一種獲取最優可變角同步螢光光譜的方法
2023-12-02 03:46:41
專利名稱：一種獲取最優可變角同步螢光光譜的方法
技術領域：
一種利用三維螢光光譜數據獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，同時也確定了最優的掃描路徑。
背景技術：
螢光分析法是一項廣泛應用於工業、農業、醫藥、衛生、司法鑑定和科學研究等各個領域的分析技術。傳統的螢光分析法指的是利用物質特徵螢光的二維發射(或激發)光譜對物質進行定性或定量分析的方法。與二維發射(或激發)光譜相比，螢光強度隨激發波長和發射波長變化的三維螢光譜提供的信息量更多。因而利用三維螢光譜的分析法作為研究原油地球化學特性的一種有效測試方法，越來越受到人們的重視。但通常獲取三維螢光數據的方法，是在不同激發波長位置上連續掃描發射波長得到的一系列發射光譜，一個三維螢光譜的獲得通常需要採集幾十個二維發射光譜，實驗上很費時。最新發展起來的非線性可變角同步螢光光譜(Variable-angle synchronous fluorescence spectrum)是一種新的高選擇性的螢光分析法，它可將三維圖譜要表達的各種特徵以特殊的二維圖譜模式表現出來而備受關注。理論上說，可變角同步螢光光譜(VASFS)通過一次最優掃描就可獲得設計者期望從一個三維螢光譜得到的信息。該項技術要求發射光波長和激發光波長按設計的一定掃描路徑同步掃描，其關鍵在於找到最優的掃描路徑。其中，最優掃描路徑的選取應當根據分析的要求，同時考慮儘量少的光譜重疊，最接近於各組分的最大螢光強度值，以及儘可能地避開散射的幹擾。
鑑於此，目前在利用可變角同步螢光法分析多組分物質時，通常針對特定物質根據特定分析的需要設計出沿特定掃描路徑掃描的可變角同步螢光光譜儀，而這種掃描路徑即是滿足分析要求的最優掃描路徑，而這種掃描路徑目前多採用較為盲目的試湊法試驗來獲取，不但費時，而且受儀器性能和試驗人員的主觀經驗等因素的制約，這樣就很大程度上限制了最優掃描路徑的選取而大大影響了可變角同步螢光光譜的質量，同時這種試驗方法實現起來也很費時。如果在螢光光譜儀上同時測量多種不同類的物質，則需要對每一類物質確定其相對應的最優掃描路徑，這樣就更加複雜而費時，在某種程度上限制了螢光光譜儀的推廣使用。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術不足，提供一種方便、快捷地獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，同時也確定了最優的掃描路徑，以便通過獲取的螢光光譜對物質進行充分有效的定性和定量分析，並大大節省必須通過做大量的實驗獲取該光譜圖及其最優掃描路徑所需要的耗費。
本發明的另一目的是為可變角螢光光譜儀的設計，即對需要測量的特定物質可以提供最優掃描路徑，使其方便快速的測定相應物質的最優可變角同步螢光光譜。
本發明的方法或步驟首先讀取實驗上已獲得的三維螢光光譜數據，並繪製出三維螢光光譜的等高線投影圖，然後在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑並讀取此掃描路徑，通過插值方法，對所選折線掃描路徑中各數據點進行插值得到這些點對應的螢光強度值，進而繪製出所選折線掃描路徑對應的一條可變角同步螢光光譜圖，再通過反覆選擇折線掃描路徑並相應的繪製出多條可變角同步螢光光譜圖，根據分析的要求，並考慮儘量少的光譜重疊，以接近於各組分的最大螢光強度值來比較所得到的各螢光光譜圖，即可得到最優的可變角同步螢光光譜圖(VASFS)，並把這條螢光光譜相對應的掃描路徑確定為該物質的滿足分析需要的最優掃描路徑。通常僅需反覆選擇3-5條即可獲取可變角同步螢光光譜圖。
上述的插值方法可以採取多種，如雙線性插值或雙立方Hermite插值，本發明考慮到插值後的螢光強度曲面在網點處的彎曲需要與實際相一致，以便獲得最優化的圖譜而選取了二維三次卷積插值方法對三維螢光光譜數據進行局部插值得到插值函數，以此來獲取所選掃描路徑中各數據點的螢光強度值。本發明的插值方法得到的插值函數是三維螢光光譜曲面的三次逼近，具有連續的三階導數，可以很好的滿足可變角同步螢光光譜獲取的需要。
在程序編制中，還可以考慮到在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑時，以便對三維螢光光譜有一個整體的直觀的印象。本發明在讀取三維螢光光譜數據之後，可以在繪製三維螢光光譜等高線投影圖的同時繪製出三維螢光光譜圖和三維等高線光譜圖。即在讀取三維螢光光譜數據之後，在繪製三維螢光光譜等高線投影圖的同時在界面上繪製出三維螢光光譜圖和三維等高線光譜圖。
按照上述步驟即可編制出獲取最優可變角同步螢光光譜和最優掃描路徑的程序，並依此實現多種螢光光譜圖的顯示和各種操作以對光譜進行直觀分析，該最優掃描路徑也就為螢光光譜儀設計測定該物質提供了最優掃描路徑，同時也為測量特定物質的可變角同步螢光光譜圖的設計提供了參考標準，以實現方便測定相應物質的最優可變角同步螢光光譜。
圖1為本發明的程序流程圖。
圖2為利用三維螢光光譜數據繪製的三維螢光光譜的等高線光譜投影圖(其中選擇了三條折線掃描路徑)。圖中星點表示折線掃描路徑的控制點，連接星點的虛線表示折線掃描路徑。其中較粗的一條為最優掃描路徑，而另外兩條為非最優掃描路徑。
圖3為與圖2中三條折線掃描路徑對應的可變角同步螢光光譜圖。圖中圓圈對應圖2折線掃描路徑中的星點。其中較粗的一條為最優可變角同步螢光光譜，而另外兩條為非最優可變角同步螢光光譜。圖中有一組坐標(371.7566，380.035)為箭頭所指點的坐標，其中橫坐標表示此點的發射光波長，縱坐標表示所選掃描路徑中在此發射光波長下的對應點處的螢光強度值。
圖4a為含有一條掃描路徑的等高線光譜投影圖。
圖4b為實驗和本發明獲得的圖4a中掃描路徑下的相吻合的可變角同步螢光光譜圖。
圖5為本發明繪製的兩條掃描路徑下的可變角同步螢光光譜圖的程序主界面。界面中同時顯示出了三維螢光光譜圖(左上)、三維等高線光譜圖(右上)、三維螢光光譜的等高線投影圖(左下)及等高線光譜投影圖中兩條掃描路徑下的可變角同步螢光光譜圖(右下)。
具體實施例方式
本發明首先讀取實驗上已獲得的三維螢光光譜數據，並繪製出三維螢光光譜的等高線投影圖，然後在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑並讀取此掃描路徑，通過插值方法，對所選折線掃描路徑中各數據點進行插值得到這些點對應的螢光強度值，進而繪製出所選折線掃描路徑對應的一條可變角同步螢光光譜圖，再通過反覆選擇折線掃描路徑並相應的繪製出多條可變角同步螢光光譜圖，比較所得到的各螢光光譜圖，即可得到最優的可變角同步螢光光譜圖，並把這條螢光光譜相對應的掃描路徑確定為該物質的滿足分析需要的最優掃描路徑。
本發明選取了二維三次卷積插值方法對三維螢光光譜數據進行局部插值得到插值函數，以此來獲取所選掃描路徑中各數據點的螢光強度值。
考慮到在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑時，便於對三維螢光光譜有一個整體的直觀的印象。本發明在讀取三維螢光光譜數據之後，可以在繪製三維螢光光譜等高線投影圖的同時繪製出三維螢光光譜圖和三維等高線光譜圖。即在讀取三維螢光光譜數據之後，在繪製三維螢光光譜等高線投影圖的同時在界面上繪製出三維螢光光譜圖和三維等高線光譜圖。具體步驟如下①讀取並存儲實驗上已獲得的三維螢光光譜數據(三維螢光光譜數據是以網格的形式給出網格點上的螢光強度信息)，並利用三維螢光光譜數據同時繪製出三維螢光光譜圖、三維等高線光譜圖及等高線光譜投影圖(圖2)。其中三維螢光光譜和等高線光譜圖直觀的顯示出了螢光數據的整體信息，而等高線光譜投影圖則用來選擇各折線掃描路徑。
②在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑(如圖2中虛線所示)，折線掃描路徑由控制點進行控制，通過選取掃描路徑中的各控制點來完成對掃描路徑的選取，這些掃描路徑由圖中的星點和連接星點的虛線組成。
③讀取②中所選掃描路徑，即在選擇掃描路徑的同時讀取掃描路徑中的各星點坐標，並依次連接各星點形成折線掃描路徑。
在②、③中編寫程序實現在等高線光譜投影圖中以星點作為掃描路徑控制點選擇掃描路徑時，可以在等高線光譜投影圖中利用滑鼠左鍵點擊所選掃描路徑的控制點，存儲這些控制點，並將這些控制點以星點的形式顯示在等高線光譜投影圖中，同時用虛線依次連接各控制點(星點)來表示所選掃描路徑。
④繪製③中讀取的折線掃描路徑對應的可變角同步螢光光譜圖，即利用二維三次卷積插值方法對③中讀取的折線掃描路徑中的各數據點進行插值，獲得此折線掃描路徑上各數據點處的螢光強度值，即可利用二維作圖函數繪製出此折線掃描路徑相對應的可變角同步螢光光譜圖。
上述插值如果是利用通用的數學處理軟體Matlab來完成時，這種二維三次卷積插值方法稱為三次Cubic插值，其中由I＝interp2(X，Y，Z，xxi，yyi，』cubic』)；命令得到插值結果，該命令中，X，Y，Z為原始三維螢光光譜網格數據，xxi、yyi為所需插值點的橫、縱坐標值，』cubic』表示插值類型，插值結果I即為插值點(xxi，yyi)處的螢光強度值。
⑤按上述步驟②、③、④再選擇一條折線掃描路徑並讀取此路徑，同時得到此掃描路徑對應的可變角同步螢光光譜圖。
⑥比較④、⑤中得到的兩條可變角同步螢光光譜圖，並從中選擇能更好的反映螢光光譜信息的一條，看是否滿足分析的需要，即是否是最優的可變角同步螢光光譜圖。如果④、⑤中得到的兩條可變角同步螢光光譜圖均不能滿足需要，可重複進行步驟⑤，繼續選擇下一條折線掃描路徑並得到此掃描路徑對應的可變角同步螢光光譜圖，看是否滿足需要，直到得到最優的可變角同步螢光光譜圖為止，這條螢光光譜對應的掃描路徑即為最優掃描路徑，詳細的程序流程如圖1所示。
圖2中為已選擇的三條不同折線掃描路徑，圖3為圖2中各掃描路徑下的可變角同步螢光光譜圖。對圖3中的可變角同步螢光光譜圖比較可以看出，較粗的一條為最優可變角同步螢光光譜，與它對應的圖2中較粗的折線掃描路徑即為最優掃描路徑。
在圖4b中，以有代表性複雜的多組份石油樣品為例，分別運用實驗和本發明兩種方法得到的圖4a所示掃描路徑下的可變角同步螢光光譜圖。從圖中可以看出，在誤差範圍內兩種方法得到的可變角同步螢光光譜圖基本一致，經過多組實驗數據的測試，都得出了相同的結果，進一步驗證了利用三維螢光光譜數據，由本發明的方法獲得的可變角同步螢光光譜的可靠性。
圖5是藉助通用的數學處理軟體Matlab按本發明進行編程得到的程序主界面及其上的四幅光譜圖。分析人員利用此程序即可在同一界面中同時顯示出三維螢光光譜圖、三維等高線光譜圖和三維螢光光譜的等高線投影圖。這樣就可以直觀的在等高線投影圖按照分析的要求選擇最優折線掃描路徑，並得到最優的可變角同步螢光光譜圖。另外，還可以運用其他程式語言(如Vc)來實現本發明中各步驟。
由本發明編寫的程序即可得到需要的最優可變角同步螢光光譜，並同時確定出最優掃描路徑，為實驗上最有效地通過螢光光譜對同類物質進行定性和定量分析提供了方便和可靠依據，也大大節省了以往必須通過做大量的實驗獲取該光譜圖及其最優掃描路徑所需要的耗費，顯然對特定物質的可變角同步螢光光譜儀的設計提供了依據。
權利要求
1 一種獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，其特徵在於它是利用實驗上已獲得的三維螢光光譜數據繪製出三維螢光光譜的等高線投影圖，然後在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑並讀取此掃描路徑，通過插值方法，對所選折線掃描路徑中各數據點進行插值得到這些點對應的螢光強度值，進而繪製出所選折線掃描路徑對應的一條可變角同步螢光光譜圖，再通過反覆選擇折線掃描路徑並相應的繪製出多條可變角同步螢光光譜圖，比較所得到的各螢光光譜圖，即可得到最優的可變角同步螢光光譜圖，並把這條螢光光譜相對應的掃描路徑確定為該物質的滿足分析需要的最優掃描路徑。
2 如權利要求1所述的獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，其特徵在於上述插值方法是運用二維三次卷積插值算法對三維螢光光譜數據進行局部插值得到插值函數，並以此來獲取所選掃描路徑中各數據點的螢光強度值。
3 如權利要求1所述的獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，其特徵是上述在讀取三維螢光光譜數據之後，在繪製三維螢光光譜等高線投影圖的同時在界面上繪製出三維螢光光譜圖和三維等高線光譜圖。
全文摘要
一種獲取最優可變角同步螢光光譜的方法，首先利用實驗上已獲得的三維螢光光譜數據繪製出三維螢光光譜的等高線投影圖，然後在等高線光譜投影圖中選擇掃描路徑，通過二維三次卷積插值方法，對所選路徑中各數據點進行插值得到它們對應的螢光強度值，進而繪製出所選路徑對應的一條可變角同步螢光光譜圖，最後通過反覆選擇掃描路徑並相應的繪製出多條可變角同步螢光光譜圖，再對它們加以比較，即可得到最優的可變角同步螢光光譜圖及其最優掃描路徑。依此編寫程序即可得到需要的最優光譜和最優掃描路徑，為實驗上最有效地通過螢光光譜對同類物質進行定性和定量分析提供了方便和可靠依據，也為可變角同步螢光光譜儀的設計提供了參考標準。
文檔編號G01N21/63GK1645109SQ20051000500
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月31日 優先權日2005年1月31日
發明者鄭榮兒, 王春豔, 李文東, 高居偉 申請人:中國海洋大學