回歸方法所面臨的多重共線性問題，可概括提取光譜信息，從而較為準(zhǔn)確地定量反演重金屬元素含量。而且與主成分回歸分析相比，PLSR方法不僅很好地概括光譜信息，而且還要求新生成的成分對(duì)因變量（重金屬）有最強(qiáng)的解釋性。在某種意義上，PLSR模型綜合了多元線性回歸和主成分分析兩種方法。此外，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）相比，PLSR 的因子負(fù)荷可以形象地揭示自變量與因變量的關(guān)系，從而有助于理解利用反射光譜反演無明顯光譜特征重金屬的機(jī)理?；谏鲜鲈颍壳把芯恐袕V泛采用PLSR來反演土壤重金屬元素含量，并取得了很好的反演效果[26-30]。模型的反演能力同樣由預(yù)測均方根誤差來評(píng)價(jià)。

國外Kooistra等[31]發(fā)現(xiàn)利用河灘土壤的反射光譜可以較好地反演土壤重金屬Zn、Cd的污染水平，指出利用土壤可見-近紅外反射光譜建立的PLSR模型是定量分析河灘土壤成分及重金屬含量的有效途徑。國內(nèi)Ren等[32]應(yīng)用PLSR方法，分析長江口鹽沼土壤的反射光譜，定量反演了土壤重金屬As和Cu的含量，并取得了極顯著相關(guān)的結(jié)果。鄭光輝等[33]用PLSR方法建立反射光譜與土壤As含量之間的模型，通過交叉驗(yàn)證、估算檢驗(yàn)建模精度，證明了利用反射光譜反演土壤As含量的可行性。表1列舉了用反射光譜定量反演土壤重金屬含量的主要統(tǒng)計(jì)分析方法。

3 模型精度的影響因素分析

在土壤重金屬含量反演模型建立過程中，很多因素會(huì)對(duì)模型精度產(chǎn)生影響，所以很難全面地估計(jì)所建立的光譜模型精度。在不同的研究區(qū)域，由于土壤類型[32]、組分和污染水平的不同[34]，模型的應(yīng)用會(huì)受到限制，精度也會(huì)受到一定影響。對(duì)于同一研究區(qū)域，重金屬元素種類、樣品集數(shù)量、元素的分析形態(tài)及化學(xué)分析誤差[9]、高光譜波段范圍的選取[35，36]及高光譜數(shù)據(jù)的處理方法等因素都會(huì)對(duì)模型的反演精度產(chǎn)生影響。以下主要就高光譜數(shù)據(jù)處理方法對(duì)模型精度的影響進(jìn)行總結(jié)討論，采取合適的光譜數(shù)據(jù)處理方法會(huì)提高光譜模型的響應(yīng)預(yù)測能力。

3.1 合適的光譜分辨率

合適的光譜分辨率能提高模型反演精度。劉華等[37]通過對(duì)光譜采樣間隔為1 nm的土壤反射率和EO-1衛(wèi)星Hyperion高光譜波段建模效果比較發(fā)現(xiàn)，不論是比較預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)，還是相對(duì)誤差，前者所建模型對(duì)土壤重金屬含量的反演要好于后者，說明光譜分辨率高，對(duì)土壤定量反演能力較好。

但研究也證實(shí)并不是光譜分辨率越高，重金屬預(yù)測精度就越高。有些學(xué)者通過對(duì)重采樣后降低了光譜分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也取得了較好的預(yù)測精度。因重金屬元素光譜特征較寬，不需尖銳的吸收峰，且相對(duì)較低的光譜分辨率增強(qiáng)了光譜信噪比， 從而提高了預(yù)測精度。鄭光輝等[33]采用經(jīng)過多元散射校正處理后的數(shù)據(jù)反演土壤砷的含量，進(jìn)行2、4、6、8、16、32和64 nm重采樣，分別進(jìn)行建模、驗(yàn)證和反演，表明土壤的4 nm分辨率光譜的建模、驗(yàn)證和估算結(jié)果最佳。其他研究也得出類似結(jié)論，如Kemper等[8]認(rèn)為寬的采樣間隔（10或20 nm）減少了噪聲的影響，得出較好的反演結(jié)果。但過大的采樣間隔也會(huì)損失部分光譜信息，降低模型精度。如黃長平等[38]證實(shí)在使用經(jīng)驗(yàn)方法估算沒有明顯光譜特征的成分時(shí)，光譜分辨率不是一個(gè)必要條件，這為模擬衛(wèi)星傳感器波段反演土壤重金屬含量提供了理論依據(jù)。

同時(shí)有研究結(jié)果表明，不同重金屬元素最佳采樣間隔不同[39]。在實(shí)際工作中要根據(jù)重金屬種類、土壤理化性質(zhì)來選取合適的光譜分辨率而提高模型的精度。

3.2 不同光譜預(yù)處理方法

為了提高模型預(yù)測精度，建模之前先對(duì)初始反射光譜進(jìn)行預(yù)處理。研究證實(shí)最佳預(yù)測結(jié)果與光譜預(yù)處理方法有關(guān)，土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理可以消減光譜中因受隨機(jī)因素影響而產(chǎn)生的誤差，增強(qiáng)相似光譜之間的差別、突出光譜的特征值，提高重金屬含量的響應(yīng)能力、回歸模型的穩(wěn)定性和預(yù)測能力[40，41]。然而并非所有的預(yù)處理方法都可以取得理想的預(yù)測結(jié)果。目前常用的光譜預(yù)處理方法有一階微分（FD）、二階微分（SD）、光譜倒數(shù)對(duì)數(shù)[log（1/R）]、連續(xù)統(tǒng)去除（CR）和多元散射校正（MSC）等。

微分光譜是光譜分析中常用的預(yù)處理方法，可消除基線漂移或平緩背景干擾的影響，并可提供比原始光譜更高的分辨率和更清晰的光譜輪廓變換，增強(qiáng)土壤重金屬的光譜信息，提高模型的精度。如王維等[23]證實(shí)應(yīng)用一階微分處理后的光譜逐步回歸表現(xiàn)較好，預(yù)測精度高于原始反射率和光譜倒數(shù)對(duì)數(shù)的處理方法。但Wu 等[39]認(rèn)為一階微分不能明顯提高估算精度，未經(jīng)任何處理的原始光譜同樣可以表達(dá)土壤屬性。Kooistra等[13]研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)數(shù)變換并不能顯著提高預(yù)測效果，與Volkan等[42]的研究結(jié)果一致。

光譜的倒數(shù)對(duì)數(shù)處理方法也具有較理想的處理效果。土壤反射率經(jīng)對(duì)數(shù)變化后，不僅增強(qiáng)可見光區(qū)的光譜差異（可見光區(qū)的原始光譜一般偏低），而且趨向于減少由于光照條件、地形等變化引起的隨機(jī)因素影響，提高模型精度。王璐等[16]對(duì)天津污灌區(qū)土壤光譜特征預(yù)測土壤重金屬含量的能力進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明光譜的倒數(shù)對(duì)數(shù)log（1/R）是估算土壤重金屬元素含量較理想的指標(biāo)，尤其是對(duì)Cd和Pb，檢驗(yàn)精度R2超過0.8。

多元散射校正方法由于可以有效去除散射影響，提高信噪比，也可以得到最佳建模、驗(yàn)證和反演結(jié)果。任紅艷等[22]利用主成分回歸方法研究礦區(qū)農(nóng)田土壤砷含量與反射光譜的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)多元散射校正可顯著提高模型的估算能力。鄔登巍等[35]通過對(duì)樣品的中紅外（MIR）漫反射光譜進(jìn)行多種預(yù)處理，結(jié)果表明，依次經(jīng)平滑、基線校正、多元散射校正預(yù)處理能顯著提高中紅外光譜數(shù)據(jù)的反演精度。

4 高光譜模型在模擬多光譜數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用

利用現(xiàn)有多光譜遙感傳感器可以進(jìn)行土壤重金屬元素的監(jiān)測。不少研究建立了土壤重金屬含量與模擬HyMap、TM、ASTER以及 Quickbird 光譜的關(guān)系，雖然模型精度比高光譜數(shù)據(jù)模型精度略低，但可以進(jìn)行大面積監(jiān)測。

王璐等[16]采用PLSR方法對(duì)模擬的TM和ASTER多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤重金屬Cd、Hg和Pb都與TM數(shù)據(jù)的第三波段（661 nm）和ASTER的第二（658 nm）、第四（1 655 nm）、第五（2 166 nm）波段有較高的相關(guān)性，而這些波段與土壤中有機(jī)質(zhì)、氧化鐵以及黏土礦物對(duì)光譜的影響波段較接近。同樣李巨寶等[43]通過對(duì)土壤樣品重金屬含量和ETM+數(shù)據(jù)的模擬光譜數(shù)據(jù)STM進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)位于短波紅外的TM7波段是預(yù)測土壤Fe、Zn、Se含量的最佳波段。另外劉華等[37]也用不同的模型進(jìn)行了土壤室內(nèi)光譜與相關(guān)高/多光譜數(shù)據(jù)波段匹配模擬的研究。

光譜模擬數(shù)據(jù)是理想狀態(tài)下的結(jié)果，實(shí)際遙感應(yīng)用中土壤光譜特征成分（總鐵、有機(jī)質(zhì)以及黏土礦物等）在高/多光譜遙感數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)必然受到植被及大氣等背景信息的干擾和影響。從模擬光譜層次的研究到遙感影像層次的應(yīng)用還需要考慮更多因素的影響。但以上研究同樣可以為利用遙感技術(shù)快速、大面積、有效地進(jìn)行土壤重金屬動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

5 土壤重金屬含量遙感反演中出現(xiàn)的問題及研究前景

近年來在應(yīng)用高光譜數(shù)據(jù)定量反演土壤重金屬含量的研究取得了較大的進(jìn)展，但存在建模形態(tài)單一，特征光譜數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不足及準(zhǔn)確性不高，應(yīng)用范圍較窄及降噪程度不夠等原因造成的對(duì)目標(biāo)物定量反演準(zhǔn)確度不高等方面的問題。總體來說，運(yùn)用高光譜技術(shù)估算土壤中重金屬元素含量，其模型擬合總體精度能達(dá)到75%～80%，平均相對(duì)誤差30%～40%，驗(yàn)證精度60%～70%[15]。

因野外獲取反射光譜或者高空遙感應(yīng)用會(huì)受到很多因素影響，如地表狀況（粗細(xì)度、土壤濕度、植被覆蓋等）、大氣吸收和光照情況等，目前用遙感手段對(duì)土壤重金屬理化特性研究的工作多局限于實(shí)驗(yàn)室的光譜分析。以實(shí)驗(yàn)室反射光譜預(yù)測研究為基礎(chǔ)，介于實(shí)驗(yàn)室反射光譜和高空遙感應(yīng)用之間的野外土壤反射光譜研究將是未來研究重點(diǎn)。隨著遙感技術(shù)的不斷創(chuàng)新，遙感反演土壤重金屬含量的方法也越來越多。建立更適合于現(xiàn)有遙感技術(shù)的模型來反演土壤重金屬含量以及提高模型的模擬精度將是未來研究的主要目標(biāo)。

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