光谱学特性（精选十篇）
光谱学特性 篇1
利用光谱技术对油菜种子进行品质分析可有效加快高含油油菜育种进程。近年来,相关的研究报道比较多。鲁蒙等[3]研究发现,利用近红外光谱仪对完整油菜籽品质性状的分析,可以直接用于种质资源的评价、育种材料的选择和突变体的筛选等研究。
孙光明等[4]得出结论,近红外光谱技术连合PLS、BPNN和LS-SVM等化学计量型方法,可以快速有效地检测出油菜叶片在除草剂胁迫下脯氨酸的含量。孙光明等[5]用多光谱图像技术快速、准确地对油菜菌核病进行了判断,使植物病害的监测与防治拥有及时性和可靠性。夏权等[6]通过试验得出多光谱遥感可以大面积定量地监测土壤含水量。本研究利用地物波谱仪对不同含油量油菜种子进行光谱学特性研究,以期找出其中的规律,为高含油量油菜新品种提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验概况
供试材料为3种含油量不同(38%、42%、46%)的甘蓝型油菜近等基因系,由国家油料改良中心湖南分中心提供。试验在湖南农业大学油料研究所和湖南农业大学耘园油菜基地进行,试验地的前作为水稻,土壤肥力中等。于2014年9月29日播种。试验仪器与分析软件为便携式地物波谱仪(Field Spec3,美国ASD公司)。
1.2 试验设计
田间播种,设3个处理,即分别种植309品系(38%)、310品系(42%)、311品系(46%)。播种密度10株/行,行距25 cm,株距10 cm,共6行,做好常规田间管理工作。
1.3 试验方法
在室内,使用ASD光谱仪利用自带光源对取回的种子(每种材料20株)进行测定[7]。种子干燥后,利用索氏抽提法[8]测定含油量。
2 结果与分析
2.1 含油量
取成熟的油菜种子,干燥后,用索氏抽提法测定3种油菜品种的含油量,20株种子混合,测3次,取平均值,结果表明:311品系的含油量最高,为46.436%;其次是310品系,含油量为42.306%;309品系的含油量最低,为38.521%。
2.2 油菜籽含油量与光谱反射率的相关性
2.2.1 油菜籽含油量与油菜冠层光谱反射率之间的相关分析
从图1可以看出,309品系原始光谱反射率与油菜籽含油量之间的相关系数较高,相关系数最大值为0.649 6,位于2 400 nm处。
从图2可以看出,301品系原始光谱反射率与油菜籽含油量之间的相关系数较高,相关系数最大值为0.658 0,位于2 400 nm处。
从图3可以看出,311品系原始光谱反射率与油菜籽含油量之间的相关系数较高,相关系数最大值为0.699 8,位于2 400 nm处。由上述研究可知,在2 400 nm处,油菜籽含油量与原始光谱反射率之间有较好的相关性。
2.2.2 基于相关性系数较大波段的油菜籽含油量模型
利用油菜籽含油量与基于相关性系数较大波段R2400分别构建了指数模型、线性模型、对数模型和多样式模型,其中多样式模型的线性关系最好。309品系油菜籽含油量与优选光谱参数的定量关系如表1所示。
从表1可以看出,309品系的油菜籽含油量与基于相关性系数较大波段R2400构建的多样式模型的相关系数最高,为0.424 00。
310品系油菜籽含油量与优选光谱参数的定量关系如表2所示。
从表2可以看出,310品系的油菜籽含油量与基于相关性系数较大波段R2400构建的多样式模型的相关系数值最高,为0.435 53。
311品系油菜籽含油量与优选光谱参数的定量关系如表3所示。
从表3可以看出,311品系的油菜籽含油量与基于相关性系数较大波段R2400构建的的多样式模型的相关系数值最高,为0.521 33。由上述分析可知,油菜籽含油量与基于相关性系数较大波段R2400构建的的多样式模型的相关系数值最高,其中含油量越高,其相关性越好,可根据该特性,利用高光谱仪器测定不同油菜育种材料种子的光谱值,从而达到预测其含油量的目的,为高含油量油菜育种提供参考。
3 结论
试验结果表明,不同含油量油菜不同单株间含油量差异均较小,表明其为该组近等基因系材料较为稳定[9,10,11];不同含油量的油菜品种的最高波段位于2 400 nm处,且在该处油菜籽含油量与原始光谱反射率之间有较好的相关性。3个不同含油量油菜品种建立的预测模型均以多项式模型最高,其中高含油量油菜的相关性最好,中含油量次之[12,13]。
摘要：以3种含油量分别为38%、42%、46%的甘蓝型油菜近等基因系为试验材料,采用完全随机区组于2014年10月1日在湖南农业大学油菜基地进行田间试验。分析了3个材料油菜籽含油量以及对应的光谱,并将含油量与光谱反射率之间的相关性进行分析。结果表明,含油量与光谱反射率有一定的相关性,且不同含油量油菜种子之间存在着一定差异。3个不同含油量油菜品种建立的预测模型均以多项式模型最高,3个品种之间存在差异,可用于预选不同含油量油菜。
光谱学特性 篇2
硒对钝顶螺旋藻氧化损伤的拮抗作用的光谱学特性及机制
摘要：研究了亚硒酸钠预处理对H2O2氧化胁迫下钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)的`生长、藻丝体形态、谱学特性以及细胞内活性氧(ROS)水平的影响,探究硒拮抗氧化胁迫保护螺旋藻的机制.结果显示,H2O2氧化胁迫明显抑制螺旋藻的生长,藻丝体严重受损,可见光吸收440 nm峰增强,620和680 nm峰降低;荧光发射和激发光谱特征峰强度明显降低,藻胆蛋白特征发射峰由660 nm蓝移至650 nm;红外光谱透射峰没有发生位移,蛋白质和多肽的特征谱带酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带相对强度降低;细胞内ROS相对含量显著性升高.硒预处理24 h呈剂量效应地减轻由H2O2胁迫引起的氧化损伤,有效地抑制胞内ROS的过度累积,提高螺旋藻的抗氧化能力,缓解了氧化胁迫对光能捕获和传递等重要生理功能的影响. 作者： 吴华莲陈填烽尹希郑文杰 Author： WU Hua-lianCHEN Tian-fengYIN XiZHENG Wen-jie 作者单位： 暨南大学化学系,广东广州,510632 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： ,32(3) 分类号： Q945.7 关键词： 硒 钝顶螺旋藻 氧化胁迫 机标分类号： O48 X70 机标关键词： 钝顶螺旋藻氧化损伤拮抗作用光谱学特性机制Oxidative StressSpirulina Platensis氧化胁迫预处理细胞内活性氧特征峰强度抗氧化能力H2O2可见光吸收ROS藻胆蛋白荧光发射抑制亚硒酸钠胁迫保护 基金项目： 教育部新世纪优秀人材支持计划项目，国家自然科学基金项目，中央高校基本科研业务费专项资金项目，广东省科技计划项目，广东省自然科学基金项目
光谱学特性 篇3
关键词：激光诱导击穿光谱技术;赣南脐橙;延时时间;激光能量;检测限
中图分类号：S6664 文献标识码：A
引言
赣南脐橙被列为全国十一大优势农产品之一，是国家地理标志保护产品。由于它营养价值高，医药功效高，深受欢迎。近年来，随着地区经济的迅猛发展，环境污染问题越来越严重，水果重金属污染也受到人们的广泛关注，国家对水果中重金属的含量也颁布了严格限量标准。重金属不易降解，会随着水果进入人体，在体内不断富集，超过一定量时就会危害人体的身心健康。因此，对水果中的重金属研究具有重要意义。
激光诱导击穿光谱技术（Laser-Induced Breakdown Spectrocopy，LIBS）是利用高能量脉冲激光聚焦到待测样品上，在局部产生高温、高密度的等离子体，等离子体中包含的原子、离子和一些分子，寿命很短，以超音速向四周扩散快速冷却。等离子体中的离子和原子产生能量跃迁，并发射其特征波长的光谱，其光谱的波长与特定元素具有一一对应的关系，光谱信号强度与对应元素的含量具有一定的量化关系[1]。该技术无需复杂的预处理，操作简单，具有实时、快速无损、原位检测等特点。
一、实验装置与样品
LIBS检测装置采用调Q脉冲Nd：YAG激光器（北京Beamtech公司Nimma-200型）作为激发源，工作波长1064nm，脉宽为8ns，工作频率2Hz。激光光束经45°平面镜后透过焦距为100mm的平凸透镜聚焦于样品表面。样品放置在4000脉冲/s旋转平台上，以改变样品表面的作用点，降低样品成分不均匀所造成的误差并避免了局部烧蚀严重的影响，保证测量的均匀性。调整聚焦透镜到样品烧灼点的距离为100mm（透镜焦距），以确保连续抽样点间高信噪比、最低测量偏差。因为脐橙呈椭圆形或长椭圆形，所以要经过慢慢调试，使样品上的圆圈烧灼点尽量在同一个垂直于激光光束的平面上。激光与样品作用后产生等离子体，其发射光谱信号经45°穿孔反射镜改变光路后由一个焦距为100mm平凸透镜耦合到光纤输入端，再由光纤传输到八通道光纤光谱仪（法国AvaSpec-2048FT-8RM）。光谱仪内部集成了2048像素的CCD探测器，光谱仪输出信号再由数据线传输至计算机中记录存储，并利用专用软件来进行分析处理获得的光谱信号。采用外触发工作模式由DG535数字脉冲延时器控制激光器触发和光谱信号采集间的同步延时时间。
图1 LIBS检测实验装置示意图
Fig.1 The diagram of LIBS experimental setup
实验选用赣南脐橙用超纯水洗去表面的杂质，然后浸泡在硫酸铜（CuSO4）溶液中48小时后取出，用超纯水洗去样品表面溶液，再用滤纸擦干样品。
二、结果与讨论
（一）光谱测量
实验中光谱仪采集了被Cu溶液污染的脐橙样品在200～1050nm波长范围内的激光等离子体发射光谱，通过Avasoft 7.4分析软件并参照NIST[2]原子光谱数据库和相关文献的记录鉴别了样品的LIBS谱线。其中CuI 324.75nm处谱线比较清晰，强度、灵敏度较高，因此选择CuI 324.75nm线作为LIBS分析线。
（二）特性分析
1. 延时时间特性
实验研究了0.7～1.6us的13个延时时间的特性，数据记录在相同激光能量下，150个激光脉冲的平均值为依据。随着延时的增加，背景信号逐渐减弱，特征信号越来越清晰，信背比RSB也逐渐增加，1.2us时达到最大。当延时继续增加，虽然信背比RSB逐渐增加，但是有用的特征信号被埋没。因此，综合信背比RSB与特征谱线强度的特征确定延时1.2 us是最佳。
2. 激光能量特性
实验研究了30～150mJ的13个激光能量的特性，数据记录在相同延时1.2us下，150个激光脉冲的平均值为依据。随着激光能量80～100mJ增加时，特征谱线强度和信背比RSB都迅速增大，到100mJ时到达最大。大于100mJ变化时，谱线强度基本保持不变，但是信背比RSB逐渐降低。由此，选择最佳激光能量为100mJ。
三、结论
等效相移光栅反射光谱特性的研究 篇4
1 等效相移光栅原理
等效相移光栅的原理可由式（1）～式（4）说明。式（1）表示折射率沿着z方向变化的普通取样光栅的折射率分布；Λ为光栅周期；s(z)为取样函数；Δn为折射率调制深度。式（2）为取样函数的傅里叶表示形式。Fm为m级傅里叶级数；p为取样周期。
若在z>z0时，令取样函数改变为s(z+Δp)，则新的折射率调制函数可表示为式（3）。
其中，q为相对位移量，表示位移量绝对值与取样周期长度的比值，取值介于0～1之间。式（3）表示的光栅可以被看成包含着m级不同的光栅，每一个m值都对应着一个周期不同的光栅，并且在z0点有一个大小为2mπq的相移。由于取样周期长度一般在毫米或亚毫米量级，所以位移量的大小也在毫米或亚毫米量级，降低了光栅制作工艺复杂度，这就是等效相移光栅的原理。
2 真实相移光栅的性质在等效相移光栅中的对应实现
这部分主要通过数值仿真，验证真实相移光栅的性质在等效相移光栅中的对应实现。这些性质包括：多相移光栅中，相移点数量决定反射光谱中窄透射峰的数量；单相移光栅中，相移点位置决定反射光谱中窄透射峰的透射强度，相移量大小决定反射光谱中窄透射峰的位置。在等效相移光栅中，位移点的数量等于等效相移点的数量，位移点的位置为等效相移点的位置，位移量的大小决定等效相移量的大小。
2.1 位移量决定相移量
由式（3）、式（4）知，等效相移量大小与q值有关。令位移点位置z0为等效相移光栅长度的一半，相对位移量q分别为q1=1 2,q2=3 8,q3=1 4,q4=1 8，对应m=-1级光栅的等效相移量分别为-π，-3π4，-π2，-π4，得到-1级等效相移光栅的反射光谱如图1所示。实线对应q1，双划线对应q2，虚线对应q3，点画线对应q4。从图1中可以看出，q=1 2时，-1级光栅在z0处产生了-π相移，在反射带中间位置出现了窄透射带。随着q值的减小，等效相移量的绝对值减小，透射带开始向短波长方向漂移，直至消失。所以可以通过调整q值对某级光栅反射谱内的透射峰位置进行调谐。这与真实相移光栅中，相移量不同时透射峰位置不同相符合。
2.2 位移点位置等于相移点位置
令q=1 2,L表示光栅总长度，z0的值分别为z01=L 3,z02=5L 12,z03=L 2,z04=7L 12,z05=2L 3，得到-1级光栅的反射光谱如图2a所示。图2a中，点画线对应z01，实线对应z02，虚线线对应z03。可以看到，z0为L 2时，透射强度最大，随着z0逐渐偏离L 2，透射强度逐渐减小。图2b中，点画线对应z01，实线对应z02，虚线对应z04，双划线对应z05。可以看到，z01与z05的反射光谱重合，z02与z04的反射光谱重合。所以透射强度的减小只与（z0-L 2）的绝对值大小有关，与z0偏离L 2的方向无关。
2.3 位移点数量等于相移点数量
图3为位移点数量大于1时-1级光栅的反射光谱图。点画线对应在z01=L 3,z11=2L 3处分别引入q=1 2的位移，双划线对应在z02=L 3,z12=L 2,z22=2L 3处，分别引入q=1 2的位移，实线对应在z03=L 6,z13=L 3,z23=2L 3,z33=5L 6处，分别引入q=1 2的位移。可以看出，位移点的数量等于反射谱中窄透射峰的数量。这与真实相移光栅中，相移点数量等于反射谱中窄透射峰的数量相一致。
3 实现-2级等效相移光栅的方法
-2级光栅与-1级光栅相比，同0级光栅的频率差更大，这一部分分析了式（2）、式（3）中Fm的具体形式，找到了一种实现-2级等效相移光栅的方法。式（5）为取样函数在时域上的表示形式，p为取样周期长度；T为取样周期占空比。
由式（3）知，m级光栅的折射率调制深度为Δn|F m|，由式（2）、式（5）可得
由式（7）知，占空比T可以改变|Fm|的值，进而改变m级光栅的折射率调制深度。-1级光栅的等效相移量为-π时，q=1 2,T=1 2，此时-2级光栅的等效相移量为-2π，|F2|=0，其他偶数级光栅（0级除外）的傅里叶级数也都为零，所以-2级光栅无法产生反射。为了使-2级光栅获得最大折射率调制深度，可令式（7）中的分子|sin(-2πT)|=1，可取-2πT=-π2，得到T等于1 4。由式（3），为了使-2级光栅产生-π相移，令-2πq=-π，得到q=1 4。此时-1级光栅的等效相移量为-π2，|F1|=2 2π。
图4为仿真得到的等效相移光栅反射光谱。图4a对应q=1 2,T=1 2。图4b对应q=1 4,T=1 2。图4c对应q=1 4,T=1 4。图4d为图4c中-2级反射光谱的放大图。可以看到，q=1 2,T=1 2时，-2级光栅几乎没有反射，有限的反射来源于取样周期数量的有限性。q=1 4,T=1 2时，-2级光栅的等效相移量为-π，但由于折射率调制深度为0，仍几乎没有反射。q=1 4,T=1 4时，-2级光栅反射率明显提高，反射谱中间出现窄透射峰。通过令mTπ=-π2,2mqπ=-π，还可以实现其他偶数级的等效相移光栅，但|m|值太大时，由式（7）知，|Fm|的表达式中分母变得很大，导致|F m|值减小，无法实现很高的反射率。
4 光栅最大反射率与光栅长度的关系
保持等效相移光栅取样周期数等于60不变，q=1 2,T=1 2，仿真得到等效相移光栅最大反射率与取样周期长度p的关系如图5实线所示。period=536 nm，指的是被带位移取样函数调制的普通光栅的周期为536 nm，对应反射中心波长约为1 551.4 nm。图中横坐标为长度，单位为-dB*m，也就是以米为单位的长度取以10为底的对数，再乘以-10，纵坐标为最大反射率，单位为-dB。
从图中可以看到，在a点，p=0.474 mm，为被调制光栅周期的885倍，经过a点后反射率迅速下降。在b点，p=0.03 mm，为被调制光栅周期的56倍，经过b点后，光栅最大反射率小于0.01。在c点，p=5.97 nm，为被调制光栅周期的0.01倍，经过c点后，取样周期长度每下降1 dB，光栅最大反射率下降2 dB。虽然在c点取样周期太小，在实际中已经无意义，但是经过c点后的两倍关系仍是使人感兴趣的，不清楚这种关系是光栅真实的性质还是仿真的误差，用光栅的G.P.Agrawal传输矩阵[11]重新仿真同样得到了这种关系。改变被调制光栅周期，令period=250 nm，在反射中心波长723.6 nm附近扫描最大反射率，得到的最大反射率与取样周期长度的关系如图5双划线所示。中心波长为1 551.4 nm的普通光栅的最大反射率与光栅长度的关系如图5虚线所示。可以看到，对上述两种光栅，仿真中的经过c点后的两倍关系仍然存在。
5 结论
首先通过数值仿真验证了真实相移光栅的各种性质都能通过调整参数在等效相移光栅中实现，这些性质包括：（1）等效相移量大小决定各级光栅反射谱中窄透射峰位置，相移量大小可以通过调节位移量改变；（2）单相移光栅中，相移点偏离光栅中心位置越大，各级光栅反射谱中窄透射峰的透射强度越低，且与偏离中心位置的方向无关，位移点的位置就是相移点的位置；（3）多相移光栅中，相移点的数量等于反射谱中窄透射峰的数量。位移点的数量等于相移点的数量。然后通过分析等效相移光栅的傅里叶频谱，发现通过使取样函数占空比为1 4，相对位移量为1 4，可以实现-2级等效相移光栅，并给出了获得其他偶数级等效相移光栅的公式，即mTπ=-π2,2mqπ=-π。最后通过数值仿真，给出了在取样周期数量不变的情况下，等效相移光栅最大反射率与取样周期长度关系的曲线。
参考文献
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光谱学特性 篇5
光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究
摘要：提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59％/％RH,较光纤SPR探针呈现显著提高.而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/％RH.此外所提出的`新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用. 作者： 张少华 曾捷 孙晓明 穆昊 梁大开 Author： ZHANG Shao-hua ZENG Jie SUN Xiao-ming MU Hao LIANG Da-kai 作者单位： 南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室,江苏南京,210016 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 32(2) 分类号： O539 关键词： 光纤传感器 表面等离子体共振(SPR) 湿敏特性 PVA薄膜 机标分类号： TN6 TH1 机标关键词： 新型光纤 SPR 湿敏传感器 共振光谱 特性研究 Humidity Sensor Optical Fiber 探针 PVA薄膜 环境相对湿度 监测灵敏度 测量灵敏度 吸附功能 湿度变化 敏感特性 监测效果 共振强度 共振波长 工艺处理 高湿 基金项目： 国家自然科学基金，江苏省科技支撑计划项目，江苏省自然科学基金，中国博士后科学基金，江苏省博士后科研计划项目，611航空科研基金，南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金 光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究[期刊论文] 光谱学与光谱分析 --2012, 32(2)张少华 曾捷 孙晓明 穆昊 梁大开提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器.首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测.研...光谱学特性 篇6
β-环糊精的结构为非极性筒状空腔,其包合物是与其分子大小空腔相匹配的不同类型的分子相结合所形成的,该包合物具有比客体分子更多的优点[2]。药物中的有效成分不仅能够被β-环糊精包合,还可以增加药物溶解度,减少药物中的有效成分挥发和氧化,最终提高其在动物体内的利用率[3]。
本试验研究了饲料级维生素E与β-环糊精的包合方法,旨在为未来新型添加剂的研发、制备、分析应用方面提供技术支持与理论依据。
1 材料与方法
1.1 主要仪器与试剂
傅里叶红外光谱仪,美国Nicolet公司产品。紫外-可见分光光度计,上海元析有限公司产品;超声波,Switzerland公司产品;微波炉(输出功率为700 W),Glanz公司产品;磁力搅拌器,天津欧诺仪器仪表有限公司产品;β-CD,购自天津市光复精细化工研究所;维生素E,购自郑州奇华顿化工产品有限公司;99.7%无水乙醇,购自搏欧特天津化工贸易有限公司。
1.2 最大吸收波长的确定
取维生素E 10 mg溶于100 m L无水乙醇中,配制成浓度为100μg/m L的标准溶液。以无水乙醇为空白对照,在200~400 nm区间进行紫外光谱扫描。结果,饲料级维生素E在279 nm处有最大吸收峰,见图1。
1.3 标准曲线的制备
精密称取维生素E 10 g,置500 m L容量瓶中,用无水乙醇定容,配制成浓度为20 mg/m L的标准溶液,分别精密量取5,10,15,20,25,30,35,40,45,50 m L定容至100 m L容量瓶中,加无水乙醇至刻度,得到浓度分别为1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 mg/m L的对照品溶液,以无水乙醇为空白,在279 nm处测定吸光度值,根据结果绘制标准曲线[4]。所得标准曲线方程为y(维生素E的浓度)=0.4955+12.826 x(维生素E的吸光度值),R2=0.996 2(n=10),维生素E在1~10 mg/m L范围内线性关系良好,见图2。
1.4 包合物的制备
1.4.1 微波法
分别设定好维生素E与β-CD的摩尔比为1∶2,1∶3,1∶5,准确称量维生素E与β-CD,先将β-CD用设定温度的纯化水溶解制成饱和溶液,在磁力搅拌器搅拌情况下用注射器缓慢注入以无水乙醇溶解的维生素E乙醇溶液,移至微波炉中,待微波辐射2 min、4 min、6 min后冷却置4℃冰箱保存24 h,用滤纸滤净未包合的维生素E,80℃鼓风干燥24 h,得白色粉末即为包合物[5]。
1.4.2 溶液法
分别设定好β-CD与维生素E的摩尔比为1∶2,1∶3,1∶5,准确称量维生素E与β-CD,先将β-CD用设定温度的纯化水溶解制成饱和溶液,磁力搅拌,在试验设定的搅拌速度及温度下滴加维生素E[6]。设定包合时间,包合完后置4℃冰箱保存24 h,用滤纸滤净未包合维生素E,80℃鼓风干燥24 h,得白色粉末即为包合物。
1.4.3 超声法
分别设定好β-CD与维生素E的摩尔比为1∶2,1∶3,1∶5,准确称量维生素E与β-CD,先将β-CD用设定温度纯化水溶解制成饱和溶液,在超声波清洗机中用注射器缓慢注入以无水乙醇溶解的维生素E乙醇溶液,移至超声振荡器中。设定超声时间和超声温度,振荡完后置4℃冰箱中保存24 h,用滤纸滤净未包合维生素E,80℃鼓风干燥24 h,得白色粉末即为包合物。
1.5 包合率的测定
将滤完未包合维生素E的滤纸剪碎,假设定量无水乙醇加热使滤纸上的维生素E完全溶解,按照不同设定浓度分装在13 m L容量管中定容,摇匀,在279 nm处测量吸光度值,代入线性方程得到其浓度,然后计算包合率[7]。
包合率的计算方法:维生素E与β-CD比例在1∶2时包合率计算方法为:包合率=(2.170-C1×13×60/2.4/1 000)/2.170;维生素E与β-CD比例在1∶3时包合率计算方法为:包合率=(1.390-C2×13×60/3.74/1 000)/1.390;维生素E与β-CD比例在1∶5时包合率计算方法为:包合率=(0.834-C3×13×60/6.24/1 000)/0.834。式中:C1、C2、C3为紫外-可见分光光度计测得的不同浓度比下剩余维生素E浓度;2.17 0 g、1.390 g、0.834 g为称量维生素E的质量;2.40 m L、3.74 m L、6.24 m L为合适的提取量。
2 结果与分析
2.1 包合物的制备
2.1.1 微波法
根据正交试验对测得的结果进行整理分析,结果见表1和表2。
由表1和表2可知,包合率的极差包合时间﹥极差包合比例,并且包合时间的偏差平方和﹥包合比例的偏差平方和,由此可知影响包合率的因素先后顺序是:包合时间影响最大,其次是包合比例。
方差分析结果显示,包合比例、包合时间显著性为P<0.05,说明包合比例与包合时间对包合率有显著影响。经筛选,微波法最优的条件为:包合比例1∶2,包合时间6 min,制得的包合率为65.52%。
2.1.2 溶液法
根据正交试验对测得的结果进行整理分析,结果见表3和表4。
由表3和表4可知,包合率的极差包合温度﹥极差包合比例﹥极差包合时间,并且包合温度的偏差平方和﹥包合比例的偏差平方和﹥包合时间的偏差平方和,由此可知影响包合率的因素先后顺序是:包合温度影响最大,其次是包合比例,最后是包合时间。
方差分析结果显示,包合比例、包合时间、包合温度的显著性为P>0.05,说明包合比例、包合温度与包合时间对包合率没有显著影响。经筛选,溶液法最优的条件为:包合比例1∶3,包合时间3 h,包合温度60℃,制得的包合率为75.17%。
2.1.3 超声法
根据正交试验对测得的结果进行分析,结果见表5和表6。
由表5和表6可知,包合率的极差包合温度﹥极差包合比例﹥极差包合时间,并且包合温度的偏差平方和﹥包合比例的偏差平方和﹥包合时间的偏差平方和,由此可知影响包合率的因素先后顺序是:包合温度影响最大,其次是包合比例,最后是包合时间。
方差分析结果显示,包合比例、包合时间、包合温度的显著性为P>0.05,说明包合比例、包合温度与包合时间对包合率没有显著影响。经筛选,超声法最优的条件为:包合比例1∶3,包合时间3 h,包合温度70℃,制得包合率为72.45%。
2.2 微波法、溶液法和超声法最佳包合方法的比较
通过试验得出,采用超声法和溶液法制备包合物的平均饱和率及最大包合率都显著高于微波法。另外,溶液法与超声法相比,可以有效降低反应温度,而包合率相差不大,因此溶液法是本试验包合物制备的最佳方法。
2.3 红外光谱测定
用KBr压片法对β-CD与β-CD包合物分别进行红外光谱扫描,结果见图3。
由图3可知,维生素E与β-CD包合物的红外光谱表现与β-CD的特征极其相似[8],但包合前后某些最大吸收峰的位置发生如下变化:β-CD的υO-H及υC-O特征吸收峰由3 391.21 cm-1、1 644.02 cm-1位置移到了3 396.99 cm-1、1 742.37 cm-1,这是由于维生素E分子长链引入β-CD空腔后,使其空间位阻增大,吸收向高频方向移动。说明维生素E已包合于β-CD中。
3 讨论
3.1 维生素类包合物的研究
包合物是最近研究比较多的内容,因为它可以将受体包裹在载体腔体内而不改变其分子结构,从而减少外界环境对受体的影响[9]。其中包括一些易被外界环境破坏的药物、维生素等物质。维生素中容易受环境因素影响的是脂溶性维生素A、维生素D、维生素E和维生素K。在以往研究中脂溶性维生素类包合物的主要包合载体为β-环糊精及羟丙基-β-环糊精,它们也是目前已知的最好的包合材料。
3.2 包合率存在差异的原因分析
在本试验中,维生素E通过与β-CD包合减少外界环境对维生素E的影响,微波法所得包合率为65.52%,溶液法所得包合率为72.45%,超声法所得包合率为72.45%。以上这三种方法所得包合率都略低于喻红竹等[10]试验所得数据(微波法为87.44%、溶液法为75.21%、超声法为89.69%)。经分析整理,存在差异的最主要原因为本试验采用的饲料级维生素E与喻红竹等人使用的分析级维生素E存在明显差别。在试验中,磁力搅拌器的转速是根据预试验所得最佳包合率确定的,与范晶等[11]存在差异,从而影响试验结果。在微波法中,由于使用的微波炉型号与陈亮等[12]的不同(在微波强度方面可能存在差别),从而影响试验结果。
4 结论
采用微波法、溶液法、超声法所得最高包合率包合物中,溶液法在包合比例1∶3、包合时间3 h、包合温度60℃时所得最佳包合率为75.17%,相比其他方法条件最优。红外光谱测定结果表明,饲料级维生素E与β-CD包合物的生成,抑制了复杂因素引起的变性,增强了其稳定性,为未来新型添加剂的研发、制备、分析应用提供了技术支持与理论依据。
参考文献
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光谱学特性 篇7
1 分子前线轨道能级
众所周知, 卟啉分子具有中心对称性, 其电子光谱主要决定于两个最高占据轨道 (H O M O-1, H O M O) 和两个最低空轨道 (LUMO, LU MO+1) , 且四苯基卟啉 (TPP) 的LUMO和LUMO+1出现能级简并。图2和图3分别给出了corrole分子的前线轨道能级及分布图。从图2可以看到, 三苯基corrole (T PC) 分子由于其非对称结构, LU MO和LU MO+1能级不再发生简并。随着氟苯基个数的增加, HOMO和LUMO能级逐渐降低, 且HOMO及HOMO-1之间的能隙逐渐减小。随着氟苯基的位置不同, corrole分子H OMO-1及H OMO轨道相似, 主要分布在吡咯环上。随着氟苯基的取代位置不同分子的LOMO及LUMO+1轨道分布则有所不同, 没有取代的TPC分子及在5, 10, 15位引入氟苯基的F15C分子轨道分布在整个吡咯环及苯环上, 而在Y方向5位引入氟苯基后的F5C及其中在X方向10, 15位引入氟苯基的F10C分子的LOMO及LUMO+1轨道分布主要集中在吡咯环及没有取代基的苯环上。可见, 氟苯基的取代位置不同对LUMO能级的影响比较明显。这个结论同样反应在电子光谱上。
2 电子光谱
表1列出了corrole分子的电子光谱主要吸收峰位置 (λ) 、振子强度 (f) 及光谱对应的主要跃迁轨道。从表1可以看出, 所有corrole分子的最强吸收峰 (第三激发态) 对应于HOMO→LUMO+1跃迁, 最强吸收峰的位置及振子强度虽有不同但差别不大。引入氟苯基后, corrole分子的电子光谱在360-370 nm附近出现了具有中等强度 (0.26-0.51) 的次强吸收峰 (第5、第6激发态) 。表1还表明, 氟苯基的位置不同使得分子最强吸收峰后出现的次强吸收峰的跃迁轨道各不相同, F5C分子的次强吸收峰 (第五激发态) 对应于HOMO→LUMO+3跃迁, 而F10C分子出现两个主要的次强吸收峰 (第五激发态及第六激发态) , 其对应的跃迁均为HOMO→LUMO+2, F15C分子次强吸收峰 (第五激发态) 对应的跃迁则为HOMO-1→LUMO+3。可见, 氟苯基取代基的位置的不同对电子光谱的影响主要来源于次强吸收峰的跃迁组成中LUMO能级的巨大变化, 这与我们的前线轨道能级分析结果基本一致。
3 结论
本文从理论上分析了氟苯基的位置对corrole前线轨道能级及电子光谱的影响。研究表明, 氟苯基的位置对corrole分子LU MO能级的影响比较明显, corrole分子HOMO-1及HOMO轨道主要分布在吡咯环上, 而LOMO及LUMO+1轨道分布则因氟苯基的位置的变化各不相同。Corrole分子电子光谱最强吸收峰对应的主要跃迁组成基本相同导致最强吸收峰的位置 (λ) 及振子强度 (f) 差别不大, 而corrole分子最强吸收峰后出现的次强吸收峰的跃迁轨道组成中LUMO能级相差巨大使得氟苯基corrole的电子光谱次强吸收峰的个数、位置、强度都有明显差异。本文的研究结果从理论上分析了氟苯基corrole系列分子的电子光谱特性, 对该系列分子的实际应用具有一定的理论指导意义。
参考文献
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光谱学特性 篇8
关键词：焦比退化,光线追迹,多目标光谱技术
0 引言
光纤具有优良的光传输特性, 因此很早就被应用于光学天文望远镜[1]。天文中光纤的主要应用领域有两个:积分场光谱技术 (Integral field spectroscopy) [2]和多目标光谱技术 (Multi-object spectroscopy) [3]。目前, 光纤多目标光谱技术已经在多个大型多目标光谱望远镜系统中使用, 如William Hersche Telescope (WHT) [4]、Sloan Digital Sky Survey (SDSS) [5]和Anglo-Australian Telescope (AAT) [6]中。我国建设的大天区多目标光纤光谱天文望远镜 (LAMOST) 工程也使用了多目标光纤传输光谱测量技术。
影响光纤多目标光谱测量技术的主要因素是光纤的透过率和焦比退化特性。其中, 光纤的透过率由光纤种类、制造光纤的材料, 使用波长范围和安装后光纤的弯曲损耗等因素决定。光纤的焦比退化除与光纤数值孔径等光纤固有参数有关之外, 还与使用条件, 如弯曲、聚焦光束相对于光纤纤芯的偏心入射等有重要关系。对光纤的焦比退化特性的分析研究将对多目标光纤光谱望远镜系统的观测质量的改善提供依据。
国内外对光纤的焦比退化特性如焦比退化与光纤的芯径[1]、入射焦比f/in[7], 波长[8,9]、光纤长度[10,11]、温度[8]、光纤端面的平滑程度[12]、弯曲[13,14]、应力[14]、光纤主轴与入射光轴未对准[15]等关系进行了很多的研究。
本文以LAMOST工程实际使用的光纤和光纤的实际使用条件为依据, 分析计算在C形弯曲和S形弯曲情况下的光谱传光光纤的焦比退化特性及其对观测质量的影响。为工程中的传光光纤光缆的设计、施工安装和使用等提供依据。
1 焦比退化分析
如图1所示, 焦距与光斑直径的比值称为焦比。理想光纤的入射焦比f/in等于出射焦比f/out。入射光经过非理想光纤传输后, 出射光的焦比会发生变化, 相比于入射光的焦比会减小, 出射光斑的直径增大, 光斑发生弥散, 这种现象称为焦比退化 (FRD) [16]。
导致光纤发生焦比退化的因素有很多。由于光纤光缆的施工安装和实际使用过程中的光纤随望远镜转动等造成的不可完全避免的光纤弯曲是光纤焦比退化的重要因素[13,14]。而光纤端面与观测目标成像位置的对准误差带来的聚焦光束偏心入射使得工程应用中光纤焦比退化的规律更加复杂。我们的计算将根据LAMOST工程实际使用的光纤的实际工程参数来计算相应的光纤焦比退化特性。
LAMOST系统中使用的光纤为Polymicro公司的大芯径光纤, 光纤折射率分布为阶跃折射率分布, 光纤的纤芯直径为320µm, 光纤的数值孔径为0.22±0.02、光纤的光谱传光范围是275~2 100 nm。
在如图2所示的弯曲状态下, 上述大芯径光谱传光光纤的焦比退化特性可以使用射线光学的方法计算。在光纤的入射端面, 假定光射线理想汇聚于纤芯中央的光纤光轴位置。这样根据已知光线的入射光线坐标、入射点方向向量, 可以用光线追迹算法, 计算光纤出射端光线的出射光线坐标、出射点方向向量[13,17]。这样就可以计算各种入射情形下的焦比退化特性。
图2所示的计算结果是LAMOST所用光纤 (纤芯直径320µm、数值孔径0.22) , 在弯曲半径为106.5 mm、弯曲的长度为668.8 mm (弯曲一周) 、入射光束焦比为f/5的情形下的出射光斑弥散的情况。根据出射光线的分布可以进一步计算确定光纤在这一弯曲情况下的焦比退化。
注意到上述光纤的出射光线在垂直于弯曲平面方向 (图2中的y方向) 与在平行弯曲平面方向 (图2中的x方向) 的弥散情况并不相同。在平行于弯曲平面方向有更强烈的弥散, 也就是有更大的焦比退化。根据光纤出射端光线密度分布得到的光纤出射端的光强分布如图2 (c) 所示。
但在弯曲光纤情况下, 光束的偏心汇聚入射将造成更复杂的光纤出射端光束弥散现象, 具有更复杂的焦比退化特性。使用上述计算同样的光纤参数, 在同样的弯曲状态下 (图2 (a) 所示) , 在入射汇聚光束入射到光纤入射端面的不同偏心位置 (x2, y2) 时如图3所示, 在光纤的出射端可以得到各自的光束弥散的结果。由此可以进一步计算确定对不同入射偏心情况下的焦比退化特性。
2 计算结果与分析
根据上述计算方法, 我们具体计算了两种不同情形下的焦比退化特性。首先计算了光纤弯曲半径不变, 弯曲光纤的总长度也保持不变的条件下, 对应不同的入射端光束聚焦入射点偏心情况下的焦比退化特性。这种情形对应LAMOST工程中光纤施工安装完成, 各段光纤弯曲情况基本不再变化时, 由于光纤与被观测目标像对准存在偏差所导致的光纤焦比退化特性。所作计算对实际工程的复杂弯曲情况进行了简化。其次, 计算分析了对应不同弯曲半径下, 几种典型的偏心入射所造成的光纤焦比退化特性。最后, 根据上述计算结果具体估算了LAMOST工程中由于偏心入射到弯曲的实际光纤所引起的焦比退化效应, 对应到有限接收孔径角范围的能量比例, 也就是焦比退化造成的观测效率下降情况。
2.1 偏心入射时光纤的焦比退化特性
图3显示了对应在入射光纤端面上不同偏心入射点, 在光纤出射端面上的光斑弥散情形。由于光纤弯曲的对称性, 入射点相对于x2轴对称点有相同的弥散特性。因此我们选择在入射端面上的有代表性的入射点来分析对比计算结果。所选入射点分布如图3 (k) 所示, 并以入射点坐标描述入射点位置。
如图3所示, 计算结果表明, 随着入射点从靠近弯曲中心的方向朝远离弯曲中心的方向移动, 出射光斑弥散程度越小, 大部分落在接收孔径内;相反, 入射点越靠近弯曲中心, 出射光斑越弥散, 接收孔径中心部分的光强越弱, 大部分落在接收孔径的外围区域。由图3 (1) 与图3 (2) 所示, C形弯曲时比S形弯曲时的光斑强度更强, 入射点移动产生的出射光斑聚散效应更明显。与之相对应的各偏心入射点在垂直于弯曲方向和平行于弯曲方向的光强分布如图4 (a) 、图4 (c) 与图4 (b) 、图4 (d) 所示。
如图3 (b1) ~图3 (f1) 所示, 随着与光纤弯曲垂直方向在入射端面上偏离纤芯中心入射, 各入射点对应的在光纤出射端面上弥散情况如图3 (d1) 、图3 (h1) 、图3 (j1) 所示。可以看到对应的弥散较轻微, 也就是焦比退化不明显。与之相对应的各偏心入射点在垂直于弯曲方向和平行于弯曲方向的光强如图4 (a) 、图4 (c) 与图4 (b) 、图4 (d) 所示。
如图4所示, 当入射光的入射中心变化 (从入射点 (4×r0/5, 0) 到 (-4×r0/5, 0) ) 时, 如图4 (a) 所示, 出射端面上平行于弯曲方向的光强分布, 中心部分的能量减少, 接收孔径外的能量比重增大, 图4 (b) 中出射端面上垂直于弯曲方向的光强分布变化与之相似, 但弥散程度相对较小, 中心部分能量下降亦较小。如图4 (c) 、 (d) 所示, 垂直于弯曲方向平行于弯曲方向的光强分布弥散程度相对较小。图4 (a) 、 (b) 与图4 (c) 、 (d) 比较可以看出, 入射光平行于弯曲方向偏移入射, 入射点位置从 (4×r0/5, 0) 到 (-4×r0/5, 0) 变化时, C形弯曲时的出射光斑弥散变化程度比S形弯曲的出射光斑弥散程度更明显, 且出射光斑的整体强度更大, 入射光斑偏移入射对焦比退化的改变影响更显著。
如图5所示偏心入射点在垂直于弯曲方向偏离纤芯中心位置时, 输出端接收面上平行与垂直弯曲平面的两方向上的能量在垂直和平行于光纤弯曲方向上的光强弥散分布均较小。根据上述固定光纤弯曲状态, 所计算的在各种偏离光纤入射端中心位置时的出射光纤端面的光强分布情形, 我们可以进一步计算在这偏心入射情形下的焦比退化特性。如图图6、图7所示。
图6所示的计算参数是光纤弯曲半径为106.5 mm, 长度为668.8 mm, 入射焦比f/5。
由图6所示的计算结果可知, 在C形弯曲时 (图6 (a) 、6 (b) ) , 当弯曲半径较小 (106.5 mm) , 对于LAMOST光谱测量仪器接收孔径对应的焦比1/4的限制, 中心入射时能接收到的光能量约为原入射光能量的73.6%。如果弯曲半径较大 (300 mm) 时, 可以达到80%以上的接收效率。在S形弯曲下 (图6 (c) 、6 (d) ) , 接收效率明显低于C形弯曲时的接收效率。中心入射时可以接收到的光能约为原入射光的26.4%, 从图中可以看到远离弯曲中心偏移入射对接收光的能量有一定提高。
2.2 固定偏心入射在不同弯曲半径下的焦比退化
讨论在不同弯曲半径时, 固定的偏心入射对焦比退化的影响。选取3种弯曲半径, 分别是R1=106.50mm, R2=150 mm, R3=300 mm来分析对若干典型偏心入射位置的光斑弥散情况。
选取几种典型的偏心入射点位置 (-4r0/5, 0) 、 (-2r0/5, 0) 、 (-r0/5, 0) 、 (r0/5, 0) 、 (2r0/5, 0) 、 (4r0/5, 0) , 根据LAMOST的实际光谱测量仪器接收孔径角对应焦比1/4的限制, 可以估算出接收光能量损失不超过20%所需求的弯曲允许范围。根据图7的计算结果, 弯曲半径为300 mm或以上, 对应光纤对准的偏差不超过r0/5即32µm时, 光谱仪的光能接收效率可达到不小于80%。由此可知, LAMOST工程中光纤光缆施工安装及观测使用过程中最小弯曲半径应限制在不小于300 mm, 此时允许的光纤对准偏差应不大于32µm。
3 结论
对弯曲的大芯径光纤因入射中心与纤芯中心的对准偏差导致的焦比退化特性, 利用光线追迹法进行了分析计算。结果表明:入射光在光纤端面的不同偏心位置, 会产生不同的焦比退化效应。C形弯曲情形时入射中心与纤芯中心的对准偏差对焦比退化的影响程度明显大于S形弯曲情形下对准偏差对焦比退化的影响程度。LAMOST工程中光纤光缆施工安装及观测使用过程中最小弯曲半径应限制在不小于300 mm, 此时允许的光纤对准偏差应不大于32µm。
光谱学特性 篇9
光栅光谱仪是一种灵敏度高, 适应性广, 分析速度快, 使用方便的光谱分析仪器[1,2], 无论是吸收光谱、荧光光谱, 还是拉曼光谱, 它在获得单波长辐射过程中都是不可或缺的手段[3]。许多文献只限于用光栅光谱仪研究物体的反射、透射及吸收特性[4,5,6], 至于物体表面色度特性的研究则很少涉及。本文通过自行搭建的光栅光谱仪测量物体表面的反射特性, 然后利用颜色光学计算出物体表面的色度特性。
1 光谱仪和光栅方程
光栅作为重要的分光器件, 它的选择与性能直接影响着整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等, 本实验采用的是平面光栅单色器中的反射式衍射光栅。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽, 一系列平行刻槽的间隔与波长相当, 光栅表面涂上一层高反射率金属膜, 光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长, 在大多数方向消失, 只在一定的有限方向出现, 这些方向确定了衍射级次。如图1所示, 光栅刻槽垂直辐射入射平面, 辐射与光栅法线入射角为α, 衍射角为β, 衍射级次的极大值:
定义φ为入射光线与衍射光线夹角的1/2, 即:
式中:d为刻槽间距。在下述条件下得到干零级光谱位置的光栅角, 即:
得到更方便的光栅方程。从该光栅方程可看出, 对一给定方向β, 可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。
2 色度学简介
由色度学理论可知, 通过红、绿、蓝三原色的相加混合可以得到许多不同的颜色, 匹配出某种颜色的三原色刺激量称为此颜色的三刺激值[7,8]。
颜色的三刺激值计算公式为:
式中:
由三刺激值得到物体表面颜色的色度坐标为:
3 光栅光谱仪实验装置的结构框图及仪器介绍
3.1 光栅光谱仪的结构框图
本实验所用的多功能光栅光谱仪结构框图如图2所示。
该实验仪器的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压 (光电倍增管接收系统) 不受计算机控制而用手工设置外, 其他的各项参数设置和测量均由计算机来完成。
装置的组成:激发光源系统+分光系统+样品检测系统+数据采集及处理系统+软件系统+计算机系统, 可同时扫描激发谱的发射谱, 对于未知激发谱的材料可提供更有效的分析工具。
3.2 实验中所用的仪器
(1) SPB300 300mm光栅光谱仪
SBP300光谱仪的主要特点:光栅台可同时安装三块光栅;微机控制自动更换光栅和进行波长扫描;覆盖波长范围为200～2 500 nm;采用大口径准直镜、光栅和聚焦反射镜;光栅面积为68 mm×68 mm, 通光孔径大, 相对孔径为F/3.9;精密蜗轮蜗杆传动副, 更换光栅和波长扫描准确和迅速、扫描速度可调, 最高可达4 000 nm/s (12 001 mm光栅) ;采用微步细分驱动步进电机, 最小步距仅为0.005 nm;
(2) SD六挡滤光片轮;
(3) SAC 三口样品室;
(4) DCS102数据采集器;
(5) PMTH-S1-CR131光电倍增管
PMTH-S1-CR131光电倍增管探测器响应波长范围为185～900 nm。
(6) HVC1005高压稳压电源;
(7) SGC单色仪控制器。
4 实验测量
4.1 氙灯光源的发射光谱实验测量
利用所搭建的实验装置进行实验测量, 本次实验的光源是高压氙弧灯, 它是一种短弧气体放电灯, 外套为石英, 内充氙气, 室温时其压力为5 atm (1 atm=1.013 25×105 Pa) , 工作时压力约为20 atm。250～800 nm光谱区呈连续光谱, 450 nm附近有几条锐线。工作时, 它在相距为8 mm的钨电极间形成一强的电子流 (电弧) , 氙原子与电子流相撞而离解为氙正离子, 氙正离子与电子复合而发光。氙原子的离解发射连续光谱, 而激发态的氙则发射分布于450 nm附近的线状光谱。氙弧灯的光谱输出, 短于280 nm区的强度迅速下降。实验所用氙灯光源的发射光谱如图3所示。其中, 纵坐标V指用电信号电压值表示相对的发射光谱的强度。
4.2 红膜和蓝膜在氙灯照射下的反射率
分别测量在氙灯照射下红膜和蓝膜的反射光强度随波长的分布, 其分布情况如图4, 图5所示。
分别将红膜和蓝膜在氙灯光源照射下的反射光强度与氙灯的发射光谱相比较, 即可得到红膜和蓝膜的表面反射率, 如图6, 图7所示。
4.3 计算红膜和蓝膜在氙灯照射下的色度值
实验测量的氙灯光源发射光谱, 在色度学中就可看作是氙灯光源的相对光谱功率分布, CIE标准色度观察者光谱三刺激值
5 结 语
本文利用自行搭建的光栅光谱仪对样品表面的反射特性进行了光谱测量, 然后结合颜色光学基本理论, 通过自行编程计算了在氙灯光源照射下样品的色度特性, 同时还通过色度学计算公式进一步得到不同光源照射下物体表面的色度值, 而以往文献大多是通过光栅光谱仪测量物体表面的反射特性, 很少涉及其色度特性, 所以对研究物体反射、透射的色度特性以及荧光物质的色度特性也具有一定的借鉴意义。
参考文献
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光谱学特性 篇10
1 实验
1.1 样品的制备
Zn(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O和NaOH均为分析纯试剂。试样编号及组成见表1(化学组成为摩尔分数)。采用水热法制备Ni掺杂ZnO晶体粉末。
1.2 样品的表征
用Dmax-2200PCX射线粉末衍射仪对样品进行XRD物相分析;用日本电子公司的JSM-5900扫描电镜观察样品的形貌;用美国NICOLET公司的NEXUS-670红外光谱仪测定样品的红外光谱。
2 结果与讨论
2.1 样品的物相与形貌分析
图1为样品的XRD图谱。由图1可以看到,样品S1、S2除ZnO的衍射峰外没有其他物质的衍射峰出现,为纯纤锌矿结构,也没有其他杂质成分存在,即在实验中Ni掺杂没有生成新的物相,而是生成了置换型Ni2+/Zn2+O固溶体。由图1还可以看出,随着Ni掺杂量的增加,所得样品的衍射峰高度降低、半峰宽变大。这是因为Ni以Ni2+的形式扩散到ZnO晶格中会产生晶格缺陷、畸变,导致结晶度降低。掺杂浓度越高,缺陷越多,晶格结构越不完整。
对于过渡族金属离子的掺杂,通常认为基于常规热平衡过程的纳米生长方式难以得到固溶体。在液相中制备的实验结果已经证实,掺杂原子在ZnO成核过程中会被排斥出核外[10]。但采用水热法,在ZnO晶体生长过程中这些掺杂能替代部分Zn2+,形成稳定的纤锌矿结构。XRD未发现NiO或其他杂质矿物存在,故认为Ni2+固溶到ZnO晶格中,生成了部分Zn2+被Ni2+替代的ZnO晶体。
在图1中,样品S3在42.92°处出现了一个新的衍射峰,据分析该衍射峰为NiO的特征峰,说明当Ni添加量增加到5%时,样品中除了部分Ni2+进入到ZnO晶格中并取代了Zn2+以外,还出现了少量斜方NiO。
表2是根据XRD计算的ZnO晶格常数。由表2可以看出,由于Ni掺杂,影响了ZnO基体的晶格常数,这是由于Ni2+的离子半径(0.068nm)比Zn2+的离子半径(0.060nm)大。当Ni2+部分取代Zn2+进入ZnO晶格时将引起晶格常数增大,这也表明至少有部分Ni固溶到ZnO晶格中[11]。
图2为不同Ni掺杂浓度下制备的ZnO晶体的SEM照片。
从图2可见,水热法制备的Ni掺杂ZnO晶体发育良好,晶粒大小均齐,呈六棱柱状,与六方纤锌矿结构沿c轴方向生长有关。图2(a)、图2(b)分别为Ni掺杂浓度为1%、2%所制备的ZnO的SEM照片。可以看出,样品S1、S2中ZnO晶体呈棒状,粒径均齐,边界清晰、光滑,平均直径约200~250nm,长约1~2μm,掺杂对样品的形貌未产生明显的影响。图2(c)为Ni掺杂浓度为5%的样品的SEM照片。与样品S1、S2相比,样品S3晶粒明显变短、变粗,达到500~600nm,长度在1μm左右。即当Ni掺杂浓度为5%时,样品形貌变为短柱状。其原因可能是随着Ni掺杂量的增多,a和c轴方向的畸变程度不同,因而有利于a轴方向晶体生长,不利于c轴方向晶体生长,晶粒的长径比降低。在图2(c)中还观察到一些形状不规则的小晶体颗粒,这是由于Ni掺杂浓度增加、Ni过饱和后析出的少量NiO晶体。
2.2 红外特性分析
图3为样品的红外光谱。从图3可见,ZnO在3500cm-1附近有一个宽吸收带,可以归结为ZnO表面吸附水的伸缩振动,而1600cm-1附近的吸收带表示水分子的弯曲振动,430cm-1附近的吸收带对应于Zn-O的晶格振动。图3(a)、(b)、(c)分别为不同Ni掺杂量样品的红外光谱。由图3可以看出,掺入Ni后,430cm-1附近的吸收带减弱,并且在910cm-1附近出现了一个新的吸收带,这可能是因为Ni进入ZnO的晶格中,与O2-发生作用,形成共价键[12,13],13],ZnO原有的晶格对称性被破坏,使得红外非活性振动变为红外活性振动,从而出现新的吸收带[14]。
比较图3(a)、(b)、(c)发现,随着Ni掺入量的增加,910cm-1附近的吸收带出现宽化现象,特别是样品S3,在900~1400cm-1之间出现了较宽的吸收带。结合图1 的XRD图谱,分析其原因可能有以下两方面:①Ni掺杂过量导致化学计量比的偏离变小和晶格畸变,随着Ni掺杂量的增加,更多的Ni进入晶格,使得晶格畸变加剧;②随着Ni的掺杂量接近饱和状态,过量的Ni生成了斜方六面体结构的NiO与六方晶体结构的ZnO之间形成了晶界。
3 结论
(1)采用水热法制得了六方纤锌矿结构的Ni掺杂ZnO晶体。XRD和SEM结果表明,Ni掺杂浓度较低时,生成Ni2+/Zn2+O固溶体;当Ni掺杂浓度增加到5%时,Ni2+过饱和,析出部分斜方NiO。