CN109752364B - 多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法 - Google Patents

Abstract

一种多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，涉及一种拉曼光谱中消除荧光的方法，该方法是将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，求出最大最小值的极差，直至极差最大值出现；自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。本发明可避免出现过分辨或欠分辨的现象，可实现拉曼信号和荧光背景两类信号的区分，能得到与真实拉曼信号一致的输出，适用于多组分、不均匀、荧光不同步体系中消除拉曼光谱中荧光和背景光的干扰，易于推广使用。

Description

多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱中消除荧光的方法，特别是一种组成变化的多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法。

背景技术

包含多种成分的固体物料，其组成往往不均匀。对于这类多组分固体的拉曼光谱测量，不均匀性和荧光都是重要的干扰。

在现有技术中，往往都是提出针对具体单点，样本组成可视为不变化，以避免不均匀性导致问题复杂，然后利用荧光随照射时间减弱的褪色效应，进一步将问题限制在体系荧光来源单一的情况下，提出微小时间内的荧光强度随时间同步减弱，找出荧光褪色微元后，再通过逆差分找出体系所含荧光后，信号中荧光得以消除。这种方法回避了样本的不均匀性，对于单点测量是合理和可接受的；但是，对于固体物料多点扫描测量或者连续测量，多次定点测量获取荧光褪色序列的方法，将会显著增加测量时间，而且在持续测量时，受激光热效应影响，物料表面会发生塌陷等变化，也无法回避不均匀性的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对多组分、不均匀、荧光不同步体系中消除拉曼光谱中荧光和背景光干扰的问题，提供一种多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法。

本发明的原理如下：

由于实际体系的拉曼光谱测量包含了各个组分自身的拉曼光谱、随机噪声、多来源的荧光、环境和样品散射等多重信号，从信号频率上，按照高频随机信号、拉曼信号、环境散射、荧光逐次降低。而ICA对于频率差异大的不同源信号，有较好的分离能力，可以将低频的环境光和荧光，按照较好的准确度分离开来；但是，多组分体系中各组分拉曼信号频率相近，ICA难以准确对应分离；如果直接采用ICA分离输出，无法得到正确结果；同时，还需要考虑源信号数量判断、ICA随机输出等问题。本发明针对不同步荧光，提出了通过盲信号识别之独立分量分析（ICA，Independent Component Analysis）方法，找出有效拉曼信号，解决荧光干扰问题的方法；主要创新在于建立了输入准确源信号数目的方法，解决了ICA过分辨或欠分辨使得输出结果错误问题，另外，还提出了解决ICA输出的幅度和相位不确定性方法，得到了与真实拉曼信号一致的输出。

本发明的技术方案是：一种多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，该方法是将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，求出最大最小值的极差，直至极差最大值出现；自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。

本发明的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：

S1.样本的光谱测量；

S2.ICA计算：

将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，体系源信号数量从2开始计算，IC输出后，再计算各熵值，求出最大值和最小值的极差；增加源信号数量继续求取极差，至熵的极差最大值出现，停止计算；将极差最大值所对应的ICA结果——系列IC分量和混合矩阵A，作为最佳的拉曼与荧光背景的ICA分离结果；

S3.自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量

计算输入ICA计算的数组中每个光谱的熵值，找出最大值和最小值，与步骤S2找出的最佳分离的各个IC分量熵值对比，大于最大值的IC分量对应了荧光背景信号，而小于最小值的IC分量则对应了拉曼信号；

S4.重构拉曼光谱输出

根据步骤S3的结果，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。

本发明的再进一步技术方案是：所述的步骤S1.样本的光谱测量包括如下内容：

取多组分掺和、混合不均匀的固体样本，采用多点多次测量模式对样本进行光谱测量。

本发明的再进一步技术方案是：所述的多点多次是指取4～5个以上不同位置点，每个点进行2～3次测量，使测量更具有代表性。

本发明的再进一步技术方案是：所述的步骤S2中，构成的多维数组中光谱数量大于10。

由于采用上述技术方案，本发明之多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 可得到与真实拉曼信号一致的输出

由于ICA可以得到系列分离的独立成分信号IC分量和混合矩阵A，系列IC分量中，非随机的高低频率差异可被准确分离。本发明正是根据这一结论，将系列IC分量中与背景和荧光对应的低频IC分量清零，保留与拉曼信号对应的IC分量；清理过的IC分量重新通过混合矩阵A还原，即可得到去除干扰的拉曼信号，即可得到与真实拉曼信号一致的输出，适用于多组分、不均匀、荧光不同步体系中消除拉曼光谱中荧光和背景光的干扰。

2. 可避免出现过分辨或欠分辨的现象

ICA计算需要输入准确的源信号数目，以避免出现过分辨或欠分辨的现象，影响高低频信号分离效果。本发明采用信息熵极差判断ICA需要输入的源信号数目，依次增加源信号数量，逐次进行ICA计算，每次可输出对应数量的系列IC分量；然后，计算各分量的信息熵，找出其中最大和最小熵值，计算极差；最大极差所对应的源信号数量，输入为体系适合的源信号数目。因此，本发明可避免出现过分辨或欠分辨的现象。

3. 可实现拉曼信号和荧光背景两类信号的区分

由于ICA分量的输出顺序是随机的，无法按照输出顺序选择各个分量与拉曼信号或荧光背景的对应关系。ICA计算前的原始信号其熵值大体相当，而经过ICA分离后，拉曼信号所对应的分量具有更好的确定性，其熵值小于原始信号熵，而荧光背景信息量小于原始信号，其熵值大于原始信号的熵。本发明正是通过这一性质，实现了拉曼信号和荧光背景两类信号的区分。

4.可解决增加测量时间、物料表面发生塌陷变化、无法回避不均匀性影响的问题：

由于本发明是针对不同步荧光，将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，求出最大最小值的极差，直至极差最大值出现；自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。无需利用荧光随照射时间减弱的褪色效应来使荧光消除，从而解决了对于固体物料多点扫描测量或者连续测量时显著增加测量时间、物料表面会发生塌陷变化、无法回避不均匀性的不足之处。

下面，结合附图和实施例对本发明之多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：实施例一中盐酸氟桂利嗪片剂表面7点每点2次获得的含荧光背景干扰的拉曼光谱图，

图2：实施例一中输入源信号数5的ICA信号分离效果图，

图3：各原始光谱的熵值与ICA分离后各IC分量的熵值对比图，

图4：盐酸氟桂利嗪片剂表面7个点去除荧光背景后的拉曼谱图。

具体实施方式

一种多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，该方法是将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，求出最大最小值的极差，直至极差最大值出现；自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。该方法包括以下步骤：

S1.样本的光谱测量：

取多组分掺和、混合不均匀的固体样本，例如药品片剂，采用多点多次测量模式对样本进行光谱测量。所述的多点多次是指取4～5个以上不同位置点，每个点进行2～3次测量，使测量更具有代表性。

S2.ICA计算：

将多点多次的测量光谱构成多维数组XS输入ICA计算，ICA是一种公开的数据处理方法，（即独立成分分析算法，Independent component analysis），构成的多维数组中光谱数量大于10，体系源信号数量从2开始计算，IC输出后，再计算各熵值，求出最大值和最小值的极差；增加源信号数量继续求取极差，至熵的极差最大值出现，停止计算；将极差最大值所对应的ICA结果——系列IC分量和混合矩阵A，作为最佳的拉曼与荧光背景的ICA分离结果；

S3. 自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量

计算输入ICA计算的数组中每个光谱的熵值，找出最大值和最小值，与步骤S2找出的最佳分离的各个IC分量熵值对比，大于最大值的IC分量对应了荧光背景信号，而小于最小值的IC分量则对应了拉曼信号；

S4.重构拉曼光谱输出

根据步骤S3的结果，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。

实施例一：

选取盐酸氟桂利嗪片剂表面拉曼光谱测量作为实施例一，该盐酸氟桂利嗪片剂包含API和淀粉等辅料，其表面是不均匀的多组分复杂体系，单一荧光褪色法难以完全消除荧光干扰，且耗时过长；因为各点的组成存在差异，也无法采用组成稳定体系的荧光消除方法。

本发明的方法包括步骤如下：

S1.样本的光谱测量：

采集盐酸氟桂利嗪片剂拉曼光谱，取此片剂表面不同位置7个点，每点测量2次，得到14张图谱；图1是盐酸氟桂利嗪片剂表面7点2次获得的含荧光背景干扰的拉曼光谱图，从图1中可看出荧光趋势并非完全一致，拉曼峰也存在微量的差异。

S2.ICA计算：

将测量得到的14张图谱构成多维数组XS输入ICA计算，输入源信号数量从2到10，重复ICA计算，再分别计算每组IC的熵值，记录其中的最大值和最小值的极差，结果如表1：

表1

IC数目	2	3	4	5	6	7	8	9	10
										熵值极差	1.730	1.406	1.780	2.474	2.177	2.064	1.997	1.816	2.070

从表1可以看出，选取源信号数5，可获得最大极差。

图2是输入源信号数为5时，ICA输出的5个分量，图中IC1、IC3和IC4趋势平直的拉曼信号，IC2和IC5表征了荧光背景信息。

表2是5个IC的各自熵值，可以看出IC2和IC5显著大于其他分量，背景荧光和拉曼信号得到了清晰区分。

表2——各IC对应的熵值

IC序号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
						熵值	2.918	4.815	3.344	2.861	5.335

3. 自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量

计算输入ICA的数组中14个光谱的熵值，找出最大和最小值，与步骤S2找出的最佳分离的各个IC分量熵值对比。

图3是各个光谱在ICA分离前的熵值和分离后5个IC分量的熵值对比，可以看出被清晰区分，IC2和IC5均大于原始熵的最大值即对应了荧光背景信号，而IC1、IC3和IC4均小于原始熵的最小值即对应了拉曼信号；图3中，“×”表示各原始光谱的熵，“*” 表示5个IC分量的熵。

S4.重构拉曼光谱输出

根据步骤S3的结果，将其中荧光背景IC分量IC2、IC5清零后的IC分量作为新的系列IC分量，与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，从而实现荧光消除；消除荧光背景后的拉曼光谱如图4。

Claims (4)

1.一种多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，其特征在于：该方法是将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，求出最大最小值的极差，直至极差最大值出现；自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除；该方法包括以下步骤：

S1.样本的光谱测量；

S2.ICA计算：

将多点多次的测量光谱构成多维数组输入ICA计算，体系源信号数量从2开始计算，IC输出后，再计算各熵值，求出最大值和最小值的极差；增加源信号数量继续求取极差，至熵的极差最大值出现，停止计算；将极差最大值所对应的ICA结果——系列IC分量和混合矩阵A，作为最佳的拉曼与荧光背景的ICA分离结果；

S3.自动查找与拉曼信号、荧光背景信号对应IC分量

计算输入ICA计算的数组中每个光谱的熵值，找出最大值和最小值，与步骤S2找出的最佳分离的各个IC分量熵值对比，大于最大值的IC分量对应了荧光背景信号，而小于最小值的IC分量则对应了拉曼信号；

S4.重构拉曼光谱输出

根据步骤S3的结果，将与荧光背景信号对应IC分量清零后的IC分量作为新的系列IC分量与混合矩阵A相乘，重构出去除荧光背景后的各点各次的拉曼光谱，实现荧光消除。

2.根据权利要求1所述的多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，其特征在于：所述的步骤S1.样本的光谱测量包括如下内容：

取多组分掺和、混合不均匀的固体样本，采用多点多次测量模式对样本进行光谱测量。

3.根据权利要求2所述的多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，其特征在于：所述的多点多次是指取4～5个以上不同位置点，每个点进行2～3次测量，使测量更具有代表性。

4.根据权利要求1所述的多组分体系拉曼光谱的不同步褪色荧光消除方法，其特征在于：所述的步骤S2中，构成的多维数组中光谱数量大于10。

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