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光譜學分析范文1
關鍵詞：光譜匹配系數(shù)，四值編碼算法，光譜角度匹配
一、引言
就人造環(huán)境的概念提出來看，我們可以大致引出兩種源頭。
其一，我們今天所常見的幾種因為人類活動而導致的自然環(huán)境問題十分重大且對人類的生活有著重要的影響，例如挖空煤礦導致的山體崩塌以及地震，再比如，大量的砍伐樹木，不僅造成沙漠化嚴重，還導致大量的水土流失。這些問題都隨時影響到人類的生活甚至生命，在這種前提之下，人造環(huán)境被提上了命題。在重大的災難來臨之時，人們所創(chuàng)造的避難所均設在地下，例如核輻射，而在這種條件之下通過分析光譜與類生物機械進行結合制造的人造環(huán)境，在視覺上做到與真實自然環(huán)境別無二致便為重點。
其二，人類對于太空的探索不斷的進步。人們對于太空星球的探索以及資源的爭奪都是愈演愈烈，所提出來的論點之中有兩個極為重要，一是太空移民，一是太空資源開采。適宜人類居住的星球最重要的是哪些呢？大氣，水，除此之外的一部分環(huán)境問題我們均可以用人造環(huán)境結合類生物機械來進行處理，利用分析光譜制造應急人造環(huán)境，對于剛剛登陸開發(fā)移居星球的前幾批工作者來說是不可缺少的重點，在剛開始的惡劣環(huán)境之中可以用人造環(huán)境來改善進行星球開發(fā)的工作人員的生活環(huán)境。
二、可行性分析
1、光譜匹配系數(shù)
根據(jù)光電陰極的光譜響應特性曲線，我們可以計算出光譜響應率Sλ，將Sλ對其最大化Smax歸一化，可得相對光譜響應率為
S（λ）=Sλ/Smax――（1）
此時，光電陰極面接受的夜天光經(jīng)過景物反射后的輻射，即
ωλ= ρλPλ――（2）
其中（2）式中的ωλ為景物反射輻射光譜分布；ρλ為景物的光譜反射系數(shù)，他隨波長λ而變化；Pλ為夜天光輻射光譜分布，將景物的反射輻射光譜分布ωλ對其最大值ωmax歸一化，得到其相光譜分布為
ω（λ）=ωλ/ωmax――（3）
由此，我們可以從關系式定義光電陰極于景物反射輻射的光譜匹配系數(shù)為
α（S，ω（λ））=∫S（λ）ω（λ）dλ/∫ω（λ））dλ――（4）
那么我們分析式（4）可以知道，光譜匹配系數(shù)其實反映的是各種光譜響應的光電陰極對不同的輻射源的光譜利用率的高低，也就是說，這個利用率越高，越能夠得到與實際物體所產(chǎn)生的光譜一樣的光譜。分析可知當α越大時，匹配越好，從而微光夜視系統(tǒng)的觀測效果也就越好，反之越差時匹配越差觀測效果也就越差，根據(jù)式子我們可以知道α的值域在（0，1），越靠近1，越與實物反射產(chǎn)生的光譜相近，即越能體現(xiàn)出輻射源與實物之間的差別之小。達到以假亂真的效果。
2、光譜匹配基本模型算法
使用計算機軟件通過算法制作光譜比較模型，通過所測物體的光譜度和已知的物體世紀光譜互相對比，來判別被測物體的種類，那么同樣，我們可以通過對比從模擬人眼的光學儀器中的兩條光譜曲線來使得目標物體在視覺上與實際地物一模一樣。
2.1四值編碼算法
首先對已知地物類別的光譜輻射至取平均值，得到閾值A，然后將光譜輻射值已A為邊界分為[Xmin，A][A，Xmax]兩個區(qū)間，在重復上步再劃分得到總共四個區(qū)間。用同樣的方法對待目標光譜曲線進行四值編碼。使用異或方法，進行目標光譜和已知光譜匹配（即有區(qū)別為1，沒區(qū)別為0），最后比較相等的個數(shù)，將目標分到波段數(shù)目相似最多的類別。
2.2光譜角度匹配
光譜角度定義為兩地物光譜矢量之間的廣義夾角余弦為相似函數(shù)，將像元N個波段的光譜響應作為N維空間中的矢量，通過計算他與最終光譜單元之間的廣義夾角來表示它的匹配程度，夾角越小匹配程度越高，二者越相似。
日本kansai電力公司研制成功了一種新型太陽能輻射模擬系統(tǒng)，它不僅能模擬太陽光，還能模擬太陽熱。這套系統(tǒng)用計算機控制等和加熱器，一邊產(chǎn)生接近自然的太陽輻射。它還配有人工的自然環(huán)境分系統(tǒng)，可模擬不同的氣象條件。系統(tǒng)由氙燈，鹵素燈和加熱器組成，模擬陽光的波長范圍從可見光（0.38到0.78微米）到紅外線（0.78到20微米），而且光譜分布和自然陽光基本一樣。
三、人造環(huán)境光學
就目前形似來看，高光譜圖像在空間以及電磁譜維度中所利用較為廣泛，尤其在遙控領域。
基于成像光譜儀在眾多窄波段獲取數(shù)據(jù)的特點，可以用已知地物類型的反射光譜，通過光譜頻率曲線或特征匹配比較以達到識別地物類型的目的。長期的高光譜實驗也收集了大量的實驗室標準數(shù)據(jù)，建立了許多地物標準光譜數(shù)據(jù)庫；那么從另一方面來說，人們可以用已知的數(shù)據(jù)偽造出與真實光譜無二的光譜已達到以假亂真的目的。
四、結束語
光譜識別技術是以物質構成的光譜唯一性為基礎， 將目標的識別以光譜信息為第一特征，利用光譜的分析來得到現(xiàn)實生活中的自然物體在不同環(huán)境時所發(fā)射的光譜，對比獲得正確的光譜，利用光電器件發(fā)射出對應的光譜。光譜識別技術的發(fā)展，包括計算機算法的發(fā)展，使得利用光譜制作更加逼真的人造環(huán)境得到可能。
參考文獻：
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光譜學分析范文2
[關鍵詞] 拉曼光譜；定量分析；實驗教學
[中圖分類號] G642
[文獻標識碼] A
[文章編號] 2095-3712（2014）22-0058-03[ZW（N]
[作者簡介]張煥君（1982―），女，河南許昌人，碩士，鄭州輕工業(yè)學院教師；程學瑞（1982―），男，河南安陽人，博士，鄭州輕工業(yè)學院副教授，研究方向：材料物理。
拉曼光譜的強度、頻移、線寬、特征峰數(shù)目以及退偏度與分子的振動能態(tài)、轉動能態(tài)、對稱性等特性有緊密的聯(lián)系，即與分子的結構緊密相關。而且拉曼光譜具有制樣簡單，分析快速、無損，所檢測的樣品僅需微量即可滿足測量要求等諸多優(yōu)點，因而成為研究分子結構的強有力工具，廣泛地應用于分子的鑒別、分子結構的研究、分析化學、石油化工催化和環(huán)境科學等各個領域[1-2]。然而，相對于氣相、液相色譜法的較高精度而言，較大的分析誤差率限制了拉曼光譜定量分析的應用。在實際應用中，拉曼光譜分析技術多用于樣品的定性分析，尤其是在實驗教學當中，更多的是強調其定性分析的作用，而忽略其定量分析的功能[3-4]。尤其是對具有強熒光背景物質，如乙醇及其混合溶液的定量分析，更是拉曼光譜定量分析中的難點問題。
為幫助學生克服這樣單一的認識，我們在教學實驗環(huán)節(jié)增加了相關實驗內容，采用拉曼光譜對乙醇溶液的濃度進行定量分析。在教學過程中，我們向學生介紹了拉曼光譜定量分析的理論依據(jù)、分析過程，并著重分析了誤差來源，以加深學生對拉曼光譜的認識，尤其是讓學生對其定量分析功能有了進一步的了解。
一、理論依據(jù)
拉曼光譜定量分析的理論依據(jù)為：
I=KΦC∫b[]0e（[WTBZ]ln[WTBX]10）（k+k）zh（z）dz
在上式中，I為光學系統(tǒng)所收集到的樣品表面拉曼信號強度；K為分子的拉曼散射截面積；Φ為樣品表面的激光入射功率；k、k′分別是入射光和散射光的吸收系數(shù)；Z為入射光和散射光通過的距離；h（z）為光學系統(tǒng)的傳輸函數(shù)；b為樣品池的厚度。由上式可以看出，在一定條件下，拉曼信號強度與產(chǎn)生拉曼散射的待測物濃度成正比，即I∝C。
二、實驗過程
實驗樣品材料為國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)的濃度不低于99.7%的分析純乙醇、四氯化碳和去離子水。把不同體積的去離子水加入乙醇樣品中，配制成不同濃度的乙醇-水二元體系溶液；用激光功率為50mW（100%）的拉曼光譜儀采集純乙醇溶液、水、四氯化碳溶液的拉曼光譜圖；用拉曼光譜儀采集不同濃度的乙醇溶液的拉曼光譜圖，對每種濃度的樣品重復掃描3次，試驗結果取三次掃描的平均值。
三、結果討論
把配制好的不同濃度的乙醇溶液加入未受污染的樣品池，把不同濃度的樣品分別放在拉曼光譜儀上測出其拉曼光譜。熒光背底扣除后不同濃度的乙醇-水溶液的拉曼光譜圖如圖1所示。
圖1熒光背底扣除后不同濃度的乙醇-水溶液的拉曼光譜圖
表1中的數(shù)據(jù)進一步顯示出，隨著乙醇濃度的增加，特征峰強度的比值在不斷增加。純水的3200cm-1峰的強度I2與不同濃度乙醇的884cm-1峰的強度I1之比R1和面積比R2與乙醇濃度的關系見表1。擬合圖如圖2所示，R1和R2與乙醇濃度有較好的線性關系，其線性相關系數(shù)分別為0.98554和0.97558。
四、誤差分析
激光功率、樣品池、聚焦位置等因素會對定量分析結構有重要影響。
（一）激光功率的影響
不改變聚焦樣品的位置，激光功率分別選取100%、50%、10%、5%、1%和0.5%（100%為50mW），對50%的乙醇-四氯化碳溶液進行測試，結果如表2所示。
由表2可以看出，隨著激光功率的改變，兩個特征峰（峰459cm-1和884cm-1）的強度比值基本上在2.3左右，面積比值基本上在3.0左右。然而可以看出，當激光功率很小時（1%或0.5%），由于激發(fā)光源本身很弱，導致散射的拉曼信號強度本身也非常弱，而且信噪比很大，所以相對誤差比較大。而且當激光功率很強（100%功率）時，兩個特征峰的強度比值和面積比值都稍微偏離2.3和3.0，其原因可能是，激光功率很強時，其信號強度和熒光信號也比較強，而熒光對拉曼散射的干擾非常大，導致在扣除熒光背底過程中出現(xiàn)較大的偏差。
（二）樣品池的影響
如圖4是毛細管樣品池的拉曼光譜圖，實驗過程中用毛細管吸取待測溶液。毛細管作為樣品容器，在激光激發(fā)下也存在拉曼光譜和熒光背底，在基線處理和背底扣除過程中難以完全消除其影響，進而產(chǎn)生誤差。
圖4毛細管樣品池的拉曼光譜圖
（三）聚焦位置的影響
在同一樣品不同點進行多次測量，分析結果發(fā)現(xiàn)，混合溶液的特征峰強度的比值存在較大的偏差，主要原因可能是本次試驗使用的是顯微共聚焦激光拉曼光譜儀，3次測量的聚焦位置不同，以及數(shù)據(jù)處理過程當中熒光背底的扣除都會引起較大的誤差。對同一濃度的溶液測量3次，所得強度之比的不確定度為0.117，相對強度之比與乙醇濃度擬合直線的不確定度為0.024，相對面積比與乙醇濃度擬合直線的不確定度為0.858。
綜上所述，激光功率、樣品池、聚焦位置等因素會對拉曼光譜定量分析結構產(chǎn)生一定的影響。另外，乙醇的揮發(fā)、激光功率的穩(wěn)定性、實驗儀器的固有誤差等因素也會對測試結果帶來影響。然而，拉曼光譜定量分析的結果仍然有較大的可信度，可以作為一種有效的定量分析方法。
參考文獻：
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光譜學分析范文3
【關鍵詞】 幼兒血清； 血清苯丙氨酸； 血清酪氨酸； 苯丙酮尿癥
血清苯丙氨酸（Phe）和血清酪氨酸（Tye）均參與蛋白質的合成，也是哺乳動物必需的氨基酸和生酮生糖氨基酸，科學測定兩種物質在苯丙酮尿癥（PKU）的診斷、治療和預后方面具有非常重要的參考價值[1]。本研究采用高效液相色譜-熒光檢測法測定確診PKU和健康新生兒Phe濃度、Tye濃度及Phe/Tye比值，現(xiàn)報道如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料 本研究所有資料來源于鄭州市婦幼保健院2010年1月-2012年7月期間檢驗科，空腹靜脈采血時間均在上午7∶30-10∶00，按照實驗室操作規(guī)范待血清自然析出后行離心分離，然后在-30 ℃冰箱中保存待測。將21例經(jīng)實驗室確診的PKU新生兒作為觀察組，其中男12例，女9例；出生3～28 d，平均（16.4±4.5）d。選擇同期22例健康新生兒作為對照組，其中男12例，女10例；出生3～28 d，平均（16.5±4.5）d。組間性別和出生時間比較差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05），具有可比性。
1.2 測定設備、試劑和方法 所有新生兒均采用高效液相色譜-熒光檢測法測定Phe和Tye濃度，并計算Phe/Tye比值。高效液相色譜儀及其附件由安捷倫公司提供；實驗用水為超純水，經(jīng)美國Millipore公司Milli-Q純水器處理；苯丙氨酸和酪氨酸標準品由美國Sigma公司提供；其他試劑為常規(guī)實驗室優(yōu)級純或分析純。測定方法參考蔣姣伏等[2]研究，按照實驗室規(guī)范進行操作，色譜柱為Hypersil C8注，流動相為100：900體積比的乙腈-水，流速1 ml/min，熒光波長303 nm，激發(fā)波長210 nm。苯丙氨酸批內CV為4.08%，批間CV為7.11%，線性范圍12.21～1220.03 μmol/L，最低檢測限3.00 μmol/L，平均回收率102.52%；酪氨酸批內CV為2.98%，批間CV為5.24%，線性范圍5.52～550.11 μmol/L，平均回收率102.19%，最低檢測限0.82 μmol/L。
1.3 計算方法 血清苯丙氨酸（酪氨酸）=苯丙氨酸（酪氨酸）峰面積×標準液中苯丙氨酸（酪氨酸）濃度÷標準液中苯丙氨酸（酪氨酸）峰面積。
1.4 統(tǒng)計學處理 所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件包進行分析，計量資料以（x±s）表示，采取t檢驗，P
2 結果
3 討論
作為人體不能自身合成的必須氨基酸和芳香族氨基酸之一，苯丙氨酸具有非常顯著的生理活性，在機體內可被輔酶四氫生物蝶呤不可逆地轉化為酪氨酸，再經(jīng)酪氨酸途徑代謝為腎上腺素和黑色素，最終經(jīng)轉氨基生成少量苯丙氨酸。當機體內輔酶四氫生物蝶呤合成缺陷或編碼聚羥基脂肪酸酯途徑的基因發(fā)生改變時，酪氨酸羥化生成系統(tǒng)被破壞，降低或消失了聚羥基脂肪酸酯活性，腎上腺素和黑色素未能正常代謝而大量蓄積，從而增多了苯丙酮酸的生成，如果經(jīng)實驗室檢測發(fā)現(xiàn)血和尿中出血高濃度苯丙酮酸，則嚴重影響嬰兒的智力發(fā)育，表現(xiàn)為PKU。現(xiàn)代研究證實，大量苯丙氨酸能夠抑制神經(jīng)元突觸的形成和其他氨基酸進入大腦，從而影響大腦的發(fā)育，同時苯丙氨酸循旁路途徑代謝為苯丙酮酸隨尿液排出，表現(xiàn)為苯丙酮酸尿癥[3]。因此，科學測定正常幼兒血清苯丙氨酸、酪氨酸水平及比值對診斷和鑒別PKU尤為重要。
目前實驗室檢測的方法較多，主要有細菌抑制法、高效液相色譜法或熒光法等，其中細菌抑制法由于操作簡便和成本低等因素適用于大規(guī)模檢測Phe濃度，但半定量的檢測耗時較長，檢測結果容易受血清標本中抗生素影響較大；單純熒光法測定血清Phe濃度定量優(yōu)勢明顯，在自動化處理系統(tǒng)下靈敏度和精確度等方面優(yōu)于細菌抑制法，但檢測時間在4 h左右，同時熒光試紙空白校正非特異熒光能夠提高精確度，當不同廠家試劑盒和儀器檢測值差距較大，參考價值有效；高效液相色譜法對儀器和檢驗人員要求較高，不僅可以同時定量檢測Phe濃度和Tye濃度，而且具有快速、高效和靈敏度高等特點，是早期診斷和預防PKU的有效方法之一。高效液相色譜-熒光檢測法能夠同時檢測Phe濃度和Tye濃度，在短時間內經(jīng)色譜柱分離后用熒光檢測器在選定激發(fā)和發(fā)射波長完成檢測，臨床檢測和診斷更加簡便、快捷和準確。本研究觀察組Phe濃度、Phe/Tye比值明顯低于對照組（P
參考文獻
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光譜學分析范文4
關鍵詞高濃度U脅迫；空心蓮子草；落葵；菊苣；FTIR；半定量分析
中圖分類號O657.3 文獻標識碼A 文章編號10002537（2013）05005906
核能利用的發(fā)展促進了鈾礦的大量開發(fā)，鈾礦的開發(fā)和加工，導致鈾尾礦及鈾廢物的大量污染.我國湖南鈾尾礦庫礦渣及土壤的U含量變化[15]在26.11～122.1 mg·kg-1.污染環(huán)境中的鈾，因生物富集作用在人體中積累，人體腎中鈾含量超 3 mg·kg-1，就會產(chǎn)生損害[6].人們通過各種技術來治理鈾污染，植物修復是最簡潔有效并對環(huán)境污染最小的生物修復技術[7].植物在吸收和富集鈾的同時，鈾對植物種子萌發(fā)、幼苗生長和酶活性[810]以及葉綠素含量、植株體積大小等產(chǎn)生影響[11]，但對植物體內物質成分有無影響，目前尚未見報道.
傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）是一種基于化合物中官能團和極性鍵振動的結構分析技術，可以幫助判斷分子中含有何種官能團，更重要的是可以比較不同樣品的紅外光譜差異，從而反映樣品在植物化學組成上的差異程度[12].目前，F(xiàn)TIR已廣泛應用于許多研究領域，如中藥材的質量鑒別[13]、高等植物的系統(tǒng)分類研究[14]以及重金屬脅迫對植物的影響[1518].本研究采用FTIR法分析高濃度U脅迫下空心蓮子草、落葵和菊苣莖葉和根系的化學組成變化，探討高濃度U脅迫對植物物質成分的生物學效應，為鈾污染土壤的植物修復提供相關參考.
1研究材料與方法
1.1實驗材料
莧科的空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides），落葵科的落葵（Basella rubra），菊科的菊苣（Cichorium intybus L.）.U以UO2（CH3CO3）2·2H2O的形式加入.
1.2實驗方法
盆栽試驗，每盆土壤1 kg.按U元素含量500 mg·kg-1土壤溶解于350 mL水（預備試驗得到的土壤飽和持水量）中，均勻澆淋于每盆，以清水為對照（control），重復5次.在陰涼干燥處放置8周[19]，待土壤充分吸附后播種，播種2個半月后分莖葉和根系收獲，在105 ℃下殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，研磨粉碎.
1.3測定方法
1.3.1FTIR測定在西南科技大學分析測試中心，準確稱取1.5 mg樣品粉末與300 mg KBr在瑪瑙研缽中混勻研磨，全部轉移到模具中用壓片機制備出均勻、透明錠片，用美國P.E.公司的Spectrum one FTIR （掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1）測定3種植物莖葉和根系的傅里葉變換紅外光譜信息.
1.3.2U含量測定將干燥碾磨好的樣品，準確稱取0.3 g，加入7 mL濃硝酸，2 mL 30%雙氧水，于微波消解儀中（Mars，美國CEM 公司）消解，消解好的樣品，在西南科技大學分析測試中心采用ICPMS（Agilent 7700x，美國安捷倫公司）測定U含量.
1.4數(shù)據(jù)分析
根據(jù)空心蓮子草、落葵、菊苣吸收峰的吸光度值特點篩選出11個比較典型的吸收峰，并記錄不同波數(shù)的吸光度.原始數(shù)據(jù)采用Origin 7.5軟件作圖， Nicolet Omnic 8.0軟件對不同樣品的FTIR譜圖進行數(shù)據(jù)處理.
2結果與分析
2.13種植物莖葉和根系的FTIR圖譜分析
紅外光譜分析（FTIR）顯示，空心蓮子草在高濃度U處理和對照組的峰形基本保持不變，莖葉和根系的吸光度在高濃度U脅迫下都低于對照，根系的吸光度低于莖葉（圖1）；落葵（圖2）和菊苣（圖3）與空心蓮子草類似.
3結論
（1）空心蓮子草、落葵和菊苣在高濃度U脅迫下和對照相比，吸收峰峰形基本未發(fā)生較大改變，吸收峰波數(shù)相對固定，說明高濃度U脅迫并未改變3種植物的基本化學組分，但吸光度有較大差異，說明高濃度U對3種植物各化學成分含量有所影響.
（2）3種植物的羥基、空心蓮子草和菊苣的孤立羧基、3種植物的酰胺基吸收峰發(fā)生了明顯位移；半定量分析發(fā)現(xiàn)：空心蓮子草、菊苣的羥基含量增加，空心蓮子草、落葵的孤立羧基含量減少，落葵的蛋白質二級結構中肽鍵間氫鍵的結合力減弱、蛋白質含量減少，菊苣的蛋白質二級結構中肽鍵間氫鍵的結合力增強、蛋白質含量增加，說明這些基團與U的吸收、絡合、運輸密切相關.這些變化闡明了U對這3種植物物質成分的影響機理.
（3）空心蓮子草和菊苣糖類物質降低，而落葵根系糖類物質大量增加，說明落葵抗高濃度U脅迫較其他兩種植物更強，植物的耐高濃度U的能力越強，則通過生理生化反應來抵御不良環(huán)境的迫害能力也越強.
（4）FTIR能夠作為探究植物對高濃度U脅迫下物質成分響應的一種快速、靈敏的檢測手段，可以應用于U等核素對植物物質成分的生物效應研究.
致謝西南科技大學分析測試中心賈茹博士和王樹民博士幫助進行樣品測試，特表謝意.
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光譜學分析范文5
（蚌埠學院 數(shù)學與物理系，安徽 蚌埠 233030）
基金項目：基金項目：專業(yè)結構調整服務地方發(fā)展計劃（2013zytz077）、校級大學物理團隊項目（2013jyxmo5）、蚌埠學院2015年院級科研項目（2015ZR17）、蚌埠學院2012年院級重點教研項目（JYLZ1205）
摘 要：較化學檢測法等傳統(tǒng)環(huán)境污染檢測方法，光學測量方法以其無可比擬的優(yōu)勢廣泛應用于環(huán)境污染物的檢測及監(jiān)測，近幾十年來發(fā)展迅速，并具有廣泛的應用前景。隨著激光技術和計算機技術的發(fā)展，光學測量方法也隨之變革。例如激光光譜對特定氣體的檢測（LASAIR系統(tǒng)），紫外差分光學吸收光譜儀（DOAS系統(tǒng)）和傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR系統(tǒng)）等，都為這一變革提供有力的佐證。論文介紹光學顯微鏡檢測方法，光學分析方法以及光電檢測技術，重點分析光學顯微鏡檢測方法在環(huán)境監(jiān)測中的應用、光學分析方法在水質檢測領域的應用、光電檢測技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用，光學測量方法的最新發(fā)展方向。
關鍵詞 ：光學顯微鏡；光電檢測技術；光譜學分析法；DOAS系統(tǒng)；FTIR系統(tǒng)；LASAIR系統(tǒng)
中圖分類號：O439文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0005-04
隨著現(xiàn)代科技的不斷更新與物質生活的高度發(fā)達，環(huán)境污染物的排放量日益增多，人們在享受著豐富物質生活的同時，也受到了環(huán)境污染帶來的沖擊，例如酸雨的侵害，霧霾天氣的影響，全球變暖導致的海平面上升等問題。傳統(tǒng)的檢測方法（如化學法），由于用時長、花費高、操作復雜，需要各個部門相互協(xié)作，甚至在檢測時都可能會產(chǎn)生環(huán)境污染物，越來越受到抵制。而光學測量方法在環(huán)境檢測方面，更能有效地避免這些弊端的產(chǎn)生。
在環(huán)境中，對于水質，有關部門主要通過對水質采樣、化驗、分析的方法實現(xiàn)對水質的監(jiān)控。對于水體富營養(yǎng)化的這種情況，有關部門通過光學顯微鏡直接對水體進行觀查即可。而對于重金屬污染過的水源，往往光學顯微鏡很難直接觀測出來，還要通過物理或化學的方法使重金屬沉積，沉淀或“染色”，才有可能觀察到。但是這種方法用時長，不利于及時了解水污染的情況，而且在使重金屬沉淀的方法中，有可能又會產(chǎn)生新的污染物，樣品處理又帶來了困難。由于光學顯微鏡很難實現(xiàn)對空氣的檢測，所以在環(huán)境監(jiān)測中用處并不大。這時人們聯(lián)想到，也可以通過光的其他特性來實現(xiàn)對環(huán)境的實時的監(jiān)控。而光電檢測技術（如外光譜法，激光光譜法等），人們可以直接檢測環(huán)境中的污染物，無需費時費力，既能實時地反映出污染物的量和濃度，又不會產(chǎn)生附加污染物，且在環(huán)境監(jiān)測中實用性很強。光電檢測技術利用光的光譜特性，可以在受污染的水中使用，也可以在工廠的排氣煙囪中使用，甚至可以專一地檢測某種氣體，例如，甲烷氣體，二氧化碳氣體，含硫化合物氣體等[1]。
1 光學顯微鏡檢測方法在環(huán)境監(jiān)測中的應用
在現(xiàn)實生活中，我們最易受到水污染帶來的侵害，水體富營養(yǎng)化一直是我們關注的重大問題，而光學顯微鏡在這方面的檢測應用極其廣泛。環(huán)境保護部門在水污染地需要將水質進行抽樣、化驗、分析、觀察，這時就要用到光學顯微鏡[2]。
1.1 細菌、霉菌檢測
水體細菌含量是人們辨別水質是否利于飲用的重要標準，如人們會對水中的大腸桿菌群檢測做一個革蘭氏染色鏡檢。
1.2 生物群落檢測
浮游植物是水域的初級生產(chǎn)者，繁殖速度很快。水體富營養(yǎng)化會促進其繁殖能力，從而影響水質的飲用安全。對浮游植物的檢測，離不開光學顯微鏡。光學顯微鏡直接對水質進行觀察監(jiān)測，每過一段時間，鏡檢跟蹤浮游植物的群落狀況，以判斷水體是否富營養(yǎng)化。
1.3 特殊物質檢測
石棉纖維被動物體吸入肺部后，容易沉著在肺泡內，影響動物體的呼吸，對動物體的健康影響很大。在用光學顯微鏡檢測時，必須用高倍鏡才能觀察到石棉纖維，因此，對光學顯微鏡的分辨率要求比較高。為確定肝癌細胞的使用量，需要用光學顯微鏡鏡檢肝癌細胞的復蘇狀況。
二噁英（Dioxin），是某些有害物燃燒后產(chǎn)生的脂溶性物質，不能被生物分解，具有很強的危害性。利用離體肝癌細胞的EROD與二噁英的復合毒性效應是生物學中的一種檢測方法。環(huán)境監(jiān)測部門也利用這種方法對環(huán)境中的石棉塵（石棉纖維）進行監(jiān)測。
在受污染的水體中，培養(yǎng)魚（一般選擇生長速度快的青魚）的受精卵，在魚卵孵化過程中，使用光學顯微鏡監(jiān)測受精卵的孵出率，并觀察胚胎發(fā)育過程中畸形胎所占比重。
1.4 環(huán)境毒性測試
根據(jù)所知的生物學，單細胞藻類有很強的繁殖能力。可以在水體中培養(yǎng)藻類，用光學顯微鏡觀察，監(jiān)測藻類世代的生長情況和藻類種群的變化情況，判斷水體中是否存在急性的毒性物質[3]。
2 光學分析方法在水質檢測領域的應用
物質在吸收光波后，會在某一波段有一個吸收峰，通過分析這個波段，就可以得出該物質的光譜特性，光學分析方法就是在此研究基礎上找到的一種測量方法[4]。反應靈敏度高，檢測速度快的優(yōu)點是人們在采用這種光學測量方法時首要的考慮因素。某些光學分析方法，人們往往既不需要像傳統(tǒng)檢測方法一樣去使用試劑，又不需要花費太多的精力去維護相關的儀器設備。近幾十年來，光學分析方法隨著科技的腳步，在水質檢測方面也跨上了一個新的臺階[5]。
2.1 比色分析法
比色分析法是指利用物質與物質之間的化學反應，獲得深顏色的溶液后，通過比較前后溶液的顏色深淺度來測量所含物質濃度的方法[6]。比色分析法主要用于水質中，有色重金屬離子的濃度檢測。但是，有些重金屬離子卻是無色的，例如一價銅離子溶液，這時可以根據(jù)其易被氧化的化學特性，將一價銅離子溶液氧化成藍色的二價銅離子溶液。比色分析法可分為目視比色分析法和光電比色分析法，兩種方法的測量原理均為朗伯－比爾（Lambert-Beer）定律。但是，目視比色分析法中，人的主觀判斷會影響未知量的測量，因此目視比色分析法準確度不高。而采用分光光度法的光電比色分析法，彌補了主觀判斷造成的失誤，未知量的準確度和靈敏度得到了提高。
通過了解，可以看出，使用比色分析法時，必須建立在顯色反應的基礎上，因此對溶液離子的化學性質要求比較高。人們可以采取目測的手段，也可以采用與離子反射或吸收波長相對應的單色光源進行檢測，還可以使用與高速計算機聯(lián)接的攝像頭進行圖像綜合對比分析。利用顯色劑的不同反應，比色分析法可被廣泛地應用在水質監(jiān)測方面以及測定受污染水質中的各類污染物濃度。
2.2 紫外光譜分析法
紫外光具有波長短，能量大，透過力強的特點，利用這一特點，人們可以通過紫外光譜區(qū)進行檢測。有機分子在紫外光譜區(qū)的吸收較強（其實就是高能量脈沖殺死了有機活性物質），因此適用于檢測水體有機污染物。紫外光譜分析法，分為單波長法，經(jīng)過多年探索研究后，發(fā)展為雙波長法，循序漸進到如今比較全面的全光譜法。對單波長法進行改進的雙波長法，在測量時，無需參比溶液即可消除混濁度的影響。全光譜法是在光譜分析儀的基礎上研究出的一種對待測溶液比較全面的檢測方法，包含了吸光度在全紫外光譜區(qū)所有有機污染物。
2.3 間接測定法
水質中，對重金屬離子的濃度還有一種間接檢測方法熒光分析法[7]。顧名思義，熒光分析法就是獲取重金屬離子的熒光圖像，再通過計算機編程處理，由此間接地測量出重金屬離子的濃度。在這一過程中，需要用到與重金屬離子相匹配的試劑。
2.4 直接測定法
直接測定法省去了間接測定法中匹配試劑的過程，檢測速度有所提高，但是卻要滿足物質本身就發(fā)射熒光（如葉綠素、水中有機物等）這一苛刻條件。不管是間接測定法還是直接測定法，都無法忽略光源的重要作用。尤其是在直接測定中，要求光源的發(fā)射光波長與物質的吸收光波長一致。激光光源由于其得天獨厚的優(yōu)點（單色性好、能量集中），受到了研究人員的高度關注，激光誘導熒光技術就是采用激光作為光源的熒光檢測技術。目前，激光光源在直接測定法中幾乎已經(jīng)取代了傳統(tǒng)光源的檢測地位。
3 光電檢測技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用
雖然光學顯微鏡在水體污染的監(jiān)測中可謂嶄露頭角，但在空氣污染物的監(jiān)測中卻顯得捉襟見肘。空氣污染物通常指以氣態(tài)形式進入大氣層來物質（主要是人為污染，例如含硫化合物，二氧化碳氣體等等），其對人體或生態(tài)系統(tǒng)具有很不好的效應，例如酸雨，霧霾等等。隨著光學的發(fā)展，光電檢測技術逐步應用到現(xiàn)實生活中，尤其在環(huán)境監(jiān)測中，以其獨特的優(yōu)勢獲得了人們的青睞。
3.1 光電檢測技術的原理
光電檢測是指利用各類光電傳感器，將被測量的物理信息轉換成光信息，再通過A/D轉換器轉換成電信號，再綜合利用信息傳輸技術和計算機編程處理技術，完成信息獲取。當光照射到物體表面時，使物體發(fā)射電子、或電導率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等。這種因光照而引起物體特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電效應光電檢測系統(tǒng)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎，對載有待測物體信號的光信息進行處理，即通過光電檢測器件接收光信息并轉換為電信號。由輸入電路、放大濾波等電路提取待測物的信息，再經(jīng)過A/D轉換器輸入計算機運算和處理，最后提取出待測物體的幾何量或物理量等所需信息（如圖1的光電檢測系統(tǒng)）。
3.2 光電檢測系統(tǒng)在環(huán)境檢測中的應用
光與物質的相互作用，改變了物質的某些物理特性。利用這種特性，制作的光電檢測系統(tǒng)可以分為兩大類：使用能覆蓋寬光譜區(qū)的寬帶光源的監(jiān)測系統(tǒng)；使用激光或窄光譜光源，因而只能覆蓋窄光譜區(qū)的監(jiān)測系統(tǒng)[8-9]。在寬帶監(jiān)測系統(tǒng)中，傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR）或紫外差分光學吸收光譜儀（Uv-DOAs，又名DOAs系統(tǒng)）測系統(tǒng)可同時監(jiān)測未知混合物中的多種化合物。通常這些化合物是包含在寬譜帶內的，寬帶監(jiān)測系統(tǒng)能“觀察到多種化合物的存在，但分辨率不高，不能將這些化合物從復雜混合物中直接區(qū)分開來”。但是，當寬帶監(jiān)測系統(tǒng)的分辨率低于欲觀察的光譜線中的精細結構時，就不能觀察到真正的吸收峰，且會限制對氣體濃度值的檢測。
激光監(jiān)測系統(tǒng)由于分辨率高，掃描光譜范圍窄，所以檢測靈敏度相當高，但是激光監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出的波長必須與被檢測化合物吸收譜線的光波長相匹配。由于激光監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出的激光波長是單色的，掃描波段被限制在極窄的范圍內，一般情況下只能對應的檢測出一種化合物。若檢測的是混合物，則需要另加對應的監(jiān)測裝置。在目前的環(huán)境監(jiān)測中，寬帶監(jiān)測系統(tǒng)和激光監(jiān)測系統(tǒng)，這兩種類型的監(jiān)測裝置都有其應用。例如，F(xiàn)TIR監(jiān)測系統(tǒng)，它可提供對企業(yè)事故中泄漏出的某些有害化合物進行檢測。這時對所有的可能的有害化合物來說，檢測靈敏度就不如檢測范圍重要。但如果要連續(xù)實時監(jiān)測從污染源（如煙囪向大氣層中排放污染物，汽車尾氣排放的污染氣體時）釋放出的有害氣體，則監(jiān)測裝置抗其他化合物干擾的能力和高檢測靈敏度就是重要因素了，這時，激光監(jiān)測系統(tǒng)就成為了理想的監(jiān)測系統(tǒng)。激光雷達像其它激光監(jiān)測系統(tǒng)一樣，能檢測的樣品不多，但它具有空間分辨力，是迄今為止，唯一能提供空間信息技術的檢測系統(tǒng)，因此，探索污染物的發(fā)源地，激光雷達系統(tǒng)是最好的檢測系統(tǒng)。諸如高空大氣層中臭氧的消耗情況，可以使用激光雷達系統(tǒng)進行計算機模擬繪圖。使用激光雷達系統(tǒng)提供大氣層中空氣分子成分分布的垂直剖面圖，可以對大氣傳輸和擴散過程有更透徹的了解。
DOAS系統(tǒng)可以測量多種化合物，如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10]。它的工作原理是根據(jù)光的反射定律，光源發(fā)射的光波經(jīng)過某些物質后，經(jīng)吸收的光波與光源光波一起被反射鏡反射回來，利用計算機高速運算的能力分析光波的差異性，故而稱作差分光學吸收光譜技術。調取吸收光譜數(shù)據(jù)庫中已知數(shù)據(jù)，與吸收光譜數(shù)據(jù)相比較，從而分析物質中存在的化合物種類。
LASAIR系統(tǒng)是激光技術與計算機技術相結合的高新技術[11-12]，利用激光的單色性和計算機的高速運算能力，提高了檢測效率。可調二極管激光吸收光譜分析儀發(fā)射出的激光光波長，足以滿足吸收峰在中紅外區(qū)（320um的范圍內）的物質檢測，適合大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境監(jiān)測。可調二極管激光吸收光譜儀，已在全球范圍內有毒有害氣體的檢測上發(fā)揮了重要作用。LASAIR能測量的氣體分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4。但是，由于每種氣體對光波的吸收峰值不盡相同，必須要使用發(fā)射對應吸收峰值波長的激光光源。
4 結束語
隨著時代而發(fā)展的光纖通訊和光電子信息技術被應用于環(huán)境監(jiān)測中，尤其是具有體積小、壽命長和光電轉換效率高的近紅外二極管激光器[13-14]，目前已經(jīng)迅速商品化，成為了檢測空氣污染物質的最合適光源。而調諧二極管激光吸收技術利用分子的吸收光譜單一分立吸收線這一原理，可以采樣到被檢測氣體的每種光學信息。當激光通過被檢測氣體時，光電磁波會被吸收和散射而衰減。利用被測量物質分子的吸收能力遠遠高于物質分子對光的散射能力，我們可以忽略掉物質分子散射的這一衰弱影響。經(jīng)過近30年的發(fā)展，調諧二極管激光吸收技術日益成熟，被廣泛的應用在空氣污染物質的檢測和監(jiān)測中。隨著光譜學分析技術和激光技術的完美結合，特別是在近些年來，制作半導體材料和器件的工藝長足進步的情形下，激光光譜學分析技術在環(huán)境監(jiān)測方面的應用越來越成熟。
紅外半導體激光器可以在常溫下工作，取代了傳統(tǒng)光源的地位[15]。研究結果表明，紅外半導體激光器的發(fā)射波長與很多環(huán)境污染氣體的吸收波長相同。由于紅外半導體激光器具有譜線窄、單頻、功率大、工作可靠的優(yōu)點，也為制作高質量，高水準的氣體檢測儀打下了堅實重要的基礎。根據(jù)其對環(huán)境的抗干擾能力強，經(jīng)常不需要標定，可直接安裝在管道上檢測等實用性的特點，被大量使用在工業(yè)生產(chǎn)過程中檢測污染氣體方面。
從光學顯微鏡早期在環(huán)境監(jiān)測中的應用（主要在水質檢測方面），到后來應用光學分析方法監(jiān)測環(huán)境，直到現(xiàn)在人們又通過光的其他特性發(fā)明了各式各樣的監(jiān)測儀器，如：激光監(jiān)測儀（DOAS系統(tǒng)），傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR監(jiān)測系統(tǒng)）。可以說，光學測量方法是隨著光學的發(fā)展而發(fā)展變化的。隨著量子力學的發(fā)展，人們對光的認識不僅僅只是停留在了光譜層面上，而且也通過實驗驗證了人們對光的本質的假設。人們相信，現(xiàn)在我們所知的光學只是其冰山一角，光學測量方法也會隨著光學的發(fā)展而日新月異。
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光譜學分析范文6
關鍵詞 測量；傳感器；電磁計量
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0110-01
隨著我國社會經(jīng)濟和科學技術的穩(wěn)步發(fā)展，各個學科領域都普遍應用了傳感器技術。在生產(chǎn)流程中，很多生產(chǎn)企業(yè)也都使用到傳感器測量系統(tǒng)，主要例如：大型電子衡器、轉速控制系統(tǒng)、遠程壓力控制系統(tǒng)、測試控制系統(tǒng)等。為了確保企業(yè)生產(chǎn)出產(chǎn)品的質量，傳感器測量系統(tǒng)發(fā)揮出極大作用。在非電量測試技術中，轉速、壓力、溫度等參數(shù)都屬于非電量，傳感器的作用就是能夠將非電量轉換為電量。
1 電磁計量
應用設備、儀表和電磁測量儀器，對被測量采用相應的方法進行定量分析，確保計量學分支的準確和電磁量測量的統(tǒng)一，就是電磁計量。作為一種能源，人們在認識電能后，將其應用與科學技術的研究中，而點與磁性材料和磁場等的存在有著密不可分的關聯(lián)。和電磁現(xiàn)象相關的物理量為電磁兩，它分為磁學量和電學量，在不斷探索電磁應用的過程中，大量的電磁設備、儀表、測量儀器就此誕生。電磁計量所研究的主要內容如下：研究并制定出相應的技術規(guī)范、檢定規(guī)程、檢定系統(tǒng)等，對進行電磁量量值傳遞的專用測量裝置和標準量具進行研究，對測量電磁量的方法進行研究，對電磁學單位制的確定，對于電磁量相關的物理常數(shù)進行精密測定。以上研究按照定義保存、復現(xiàn)電磁學單位的計量標準和基準進行。電磁學計量主要包括磁矩、磁通、磁感應強度、電感、電阻、電流、電壓等。而電磁學計量有波形、材料電磁特性、儀器與比率標準、電磁測量儀表和儀器、電磁基本量等。其中電磁基本量如磁矩、磁通、電流、電壓等。除此之外，電磁計量的重要內容還有環(huán)境安全、電氣、靜電、非電量的電測量等電磁干擾參數(shù)。在電磁計量中，常用的設備有電流源、標準電壓、穩(wěn)流源、穩(wěn)壓源等；常用的儀器儀表包括電阻箱、電位差計、電橋、電壓表、電流表等。
在此，通過對例子的說明，來了解傳感器測量系統(tǒng)中所應用的電磁計量技術。先來介紹傳統(tǒng)傳感器熱電偶的工作情況。由兩根不同的導線組成了常用的熱電偶，熱電偶屬于電能量傳感器，將兩根導線一端焊接，放入被測介質中，通常作為測量端使用。而未被連接的自由端稱為冷端，連接于測量儀表所引出的導線。當冷端與熱端存在溫差時，熱電偶則會將溫差電動勢生產(chǎn)出來，介質的溫度也被測量儀表測出。熱電偶的分度號根據(jù)材料的不同也會有相應的不同，溫度與電動勢的對應關系可以通過查表的方式找出。mV信號就是輸出熱電偶的信號。所以，若將對應的mV值輸入倒測量儀表的輸入端，便能夠對溫度測量儀表的準確性進行檢測。mV信號的提供就是數(shù)字毫伏或者點位差計信號發(fā)生器，這種溫控儀表檢測方法使常規(guī)中經(jīng)常使用的。當發(fā)生系統(tǒng)故障時，可以將測量儀表的任意一端斷開，將標準的mV信號值輸入倒兩端，對測量儀表的準確性進行判斷，這樣就很容易對熱電偶出現(xiàn)故障與否進行推斷了。
2 傳感器
傳感器能夠感受到被測量的信息，還能按照一定的規(guī)律將所感受到的信息轉換成為所需形式的信息或電信號輸出，屬于一種檢測裝置，能夠滿足信息的控制、記錄、顯示、存儲、處理、傳送等要求，因此，可以說傳感器是實現(xiàn)自動控制和自動檢測的首要環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化、多功能化、智能化、數(shù)字化、微型化等都是傳感器的特點，傳感器對新型工業(yè)的建立起到促進作用，并成功推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代及改造，成為新時期新的經(jīng)濟增長點。若按照輸出信號標志進行分類可將傳感器分為數(shù)字傳感器、開關傳感器以及模擬傳感器。若按照原理進行分類，可分為生物傳感器、真空度傳感器、氣敏傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、振動傳感器等。按照能量轉換原理可分為無源傳感器和有源傳感器。按照工作原理進行劃分，可分為電勢式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、電阻式傳感器等。若按照輸入物理量又可分為氣敏傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。通過電磁計量技術可以完成對電量的測量，而電脈沖信號、電阻、電流、電壓等電量為傳感器最后的輸出。當今在傳感器測量系統(tǒng)中應用較為普遍的就是電流和電壓信號。
3 傳感器測量系統(tǒng)中磁計量技術的應用
隨著我國社會經(jīng)濟和科學技術水平的不斷發(fā)展，誕生了集接口電路、存儲器、微處理器、A/D轉換器、傳感器為一身的智能化數(shù)字儀表，該儀表能夠支持線性電流、線性電壓、熱電阻、熱電偶等輸入的多種信號，對儀表可利用標準電流、電壓源或者標準電流、電壓表來進行檢測。將壓力轉換成為電信號的傳感器就是壓力傳感器，井數(shù)字顯示控制器將電信號輸出，或者通過數(shù)字表將數(shù)據(jù)顯示出來，可達到控制壓力的目的，有效對電氣執(zhí)行器件進行控制。文章以SCS100型大型電子稱為例進行介紹，使用稱重顯示器作為裝置的顯示器，在儀表的內部有串型通訊部分、打印部分、顯示部分、單片機以及與單片機相接連的控制面板、A/D轉換、放大電路，-30 mA至30 mA作為輸入信號值。將分辨力超過1 ?V的毫伏表接在顯示器信號輸入端，可以看出重量顯示與毫伏指示具有一定的線性關系，從分析測量數(shù)據(jù)和應用電磁測量儀表來看，可以對顯示器或傳感器是否處于正常工作狀態(tài)進行判斷。
4 結束語
文章對傳感器測量系統(tǒng)的基本知識進行了簡要的介紹，通過最常用的大型電子衡器，壓力、溫度傳感器測量裝置等設備，從工業(yè)生產(chǎn)的角度看待問題，利用電磁計量技術排除故障以及準確測試，闡述在傳感器測量系統(tǒng)中如何應用電磁計量技術。為了確保企業(yè)生產(chǎn)出產(chǎn)品的質量，傳感器測量系統(tǒng)發(fā)揮出極大作用。傳感器系統(tǒng)具有線性化處理非線性信號、補償信測數(shù)據(jù)及其誤差、調節(jié)、分析、處理信息等功能，其正朝著多功能化、智能化、微型化的方向發(fā)展。傳感器不僅達到高性能指標，還將接口電路、存儲器、微處理器、A/D轉換器、壓敏電阻傳感器集于一身，為測量提供了便捷。
參考文獻
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