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拉曼數(shù)據(jù)處理貼士

轉(zhuǎn)自 海洋光學(xué) 資訊中心 推薦文章

如今的拉曼儀器百花齊放，從簡(jiǎn)單的手持設(shè)備到復(fù)雜的臺(tái)式系統(tǒng)，種類繁多。拉曼數(shù)據(jù)處理方法更是復(fù)雜多樣。那么如何處理這么多錯(cuò)綜復(fù)雜的拉曼數(shù)據(jù)呢？如何有效優(yōu)化拉曼數(shù)據(jù)呢？

拉曼數(shù)據(jù)分析淺談

雖然拉曼光譜是一種*的光譜技術(shù)，但它本身并沒(méi)有那么復(fù)雜，令人棘手的是測(cè)試樣品的拉曼峰與其他拉曼峰以及噪音混合在一起。例如，在傳統(tǒng)的光譜測(cè)量中，你可以分析一個(gè)透射吸光度圖（比如比色皿中的染料）或一個(gè)材料反射率圖，并很容易地挑選出寬闊的背景光譜峰和明顯的吸收或者反射峰并解釋它們。但在拉曼光譜中，你所關(guān)心的待測(cè)物拉曼峰可能混雜在眾多拉曼峰與噪音之中。

如圖所示，使用表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)測(cè)量四氫dA 麻酚。在1100cm-1附近出現(xiàn)了5個(gè)拉曼峰；而在1500cm-1處明顯的拉曼峰，并非來(lái)自樣品，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)拉曼峰來(lái)自溶劑或檸檬酸鹽(用于SERS基質(zhì))。

事實(shí)上，大多數(shù)用戶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)拉曼光譜中充滿了大量的峰和鋸齒狀的噪音。那么這些信號(hào)來(lái)自哪里呢？殘留的樣本、像素之間的響應(yīng)等等皆有可能。如果從這個(gè)角度入手去去除無(wú)效信號(hào)，那無(wú)疑是一個(gè)非常大的工作量。

那么有什么方法可以化繁為簡(jiǎn)，能夠讓我們?cè)跓o(wú)效信號(hào)存在的情況下，更好的分離出拉曼信號(hào)呢？

基線校正

基線校正即是從整體數(shù)據(jù)中統(tǒng)一扣除一個(gè)背景噪聲，這意味著某些波數(shù)強(qiáng)度將降為零從而將整個(gè)數(shù)據(jù)拉回基線附近。這將糾正由焦點(diǎn)、功率等問(wèn)題引起的垂直偏移，但不會(huì)影響拉曼峰之間的相對(duì)關(guān)系。

在光譜測(cè)量過(guò)程中，做峰值分析之前執(zhí)行基線校正是非常重要的。因?yàn)榉逯祷蛞话愕娜魏沃?，都可能受到某些環(huán)境影響而發(fā)生強(qiáng)度的偏移，但這種偏移可以通過(guò)已知的獨(dú)立于變化參數(shù)區(qū)域以外的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正-基線校正。拉曼光譜也可以做同樣的事情，如果想要量化數(shù)據(jù)，基線校正是至關(guān)重要的。

基線校正后，原始BPE拉曼光譜中都被固定在x軸上

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量

SNV是一種常用的拉曼預(yù)處理技術(shù)，需要在拉曼范圍內(nèi)選擇一些窗口來(lái)進(jìn)行處理。通常，在拉曼應(yīng)用中使用350-3000cm-1這個(gè)范圍，但這個(gè)范圍會(huì)根據(jù)圖譜的表現(xiàn)方式而變化。事實(shí)上，基于系統(tǒng)反應(yīng)、分析物活動(dòng)等因素，這個(gè)范圍是相當(dāng)主觀的。

所以，SNV代表著全譜的平均值減去范圍平均值，然后除以范圍-標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)這個(gè)預(yù)處理過(guò)程之后，可以將多次測(cè)量的數(shù)據(jù)放在同一范圍內(nèi)進(jìn)行比對(duì)。

在本例中，SERS被用來(lái)測(cè)量THC。注意原始光譜和標(biāo)準(zhǔn)化(SNV)光譜的區(qū)別。

清潔峰

當(dāng)采集拉曼光譜時(shí)，可以在海洋光學(xué)的軟件中找到一個(gè)數(shù)據(jù)處理方式叫做“清潔峰"，有時(shí)也被稱為“橡皮筋校正"。這是一個(gè)內(nèi)置的算法，可以應(yīng)用于原始拉曼光譜來(lái)去除基線和任何熒光。

“清潔峰"功能將把大部分的噪音和無(wú)效信號(hào)都去除，除了它認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的峰值（例如一個(gè)3σ閾值）。這是非常有用的數(shù)據(jù)處理方式，可以生成一個(gè)非常清晰干凈的拉曼光圖。

但需要注意的是它不在來(lái)自光譜儀的原始數(shù)據(jù)，而是通過(guò)算法處理之后的數(shù)據(jù)！

利用清潔峰功能，將偏移應(yīng)用于原始拉曼光譜，獲得更清晰的可視化效果。 光譜總體上也更平滑。

在使用“清潔峰"功能時(shí)，算法可能會(huì)消除軟件閾值附近的拉曼特征峰。因此，我們建議在對(duì)所測(cè)樣品的拉曼光譜信息足夠了解之后再使用這個(gè)工具進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。

總結(jié)

在處理拉曼數(shù)據(jù)時(shí)，多數(shù)情況都會(huì)嘗試SNV、基線校準(zhǔn)等多種數(shù)據(jù)處理方式之后，選取處理結(jié)果更優(yōu)的方式。所以拉曼數(shù)據(jù)處理有一大部分時(shí)間是在嘗試不同的數(shù)據(jù)處理方法和模式。

對(duì)于已知條件下采集的較大數(shù)據(jù)集，拉曼光譜數(shù)據(jù)可以作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)做PCA相關(guān)性分析或者更復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析。分析較大數(shù)據(jù)集的另一種選擇是使用機(jī)器學(xué)習(xí)，但這通常也需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些預(yù)處理，以使輸入與輸出的數(shù)據(jù)有意義。

海洋光學(xué)提供了所有這些光譜數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)方面的專業(yè)知識(shí)，并提供將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義信息的處理工具。

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