CN1645109A - 一种获取最优可变角同步荧光光谱的方法 - Google Patents

一种获取最优可变角同步荧光光谱的方法 Download PDF

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Abstract

一种获取最优可变角同步荧光光谱的方法，首先利用实验上已获得的三维荧光光谱数据绘制出三维荧光光谱的等高线投影图，然后在等高线光谱投影图中选择扫描路径，通过二维三次卷积插值方法，对所选路径中各数据点进行插值得到它们对应的荧光强度值，进而绘制出所选路径对应的一条可变角同步荧光光谱图，最后通过反复选择扫描路径并相应的绘制出多条可变角同步荧光光谱图，再对它们加以比较，即可得到最优的可变角同步荧光光谱图及其最优扫描路径。依此编写程序即可得到需要的最优光谱和最优扫描路径，为实验上最有效地通过荧光光谱对同类物质进行定性和定量分析提供了方便和可靠依据，也为可变角同步荧光光谱仪的设计提供了参考标准。

Description

一种获取最优可变角同步荧光光谱的方法
技术领域
一种利用三维荧光光谱数据获取最优可变角同步荧光光谱的方法，同时也确定了最优的扫描路径。
背景技术
荧光分析法是一项广泛应用于工业、农业、医药、卫生、司法鉴定和科学研究等各个领域的分析技术。传统的荧光分析法指的是利用物质特征荧光的二维发射(或激发)光谱对物质进行定性或定量分析的方法。与二维发射(或激发)光谱相比，荧光强度随激发波长和发射波长变化的三维荧光谱提供的信息量更多。因而利用三维荧光谱的分析法作为研究原油地球化学特性的一种有效测试方法，越来越受到人们的重视。但通常获取三维荧光数据的方法，是在不同激发波长位置上连续扫描发射波长得到的一系列发射光谱，一个三维荧光谱的获得通常需要采集几十个二维发射光谱，实验上很费时。最新发展起来的非线性可变角同步荧光光谱(Variable-angle synchronous fluorescence spectrum)是一种新的高选择性的荧光分析法，它可将三维图谱要表达的各种特征以特殊的二维图谱模式表现出来而备受关注。理论上说，可变角同步荧光光谱(VASFS)通过一次最优扫描就可获得设计者期望从一个三维荧光谱得到的信息。该项技术要求发射光波长和激发光波长按设计的一定扫描路径同步扫描，其关键在于找到最优的扫描路径。其中，最优扫描路径的选取应当根据分析的要求，同时考虑尽量少的光谱重叠，最接近于各组分的最大荧光强度值，以及尽可能地避开散射的干扰。
鉴于此，目前在利用可变角同步荧光法分析多组分物质时，通常针对特定物质根据特定分析的需要设计出沿特定扫描路径扫描的可变角同步荧光光谱仪，而这种扫描路径即是满足分析要求的最优扫描路径，而这种扫描路径目前多采用较为盲目的试凑法试验来获取，不但费时，而且受仪器性能和试验人员的主观经验等因素的制约，这样就很大程度上限制了最优扫描路径的选取而大大影响了可变角同步荧光光谱的质量，同时这种试验方法实现起来也很费时。如果在荧光光谱仪上同时测量多种不同类的物质，则需要对每一类物质确定其相对应的最优扫描路径，这样就更加复杂而费时，在某种程度上限制了荧光光谱仪的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种方便、快捷地获取最优可变角同步荧光光谱的方法，同时也确定了最优的扫描路径，以便通过获取的荧光光谱对物质进行充分有效的定性和定量分析，并大大节省必须通过做大量的实验获取该光谱图及其最优扫描路径所需要的耗费。
本发明的另一目的是为可变角荧光光谱仪的设计，即对需要测量的特定物质可以提供最优扫描路径，使其方便快速的测定相应物质的最优可变角同步荧光光谱。
本发明的方法或步骤：首先读取实验上已获得的三维荧光光谱数据，并绘制出三维荧光光谱的等高线投影图，然后在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径并读取此扫描路径，通过插值方法，对所选折线扫描路径中各数据点进行插值得到这些点对应的荧光强度值，进而绘制出所选折线扫描路径对应的一条可变角同步荧光光谱图，再通过反复选择折线扫描路径并相应的绘制出多条可变角同步荧光光谱图，根据分析的要求，并考虑尽量少的光谱重叠，以接近于各组分的最大荧光强度值来比较所得到的各荧光光谱图，即可得到最优的可变角同步荧光光谱图(VASFS)，并把这条荧光光谱相对应的扫描路径确定为该物质的满足分析需要的最优扫描路径。通常仅需反复选择3-5条即可获取可变角同步荧光光谱图。
上述的插值方法可以采取多种，如双线性插值或双立方Hermite插值，本发明考虑到插值后的荧光强度曲面在网点处的弯曲需要与实际相一致，以便获得最优化的图谱而选取了二维三次卷积插值方法对三维荧光光谱数据进行局部插值得到插值函数，以此来获取所选扫描路径中各数据点的荧光强度值。本发明的插值方法得到的插值函数是三维荧光光谱曲面的三次逼近，具有连续的三阶导数，可以很好的满足可变角同步荧光光谱获取的需要。
在程序编制中，还可以考虑到在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径时，以便对三维荧光光谱有一个整体的直观的印象。本发明在读取三维荧光光谱数据之后，可以在绘制三维荧光光谱等高线投影图的同时绘制出三维荧光光谱图和三维等高线光谱图。即在读取三维荧光光谱数据之后，在绘制三维荧光光谱等高线投影图的同时在界面上绘制出三维荧光光谱图和三维等高线光谱图。
按照上述步骤即可编制出获取最优可变角同步荧光光谱和最优扫描路径的程序，并依此实现多种荧光光谱图的显示和各种操作以对光谱进行直观分析，该最优扫描路径也就为荧光光谱仪设计测定该物质提供了最优扫描路径，同时也为测量特定物质的可变角同步荧光光谱图的设计提供了参考标准，以实现方便测定相应物质的最优可变角同步荧光光谱。
附图说明
图1为本发明的程序流程图。
图2为利用三维荧光光谱数据绘制的三维荧光光谱的等高线光谱投影图(其中选择了三条折线扫描路径)。图中星点表示折线扫描路径的控制点，连接星点的虚线表示折线扫描路径。其中较粗的一条为最优扫描路径，而另外两条为非最优扫描路径。
图3为与图2中三条折线扫描路径对应的可变角同步荧光光谱图。图中圆圈对应图2折线扫描路径中的星点。其中较粗的一条为最优可变角同步荧光光谱，而另外两条为非最优可变角同步荧光光谱。图中有一组坐标(371.7566，380.035)为箭头所指点的坐标，其中横坐标表示此点的发射光波长，纵坐标表示所选扫描路径中在此发射光波长下的对应点处的荧光强度值。
图4a为含有一条扫描路径的等高线光谱投影图。
图4b为实验和本发明获得的图4a中扫描路径下的相吻合的可变角同步荧光光谱图。
图5为本发明绘制的两条扫描路径下的可变角同步荧光光谱图的程序主界面。界面中同时显示出了三维荧光光谱图(左上)、三维等高线光谱图(右上)、三维荧光光谱的等高线投影图(左下)及等高线光谱投影图中两条扫描路径下的可变角同步荧光光谱图(右下)。
具体实施方式
本发明首先读取实验上已获得的三维荧光光谱数据，并绘制出三维荧光光谱的等高线投影图，然后在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径并读取此扫描路径，通过插值方法，对所选折线扫描路径中各数据点进行插值得到这些点对应的荧光强度值，进而绘制出所选折线扫描路径对应的一条可变角同步荧光光谱图，再通过反复选择折线扫描路径并相应的绘制出多条可变角同步荧光光谱图，比较所得到的各荧光光谱图，即可得到最优的可变角同步荧光光谱图，并把这条荧光光谱相对应的扫描路径确定为该物质的满足分析需要的最优扫描路径。
本发明选取了二维三次卷积插值方法对三维荧光光谱数据进行局部插值得到插值函数，以此来获取所选扫描路径中各数据点的荧光强度值。
考虑到在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径时，便于对三维荧光光谱有一个整体的直观的印象。本发明在读取三维荧光光谱数据之后，可以在绘制三维荧光光谱等高线投影图的同时绘制出三维荧光光谱图和三维等高线光谱图。即在读取三维荧光光谱数据之后，在绘制三维荧光光谱等高线投影图的同时在界面上绘制出三维荧光光谱图和三维等高线光谱图。具体步骤如下：
①读取并存储实验上已获得的三维荧光光谱数据(三维荧光光谱数据是以网格的形式给出网格点上的荧光强度信息)，并利用三维荧光光谱数据同时绘制出三维荧光光谱图、三维等高线光谱图及等高线光谱投影图(图2)。其中三维荧光光谱和等高线光谱图直观的显示出了荧光数据的整体信息，而等高线光谱投影图则用来选择各折线扫描路径。
②在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径(如图2中虚线所示)，折线扫描路径由控制点进行控制，通过选取扫描路径中的各控制点来完成对扫描路径的选取，这些扫描路径由图中的星点和连接星点的虚线组成。
③读取②中所选扫描路径，即在选择扫描路径的同时读取扫描路径中的各星点坐标，并依次连接各星点形成折线扫描路径。
在②、③中编写程序实现在等高线光谱投影图中以星点作为扫描路径控制点选择扫描路径时，可以在等高线光谱投影图中利用鼠标左键点击所选扫描路径的控制点，存储这些控制点，并将这些控制点以星点的形式显示在等高线光谱投影图中，同时用虚线依次连接各控制点(星点)来表示所选扫描路径。
④绘制③中读取的折线扫描路径对应的可变角同步荧光光谱图，即利用二维三次卷积插值方法对③中读取的折线扫描路径中的各数据点进行插值，获得此折线扫描路径上各数据点处的荧光强度值，即可利用二维作图函数绘制出此折线扫描路径相对应的可变角同步荧光光谱图。
上述插值如果是利用通用的数学处理软件Matlab来完成时，这种二维三次卷积插值方法称为三次Cubic插值，其中由I＝interp2(X，Y，Z，xxi，yyi，’cubic’)；命令得到插值结果，该命令中，X，Y，Z为原始三维荧光光谱网格数据，xxi、yyi为所需插值点的横、纵坐标值，’cubic’表示插值类型，插值结果I即为插值点(xxi，yyi)处的荧光强度值。
⑤按上述步骤②、③、④再选择一条折线扫描路径并读取此路径，同时得到此扫描路径对应的可变角同步荧光光谱图。
⑥比较④、⑤中得到的两条可变角同步荧光光谱图，并从中选择能更好的反映荧光光谱信息的一条，看是否满足分析的需要，即是否是最优的可变角同步荧光光谱图。如果④、⑤中得到的两条可变角同步荧光光谱图均不能满足需要，可重复进行步骤⑤，继续选择下一条折线扫描路径并得到此扫描路径对应的可变角同步荧光光谱图，看是否满足需要，直到得到最优的可变角同步荧光光谱图为止，这条荧光光谱对应的扫描路径即为最优扫描路径，详细的程序流程如图1所示。
图2中为已选择的三条不同折线扫描路径，图3为图2中各扫描路径下的可变角同步荧光光谱图。对图3中的可变角同步荧光光谱图比较可以看出，较粗的一条为最优可变角同步荧光光谱，与它对应的图2中较粗的折线扫描路径即为最优扫描路径。
在图4b中，以有代表性复杂的多组份石油样品为例，分别运用实验和本发明两种方法得到的图4a所示扫描路径下的可变角同步荧光光谱图。从图中可以看出，在误差范围内两种方法得到的可变角同步荧光光谱图基本一致，经过多组实验数据的测试，都得出了相同的结果，进一步验证了利用三维荧光光谱数据，由本发明的方法获得的可变角同步荧光光谱的可靠性。
图5是借助通用的数学处理软件Matlab按本发明进行编程得到的程序主界面及其上的四幅光谱图。分析人员利用此程序即可在同一界面中同时显示出三维荧光光谱图、三维等高线光谱图和三维荧光光谱的等高线投影图。这样就可以直观的在等高线投影图按照分析的要求选择最优折线扫描路径，并得到最优的可变角同步荧光光谱图。另外，还可以运用其他编程语言(如Vc)来实现本发明中各步骤。
由本发明编写的程序即可得到需要的最优可变角同步荧光光谱，并同时确定出最优扫描路径，为实验上最有效地通过荧光光谱对同类物质进行定性和定量分析提供了方便和可靠依据，也大大节省了以往必须通过做大量的实验获取该光谱图及其最优扫描路径所需要的耗费，显然对特定物质的可变角同步荧光光谱仪的设计提供了依据。

Claims (3)

1 一种获取最优可变角同步荧光光谱的方法，其特征在于它是利用实验上已获得的三维荧光光谱数据绘制出三维荧光光谱的等高线投影图，然后在等高线光谱投影图中选择折线扫描路径并读取此扫描路径，通过插值方法，对所选折线扫描路径中各数据点进行插值得到这些点对应的荧光强度值，进而绘制出所选折线扫描路径对应的一条可变角同步荧光光谱图，再通过反复选择折线扫描路径并相应的绘制出多条可变角同步荧光光谱图，比较所得到的各荧光光谱图，即可得到最优的可变角同步荧光光谱图，并把这条荧光光谱相对应的扫描路径确定为该物质的满足分析需要的最优扫描路径。
2 如权利要求1所述的获取最优可变角同步荧光光谱的方法，其特征在于上述插值方法是运用二维三次卷积插值算法对三维荧光光谱数据进行局部插值得到插值函数，并以此来获取所选扫描路径中各数据点的荧光强度值。
3 如权利要求1所述的获取最优可变角同步荧光光谱的方法，其特征是上述在读取三维荧光光谱数据之后，在绘制三维荧光光谱等高线投影图的同时在界面上绘制出三维荧光光谱图和三维等高线光谱图。
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