快速消除3D荧光本底噪声的方法技术

一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，涉及一种消除荧光本底噪声的方法，该方法是获取系列空白光谱，采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。本发明专利技术利用3D光谱的数据冗余，不做空白测量，直接消除样品光谱的检测器本底噪声，实现一次样品测量后输出降噪的3D荧光光谱；可省去空白切换和扫描时间，缩小数据存储量，实现降低操作成本的目的。

A Fast Method for Eliminating Background Noise of 3D Fluorescence

【技术实现步骤摘要】
快速消除3D荧光本底噪声的方法
本专利技术涉及一种消除荧光本底噪声的方法，特别是一种快速消除3D荧光本底噪声的方法。
技术介绍
3D荧光同时提供荧光激发光谱和发射光谱构成的矩阵（简称EEM），信息量显著增加，已经被广泛用于多元体系的定性、定量。信息量提升也意味着沿用传统单维采集方式，消耗更多时间和数据存储量，增加操作成本。传统本底噪声处理方式为分别测量空白和样品，然后在样品数据中扣除空白，一次数据输出，至少需要两次光谱采集，操作时间和中间数据存储量翻倍；对于单维数据，增加量不太显著，但是对于3D荧光，由于激发波长扫描切换，单次3D光谱采集时间和存储量已经显著增加，按照现有先空白后样品方式，其时间和数据存储量又将翻倍。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，以省去空白切换和扫描时间，缩小数据存储量，实现降低操作成本的目的。本专利技术的专利技术原理：通常光谱测量采集空白值目的在于，在基本平行的环境条件下，消除非样本引起的检测信号，主要是检测器的本底信号，如暗电流信号、环境引起的检测器响应变化等，对于阵列检测器还包括阵列点响应差异导致的，类似于随机噪声的本底差异。本底和暗电流空白扣除，是目前阵列式光谱仪要求的基本操作。尽管检测器阵列本底是确定的，但是叠加至检测信号，实际增加了输出信号的不确定度；因此，本底影响越小，信号的确定越好，表现为噪声强度降低。目前测量效率较高的3D荧光光谱仪，由阵列检测器检测荧光发射光谱，连续光源经单色器提供单色激发，扫描后构成荧光激发光谱。按照惯常方式得到的空白光谱，主要包含的是检测器本底信号和随机白噪声信号，样品光谱测量后，扣除空白光谱，实现仪器基底信号校准。实际上，在3D荧光光谱中，包含了接近一半的空白区域，即波长大于瑞利散射的大部分区域，尤其是长波长激发区域，除了瑞利散射，检测器上几乎无样品响应。也就是说，这部分只有检测器和激发光基础响应的冗余信息，并不包含样品信息，具有用作消除本底信号的可能性。本专利技术提出：1.大多数3D荧光在长激发波长下，没有发射响应，此区域响应可用作本底噪声校正。2.将激发光长波区域的发射光谱，采用投影回归操作，如奇异值分解（SVD），找出阵列检测器的单位本底序列值。3.在各个发射光谱中逐步扣除检测器本底序列值，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，可认为检测器本底响应基本被扣除。4.本底响应校正后的光谱中，噪声主体为高斯白噪声，通过进一步高斯降噪，可视化效果可以进一步改善。本专利技术的技术方案是：一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，该方法是获取系列空白光谱,采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。本专利技术的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：S1.空白光谱获取；S2.求取单位本底序列值对获取的系列空白光谱构成矩阵MB，进行奇异值分解；奇异值分解后，对应于发射光谱的第一特征向量即为阵列检测器的单位本底序列值S1；S3.本底消除的熵值判断对每一组发射光谱，逐步扣减单位本底序列值S1，当单位本底序列值S1的影响降低至最小值，对应的扣减光谱的熵值也达到最小，而进一步增加扣减，单位本底序列值S1的影响又会反向增加；把对应熵值达到最小时所判断出的扣减光谱，作为消除了检测器本底噪声的发射光谱输出；将每个激发波长对应发射光谱逐一完成扣减，即可完成完整的3D荧光光谱的本底消除。本专利技术的进一步技术方案是：步骤S1的具体过程包括：采集样本的3D荧光光谱，将无荧光发射光谱的波长段的发射光谱作为系列空白光谱；或者对于固定的仪器，做一次空白扫描，存储为空白光谱，在需要消除本底噪声时调用即可，以后再次测量无需重新测量。本专利技术的进一步技术方案是：在步骤S3后，还包括有步骤S4.整体3D荧光光谱高斯降噪：对消除本底后的3D荧光光谱，进行高斯滤波，得到进一步降噪后的3D荧光光谱。本专利技术的进一步技术方案是：步骤S2中，先定义3D荧光光谱EEM中发射光谱在矩阵列、激发光谱在矩阵行，SVD分解后，对应于发射光谱的第一特征向量即为阵列检测器的单位本底序列值S1。本专利技术的再进一步技术方案是：在步骤S2中，如果发射光谱和激发光谱在3D荧光光谱中行列与定义不同，则转置成定义的要求。本专利技术的再进一步技术方案是：在步骤S2中，在求取阵列检测器的单位本底序列值S1后，将单位本底序列值S1与矩阵MB中任意一列求取相关系数，如果相关系数为负值，则单位本底序列值S1需要乘以-1反向输出。由于采用上述技术方案，本专利技术之快速消除3D荧光本底噪声的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：1.可省去空白切换和扫描时间由于本专利技术是获取系列空白光谱，采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。因此，本专利技术针对阵列检测器的3D荧光光谱仪，利用3D光谱的数据冗余，不做空白测量，直接消除样品光谱的检测器本底噪声，实现一次样品测量后输出降噪的3D荧光光谱；因此，本专利技术可以省去空白切换和扫描时间。2.缩小数据存储量由于本专利技术可实现一次样品测量后即可输出降噪的3D荧光光谱，无需分别测量空白和样品，大大缩小了数据存储量。3.可实现降低操作成本的目的由于本专利技术不做空白测量，直接消除样品光谱的检测器本底噪声，实现一次样品测量后输出降噪的3D荧光光谱；因此，本专利技术可实现降低操作成本的目的。下面，结合附图和实施例对本专利技术之快速消除3D荧光本底噪声的方法的技术特征作进一步的说明。附图说明图1：实施例一中直接采集到的样品原始光谱图，图2：实施例一中样品原始光谱的空白背景图，图3：实施例一中样品原始光谱扣除空白背景后的EEM图，图4：实施例一中阵列检测器的单位本底序列值，图5：350nm激发的发射光谱随扣减步长的熵值变化情况，图6：扣减前后的发射光谱变化图，图7：按照本专利技术步骤得到的消除本底噪声后的3D荧光图，图8：对图7进行高斯降噪的效果图。具体实施方式一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，该方法是获取系列空白光谱，采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。该方法包括以下步骤：S1.空白光谱获取：适当选择更长一些的激发波长范围，例如大部分仪器可达到的大于750nm的波段，留出部分无荧光发射光谱的波长段，测量样本的3D荧光图谱，选择留出部分用于求取单位本底特征的系列空白光谱。或者对于固定的仪器，也可以做一次空白扫描，存储为空白谱，在需要消除本底噪声时调用即可，以后再次测量无需重新测量。S2.求取检测器单位本底序列值对获取的系列空白光谱构成矩阵MB，进行奇异值分解；定义3D荧光光谱EEM中发射光谱在矩阵列、激发光谱在矩阵行，奇异值分解后，对应于发射光谱的第一特征向量即为阵列检测器的单位本底序列值S1；如果发射光谱和激发光谱在3D荧光光谱中行列与定义不同，则转置成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，其特征在于：该方法是获取系列空白光谱,采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。

【技术特征摘要】
1.一种快速消除3D荧光本底噪声的方法，其特征在于：该方法是获取系列空白光谱,采用投影回归操作，找出阵列检测器的单位本底序列值S1；在各个发射光谱中逐步扣除单位本底序列值S1，以扣减后信号的熵值判断本底强度，每个扣减后的发射光谱熵值最小时，为阵列检测器本底响应被扣除。2.根据权利要求1所述的快速消除3D荧光本底噪声的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1.空白光谱获取；S2.求取单位本底序列值对获取的系列空白光谱构成矩阵MB，进行奇异值分解；奇异值分解后，对应于发射光谱的第一特征向量即为阵列检测器的单位本底序列值S1；S3.本底消除的熵值判断对每一组发射光谱，逐步扣减单位本底序列值S1，当单位本底序列值S1的影响降低至最小值，对应的扣减光谱的熵值也达到最小，而进一步增加扣减，单位本底序列值S1的影响又会反向增加；把对应熵值达到最小时所判断出的扣减光谱，作为消除了检测器本底噪声的发射光谱输出；将每个激发波长对应发射光谱逐一完成扣减，即可完成完整的3D荧光光谱的本底消除。3.根据权利要求2所述的快速消除3D荧光本底噪声的方法，其特征在于：步骤S1的具体过程包括：采集样本的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志湘，姚桔，粟晖，
申请(专利权)人：广西科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45