便攜式拉曼光譜檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)

張景輝+李德生+孫立民+譚翬

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 2095-2163（2017）06-0061-05

Abstract： The paper develops rapid detection software based on portable Raman spectrometer， and realizes the rapid detection， analysis and identification. Then， the paper discusses in detail the function of the software， the operation process and the identification process of the material. Finally， taking sodium benzoate as an example， the paper shows the effect of the software.

0引言

拉曼光譜（Raman spectra）分析技術(shù)是基于拉曼散射效應(yīng)而發(fā)展起來(lái)的光譜分析技術(shù)，是一種對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行“指紋”識(shí)別的分析技術(shù)，具有快速、簡(jiǎn)單、無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)。拉曼光譜設(shè)備經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前分辨率越來(lái)越高，穩(wěn)定性也越來(lái)越強(qiáng)，雖然配套的專(zhuān)業(yè)軟件不少，但都需要具備專(zhuān)業(yè)的知識(shí)才能使用，并且在分析過(guò)程中還需要設(shè)置各種參數(shù)，并經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，才能獲得最佳的結(jié)果，目前主要應(yīng)用在科研領(lǐng)域。

隨著現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求越來(lái)越多，迫切需要一種便攜式的，普通人員也能操作的，能夠快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便攜式拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)。為滿足市場(chǎng)的需求，煙臺(tái)富耐立儀器科技有限公司設(shè)計(jì)推出了新一代的表面增強(qiáng)型拉曼光譜儀，在此基礎(chǔ)上，煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院與煙臺(tái)富耐立儀器科技有限公司合作，為該光譜儀開(kāi)發(fā)一套應(yīng)用于食品、藥品、毒品等領(lǐng)域的基于拉曼光譜的快速檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品的快速檢測(cè)和計(jì)算分析，并給出最終識(shí)別結(jié)果。

1便攜式拉曼光譜儀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

便攜式拉曼光譜儀主要由樣品盒、光纖探頭、激光器、光柵分光系統(tǒng)、傳感器、信號(hào)處理及驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)及其檢測(cè)軟件組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。光譜儀采用的激光波長(zhǎng)為785 nm和532 nm，配有可充電電池。通過(guò)對(duì)激光器、光柵分光系統(tǒng)和傳感器、信號(hào)處理及驅(qū)動(dòng)電路、電池等模塊的小型化、緊湊化的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，整個(gè)拉曼光譜儀的主體結(jié)構(gòu)只有30×18×12（cm）大小。

在此基礎(chǔ)上，外加一條電源線，一個(gè)樣品盒、一條光纖探頭和一臺(tái)配套的11英寸筆記本電腦，整個(gè)系統(tǒng)緊致小巧，一個(gè)15寸的小型行李箱可以隨意拎走，攜帶十分方便，如圖2所示。而且由于系統(tǒng)配有可充電電池，更加適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)、尤其是臨時(shí)性的野外現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需要。

2檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)

檢測(cè)軟件基于微軟的.Net framework架構(gòu)，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。通過(guò)光譜儀的驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)設(shè)置光譜儀的各種參數(shù)，獲得檢測(cè)樣品的圖譜數(shù)據(jù)。檢測(cè)軟件分兩部分：一是供技術(shù)人員使用的科研模塊，二是供普通人員使用的快速檢測(cè)模塊。在兩個(gè)模塊中，都提供了設(shè)備校準(zhǔn)功能（點(diǎn)擊“設(shè)備校準(zhǔn)”按鈕后，軟件會(huì)彈出設(shè)備校準(zhǔn)操作說(shuō)明，逐步指導(dǎo)用戶環(huán)節(jié)操作），以確保設(shè)備移動(dòng)后仍能提供精確的檢測(cè)。

2.1科研模塊

如圖3所示，科研模塊供專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和科研人員做科學(xué)分析使用，提供了盡可能多的功能。允許用戶設(shè)置各種參數(shù)，并能在執(zhí)行前判斷設(shè)置的參數(shù)是否有錯(cuò)，有錯(cuò)的話能給出提示和建議；允許用戶以單次或無(wú)限次循環(huán)方式檢測(cè)樣品；在獲得檢測(cè)樣品的圖譜數(shù)據(jù)后，以曲線形式顯示在窗口中，能使用多種算法（基線校正、去除背景、濾波等）對(duì)圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在一個(gè)窗口中最多可以同時(shí)繪制五條不同顏色的圖譜曲線，可以對(duì)曲線定制局部的縮放，實(shí)現(xiàn)了曲線坐標(biāo)位置的光標(biāo)跟隨，以方便技術(shù)人員對(duì)曲線進(jìn)行對(duì)比分析；能夠?qū)η€尋峰并按峰值位置與軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配識(shí)別；能夠讀取并顯示TXT或CSV格式的圖譜數(shù)據(jù)，能夠以TXT或CSV格式保存計(jì)算機(jī)屏幕上的曲線的圖譜數(shù)據(jù)；能夠把圖譜數(shù)據(jù)保存在軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供日后使用；能夠保存屏幕上圖譜曲線圖片，還能夠打印或以PDF格式保存圖譜識(shí)別報(bào)告。

2.2快速檢測(cè)模塊

快速檢測(cè)模塊是為不懂專(zhuān)業(yè)技術(shù)的普通人員使用的。為保證檢測(cè)人員能夠簡(jiǎn)單、迅速地使用儀器進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，人們把各種物質(zhì)的檢測(cè)樣品制作方法、拉曼儀器設(shè)置參數(shù)、拉曼圖譜識(shí)別數(shù)據(jù)等信息制作成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入到軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中。為方便用戶操作，該模塊采用向?qū)皆O(shè)計(jì)，用戶在檢測(cè)時(shí)，只需要按照向?qū)崾疽徊揭徊揭佬蝽樠酉嚓P(guān)操作即可。操作步驟如下：

1）選擇檢測(cè)模塊，比如食品檢測(cè)模塊、藥品檢測(cè)模塊等。

2）選擇分類(lèi)，比如添加劑，防腐劑等。

3）選擇要檢測(cè)的物質(zhì)，比如三聚氰胺、苯甲酸鈉等。

4）選擇檢測(cè)物質(zhì)的環(huán)境，比如奶粉中的三聚氰胺、醬油中的苯甲酸鈉檢測(cè)。

5）查看檢測(cè)樣品制作方法說(shuō)明，按照要求制作檢測(cè)樣品，并放入檢測(cè)盒中。

6）點(diǎn)擊檢測(cè)按鈕，軟件提取并設(shè)置該檢測(cè)方法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)，然后開(kāi)始檢測(cè)，獲取檢測(cè)樣品的圖譜數(shù)據(jù)后，對(duì)圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列計(jì)算，然后識(shí)別該檢測(cè)物質(zhì)，最后給出檢測(cè)結(jié)果。

7）打印或以PDF格式保存檢測(cè)報(bào)告。報(bào)告中包括檢測(cè)樣品的曲線、識(shí)別物質(zhì)的曲線、檢測(cè)條件和檢測(cè)結(jié)果及其它相關(guān)信息。快速檢測(cè)模塊檢測(cè)樣品時(shí)的內(nèi)部設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

如果設(shè)備有移動(dòng)或需要校準(zhǔn)，可以先按照校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)設(shè)備，然后再進(jìn)行檢測(cè)；如果設(shè)備已經(jīng)校準(zhǔn)過(guò)，放入檢測(cè)物質(zhì)直接點(diǎn)擊“開(kāi)始檢測(cè)”按鈕，軟件即可按照?qǐng)D4中的流程進(jìn)行檢測(cè)。識(shí)別結(jié)果為陽(yáng)性，表示樣品中含有該物質(zhì)；識(shí)別結(jié)果為陰性，表示樣品中未含有該物質(zhì)。如果識(shí)別結(jié)果為陰性后認(rèn)為需要重新檢測(cè)，只需要再點(diǎn)擊程序中的“開(kāi)始檢測(cè)”按鈕重新檢測(cè)或先校準(zhǔn)設(shè)備后再擊程序中的“開(kāi)始檢測(cè)”按鈕重新檢測(cè)即可。檢測(cè)完成后，填寫(xiě)檢測(cè)報(bào)告中的可編輯信息（送檢人、樣品名稱、樣品編號(hào)等）后即可打印或保存檢測(cè)報(bào)告。endprint

樣品識(shí)別流程包括對(duì)樣品圖譜數(shù)據(jù)的處理和識(shí)別兩個(gè)步驟。圖譜數(shù)據(jù)處理的目的是去除圖譜數(shù)據(jù)中的熒光干擾和對(duì)圖譜曲線進(jìn)行平滑操作以去除微小的毛刺峰，確保尋峰的準(zhǔn)確度。不同的檢測(cè)方法按照不同的參數(shù)對(duì)圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校正、平滑操作以及尋峰操作。尋峰完成后，根據(jù)特征峰來(lái)求得數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，并根據(jù)預(yù)設(shè)的匹配度值和相似度值給出識(shí)別結(jié)果，識(shí)別流程如圖5所示。

2.3應(yīng)用程序的具體設(shè)計(jì)

2.3.1軟件錯(cuò)誤提示

2.3.3多線程

根據(jù)用戶設(shè)置的檢測(cè)參數(shù)的不同，光譜儀檢測(cè)樣品時(shí)需要的時(shí)間也不同，短的有十幾秒，長(zhǎng)的有幾十秒、甚至上百秒，循環(huán)方式檢測(cè)時(shí)除非用戶手動(dòng)停止，否則光譜儀一直在不停地循環(huán)檢測(cè)，并不斷刷新窗口中的拉曼譜圖曲線。由于檢測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，單線程操作的過(guò)程中軟件很難及時(shí)響應(yīng)用戶的其它操作。為加強(qiáng)與用戶的交互，及時(shí)響應(yīng)用戶的操作，在程序中多處使用了多線程的操作，單次掃描的多線程代碼如下：

3軟件運(yùn)行效果

以食品中常用的防腐劑苯甲酸鈉（化學(xué)式：C6H5CO2Na）為例，圖8是0.5 mol/l的苯甲酸鈉，從中可以看到結(jié)果中比較明顯的特征峰的位移為1 003、1 390、1 601和3 074。圖9是從超市中購(gòu)買(mǎi)的含有苯甲酸鈉的白醋，譜圖中較為明顯的特征峰的位移為483、892、1 437和2 943，明顯和苯甲酸鈉的特征峰的位移不一致。這不奇怪，因?yàn)榘状字械谋郊姿徕c含量本來(lái)就很低，再加上白醋有多種成分，可能存在相互干擾，所以較明顯的特征峰肯定不是苯甲酸鈉的特征峰，苯甲酸鈉的特征峰應(yīng)該存在白醋譜圖中底部的小峰中。圖9中密密麻麻的標(biāo)簽為調(diào)整尋峰參數(shù)后得到的特征峰標(biāo)簽。

拉曼光譜中的物質(zhì)識(shí)別是以物質(zhì)的特征峰的位置作為識(shí)別標(biāo)志的，以圖8中苯甲酸鈉的4個(gè)明顯的特征峰為標(biāo)準(zhǔn)，匹配圖9中的白醋中的特征峰，得到了75%的識(shí)別率，即4個(gè)特征峰識(shí)別出了3個(gè)，可以證明白醋中含有苯甲酸鈉。若修改匹配算法，再稍放大特征峰的識(shí)別位移誤差，可以得到100%的匹配。軟件的識(shí)別效果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4結(jié)束語(yǔ)

目前該系統(tǒng)的軟硬件都已經(jīng)開(kāi)發(fā)結(jié)束并投入市場(chǎng)，配套（下轉(zhuǎn)第69頁(yè)）的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)也已經(jīng)達(dá)到數(shù)百條記錄，每條數(shù)據(jù)都由煙臺(tái)富耐立儀器科技有限公司的科研人員反復(fù)測(cè)試、分析后制作完成。根據(jù)客戶的反饋來(lái)看，系統(tǒng)很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，滿足了客戶的需要。目前公司的科研人員正在根據(jù)客戶的要求不斷地制作更多檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而高效滿足各領(lǐng)域?qū)τ诳焖贆z測(cè)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHANG Zhimin， CHEN Shan，LIANG Yizeng，et al. An intelligent backgroundcorrection algorithm for highly fluorescent samples in Raman spectroscopy [J]. Journal of Raman Spectroscopy， 2009，41（6）：659-669.

[2] Synytsya A，Judexova M，Hoskovec D，et al. Raman spectroscopy at different excitation wavelengths （1 064， 785 and 532 nm） as a tool for diagnosis of colon cancer [J]. Journal of Raman Spectroscopy， 2014， 45（10）： 903-911.

[3] 胡耀垓，趙正予，王剛. 基于小波的光譜信號(hào)基線校正和背景扣除[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（6）：36-40.

[4] 劉安琪，李攻科，胡玉玲，等. 表面增強(qiáng)拉曼光譜快速檢測(cè)食品添加劑的研究進(jìn)展[J]. 食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)， 2015，6（6）： 2214-2223.

[5] 劉可滇. 便攜式拉曼光譜儀的設(shè)計(jì)[J]. 分析儀器， 2009（4）： 22-25.

[6] 孫振華，余鎮(zhèn)崗，黃梅珍，等. 小型化拉曼光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 光電子·激光，2015，26（6）：1132-1137.

[7] 楊志明，亓夫軍，鐘石磊 ，等. 水下激光拉曼光譜探測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，39（S1）：475-478.

[8] 廖艷林，劉曄，曹杰，等. 一種基于光纖器件的表面增強(qiáng)拉曼散射光譜檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)激光，2012，39（7） ：0715002-1-0715002-5.

[9] 翟晨，彭彥昆，Chao Kuanglin，等. 農(nóng)畜產(chǎn)品安全無(wú)損檢測(cè)掃描式拉曼光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（12）：279-284.

[10]范賢光，梁駿，王昕，等. 等離激元增強(qiáng)拉曼光譜食用合成色素快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2016，36（8）：2487-2491.endprint