专利摘要

一种利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，涉及一种消除拉曼光谱中基线干扰的方法，该方法是通过测量样品的光谱信号S，计算系列光谱信号的差值ΔS及其平均值ΔS’，并对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。本发明能保证数据处理的真实性和合理性，所用的设备简单、造价低，方法简单，易于普及。

权利要求

1.一种利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，其特征在于：该方法是利用不同激发时刻的光谱差异，找出荧光的度量值，从原始的混合了荧光和拉曼光的光谱中，扣除该度量值，得到纯净的拉曼光谱信号；该方法的主要内容包括：通过测量样品的光谱信号S，计算系列光谱信号的差值ΔS及其平均值ΔS’，并对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号；所述的判断扣减是否达到要求是通过选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1周围50-100个数据点的平坦性来判断扣减是否达到要求。

2.根据权利要求1所述的利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

①测量样品信号：

采用拉曼激光探头，固定焦点、焦距，设定积分时间，连续采取并记录5-10组样品的光谱信号S；

②计算系列光谱信号的差值：

按照采集时间的先后，将前一个光谱信号减去后一个光谱信号，得到系列光谱信号的差值ΔS；

③求取ΔS’：

计算每个差值ΔS间的相关系数，将相关系数大于0.98的差值ΔS选出来并进行平均；得到差值平均值ΔS’；

④对差值平均值ΔS’降噪：

对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；

⑤从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs：

从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处作为扣减完全标志，选取该两处的任一处周围50-100个数据点范围内的平坦性判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。

3.根据权利要求2所述的利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，其特征在于：所述的步骤④对差值平均值ΔS’降噪中，采用滤波器进行降噪，选择2阶滤波，窗口宽度为整体信号长度的1/10。

4.根据权利要求2所述的利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，其特征在于：所述的步骤⑤中，所述的平坦性判断的方法是以拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处周围50-100个数据点范围内的数据点起伏最大值和数据点起伏最小值的差，作为基线平坦判断依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除拉曼光谱中基线干扰的方法，特别是一种利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法。

背景技术

激光拉曼光谱，目前已成为物质快速定性的重要方法。拉曼光谱由单波长激光激发产生，但是同时激发的荧光，对拉曼光谱的可辨识性带来很大干扰，是影响拉曼信号质量最主要的因素。尤其是近年来得到普遍应用的微型分光拉曼光谱仪，由于结构简单、便携、无需复杂维护，在现场测量中得到广泛应用；但由于是直接分光采集光谱，受到荧光干扰后，难以通过硬件加以消除；虽然更长的激发波长，可以降低荧光产生几率，但目前受到造价和元器件性能的约束；同时，更长波长激发效率低，烧毁样品的可能性也提高了。

目前，便携式拉曼光谱仪消除荧光的主要手段是通过基线拟合进行扣减；虽然在直观上将被荧光抬高的光谱基线扣减至初始位置，但是这种扣减无法在机理上或实质上做出解释，难以保证数据处理的真实性和合理性。而其他符合机理的荧光扣减，对于设备硬件都提出了要求，例如，双波长激发，利用拉曼光的迁移性和荧光的相对稳定，消除荧光，但都存在增加设备造价和复杂性的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能保证数据处理的真实性和合理性、且设备简单、造价低的利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法。

解决上述技术问题的技术方案是：一种利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，该方法是利用不同激发时刻的光谱差异，找出荧光的度量值，从原始的混合了荧光和拉曼光的光谱中，扣除该度量值，得到纯净的拉曼光谱信号。

本发明的进一步技术方案是：该方法的主要内容包括：通过测量样品的光谱信号S，计算系列光谱信号的差值ΔS及其平均值ΔS’，并对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。

本发明的再进一步技术方案是：所述的判断扣减是否达到要求是通过选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1周围50-100个数据点的平坦性来判断扣减是否达到要求。

本发明的再进一步技术方案是：该方法包括如下步骤：

①测量样品信号：

采用拉曼激光探头，固定焦点、焦距，设定积分时间，连续采取并记录5-10组样品的光谱信号S；

②计算系列光谱信号的差值：

按照采集时间的先后，将前一个光谱信号减去后一个光谱信号，得到系列光谱信号的差值ΔS；

③求取ΔS’：

计算每个差值ΔS间的相关系数，将相关系数大于0.98的差值ΔS选出来并进行平均；得到差值平均值ΔS’；

④对差值平均值ΔS’降噪：

对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；

⑤从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs：

从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处作为扣减完全标志，选取该两处的任一处周围50-100个数据点范围内的平坦性判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。

本发明的再进一步技术方案是：所述的步骤④对差值平均值ΔS’降噪中，采用滤波器进行降噪，选择2阶滤波，窗口宽度为整体信号长度的1/10。

本发明的再进一步技术方案是：所述的步骤⑤中，所述的平坦性判断的方法是以拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处周围50-100个数据点范围内的数据点起伏最大值和数据点起伏最小值的差，作为基线平坦判断依据。

荧光褪色（即漂白），指在光的照射下荧光物质所激发出来的荧光强度随着时间推移逐步减弱乃至消失的现象。而强光激发的拉曼信号，通常并不会随光照时间增加出现明显变化。荧光褪色效应，与光照时间相关，时间越长，荧光强度降低越多，但逐渐趋于稳定，多数情况下，不会完全消失。以往作为消除荧光的一种辅助手段，其缺点是需要长达小时级的光褪色时间，除此之外，样品暴露时间过长，会受到环境、光照的影响发生改变，最终反映到测量结果当中。

本发明的原理为：

光谱仪直接测量的光谱信号S可定义为拉曼信号R和荧光信号F，

S = R + F，

实验证实，随光照时间延长，荧光子逐渐减少，即，各点的荧光强度随时间以初始荧光强度F0等比下降，

F = A(t) *F0，其中A(t)为随时间变化的值。

某时刻i与后续时刻i+n测量的光谱信号差值ΔS，在相同激光强度下，拉曼光强不变，所以：

ΔS = S(i) - S(i+n) = [A(i) – A(i+n)]*F0 ，(n=1、2、3…)。

ΔS与F0成比例关系，也就是说，从光谱信号S中逐步扣减差值ΔS，根据判定原则，就可以消除荧光的影响，得到拉曼信号R。

由于采用上述结构，本发明之利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 能保证数据处理的真实性和合理性：

本发明利用了荧光和拉曼光在强激发光下的不同响应特性，即：在强激发光照射下，荧光强度会随时间下降，而拉曼光强度保持相对稳定。本发明提出，利用不同激发时刻的光谱差异，找出荧光的度量值，从原始的混合了荧光和拉曼光的光谱中，扣除该度量值，得到纯净的拉曼光谱信号。因此，本发明采用强光持续照射导致荧光发射强度下降的褪色效应，结合化学计量学计算，从受到荧光干扰的激发光谱中消除荧光，从而获得更真实的拉曼光谱信号。与既有方法相比，本发明从原理上解决拉曼光谱中荧光干扰消除这一关键问题，提供了一套更合理可靠、更准确高效的解决方法，能保证数据处理的真实性和合理性。

2.所用的设备简单、造价低：

由于本发明提出了采用强光持续照射导致荧光发射强度下降的褪色效应，结合化学计量学计算，从受到荧光干扰的激发光谱中消除荧光，从而获得更真实的拉曼光谱信号。本发明无需提高设备的复杂程度，节约仪器造价，未增加测试和仪器成本，符合便携式拉曼光谱仪高效、便捷的仪器特性。

3.方法简单，易于普及。

下面，结合附图和实施例对本发明之利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：步骤①中测量的样品光谱信号S的示意图，

图2：步骤②中系列光谱信号的差值ΔS的示意图，

图3：步骤③中求取差值平均值ΔS’的示意图，

图4：步骤④中降噪后的差值平均值ΔS’的示意图，

图5：步骤⑤中从样品光谱信号中扣减荧光的度量值Fs后的示意图。

具体实施方式

一种利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法，该方法是利用了荧光和拉曼光在强激发光下的不同响应特性，即：在强激发光照射下，荧光强度会随时间下降，而拉曼光强度保持相对稳定。本发明提出，利用不同激发时刻的光谱差异，找出荧光的度量值，从原始的混合了荧光和拉曼光的光谱中，扣除该度量值，得到纯净的拉曼光谱信号。该方法的主要内容包括：通过测量样品的光谱信号S，计算系列光谱信号的差值ΔS及其平均值，并对差值平均值ΔS’作降噪处理，经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1周围50-100个数据点的平坦性判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。该方法包括如下步骤：

①测量样品信号：

采用拉曼激光探头，固定焦点、焦距，设定积分时间，连续采取并记录5-10组样品的光谱信号S；

②计算系列光谱信号的差值：

按照采集时间的先后，将前一个光谱信号减去后一个光谱信号，得到系列的差值ΔS；③求取差值平均值ΔS’：

计算每个差值ΔS间的相关系数，将相关系数大于0.98的差值ΔS选出来并进行平均；得到差值平均值ΔS’；

④对差值平均值ΔS’降噪：

对差值平均值ΔS’作降噪处理，采用滤波器进行降噪，选择2阶滤波，窗口宽度为整体信号长度的1/10；经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；

⑤从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs：

从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处作为扣减完全标志，选取该两处的任一处周围50-100个数据点范围内的平坦性判断扣减是否达到要求。随着扣减步长增加，该范围内的数据点起伏逐渐下降，如果荧光被过量扣除，起伏又将逐渐增加；因此，以该范围内的数据点起伏最大值和数据点起伏最小值的差，作为基线平坦判断依据。如果已达到要求，则消除了拉曼光谱中基线干扰，得到纯净的拉曼光谱信号。

以下是本发明的具体实施案例：

实施例一：

一种利用荧光褪色效应消除蔗糖拉曼光谱中基线干扰的方法，包括以下步骤：

①测量样品信号：

采用拉曼激光探头，采用785nm激光作为激发，测量蔗糖晶体的拉曼光谱，设定积分时间为10s，连续测量10次，并记录所得到的光谱信号S。从图1中可以看出，光谱信号中存在荧光褪色现象，信号强度呈现依次下降；

②计算系列光谱信号的差值：

按照采集时间的先后，将前一个光谱信号减去后一个光谱信号，得到系列的差值ΔS，图2中只列出了其中几个；

③求取差值平均值ΔS’：

计算每个差值ΔS间的相关系数，从差值ΔS系列中将不一致（相关系数<0.98）的挑选掉，将相关系数大于或等于0.98的差值ΔS选出来并进行平均，以消除一部分噪声；得到差值平均值ΔS’，作为新的差值。

④差值平均值ΔS’降噪：

对差值平均值ΔS’作降噪处理，采用Savitzky-Golay滤波器进行降噪，选择2阶滤波，窗口宽度为整体信号长度的1/10；经过降噪后的差值平均值ΔS’作为样品光谱信号所包含荧光的度量值Fs；

⑤从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs：

从样品光谱信号中逐步扣减荧光的度量值Fs，选择拉曼迁移2000cm-1处作为扣减完全标志，选取该两处的任一处周围100个数据点范围内的平坦性判断扣减是否达到要求，如果是，则消除了拉曼光谱中基线干扰；如果否，则重复步骤⑤。其中基线平坦判断依据是该范围内的数据点起伏最大值和数据点起伏最小值的差。

图5中R0为原始测量的光谱图，R1为去荧光后的光谱图，从该图5中可看出，原始信号中所含的荧光已经得到了很好的消除，而拉曼位移和峰强度特征表达更为清晰、合理。本发明在在不增加设备造价和测量附件的情况下，可以快速得到符合实际机理的拉曼真实信号，并消除了荧光所造成的干扰。

作为本实施例一的一种变换，所述的步骤⑤中也可以是选择拉曼迁移2000cm-1或2500cm-1处作为扣减完全标志，选取该两处的任一处周围50-100个数据点范围内的平坦性判断扣减是否达到要求。

利用荧光褪色效应消除拉曼光谱中基线干扰的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。