用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法及系统
本申请涉及浓度测量，尤其涉及一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法及系统。
背景技术：
1、由于物质拉曼光谱中特征峰的强度与物质的浓度存在紧密联系，因此应用拉曼光谱对物质浓度进行定量化的检测从理论上来讲具有可行性。理论计算表面拉曼散射信号的强度是物质浓度、入射光频率以及入射光强度的函数，它们之间的关系可以用如下函数来表示：
2、
3、其中为入射激光的光强，为散射分子数，为开氏温度。一般来说，当激发光强度、温度一定时，拉曼散射光的强度与散射分子数之间是正比的线性关系，因此业内多基于这种线性关系采用拉曼光谱对物质浓度进行拟合标定，从而来检测物质的浓度。
4、然而，在实际应用中，由于拉曼光谱具有极高的灵敏度，光谱信号强度以及峰位受到环境温度、电路系统、ccd类型、溶液中化学物质相互作用、溶液流速、激光功率波动、振动等因素影响，导致实际测试的拉曼光谱受到这些因素影响呈现光谱强度波动的问题。这种光谱强度的波动导致即便是相同浓度的溶液也会呈现不同强度变化的光谱，这种强度变化严重影响基于光谱强度开展定量化检测的精度。因此，对于拉曼光谱普遍认为难以用作物质浓度的精准定量化检测，更多的是应用于半定量检测。为了提高应用拉曼光谱对溶液中物质浓度进行定量检测的精度，需要对测试得到原始拉曼光谱进行数据处理。在数据处理过程中，对不同时间、不同物质浓度的测量光谱进行校准，从而避免因激光功率变动、系统误差等带来的光谱强度偏移问题。
5、一般校准有两种方式，一类是以溶液中固有物质的拉曼特征峰作为参考，比如溶剂的拉曼特征峰，这种方式也称为内标法。另一类是采用外部物质的拉曼特征峰作为参考，这种方法也称为外标法。在采用内标法对拉曼光谱进行校准时，低浓度下物质浓度对溶剂不产生显著影响，校准的误差较小，但是如果物质浓度较高时，物质浓度对溶剂拉曼光谱特征峰强度产生显著影响，此时校准的误差就较大。采用外标法对光谱进行校准时，不仅仅需要考虑测量过程中环境变化对光谱的影响，还需要考虑引入的外部物质对溶液的影响。因此目前在实际工程应用中一直未有合适的拉曼光谱校准解决方案。
技术实现思路
1、本申请的目的在于，提供一种技术方案，对拉曼光谱进行校准，从而解决相关技术中拉曼光谱检测方法对溶液浓度的定量化检测不准确的问题。
2、基于以上目的，本申请实施例提供一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法，该自校准测量方法采用拉曼光谱系统对待测溶液进行定量化浓度检测，方法包括以下步骤：
3、获取含标定物拉曼特征峰的特定浓度下溶液的拉曼光谱作为标准光谱，标定物设置于拉曼光谱系统的光路中，且，标定物不处于待测溶液中；
4、获取待测溶液的原始拉曼测量光谱；
5、基于标准光谱，获取标定物的特征峰位置周围预设范围内的拉曼散射光强；
6、基于拉曼散射光强对原始拉曼测量光谱进行校准，获得拉曼校准光谱；
7、基于拉曼校准光谱获得待测溶液的浓度。
8、进一步的，方法还包括：
9、设置像素区间，标定物的特征峰位于像素区间内；
10、获取标准值，标准值为在任一溶液浓度下计算得的像素区间内的拉曼散射光强；
11、获取参考值，参考值为其它溶液浓度下计算得的像素区间内的拉曼散射光强；
12、计算标准值与参考值之间的比值，以获得校准数据，基于校准数据对对应溶液浓度下的原始拉曼测量光谱进行校准。
13、进一步的，标准光谱和原始拉曼测量光谱均为未做基线校正处理的光谱。
14、本申请还提供一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准及测量系统，系统包括：
15、标定物、拉曼检测部和信号处理部；
16、标定物设置于拉曼检测部的光路中，且，标定物不处于待测溶液中；
17、拉曼检测部采用拉曼光谱检测方法，用于获取含标定物拉曼特征峰的特定浓度下溶液的拉曼光谱作为标准光谱，拉曼检测部还用于对待测溶液进行检测以获取原始拉曼测量光谱；
18、信号处理部基于标准光谱获取标定物的特征峰位置周围预设范围内的拉曼散射光强，并基于拉曼散射光强对原始拉曼测量光谱进行校准以获得拉曼校准光谱，信号处理部还基于拉曼校准光谱获得待测溶液的浓度。
19、进一步的，标定物为拉曼检测部中原有的能够激发拉曼光的器件；
20、或，标定物为在拉曼检测部与待测溶液之间插入的能够激发拉曼光的器件。
21、进一步的，选取观察窗用材料作为标定物，观察窗设置于流通待测溶液的管道上，观察窗用于拉曼光谱系统向待测溶液的光束照射。
22、进一步的，观察窗的所用材质为石英、蓝宝石、硫化锌、硒化锌、氟化钙中的一种。
23、进一步的，标定物的拉曼特征峰与待测溶液的拉曼特征峰之间的波数差大于或等于10 cm-1，且，小于1000 cm-1。
24、进一步的，标准光谱和原始拉曼测量光谱均为未做基线校正处理的光谱。
25、根据以上说明，本申请实施例提供的用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法中，通过选取待测溶液以外的物体作为标定物，从而避免了标定物的引入对待测溶液的影响，并且，标定物也不受待测溶液浓度、流速等因素的影响，本申请实施例提供的方法采用标定物的特征峰位置的拉曼散射光强作为基准进行校准，可以避免以单一像素下信号强度因噪声产生的信号波动造成校准误差的问题，使得利用拉曼光谱系统对待测溶液的定量化浓度检测更为精准。
技术特征：
1.一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法，所述方法采用拉曼光谱系统对待测溶液进行定量化浓度检测，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
4.一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准及测量系统，其特征在于，所述系统包括：
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述观察窗的所用材质为石英、蓝宝石、硫化锌、硒化锌、氟化钙中的一种。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
技术总结
本申请实施例提供一种用拉曼光谱的硼酸溶液浓度光谱自校准测量方法。方法包括以下步骤：获取含标定物拉曼特征峰的特定浓度下溶液的拉曼光谱作为标准光谱，所述标定物设置于所述拉曼光谱系统的光路中，且，所述标定物不处于所述待测溶液中；获取待测溶液的原始拉曼测量光谱；基于标准光谱，获取标定物的特征峰位置周围预设范围内的拉曼散射光强；基于拉曼散射光强对原始拉曼测量光谱进行校准，获得拉曼校准光谱；基于拉曼校准光谱获得待测溶液的浓度。基于本申请提供的方法，可以提升光谱校准的准确性，从而进一步提升溶液浓度检测的准确性。
技术研发人员：占春连,徐波,孟彦龙,熊朋帆,高处寒,方金土,王浩钧,周拯晔,韩玉刚,聂卫,吴刚
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23