近日，電智學(xué)院何小勇博士指導(dǎo)本科生開展科學(xué)研究，取得了系列研究成果，2名本科生在高水平期刊先后發(fā)表了共2篇學(xué)術(shù)論文。這是近年來學(xué)院在高水平理工科大學(xué)建設(shè)的背景下，推進(jìn)本科生人才培養(yǎng)模式的探索與創(chuàng)新實(shí)踐中獲得的重要成果。
成果一：基于fs LA-SIBS技術(shù)中單標(biāo)樣和多譜線定標(biāo)的定量分析方法
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）因其快速、原位、遠(yuǎn)程等特性已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、環(huán)保和能源等領(lǐng)域，但定量分析一直是LIBS技術(shù)發(fā)展的短板，需要大量標(biāo)準(zhǔn)樣品建模限制了LIBS技術(shù)的原位和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，也削弱了LIBS技術(shù)快速檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)這一問題，何小勇博士指導(dǎo)學(xué)生，針對(duì)LIBS快速定量分析展開研究，提出了一種飛秒激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜結(jié)合單標(biāo)樣和多譜線定標(biāo)快速定量分析方法。該研究成果以學(xué)術(shù)論文"Application of quantitative analysis for aluminum alloy in femtosecond laser-ablation spark-induced breakdown spectroscopy using one-point and multi-line calibration"發(fā)表在Elsevier出版集團(tuán)旗下的期刊《Analytica Chimica Acta》（影響因子：6.911，中科院1區(qū)Top期刊）上。該文第一作者李嘉樂為電智學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)大四本科生，何小勇博士為通訊作者。
該文章研究了將飛秒激光剝離-火花誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（femtosecond laser-ablation spark-induced breakdown spectroscopy，fs-LA-SIBS）與單標(biāo)樣和多譜線定標(biāo)方法（One-point and multi-line calibration，OP-MLC）相結(jié)合，對(duì)鋁合金樣品中微量元素定量分析的可行性。該方法只需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品即可對(duì)未知樣品元素進(jìn)行定量分析，它利用未知樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中分析元素的多條特征譜線強(qiáng)度獲得線性擬合斜率，利用該斜率值和標(biāo)準(zhǔn)樣品元素含量值就可計(jì)算出未知樣品元素含量。該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金中的微量元素Mg、Cr、Cu、Mn和Zn的定量分析，對(duì)此方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果如圖1和圖2所示，該方法可實(shí)現(xiàn)低含量元素的精準(zhǔn)定量分析，無需對(duì)所含元素含量的歸一化處理，不同元素分析結(jié)果互不影響；對(duì)5個(gè)鋁合金測(cè)試樣品中痕量元素Mg、Cr、Cu、Mn和Zn的定量分析平均相對(duì)誤差分別為6.4、28.1、21.9、19.0和20.0%。該方法為fs LA-SIBS技術(shù)進(jìn)行快速定量分析提供了便捷的方法。（文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003267022011849?via%3Dihub）
圖1. 未知樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品中分析元素歸一化譜線強(qiáng)度關(guān)系：(a) Mg；(b) Cr；(c) Cu；(d) Mn；(e) Zn.
圖2. 在fs LA-SIBS中采用OP-MLC方法對(duì)Mg、Cr、Cu、Mn和Zn元素含量的預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)定值的比較。虛線表示探測(cè)含量和標(biāo)定含量的理想關(guān)系。
成果二：基于fs-LIBS技術(shù)提高金屬合金中元素檢測(cè)精度的光譜濾波方法
為了提高鋁合金中Mg、Cu、Mn、Cr元素的檢測(cè)精度，何小勇博士指導(dǎo)學(xué)生基于fs-LIBS的光譜濾波方法開展研究。通過研究?jī)煞N優(yōu)化光譜數(shù)據(jù)的降噪函數(shù)，包括中值濾波算法（MF）和Savitzky-Golay濾波法（SG），與原始數(shù)據(jù)做了三者對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)比計(jì)算不同降噪方法 LIBS 數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)（R2）和元素的檢出限（LOD）表明，提出的降噪算法具有優(yōu)勢(shì)，既保證了噪聲的完全扣除，又保留了光譜中某些較弱的細(xì)節(jié)特征。如圖3所示，采用MF算法R2最低達(dá)到0.990以上，SG算法R2最低能達(dá)到0.977。在中值濾波算法中獲得的LOD比原數(shù)據(jù)的LOD改善了1.4-5.2倍，而在Savitzky-Golay濾波法中獲得的LOD比原數(shù)據(jù)的LOD改善了1.2-2.5倍。通過預(yù)處理后的譜線不同程度的提高了擬合度，表明所采用的預(yù)處理算法可以明顯提高金屬元素含量的檢測(cè)精度。因此，該文的工作在 LIBS 數(shù)據(jù)降噪中具有優(yōu)勢(shì)，在物質(zhì)含量低、特征光譜弱時(shí)的信號(hào)去噪中具有較好的應(yīng)用前景。該研究成果以學(xué)術(shù)論文"Spectral filtering method for improvement of detection accuracy of Mg, Cu, Mn and Cr elements in aluminum alloys using femtosecond LIBS"發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)Royal Society of Chemistry旗下的《RSC Advances》（影響因子：4.036，中科院3區(qū)期刊）上。該文第一作者姚杰奇是一名中共黨員，為電智學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)大四本科生，何小勇博士為通訊作者。
（文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/RA/D2RA05792A）
圖3. fs-LIBS技術(shù)中MF校正和SG校正方法得到的鋁合金中Mg、Cu、Mn和Cr元素的標(biāo)定曲線。 (a) Mg I 285.21 nm，(b) Cu l 324.75 nm，(c) Mn I 403.44 nm，和 (d) Cr I 428.97 nm。
學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)今年已有3名本科生在高水平期刊發(fā)表成果。一直以來我院積極響應(yīng)學(xué)校“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，探索在新工科背景下培養(yǎng)“卓越工程師”的復(fù)合型人才，組織選拔學(xué)生加入到學(xué)院各科研團(tuán)隊(duì)中，鼓勵(lì)學(xué)生在擔(dān)當(dāng)使命中把握主動(dòng)、在服務(wù)需求中體現(xiàn)價(jià)值、在攻堅(jiān)克難中追求卓越。學(xué)院將繼續(xù)為學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)保駕護(hù)航，搭建學(xué)科平臺(tái)，打造學(xué)生科研能力培養(yǎng)的立體化培養(yǎng)體系，助力人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。
（撰稿：何小勇；一審：車夢(mèng)瑤；二審：劉曄；三審：胡耀華）
