一种基于DMD的能够实现光源漂移校正的色散型AFS及方法

摘要

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种基于DMD的能够实现光源漂移校正的色散型AFS及方法；该色散型原子荧光光谱仪通过在狭缝上下两端接入光纤将激发光源信号传输至数字微镜上下两端，通过数字微镜微妙级别的翻转速度实现对数字微镜上下两端的激发光源信号和中间部分的荧光信号检测，并对检测的两信号进行数据处理实现光源漂移校正。

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种基于DMD的能够实现光源漂移校正的色散型AFS及方法。

背景技术

在原子荧光光谱测量中，原子蒸汽浓度与激发光源强度直接影响测量的结果。在仪器各个方面稳定的理想状态下，激发光源的稳定会直接影响测量精度。现有的原子荧光光谱测量中，常用的激发光源是空心阴极灯，空心阴极灯的漂移一直是个难题，尤其是汞灯，其随温度变化光源强度变化很大。其他使用的激发光源如无极放电灯，也有稳定时间长、漂移严重等问题。为消除激发光源强度变化引起的荧光强度变化，需要在测量荧光信号的同时测量激发光源信号，利用激发光源强度和实测荧光信号的强度关系，校正激发光源漂移。目前对于激发光源漂移的检测有以下几种方式：

(1)在空心阴极灯与原子化器间放一块透视镜片，镜片与水平呈一定角度，让激发光源一部分透射过去，另一部分反射，同样用光电倍增管接收，缺点是人为的削弱了激发光源强度。

(2)在空心阴极灯与原子化器之间放一个反射镜的旋转机构，工作方法是空心阴极灯的光源直接照射到原子化器，激发产生荧光通过光电检测器接收，隔一定时间旋转机构工作，让反射镜把光源反射到另一光电检测器，缺点是多了运动机构增大仪器成本。

(3)在原子化器上设置另一个出射光路，在原子化器激发荧光工作前，利用光电检测装置检测通过透镜汇聚到原子化器的光，缺点是不能直接检测到激发光源的光。

在激发光源和原子化器之间设置一个反射镜，反射镜将激发光源的光反射到原子化器进行荧光激发；在反射镜中心位置设置一个孔并接入光纤传输激发光源信号并用检测器检测，缺点是需用两个检测器，增加了仪器成本同时存在检测差异性。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种基于DMD的能够实现光源漂移校正的色散型AFS及方法，该色散型原子荧光光谱仪通过在狭缝上下两端接入光纤将激发光源信号传输至数字微镜上下两端，通过数字微镜微妙级别的翻转速度实现对数字微镜上下两端的激发光源信号和中间部分的荧光信号检测，并对检测的两信号进行数据处理实现光源漂移校正。

一种基于数字微镜的能够实现光源漂移校正的色散型原子荧光光谱仪，包括激发光源1、原子化器2和色散系统，色散系统包括狭缝3、数字微镜5、凹面光栅4和反射镜6；狭缝3放置于原子化器2后方，使待测元素经原子化器2原子化后被激发光源1激发生成的荧光穿过狭缝3进入色散系统，荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，检测器7用于输出荧光信号值；

其中色散系统还包括第一光纤8和第二光纤9，第一光纤8的一端与第二光纤9的一端分别通过固定装置固定连接在狭缝3的上下两端，第一光纤8另一端与第二光纤9另一端均安装在激发光源1与原子化器2之间，将激发光源信号传输至狭缝3上下两端；狭缝3上下两端分别通过第一光纤8与第二光纤9将激发光源信号传输到凹面光栅4，激发光源信号经凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，检测器7用于输出激发光源信号值；

一种应用上述的色散型原子荧光光谱仪进行的通过计算激发光源漂移对荧光信号进行校正的方法，包括如下步骤:

步骤一、确定数字微镜5上下两端无荧光信号区域的范围：

根据荧光在数字微镜5上显示的成像区域来确定数字微镜5上下两端无荧光信号的区域，记录数字微镜5上下两端无荧光信号区域的所在位置及大小，分别记为a_上×b_上和a_下×b_下个像元，其中a_上为数字微镜5上端无荧光信号区域的像元行数，b_上为数字微镜5上端无荧光信号区域的像元列数，a_下为数字微镜5下端无荧光信号区域的像元行数，b_下为数字微镜5下端无荧光信号区域的像元列数；

步骤二、获取荧光信号值和激发光源信号值，其中以下所述的一次测量是指荧光信号值和激发光源信号值分别测量一次；

获取荧光信号值：荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5后，数字微镜5检测荧光信号时按照以下方式进行，具体为：

数字微镜5以相同数量的像元在数字微镜5特定翻转区域内进行多次翻转，每次翻转均将本次翻转区域接收到的荧光反射进入反射镜6，即数字微镜5的每次翻转均得到一个荧光信号值，其中数字微镜5特定翻转区域为数字微镜5除去数字微镜5上端和下端的无荧光信号区域的部分；

数字微镜5每次翻转的像元数量均为(C-a_上-a_下)×N个，其中C-a_上-a_下为数字微镜5每次翻转的像元行数，N＝1，2，3……D，为数字微镜5每次翻转的像元列数，C为数字微镜5的总行数，D为数字微镜5的总列数；

获取激发光源信号值：

激发光源信号经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5后，数字微镜5检测激发光源1信号时按照以下方式进行，具体为：

若数字微镜5上下两端均只有部分区域无荧光信号，每次进行激发光源信号值的测量时，数字微镜5均按照激发光源信号的所在区域进行翻转，数字微镜5的每次翻转均得到一个激发光源信号值；

若数字微镜5上下两端的横向均无荧光信号，每次进行激发光源信号值的测量与数字微镜5上下两端均只有部分区域无荧光信号时相同，或采用下述方式测量激发光源信号值：

每次测量激发光源信号值时数字微镜5上端的翻转区域行数始终为a_上，数字微镜5下端的翻转区域行数始终为a_下，数字微镜5上、下两端的翻转区域对应的列数和每列所在的位置与对应的一次测量中测量荧光信号值相同；

步骤三、利用步骤二测量的一系列激发光源信号值和相应的荧光信号值，计算出激发光源的漂移对荧光信号的影响值，并对荧光信号进行校正。

所述的步骤三中采用以下两种方案中的一种对荧光信号进行校正：

方案一：第一次测量的激发光源信号值记为L₀，之后测量的激发光源信号值记为L₁、L₂、L₃……，之后测量的激发光源信号值分别与第一次测量的激发光源信号值的差值即激发光源信号漂移值，记为ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃，第一次测量的荧光信号值记为IF₀，之后测量的荧光信号值记为IF₁、IF₂、IF₃……，之后测量的荧光信号值分别与第一次测量的荧光信号值的差值即荧光信号漂移值，记为ΔIF₁、ΔIF₂、ΔIF₃……，则由于荧光信号值和激发光源信号值成正比，荧光信号漂移值与激发光源信号漂移值成正比，表示为计算得出荧光信号漂移值校正后的荧光信号值记为IF'₁、IF'₂、IF'₃……，由公式IF'₁＝IF₁-ΔIF₁、IF'₂＝IF₂-ΔIF₂、IF'₃＝IF₃-ΔIF₃……计算得出校正后的荧光信号值；

方案二：取固定数目的激发光源信号值和荧光信号差值，利用拟合算法得到激发光源信号值和荧光信号差值的关系ΔIF＝f(L)；将测得的每一个激发光源信号值L_x(x＝1,2,3……)带入上述关系式中，计算得到相应的荧光信号差值ΔIF_x(x＝1,2,3……)，再利用测得的荧光信号值IF_x(x＝1,2,3……)与通过ΔIF＝f(L)公式计算得出的相应的ΔIF_x(x＝1,2,3……)做差得到校正后的荧光信号值IF'_x＝IF_x-ΔIF_x(x＝1,2,3……)。

所述的步骤二中数字微镜5检测荧光信号的方式，是指数字微镜5每次翻转的区域在特定翻转区域内的行数均为C-a_上-a_下，数字微镜5进行第一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的前N列，数字微镜5进行第二次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第2至第N+1列，数字微镜5进行第三次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第3至第N+2列，以此类推；

当进行荧光信号的全谱测量，即对数字微镜5的全部列进行对应的荧光信号测量时，数字微镜5按照上述方式翻转，直至数字微镜5进行最后一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第D-N+1至第D列。

所述的激发光源1是指空心阴极灯、无极放电灯、激光或ICP。

附图说明

图1为本发明的原子荧光光谱仪结构示意图。

图2为本发明方法中数字微镜上下两端均只有部分区域无荧光信号时的流程示意图。

图3为本发明方法中数字微镜上下两端横向均无荧光信号时的流程示意图。

图4为本发明激发光源漂移对荧光信号影响及校正后荧光信号示意图。

其中：1激发光源；2原子化器；3狭缝；4凹面光栅；5数字微镜；6反射镜；7检测器；8第一光纤；9第二光纤。

具体实施方式

本发明的原理：

数字微镜5作为色散型原子荧光光谱仪的关键部件，起到空间光调制的作用，可通过控制数字微镜5的翻转范围实现在微秒级别检测特定区域的光谱信息。且通过实验现象可知，原子荧光信号只成像在数字微镜5的纵向中间部分，而上下两端无荧光信号或部分无荧光信号。由于在数字微镜5上的光谱信息是色散型原子荧光光谱仪上狭缝3的成像结果，故说明在狭缝3的上下两端部分区域是无荧光信号或荧光信号过低无法检测，此处认为无荧光信号，故可在狭缝3上下两端无荧光信号区域接入光纤传输激发光源信号。

数字微镜简称DMD，原子荧光光谱仪简称AFS。

一种基于数字微镜并实现光源漂移校正的色散型原子荧光光谱仪，包括激发光源1、原子化器2和色散系统，色散系统包括狭缝3、第一光纤8、第二光纤9、数字微镜5、凹面光栅4和反射镜6；

其中狭缝3放置于原子化器2后方，使待测元素经原子化器2原子化后被激发光源1激发生成的荧光穿过狭缝3进入色散系统，荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，检测器7用于输出荧光的信号值；数字微镜5作为空间光调制器接收经凹面光栅4传输的荧光信号；

第一光纤8的一端与第二光纤9的一端分别通过固定装置固定连接在狭缝3的上下两端，第一光纤8另一端与第二光纤9另一端均安装在激发光源1与原子化器2之间(可选择在激发光源1出口处安装一固定装置或者原子化器2中透镜组前安装一固定装置，将光纤接在固定装置上即可)，将激发光源信号传输至狭缝3上下两端；

狭缝3上下两端分别通过第一光纤8与第二光纤9将激发光源信号传输到凹面光栅4，激发光源信号经凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，检测器7用于输出激发光源信号值；数字微镜5作为空间光调制器接收经凹面光栅4传输的激发光源信号。

一种应用上述基于数字微镜并实现光源漂移校正的色散型原子荧光光谱仪进行的通过计算激发光源的漂移对荧光信号进行校正的方法，包括如下步骤:

步骤一、确定数字微镜5上下两端无荧光信号区域的范围：

由于荧光信号强度与数字微镜5上显示的范围成正比，即荧光信号强度越大，数字微镜5上显示的信号范围所占整个数字微镜5的横、纵向面积越大，所以测量含待测元素的样品在数字微镜5上下两端显示的无荧光信号范围作为数字微镜5上下两端的无荧光信号区域，目的是保证经狭缝3引入的激发光源信号不会对荧光信号造成干扰；

对原子化器2内的待测元素进行荧光信号检测，首先用激发光源1照射原子化器2，在原子化器2处生成的荧光穿过狭缝3进入色散系统，荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5，根据荧光在数字微镜5上显示的成像区域来确定数字微镜5上下两端无荧光信号的区域，记录数字微镜5上下两端无荧光信号区域的所在位置及大小，并分别记为a_上×b_上和a_下×b_下个像元，其中a_上为数字微镜5上端无荧光信号区域的像元行数，b_上为数字微镜5上端无荧光信号区域的像元列数，a_下为数字微镜5下端无荧光信号区域的像元行数，b_下为数字微镜5下端无荧光信号区域的像元列数；

其中数字微镜5是由多个小窗口样的镜子组成，每个小窗口样的镜子叫做一个像元；例如数字微镜5的规格是768*1024，则说明该数字微镜5有1024列，768行，即共有768*1024个像元。在此处以数字微镜5规格为768*1024为例，若横向均无荧光信号，则b＝1024，a＝0。

步骤二、获取荧光信号值和激发光源信号值，其中以下所述的一次测量是指荧光信号值和激发光源信号值分别测量一次，即每测量一次荧光信号值之前均先进行一次激发光源信号值的测量或者每测量一次激发光源信号值之前先进行一次荧光信号值的测量；

获取荧光信号值：首先用激发光源1照射原子化器2，在原子化器2处生成的荧光穿过狭缝3进入色散系统，荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，通过检测器7获取荧光信号值；

其中荧光经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5后，数字微镜5检测荧光信号时按照以下方式进行，具体为：

数字微镜5以相同数量的像元从数字微镜5特定翻转区域的一端左端第一列起依次向另一端右端进行多次滚动翻转，每次翻转均将本次翻转区域接收到的荧光反射进入反射镜6，即数字微镜5的每次翻转均得到一个荧光信号值，其中数字微镜5的特定翻转区域为数字微镜5除去数字微镜5上端和下端的无荧光信号区域的部分；

数字微镜5每次翻转的像元数量均为(C-a_上-a_下)×N个，其中C-a_上-a_下为数字微镜5每次翻转的像元行数，N＝1，2，3……D，为数字微镜5每次翻转的像元列数，C为数字微镜5的总行数，D为数字微镜5的总列数；

获取激发光源信号值：数字微镜5上下两端无荧光信号的区域a_上×b_上和a_下×b_下就是指数字微镜5上只存在激发光源信号的区域。

激发光源1通过狭缝3上下两端的第一光纤8与第二光纤9将激发光源信号传输到凹面光栅4，激发光源信号经凹面光栅4反射进入数字微镜5，经数字微镜5反射进入反射镜6，再经反射镜6反射进入检测器7，通过检测器7获取激发光源信号值；其中激发光源信号经色散系统的凹面光栅4反射进入数字微镜5后，数字微镜5检测激发光源信号时按照以下方式进行，具体为：

若数字微镜5上下两端均只有部分区域无荧光信号，每次进行激发光源信号值的测量时，数字微镜5均按照激发光源信号的所在区域进行翻转，数字微镜5的每次翻转均得到一个激发光源信号值；即在每次测量激发光源信号时数字微镜5翻转的像元数量和位置相同，并始终保持数字微镜5上、下两端同时分别翻转a_上×b_上和a_下×b_下个像元；

若数字微镜5上下两端的横向均无荧光信号，每次进行激发光源信号值的测量与数字微镜5上下两端均只有部分区域无荧光信号时相同，或采用下述方式测量激发光源信号值：

由于数字微镜5上下两端的横向均无荧光信号，故数字微镜5上下两端的横向均存在激发光源信号，每次测量激发光源信号值时数字微镜5上端的翻转区域行数始终为a_上，数字微镜5下端的翻转区域行数始终为a_下，数字微镜5上、下两端的翻转区域对应的列数和每列所在的位置与对应的一次测量中测量荧光信号值相同；

即每次测量激发光源信号值时数字微镜5上端的翻转区域行数始终为a_上，数字微镜5下端的翻转区域行数始终为a_下，数字微镜5的上、下两端在进行第一次翻转时，数字微镜5上、下两端的翻转区域均为第1至第N列，数字微镜5在上、下两端进行第二次翻转时，数字微镜5上、下两端的翻转区域均为第2至第N+1列，数字微镜5在上、下两端进行第三次翻转时，数字微镜5上、下两端的翻转区域均为第3至第N+2列，以此类推，当进行激发光源信号的全谱测量，即对数字微镜5上、下两端的全部列进行对应的激发光源信号测量时，数字微镜5上、下两端进行最后一次翻转时，数字微镜5上、下两端的翻转区域均为第D-N+1至第D列。

步骤三、利用步骤二测量的一系列激发光源信号值和相应的荧光信号值，计算出激发光源的漂移对荧光信号的影响值，并对实测的荧光信号进行校正；

本方法的根本目的是使测量的荧光信号与第一次测量的荧光信号一致，从而保证每次测量的荧光值均一致，无漂移，保证测量结果的稳定性。

给出两种校正方案，方案一：第一次测量的激发光源信号值记为L₀，之后测量的激发光源信号值记为L₁、L₂、L₃……，之后测量的激发光源号值分别与第一次测量的激发光源信号值的差值即激发光源信号漂移值，记为ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃，第一次测量的荧光信号值记为IF₀，之后测量的荧光信号值记为IF₁、IF₂、IF₃……，之后测量的荧光信号值分别与第一次测量的荧光信号值的差值即荧光信号漂移值，记为ΔIF₁、ΔIF₂、ΔIF₃……，由于本方法只对激发光源1的漂移进行校正，则荧光信号值和激发光源信号值成正比，荧光信号漂移值与激发光源信号漂移值成正比，表示为计算得出荧光信号漂移值校正后的荧光信号值记为IF'₁、IF'₂、IF'₃……，由公式IF'₁＝IF₁-ΔIF₁、IF'₂＝IF₂-ΔIF₂、IF'₃＝IF₃-ΔIF₃……计算得出校正后的荧光信号值；

方案二：取10组的激发光源信号值和荧光信号差值，利用拟合算法——最小二乘法，得到激发光源信号值和荧光信号差值的关系ΔIF＝f(L)；将测得的每一个激发光源信号值L_x(x＝1,2,3……)带入上述关系式中，计算得到相应的荧光信号差值ΔIF_x(x＝1,2,3……)，再利用测得的荧光信号值IF_x(x＝1,2,3……)与通过ΔIF＝f(L)公式计算得出的相应的ΔIF_x(x＝1,2,3……)做差得到校正后的荧光信号值IF'_x＝IF_x-ΔIF_x(x＝1,2,3……)。

所述的数字微镜5检测荧光信号的方式，是指数字微镜5每次翻转的区域在特定翻转区域内的行数均为C-a_上-a_下，数字微镜5进行第一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1至第N列，数字微镜5进行第二次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第2至第N+1列，数字微镜5进行第三次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第3至第N+2列，以此类推；

当进行荧光信号的全谱测量，即对数字微镜5的全部列进行对应的荧光信号测量时，数字微镜5按照上述方式翻转，直至翻转到数字微镜5特定翻转区域另一端的最后一列且仍保持数量相同的像元为止，即数字微镜5进行最后一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第D-N+1至第D列。

以数字微镜5大小为1024列*768行为例：

当取N＝1时，数字微镜5每次翻转的像元数量均为(C-a_上-a_下)×1，数字微镜5进行第一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第二次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第2列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第三次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第3列，行数为C-a_上-a_下……以此类推；

当进行荧光信号的全谱测量，即数字微镜5的1024列对应的荧光信号全部测量时，数字微镜5进行最后一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1024列，行数为C-a_上-a_下。

当取N＝2时，数字微镜5每次翻转的像元数量均为(C-a_上-a_下)×2，数字微镜5进行第一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1和第2列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第二次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第2和第3列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第三次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第3和第4列，行数为C-a_上-a_下……以此类推；

当进行荧光信号的全谱测量，即数字微镜5的1024列对应的荧光信号全部测量时，数字微镜5进行最后一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1023至1024列，行数为C-a_上-a_下。

当取N＝5时，数字微镜5每次翻转的像元数量均为(C-a_上-a_下)×5，数字微镜5进行第一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1至第5列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第二次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第2至第6列，行数为C-a_上-a_下；数字微镜5进行第三次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第3至第7列，行数为C-a_上-a_下……以此类推，

当进行荧光信号的全谱测量，即数字微镜5的1024列对应的荧光信号全部测量时，数字微镜5进行最后一次翻转时，其翻转的区域在特定翻转区域内的第1020至1024列，行数为C-a_上-a_下。

所述的激发光源1是指空心阴极灯、无极放电灯、激光或ICP。均是可以用于原子荧光的激发光源。

图1在数字微镜5上下两端仅有部分无荧光区域，其中实线箭头表示激发光源信号，虚线箭头表示荧光信号，斜线阴影表示无荧光信号区域，狭缝3上下均有光纤在狭缝3上的接头，数字微镜5上斜线阴影上的矩形框表示测量激发光源信号对应的像元(每次测量相同位置)，数字微镜5上荧光信号处的实线矩形框表示一次荧光信号检测，虚线矩形框表示另一次荧光信号检测；

图2数字微镜5上下两端无荧光信号区域充满所有列示意图，其中与图一相同的图形含义与图一也相同。不同的是数字微镜5上的实线矩形框对应一次激发光源信号和荧光信号测量，虚线矩形框对应另一次激发光源信号和荧光信号测量。