本发明涉及生命科学、材料科学和传感器等领域，具体而言，涉及一种基于Labview控制SPR数据采集分析方法。
背景技术：
表面等离体共振(SPR)是一种光物理现象，主要发生在金属介质和普通介质双层结构中，由金属薄膜表面的自由电子和入射光波相互作用而产生。光由光密介质入射到光疏介质，入射角大于临界角时，会产生全反射现象。入射光波在界面水平方向有个P偏振分量(称为P波)，如果P波与金属薄膜表面等离体波的振荡频率相同时，两种光波能量就会发生整合，使得某入射角度或者某波长的反射光波能量突然降低，在反射谱上就会出现共振吸收峰，而此时入射光角度或者波长称为SPR的共振角或者共振波长。
SPR共振角或者共振波长与金属薄膜表面物质的折射率有关，当这些物质的折射率(浓度)不同时，SPR共振峰的位置也会有所不同，两者之间存在着一一对应关系。，因此可以通过SPR共振峰的位置来判定金属薄膜表面物质的浓度或者折射率，从而达到浓度检测的目的。
传统的SPR检测利用点光源发出不同角度的发散光,与反射界面成一个很窄的θ角范围(几度)，从而限制了仪器的使用，并且只能得到动力学检测的过程，数据比较单一。对于较为开放式的研究体系，比如化学物质现场合成的监测，SPR共振峰角度变化在20°左右，不能满足现场合成监测和测试需求。
技术实现要素：
本发明提供一种基于Labview控制SPR数据采集分析方法，用以克服现有技术中只能提供动力学过程和结果，而对不能提供整个SPR曲线和自动获取SPR曲线中特征信息的问题，而整个SPR曲线特征信息可以解决许多先前属于开放式的研究方向。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于Labview控制SPR数据采集分析方法，包括以下步骤：
根据所设置的角度扫描范围，通过上位机指令控制控制伺服电机大角度转动对目标物的反射光角度的改变来进行粗扫描，并根据扫描得到的数据自动计算拐点和共振峰位置；
根据计算得到的拐点和共振峰位置自动设置细扫描的位置和参数，通过上位机指令控制伺服电机小角度转动对目标物的反射光角度的改变来进行细扫描；
根据细扫描得到的数据，自动计算SPR曲线图特征，包括共振角、共振半峰宽度和共振深度；
根据得到的拐点、共振峰位置、共振角、共振半峰宽度和共振深度进行SPR曲线拟合，得到完整的SPR曲线。
进一步地，对得到的数据进行SPR曲线拟合的流程包括：
根据计算得到的拐点和共振峰位置将所要拟合的SPR曲线分成三段；
针对每段曲线，分别采用最小绝对差拟合、最小二乘法拟合和Bisquare拟合，其中在拟合的过程中，通过调整拟合阶数、容差等参数和选择SVD、Givens、Lu分解、Cholesky、Householder等算法来判断最小残差；
从三种拟合方法中选择最优拟合，并根据所选择的最优拟合方法及拟合阶数得到SPR曲线的拟合计算公式。
进一步地，当测试中背景噪音、系统误差等影响测试结果而无法得到拐点和共振峰位置时，通过图表接受用户手动指定拐点和共振峰位置，将SPR曲线分成三段。
进一步地，在扫描的过程中，通过图表实时显示粗扫描和细扫描得到的采集点信息。
进一步地，在通过图表实时显示细扫描得到的采集点信息时，还接受用户对历史数据的回看。
进一步地，上述方法还包括以下步骤：
读取动力学测试角度，测试动力学曲线。通过注入从低到高浓度溶液与界面的结合反应，得到实时反应的动力学曲线，通过动力学曲线可以得出不同浓度的动力学曲线，并通过图表实时显示不同浓度的结合信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的基于Labview控制SPR数据采集分析系统结构图；
图2为本发明一个实施例的基于Labview控制SPR数据采集分析方法流程图；
图3为本发明一个实施例的对得到的数据进行SPR曲线拟合的流程图；
图4为本发明一个实施例的全SPR曲线示意图；
图5为本发明一个实施例的自动计算拐点和共振峰位置的示意图；图6为本发明一个实施例的对SPR曲线自动拟合的示意图；
图7为本发明一个实施例的对SPR曲线拟合得到的拟合曲线示意图；
图8为本发明一个实施例的对SPR曲线进行手动拟合的示意图；
图9为本发明一个实施例的SPR曲线特征示意图；
图10a为本发明一个实施例的角度与动力学的关系图；
图10b为本发明一个实施例的动力学测试不同浓度响应示意图；
图11是根据图10b动力学曲线，通过浓度10-12—10-4g/ml,的负对数(-1og)与光强的曲线示意图；
图12为本发明一个实施例的采用最小绝对残差、SVD算法、阶数为5拟合的屏幕截图；
图13为本发明一个实施例的采用最小绝对残差、SVD算法、阶数为4拟合的屏幕截图；
图14为本发明一个实施例的采用双平方、SVD算法、阶数为5拟合的屏幕截图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一个实施例的基于Labview控制SPR数据采集分析系统结构图；如图所示，该系统包括上位机(该上位机运行本发明的基于Labview控制SPR数据采集分析方法)，以及通过RS485总线与上位机相连的两轴伺服电机驱动器和数字锁相放大器，以及与两轴伺服电机驱动器和数字锁相放大器分别相连的两轴伺服电机、微量进样器和斩波器。
图2为本发明一个实施例的基于Labview控制SPR数据采集分析方法流程图；如图所示，基于Labview控制SPR数据采集分析方法包括以下步骤：
根据所设置的角度扫描范围，控制伺服电机大角度转动对目标物的反射光波进行粗扫描，并根据扫描得到的数据自动计算曲线拐点和共振峰位置。自动计算曲线拐点和共振峰位置主要是进行SPR曲线幅值计算寻找最大最小幅度值对应的位置角度，然后将曲线分为三段。从起始点到最大值区间，计算曲线点切线值，最大值处即位曲线拐点位置，从最大值到最小值区间内曲线最小的处即位共振峰位置(或者直接计算曲线的最小值位置亦是共振峰位置)；
根据计算得到的曲线拐点和共振峰位置自动设置细扫描的位置和扫描参数，控制伺服电机小角度转动对目标物的反射光波进行细扫描，其中扫描参数包括：1.特征区间内扫描的步距和特征区间外的扫描步距；2.特征区间的范围大小，例如：粗扫曲线拐点位置32°，共振峰位置40°，细扫参数包括在曲线拐点和共振峰扫描步距0.02°，特征区间外扫描步距1°，曲线拐点细扫区间31.5-32.5°，共振峰细扫范围39-41°；根据粗扫的结果自动选择细扫参数，实现最优的细扫方式，既可快速扫描得到整段SPR曲线又能得到SPR曲线特征区间精密数据点，提高拟合计算精度。
根据细扫描得到的数据，自动计算SPR曲线图特征，SPR曲线图特征包括共振角、共振半峰宽度和共振深度，其中根据得到的SPR曲线共振点和拐点，半峰宽计算为峰值最大值与最小值的一半处峰的宽度(如图9所示)，共振深度为共振峰的反射强度；
根据得到的曲线拐点、共振峰位置、共振角、共振半峰宽度和共振深度进行SPR曲线拟合，得到完整的SPR曲线。
其中，粗扫是在设置的角度范围内，以大角度(2°)均匀扫描整个角度范围。细扫是根据粗扫的得到的SPR曲线，在曲线特征区间段内以很小的角度(0.02°)扫描，在特征区间外以设置的大角度扫描。细扫目的是提高曲线在SPR曲线特征点的精度，更加拟于曲线的拟合计算。
其中，在扫描的过程中，还可以通过图表实时显示粗扫描和细扫描得到采集点信息；以及在通过图表实时显示细扫描得到的采集点信息时，和计算后的SPR曲线拐点和共振峰坐标，并实时显示在图表中，还可以接受用户对历史数据的回看。
如图2所示，上述方法还可以包括以下步骤：
读取动力学测试角度，测试动力学曲线。通过注入从低到高浓度溶液与界面的结合反应，得到实时反应的动力学曲线，通过动力学曲线可以得出不同浓度的动力学曲线，并通过图表实时显示不同浓度的结合信息。
其中，细扫的得到SPR曲线在曲线拐点到共振峰区间内，获取光强的最大值和最小值，按照[(最大值-最小值)*20％+最小值]计算结果值，找到SPR曲线中最接近的值所对应的角度，即为动力学测试角度。动力学测试是将角度固定，通过改变测试溶液介质和界面化学反应来监测反应或者测试的过程，实时监测检测过程。
图3为本发明一个实施例的对得到的数据进行SPR曲线拟合的流程图；如图所示，对得到的数据进行SPR曲线拟合包括：
根据计算得到的曲线拐点和共振峰位置将所要拟合的SPR曲线分成三段；
针对每段曲线，分别采用最小绝对差拟合、最小二乘法拟合和Bisquare(双平方)拟合，其中在拟合的过程中，通过调整拟合阶数、容差等参数和选择SVD(奇异值分解)、Givens(正交变换)、Lu分解、Cholesky(乔列斯基分解)等算法来判断最小残差；
例如，采用SVD算法拟合的示意图如图12、13、14所示：
图12为本发明一个实施例的采用最小绝对残差、SVD算法、阶数为5拟合的屏幕截图；其拟合公式为：
Y＝+18.132991E+6X+61.641120E+3X^2-1.134192E+3X^3+10.42041E+0X^4-38.238668E-3X^5；
图13为本发明一个实施例的采用最小绝对残差、SVD算法、阶数为4拟合的屏幕截图；其拟合公式为：
Y＝+1.029859E+6-78.947739E+3X+2.266679E+3X^2-28.881570E+0X^3+137.780261E-3X^4；
图14为本发明一个实施例的采用双平方、SVD算法、阶数为5拟合的屏幕截图；其拟合公式为：
Y＝18.132991E+6-1.672746E+6X+61.641120E+3X^2-1.134192E+3X^3+10420041E+0X^3+10.420041E+0X^4-38.238668E-3X^5；；
其中，X、Y分别为X代表角度位置，Y代表光强强度。
软件会根据残差等参数自动从三种拟合方法中选择最优拟合方法，并根据所选择的最优拟合方法及拟合阶数得到SPR曲线的拟合计算公式。例如，可以供图12、13、14的拟合方法中比较最小残差自动选择最佳的拟合方法和算法。
其中，当无法得到曲线拐点和共振峰位置时，通过图表接受用户手动指定曲线拐点和共振峰位置，将SPR曲线分成三段。
SPR曲线可以拟合得出特征区间光强与角度的关系，建立拟合关系式，通过动力学曲线可以得出不同浓度与光强的关系式，从而建立在特征区间内浓度与光强的线性关系。
图4～图8为本发明进行SPR曲线拟合时的示意图，其中，图4为本发明一个实施例的全SPR曲线示意图；图5为本发明一个实施例的自动计算拐点和共振峰位置的示意图；图6为本发明一个实施例的对SPR曲线自动拟合的示意图；图7为本发明一个实施例的对SPR曲线拟合得到的拟合曲线示意图；图8为本发明一个实施例的对SPR曲线进行手动拟合的示意图；图9为本发明一个实施例的SPR曲线特征示意图；图10a为本发明一个实施例的角度与动力学的关系图，在图10a中，动力学的上升或下降过程，即是SPR曲线共振峰后移或前移的过程。通过动力学变化即可得出角度的变化，为SPR曲线特征提供计算依据；图10b为本发明一个实施例的动力学测试不同浓度响应示意图；图11是根据图10b动力学曲线，通过浓度10-12—10-4g/ml,的负对数(-1og)与光强的曲线示意图。通过线性拟合，其线性关系系数为R2＝0.9836.根据这一线性关系式可以得出浓度在10-12—10-4g/ml范围内，对应的光强值，来检测物质浓度，进行定性半定量分析检测。
本发明的基于Labview控制的SPR系统，可以扫描一个很广范围的θ角度(20°-80°)，从而能够得到完整的SPR曲线。这样可以解决许多先前属于开放式的研究问题。因为在界面层的所有变化都能够测量并反应在完全的SPR曲线上，可以在不同的环境和不同的界面上测量各种样品，而这些是传统的SPR所不能做到的。它不但适用于生命科学应用，而且可以应用在材料科学和传感器研究。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。