CN110889368A - 采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法 - Google Patents
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Abstract
采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，该方法从多次采集的光谱算数平均值和几何平均值的差异中，提取拉曼光谱微元，然后，从每次采集的光谱中，分离拉曼光谱和背景，每次分离出的拉曼光谱通过累加得到整个测量时间内的累积光谱，或者采用算术平均得到单位测量时间的平均光谱。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱背景消除领域，特别涉及采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法。
背景技术
拉曼光谱具有信息丰富、无损、无需预处理的优点，应用日趋广泛。但是作为一种散射光谱，容易受到环境、荧光和样品自身散射的影响，很多时候，使得光谱的特征性、直观性、准确性不佳。为了提升仪器性能，无论是使用价值和商业价值上，稳定、准确、适用面广的光谱背景校正方法，都受到很大的重视。
在发明人前期工作，采用拉曼光谱背景的荧光褪色效应，较好地实现了单一荧光背景的干扰校正问题。但在实际样品中，如果背景褪色的一致性不佳或者褪色程度不大时，该方法的稳健性将受到挑战。
本发明提出利用序列光谱的算术平均和几何平均差异，提取独立的拉曼光谱响应微元的方法，在背景褪色一致性欠佳或者褪色幅度较小的情况下，实现了一种稳健消除背景干扰的方法。
拉曼光谱测量会受到荧光和其他散射光的干扰，采集到的光谱包含了测量所关心的拉曼信号和其他信号，如荧光和基体散射光。尽管这些信息采集自同一时刻，但是其来源不一致，因此严格地说，在每个不同时刻采集的信号中，拉曼信号与其他信号的占比并不相同。
由荧光褪色导致的拉曼光谱与背景在不同时刻的差异是信号不同步的个例。在发明人前期工作中，利用背景减弱，获得荧光在单位时间的微元，然后从测量光谱中扣除微元的累积值(反差分)，实现了拉曼光谱测量中确定背景的消除；但是，在背景变化并不具有单一性和确定性情况下，不存在统一的背景微元。本发明进而提出采用查找和确定拉曼光谱微元的方法，实现拉曼光谱的提取，实现真实、准确的无背景干扰测量。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种拉曼光谱背景消除方法，从多次采集的光谱算数平均值和几何平均值的差异中，提取拉曼光谱微元，然后，从每次采集光谱中，分离拉曼光谱和背景，每次分离出的拉曼光谱，通过累加得到整个测量时间内的累积光谱，或者采用算术平均得到单位测量时间的平均光谱。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，该方法是从多次采集的光谱算数平均值和几何平均值的差异中，提取拉曼光谱微元，然后，从每次采集的光谱中，分离拉曼光谱和背景，每次分离出的拉曼光谱通过累加得到整个测量时间内的累积光谱即为消除了背景干扰后的拉曼光谱，或者采用算术平均得到单位测量时间的平均光谱即为消除了背景干扰后的拉曼光谱。
进一步的，该方法包括以下步骤：
S1、连续测量并记录系列光谱
开启激光光源激发样品，同时，连续记录激发所产生的系列光谱Si(i＝2n)，采集光谱的数量选择2n个，可根据信噪比和精度情况确定n的大小；
S2、计算2n个光谱间两两几何平均值
2n个光谱第一轮可得到2n-1个两两间几何平均值，经过n+1轮计算，最终得到1个几何平均值MG；
S3、计算算术平均值
将2n个光谱累加平均后得到算术平均值MA；
S4、从MG和MA的差异中求取拉曼光谱微元Rd
通过归一化4阶中心矩最大判据，找出k值，利用式Rd＝kMG-MA，得到不含背景干扰的拉曼光谱微元Rd；
S5、从系列光谱中分离出纯拉曼光谱R(i)
通过归一化4阶中心矩最小判据，通过累积扣除系列光谱中的每一帧光谱中所含的Rd，得到系列背景值B(i)；
然后分别从Si扣除平滑降噪后背景B(i)，得到每一帧光谱中所含的纯拉曼信号R(i)；
S6、将各帧光谱中的拉曼信号累加或平均后输出
将2^n个R(i)累加，累加值即为整个光谱采集时间内的拉曼积分信号；或者将累加值按照累计时间平均，输出单位时间下的拉曼信号平均值，即为消除了背景干扰后的拉曼光谱。
进一步的，所述算术平均和几何平均是两种计算平均值的方法，但两种均值结果不同，测量拉曼光谱时，测量到的光谱出现的不稳定情况主要来自于背景的变化，定义两个时刻测量的光谱分别为S1和S2，以向量形式表达：
S1＝X+R
S2＝Y+R
即，S1和S2对应了相同的拉曼光谱R和不同的背景X、Y；
S1和S2的算术平均值MA：
几何平均值MG：
考察MG和MA的模量：
即MA的模量大于MG，模量的超出部分由背景差异贡献，几何平均值比较于算术平均值，几何平均值中的拉曼光谱占比更大；根据这一原理，利用多次几何平均和算术平均计算后的差值的累积差异，可以将拉曼光谱与背景区分开来；
因为MG和MA中拉曼光谱占比不同，拉曼光谱微元Rd和MG、MA之间存在如下关系：
Rd＝kMG-MA
因为拉曼光谱的频率高于背景光，因此不受背景光干扰的拉曼光谱具有最大归一化4阶中心矩。
进一步的，n大于2。
进一步的，k处于(0.1,2)区间，步长0.001步进。
进一步的，n＝5时，k＝1.011。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明一种拉曼光谱背景消除方法能够对原始混合光谱中的背景得到了很好的消除。同时没有对仪器提出硬件要求和软件要求，无需增加成本就能在现有软硬件上实施，对于背景一致性欠佳的背景褪色过程，有良好的的实用性和稳健性；由于改进了对背景褪色的一致性要求，响应的降低了对激光器强度稳定性的严格要求，也使得该方法可用于频闪条件下的拉曼光谱背景干扰校正。
附图说明
图1单位强度的仿真拉曼信号和背景图；
图2模拟的32组背景逐步降低的混合信号图；
图3混合信号的MG和MA图；
图4对应的Rd值图；
图5仿真拉曼信号和Rd归一化后的对比图；
图6从32组信号中分离出的模拟拉曼信号均值图；
图7直接采集的盐酸氟桂利嗪的拉曼光谱图；
图8光谱的几何平均值MG和算术平均值MA图；
图9拉曼光谱微元Rd图；
图10从32次混合光谱中分离其中的拉曼光谱成分图；
图11在6400ms测量积分时间下扣除背景干扰后盐酸氟桂利嗪片的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，该方法从多次采集的光谱算数平均值和几何平均值的差异中，提取拉曼光谱微元，然后，从每次采集的光谱中，分离拉曼光谱和背景，每次分离出的拉曼光谱通过累加得到整个测量时间内的累积光谱，或者采用算术平均得到单位测量时间的平均光谱。
进一步的，该方法包括以下步骤：
S1、连续测量并记录系列光谱
开启激光光源照射样品，会立即激发出拉曼光谱和其他干扰背景光谱，随着时间延长，背景光会下降，目前通常是先照一会儿，背景下去了才开始测量，本方法不需要，并且是利用了这种背景下降的现象。同时，连续记录激发所产生的系列光谱Si(i＝2n)，采集光谱的数量选择2n个，可根据信噪比和精度情况确定n的大小；
S2、计算2n个光谱间两两几何平均值
2n个光谱第一轮可得到2n-1个两两间几何平均值，经过n+1轮计算，最终得到1个几何平均值MG；
S3、计算算术平均值
将2n个光谱累加平均后得到算术平均值MA；
S4、从MG和MA的差异中求取拉曼光谱微元Rd
通过归一化4阶中心矩最大判据，即不断改变k值，然后算四阶矩，最大的四阶矩最大时，k就是合适的值，实际是寻优计算。找出k值，利用式Rd＝kMG-MA，得到不含背景干扰的拉曼光谱微元Rd；
S5、从系列光谱中分离出纯拉曼光谱R(i)
通过归一化4阶中心矩最小判据，背景和拉曼信号的差异在于信息量，拉曼信号信息量大，背景信息量小，中心距是一种判断值，介于纯的拉曼和背景之间的混合信号，其值也介于最大最小之间；因为每个光谱的背景是波动的，所以找出了拉曼光，然后反推背景，两个来回之后，进一步纯化出每个光谱中的拉曼信号，其中有一步平滑，就是把拉曼的微小残留滤出来，尽可能保真。通过累积扣除系列光谱中的每一帧光谱中所含的Rd，得到系列背景值B(i)；
然后分别从Si扣除平滑降噪后背景B(i)，得到每一帧光谱中所含的纯拉曼信号R(i)；
S6、将各帧光谱中的拉曼信号累加或平均后输出
将2n个R(i)累加，累加值即为整个光谱采集时间内的拉曼积分信号；或者将累加值按照累计时间平均，输出单位时间下的拉曼信号平均值，即为消除了背景干扰后的拉曼光谱；
进一步的，所述算术平均和几何平均是两种计算平均值的方法，两种均值结果不同，拉曼光谱测量时，测量到的光谱出现的不稳定，主要来自于背景的变化，定义两个时刻测量的光谱分别为S1和S2，以向量形式表达：
S1＝X+R
S2＝Y+R
即，S1和S2对应了相同的拉曼光谱R和不同的背景X、Y；
S1和S2的算术平均值MA：
几何平均值MG：
考察MG和MA的模量：
即MA的模量大于MG，模量的超出部分由背景差异贡献，几何平均值比较于算术平均值，几何平均值中的拉曼光谱占比更大；根据这一原理，利用多次几何平均和算术平均计算后的差值的累积差异，可以将拉曼光谱与背景区分开来；
因为MG和MA中拉曼光谱占比不同，拉曼光谱微元Rd和MG、MA之间存在如下关系：
Rd＝kMG-MA
因为拉曼光谱的频率高于背景光，因此不受背景光干扰的拉曼光谱具有最大归一化4阶中心矩。
进一步的，n大于2。
进一步的，k处于(0.1,2)区间，步长0.001步进。
进一步的，n＝5时，k＝1.011。
实施例一：
为了验证无噪声干扰条件下本方法和原理的稳定性，依照本发明提出的步骤，从32组无噪声干扰的仿真混合信号中，分离出对应于纯拉曼信号的输出结果。
如图1分别是单位强度的仿真拉曼信号和背景，以3个模拟信号，对应为仿真拉曼信号R和两个不同背景X、Y构成存在拉曼强度与背景强度存在差异的32组混合信号，即2n＝32，n＝5，如图2是模拟的32组背景逐步降低的混合信号Si。
1.计算32组混合信号两两间几何平均值，经过5轮计算，得到MG；
2.计算32组信号的算术平均值MA，如图3分别是这一组混合信号的MG和MA。
3.按照Rd＝kMG-MA，不断调整k值，计算Rd归一化4阶中心矩，当k＝1.011时，具有最大归一化4阶中心矩，即可得到不含背景干扰的拉曼光谱微元Rd，如图4是对应的Rd值。
如图5是仿真拉曼信号R和Rd归一化后的对比，可以看出，大部分背景值已经扣除，拉曼信号值得到了很好保留。
4.以Rd值作为单元值，通过归一化4阶中心矩最小判据，通过累积扣除系列光谱中的每一帧光谱中所含的Rd，得到系列背景值B(1)-B(32)，消除每一混合信号中的背景干扰，分离得到对应的拉曼信号R(1)-R(32)。
5.将32个分离出的拉曼信号R(1)-R(32)，按照累加值或者平均值，输出整体测量时间内的拉曼累计信号，或者单位时间下的平均拉曼信号，如图6为从32组信号中分离出的模拟拉曼信号均值。
实施例二
盐酸氟桂利嗪药片中包含了API和淀粉等多种添加辅料，因此背景来源复杂，如果采用荧光褪色方法提取背景，难以提取到一致性良好的背景微元。本发明提取拉曼信号微元，降低了背景一致性的要求，得到了满意的背景消除结果。
1.取盐酸氟桂利嗪药片，去掉包衣，测量其拉曼光谱。用532nm激光激发，连续采集32次200ms积分时间的样品光谱，得到32次含有背景干扰的拉曼光谱，即2n＝32，n＝5，如图7。
2.计算采集的32次光谱的几何平均值MG；
3.计算采集的32次光谱的算术平均值MA；
图8为光谱的几何平均值MG和算术平均值MA。
4.计算拉曼光谱微元Rd；图9是Rd的计算结果。
5.分别从32次混合光谱中分离其中的拉曼光谱成分，结果如图10。
6.对32组分离出的拉曼光谱分量平均或累加，输出结果。图11是相当于6400ms测量积分时间下，扣除背景干扰后盐酸氟桂利嗪片的拉曼光谱。
从图11可以看出，原始混合光谱中的背景得到了很好的消除。本方法的优点在于，没有对仪器提出硬件要求和软件要求，无需增加成本就能在现有软硬件上实施，对于背景一致性欠佳的背景褪色过程，有良好的实用性和稳健性；由于改进了对背景褪色的一致性要求，相应的降低了对激光器强度稳定性的严格要求，也使得该方法可用于频闪条件下的拉曼光谱背景干扰校正。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：该方法是从多次采集的光谱算数平均值和几何平均值的差异中，提取拉曼光谱微元，然后，从每次采集的光谱中，分离拉曼光谱和背景，每次分离出的拉曼光谱通过累加得到整个测量时间内的累积光谱即为消除了背景干扰后的拉曼光谱，或者采用算术平均得到单位测量时间的平均光谱即为消除了背景干扰后的拉曼光谱。
2.根据权利要求1所述的采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、连续测量并记录系列光谱
开启激光光源照射样品，同时，连续记录激发所产生的系列光谱Si(i＝2n)，采集光谱的数量选择2n个，可根据信噪比和精度情况确定n的大小；
S2、计算2n个光谱间两两几何平均值
2n个光谱第一轮可得到2n-1个两两间几何平均值，经过n+1轮计算，最终得到1个几何平均值MG；
S3、计算算术平均值
将2n个光谱累加平均后得到算术平均值MA；
S4、从MG和MA的差异中求取拉曼光谱微元Rd
通过归一化4阶中心矩最大判据，找出k值，利用式Rd＝kMG-MA，得到不含背景干扰的拉曼光谱微元Rd；
S5、从系列光谱中分离出纯拉曼光谱R(i)
通过归一化4阶中心矩最小判据，通过累积扣除系列光谱中的每一帧光谱中所含的Rd，得到系列背景值B(i)；
然后分别从Si扣除平滑降噪后背景B(i)，得到每一帧光谱中所含的纯拉曼信号R(i)；
S6、将各帧光谱中的拉曼信号累加或平均后输出
将2^n个R(i)累加，累加值即为整个光谱采集时间内的拉曼积分信号；或者将累加值按照累计时间平均，输出单位时间下的拉曼信号平均值，即为消除了背景干扰后的拉曼光谱。
3.根据权利要求1所述的采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：所述算术平均和几何平均是两种计算平均值的方法，但两种均值结果不同，测量拉曼光谱时，测量到的光谱出现的不稳定情况主要来自于背景的变化，定义两个时刻测量的光谱分别为S1和S2，以向量形式表达：
S1＝X+R
S2＝Y+R
即，S1和S2对应了相同的拉曼光谱R和不同的背景X、Y；
S1和S2的算术平均值MA：
几何平均值MG：
考察MG和MA的模量：
即MA的模量大于MG，模量的超出部分由背景差异贡献，几何平均值比较于算术平均值，几何平均值中的拉曼光谱占比更大；根据这一原理，利用多次几何平均和算术平均计算后的差值的累积差异，可以将拉曼光谱与背景区分开来；
因为MG和MA中拉曼光谱占比不同，拉曼光谱微元Rd和MG、MA之间存在如下关系：
Rd＝kMG-MA
因为拉曼光谱的频率高于背景光，因此不受背景光干扰的拉曼光谱具有最大归一化4阶中心矩。
4.根据权利要求2所述的采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：n大于2。
5.根据权利要求2所述的采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：k处于(0.1，2)区间，步长0.001步进。
6.根据权利要求2所述的采用算术平均与几何平均差消除拉曼光谱背景的方法，其特征在于：n＝5时，k＝1.011。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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