胡志裕，王　強

(太原師范學院 物理系，山西 太原 030031)

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基于LabVIEW的拉曼光譜自動定性分析系統(tǒng)

胡志裕，王強

(太原師范學院 物理系，山西 太原 030031)

提出一種拉曼光譜自動定性分析算法，基于二階導數(shù)和閾值判定對拉曼光譜譜線自動尋峰，無須進行背景扣除，即可實現(xiàn)從熒光背景中提取有用的光譜信號.在此基礎上進一步對比拉曼光譜數(shù)據(jù)庫確定待測物成分，實現(xiàn)對樣品的拉曼光譜譜線定性分析.基于LabVIEW虛擬儀器平臺編寫了分析程序，便于在此基礎上開發(fā)低成本便攜式拉曼光譜儀，在食品、考古、珠寶鑒定、司法等物質(zhì)定性分析領域有潛在的應用價值.

拉曼光譜；定性分析；背景扣除；自動尋峰

0　引　言

拉曼散射是單色光與分子或晶體物質(zhì)發(fā)生非彈性散射，會產(chǎn)生與入射光頻率不同的新頻率光譜帶.拉曼譜線的數(shù)目、頻移、強度直接與分子的振轉(zhuǎn)能級有關，對不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可依據(jù)拉曼光譜對物質(zhì)進行定性分析和定量分析.目前激光拉曼光譜在化學方面有廣泛的應用，由于其可提供快速、簡單、重復性好的定性定量分析，且無須復雜的樣品預處理、對樣品無損，故廣泛應用于石油化工、生物醫(yī)學、環(huán)境科學、地質(zhì)考古、刑事司法、寶石鑒定等領域[1-2].

利用拉曼光譜進行物質(zhì)成分分析的一個主要問題是受外界環(huán)境、儀器系統(tǒng)和樣品特征等因素的影響，光譜信號總受熒光背景干擾，降低光譜的信噪比，引起譜線的誤識和漏識，因此在尋峰前必須進行基線校正和背景扣除[3-5].現(xiàn)階段進行基線校正和背景扣除的方法主要有小波變換[6]、化學計量學方法[7]等；房承宣等[8]利用自適應迭代懲罰最小二乘方法(airPLS)對汽油的拉曼光譜進行去噪和平滑，快速測定汽油中MTBE的含量；高明國等[9]提出一種基于信號極值自適應縮放的扣除背景方法，可提取較弱的拉曼特征峰.

然而，在拉曼光譜的背景扣除和基線平滑過程中，一些幅度較弱的特征峰，尤其是在熒光背景較強的情況下，經(jīng)過基線校正和平滑處理后便被扣除，無法識別；而在較弱的噪聲背景中的一些毛刺，易被誤識為特征峰，影響分析的準確度和精度.同時采用復雜算法實現(xiàn)基線平滑和背景扣除，再進行尋峰，會增加運算的復雜性，不利于實現(xiàn)測量自動化.

本文提出一種定性分析算法自動分析拉曼光譜，無須進行基線平滑和背景扣除，直接通過二階導數(shù)對拉曼光譜譜線自動尋峰，按照預設的閾值判定從熒光背景中提取有用的光譜信號.計算譜線頻移后對比拉曼光譜數(shù)據(jù)庫確定待測物成分，實現(xiàn)對樣品的拉曼光譜譜線的定性分析.并在此基礎上基于LabVIEW虛擬儀器平臺上編寫了分析程序，可對拉曼光譜進行自動定性分析.

1　方法研究

1.1總體思路

由于拉曼光譜易受背景熒光的干擾，要實現(xiàn)自動尋峰，必須進行基線平滑和背景扣除.本算法通過二階導數(shù)和閾值判定結(jié)合3點比較法間接實現(xiàn)背景衰減和自動尋峰.具體流程如圖1所示.

圖1　自動定性分析流程Fig.1　Process of automated qualitative analysis

具體方法為：對拉曼光譜譜線求二階倒數(shù)，來削弱熒光背景的影響.將光譜儀所獲得的大量離散點看做是一條代表拉曼光譜的連續(xù)曲線，對該曲線上的每一點求二階導數(shù)，根據(jù)二階導數(shù)的性質(zhì)，極小值處對應原譜線的峰址.很顯然，直接用此方法會識別出所有的譜峰，包括熒光背景噪聲引起的大量無意義弱峰，在自動分析中并不可取.按照導數(shù)的數(shù)學意義，其反映的是變量的變化率，對于拉曼譜線中背景強度起伏引起的弱峰，起伏較小，求導數(shù)后會成為幅值很小的峰甚至接近平滑線，求二階導后更接近直線[10].因此，可通過設定一個閾值，濾掉背景強度起伏引起的假峰，僅對二階導曲線在預設閾值以下的部分取極小值，這樣在尋峰過程中就可忽略背景的緩變假峰的影響，從而間接的削弱譜線背景強度的影響.

閾值的選擇受數(shù)據(jù)起伏(即離散程度)的影響，通過計算數(shù)據(jù)的標準偏差SD，以SD的數(shù)值為參考確定閾值大小.由二階導數(shù)的性質(zhì)，極小值處對應原函數(shù)的峰址.對二階導數(shù)小于閾值的部分采用3點比較法確定其極小值點，即對應原譜線的峰值.

完成尋峰后，對比入射光頻率(瑞利散射)，計算拉曼頻移.在實際測量中，受熒光背景、光譜儀頻率漂移、外界環(huán)境等的影響，譜線可能會發(fā)生一定的偏移，通過對稱性確定斯托克斯線和反斯托克斯線，即僅當同時出現(xiàn)兩個方向頻移時，才可確定其為拉曼光譜.最后對比標準數(shù)據(jù)庫，確定該頻移所對應的物質(zhì)成分，完成定性分析.

1.2尋峰算法

以CCl4的拉曼光譜為例對此尋峰算法的具體流程進行具體說明.采用LRS-II型激光拉曼儀，激光波長λ=532 nm，光譜儀波長范圍為510.0 nm～560.0 nm、間隔0.1 nm.以入射光及其瑞利譜線的波數(shù)作為參考點，以波數(shù)差為變量，繪得光譜數(shù)據(jù)如圖2(a)所示.

對圖2(a)所示的拉曼譜線求二階導數(shù)，結(jié)果如圖2(b)所示，從中可以看出二階導數(shù)的極小值點與原譜線的峰值點橫坐標一一對應，與二階導數(shù)的性質(zhì)相符.對二階導數(shù)設定一個閾值，閾值以上的極小值點對應原譜線背景上的若峰，不予考慮，對于閾值以下的部分，其極小值點對應原譜線峰址.這樣，在自動尋峰過程中，通過二階導數(shù)和閾值判定，間接實現(xiàn)了基線平滑和背景扣除，完成自動尋峰.

圖2　尋峰算法圖示Fig.2　Illustrated of the Peak-picks algorithm

顯然閾值的選擇是影響尋峰結(jié)果的關鍵因素.閾值過低，常常找出許多背景上的假峰或毛刺；而閾值過大，則會漏掉有意義的真峰.因此，選擇恰當?shù)拈撝担拍芤种萍俜宥植宦┑粽娣?，從而獲得良好的找峰效果.

本算法選擇的閾值以光譜數(shù)據(jù)二階導數(shù)的標準偏差(SD)為參考上下浮動.由標準偏差的數(shù)學意義可知，標準偏差反映了數(shù)據(jù)的離散程度，SD越大，離散程度越大；SD越小，數(shù)據(jù)離散程度越小.所以當數(shù)據(jù)的標準偏差較大時，離散程度大，對應背景強度較弱，取較小的閾值可抑制假峰而又不漏掉真峰；當標準偏差較小時，離散程度小，背景強度相對較大，需要適當?shù)卦龃箝撝狄悦獗尘吧系募俜灞徽`識，且SD越小，需要增大的倍數(shù)越大，才能獲得良好的找峰效果.經(jīng)過大量試驗，確定的閾值選擇標準如表1所示.

表1　閾值選擇

1.3定性分析

完成尋峰后，需要根據(jù)頻移確定物質(zhì)成分.根據(jù)標準拉曼頻移數(shù)據(jù)庫對物質(zhì)的特征拉曼譜線的相對波數(shù)進行標定.但在實際測量中，由于光譜儀的波長存在一定的誤差，而且某些物質(zhì)的拉曼特征峰比較接近，不同成分的拉曼特征峰可能會有重疊，用其相對波數(shù)和標準數(shù)據(jù)庫進行對比必然會產(chǎn)生誤差.

圖3　程序前面板Fig.3　Front panel of the program

確定譜線歸屬時，通過對稱性確定斯托克斯線和反斯托克斯線.僅當在入射光波數(shù)兩側(cè)同時出現(xiàn)相同頻移的特征峰時，才可由該頻移的相對波數(shù)確定待測物質(zhì)成分.對斯托克斯線和反斯托克斯線的兩相對波數(shù)取平均值，然后與標準數(shù)據(jù)庫比較.

2　結(jié)果與討論

圖4　程序框圖Fig.4　Flow chart of the program

2.1定性分析結(jié)果

利用該算法及程序?qū)Cl4的拉曼光譜進行了分析，結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以讀出拉曼特征峰的相對波數(shù)分別為-456.19 cm-1,-322.98 cm-1,-226.90 cm-1,207.18 cm-1,301.55 cm-1和444.87cm-1，由于單色儀頻率漂移較大，所以斯托克斯線和反斯托克斯線的相對波數(shù)有較大偏差，但二者平均后與CCl4理論上的振動頻率相符較好，如表2所示.ν1,ν2和ν4的相對偏差分別為1.85%,0.18% 和0.55%，如圖6所示.

圖5　CCl4拉曼光譜Fig.5　Raman spectrum of CCl4

圖6　CCl4拉曼光譜測量值與理論值對比Fig.6　Comparison on measured and certified value of Raman spectrum of CCl4

LineStokesline/cm-1Anti-Stokesline/cm-1Average/cm-1Certified/cm-1Relativedeviation/%ν1-456.19444.87450.534591.85ν2-229.60207.18218.392180.18ν4-322.96301.55312.263140.55

2.2信噪比影響

利用該程序?qū)Σ煌旁氡鹊淖V線數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示對于較高信噪比的光譜數(shù)據(jù)，會得到較好的尋峰結(jié)果，當信噪比較低時，可能會漏掉部分有意義的真峰.圖7顯示了最低信噪比分別為10.26,4.61 和1.14時的尋峰結(jié)果，可見當譜線的最小信噪比小于1.14時，尋峰結(jié)果不太理想.

圖7　不同信噪比測量結(jié)果對比Fig.7　Measurement results of different SNR

3　結(jié)束語

本算法基于二階導數(shù)和閾值判定對拉曼光譜進行了間接背景扣除和自動尋峰，解決了熒光背景對分析結(jié)果所造成的影響，并在LabVIEW虛擬儀器平臺上開發(fā)了自動定性分析系統(tǒng).初步應用表明該算法和自動分析系統(tǒng)對于信噪比不是很低的拉曼光譜進行分析是可行的，同時該背景扣除和自動尋峰算法簡化了運算程序，可以推廣到拉曼光譜半定量或定量分析中，可在此基礎上進一步開發(fā)低成本便攜式拉曼光譜分析儀.

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Automated Qualitative Analysis of Raman Spectroscopy Based on LabVIEW

HU Zhiyu,WANG Qiang

(Dept.of Physics，Taiyuan Normal University,Taiyuan 030031，China)

Automated qualitative analysis algorithm of Raman spectroscopy was presented,background correction and auto-peak-location of spectroscopy lines is given by second derivative and threshold determine,the available spectral signals were picked-up from fluorescence background.Furthermore,determines the constituents of samples through the comparison of wave Roman shift and standard database based on this,achieves qualitative analysis of the samples of Raman spectroscopy .An analysis program was completed based on LabVIEW Virtual instrument platform,convenient for development of portable Roman spectrometer and inexpensive .it has potential application values on material qualitative analysis field of food,archaeological,identification of jewelry and justice.

Raman spectroscopy; qualitative analysis; background correction; auto-peak-location

1671-7449(2016)05-0400-06

2016-02-25

國家自然科學基金資助項目(11447170)

胡志裕(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事激光光譜、光學傳感、光機電器件等方面的研究.

O433.4

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.006