[發明專利]一種用于暗場單粒子散射譜重建的校準方法

在審

• 申請號: 202110499257.6
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN115326682A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 劉國華;杜謙;張文嘉
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10;G01N21/49
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及暗場單粒子散射光譜學和數字信號處理領域，具體涉及一種可用于暗場高光譜重建的矯準方法。本發明公開了一種可用于暗場高光譜重建的矯準方法，其包括用曲頂采樣過程分析暗場傳感系統，可以推導得出檢測光譜的半高寬公式，進而得到誤差來源。然后，采用三種數學方法，對比、分析并矯正該誤差。第一種是數值近似方法，采用傳統福格特函數；第二種是采用精確數值解，通過求解對角稀疏矩陣與構造的光譜矩陣點乘的矩陣方程；第三種是采用近似解析解。本發明分析并矯正了系統誤差，提高了暗場系統的檢測精度。

技術領域

本發明涉及暗場單粒子散射光譜學和數字信號處理領域，具體涉及一種可用于暗場高光譜重建的校準方法。

背景技術

暗場單粒子散射光譜學是一種利用暗場高光譜顯微鏡系統提取、重建和分析單貴金屬納米顆粒散射譜的學科。貴金屬納米顆粒作為近年來的熱門納米傳感器，被廣泛應用于生化檢測等領域。暗場顯微鏡系統作為最主要的貴金屬納米顆粒表征方式之一，越來越受到重視。其穩定性、準確性、高通量和檢測速度逐漸成為限制該領域發展的技術制約。

在暗場單粒子散射譜的提取和重建過程中，電機穩定性、控制算法、分光精度、系統效率、暗場聚光鏡設計、光路設計、CCD/CMOS濾噪、圖像處理算法等諸多技術保障了最終貴金屬單粒子散射譜的準確性。每一環的精準保證了最終結果的準確性。暗場系統一般分為兩類，一類為在入射光處分光的波長掃描型，另一類為在CCD/CMOS等光信號接收器分光的機械掃描型。前者入射光在分光時，所得單色光實際為具有帶寬的準單色光，此效應引起的系統固有誤差，一般被業內科研和工業人員忽視。然而，據實驗研究，此誤差影響并不小，在低成本暗場系統中尤為明顯，已經嚴重影響到了檢測結果的準確性。

本發明為一種可用于暗場高光譜重建的校準方法，采用數字信號處理的方法，分析并矯正了系統誤差，提高了暗場系統的檢測精度。

發明內容

本發明的目的在于提高暗場傳感系統的檢測精度，該方法可以分析并校準暗場傳感系統的固有誤差。

本發明采用的技術方案如下：

一種可用于暗場高光譜重建的校準方法，其包括用曲頂采樣過程分析暗場傳感系統，可以推導得出檢測光譜的半高寬公式，進而得到誤差來源。然后，采用三種數學方法，對比、分析并矯正該誤差。第一種是數值近似方法，采用傳統的福格特函數；第二種是采用精確數值解，通過求解構造的對角稀疏矩陣與光譜矩陣點乘的矩陣方程；第三種是采用推導的近似解析解。

其中，所述暗場傳感系統是提取單納米顆粒散射光信號的波長掃描型暗場系統。分光元件可以是電機控制的光柵或液晶可調諧濾光片。

其中，所述高光譜重建技術，是將所獲得的每個波長的單粒子光強，通過洛倫茲擬合，得到該粒子在整段掃描范圍光譜的技術。

其中，曲頂采樣過程區別于理想沖激序列采樣，是一種采樣序列為高斯曲面頂的特殊采樣過程，此過程由于采樣序列存在半高寬，因此導致結果失真，是本發明解決的根本問題。其數學描述為一個洛倫茲和高斯卷積過程：I_sca(λ)＝G(λ)*I(λ)，G(λ)代表入射準單色光，I(λ)為高斯型曲頂采樣序列。代表粒子散射譜，為洛倫茲線型。

其中，福格特函數是一種在天體物理學、等離子物理學、中子散射、激光光譜學等學科中常用的函數，此處遷移到暗場光譜處理中。其公式為：V(λ，f)＝η·I(λ，f)+(1-η)·G(λ，f)。其結果為洛倫茲和高斯卷積的近似值。

其中，精確數值解的矯正方法，是將檢測得到的粒子光譜構建1*M的矩陣，此矩陣為行矩陣。再將入射單色光矩陣構建為大型稀疏對角矩陣，將二者點乘，即可得到矯正結果。其數學表示為：I_sca＝G×I或其中，G為入射光矩陣，I為檢測得到的粒子散射譜。

其中，近似解析解，是將檢測光譜做近似高斯擬合，與高斯曲頂采樣信號做卷積后，可以得到解析解