化学武器和化学战剂很难消除掉，一直都是人类共同面临的重大潜在威胁。检测危险化学品和化学战剂，这是处理化学危害、进行防护的首要步骤，有着重要又迫切的现实需要和实际作用。
当下，在各种各样的化学物质检测技术方法里，红外检测技术因为有着不用预先处理、没有破坏性、灵敏度挺高、检测速度很快、准确性不错等优势，被广泛运用在化工、生物医学、航空航天、食品安全等等领域。
量子点（quantum dot，QD）属于一种半导体纳米材料。因为它存在量子限域效应，也就是说量子点的发射峰，会跟着量子点尺寸变大而出现红移。所以能够凭借控制量子点的形状、结构以及尺寸，去改变量子点的发射和吸收的特点。
并且通过制造分光器件，搭配对应的光谱重构算法来获取光谱信息。其有着快速、准确、结构简单紧凑、光通量大、抗震性能良好等长处。
2015 年，Bao 等[5]把微型胶体量子点光谱仪给制作出来了。他们把胶体量子点材料跟聚乙烯缩丁醛混到一块当作滤波材料，还拿移液枪把混合物沉淀在电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）阵列上面。
测量每个给定胶体量子点滤波器的总透射强度，就能计算出原始（入射）光谱的重构。2019 年，Yang 等[6]直接在探测器上生长金属纳米线当作分光器件，因为光子能量吸收只会在相应带隙的纳米线上出现。
这样就达成了不同位置纳米线上点的特定吸收，造出了微米级的微型光谱仪，借由电子探测光电流，把一系列点和线的响应函数预先校准好，就能算出重建入射光信号。2020 年 Zhu 等[7]在光电探测器上沉积了钙钛矿量子点。
还通过相应的光谱重构算法达成了 250 到 1000nm 波段范围的检测。因为上述微型光谱仪能检测的波段范围比较有限，而且都是量子点直接跟探测器结合，属于被动探测，所以所需要重构的目标光谱一定得像太阳光、LED 光、白炽灯光这类输入光信号。
在黑暗状况下，化学物质的检测信号比较弱。Yan 等[8]把 3 种发射波长不一样的 PbSe 量子点沉积在单个 LED 光源上，采用匹配气体吸收光谱的办法。虽说能检测矿井里的乙炔、甲烷以及氮气，可它适用的环境太单一，检测的目标也有限，普适性还得进一步加强。
为了处理上述这些问题，在研究里把发射峰不一样的近红外胶体硫化铅量子点（PbS）、硫化铅/硫化镉（PbS/CdS）量子点材料跟紫外固化胶掺和到一块儿，沉积在 RGB 点阵屏上，做成近红外胶体量子点阵列，凭借计算机编程来达成对阵列的发光以及显示的控制。
通过光谱重构算法，在 900～1600nm 这个较宽的波段范围内，完成了对气态乙醇（C2H6O）样品、液态化学战剂模拟剂甲基膦酸二甲酯（dimethyl methylphosphonate, DMMP）以及二氯甲烷（CH2Cl2）样品的分析检测。
结果显示，有 64 条光谱通道的近红外量子点阵列，搭配光谱重构算法，完成了危险化学品 C2H6O 气体样品的光谱重构，光谱分辨率是 13 纳米，重建光谱吸收特征峰跟标准光谱信号的偏差是 0.407%。
144 条光谱通道的近红外量子点阵列搭配光谱重构算法，完成了 DMMP、CH2Cl2 液体样品的光谱重构，光谱分辨率达到 4.861nm，重建光谱吸收特征峰跟标准光谱信号的最小偏差只有 0.043%，能够实现多种目标物的检测识别。这给复杂环境中危化品泄露事故的应急检测以及化学战剂的快速检测，提供了有用的技术办法和理论支持。
1 实验环节
1.1 用到的仪器和试剂
主要的仪器是近红外光谱仪，这是美国 Ocean Optics 公司的。PbS 和 PbS/CdS 量子点材料，标称的发射峰有 950±50、1050±50、1150±50、1172±20、1250±20、1250±50、1300±20、1350±50、1400±20、1450±20、1450±50 纳米等等，都是从星紫新材料和星烁纳米买的；紫外固化胶是美国 Norland 公司的 NOA61 型；检测的东西包括 C2H6O(AR)、DMMP(AR)、CH2Cl2(AR)，都是从北京化工厂买的。
1.2 具体的办法
1.2.1 关于近红外胶体量子点阵列的制作
把溶剂是甲苯的 50 mg·mL - 1 的 PbS 还有 PbS/CdS 胶体量子点溶液（它们有着不一样的标准发射峰），分别按照 1∶30、1∶50 以及 1∶70 的体积比跟紫外固化胶混合，经过搅拌和超声处理，弄成均匀的量子点墨水。用移液枪把 25 μL 各种胶体量子点墨水依次沉淀在 RGB 点阵模块上的每个灯点上，放在紫外灯下照到完全固化，近红外胶体量子点阵列就弄好了。
1.2.2 构建系统
搭建了用于检测近红外胶体量子点阵列的光致发射光谱（photoluminescence spectroscopy, PL spectrum）测量系统[图 1(a)]，这个系统主要是由电控位移台、支架、光纤、近红外光谱仪还有计算机组成的。
在发射光谱测量系统里加入气室（比色皿）、准直镜、聚焦镜，搭建出了能检测样品的目标物检测系统[图 1(b)]。
这系统的运作原理是，把近红外胶体量子点阵列安在电控位移台上，将光纤固定在支架上，还要对准所测近红外胶体量子点阵列的第一个灯点，调整准直镜、聚焦镜的焦距，保证系统光通量达到最大。
给电控位移台编好程序，让量子点阵列相对于光纤在 X 和 Y 轴上移动，按照 S 形的轨迹把所有近红外胶体量子点阵列里的灯点都走一遍[图 1(c)]，光纤的另一头连着近红外光谱仪，每次选阵列里的一个灯点就采集一次光谱，一直到把阵列的全部发射光谱都采集完。
图 1 里的发射光谱测量系统、目标物检测系统还有阵列扫描轨迹
Fig. 1: PL spectrum measurement system, target detection system and array scanning track
(a)：发射光谱的测量系统； (b)：目标物的检测系统； (c)：阵列的扫描轨迹
(a): PL 光谱测量系统； (b): 目标探测系统； (c): 阵列扫描轨道
2 结果和讨论
2.1 近红外量子点阵列的发射光谱有啥特性
要是近红外胶体量子点阵列的激发光源跟基底是 RGB 点阵显示模块，因为这模块的颜色能通过编程去控制，所以得编写各种程序来改变点阵屏显示模块的颜色，然后测量在不一样的激发光波长情况下，近红外胶体量子点阵列的发射光谱。
通过对比光谱发射强度来挑出最能激发近红外胶体量子点阵列的激发光波长。RGB 点阵模块描述颜色用的是传统的 RGB 色彩模式，也就是靠红(R)、绿(G)、蓝(B)这三个颜色通道的变化以及它们相互叠加来获取不同颜色，这次实验选了 7 种不同的叠加办法，当颜色数值是 255 的时候，发光强度值最大，所选的颜色叠加方案在表 1 里。
表 1 里的颜色叠加方案 导到 EXCEL 中
表 1 色彩覆盖方案
编号
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实验随机挑了 8 个点，每个点被 7 种不一样的激发光给激发，总共有 58 条发射光谱[图 2(a)]，不同光谱的对比情况在图 2(b)里有展示，图 2 里不同颜色的线分别跟相应颜色的激发光相对应。
从图 3 能看出来，要是 RGB 点阵显示模块颜色不一样，近红外胶体量子点阵列里相同灯点的发射光谱峰形没啥差别，可强度不一样。RGB 点阵显示模块是青色的时候，量子点被激发后的发光强度最大，白色的稍次一些，红色的最弱。
所以把点阵模块的 RGB 值设成 0 255 255 ，采集近红外胶体量子点阵列的发射光谱[图 3(a)]。为验证近红外胶体量子点阵列的稳定性，在 RGB 点阵显示模块点亮后的 6 小时里，测了 3 次近红外胶体量子点阵列的发射光谱，柱状图里总共有 64 个矩形。
矩形的高度代表光谱通道 3 次测量所得光强的平均数值，矩形的中心位置和光谱通道发射光谱的特征峰相对应，纵向的误差棒体现每条光谱通道光强的不同，横向的误差棒表明每条光谱通道发射光谱特征峰的位置有差异[图 3(b)]。
图 2 近红外胶体量子点阵列在不同颜色激发光下的发射光谱
Fig. 2 不同激发光颜色下近红外胶体量子点阵列的发射光谱
（a）：原本的光谱； （b）：不同选择点的光谱相互比较
(a): 原本的光谱；(b): 不同选定点的光谱
图 3 近红外胶体量子点阵列的发射光谱还有稳定性的对比
Fig. 3 是近红外胶体量子点阵列的 PL 光谱以及稳定性的比较
(a)：近红外胶体量子点阵列的发射光谱； (b)：近红外胶体量子点阵列发射光谱稳定性的对比
(a)：近红外胶体量子点阵列的 PL 光谱；(b)：PL 光谱稳定性的比较
从图 3(b)里的误差棒能看出来，测量的 3 次发射光谱，峰位和强度差不多一样，光谱很一致，器件也很稳定。而且在光谱测量的时候，全程都是通过编程来控制位移台移动，挑出需要测量的量子点灯点，实时性挺不错。
2.2 有关目标物检测的应用研究
2.2.1 有关近红外胶体量子点阵列的光谱信号处理
要让标准光谱测量的稳定性和一致性提高，通过经验模态分解方法（empirical mode decomposition, EMD）来提取高频信号，从而降低随机噪声的干扰。
把信号拆解成一系列能体现不同时间尺度的波动[本征模函数（intrinsic mode function，IMF）]和趋势项（残差），挑出带有特征信息的波动，再做进一步处理，然后和趋势项重新组合[图 4(a)]。所选的原始光谱以及经过 EMD 预处理后的近红外胶体量子点阵列发射光谱如图 4(b，c)所示。
图 4 是 EMD 分解以及近红外胶体量子点阵列的发射光谱
(a)：EMD 的分解流程； (b)：原本的近红外胶体量子点阵列； (c)：经过 EMD 分解之后的近红外胶体量子点阵列
(a): The EMD decomposition process; (b): The original PL spectra of the NIR colloidal QD array; (c): The PL spectra of the NIR colloidal QD array following EMD decomposition
从图 4（b，c）能看出来，跟原始光谱对比，经过 EMD 预处理之后，近红外胶体量子点阵列发射光谱里的随机高频噪声剔除得挺不错，标准光谱的随机性大幅减小了，一致性有了提升。
2.2.2 关于光谱重构算法的研究
把制备好的近红外胶体量子点阵列搁在扫描平台上，随着扫描系统往前动，检测器会采集近红外胶体量子点阵列每条光谱通道的发射光谱 Pi(λ)（这里λ是波长，i=1, 2, …, nF，属于光源编号）。
把目标物放进含有样品室的目标物检测系统的光路里以后，再开启扫描模式，采集被样品气体调制后的近红外胶体量子点阵列的发射光谱 Ii(λ)，要是把待测目标气体的光谱记作 ?(λ)，就能列出方程组，见式(1)
图 5 是目标光谱的重构流程图示
Fig. 5 目标频谱重建的流程图
您提供的原文内容是“[Math Processing Error] ”，但这并非一个完整有效的文本，所以无法为您进行 。请您重新确认要 的内容，以便我为您提供准确的帮助。
假设有 nλ 个离散变量λ，要是 nλ小于等于 nF，方程组就有解。要是 nλ等于 nF，方程组就有唯一解。要是 nλ大于 nF，方程组就无解，不过能拟合出近似解，这样就能通过解方程得出 ?(λ)，达成目标光谱重建。以重构算法流程设计为基础，用 MATLAB 编写了光谱重构程序。目标光谱重构的具体流程见图 5 。
2.2.3 有关目标物的检测
光路调整好了之后，让其他光学元件保持不动，把气室拿出来，把红绿蓝色彩模式（RGB）点阵模块弄亮，采集近红外量子点阵列发射的光谱。再把气室固定好，采集近红外量子点阵列透过气室时的光谱。
用移液枪给气室里注射 5 微升 97%的乙醇溶液，等它挥发完，采集近红外量子点阵列透过乙醇蒸汽样品之后的光谱。经验模态分解法（EMD）分解完的发射光谱、透过气室的光谱、透过样品的光谱图分别在图 6（a, b, c）里有展示。
从图 6(c)能瞧出来，近红外胶体量子点阵列在经过 C2H6O 蒸汽后，其部分发射光谱的某一特定波长处，强度降低了，这就是 C2H6O 的吸收现象。
利用最小二乘法还有光谱重构算法，把背景光谱和含样品光谱拟合出来，接着把这两种光谱放进吸收光谱的计算公式里，就能得出 C2H6O 的吸收光谱。拟合出来的背景光谱和含样品光谱、重建的 C2H6O 吸收光谱以及用光谱仪测到的 C2H6O 标准反射光谱分别像图 7（a，b，c）那样。
图 6 有近红外胶体量子点阵列的发射光谱、经过气室的光谱以及经过 C2H6O 的光谱
Fig. 6 里有近红外胶体量子点阵列的 PL 光谱，还有穿过腔体之后的 PL 光谱，以及被乙醇气体吸收之后的 PL 光谱
(a)：阵列发射的光谱； (b)：通过气室的光谱； (c)：穿过 C2H6O 蒸气的光谱
(a)：近红外胶体量子点阵列的 PL 光谱；(b)：穿过腔室后的 PL 光谱；(c)：被乙醇气体吸收后的 PL 光谱
图 7 是重建的光谱以及标准光谱
Fig. 7 重建频谱和标准频谱
(a)：背景重建的光谱以及包含 C2H6O 蒸气的重建光谱；(b)：对 C2H6O 蒸气吸收光谱进行重建；(c):C2H6O 蒸气的标准吸收光谱
(a):Reconstruction spectrum involving ethanol gas and the background; (b):Reconstruction absorption spectrum for ethanol gas; (c):Standard spectrum of ethanol gas
从图 7 能看出来，64 条光谱通道的近红外量子点阵列搭配光谱重构算法，完成了微量乙醇气体样品的光谱重构，光谱分辨率是 13 纳米，重构的乙醇气体吸收光谱在 1390.652 纳米那有特征吸收峰，通过近红外光谱仪测出来的乙醇气体反射光谱的特征峰是 1396.34 纳米。
重构的目标物吸收光谱和标准近红外光谱仪测量的吸收光谱相比，吸收特征峰偏差仅 0.407%，差不多能实现对目标物的识别。