一种用于暗场单粒子散射谱重建的校准方法

1.本发明涉及暗场单粒子散射光谱学和数字信号处理领域，具体涉及一种可用于暗场高光谱重建的校准方法。


背景技术：

2.暗场单粒子散射光谱学是一种利用暗场高光谱显微镜系统提取、重建和分析单贵金属纳米颗粒散射谱的学科。贵金属纳米颗粒作为近年来的热门纳米传感器，被广泛应用于生化检测等领域。暗场显微镜系统作为最主要的贵金属纳米颗粒表征方式之一，越来越受到重视。其稳定性、准确性、高通量和检测速度逐渐成为限制该领域发展的技术制约。
3.在暗场单粒子散射谱的提取和重建过程中，电机稳定性、控制算法、分光精度、系统效率、暗场聚光镜设计、光路设计、ccd/cmos滤噪、图像处理算法等诸多技术保障了最终贵金属单粒子散射谱的准确性。每一环的精准保证了最终结果的准确性。暗场系统一般分为两类，一类为在入射光处分光的波长扫描型，另一类为在ccd/cmos等光信号接收器分光的机械扫描型。前者入射光在分光时，所得单色光实际为具有带宽的准单色光，此效应引起的系统固有误差，一般被业内科研和工业人员忽视。然而，据实验研究，此误差影响并不小，在低成本暗场系统中尤为明显，已经严重影响到了检测结果的准确性。
4.本发明为一种可用于暗场高光谱重建的校准方法，采用数字信号处理的方法，分析并矫正了系统误差，提高了暗场系统的检测精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提高暗场传感系统的检测精度，该方法可以分析并校准暗场传感系统的固有误差。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种可用于暗场高光谱重建的校准方法，其包括用曲顶采样过程分析暗场传感系统，可以推导得出检测光谱的半高宽公式，进而得到误差来源。然后，采用三种数学方法，对比、分析并矫正该误差。第一种是数值近似方法，采用传统的福格特函数；第二种是采用精确数值解，通过求解构造的对角稀疏矩阵与光谱矩阵点乘的矩阵方程；第三种是采用推导的近似解析解。
8.其中，所述暗场传感系统是提取单纳米颗粒散射光信号的波长扫描型暗场系统。分光元件可以是电机控制的光栅或液晶可调谐滤光片。
9.其中，所述高光谱重建技术，是将所获得的每个波长的单粒子光强，通过洛伦兹拟合，得到该粒子在整段扫描范围光谱的技术。
10.其中，曲顶采样过程区别于理想冲激序列采样，是一种采样序列为高斯曲面顶的特殊采样过程，此过程由于采样序列存在半高宽，因此导致结果失真，是本发明解决的根本问题。其数学描述为一个洛伦兹和高斯卷积过程：i
sca
(λ)＝g(λ)*i(λ)，g(λ)代表入射准单色光，i(λ)为高斯型曲顶采样序列。代表粒子散射谱，为洛伦兹线型。
11.其中，福格特函数是一种在天体物理学、等离子物理学、中子散射、激光光谱学等学科中常用的函数，此处迁移到暗场光谱处理中。其公式为：v(λ，f)＝η
·
i(λ，f)+(1-η)
·
g(λ，f)。其结果为洛伦兹和高斯卷积的近似值。
12.其中，精确数值解的矫正方法，是将检测得到的粒子光谱构建1*m的矩阵，此矩阵为行矩阵。再将入射单色光矩阵构建为大型稀疏对角矩阵，将二者点乘，即可得到矫正结果。其数学表示为：i
sca
＝g
×
i或其中，g为入射光矩阵，i为检测得到的粒子散射谱。
13.其中，近似解析解，是将检测光谱做近似高斯拟合，与高斯曲顶采样信号做卷积后，可以得到解析解
14.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
15.1、本发明揭示了暗场系统普遍存在的固有误差，采用信号系统理论和光散射理论阐释了其机理，并对误差进行了矫正。该发明对物理化学表征设备研发和工业应用具有指导借鉴意义。
16.2、本发明的矫正方法有三类，均可解决该问题，但各具特点。福格特函数法是传统方法，由其他领域迁移而来，认可度高；精确数值解是利用计算机的算力，得到更精确的校正值；近似解析解直观表述了机理，可方便简洁地矫正误差。
17.3、本发明可提高检测结果的准确性，对分析电子转移、纳米传感器表面变化等物理化学现象具有重要意义。
附图说明
18.图1为本发明检测单纳米粒子所用的暗场显微系统的示意图；
19.图2为本发明的系统误差分析；
20.图3为本发明的精确数值解方法示意图；
21.图4为本发明矫正误差的机理示意图；
22.图1中标记：1、卤素灯发出的白光；2、单色仪；3、准单色光；4、暗场聚光镜；5、载玻片；6、金纳米粒子；7、金纳米粒子的散射光；8、显微镜物镜；9、显微镜物镜收集的散射光；10、ccd工业相机；11、单粒子散射谱。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下内容对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.参照图1，暗场传感系统，卤素灯出射的白光经过单色仪分光，将准单色光入射改装的暗场聚光镜，聚焦在载物台的纳米样品上。其散射光被安装在目镜上的ccd工业相机捕捉并在计算机终端成像。经过图像处理，粒子光谱被重建并洛伦兹拟合。
25.参照图2，系统误差随着入射光的单色性降低而指数增加。对于大多数非激光暗场
系统，此误差是不能被忽略的。
26.参照图3，精确数值解的矫正方法，g为构建的入射光矩阵，y为检测到的散射谱行矩阵，利用计算机通过矩阵运算，可以得到精确的矫正光谱。
27.参照图4，矫正误差的机理示意图，入射光的波长从400nm随时间变化到800nm，与待测粒子散射谱卷积采样后，得到粒子散射谱的实验值。该实验值与真实值存在误差，可通过本发明矫正。
28.通过采用上述技术方案：
29.在一种实施例中，本发明可先通过光谱仪检测入射光的单色性，得到带宽值。利用暗场传感系统，得到单粒子散射谱后，可以通过本发明的暗场传感系统，得到单粒子散射谱后，可以通过本发明的反推出真实散射谱。
30.在一种实施例中，本发明可先通过光谱仪检测入射光的形状，利用高斯函数拟合后，构建入射光矩阵。利用暗场传感系统，得到单粒子散射谱后，可以通过本发明的精确数值解方法反推出真实散射谱。
31.在一种实施例中，本发明可先通过福格特函数构建如图2的图表，然后利用光谱仪检测入射光的带宽值。利用暗场传感系统，得到单粒子散射谱后，可以通过图表，查表推出真实散射谱。
32.在上述实施例中，具体操作需根据样液中目标粒子检测需要进行调整。此外以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种用于暗场单粒子散射谱重建的校准方法，其特征在于：所述校准机理基于数字信号系统和光散射原理；所述三类校准方法，第一种是数值近似方法，采用传统的福格特函数；第二种是采用精确数值解，通过求解构造的对角稀疏矩阵与光谱矩阵点乘的矩阵方程；第三种是采用推导的近似解析解。2.根据权利要求1所述的校准机理，其特征在于：采用数字信号处理的思想和光散射原理，而不是传统的物理化学思想来表征暗场传感系统。采用曲顶采样过程等效处理暗场单粒子散射谱的提取过程，得到数学表达i
sca
(λ)＝g(λ)*i(λ)，g(λ)代表入射准单色光，i(λ)为高斯型曲顶采样序列。3.根据权利要求1所述的三类校准方法，其特征在于：方法一将在天体物理学、等离子物理学、中子散射、激光光谱学等学科中常用的函数福格特函数迁移至此处，利用其本质相同的特点，近似校准；方法二，将入射光谱和粒子散射谱离散化，构建i
sca
＝g
×
i或其中，g为入射光矩阵，为大型对角稀疏矩阵，i为检测得到的粒子散射谱，为行矩阵，求解矩阵方程即可得到校准值；方法三，近似将洛伦兹线型的粒子散射谱近似为高斯线型，推导得到的解析解，可简易直接地得到校准值。

技术总结
本发明涉及暗场单粒子散射光谱学和数字信号处理领域，具体涉及一种可用于暗场高光谱重建的矫准方法。本发明公开了一种可用于暗场高光谱重建的矫准方法，其包括用曲顶采样过程分析暗场传感系统，可以推导得出检测光谱的半高宽公式，进而得到误差来源。然后，采用三种数学方法，对比、分析并矫正该误差。第一种是数值近似方法，采用传统福格特函数；第二种是采用精确数值解，通过求解对角稀疏矩阵与构造的光谱矩阵点乘的矩阵方程；第三种是采用近似解析解。本发明分析并矫正了系统误差，提高了暗场系统的检测精度。系统的检测精度。系统的检测精度。


技术研发人员：刘国华 杜谦 张文嘉
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2021.05.10
技术公布日：2022/11/10