CN105628675A - 一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，用于解决拉曼光谱测量中的荧光干扰问题。所述方法包括：获取第一功率条件下待测样品的第一拉曼荧光混合信号；获取在大于所述第一功率的第二功率条件下待测样品的第二拉曼荧光混合光谱；将第二拉曼荧光混合光谱中的拉曼信号视为噪声，采用小波去噪的方式进行去噪处理，获得单一荧光信号，将标准化的所述第一拉曼荧光混合光谱和去噪后的荧光信号的幅值进行消荧光处理，获得所述待测样品的拉曼光谱。应用本发明，可以有效消除功率敏感物质的拉曼荧光干扰，检测方法简单可靠。

Description

一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法。

背景技术

拉曼光谱(Ramanspectra)，是一种非弹性散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。

激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。拉曼光谱可以提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。

拉曼光谱检测是属于微弱信号检测领域。目前，拉曼光谱仪用于物质检测时，荧光一般比拉曼光谱高4到6个量级，是干扰拉曼光谱检测的主要因素。当拉曼信号很弱时，可能无法提取到有效的拉曼光谱信号，现有技术多采用更换其它波长的激光源进行激发的方式来降低荧光干扰。因此，如何消除荧光干扰成为需要解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法。具体地，本发明提供功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，能够针对功率敏感物质的拉曼检测过程中存在的严重荧光干扰问题，简单有效的消除荧光干扰，获得更准确的拉曼光谱信号。

根据本发明的第一方面，提供一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，包括：

采用第一激发波长在第一功率条件下对待测样品进行拉曼检测，获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理；

采用第一激发波长在大于第一功率的第二功率条件下进行拉曼检测，获得第二拉曼荧光混合光谱；

对第二拉曼荧光混合光谱的拉曼信号作为噪声进行去噪声处理，获得去噪后的荧光信号并对荧光信号做标准化处理；

将标准化的第一拉曼荧光混合光谱与所述去噪后的荧光信号进行幅值相减或相除处理，获得待测样品的拉曼光谱。

所述方法进一步包括：

根据荧光功率阈值判断荧光是否消除，若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率小于或等于荧光功率阈值，则将该荧光抵消后的拉曼光谱作为待测样品的最终拉曼光谱；

若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率大于荧光功率阈值，则更换激发光波长为第二激发波长重新对待测样品进行拉曼测量。

所述方法在获得第二拉曼荧光混合光谱后，还可包括判断待测样品是否为功率敏感物质的步骤，具体包括：

获取标准化的第二拉曼荧光混合光谱减去标准化的第一拉曼荧光混合光谱的差值，若所述差值的绝对值小于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为非功率敏感物质，则直接将所述第一拉曼荧光混合光谱作为该待测样品最终的拉曼光谱。

所述方法在获得第二拉曼荧光混合光谱后，还可包括判断待测样品是否为功率敏感物质的步骤，具体包括：

获取标准化的第二拉曼荧光混合光谱减去标准化的第一拉曼荧光混合光谱的差值，若所述差值的绝对值大于或等于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为功率敏感物质，对第二拉曼荧光混合光谱进行后续的去噪声处理。

所述对第二拉曼荧光混合光谱进行去噪声处理，是采用小波去噪方式进行去噪声处理。所述小波去噪方式包括：模极大值去噪法、或阈值去噪法、或相关去噪法。

在所述获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理的步骤之后，还可包括如下步骤：

判断第一拉曼荧光混合光谱的荧光强度是否超过预定的可信阈值，若小于可信阈值，则可直接将第一功率条件下测量得到的第一拉曼荧光混合光谱作为待测样品最终的拉曼光谱进行拉曼分析。

应用本发明的一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，采用同一激发波长下不同功率进行两次激发，获得高功率和低功率下的拉曼荧光混合光谱，对于功率敏感物质而言，在高功率下呈现更为严重的荧光干扰，几乎看不到拉曼信号，在低功率下可分辨到明显的拉曼信号但仍存在较大比例的荧光干扰，因此，本发明将高功率下的拉曼荧光混合光谱中的微弱拉曼信号视为噪声，通过去噪处理，尤其采用小波去噪方式，可有效去除拉曼信号从而获得单一的荧光信号，通过对低功率条件下的拉曼荧光混合光谱和单一荧光信号进行标准化处理，再进行幅值相减的操作，从而可有效扣除荧光干扰，使得在拉曼差值光谱中获得清晰可辨可信的拉曼信号。该方法操作步骤简单易行，所得结果可信度高。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法的概要流程图；

图2示例性地示出了一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法的具体流程图；

图3示例性地示出了一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法中幅值相减的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

目前，拉曼光谱分析中有些物质对于激发光的激光功率较为敏感。针对功率敏感物质的拉曼光谱，如何消除荧光干扰是影响此类物质拉曼光谱检测的重要问题。本发明针对此类功率敏感物质的拉曼光谱检测，提出了一种消除荧光干扰的方法，在检测时，首先需要解决的第一个问题是需要判断被测物质是否为功率敏感的物质，这可以通过设定的功率敏感度阈值进行判断。

如图1所示，所述的功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，包括如下步骤：

S101:采用第一激发波长在第一功率条件下对待测样品进行拉曼检测，获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理；

S102:采用第一激发波长在大于第一功率的第二功率条件下进行拉曼检测，获得第二拉曼荧光混合光谱；

S103:对第二拉曼荧光混合光谱的拉曼信号作为噪声进行去噪声处理，获得去噪后的荧光信号并对荧光信号做标准化处理；

S104:将标准化的第一拉曼荧光混合光谱与所述去噪后的荧光信号进行幅值相减或相除处理，获得待测样品的拉曼光谱。

其中，进一步地，在步骤S104之后，还可包括：

根据荧光功率阈值判断荧光是否消除，若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率小于或等于荧光功率阈值，则将该荧光抵消后的拉曼光谱作为待测样品的最终拉曼光谱：若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率大于荧光功率阈值，则更换激发光波长为第二激发波长重新对待测样品进行拉曼测量。

其中，进一步地，在步骤S102之后，所述方法在获得第二拉曼荧光混合光谱后，还可包括判断待测样品是否为功率敏感物质的步骤，具体包括：

获取标准化的第二拉曼荧光混合光谱减去标准化的第一拉曼荧光混合光谱的差值，若所述差值的绝对值小于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为非功率敏感物质，则直接将所述第一拉曼荧光混合光谱作为该待测样品最终的拉曼光谱；若所述差值的绝对值大于或等于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为功率敏感物质，对第二拉曼荧光混合光谱进行后续的去噪声处理。

其中，所述对第二拉曼荧光混合光谱进行去噪声处理，是采用小波去噪方式进行去噪声处理。所述小波去噪方式包括：模极大值去噪法、或阈值去噪法、或相关去噪法。

其中，在步骤101之后，即在所述获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理的步骤之后，还可包括如下步骤：

判断第一拉曼荧光混合光谱的荧光强度是否超过预定的可信阈值，若小于可信阈值，则可直接将第一功率条件下测量得到的第一拉曼荧光混合光谱作为待测样品最终的拉曼光谱进行拉曼分析。

通过对同一激发波长的激发光的两次不同功率水平的拉曼荧光混合光谱进行标准化处理，利用荧光功率阈值对数值处理后的拉曼荧光混合光谱判断该待测物质是否符合需要进行荧光抵消的要求。若得到的拉曼荧光混合光谱信号大于或等于该荧光功率阈值则认为该待测物质为功率敏感物质，进一步可进行去噪处理，尤其可以采用小波去噪的方式。

所述的对第一、二拉曼荧光混合光谱与所述去噪后的荧光信号的标准化处理，可以是归一化处理，或者是将某一拉曼位移或某一拉曼位移范围的信号幅值调整为一个常数。

如图2所示，示出了一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法流程图，该荧光干扰消除方法中：

首先，可以采用第一激发波长在低功率的第一功率条件下测量得到第一拉曼荧光混合光谱，记录并存储该第一拉曼荧光混合光谱并进行标准化处理，该第一拉曼荧光混合光谱具有相对较强的拉曼信号和相对较弱的荧光信号；

对所述第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理的步骤之后，还可包括如下步骤：判断第一拉曼荧光混合光谱的荧光强度是否超过预定的可信阈值，若小于可信阈值，则可直接将第一功率条件下测量得到的第一拉曼荧光混合光谱作为待测样品最终的拉曼光谱进行拉曼分析，所述分析包括检索拉曼数据库，若能检索到则提示待测样品的特征信息，否则则提示无法确认物质属性。

若荧光强度超过预定的可信阈值，则可进一步地采用第一激发波长在高功率的第二功率条件下测量得到第二拉曼荧光混合光谱，利用功率敏感度阈值判断所述第二拉曼荧光混合光谱的荧光强度是否超过功率敏感度阈值，若是，则记录并存储该第二拉曼荧光混合光谱，该第二拉曼荧光混合光谱具有较强的荧光信号和较弱的拉曼信号，将第二拉曼荧光混合光谱中的拉曼信号视为噪声，通过去噪处理后分解得到荧光光谱并对该荧光光谱进行标准化处理。

利用标准化处理后的第一拉曼荧光混合光谱与所分解得到的荧光光谱进行幅度相减或相除处理，获得消除荧光干扰的拉曼信号；

根据荧光功率阈值判断荧光强度是否符合消除荧光干扰的要求，若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率小于或等于荧光功率阈值，则将该荧光抵消后的拉曼光谱作为待测样品的最终拉曼光谱：若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率大于荧光功率阈值，则更换激发光波长为第二激发波长重新对待测样品进行拉曼测量。

在上述步骤中，将第二功率条件下测试获得第二拉曼荧光混合光谱中的拉曼信号作为噪声，通过小波变换去噪算法除去拉曼信号，剩下单一的荧光信号。对以第一功率测得光谱和第二功率经过小波去噪后的光谱数据进行标准化后进行数值处理，所述数值处理可以是幅值相减处理或者幅值相除处理。

本发明的荧光干扰的消除方法充分利用了小波变换的优势，通过小波去噪，将高功率条件下的第二次测试拉曼信号从拉曼荧光混合信号中去除，可以获得单一的荧光信号，该单一荧光信号标准化后再与第一次低功率条件下测试的拉曼荧光混合光谱做减法。本发明不局限于某种特定的小波算法，只要是能够实现将拉曼信号从荧光信号去除的小波算法都可以采用。

经典的信号去噪方法主要是基于频域的处理方法，以滤波器的形式去噪。它是把有用信号和噪声信号在频域进行分离的方法去噪。但这种方法要在信号频谱和噪声频谱没有重叠的前提下，才能把信号和噪声完全分离开来。但实际情况信号频谱和噪声频谱往往是重叠的，因为无论是高斯白噪声还是脉冲干扰，它们的频谱几乎都是分布在整个频域内。如果要噪声平滑效果好，必然会引起信号的模糊，轮廓不清，要使信号的轮廓清晰，就必然噪声的平滑效果不好。在使用时必须权衡得失，在二者之间做出合理的选择。用低通滤波器进行平滑处理可以去除噪声、伪轮廓等寄生效应，但是由于低通滤波器对噪声等寄生成分去除的同时，也去除了有用的高频成分，即进行噪声平滑的同时，也必定平滑了非平稳信号的突变点。因此这样去噪处理是以牺牲清晰度为代价而换取的。

小波分析方法是一种窗口大小即窗口面积固定、但窗口的形状可变、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适于探测正常信号中突变信号的成分。它可以用长的时间间隔来获得更加精细的低频率的信号信息，用短的时间间隔来获得高频率的信号信息。在实际的工程应用中，所分析的信号可能包含许多尖峰或突变部分，并且噪声也不是平稳的白噪声。对这种信号的降噪处理，用传统的傅立叶变换分析，显得无能为力，因为它不能给出信号在某个时间点上的变化情况。小波分析作为一种全新的信号处理方法，它将信号中各种不同的频率成分分解到互不重叠的频带上，为信号滤波、信噪分离和特征提取提供了有效途径。有些噪声的频谱是分布在整个频域内的，小波理论的发展和成熟为非平稳信号的分析提供了有利的工具。

采用小波去噪的方法，可分为如下三类:

第一类方法是基于小波变换模极大值原理的，最初由Mallat提出，即根据信号和噪声在小波变换各尺度上的不同传播特性，剔除由噪声产生的模极大值点，保留信号所对应的模极大值点，然后利用所余模极大值点重构小波系数，进而恢复信号；

第二类方法是Donoho提出的阈值方法，该方法认为信号对应的小波系数包含有信号的重要信息，其幅值较大，但数目较少，而噪声对应的小波系数是一致分布的，个数较多，但幅值小。基于这一思想，Donoho等人提出硬阈值和软阈值去噪方法，即在众多小波系数中，把绝对值较小的系数置为零，而让绝对值较大的系数保留或收缩(Shrinkage)，分别对应于硬阈值和软阈值方法，得到估计小波系数(EstimatedWaveletCoefficients，EWC)，然后利用估计小波系数直接进行信号重构，即可达到去噪的目的；

第三类方法是对含噪信号作小波变换之后，计算相邻尺度间小波系数的相关性，根据相关性的大小区别小波系数的类型，从而进行取舍，然后直接重构信号。三种小波去噪方法的优缺点比较可参见表1。

表1三种小波去噪法比较

	模极大值去噪法	阈值去噪法	相关去噪法
				计算量	大	小	较大
稳定性	稳定	依赖于信噪比	较稳定
				去噪效果	较好	好	好
适用范围	低信噪比信号	高信噪比信号	高信噪比信号

如图3所示，给出了本发明的一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法的具体应用方式示意图。

在图3中，首先可以采用第一激发波长在低功率的第一功率条件下测量得到第一拉曼荧光混合光谱，可以看到在低功率测量下，拉曼信号尽管比较明显，但仍存在较大成分的荧光干扰，不利于进行谱线分析。

在相同激发波长激发下采用高功率的第二功率条件测量得到第二拉曼荧光混合光谱，可以看到在高功率测量下，拉曼信号远远小于荧光信号，整个混合光谱是荧光主导的谱线。

对第二拉曼荧光混合光谱可将很弱的拉曼信号视为噪声，采用诸如小波变换的去噪方法，将拉曼信号进行去噪处理，从而可以分解得到单一的荧光信号。

进一步地，将标准化的低功率测量第一拉曼荧光混合光谱和去噪分解得到的荧光信号进行数值处理，例如进行相减处理，所得差值光谱中拉曼信号的各拉曼特征谱线均清晰可辨，极大地消除了荧光干扰。因此，该拉曼差值光谱可以作为最终的拉曼光谱进行拉曼分析。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种功率敏感物质的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，包括：

采用第一激发波长在第一功率条件下对待测样品进行拉曼检测，获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理；

采用第一激发波长在大于第一功率的第二功率条件下进行拉曼检测，获得第二拉曼荧光混合光谱；

对第二拉曼荧光混合光谱的拉曼信号作为噪声进行去噪声处理，获得去噪后的荧光信号并对荧光信号做标准化处理；

将标准化的第一拉曼荧光混合光谱与所述去噪后的荧光信号进行幅值相减或相除处理，获得待测样品的拉曼光谱。

2.如权利要求1所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述方法进一步包括：

根据荧光功率阈值判断荧光是否消除，若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率小于或等于荧光功率阈值，则将该荧光抵消后的拉曼光谱作为待测样品的最终拉曼光谱。

3.如权利要求2所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述方法进一步包括：

若荧光抵消后的拉曼光谱信号荧光功率大于荧光功率阈值，则更换激发光波长为第二激发波长重新对待测样品进行拉曼测量。

4.如权利要求1所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述方法在获得第二拉曼荧光混合光谱后，还可包括判断待测样品是否为功率敏感物质的步骤，具体包括：

获取标准化的第二拉曼荧光混合光谱减去标准化的第一拉曼荧光混合光谱的差值，若所述差值的绝对值小于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为非功率敏感物质，则直接将所述第一拉曼荧光混合光谱作为该待测样品最终的拉曼光谱。

5.如权利要求1所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述方法在获得第二拉曼荧光混合光谱后，还可包括判断待测样品是否为功率敏感物质的步骤，具体包括：

获取标准化的第二拉曼荧光混合光谱减去标准化的第一拉曼荧光混合光谱的差值，若所述差值的绝对值大于或等于预设的功率敏感度阈值，则判定该待测样品为功率敏感物质，对第二拉曼荧光混合光谱进行后续的去噪声处理。

6.如权利要求1或5所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述对第二拉曼荧光混合光谱进行去噪声处理，是采用小波去噪方式进行去噪声处理。

7.如权利要求6所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

所述小波去噪方式包括：模极大值去噪法、或阈值去噪法、或相关去噪法。

8.如权利要求1所述的拉曼荧光干扰的消除方法，其特征在于，

在所述获得第一拉曼荧光混合光谱并做标准化处理的步骤之后，还可包括如下步骤：

判断第一拉曼荧光混合光谱的荧光强度是否超过预定的可信阈值，若小于可信阈值，则可直接将第一功率条件下测量得到的第一拉曼荧光混合光谱作为待测样品最终的拉曼光谱进行拉曼分析。