CN116794010A - 一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统 - Google Patents
一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及拉曼光谱检测领域，特别涉及一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统。所述校准方法包括确定一台主仪器和至少一台从仪器；并利用主仪器和从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到光谱数据；对光谱数据分别进行处理以得到若干峰位置信息，峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；基于峰位置信息计算主仪器和从仪器的光谱数据中峰位置的偏差值；对偏差值进行拟合校正以得到从仪器相对于主仪器的拉曼位移校准参数。通过上述对峰位置信息的计算和处理可以对不同仪器间拉曼光谱进行标准化校正，从而有效降低因仪器性能和监测环境引起的拉曼位移无规律漂移。其操作简单易行，通用性好且无需人为调节参数。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱检测领域，特别涉及一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统。
背景技术
拉曼光谱分析技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，它能根据物质中化学键的振动反映出分子的指纹光谱，可以对物质的成分进行定性、定量分析。因此，已经广泛应用于液体安检、珠宝检测、爆炸物检测、毒品检测、药品检测等领域。
随着科技发展，各种类型的拉曼光谱仪器相继问世(如大型科研光谱仪、便携式光谱仪、手持式光谱仪等)。然而，在采用多台仪器对物质检测的需求中，由于不同的拉曼光谱仪器对同一样本测得的光谱会因仪器本身性能检测环境等影响而存在差异，进而影响后续的检测结果与应用。
现阶段消除跨仪器间对拉曼光谱横坐标影响的方法有基于偏差的多项式函数拟合、移动窗口快速傅里叶变换互相关、动态时间翘曲等。然而，若直接使用多项式拟合的方法对谱图进行校准，操作简单，但是只能获得一个整体的偏差较小的校准参数，校准后依然存在着无规律波动的情况。若采用移动窗口快速傅里叶变换互相关的方法，可以获得谱图的修正，但是这一方法需要用户设置窗口大小，需要人为操作，并且如果窗口选择不合适可能会造成拉曼峰形变，这对于其他谱图的标准化是不利的。若采用动态时间翘曲方法对图谱进行拉伸和移动的方法，存在只能朝一个方向变动及受标准品峰信息影响的问题，可能导致校正后的光谱数据点分布不均匀。
发明内容
为解决上述现有技术中跨仪器拉曼位移校准存在的至少一个不足，本发明提供一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，至少包括以下步骤：
确定一台主仪器和至少一台从仪器；并利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据；
对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；
基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据中所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
在一实施例中，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理的方法包括高斯拟合法、洛伦兹拟合法、最大值法中的至少一种数据处理方法以用于确定拉曼峰位置信息。
在一实施例中，计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据的特征峰位置的偏差值的公式为：
其中，表示所述主仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值；/>表示所述从仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值。
在一实施例中，对若干所述偏差值进行校正包括步骤：
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值之间的数值区域中，通过对所有相邻的所述偏差值进行等差数列拟合、多项式拟合或分段拟合的一种或多种方式校正以得到光谱图中第一个所述特征峰与最后一个所述特征峰之间所有的拉曼位移校准参数；
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值以外的数值区域中，将第一个所述偏差值作为光谱图中第一个所述特征峰以前的拉曼位移校准参数，将最后一个所述偏差值作为光谱图中最后一个特征峰以后的拉曼位移校准参数。
在一实施例中，还包括步骤：将所述拉曼位移校准参数绘制成连续的校准曲线；采用同一所述从仪器对待测样品进行检测以得到样品光谱，再将所述校准曲线迁移至所述样品光谱中以得到所述从仪器相对于所述主仪器的横坐标校准结果。
在一实施例中，所述标准样本与所述待测样品具有相同范围的所述特征峰的分布区域。
本发明还提供一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准系统，包括：
光谱检测模块，根据确定的一台主仪器和至少一台从仪器，用于利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据；
光谱分析模块，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；
峰位置校准模块，基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据的所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法通过对峰位置信息的计算和处理可以对不同仪器间拉曼光谱进行标准化校准，从而有效降低因仪器性能和监测环境引起的拉曼位移无规律漂移。其操作简单易行，通用性好且无需人为调节参数。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1为本发明一实施例提供的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法的流程图；
图2为偏差值进行等差数列拟合校正的示意图；
图3为本发明另一实施例提供的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法的流程图；
图4为两台仪器所测拉曼特征峰位置的偏差值折线图；
图5为主仪器、从仪器校正前、从仪器校正后的谱图曲线示意图；
图6为图5中对应的特征峰校正前后的偏差值折线图；
图7为本发明一实施例提供的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准系统的结构框图。
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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
请参阅图1，根据仪器检测拉曼峰位置的差异以及色散型拉曼光谱仪的光谱分光后，波长在空间上是连续的原理，本发明实施例提供一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，包括以下步骤：
S10，确定一台主仪器和至少一台从仪器；并利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据。
具体而言，可以根据待测样品的实际需求选择合适的主仪器和从仪器。示例性地，可以在不同拉曼光谱仪器中选择精度较高且性能较优的仪器作为主仪器，其他仪器作为从仪器。优选地，所述标准样本应与待测样品具有相同范围的特征峰的分布区域。即，所述标准样本可以根据待测样品的性质选择在待测样品所需校准的拉曼光谱区间内有丰富的拉曼特征峰且拉曼散射信号较强的物质。其中，标准样本可以是单种物质，例如对乙酰氨基酚，也可以是多种物质组成的混合物，例如四氯化碳、乙腈和苯乙炔的混合物，在此不做限定。
进一步地，为保证同一批获得的光谱数据中仪器之间的影响相对稳定，本实施例可以通过主仪器和从仪器对标准样本在相同检测条件下进行多次检测来获得光谱数据，从而有效提高后续获得的拉曼位移校准参数的准确度。
S20，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值。
具体而言，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理的方法包括高斯拟合法、洛伦兹拟合法、最大值法等数据处理方法以用于确定拉曼峰位置信息。
以高斯拟合法为例，可以通过高斯函数及非线性最小二乘优化的LM算法对采集的光谱数据进行拟合和优化求解，从而从光谱数据中获得若干个特征峰以及每个特征峰的峰高、峰宽和峰位等信息。
应当说明的是，根据本发明构思，本领域技术人员还可以其他能够获取光谱数据中各特征峰在光谱图上的横坐标值的寻峰算法或数据处理方法来对光谱数据进行分析和处理，本实施例并不以上述方法为限。
S30，基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据中所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
具体来说，计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据的特征峰位置的偏差值的公式为：
其中，表示所述主仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值；/>表示所述从仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值。
通过上述对每组特征峰位置信息的差值计算可以得到因仪器本身及各种检测环境影响造成的主仪器和从仪器之间的偏差值，进而再对该偏差值进行拟合校正。
其中，对若干所述偏差值进行校正包括步骤：
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值之间的数值区域中，通过对所有相邻的所述偏差值进行等差数列拟合、多项式拟合或分段拟合的一种或多种方式校正以得到光谱图中第一个所述特征峰与最后一个所述特征峰之间所有的拉曼位移校准参数；
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值以外的数值区域中，将第一个所述偏差值作为光谱图中第一个所述特征峰以前的拉曼位移校准参数，将最后一个所述偏差值作为光谱图中最后一个特征峰以后的拉曼位移校准参数。
例如，请参阅图2，在偏移值Δpi和相邻的偏移值Δpi+1之间可以将横坐标分为n个片段，再采用等差数列的方式，以Δpi为首项，(Δpi+1-Δpi)/n为公差构造出包含Δpi和Δpi+1在内的n+1个拉曼位移校准参数。其他相邻的偏移值均可按照上述方式进行拟合校正。
应当理解的是，以上述等差数列为示例，其他的多项式拟合或分段拟合也可进行相应的拟合校正得到由偏移值向相邻偏移值逐渐变化的拟合参数。具体的算法可根据实际需求进行选择，在此不做限定。还应当说明的是，本发明实施例不以上述拟合方式为限，其他用于使得偏差值向相邻偏移值逐渐变化的拟合方式均落入本发明的保护范围。
此外，在位于第一个偏差值与最后一个偏差值以外的区域可跟随第一个偏差值和最后一个偏差值进行校正。即，在光谱图中两边最外侧无峰区域的拉曼位移校准参数根据其最外侧特征峰的偏差值确定即可。
在其他实施例中，请参阅图3，所述用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准还包括步骤：S40，将所述拉曼位移校准参数绘制成连续的校准曲线；采用同一所述从仪器对待测样品进行检测以得到样品光谱，再将所述校准曲线迁移至所述样品光谱中以得到所述从仪器相对于所述主仪器的横坐标校准结果。
即，通过所述拉曼位移校准参数及校准曲线的获得可以迁移到所有同一检测条件下从仪器获得的光谱图上以实现对从仪器的拉曼光谱横坐标校准，达到减小不同拉曼仪器对同一样本所测拉曼光谱差别的目的。
为详细说明上述方法，本具体实例以四氯化碳、乙腈和苯乙炔的混合物的制成的标准样本为例，分别在主仪器上(法国Horiba公司生产的型号为：LabRAM HR Evolution的拉曼光谱仪)和从仪器上(英国Renishaw公司生产的型号为：inVia的共聚焦拉曼光谱仪)进行拉曼光谱检测，并计算出两台仪器所测拉曼特征峰位置的偏差值如图4所示，再利用分段线性拟合方法得出谱图区间内横坐标各点的拉曼位移校准参数。接着，再采用上述主仪器和从仪器分别对待测样品对乙酰氨基酚进行拉曼光谱检测，并将上述得到的拉曼位移校准参数应用到从仪器所测的乙酰氨基酚拉曼谱图上，从而获得如图5所示的校正前后的谱图，如图6所示对应的特征峰校正前后的偏差值折线图。由图5、图6可知，将得到的拉曼位移校准参数应用到对乙酰氨基酚的光谱时，其峰位置及偏差都得到了有效的降低。
由上述实施例可见，利用本发明的跨仪器拉曼位移校准方法可对不同仪器及检测条件下获得的拉曼光谱横坐标进行有效的标准化，其方法简单易行，为提高不同仪器及检测条件下获得的谱图之间的对比性、谱图标准化提供了有效、可行的解决思路。
需要说明的是，上述实施例虽然仅以一台主仪器和一台从仪器为例进行校准方法的说明，但在具体使用时，本发明提供的校准方法还可以扩展为一台主仪器和多台从仪器之间的校准使用。
请参阅图7，本发明还提供一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准系统，至少包括：
光谱检测模块，根据确定的一台主仪器和至少一台从仪器，用于利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据；
光谱分析模块，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；
峰位置校准模块，基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据中所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
其中，各模块之间的具体实现方式、功能及作用可参照前述实施例，在此不再赘述。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统具有如下突出的优点和技术效果：
一、有效降低因仪器性能和监测环境引起的拉曼位移无规律漂移，减小不同拉曼仪器对同一样本所测拉曼谱图差别的目的；
二、无需再对后续从仪器检测待测样品获得的拉曼峰进行任何的峰识别操作，直接采用本实施例提供的拉曼校准参数对该从仪器的所有谱图的拉曼位移轴进行校准即可；避免因为峰识别操作带来复杂的工作量以及避免增加两仪器间的误差量；
三、无需人为调节参数，操作简单易行，还可成为拉曼数据库谱图标准化的手段；
四、直接以从仪器原理出发来考虑拉曼峰位置差异，利用计算获得的拉曼位移校准参数来体现主仪器和从仪器在拉曼位移上存在的固有差异，校正的准确度高，且可应用于后续所有该从仪器上检测的光谱图的校正；
五、只需要对作为标准样品的拉曼谱图进行峰位置分析，迁移过程中谱图的强度轴对结果没有影响。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
尽管本文中较多的使用了诸如主仪器、从仪器、光谱数据、特征峰、偏差值、拉曼位移校准参数、标准样本、光谱检测模块、光谱分析模块、峰位置校准模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (7)
1.一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定一台主仪器和至少一台从仪器；并利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据；
对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；
基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据中所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
2.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于：对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理的方法包括高斯拟合法、洛伦兹拟合法、最大值法中的至少一种数据处理方法以用于确定拉曼峰位置信息。
3.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于：计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据的特征峰位置的偏差值的公式为：
其中，表示所述主仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值；/>表示所述从仪器的光谱图中第i个特征峰的横坐标值。
4.根据权利要求3所述的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于，对若干所述偏差值进行校正包括步骤：
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值之间的数值区域中，通过对所有相邻的所述偏差值进行等差数列拟合、多项式拟合、分段拟合的一种或多种方式校正以得到光谱图中第一个所述特征峰与最后一个所述特征峰之间所有的拉曼位移校准参数；
在位于第一个所述偏差值与最后一个所述偏差值以外的数值区域中，将第一个所述偏差值作为光谱图中第一个所述特征峰以前的拉曼位移校准参数，将最后一个所述偏差值作为光谱图中最后一个特征峰以后的拉曼位移校准参数。
5.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于，还包括步骤：将所述拉曼位移校准参数绘制成连续的校准曲线；采用同一所述从仪器对待测样品进行检测以得到样品光谱，再将所述校准曲线迁移至所述样品光谱中以得到所述从仪器相对于所述主仪器的横坐标校准结果。
6.根据权利要求5所述的用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法，其特征在于：所述标准样本与所述待测样品具有相同范围的所述特征峰的分布区域。
7.一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准系统，其特征在于，包括：
光谱检测模块，根据确定的一台主仪器和至少一台从仪器，用于利用所述主仪器和所述从仪器分别对标准样本进行拉曼光谱检测，以得到所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据；
光谱分析模块，对所述主仪器的光谱数据和所述从仪器的光谱数据分别进行分析处理以得到若干对应于所述主仪器光谱数据的第一峰位置信息和对应于所述从仪器光谱数据的第二峰位置信息；所述第一峰位置信息和所述第二峰位置信息包括各特征峰在光谱图上的横坐标值；
峰位置校准模块，基于所述第一特征峰位置信息与所述第二特征峰位置信息计算所述主仪器的光谱数据和从仪器的光谱数据中所述特征峰位置的偏差值；对若干所述偏差值进行校正以得到所述从仪器相对于所述主仪器的拉曼位移校准参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310593465.1A CN116794010A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310593465.1A CN116794010A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种用于拉曼光谱仪器的跨仪器拉曼位移校准方法及系统 |
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| CN (1) | CN116794010A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117007577A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所) | 一种污染物毒性智能检测系统 |
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2023
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| CN117007577A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所) | 一种污染物毒性智能检测系统 |
| CN117007577B (zh) * | 2023-10-07 | 2023-12-08 | 生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所) | 一种污染物毒性智能检测系统 |
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