电子发射光谱操作

Question

实验室电子光谱的操作流程。

Answer 1

用于发射光谱分析的虚拟相板译谱仪作者：柴宏文，王永青，孙荣霞 时间：2006-12-25 来源: 摘要：本文报道了用于发射光谱分析的虚拟相板译谱仪及其设计思想。本系统以Microsoft Windows98为运行平台，采用Microsoft Visual C++6.0编写，利用通用仪器计算机、扫描仪，实现相板光谱信息采集、光谱信号处理、定性分析、定量分析、扣除背景和干扰等功能。

关键词：发射光谱法；相板；扫描仪；虚拟仪器；矢量化

引言

发射光谱法（Atomic Emission Spectrometry, AES）是目前仪器分析中的重要手段之一，具有特异性强、精密度高、检出限低、分析速度快、可多元素同时分析等特点，广泛应用于地质勘探、冶金、石油化工、商检、环保等领域。根据检测方式的不同，通常分为看谱法、摄谱法、光电光谱法。光电光谱法速度快、自动化程度高，缺点是设备庞大、结构复杂、价格昂贵；看谱法速度快、直接，但是准确度差，不能长期保存分析记录；摄谱法设备较简单、准确度高、可多元素同时分析、线性范围宽，但是相板处理和译谱工序操作繁琐、分析周期较长。

近年来，随着电子技术、计算机技术的迅速发展，原子发射光谱法呈现出光电化、自动化的发展趋向。摄谱仪使用普遍且社会拥有量大，升级改造亟待解决。将测微光度计（又称黑度计）与计算机联用实现半自动和自动译谱，解决了译谱工序操作繁琐费时的问题，但需另行配置专用硬件设备，价格较高。将光栅摄谱仪升级改造成为电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma, ICP)原子发射光谱分析仪(ICP-AES)的技术已取得成功，但是造价仍稍高。因此，我们设计了采用通用仪器计算机、扫描仪及专用软件包的用于原子发射光谱分析的虚拟相板译谱仪。

硬件及软件

本译谱系统由计算机、扫描仪及专用译谱软件包构成。

计算机及开发平台

本译谱系统对计算机硬件资源要求较低，586CPU、6M内存即可满足要求。本系统是在Windows98环境下，采用面向对象可视化编程的Visual C++6.0进行软件开发。Visual C++6.0是支持Win95以上平台的应用程序、服务和控件的可视化编程的集成开发环境，具有编程效率高，灵活性高，程序运行速度快，采用面向对象编程方式，软件能控制到底层等特点，其资源开发工具以可视化的方法生成菜单栏、工具栏、按钮、对话框、窗口、滚动条等高级又通用的图形元素，可以设计出友好的用户操作界面。

扫描仪
本译谱系统采用扫描仪采集相板谱线。扫描仪是光机电一体化的高科技产品，是一种图像采集设备，配合相应的软件可以将实物、图片、文稿、照片、胶片及图纸等转换成计算机能够识别、编辑、处理的数字式图像信息。以往由于价格昂贵而鲜有问津。随着科学技术飞速发展，现已广泛普及，成为不可或缺的计算机外围设备。其中平板式扫描仪的光学分辨率通常在600～1200点/英寸（dpi）之间，高的可达2400dpi。灰度级分别为8、12、14、16、24、36、48bit，其中14bit扫描仪的动态范围可达到104数量级。原子发射光谱摄谱法中，相板的光学分辨率一般在50~100线/毫米，相当于1270~2540线/英寸（lpi）（1inch=25.4mm），动态范围104~105数量级。肉眼的光学极限分辨率是0.07毫米，相当于350lpi。显然目视不能充分满足分析要求，平板式扫描仪能够满足分析要求。平板式扫描仪配上透明胶片适配器，既可扫描反射稿，又可扫描透视稿。采用电荷耦合器件（Charge-coupled device, CCD）为感光元件的平板式扫描仪扫描速度快、操作简单，价格一般在几百至几千元之间，拥有良好的性能价格比。本系统选择采用CCD感光元件的平板式扫描仪，配透明胶片适配器，灰度级14bit，分辨率1200×2400dpi。
本译谱系统软件支持TWAIN标准，支持通用串型总线接口方式(Universal serial bus, USB)。

系统功能及程序流程图

系统功能
本系统主要完成如下功能：谱图采集、方法编辑、谱图处理等功能，其工作原理框图参见图1所示。

谱图采集：
软件驱动扫描仪，扫描光谱相板，获取光谱的数字化图像。
方法编辑：
输入标准谱图元素名称及波长，准备建立波长标尺；编辑样品序列；输入标准元素名称、波长及浓度，准备建立工作曲线；选择内标或外标法；编辑用户报告等。
谱图处理：
包括谱图编辑、谱图平滑及还原、谱图矢量化、谱图分割、谱图分析。
谱图编辑：
谱图缩放、剪切、叠加、对比、调整。
谱图平滑及还原：
通过快速傅里叶变换（FFT）和反FFT平滑处理使图像变得更加清晰，消除噪声。采用中值滤波法消除扫描出现的黑斑和白斑等失真现象。
谱图矢量化：
扫描仪获取的光谱图像是光栅图像(位图式)文件，必须进行矢量化，才能获取谱线的特征信息――位置、线形、线宽。采用最小二乘法完成谱线矢量化，通过细线化确定谱线中心、谱线的位置、宽度。
谱图分割：
采用区域生长法把谱线及相板上不同样品的谱图分割。
谱图分析
波长定位：
实现定性、定量分析的基础和关键。如果是光栅摄谱仪，采用线性内插法。当未知波长谱线处于两条已知波长的谱线之间时，先测定已知谱线之间的距离a，再测定未知谱线与任一已知谱线的距离b，利用公式：
λ＝λ2－b/a(λ2－λ1) （3-1）
如果是棱镜色散，应用哈特曼公式：
λ＝λ0＋c/( d－d0) （3-2）
式中λ是谱线波长，d是从相板上一固定点到该谱线的距离，λ0、c和d0为常数。根据光学参数建立波长标尺，然后精确地计算出未知谱线的波长。
定量分析：
读入标准样品谱图，建立定量分析数学模型，拟合工作曲线――浓度与灰度的关系曲线，由定性分析的结果，计算机自动选择出待测元素的分析线对，如果是内标法，读入内标元素的谱线位置、浓度，根据工作曲线计算未知样品中各元素的浓度。在考虑光谱背景和干扰的情况下，采用差谱法、因子分析法、卡尔曼滤波法和小波变换法扣除背景和干扰。
其他功能：
统计处理、数据库管理、打印、存储、帮助、自我诊断及报警功能。

程序流程图及操作面板
程序流程图： 参见图2所示。

操作面板示意图：参见图3所示。

性能比较：与其它相板分析方法相比参见表1：

问题讨论

分辨率
分辨率是与波长分辨率和图像质量密切相关的重要技术参数，分辨率有许多不同的定义和表达方式，极易混淆。正确理解其含义、弄清楚不同表达方式之间的相互关系极为重要。

常用的表达方式有每英寸像素点数（pixels per inch，ppi）、每英寸点数（dots per inch,dpi）、每英寸采样点数（samples per inch,spi）、每英寸行（或线）数表示（lines per inch,lpi）。

像素是组成数字图像的基本单位，点是设备输出图像的色点，采样点是硬件设备采集图像信息的基本单位。色点是硬件设备最小的显示单元，像素和采样点则既可以是一个点，也可以是多个点的集合。对于扫描仪来讲，由于设备采样点与形成图像的每一个像素相对应，所以ppi、dpi、spi三者数值上是等效的。但多数情况下，三者还是存在一定的区别。例如显示器分辨率为80dpi，在640×480dpi显示分辨率下一个像素与一个光点相对应，将显示模式调整为320×240dpi，则显示一幅320×240dpi的图像时，一个像素则对应四个光点，即相当于80×60ppi。而ppi与lpi之间近似满足如下关系，ppi=lpi×(1.5～2.0)。

背景和干扰
背景和干扰是原子发射光谱分析中的最困难、最棘手的问题。传统方法多采用人工计算的方法，费时、费力，效果不佳。近年来，随着计算机和信号处理技术的迅速发展，人们提出许多新的背景扣除和干扰校正的方法，如差谱法、因子分析法、卡尔曼滤波法、小波变换法、人工神经网络法、智能化校正法、自适应滤波法等等。其中卡尔曼滤波法、因子分析法已取得比较好的效果。小波变换法应用于分析信号的频率较高、背景信号的频率较低条件下，也有较好的效果。这些方法各有利弊，能够解决一些背景和干扰的问题。但是大多数方法离实用还有一定的距离，或多或少地存在一些问题，如操作繁琐、计算复杂、影响因素较多等。所以，大多数研究人员认为选择灵敏度最高、干扰线最少的分析线对是最直接、实用的方法。

结束语

传统相板分析方法必须使用专用的测微光度计，而本系统提出了使用通用仪器的新思路，吸收了虚拟仪器的设计方法，使用扫描仪、计算机及专用软件来完成相板光谱的定性和定量分析，既不影响用户进行其他工作，也无须使用专用的、昂贵的译谱仪或测微光度计。本系统具有所需设备通用，价格便宜，操作简单，分析快速，准确度高，精密度好，误差小，设备更新换代及维护方便，拥有良好的用户界靪，便于相板信息的二次开发等优点。将大大减轻广大分析工作者的工作强度，改进译谱技术，提高工作效率和质量。随着计算机速度趆来趆快，硬盘容量趆来趆大，扫描仪分辨率趆来趆高，扫描速度趆来趆快，本系统将会趆来趆功能强大和易于推广。
标签： 发射光谱法；相板；扫描仪；虚拟仪器；矢量化

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