[發(fā)明專利]光譜裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980068987.1
• 申請日: 2019-10-17
• 公開（公告）號: CN112888919A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 布萊恩·約翰·愛德華·史密斯
• 申請（專利權(quán)）人: 瑞尼斯豪公司
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京柏杉松知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11413
• 代理人: 羅小晨;程強(qiáng)

本發(fā)明涉及一種對由光譜儀記錄的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理的方法，該方法包括將多條樣條曲線相繼擬合(103)到該光譜數(shù)據(jù)，每條樣條曲線具有不同數(shù)量的節(jié)點。在每條樣條曲線中，除端點節(jié)點之外的每個節(jié)點的節(jié)點位置都是基于這些樣條曲線中之前擬合的具有較少節(jié)點的樣條曲線的點與該光譜數(shù)據(jù)的擬合度來確定的。該方法進(jìn)一步包括基于模型選擇標(biāo)準(zhǔn)來選擇(108)這些樣條曲線之一作為該光譜數(shù)據(jù)的平滑數(shù)據(jù)曲線。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光譜裝置以及方法。本發(fā)明在拉曼光譜法中尤其有用，盡管本發(fā)明也可以用于其他形式的光譜法，例如，窄線光致發(fā)光、熒光、陰極發(fā)光、UV可見光(UVVis)、核磁共振(NMR)、中紅外光(mid-IR)或近紅外光(NIR)。

背景技術(shù)

拉曼效應(yīng)是樣品對光的非彈性散射。在拉曼光譜法中，樣品被單色激光照射，并且之后散射光被例如單色儀中的色散設(shè)備(諸如衍射光柵)色散，以生成被稱為拉曼光譜的光譜。拉曼光譜由諸如電荷耦合器件(CCD)等檢測器檢測以生成光譜數(shù)據(jù)。拉曼光譜裝置的示例從美國專利號5,442,438和5,510,894中得知，這些美國專利通過引用并入本文。

不同的化合物具有不同特性的拉曼光譜。因此，拉曼效應(yīng)可以用于分析樣品中存在的化合物。

光譜數(shù)據(jù)包括拉曼光譜以及噪聲。噪聲的存在會影響對拉曼信號的分析。例如，如果該分析包括確定信號內(nèi)峰下方的區(qū)域，則噪聲的存在會使得難以識別合適的基線(根據(jù)該基線確定該區(qū)域)。圖1是包含拉曼光譜峰和噪聲的光譜數(shù)據(jù)的示例。如可以看到的，噪聲的存在使光譜峰變得模糊。

Savitzky-Golay濾波器是數(shù)字濾波器，該濾波器可以應(yīng)用于一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)點以對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，即在不使信號發(fā)生很大失真的情況下提高信噪比。然而，這樣的平滑處理技術(shù)不適合用于具有尖銳峰的光譜信號，因為Savitzky-Golay平滑處理往往會去除尖銳的光譜峰以及不想要的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種對由光譜儀記錄的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理的方法，該方法包括：將多條樣條曲線相繼擬合到該光譜數(shù)據(jù)，每條樣條曲線具有不同數(shù)量的節(jié)點，其中，在每條樣條曲線中，除端點節(jié)點之外的每個節(jié)點的節(jié)點位置都是基于這些樣條曲線中之前擬合的具有較少節(jié)點的樣條曲線的點與該光譜數(shù)據(jù)的擬合度來確定的；以及基于模型選擇標(biāo)準(zhǔn)來選擇這些樣條曲線之一作為該光譜數(shù)據(jù)的平滑數(shù)據(jù)曲線。

以這種方式，基于光譜數(shù)據(jù)的局部信息內(nèi)容來調(diào)整節(jié)點之間的間距，從而將尖銳的光譜峰保留在平滑數(shù)據(jù)曲線中，而將同等尖銳的噪聲去除。

本文所使用的術(shù)語“樣條曲線”指的是由一個或多個多項式分段定義的函數(shù)。每個多項式在被稱為節(jié)點的兩個點之間延伸。該多條樣條曲線中的每條樣條曲線中的節(jié)點總數(shù)量可以在2(即，只有兩個端點節(jié)點)至N/K之間，其中，N是光譜數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點的總數(shù)量，并且K是允許的最小節(jié)點分隔、單位為點。通常，K大于1并且優(yōu)選地在2至10之間。端點節(jié)點是位于樣條曲線兩端的節(jié)點，所有多項式都在這些端點節(jié)點之間擬合。

節(jié)點位置可以對應(yīng)于這些樣條曲線中之前擬合的樣條曲線的擬合不佳的點的位置，如使用擬合度所確定的。擬合不佳的點可以是具有不是所有點中的最佳擬合的擬合的點、屬于50％最差擬合點之一、并且優(yōu)選地10％最差擬合點之一的點、以及優(yōu)選地是最差的擬合點，如由針對該節(jié)點的允許位置的擬合度所確定的。可以針對節(jié)點的位置規(guī)定一個或多個限制。例如，節(jié)點位置的允許位置可以是與先前擬合的樣條曲線的節(jié)點相距超過預(yù)定數(shù)量(諸如1個、2個、3個或更多)的數(shù)據(jù)點的位置。這確保了存在最小節(jié)點分隔距離。

模型選擇標(biāo)準(zhǔn)可以是隨著樣條曲線與光譜數(shù)據(jù)的擬合似然而增加、但是與用于以節(jié)點的形式添加參數(shù)的懲罰相平衡的度量，諸如貝葉斯信息標(biāo)準(zhǔn)或赤池信息標(biāo)準(zhǔn)。以這種方式，過度擬合得以減輕。

該多條樣條曲線中的樣條曲線可以具有2至N/K個節(jié)點，并且該方法包括確定該多條樣條曲線中的哪條樣條曲線導(dǎo)致模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的極值(對BIC和AIC而言是最小值)。