[发明专利]用于水质分析的三维荧光光谱信号纯化与增强方法

说明书

一种用于水质分析的三维荧光光谱信号纯化与增强方法，通过消除物质吸收特性给荧光光谱带来的影响，解决荧光峰重叠和荧光信号弱的问题；该方法首先对三维荧光光谱修正吸收特性因子[1‑10^‑A(λex)]，得到纯化和增强的荧光信号；再利用维纳滤波原理来优化算法，避免噪声放大和奇异点出现。本发明有助于在后续水污染物分析中，从根源上提高荧光光谱信号质量，使微弱信号得到增强，接近的荧光峰得到展开，从而提高水质分析效果。

技术领域

本发明涉及一种用于水质分析的三维荧光光谱信号纯化与增强方法。

背景技术

荧光光谱技术由于具有灵敏度高、快速、无二次污染、免试剂等优点，在水质分析中得到了广泛的应用。其中最具有发展潜力的是三维荧光光谱，即同时扫描激发和发射波长生成的荧光激发-发射矩阵(EEM)。由于三维荧光光谱中蕴含大量的信息，也被称作化合物的指纹。

虽然利用三维荧光光谱的水质分析近年来已经得到了广泛的研究，但是荧光信号微弱、不同化合物的荧光峰之间重叠严重等问题目前仍然没有从根本上得到很好地解决，这也限制了这一技术的发展。对于重叠的荧光峰，常用的分析方法包括图像处理方法、小波分解、独立成分分析、平行因子分析、非负矩阵分解等。然而，这些方法主要是从数学统计的角度出发的，而并没有从根源上分析产生荧光峰重叠的内在原因和相关理论，故而在这些方法中光谱信号本身质量没有得到提高。这导致，在荧光峰重叠较严重时，仅使用这些数学方法很难将重叠的荧光峰信号分开，方法中得到的子成分中常常出现错误信号、光谱扭曲、负值等问题。

事实上，根据荧光产生原理，在被测的EEM中有两个独立的信息来源:荧光量子产率(荧光性质)和吸光度(吸收性质)。其中吸收特性以[1-10^-A(lex)]相乘因子的形式存在。由于不同物质的吸收波段差异不大，相比于荧光峰而言，吸收峰更容易出现重叠。所以，当吸收光谱中出现吸收峰重叠或某些波长处吸光度接近于0时，都会以相乘的形式由[1-10^-A(lex)]因子引入到荧光信号中，加剧了三维荧光光谱中的荧光峰重叠和荧光信号减弱。因此，物质吸收特性的影响是引起三维荧光光谱信号弱、荧光峰重叠的重要原因。与此同时，在荧光分析中，更需要物质真实的、纯粹的荧光特性，然而直接测得的EEM中仍然夹杂着物质的吸收特性。

因此，针对物质吸收特性带来的影响，我们需要寻找一种荧光信号纯化与增强方法，通过消除吸收特性对三维荧光光谱的影响，解决荧光峰重叠和荧光信号弱的问题。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供一种用于水质分析的三维荧光光谱信号纯化与增强方法，通过消除物质吸收特性给荧光光谱带来的影响，解决荧光峰重叠和荧光信号弱的问题。该方法首先对三维荧光光谱修正吸收特性因子[1-10^-A(lex)]，得到纯化和增强的荧光信号；再利用维纳滤波原理来优化算法，避免噪声放大和奇异点出现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于水质分析的三维荧光光谱信号纯化与增强方法，包括以下步骤：

1)对三维荧光光谱修正吸收特性因子[1-10^-A(lex)]以得到纯化和增强的荧光信号，过程如下：

11)消除入射光强光谱分布影响，包括：

根据荧光产生原理，荧光强度正比于物质吸收光的强度，如公式(1)。

其中，φ(λ_ex,λ_em)是各波长处的荧光量子产率，F、E₀和A分别是荧光强度、入射光强度和吸光度，k是常数；由于入射光强E₀(λ_ex)中包含光源的光谱分布特性，对于不同仪器设备测量出来的荧光光谱会有所不同，因此需要消除入射光强光谱分布带来的影响；