[發明專利]用于水質分析的三維熒光光譜信號純化與增強方法

在審

• 申請號: 202011635882.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112834470A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 張慧;沈杰;黃付嶺;朱康輝
• 申請（專利權）人: 杭州羅盤星科技有限公司
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種用于水質分析的三維熒光光譜信號純化與增強方法，通過消除物質吸收特性給熒光光譜帶來的影響，解決熒光峰重疊和熒光信號弱的問題；該方法首先對三維熒光光譜修正吸收特性因子[1?10^?A(λex)]，得到純化和增強的熒光信號；再利用維納濾波原理來優化算法，避免噪聲放大和奇異點出現。本發明有助于在后續水污染物分析中，從根源上提高熒光光譜信號質量，使微弱信號得到增強，接近的熒光峰得到展開，從而提高水質分析效果。

技術領域

本發明涉及一種用于水質分析的三維熒光光譜信號純化與增強方法。

背景技術

熒光光譜技術由于具有靈敏度高、快速、無二次污染、免試劑等優點，在水質分析中得到了廣泛的應用。其中最具有發展潛力的是三維熒光光譜，即同時掃描激發和發射波長生成的熒光激發-發射矩陣(EEM)。由于三維熒光光譜中蘊含大量的信息，也被稱作化合物的指紋。

雖然利用三維熒光光譜的水質分析近年來已經得到了廣泛的研究，但是熒光信號微弱、不同化合物的熒光峰之間重疊嚴重等問題目前仍然沒有從根本上得到很好地解決，這也限制了這一技術的發展。對于重疊的熒光峰，常用的分析方法包括圖像處理方法、小波分解、獨立成分分析、平行因子分析、非負矩陣分解等。然而，這些方法主要是從數學統計的角度出發的，而并沒有從根源上分析產生熒光峰重疊的內在原因和相關理論，故而在這些方法中光譜信號本身質量沒有得到提高。這導致，在熒光峰重疊較嚴重時，僅使用這些數學方法很難將重疊的熒光峰信號分開，方法中得到的子成分中常常出現錯誤信號、光譜扭曲、負值等問題。

事實上，根據熒光產生原理，在被測的EEM中有兩個獨立的信息來源:熒光量子產率(熒光性質)和吸光度(吸收性質)。其中吸收特性以[1-10^-A(lex)]相乘因子的形式存在。由于不同物質的吸收波段差異不大，相比于熒光峰而言，吸收峰更容易出現重疊。所以，當吸收光譜中出現吸收峰重疊或某些波長處吸光度接近于0時，都會以相乘的形式由[1-10^-A(lex)]因子引入到熒光信號中，加劇了三維熒光光譜中的熒光峰重疊和熒光信號減弱。因此，物質吸收特性的影響是引起三維熒光光譜信號弱、熒光峰重疊的重要原因。與此同時，在熒光分析中，更需要物質真實的、純粹的熒光特性，然而直接測得的EEM中仍然夾雜著物質的吸收特性。

因此，針對物質吸收特性帶來的影響，我們需要尋找一種熒光信號純化與增強方法，通過消除吸收特性對三維熒光光譜的影響，解決熒光峰重疊和熒光信號弱的問題。

發明內容

為了克服已有技術的不足，本發明提供一種用于水質分析的三維熒光光譜信號純化與增強方法，通過消除物質吸收特性給熒光光譜帶來的影響，解決熒光峰重疊和熒光信號弱的問題。該方法首先對三維熒光光譜修正吸收特性因子[1-10^-A(lex)]，得到純化和增強的熒光信號；再利用維納濾波原理來優化算法，避免噪聲放大和奇異點出現。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種用于水質分析的三維熒光光譜信號純化與增強方法，包括以下步驟：

1)對三維熒光光譜修正吸收特性因子[1-10^-A(lex)]以得到純化和增強的熒光信號，過程如下：

11)消除入射光強光譜分布影響，包括：

根據熒光產生原理，熒光強度正比于物質吸收光的強度，如公式(1)。

其中，φ(λ_ex,λ_em)是各波長處的熒光量子產率，F、E₀和A分別是熒光強度、入射光強度和吸光度，k是常數；由于入射光強E₀(λ_ex)中包含光源的光譜分布特性，對于不同儀器設備測量出來的熒光光譜會有所不同，因此需要消除入射光強光譜分布帶來的影響；