校正光谱仪中的振幅变化的方法与流程

校正光谱仪中的振幅变化的方法
1.本发明涉及一种补偿属于用于从保持在样品保持器中的未知样品生成光谱数据的类型的光谱仪的输出中的振幅变化的方法，并且具体地涉及补偿由于通过样品保持器的光学路径长度的变化而引起的振幅变化。
2.在用于从未知样品生成光谱数据的典型光谱仪中，光发射器和光检测器被配置成限定讨论中的样品被定位于其中以便使所述样品与光相互作用的光路径。通常，如包括用于液体或颗粒样品的样品比色皿的样品保持器用于将样品以可重复方式保持在光路径内。样品保持器具有内部样品收纳体积并且设置有表面，通常是相对的表面，所述表面的至少部分是与样品相互作用的光可透过的。这些透明部分之间的间隔划定出通过样品保持器并且因此通过保持在样品保持器中的样品的光学路径长度。
3.在任何光谱仪中获得必要的光谱数据的常用方式是通过生成样品的透明度(或吸光度)光谱。为此，获得了所谓的单波束光谱(sbs)，其包括与样品和光谱仪两者有关的光谱数据。为了分离出与样品有关的光谱数据，通常会在所谓的零材料如水或水基物质(例如，如果要测量的样品是液体的话)或空气(例如，如果要测量的样品是固体的话)上测量类似的单波束光谱(sbz)。此类单波束光谱sbz包含与光谱仪相关的与对样品光谱sbs产生的影响一样的影响，但是归因于样品的影响不存在。然后采用零材料光谱来提供跨光谱数据收集于其内的光谱区域的波长相关零电位。
4.随后将样品的单波束光谱(sbs)除以零材料的单波束光谱(sbz)，所述两个单波束光谱的波长在所有相应光谱中是相同的，以获得样品的所谓的双波束光谱(dbs)，所述双波束光谱是样品相对于零材料的透明度光谱并且实质上仅与样品的透射性能有关。众所周知，取所述透明度光谱的负log
10
会得到样品的吸光度光谱。这些操作是在计算装置的算术单元中执行的，所述计算装置与光谱仪相关联并且与光谱仪集成设置或单独设置但与光谱仪操作连接，例如呈适当编程的个人计算机的形式。
5.随着时间的流逝，光谱仪的输出往往会有所改变。这种改变的一方面可以被描述为由于在不同的时间在两个其它方面类似的光谱仪中或在同一光谱仪的两次运行时在同一样品的相同波长下测量出不同振幅而引起的振幅变化。这通常是由于样品保持器的磨损导致相对透明部分之间的间隔发生变化并且因此导致通过样品保持器的光学路径长度发生变化而导致的。如已知的，根据比尔-朗伯定律(beer-lambert law)，给定波数(波长)下样品对光的吸光度与通过样品的光学路径成比例。因此，随着样品保持器磨损并且光学路径长度变化，光谱仪的输出的振幅也会变化并且需要以规律的间隔得到补偿。
6.为了补偿光谱仪的振幅变化，光谱仪通常要定期进行标准化。可从公开了一种确定通过比色皿中的样品的路径长度偏差的方法的us 9,874,515中获知此种标准化。所述方法包括：在多个波数下使样品暴露于的电磁辐射；确定所述样品中在所述多个波数下的电磁吸收；确定与吸收带，具体地零液体的零波束吸收光谱(sbz)中的水吸收带的第一吸收能级相关联的第一波数和与所述吸收带的第二吸收能级相关联的第二波数，其中所述第二波数与所述第一波数不同；确定所述第一波数与所述第二波数之间的差；以及基于所述差确定路径长度偏差。根据这个路径长度差，强度改变可以使用比尔-朗伯定律计算出来并且可
以补偿随后的光谱测量。
7.不幸的是，如此记录的零波束吸收光谱(sbz)不仅包含关于比色皿中的零材料(例如，零液体)的信息，而且还包含关于在光发射器与光检测器之间的光路径内的包含大气空气中的那些要素在内的要素的背景信息，所述背景信息与所述零材料无关，但是所述背景信息会影响光强度。
8.如us 9,874,515中所公开的，可以使用通风测量，即比色皿仅包括空气的测量来确定这种背景信息。在这种情况下，在光谱分析期间不存在样品，并且单波束光谱包括仅关于样品比色皿、比色皿内的空气、镜子的反射、电磁源的发射光谱、检测器的灵敏度等的信息。然而，典型的比色皿的相对的透明窗口之间的间隔为50μm左右，这使得难以确保在此种背景测量期间所有样品被移除并且仅有空气存在于比色皿中。每次补偿测量都拆卸并彻底干燥比色皿是不切实际的，就像每次补偿测量都用干燥的比色皿替换样品比色皿一样。
9.为了避免如此，还从us 9,874,515获知了对背景光谱进行数学估计。此类估计已经示出在某些情况下和用于某些应用不够准确。
10.根据本发明第一方面，提供了一种校正光谱测定仪器的输出中的振幅变化的方法，所述方法包括：在多个波数下使样品保持器中的未知样品暴露于电磁辐射；由所述光谱测定仪器检测所述未知样品中在所述多个波数下的电磁吸收强度；使得与所述光谱测定仪器相关联的计算机装置可访问针对波数索引的检测到的吸收强度作为光谱数据；以及借助于所述计算机装置将数学变换应用于所述光谱数据以校正所述光谱测定仪器的所述输出中的振幅变化；其中所述方法进一步包括：在所述计算机装置中通过确定在两个不同波数范围下在来自零材料样品的光谱数据的一阶导数下的吸光度值之间的差来计算所述数学变换，所述光谱数据是针对波数索引的检测到的吸收强度；以及计算作为与所确定的差的函数逆相关的所述数学变换。因此，通过计算一阶导数并且随后减去彼此接近的两个信号，对背景光谱的依赖性大大降低。
11.在一些实施例中，计算所述数学变换还包括计算作为吸收光谱中的所选湿度区域的斜率/截距的湿度校正因子。
12.这种湿度校正因子有效地补偿了背景信息中湿度的影响，并且具有这种补偿可以独立于背景信息的任何实际知识来进行这一优点。
13.在这些实施例中，计算所述数学变换包括：确定在两个不同波数范围下在来自所述零材料样品的所述光谱数据的一阶导数下的吸光度值之间的差；以及计算作为与所述所确定的差和所述湿度校正因子之和逆相关的函数的所述数学变换。
14.有用地，所述零材料样品是水基的，具体地名义上纯的水(其中任何杂质或添加剂不会对水的所测量的光谱数据产生可测量差别的水)。这具有在制备零材料样品时的人为误差可以最小化这一优点。
15.通过考虑参考附图对本发明的非限制性示例性实施例的各方面进行的以下描述，与本发明相关联的这些和其它优点可以变得显而易见，在附图中：
16.图1示意性地展示了根据本发明的本发明设备的一个实施例；
17.图2展示了图1中所展示的样品保持器的示意性横截面俯视图；
18.图3是展示了根据本发明的一个实施例的确定校正因子的方法的框图；
19.图4是水的一阶导数单波束光谱的图形表示；
20.图5是图7中所展示的水的单波束光谱的区域的图形表示，所述区域示出了湿度校正的波数位置；
21.图6是牛奶的未经校正的吸光度光谱的图形表示；
22.图7是水的单波束光谱的图形表示；并且
23.图8是根据本发明的方法校正的牛奶的吸光度光谱的图形表示。
24.在下文中，将在吸收光谱仪的上下文中参考图1和2对本发明设备100的一个实施例进行描述。设备100包括辐射装置200、干涉测量布置300、检测器400和测量装置500。此外，用于保持要分析的样品的样品保持器600被布置成放置在设备100中。
25.辐射装置200包括被布置成在如图1和2中的字母r所指示的方向上发射多色红外辐射的辐射源210。
26.干涉测量布置300包括实施本领域技术人员众所周知的傅里叶变换光谱法所必要的设备。例如，干涉测量布置300包括准直红外辐射的准直仪以及干涉测量仪中所包括的另外的设备，例如光学组件，如镜子和透镜。
27.检测器400被布置成检测传入的红外辐射，所述传入的红外辐射传输通过样品保持器600，进一步参见下文。
28.测量装置500包括计算机510，所述计算机连接到检测器400以收集关于检测到的红外辐射的未经处理的数据。借助于这种连接，测量装置500被布置成确定沿波数轴线等距定位的离散的多个通道中的透明度。计算机510包括用于处理所收集的数据的处理器、合适的计算软件以及本领域技术人员已知的另外的设备。此外，计算机510被布置成将所收集的数据和经过处理的数据存储在存储器中。根据本发明实施例，使用使用傅里叶变换算法的例程是为了将来自检测器400的未经处理的数据变换成关于作为波数的函数的强度的数据。此外，计算机510被布置成以图形方式用二维绘图来呈现数据，参见下文所提及的图4-8。
29.在下文中，辐射装置200、干涉测量布置300、检测器400和测量装置500将被称为ftir光谱仪或简称为光谱仪。下文将进一步描述一种校正这种ftir光谱仪的强度偏差(或振幅变化)的方法。
30.将样品保持器600放置于干涉测量布置300与检测器400之间。此外，将样品保持器600布置成保持要通过使红外辐射透过其来对其进行光谱分析的液体样品。例如，所述液体样品可以是牛奶或葡萄酒。在本发明实施例中，所述液体样品主要包括水610，所述水充当参照或所谓的“零”液体，并且所述水的使用是为了对比色皿路径长度偏差进行校正。将水样品610放置于比色皿620中，所述比色皿部分地由氟化钙制成。将比色皿620的外表面成形为矩形平行六面体。比色皿620包括内壁630、窗口元件640、间隔件650、空腔660和用于保持样品610的样品空间622，参见图2中的横截面俯视图。清楚的是，内壁630和窗口元件640是传送通过样品610的红外辐射可透过的。注意，间隔件650不需要是透明的。例如，间隔件650可以由塑料组成。样品空间622的体积可以随着间隔件650的延伸发生改变而改变。实际上，间隔件650产生比色皿620的路径长度。此外，存在用于将样品610引入到样品空间622中的入口670和用于将样品610从空间622中移除的出口680。根据一些实施例，在测量期间使样品610保持运动，从而如图2中的箭头所指示的通过样品空间622从入口670流动到出口680。然而，在其它实施例中，在测量期间使样品610在样品空间622中保持静止，在所述实施例
中，可以省略入口670和出口680。
31.样品空间622中由红外辐射所覆盖的距离被称为路径长度。因为辐射会在图1和图2中的方向r上相对于比色皿620的侧边成直角地传输通过样品610，因此路径长度l与比色皿620在窗口元件640之间的内部长度延伸一致。如果比色皿620有所磨损，则路径长度l将会变化(增加)。
32.事实上，由于与水样品610接触的窗口元件640是由氟化钙制成的，因此所述窗口元件将会随着时间的推移而溶解。在比色皿620的寿命期间，所述比色皿也可能会受到其它化学物质的腐蚀。例如，窗口元件640的厚度t(参见图2)将会随着时间的推移变得更小。因此，路径长度l将会随着时间的推移增加，从而引起路径长度偏差。另外，注意，放置于同一类型的不同设备100中的比色皿默认具有不同的路径长度。例如，不同的路径长度可能是由于不同程度的比色皿溶解造成的，即使比色皿在某个时间点上基本上是类似的。此外，间隔件650的延伸在不同的比色皿620之间可能有所不同，由此引起不同的路径长度。因此，为了使同一类型的不同设备100的特性更加类似并且同一设备100的的特性随时间的推移更加稳定，需要对路径长度的改变进行补偿。
33.下文参考图3的框图描述了根据本发明的校正设备100(此处例如为ftir光谱仪)中的强度偏差的方法的示例性实施例。如下文将进一步理解的，校正路径长度偏差意指校正强度偏差。根据本发明示例性实施例，所述方法利用零液体样品的单波束光谱sbz，所述零液体样品在此处是名义上纯的水样品(所述水样品可以含有少量的其它组分，如按体积计0.01％左右的洗涤剂)，以检测比色皿路径长度中的偏差。在已经使用对水样品的测量校正光谱仪100之后，所述光谱仪可以用于对如牛奶或葡萄酒等其它液体样品进行测量，以便以本领域众所周知的方式对这些样品中的所关注组分进行定量确定。
34.根据本发明方法，可以确定强度校正i
corr
，所述强度校正将在路径长度l的样品保持器中测量到的样品相对于零材料(此处为水)的吸光度值校正成在标准路径长度l0的样品保持器中测量到的那些值这可以通过以下来描述：
[0035][0036]
由此得出，强度校正是两个路径长度之间的比率，如下：
[0037]icorr
＝l0/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0038]
本发明的目的是提供一种可以在不使用吸光度已知的参考材料的情况下通过其确定i
corr
的方法。
[0039]
零材料(此处为水)的单波束光谱sbz的对数变换将强度值(y轴值)转换成吸光度单元，并且然后，可以将单波束光谱sbz分解成其不同的分量，如下：
[0040][0041]
其中sb
空气
是空气的单波束光谱，并且是路径长度l下水相对于空气的吸光度。由等式(3)得出：
[0042]
[0043]
其中是路径长度l0下水相对于空气的吸光度。
[0044]
根据等式(2)，等式(4)可以重写为：
[0045][0046]
为了减小背景的影响，通常到可忽略不计的水平，根据本发明方法计算出一阶导数。背景sb
空气
的导数变化较慢，而水吸收sbz的导数将变化快得多，特别是在水的单波束光谱sbz中的水吸收带的上升沿和下降沿处，因此根据等式(5)：
[0047][0048]
通过获得x轴(波数轴)上彼此靠近的两个不同波数(或范围)x1和x2下的导数，也有可能忽略不计背景中的任何斜率。优选的是，两个不同的波数(或范围)x1和x2被选择成使得在这些点(或范围)下相对于空气的水光谱中的斜率非常不同。这可以在数学上表示为：
[0049][0050]
其可以更简单地重写为：
[0051]
δ(sbz)
/
＝δ(sb
空气
)
/-(1/i
corr
)
·
δa
l0/
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0052]
其中：
[0053][0054][0055]
接下来，可以将背景分解成归因于光路径中的干燥空气的分量sb
空气,干燥
和任选地归因于光路径中的空气中的湿度的分量sb
hum
，因此：
[0056]
δ(sb
空气
)
/
＝δ(sb
空气,干燥
)
/
δ(sb
hum
)
/
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0057]
由等式(8)得出：
[0058]
δ(sbz)
/
＝δ(sb
空气,干燥
)
/
δ(sb
hum
)
/-(1/i
corr
)
·
δa
l0/
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0059]
然后，强度校正i
corr
可以表示为
[0060]
(1/i
corr
)＝(δ(sbz)
/
/δa
l0/
) (δ(sb
空气,干燥
)
/
/δa
l0/
) (δ(sb
hum
)
/
/δa
l0/
)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)或者：
[0061]
(1/i
corr
)＝c1·
δ(sbz)
/
c2 corr
hum
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0062]
值c1、c2和湿度校正(corr
hum
)的公式在使用时需要经实验确定：
[0063]
常数c1仅与标称路径长度l0下水相对于空气的吸收相关；
[0064]
常数c2是对归因于干燥空气的背景的贡献，特别地但在本质上这可能不是设备100的群体的平均贡献；并且
[0065]
校正corr
hum
是基于零材料(此处为水)的单波束光谱sbz中的湿度特征的振幅的校正，并且在所述振幅的影响可忽略不计的一些情况下，可以忽略所述校正。
[0066]
根据本发明，corr
hum
计算为所选湿度区域的斜率/截距，如下：
[0067][0068]
常数c3描述了湿度对强度校正i
corr
的影响；并且
[0069]
常数c4是不存在湿度时两个峰位置处的强度之间的偏移。当峰1和峰2彼此趋近时，此偏移趋近于零。
[0070]
湿度(来自呈气态的水，即水蒸汽)会产生带有条纹图案的红外光谱。这种条纹图案中的谷(峰2)与相邻峰(峰1)之间的比率可以用作光路径中的水蒸气的量的度量。通过在使用路径长度覆盖如50μm到60μm或37μm到44μm等预期变化的比色皿的同一类型的一个或多个设备100上测量水的单波束零光谱sbz来凭经验确定常数c1、c2、c3和c4。采集对已知样品(例如，牛奶或葡萄酒或甘油或其它化学溶液)的光谱的影响，并对常数进行调整直到所有光谱相同为止。这个任务仅需针对给定设备类型执行一次并且在将来用于这种类型的所有设备。
[0071]
在一些实施例中，在执行y轴(振幅)校正之前使单波束光谱的x轴(波数刻度)标准化。这可以通过将数学变换应用于光谱以本领域众所周知的方式实现，通过所述变换使所测量的数据沿x轴标准化。在本发明示例性实施例中，x轴标准化使基于红外范围内的co2峰。
[0072]
如已知的，这种x轴标准化包括：通过提供由设备100所记录的光学光谱且包括源自设备100中的光路径中的大气空气的成分的光谱图案使由设备100所记录的光学光谱的波数刻度标准化；选择源自设备100中的大气空气的成分(此处为空气中的co2)的光谱图案；确定与所选光谱图案相关联的一个或多个波数相关位置值；基于所确定的一个或多个值与所选光谱图案的对应的一个或多个参考值之间的差构建数学变换，并且将所述数学变换应用于随后由设备100记录的光学光谱以使所述波数刻度标准化。
[0073]
另外地，湿度校正corr
hum
可以用于确定强度校正的其它方法中，例如us 9,874,515中所公开的方法，以补偿背景影响。
[0074]
现在将参考图3中所展示的框图对根据本发明的方法的示例性实施例进行进一步描述。方法(框700)包括使具有已知量的至少一种组分(此处为水样品)610的零液体暴露于来自辐射装置200的多色红外辐射(框710)。所述辐射是由图1和图2中的波浪线所展示的。检测器400检测已经传输通过干涉测量布置300、水样品610以及比色皿620的传入红外辐射，由此使用测量装置500确定(框720)范围介于900cm-1
左右与3500cm-1
左右之间的波数的强度水平。更具体地，确定这个范围内的离散的一组，通常是等距分布的波数的强度水平。将针对波数数据索引的强度数据存储在计算机510的存储器中作为零材料的单波束光谱sbz。计算机510使用合适的数学变换对存储的数据进行处理以获得(框730)沿x轴(波数刻度)标准化的log
10
变换强度(或吸光度)水平。
[0075]
至少在1650cm-1
左右的以水吸收为特征的光谱的区域中计算(框740)这个吸光度光谱的一阶导数log
10
(sbz)
/
。这可以使用已知的savitzky-golay算法在计算机510中实现。计算(框740)一阶导数下的两个范围之间的差δ(sbz)
/
，其中两个范围以接近1650cm-1
左右的水带吸收，优选地在水带的较高波数肩部为特征。在本发明实施例中，使用范围1740-1746cm-1
和1844-1850cm-1
。这在图4中由虚线构造展示，所述图展示了由同一类型的多个仪器100(此处为四个仪器：在图4中标记为仪器1、仪器2、仪器3和仪器4)获得的水的代表性一
阶导数单波束光谱。
[0076]
根据等式(13)计算(框750)在使用时的湿度校正corr
hum
以补偿环境湿度对强度校正i
corr
的影响。在本发明实施例中，使用范围1832-1840cm-1
(峰1)和1814-1822cm-1
(峰2)。这在图5中由虚线构造展示，所述图展示了由上文参考图4所提及的相同的多个(此处为四个)仪器100获得的水的代表性单波束光谱。
[0077]
然后计算(框760)作为根据等式(12)计算出的逆强度校正的倒数1/i
corr
的强度校正i
corr
。然后可以将这个强度校正i
corr
应用(框770)于随后由设备100记录的光学光谱以使吸光度强度刻度(y轴)标准化。
[0078]
现在将关于在同一牛奶样品上测量的同一类型的多个仪器100(此处为上文参考图4和图5所提及的四个仪器)的输出的标准化对这种方法的应用的实例进行描述。应当了解，在被陈述为展示了由这四个仪器中的每个仪器进行的测量的以下附图中，仪器之间的变化可能会小到在视觉上表示为重叠。从随附的表格(包含表1到表3)中所呈现的数值可以更好地辨认出这四个仪器之间的差异。
[0079]
在图6中绘制了在同一类型的四个不同仪器100上测量的牛奶的所产生的吸光度对波数。图6中的光谱中的每个光谱表现为二维绘图中的插值曲线，竖轴上为吸光度幅值并且水平光谱轴上为对应的波数。根据可替代地图形呈现，所述绘图可以是散点图。如可以看见的，相同波数下的吸光度值在不同仪器之间略有不同。这将会导致所述仪器中的每个仪器中的以已知方式根据这些吸光度光谱化学计量确定的同一牛奶样品的组分的量有所差异。在将针对脂肪、蛋白质、乳糖、总固体(ts)和无脂肪固体(snf)的预测模型应用于一组(此处为十五个)标准牛奶样品的未经校正的光谱时，获得了所述仪器与其共同均值之间的以下均方根误差(rmsep)-结果以g/100ml为单位：
[0080][0081]
*相对于参数的平均浓度的均值误差。
[0082]
表1：使用每个仪器的未经校正的光谱预测的牛奶组分
[0083]
这种水平的表现对于需要来自不同仪器的结果几乎相同的用户而言是不可接受的。
[0084]
按照根据本发明的方法，在四个仪器中的每个仪器上获得了水的单波束光谱(sbz)(参见图7)，并且在计算机510中确定了这些单波束光谱中的每个单波束光谱的在波数轴上标准化的吸光度光谱的一阶导数。图4中展示了这些一阶导数，其中还描绘了要在其处计算差δ(sbz)
/
的两个区域(虚线)。从图7和图4中可以看出，四个仪器100中的每个仪器的在每个波数下的y轴值略有不同。由仪器100的计算机500来处理所记录的单波束光谱，所述仪器生成相应的光谱以根据由图5中的虚线所展示的两个区域处的强度值确定每个仪器的湿度校正corr
hum
。在每个仪器中，相关联的计算机500然后计算对所述四个仪器中的每个仪器具有特异性的强度校正因子i
corr
。
[0085]
仪器强度校正(i
corr
)10.997920.995330.974040.8823
[0086]
表2：每个仪器的强度校正因子
[0087]
然后可以将每个仪器的校正因子i
corr
应用于由每个仪器收集的吸光度数据(例如，图6中所展示的同一牛奶样品的吸光度数据)，并且使每个仪器的经过校正(或y轴标准化)吸光度数据更接近一致。图8中对此进行了展示，所述图示出了图6中所展示的牛奶的吸光度光谱，但是针对记录相关联的牛奶光谱的仪器用合适的强度校正因子i
corr
校正了每个光谱(参见表2)。
[0088]
当将这个校正应用于一组(此处为十五个)标准化牛奶样品时，在对脂肪、蛋白质、乳糖、总固体(ts)和无脂肪固体(snf)进行预测时发现了仪器与其共同均值之间的以下均方根误差(rmsep)-结果以g/100ml为单位：
[0089][0090]
*相对于参数的平均浓度的均值误差。
[0091]
表3：使用每个仪器的未经校正的光谱预测的牛奶组分
[0092]
与相对于用已知的湿化学方法确定的这些组分的值的0.8％的典型预测误差相比，这些误差非常低。
[0093]
本领域技术人员应当了解，根据本发明的方法的应用允许对同一类型的不同仪器100之间的输出进行更大的标准化以及在通过比色皿620的路径长度变化时对同一仪器100的输出进行标准化。
[0094]
如本领域技术人员应当了解的，作为在波数方面表示关于电磁辐射的光谱信息的替代，可以在不脱离如所要求保护的本发明的情况下使用波长或频率。