CN103175822B - 消除拉曼光谱仪台间差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除拉曼光谱仪台间差的方法，包括：1）采用波数准确度、波数精度、信噪比、相对峰强度这四个量化指标，对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征；2）采用X轴校正、基线偏移量校正、相对强度校正，对拉曼光谱仪的台间差进行控制。本发明主要展示了如何对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征和控制，从而达到消除拉曼光谱仪的台间差的目的，起到控制仪器之间的性能及稳定性的作用，以便进一步实现根据检测需要用拉曼光谱建立稳定的数学模型并实现模型传递，具体广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及化学光谱分析及测试领域，具体地，涉及一种消除拉曼光谱仪台间差的方法。
背景技术
光谱的应用发展中，化学计量学的运用是一个重要的发展方向。目前红外光谱、近红外光谱的应用中都大量运用了各种建模方法，唯有拉曼光谱的应用在这方面还处于空白。这是因为不同于红外光谱、近红外光谱这类吸收光谱，拉曼光谱属于发射光谱，不进行背景扣除，加上激光器的稳定性等问题，不同拉曼光谱仪测得的光谱都会存在差异，无法建立稳定的数学模型并实现模型传递，即拉曼光谱仪之间存在台间差。经调查，目前拉曼光谱仪的各个仪器公司都在施行各自的内部方法来控制自身仪器的性能及稳定性，并无任何方法来控制不同仪器之间的性能及稳定性。拉曼光谱之间存在的台间差，也是阻碍其应用发展的主要原因。而拉曼光谱具有对水和玻璃信号不灵敏等特点，在液体制剂的无损定性定量检测等领域中具有其他方法无可比拟的优越性。因此，若能建立一种消除拉曼光谱仪台间差的方法，进一步用来控制仪器之间的性能及稳定性，从而根据检测需要建立稳定的数学模型（实现定性定量的鉴别和检测）并实现模型传递，对于拉曼光谱仪的应用及拉曼光谱检测技术的发展将有十分重大的意义。
文献：激光拉曼光谱仪的全系统校正（王阿莲等，《光谱学与光谱分析》1993年第05期）提出了一套对激光拉曼光谱仪进行全系统校正的完整方案，并在一台SPEX1430型双单色仪单道拉曼光谱仪上全面实现了这套校正，包括谱仪的波数精度及重现性，狭缝函数，光谱分辨率，功率传递系数，光谱响应，偏振光谱响应，偏振传递性能及寄生谱带检查。该公开的技术仅仅提出了单一仪器自身的校正，可以保证单台仪器的稳定性和重现性，但并未涉及仪器之间存在的台间差问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种消除拉曼光谱仪台间差的方法。
本发明提供的消除拉曼光谱仪台间差的方法，包括：
1）采用波数准确度、波数精度、信噪比、相对峰强度这四个量化指标，对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征；
2）采用X轴校正、基线偏移量校正、相对强度校正，对拉曼光谱仪的台间差进行控制。
其中，用拉曼光谱仪对获得的拉曼图谱中显示峰少、峰尖锐，且峰间距适中的样品进行检测，获得相应样品的四个指标：波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度，使用这四个指标对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征。
其中，X轴校正的方法包括：用拉曼光谱仪检测样品，对一系列拉曼峰的实测像素和标准波数值进行关联，得到关联系数。
其中，基线偏移量校正的方法包括：设定激光输出功率为0，拉曼探头处于暗室，计算偏移量，并在样品测试时进行扣除。
其中，Y轴校正（也叫相对强度校正）的方法包括：用拉曼光谱仪检测标准物质，得到其拉曼光谱图的谱线（即实测谱线）；根据该标准物质证书提供的一系列的标准系数和公式得到拟合谱线，上述两条谱线相除（拟合谱线除以实测谱线），计算得到Y轴校正函数。
其中，所述标准物质为有特殊稳定拉曼谱线，且经过计量带有证书的物质。
其中，基线偏移量校正与X轴校正需要每次开仪器时进行，Y轴（相对强度）校正在仪器安装时进行，在日常测试中需要进行自检，即测定波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度这四个指标以量化台间差；自检通过（即这四个指标符合量化标准）表示台间差被有效控制，如果自检不通过，需要重新进行校正以控制台间差。
上述内容中，使用波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征，包括以下量化标准：
当所述样品为环己烷时，使得步骤1）获得的波数准确度最大值不超过1～2cm-1；波数精度最大值不超过1～2cm-1；拉曼峰1157cm-1的积分面积与2200-1800cm-1基线噪声的比值高于500～800；CH/801cm-1峰面积比在9～10以内；1444cm-1/801cm-1峰面积比在0.5～0.6以内；1267cm-1/801cm-1峰面积比在0.5～0.6以内；1028cm-1/801cm-1峰面积比在0.55～0.65以内。
当所述样品为甲苯-乙腈或乙腈时，使得步骤1）获得的波数准确度最大值不超过1～2cm-1；波数精度最大值不超过1～2cm-1；拉曼峰2254cm-1/918cm-1峰面积比应在2.79～2.90以内；376cm-1/918cm-1峰面积比应在1.70～1.77以内。
其中，波数准确度最大值为：对比样品标准峰位的测量值与标准值的偏差，这些偏差的最大值即波数准确度最大值。
其中，波数精度最大值为：测量得到样品标准峰位的测量值，其变化范围最大值即波数精度最大值。
进一步地，确定波数准确度和波数精度最大值时，连续测试3～5次，得到其9～12个标准峰位的测量值。
其中，信噪比为：样品的拉曼光谱图中，相应拉曼峰的积分面积与仪器基线噪声的比值。
其中，相对强度为：样品的拉曼光谱图中，相应的两个拉曼峰的积分面积的比值。
其中，拉曼光谱仪的检测器为CCD检测器。
本发明的方法，可消除光栅型拉曼光谱仪，傅立叶拉曼光谱仪等的台间差。
本发明主要展示了如何对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征和控制，从而达到将仪器之间的台间差控制在相对可忽略的范围，即消除拉曼光谱仪的台间差的目的，起到控制仪器之间的性能及稳定性的作用，以便进一步实现根据检测需要用拉曼光谱建立稳定的数学模型并实现模型传递，具体广阔的应用前景。
附图说明
图1按实验例1，没有消除台间差的两台拉曼光谱仪上测得的多索茶碱水溶液的拉曼光谱图。
图1-1为图1局部峰拉宽放大图。
图2按实验例1，消除台间差的两台拉曼光谱仪上测得的多索茶碱水溶液的拉曼光谱图。
图2-1为图2局部峰拉宽放大图。
图3为按实验例2，没有消除台间差的三台拉曼光谱仪连续15天测试乙腈样品2252cm-1/918cm-1积分峰面积比值。
图4为按实验例2，消除台间差的三台拉曼光谱仪连续15天测试乙腈样品2252cm-1/918cm-1积分峰面积比值。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
（1）对拉曼光谱仪台间差实现量化表征的各指标的获得
用拉曼光谱仪对获得的拉曼图谱中显示峰少、峰尖锐，且峰间距适中的样品进行检测，获得相应样品的四个指标：波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度以量化台间差，进而判断这四个指标是否符合规定的数值范围。
①波数准确度：检测样品，得到11个标准峰位的实测值与标准值的偏差，连续测试5次，计算所有峰位偏差的最大值；
②波数精度：选取样品，连续5次测量得到样品11个标准峰位的实测值，计算这些实测值的变化范围最大值；
③信噪比：检测样品，实际测量得到的拉曼光谱中相应拉曼峰的积分面积与相应仪器基线噪声的比值；
④相对强度：检测样品，实际测量得到的拉曼光谱中相应的两个拉曼峰的积分面积的比值。
（2）拉曼光谱仪的校正
拉曼光谱的X轴和Y轴准确度、精密度，基线水平，灵敏度等指标对于拉曼光谱定性、定量、以及拉曼方法建模等都是非常重要的，故需保证这些指标，制定了校正的方法。
包括三项：基线偏移量，X轴，Y轴（相对强度）校正
①X轴校正：拉曼光谱仪的CCD检测器是由多个像素点组成，检测器直接检测的光谱是以像素点为横坐标的像素光谱，而实际检测需要的是以波数为横坐标的拉曼光谱，校正时对一系列拉曼峰的实测像素和标准波数值进行关联，得到关联系数；当激光频率发生微小变化时，重新进行校正以获得新的关联系数来保证波数的准确。
校正方法：用环己烷、甲苯-乙腈或其他峰少、峰尖锐，且峰间距适中的样品作为标样，测得像素点光谱图，记录指定峰位的像素值，将11个主峰的波数值和像素值进行关联，计算得出关联系数，对其进行多点校正。
②基线偏移校正：仪器工作时，内部电子器件会对光谱基线产生影响，造成光谱基线漂移，因此需要对其校正以消除影响。
校正方法：设定激光输出功率为0，拉曼探头处于暗室，此时仪器没有激光输出，也没有外界光线进入，检测器只收集电子器件产生的噪声，由此计算基线偏移量，并在样品测试时进行扣除。
③Y轴（相对强度）校正：由于光学构造上的差异及检测器随波长的相应上的差异，造成不同仪器随波长的在相对强度的相应存在差别，并且由于拉曼光谱与红外光谱等不同，不进行背景光谱测量，因此不同仪器得到的光谱在相对强度上存在差别。
校正方法：本发明用一个标准物质，对于不同的激光器，有不同编号的标准物质。此类标准物质是经过计量认证带有证书的物质，在拉曼光谱中表现为特殊且稳定的谱线。用拉曼光谱仪检测标准物质，得到其拉曼光谱（该光谱图表现为一条很宽的谱线，即实测谱线）；根据该标准物质一系列的标准系数和公式得到一张拟合谱线，两条谱线相除（拟合谱线除以实测谱线），计算得到Y轴校正函数。
（3）校正和自检项目说明：基线偏移量校正与X轴校正需要每天进行；相对强度（Y轴）校正在仪器安装时进行，在日常测试中需要进行自检，即测定波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度这四个指标以量化台间差；自检通过即表示台间差被有效控制，如果自检不通过，需要重新进行校正以控制台间差。
（4）拉曼光谱仪器之间台间差的检查，对定性、定量的作用和意义
①拉曼峰位准确度大幅提高：使不同仪器测量的相同样品峰位具有可比性，进而可使用相关系数计算等定性鉴别方法。
②相对峰面积准确度大幅提高：使不同仪器上测得的拉曼光谱图相对峰面积处于同一水平，使定量计算以及定量模型转移成为可能。
本发明中，偏移量、关联系数、Y轴校正函数的计算，可以用本领域常规的方法。
实施例1
以环己烷为样品，消除台间差的步骤如下：
（1）拉曼光谱仪的自检及各项性能指标的获得
用拉曼光谱仪检测样品环己烷，得到拉曼光谱，从这些谱图中获得并确定以下四个指标：
①波数准确度：对比环己烷11个标准峰位的实测值与标准值的偏差（即绝对误差），连续测试5次，所有峰位偏差的最大值不超过规定值（1cm-1）；
环己烷11个标准峰位与标准值的是通过使用ASTM中的标准参考物质的指定拉曼峰位获得的。
②波数精度：将样品环己烷连续5次测量，同样得到11个标准峰位的实测值，这些实测值的变化范围最大值（即5次测量峰位的最大偏差）不超过规定值（1cm-1）；
波数准确度和波数精度的数据如下表所示：
注：上表中1～5列分别对应11个标准峰位的实测值。
③信噪比：激光功率最大时，实际测量得到的样品环己烷拉曼光谱中相应拉曼峰1157cm-1的积分面积与2200-1800cm-1基线噪声的比值高于规定值（500）。
信噪比的测量数据如下表所示：
| 测量次数 | 1157cm-1积分 | 2200-1800RMS噪声 | 信噪比 |
| 1 | 15700.3 | 18.02 | 871.27081 |
| 2 | 15972.38 | 18.87 | 846.443031 |
| 3 | 15279 | 17.79 | 858.853288 |
| 4 | 16480.1 | 17.47 | 943.337149 |
| 5 | 16370.61 | 18.54 | 882.988673 |
| 6 | 15580.06 | 17.68 | 881.225113 |
| 7 | 16174.35 | 18.95 | 853.527704 |
| 8 | 15201.77 | 18.76 | 810.328891 |
| 9 | 15609.43 | 17.92 | 871.061942 |
| 10 | 15695.32 | 18.09 | 867.624102 |
| 平均值 | 868.66607 |
④相对强度：实际测量得到的样品环己烷拉曼光谱中相应的两个拉曼峰的积分面积的比值在规定范围以内。
测量得到的样品环己烷光谱中所有CH/801cm-1峰面积比应在9～10以内；1444cm-1/801cm-1峰面积比应在0.5～0.6以内；1267cm-1/801cm-1峰面积比应在0.5～0.6以内；1028cm-1/801cm-1峰面积比应在0.55～0.65以内。
测量样品（检测一次）后计算得到的相对强度如下：
（2）拉曼光谱仪的校正
①基线偏移量校正：设定激光输出功率为0，拉曼探头处于暗室，CCD检测器只收集电子器件产生的噪声，用软件计算出偏移量，并在样品测试时进行实时扣除。
基线偏移量校正需要每次开仪器后进行。
②X轴校正：固定激光频率，检测样品环己烷，对其一系列拉曼峰的实测像素和标准波数值进行关联，得到关联系数。
标准波数值是通过使用ASTM中的标准参考物质的指定拉曼峰位获得。
X轴校正需要每次开仪器后进行。
③相对强度（Y轴）校正：用拉曼光谱仪检测标准物质，得到其拉曼光谱（该光谱图表现为一条很宽的谱线，即实测谱线）；根据该标准物质一系列的标准系数和公式得到一张拟合谱线，两条谱线相除（拟合谱线除以实测谱线），计算得到Y轴校正函数。
标准物质的标准系数及公式由该标准物质的认证机构提供，如
NIST，国家计量局等。
Y轴校正在仪器安装时进行，检测样品时需进行自检（即测定波
数准确度、波数精度、信噪比和相对强度这四个指标以量化台间差，
进而判断是否符合上述规定的数值范围），自检通过即表示台间差被
有效控制，如果自检不通过，需要重新进行校正以控制台间差。
实施例2
（1）拉曼光谱仪的自检及各项性能指标的获得
用拉曼光谱仪检测样品甲苯-乙腈，得到拉曼光谱，从这些谱图
中获得并确定以下四个指标：
①波数准确度：对比甲苯-乙腈11个标准峰位的实测值与标准值
的偏差（即绝对误差），连续测试5次，所有峰位偏差的最大值不超过
规定值（2cm-1）；
甲苯-乙腈11个标准峰位与标准值的是通过使用ASTM中的标准
参考物质的指定拉曼峰位获得的。
②波数精度：将样品甲苯-乙腈连续5次测量，得到11个标准峰位
的实测值，这些实测值的变化范围最大值（即5次测量峰位的最大偏
差）不超过规定值（2cm-1）；
波数准确度和波数精度的数据如下表所示：
注：上表中1～5列分别对应11个标准峰位的实测值。
③信噪比：激光功率最大时，实际测量得到的样品甲苯-乙腈拉曼光谱中相应拉曼峰621cm-1的积分与660-680cm-1基线噪声的比值高于规定值（1000）。
信噪比的测量数据如下表所示：
| 测量次数 | 621cm-1积分 | 660-680RMS噪声 | 信噪比 |
| 1 | 3661.655 | 1.679 | 2180.8547 |
| 2 | 3674.642 | 1.6221 | 2265.361 |
| 3 | 3637.525 | 2.0883 | 1741.8594 |
| 4 | 3637.635 | 1.7395 | 2091.1957 |
| 5 | 3627.139 | 1.953 | 1857.214 |
| 6 | 3962.437 | 1.6008 | 2475.2855 |
| 7 | 3968.549 | 1.4905 | 2662.5622 |
| 8 | 3958.147 | 2.6994 | 1466.3062 |
| 9 | 3961.749 | 2.0244 | 1956.9991 |
| 10 | 3960.15 | 2.064 | 1918.6773 |
| 平均值 | 2061.6315 |
④相对强度：实际测量得到的样品甲苯-乙腈拉曼光谱中相应的两个拉曼峰的积分面积的比值在规定范围以内。
测量得到的样品甲苯-乙腈光谱中2254cm-1/918cm-1峰面积比应在2.79～2.90以内；376cm-1/918cm-1峰面积比应在1.70～1.77以内。
测量样品（检测一次）后计算得到的相对强度如下：
（2）拉曼光谱仪的校正
同实施例1。
实验例1
按照实施例1的方法，对两台785nm光栅型拉曼光谱仪消除台间差。
图1为没有消除台间差的两台仪器上测得的多索茶碱水溶液的拉曼光谱图，计算两张光谱的相关系数为0.7227。
图2为消除台间差的两台仪器上测得的多索茶碱水溶液的拉曼光谱图，计算两张光谱的相关系数为0.9808。
实验例2
按照实施例1的方法，对三台785nm光栅型拉曼光谱仪消除台间差。
图3为没有消除台间差的三台仪器连续15天测试乙腈样品2252cm-1/918cm-1积分峰面积比值。
图4为消除台间差的三台仪器连续15天测试乙腈样品2252cm-1/918cm-1积分峰面积比值。
实验例1和2均按照常规方法进行样品的检测。
实验例1结果说明：本方法对建立拉曼定性方法的重要意义。
实验例2结果说明：本方法对建立拉曼定量方法的重要意义。
由实验例1和2可知，利用本发明方法，使得拉曼光谱仪之间的台间差可控制在相对于定性和定量计算可忽略的范围，即有效的消除了台间差。消除了台间差的仪器，就可以用来建立稳定的定性即定量数学模型并实现模型传递。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种消除拉曼光谱仪台间差的方法，包括：
1)采用波数准确度、波数精度、信噪比、相对峰强度这四个量化指标，对拉曼光谱仪的台间差实现量化表征；
2)采用X轴校正、基线偏移量校正、Y轴校正，对拉曼光谱仪的台间差进行控制；
其中，X轴校正的方法包括：用拉曼光谱仪检测样品，对一系列拉曼峰的实测像素和标准波数值进行关联，得到关联系数；
Y轴校正的方法包括：用拉曼光谱仪检测标准物质，得到其拉曼光谱图的谱线；根据该标准物质证书提供的一系列的标准系数和公式得到拟合谱线，上述两条谱线相除，计算得到Y轴校正函数；
用拉曼光谱仪对获得的拉曼图谱中显示峰少、峰尖锐，且峰间距适中的样品进行检测，获得相应样品的四个指标：波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基线偏移量校正的方法包括：设定激光输出功率为零，拉曼探头处于暗室，计算偏移量，并在样品测试时进行扣除。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基线偏移量校正与X轴校正每次开拉曼光谱仪时进行，Y轴校正在拉曼光谱仪安装时进行，在日常测试中测定波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度这四个指标以量化台间差；这四个指标测试通过表示台间差被有效控制，如果测试不通过，需要重新进行校正以控制台间差。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基线偏移量校正与X轴校正每次开拉曼光谱仪时进行，Y轴校正在拉曼光谱仪安装时进行，在日常测试中测定波数准确度、波数精度、信噪比和相对强度这四个指标以量化台间差；这四个指标测试通过表示台间差被有效控制，如果测试不通过，需要重新进行校正以控制台间差。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法可消除光栅型拉曼光谱仪，傅立叶拉曼光谱仪的台间差。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法可消除光栅型拉曼光谱仪，傅立叶拉曼光谱仪的台间差。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法可消除光栅型拉曼光谱仪，傅立叶拉曼光谱仪的台间差。
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