CN106198325A - 一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统及分析方法，采用一个线性阵列光纤探头以及一个离轴抛物面反射镜来构建多角度光谱测量系统，并采用基于小波多尺度分析的光谱分析方法来实现对颗粒大小分布的快速、精确获取。该方法可以用于对标准颗粒生产制备的实时监测，对水中油污染物的检测，对牛奶制品的颗粒度检测，以及对生物细胞内颗粒结构的研究等。系统简单，分析结果精确。
Description
技术领域
本发明所提出的光谱测量及分析方法属于微小颗粒的弹性散射光谱研究及实际应用领域。目前已有的光谱获取方式各有不同，但光谱分析方法基本一致即通过比较测量光谱与理论计算的米氏散射光谱来获知颗粒的大小和折射率信息。同类相关技术可以用于对标准颗粒的质检，对生物细胞内颗粒结构的研究，以及对水溶液中颗粒污染物的检测等。
背景技术
微小球形介质颗粒的光弹性散射光谱具有解析解形式即米氏散射公式，其由通行的计算程序可以获得精确的数值结果，因此将测量结果与计算结果相比对，往往可以在十纳米级别准确地获知颗粒的尺寸，相关技术近年来在生物细胞检测方面得到了重要应用(N.N.Boustany et al.,Microscopic imaging and spectroscopy with scatteredlight,Annu.Rev.Biomed.Eng.2010,12:285-314)。
相关技术主要可以分成两个大类，其中一类是结合显微成像来测量研究单个颗粒，为了对大量颗粒进行快速测量可以结合流式细胞仪的方法(C.Greiner et al.,Confocal backscattering spectroscopy for leukemic and normal blood celldiscrimination,Cytometry Part A.2011,79A:866-873)。另外一类是一次测量悬浮液中的大量颗粒并通过分析来获知颗粒的尺度分布，相对于前一类技术在检测速度上具有明显优势。
在悬浮颗粒溶液的光谱测量方法上，目前主要有两种方法，一种是用光纤探头的直接测量法(H.Fang et al.,Noninvasive sizing of subcellular organelles withlight scattering spectroscopy,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2003,9:267-276)，另外一种是基于分离准直透镜构建测量系统的方法(V.Backman et al.,Polarized lightscattering spectroscopy for quantitative measurement of epithelial cellularstructures in situ,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.1999,5:1019-1026)。前一种方法具有系统简单的优点，但由于没有准直照明导致背向散射角分布较大且不容易得到准确描述，造成不容易得到理论计算光谱，也就因此影响了获取颗粒尺度信息的准确度。用后一种方法时背向散射角有明确的取值，但其光学系统过于复杂致使在校准定标时比较费时，而且不利于构建小型化的实用系统。
在背向散射光谱分析获取颗粒大小分布方面，目前既有普遍采用的直接与理论光谱比对的数据库计算搜索方法，也有将光谱进行傅里叶变换后来比对频谱的方法(A.F.Videla et al.,Sizing particles by backscattering spectroscopy andFourier analysis,Optical Engineering 2006,45:048001-048009)。这些方法都需要建立以颗粒平均大小和分布方差为变量的数据库，由于数据库较大计算分析时间过长，因此难以达到实时分析测量的目的。另外，这些分析方法因为有些光谱形状及频谱分布相似，提取颗粒尺寸时会出现有较大偏差的情况。
发明内容：
本发明针对目前光谱测量系统的局限性提出在光纤探头基础上增加一个离轴抛物面镜来对入射光和背向散射光进行准直，这样的系统构建在保持结构简单的同时又保证了收集到的散射光谱对应明确的散射角。另外，本发明针对现有光谱分析方法的局限性，提出了一种基于小波变换多层分解光谱来进行构建数据库以及分析颗粒尺寸分布的快速分析方法。将所提出的测量系统和光谱分析方法相结合，可以构建一种在线检测和分析颗粒尺寸分布的实用方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统：连续谱光源激光器，线列光纤探头，离轴抛物面反射镜，光谱仪，计算机，另外有两个平移台上安置的两个角度偏转器分别与线列光纤探头和离轴抛物面反射镜固定，线列光纤探头探测端由若干根光纤构成，成线列排布，其中第一根光纤位于离轴抛物面反射镜的焦点位置，光纤排布方向垂直于离轴抛物面反射镜的光轴，使到达样品颗粒的入射光为平行光，而沿着某一方向的散射光能汇聚于焦面的收集光纤，从而得到明确的散射角。
上述线列光纤探头探测端第一根为出射光纤，其它为收集光纤。另一端分成两部分，一根光纤接入光源，其它光纤接入光谱仪。
进一步地，通过平移台和角度偏转器的调节，在离轴抛物面反射镜和线列光纤探头相对位置明确且固定之后，同时沿竖直方向偏转一定角度β，以排除由样品溶液引起的反射光干扰。
一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析方法包括以下步骤：
1)在小波多尺度分析下，将某个背向散射角下的测量光谱分解为n个级次上的有着不同频率范围的n个独立分量,包含由尺度函数得到的最低频分量以及由小波函数得到的各个级次上的高频分量；
2)构建获取颗粒平均大小的理论光谱数据库M：基于米氏散射理论，计算不同大小单个颗粒在上述散射角下的理论光谱，也同样按照步骤1中方法进行小波多尺度分解；
3)以颗粒大小为变量，在每个级次上，将测量光谱的分量逐一与数据库M中不同光谱的对应分量进行相关计算，然后将各级次上的相关结果累计相乘(为了避免噪声的影响，一般避免高频率范围的几个分量参与运算)，最大值位置处对应的颗粒大小即为所测颗粒分布的平均值；
4)接着来计算颗粒尺度分布的标准方差，这时需要构建已获知颗粒平均值的不同标准方差的理论光谱数据库Q：计算出具有不同分布方差的颗粒在上述散射角下的理论光谱，且均按照步骤1中方法进行小波多尺度分解；
5)计算出测量光谱相邻频率范围的分量间的幅度比(高频分量易受到影响，应选择合适的分量)，对数据库Q中各光谱作同样的处理，以分布标准方差为变量，将测量光谱的比值结果逐一与数据库中各光谱的比值结果比对，找出所测颗粒的分布标准方差。
本发明的优点和有益效果是：1.本发明的测量系统中，提出在光纤探头基础上增加一个离轴抛物面镜来对入射光和背向散射光进行准直，该方法综合了光纤探头直接测量方法和透镜测量方法的优势，系统简单，散射角定义准确，并且消除了色差从而保证测量光谱具有较高的信噪比。
2.本发明中光谱的分析中，引入小波多尺度分析，并在此基础上通过测量光谱与理论光谱在不同频率范围上的分量分别相关运算后累计相乘的方法，有效地利用了光谱的频率信息，从而提高了结果的精确度。
3.本发明中获取微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱处理分析方法创新性在于，只需先构建合适的用于计算颗粒分布平均大小的单个颗粒的理论光谱数据库，然后在获取的平均大小结果下辅以动态小容量的以分布标准方差为变量的数据库来求得标准方差。这避免了以往需要建立的同时以颗粒平均大小和分布标准方差为变量的庞大数据库，显著减少了分析时间，从而实现实时分析测量的目的。
附图说明
图1为获取微小颗粒多角度背向弹性散射光谱测量系统示意图。
图2为线列光纤探头端面示意图。
图3为散射角分析示意图。
图4为所测的聚苯乙烯颗粒在散射角θ2下的背向散射光谱以及其在7个级次上的小波多尺度分解结果。
图5为测量光谱各分量逐一与数据库M中不同光谱的对应分量相关运算结果。
图6为图5中各级次上的相关结果从低频到高频依次累计相乘结果。
图7为测量光谱分量之间的强度比与数据库Q中各光谱对应分量间强度比的比对图。
图8测量光谱与分析结果的理论光谱对照。
图中：1：连续谱光源激光器，2：线列光纤探头，3：三维平移台，4：角度偏转器，5：离轴抛物面反射镜，6：二维平移台，7：角度偏转器，8：颗粒样品溶液，9：光谱仪，10：计算机。
具体实施方式
如附图1所示，为本发明所述背向弹性散射光谱测量分析系统，包括连续谱光源激光器1，线列光纤探头2，三维平移台3，角度偏转器4，离轴抛物面反射镜5，二维平移台6，角度偏转器7，光谱仪9，计算机10。线列光纤探头2探测端第一根为出射光纤，其它为收集光纤。另一端分成两部分，一根光纤接入光源，其它光纤接入光谱仪9。光谱仪9与计算机10相连接，实现数据运算。线列光纤探头2中一号光纤位于离轴抛物面反射镜5的焦点位置，且光纤排布方向垂直于其光轴，使得到达样品颗粒8的入射光为平行光，而沿同一方向的散射光能汇聚于焦面的收集光纤，从而得到明确的散射角。三维平移台3和二维平移台6以及角度偏转器4和7可以保证上述光纤探头2和反射镜5相对位置的正确性，以及使得整体沿竖直方向偏转角度β，以排除由样品溶液引起的反射光干扰。本发明中离轴抛物面反射镜5，焦距为f,最大的光学特征在于良好的聚焦特性和准直特性，相对于透镜来说可以消除色差，采用特殊的入射方式也可消除球差；相对于其他非球面反射镜，它可以解决中心遮拦问题。
参见附图2和附图3，分别为线列光纤探头2探测端面示意图和散射角分析示意图，纤芯直径为ρ，纤芯间距为η，L1、L2、l2为入射光线，L3、L4、l3为散射光线，l1为辅助线，k为离轴抛物面反射镜的光轴，根据反射定律和几何关系可明确n号光纤对应的散射角为
下面以2号光纤收集到的聚苯乙烯微球颗粒在背向散射角为θ2处的弹性散射光谱为实例，介绍获取微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱处理分析方法，具体步骤如下
1)参见附图4，在小波多尺度分析下，将背向散射角为θ2下的测量光谱S在7个级次上多尺度分解，包含由尺度函数得到的最低频分量[AS]7以及由小波函数得到的各个级次上的高频分量分别为[DS]7、[DS]6、[DS]5、[DS]4、[DS]3、[DS]2和[DS]1；
2)构建获取颗粒平均大小的理论光谱数据库M：基于米氏散射理论，计算出大小分别为3502nm、3504nm、……、6500nm(间隔为2nm)的颗粒在散射角θ2下的理论光谱，且均按照步骤1中方法在7个级次上分解；
3)参见附图5和附图6，以颗粒大小为变量，在每个级次上，测量光谱的各分量逐一与数据库M中不同光谱的对应分量相关计算，结果分别为由尺度函数得到的最低频分量的相关结果cd7以及由小波函数得到的各个级次上的高频分量相关结果cd7、cd6、cd5、cd4、cd3、cd2和cd1，然后将各级次上的相关结果从低频到高频依次累计相乘得到结果ca7、ca7cd7、ca7cd7cd6、ca7cd7cd6cd5、ca7cd7cd6cd5cd4、ca7cd7cd6cd5cd4cd3、ca7cd7cd6cd5cd4cd3cd2、ca7cd7cd6cd5cd4cd3cd2cd1。参见附图4易知[DS]3、[DS]2和[DS]1分量中主要为噪声，所以选择ca7cd7cd6cd5cd4作为判断标准，最大值对应的颗粒大小为4842nm，即得到所测颗粒分布平均大小为4842nm；
4)构建获取颗粒分布标准方差的理论光谱数据库Q：在获取的颗粒平均大小4842nm处，计算出分布标准方差分别为1nm、2nm、……、30nm(间隔为1nm)的颗粒在散射角θ2下的理论光谱，且均按照步骤1中方法在7个级次上分解；
5)参照附图7，考虑到结果的准确性，计算出测量光谱的分量[DS]7、[DS]6、[DS]5间的强度比值[DQ]6/[DQ]7和[DQ]５/[DQ]６，同样地通过对数据库Q中各光谱作同样的处理，得到以标准方差为变量的[DQ]6/[DQ]7和[DQ]５/[DQ]６强度比值曲线，比对得到对应的分布标准方差分别为17nm和23nm，所以所测颗粒的分布标准方差为平均结果20nm。
附图8为实测光谱与上述分析结果的颗粒(分布平均大小为4842nm、标准方差为20nm)的理论光谱对照，可以看出分析结果与实测光谱吻合完好。
应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统，其特征在于由以下部分组成：连续谱光源激光器，线列光纤探头，离轴抛物面反射镜，光谱仪，计算机，另外有两个平移台上安置的两个角度偏转器分别与线列光纤探头和离轴抛物面反射镜固定，线列光纤探头探测端由若干根光纤构成，成线列排布，其中第一根光纤位于离轴抛物面反射镜的焦点位置，光纤排布方向垂直于离轴抛物面反射镜的光轴，使到达样品颗粒的入射光为平行光，而沿着某一方向的散射光能汇聚于焦面的收集光纤，从而得到明确的散射角。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述的线列光纤探头探测端第一根为出射光纤，其它为收集光纤，另一端分成两部分，一根光纤接入光源，其它光纤接入光谱仪。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：离轴抛物面反射镜具有聚焦特性和准直特性，用于消除色差及球差；并解决中心遮拦问题。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：通过平移台和角度偏转器的调节，在离轴抛物面反射镜和线列光纤探头相对位置明确且固定之后，同时沿竖直方向偏转一定角度，以排除由样品溶液引起的反射光干扰。
5.一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在小波多尺度分析下，将某个背向散射角下的测量光谱分解为n个级次上的有着不同频率范围的n个独立分量,包含由尺度函数得到的最低频分量以及由小波函数得到的各个级次上的高频分量；
2)构建获取颗粒平均大小的理论光谱数据库M：基于米氏散射理论，计算出具有不同平均大小的颗粒在上述散射角下的理论光谱，且均按照步骤1中方法分解；
3)以平均大小为变量，在每个级次上，测量光谱的各分量一一与数据库M中不同光谱的对应分量相关计算，然后将各级次上的相关结果累计相乘，最大值对应的颗粒平均大小即为所测颗粒分布的平均大小；
4)构建获取颗粒分布标准方差的理论光谱数据库Q：在已获取的颗粒平均大小下，计算出具有不同分布标准方差的颗粒在上述散射角下的理论光谱，且均按照步骤1中方法分解；
5)计算出测量光谱相邻频率范围的分量间的强度比值，对数据库Q中各光谱作同样的处理，以分布标准方差为变量，将测量光谱的比值结果逐一与数据库中各光谱的比值结果比对，找出所测颗粒的分布标准方差。
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