一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法， 屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一種新 興的原子發(fā)射光譜技術(shù)，LIBS技術(shù)以其快速、無(wú)需復(fù)雜樣品前處理和多元素同時(shí)分析等優(yōu) 勢(shì)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于金屬和合金、藝術(shù)品、文物遺產(chǎn)、環(huán)境樣品、地質(zhì)樣品、生物醫(yī)學(xué)樣品 和核材料的定量分析。
[0003] 定標(biāo)曲線法是定量分析中的常用方法，通過對(duì)一系列具有濃度(或）含量梯度的標(biāo) 樣進(jìn)行測(cè)量，建立待測(cè)組分對(duì)應(yīng)的光譜積分強(qiáng)度(或積分面積）與含量之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線模 型，利用該模型即可對(duì)未知樣品的成分含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在光譜分析領(lǐng)域，常見的定標(biāo)曲線 法，如內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法等是最基本的定量分析方法，尤其是內(nèi)標(biāo)法一定程度上可以提尚LIBS 定量分析精度，因而得到廣泛應(yīng)用。但外標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法都需要基體匹配的一系列標(biāo)樣，且標(biāo) 樣比較昂貴；另外，當(dāng)測(cè)量環(huán)境不穩(wěn)定，被測(cè)樣品成分種類復(fù)雜時(shí)，建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線極容易 受到基體效應(yīng)的干擾。
[0004] 自由定標(biāo)法（Calibration-free, CF)是適用于LIBS分析的另一種重要的定量分 析技術(shù)手段。該方法最大的特點(diǎn)是不需要通過標(biāo)樣建立定標(biāo)曲線而是通過等離子體發(fā)射機(jī) 理建立數(shù)學(xué)模型來描述元素含量和光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系，它能夠一定程度上避免基體效應(yīng) 的影響。自由定標(biāo)計(jì)算過程中最關(guān)鍵的一步就是等離子體溫度的求解，通常是通過建立玻 爾茲曼平面圖來計(jì)算，理論上說玻爾茲曼曲線是平行的，也就是說，等離子體中各元素的溫 度應(yīng)該是一致的，但實(shí)際情況中由于各元素特征譜線受到不同程度自吸收效應(yīng)的影響，不 能客觀反映譜線的真實(shí)強(qiáng)度，從而嚴(yán)重影響到自由定標(biāo)方法的定量分析性能。
[0005] 遺傳算法（Genetic Algorithm, GA)是一種啟發(fā)式的全局尋優(yōu)方法，它是借鑒自 然界中的物質(zhì)遺傳進(jìn)化思想而提出的。遺傳算法的基本思想是借鑒生物進(jìn)化論，將尋優(yōu)問 題模擬為生物物種的進(jìn)化過程，通過復(fù)制、交叉、變異等作用產(chǎn)生下一代物種，然后通過比 較淘汰適應(yīng)度低的個(gè)體，保留適應(yīng)度高的個(gè)體，隨著進(jìn)化過程的推進(jìn)，種群中適應(yīng)度高的個(gè) 體越來越多，最終將進(jìn)化出適應(yīng)度值最高的個(gè)體即為最優(yōu)解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精 度的方法，可以獲得更加準(zhǔn)確的等離子體溫度，提高自由定標(biāo)的定量分析性能。
[0007] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程如下： 一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法，包括以下步驟： (1)利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)對(duì)鋁青銅合金樣品分別進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集； (2) 對(duì)獲得的光譜圖進(jìn)行小波變換濾噪處理后選擇分析線和內(nèi)標(biāo)線； (3) 在自由定標(biāo)理論公式中引入一個(gè)自吸收系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)光譜強(qiáng)度； (4) 通過遺傳算法從標(biāo)樣中尋求最佳的等離子體溫度； (5) 獲得等離子體溫度后利用內(nèi)標(biāo)線將未知樣品的溫度校正到該溫度，計(jì)算出未知樣 品的含量。
[0008] 上述步驟（2)中，對(duì)每個(gè)樣品的每個(gè)粒子選擇一條被假設(shè)忽略自吸收的內(nèi)標(biāo)線。
[0009] 上述步驟（3)中，將各分析線與選擇的內(nèi)標(biāo)線作比即可估算出分析線的校準(zhǔn)強(qiáng)度。
[0010] 上述步驟（4)中，通過校準(zhǔn)后的光譜強(qiáng)度獲取玻爾茲曼圖，進(jìn)而得到了一系列溫 度，在最大和最小溫度間用遺傳算法獲得最佳的等離子體溫度。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果：本發(fā)明將遺傳算法和LIBS光譜結(jié)合提高自由定標(biāo) 的分析精度，本發(fā)明提到了一種基于內(nèi)標(biāo)一外標(biāo)自迭代校正的自由定標(biāo)法（Internal reference--external standard for iteration correction, IRESIC)。弓丨入內(nèi)標(biāo)線能夠 減小自吸收效應(yīng)，校準(zhǔn)譜線的光譜強(qiáng)度。這時(shí)遺傳算法被用到一個(gè)標(biāo)樣中來尋求最佳的等 離子體溫度，能夠克服自吸收對(duì)不同粒子的不同影響，這也是首次將遺傳算法用到自由定 標(biāo)中來計(jì)算溫度。通過獲得的最佳溫度計(jì)算出未知樣品的含量，進(jìn)而和傳統(tǒng)的自由定標(biāo)相 比較，該方法大大提高了自由定標(biāo)的分析精度。
【附圖說明】
[0012] 圖1是IRESIC的操作流程圖； 圖2是標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)IRESIC初始化校正前后的玻爾茲曼圖； 圖3是遺傳算法迭代結(jié)果； 圖4是未知樣品經(jīng)IRESIC校正前后的玻爾茲曼圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 以下以1個(gè)標(biāo)樣和1個(gè)未知樣為例，結(jié)合附圖和實(shí)例來進(jìn)一步說明本發(fā)明的操作 流程，但本發(fā)明不限于此例。
[0014] 實(shí)施例1 一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法，包括以下步驟： (1) 利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)對(duì)鋁青銅合金樣品分別進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集； (2) 對(duì)獲得的光譜圖進(jìn)行小波變換濾噪處理后選擇分析線，再?gòu)姆治鼍€中對(duì)每種粒子 選擇一條被假定忽略自吸收的內(nèi)標(biāo)線； (3) 在自由定標(biāo)理論公式中引入一個(gè)自吸收系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)光譜強(qiáng)度； (4) 基于玻爾茲曼圖計(jì)算各粒子的溫度，找出最大溫度和最小溫度，在最大和最小溫度 范圍內(nèi)運(yùn)用遺傳算法來確定最佳的等離子體溫度； (5) 利用內(nèi)標(biāo)線將未知樣品各粒子的溫度校正到最佳溫度，基于CF計(jì)算出未知樣品的 含量。
[0015] 光譜采集后，針對(duì)每一種粒子都要選擇一條受自吸收影響較小(激發(fā)能級(jí)應(yīng)該比 較大而躍迀幾率要比較低）的分析線作為內(nèi)標(biāo)線，對(duì)每種粒子所選出的內(nèi)標(biāo)線如表1所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法，其特征在于包 括以下步驟： (1) 利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)對(duì)鋁青銅合金樣品分別進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集； (2) 對(duì)獲得的光譜圖進(jìn)行小波變換濾噪處理后選擇分析線和內(nèi)標(biāo)線； (3) 在自由定標(biāo)理論公式中引入一個(gè)自吸收系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)光譜強(qiáng)度； (4) 通過遺傳算法從標(biāo)樣中尋求最佳的等離子體溫度； (5) 獲得等離子體溫度后利用內(nèi)標(biāo)線將未知樣品的溫度校正到該溫度，計(jì)算出未知樣 品的含量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精 度的方法，其特征在于：步驟（2)中，對(duì)每個(gè)樣品的每個(gè)粒子選擇一條被假設(shè)忽略自吸收的 內(nèi)標(biāo)線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精 度的方法，其特征在于：步驟（3)中，將各分析線與選擇的內(nèi)標(biāo)線作比即可估算出分析線的 校準(zhǔn)強(qiáng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精 度的方法，其特征在于：步驟（4)中，通過校準(zhǔn)后的光譜強(qiáng)度獲取玻爾茲曼圖，進(jìn)而得到了 一系列溫度，在最大和最小溫度間用遺傳算法獲得最佳的等離子體溫度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遺傳算法結(jié)合激光誘導(dǎo)擊穿光譜提高自由定標(biāo)分析精度的方法，首先通過LIBS光譜選擇分析線和內(nèi)標(biāo)線，再通過忽略了自吸收的內(nèi)標(biāo)線對(duì)各元素特征譜線強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)，減小其受到的自吸收效應(yīng)的影響；然后只利用一個(gè)標(biāo)樣在一定范圍內(nèi)運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行等離子體溫度尋優(yōu)計(jì)算，確定在該測(cè)量環(huán)境下的最佳等離子體溫度，并將該溫度作為其它未知樣品的等離子體溫度的估計(jì)值進(jìn)行定量分析，由于內(nèi)標(biāo)線的運(yùn)用和準(zhǔn)確等離子體溫度的評(píng)估，通過與傳統(tǒng)的自由定標(biāo)相比較，這種內(nèi)標(biāo)結(jié)合外標(biāo)的方法極大地提高了自由定標(biāo)的準(zhǔn)確度。
【IPC分類】G01N21-63, G06F19-00
【公開號(hào)】CN104730042
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510101932
【發(fā)明人】李華, 張?zhí)忑? 董娟
【申請(qǐng)人】西北大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月10日