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关键词： 蛋白质晶体   质量预测   X射线衍射   YOLOv8   ConvNeXt  

摘要： 蛋白质是生物体内执行各种生命活动的关键分子,分析其结构功能,在药物设计及生物工程领域具有重要意义。X射线衍射实验是目前研究蛋白质结构的主要方法,通过分析晶体的布拉格衍射结果可以推断蛋白质结构,然而要获得可靠的蛋白质结构分析结果,需要足够数量的高质量晶体来进行X射线衍射实验。传统的蛋白质晶体学实验中所使用的晶体通常为人工挑选且挑选难度大,往往只有通过衍射实验才能确定晶体质量,而X射线衍射实验存在成本高且耗时长的问题,实验资源浪费严重。目前对于使用图像分析及深度学习技术对蛋白质晶体质量进行客观预测的研究仍存在空缺。本文以蛋白质晶体结构分析及深度学习为背景,探究蛋白质晶体图像与其晶体衍射实验结果之间的关系,并使用目标检测算法和图像分类算法对蛋白质晶体的质量预测进行研究,以降低人工评估的主观性和误差。具体研究内容如下: (1)针对目前研究中缺少蛋白质晶体图像数据及其相应的X射线衍射结果的综合数据库的问题,使用公开蛋白质结晶数据集MARCO中的部分晶体图像和从实验室收集的溶菌酶晶体图像及其X射线衍射实验结果作为原始数据构建数据集。使用Label Img软件对来自MARCO的蛋白质晶体图像进行标注,完成蛋白质晶体检测数据集的制作。结合蛋白质晶体X射线衍射图像中衍射斑点的空间信息与其对应的蛋白质结构分辨率,提出一种蛋白质晶体衍射质量得分机制。并据此对溶菌酶蛋白质晶体图像进行分类,通过数据增强后形成蛋白质晶体分类数据集。最终构建一个蛋白质晶体X射线衍射数据集Crystal-XRD。 (2)将YOLOv8模型作为蛋白质晶体目标检测网络进行训练,对液滴中的蛋白质晶体进行定位,并使用模型剪枝的方法对YOLOv8模型进行轻量化改造,降低模型运行负担,提升网络效率。实验结果表明,剪枝后的YOLOv8模型在目标检测均值平均精度下降不超过1%的情况下,降低了模型的10%的总参数量及20%的计算量。此外,在YOLOv8模型的预测框检测头后添加晶体区域裁剪模块,使网络更有效率地分割出包含目标晶体的图像切片,从而提高后续分类网络的效率。 (3)以ConvNeXt模型为基础提出了蛋白质晶体衍射质量预测网络。首先根据输入图像特点,参考零填充操作,对单个蛋白质晶体图像进行255填充尺度归一化,在统一图像大小的同时保持图像的空间信息和结构。然后引入跨阶段跳跃连接,在ConvNeXt网络的4个阶段中的卷积层组前后使用跨阶段跳跃连接,用于加快传递梯度变化信息,帮助网络更好地学习到多层次的特征表示。最后在网络的各阶段卷积层组后嵌入CBAM注意力模块,提高网络对蛋白质晶体图像中重要特征的关注度。实验结果表明,改进后的ConvNeXt模型能显著提高蛋白质晶体衍射质量的预测精度。

关键词： 渭河   溶解性有机质   紫外-可见吸收光谱   三维荧光光谱   平行因子分析  

摘要： 渭河水质对流域内饮用水安全、农业灌溉、经济发展和生态平衡具有重要意义,近年来,随着城镇化进程的加快,渭河地表水和地下水水质污染呈加剧趋势。溶解性有机质（DOM）广泛存在于水环境中,与水中二氧化碳循环、微生物的生长代谢和污染物的迁移转化等活动密切相关,探究水体中DOM的组分、性质和来源可以了解水体污染状况,为水体污染治理提供依据。目前渭河水体DOM的研究仅局限于部分河段或单次采样,而大尺度上地表水和地下水DOM的时空变异和来源仍不清晰。基于此,本研究以渭河流域为研究区,分别于枯水期和丰水期采集地表水和地下水样品,以DOC（溶解性有机碳）表征DOM浓度,分析了地表水和地下水水质特征及DOM含量,基于紫外-可见吸收光谱（UV-vis）分析了DOM的紫外光学特性,利用三维荧光光谱结合平行因子分析法（EEMs-PARAFAC）解析了DOM的组成、时空分布及来源。本研究主要结论如下: （1）渭河地表水和地下水DOC浓度存在明显的时空变化。地表水和地下水DOC浓度均值分别为14.22±5.14 mg·L-1和15.08±6.09 mg·L-1;在季节上,地表水枯水期DOC浓度高于丰水期,地下水相反;在空间分布上,两种水体的DOC浓度均表现为下游>上游>中游,在天水、西安和渭南市段有更高的浓度值。地表水和地下水DOC的输入受到了季风气候、地形地貌和人类活动的共同影响。水质方面,两种水体均呈弱碱高盐度特征,且受NH4+-N污染较轻。相关性分析表明:地表水和地下水DOC与TDS成显著正相关,两者拥有相同的来源或变化趋势;地表水DOC与NH4+-N、NO2--N拥有相同的来源或变化趋势;p H和DO是影响地下水DOC浓度的关键因子。 （2）渭河地表水和地下水CDOM（有色溶解性有机质）浓度及芳香化程度、疏水性组分含量、相对分子量大小具有明显的时空变化。地表水和地下水CDOM浓度均值分别为3.30±1.63 m-1和1.41±1.19 m-1。地表水CDOM浓度及芳香化程度、疏水性组分含量、相对分子量均高于地下水,两种水体CDOM均以分子量较小的富里酸为主。在季节上,两种水体CDOM浓度及芳香化程度等指标在枯水期均高于丰水期。在空间分布上,地表水CDOM浓度在下游最高,芳香化程度和疏水性组分含量在中游最高,相对分子量在上游最大;地下水CDOM浓度及芳香化程度、疏水性组分含量、相对分子量在下游最高。相关性分析表明:两种水体CDOM的芳香性和疏水性结构关系密切;地表水α355与DOC成显著正相关,CDOM浓度变化是DOC波动的原因之一;地下水α355与DOC相关性不显著,地下水DOC可能含有较多的无色溶解性有机质。 （3）渭河地表水和地下水荧光组分不存在季节性差异,DOM来源均以内源为主。基于EEMs-PARAFAC模型分析,地表水识别出两种类腐殖质组分（C1、C2）和一种蛋白质组分（C3）,地下水识别出两种类腐殖质组分（C1、C2）和两种蛋白质组分（C3、C4）。地表水枯水期和丰水期以及地下水丰水期的DOM均以类腐殖质为主,而地下水枯水期的DOM以蛋白质为主。两种水体荧光组分的总强度的空间趋势同DOC一样表现为下游>上游>中游,蛋白质浓度占比从上游到下游呈现逐渐升高的趋势。两种水体DOM均以内源性为主,腐殖化程度较低;在季节上,两种水体DOM的内源性在丰水期高于枯水期,腐殖化程度反之。相关性分析表明:地表水和地下水各组分之间在枯水期和丰水期均具有相同的来源或变化趋势;地表水DOM各组分与DOC呈显著正相关,可以用DOC动态变化来追踪地表水FDOM（荧光溶解性有机质）的变化;地下水DOM各组分与DOC相关性不显著;地表水和地下水DOM组分NH4+-N成显著正相关,两者拥有相同的来源或变化趋势。 本研究系统分析了渭河地表水和地下水水质特征、DOM含量及紫外荧光光谱特性和来源,对改善渭河水质以及河流生态保护具有重要意义,同时也为其他地区的河流DOM研究提供了参考价值。

关键词： 激光等离子体   惯性约束聚变   双锥对撞点火   超快诊断  

摘要： 在激光等离子体中,电子密度低于激光临界密度的区域被称为冕区,激光只能在冕区进行传播。针对冕区等离子体的实验诊断研究是研究激光与等离子体相互作用物理的直接手段,可以校验现有理论模型与模拟程序,为优化激光等离子体的应用提供支撑,具有非常重要的意义。本论文瞄准激光聚变等离子体冕区的多分幅、电子密度以及电子温度诊断需求,发展了多种新型诊断方法,开展实验,对激光与等离子体相互作用物理进行了实验研究。 本论文在冕区等离子体诊断方法发展上的工作成果有: (1)发展了一种基于门控器件的新型多分幅诊断技术。该方法利用多片分束片作为分幅模块,通过调节分束片之间的间距和角度来控制分幅时间间隔和数目。系统使用最短门宽为200ps的GOI作为门控记录设备,最大帧率可以达到5×109 fps,空间分辨率优于32 lp/mm。通过该系统,对纳秒激光和皮秒激光与物质相互作用产生的等离子体动态演化行为成功进行了多分幅阴影诊断测量。结合辐射流体模拟程序FLASH,诊断结果可以为深入理解激光在冕区的能量沉积与输运过程提供高置信度的实验依据。 (2)发展了一种基于分束镜组的新型Nomarski干涉仪。利用两片分束片组成的干涉元件,在不改变成像光路、不影响放大倍率和分辨率的情况下,可以通过调节分束镜组来独立灵活地调节干涉视场和干涉条纹间距。这为大范围的电子密度诊断需求提供了极佳的解决方案。 (3)发展了一种基于条形滤片的折射仪及重建方法。为了解决干涉仪在大尺度、高密度梯度等离子体中无法分辨干涉条纹的问题,通过条形滤片在傅里叶面选择性遮挡经过等离子体的诊断光,可以完成对通过等离子体激光折射角的测量。相比于传统的圆形滤片折射仪,这种方法的数据重建过程更为简单,适用于复杂情形下的电子密度快速重建。同时开发了一种重建算法,并通过模拟等离子体相位分布对条形滤片折射仪以及重建算法进行了评估,模拟结果显示高电子密度区域的相位重建误差优于1%。 (4)发展了一套应用于双锥对撞点火方案中的冕区等离子体多功能光学诊断系统。瞄准双锥对撞点火方案研究中的等离子体电子密度诊断需求,针对神光Ⅱ升级激光平台上的应用场景,将新型Nomarski干涉仪、条形滤片折射仪以及多分幅阴影诊断耦合到一套多功能诊断系统里,并成功实现了对双锥对撞点火方案研究中的冕区等离子体电子密度参数诊断。根据每种方法的最佳测量范围,可以通过简单调节分束镜组模块切换诊断方法来满足不同的物理诊断需求。实验数据分析表明,干涉法能够准确诊断低于1019 cm-3的电子密度。在干涉法失效的情况下,基于条形滤片的角滤波折射仪可以将电子密度诊断上限提高至接近1020 cm-3,比干涉法高出约一个数量级。这些诊断结果不仅能直观有效地反映冕区等离子体的形貌,为后续实验优化提供参考,还为激光与等离子体相互作用研究提供重要参数。对于更高电子密度区域的诊断,例如金锥锥口喷出的极高密度物质,采用多分幅阴影法来追踪其随时间的演化。通过应用点爆炸模型的自相似解,可以推断这些高密度等离子体的内能和质量。这些数据为深入理解激光与等离子体相互作用的物理过程提供了重要支撑。 (5)提出数字全息照相术诊断激光等离子体电子密度和温度的方案,验证了方案的可行性。等离子体折射率的实部依赖于电子密度,虚部依赖于电子密度和电子温度。等离子体折射率的这一性质为全息照相术诊断电子密度和温度提供了物理基础:通过测量相位变化得到电子密度,通过测量振幅变化得到电子温度。根据这一思想,发展数字全息诊断方法。基于中科大焦耳级激光实验平台,进行了详细的光路设计,并开展了多轮实验。实验结果表明,相位诊断精度最佳可达17mrad,振幅吸收诊断精度最佳可达0.01。然而,电子温度重建结果低于汤姆逊散射法得到的数值。通过详细的理论和模拟分析,发现当使用超短脉冲作为诊断激光时,需要考虑脉冲宽度的影响。同时,频谱混叠效应会在等离子体区域引入噪声,降低诊断精度。针对这些问题,通过将诊断激光的脉宽调整至皮秒量级,可以减少脉宽的影响;增大干涉角度,可以减少频谱混叠的影响,从而提高诊断精度。利用数字全息高精度的相位诊断能力,通过逆阿贝尔变换得到电子密度,数字全息方法与双角度汤姆逊散射同时对等离子体进行诊断,验证了双角度汤姆逊散射诊断技术的优越性。

关键词： B介子物理   微扰QCD   三体衰变   四体衰变   CP破缺  

摘要： 粒子物理的标准模型,成功的解释了基本粒子组成及基本粒子之间的相互作用。但仍不能完美的解释CP破缺。CP破缺是粒子物理中的一个重要研究领域,从在K介子衰变过程发现CP破缺以来,在理论和实验领域一直受到了特别的关注。CP破缺的来源也是近期研究的热点问题,标准模型中,CP破缺来自卡比博-小林-易川矩阵(CKM矩阵)的弱相角,影响CP破缺的强相角无法准确的确定。CKM矩阵元的精确测量和强相角的来源是确定CP破缺机制的主要问题,也是探索新物理的重要领域。CKM矩阵元的测量随着实验技术的进步越来越精确,由此产生的误差也越来越小,目前影响CP破缺的主要因素是强相角的确定。粒子衰变过程和粒子之间的相互作用,均会影响强相角,从而影响CP破缺。寻找CP破缺的实验结果与标准模型预测的偏差,也是研究和探索新物理的热门领域。过去的几十年中,无论理论还是实验,在CP破缺方面均做出了许多努力,但关于CP破缺的机制仍是一个需要探索的重要方面。 重味B介子的衰变过程,是研究CP破缺的理想场所。B介子存在众多衰变道并且已知的衰变道大多存在明显的CP破缺现象,近些年在实验探测和理论计算中一直占据着重要的地位。B介子两体衰变的研究经过多年发展已经比较全面,实验上已有较多的B介子两体衰变的数据结果,其中包括衰变分支比和CP破缺等方面。其中末态介子为PP(P代表标量介子)、PV和VV(V代表矢量介子)的B介子两体衰变理论框架已建立起来,实验数据也基本完成测量。基于标准模型,介子衰变过程的树图贡献和企鹅图贡献提供的强项角和CKM矩阵提供的弱相角是CP破缺的主要来源。三体或者四体甚至是多体衰变过程,由于复杂的相空间等问题理论计算相对较少,由于实验难度的限制相关实验探测的数据也非常少。多体衰变中共振效应的影响可能会比较大,由此产生新的强相角,从而影响衰变过程中的CP破缺。与两体衰变过程相比,多体衰变过程蕴含更多的物理信息。探究共振效应对B介子多体衰变过程的CP破缺的影响,有助于更好地检验标准模型和探索CP破缺的来源。 本文研究了在PQCD框架下,?(1020)-ρ(770)-ω(782)矢量粒子的共振效应,对B介子衰变过程的CP破缺的影响。给出了在该机制下混合参数的具体形式;考虑共振效应后总的衰变振幅形式,重点关注B介子三体衰变和四体衰变过程的CP破缺。研究了Bs0→?(ρ,ω)P→K+K-P(P=π,K0,η,η')等多种三体衰变过程,在矢量粒子共振下将混合共振的高阶项忽略,给出总的振幅形式,并对其振幅进行解析计算。随后,通过分析相应衰变过程的CP破缺值与不变质量之间关系曲线图,发现局部CP破缺的实验检测可以在不变质量范围内通过重建的φ、ρ和ω介子的共振态来实现,为未来LHCb等实验提供理论参考。 相对于φ(ρ,ω)共振效应的三体衰变研究,本文进一步研究了φ(ρ,ω)混合机制对Bs0→K+K-K+K-四体衰变过程CP破缺的影响。准两体衰变机制构建Bs0→VV→K+K-K+K-过程,中间态为两个矢量介子,由于复杂的相空间,情况比较复杂。计算该过程的衰变振幅时,需要考虑三个极化方向上的振幅。通过分析Bs0→φ(ρ,ω)φ(ρ,ω)→K+K-K+K-衰变过程,我们可以计算出这个四体衰变过程中的直接CP破缺。已有的实验证据显示,Bs0→φφ→(K+K-)(K+K-)四体衰变由于无树图贡献,衰变过程的CP破缺非常小,趋于零,这与标准模型的预测一致。然而,我们发现当K+K-不变质量处于φ介子区域附近时,如果考虑ρ-ω共振效应,该过程中的CP破缺显著增强,也为探索B介子四体衰变过程CP破缺提供新了新的途径。

摘要： 自从1960年美国物理学家西奥多·梅曼（Theodore ***）发明世界上第一台红宝石激光器以来，激光被广泛应用在材料、物理、生物以及化学等领域的研究，并且已经深入到了生活的方方面面。例如，我们现在的互联网就是使用特定波段的激光在光纤中以光速传递信息。此外，自动驾驶中的激光雷达、手机显示屏中的量子点激光、虚拟现实（VR）中的全息投影以及美国正在进行的“星链”系统都依赖激光。目前激光器通过使用不同的激光材料以及光学非线性效应覆盖了紫、红外甚至太赫兹波段，但对于物质内部结构的探测以及微纳加工层面来说则需要使用更短的波长。