利用PeakFit处理拉曼光谱数据教程（含标准化、平滑、去基线、寻峰、拟合等操作）

2021-06-24

科研软件

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1、 PeakFit 软件简介

PeakFit 是一款常用的信号处理软件，通过对光谱和色谱信号中的谱峰进行去基线、平滑、寻峰和拟合等操作，可以准确获谱峰的强度、位置、积分面积、半高宽等信息。PeakFit 软件最早是在1980 年代由AISN Software 公司Ron Brown 开发出来，并由 Jandel Scientific Software对外分发销售。2004 年Systat Software 公司从SPSS Inc.获得PeakFit 的完整版权并将其用于开发SigmaPlot 等Sigma 系列软件。目前PeakFit 最新的版本是4.12，于2007 年开发完成。

2、软件基本操作

PeakFit 软件基本操作界面如图2。

图2 PeakFit 软件基本操作界面

菜单栏基本操作及对应工具栏图标为：

File– 包括文件导入、剪贴板导入、文件保存、关闭等操作，Ctrl+I 可快速导入文件；

Edit – 对导入数据进行编辑操作（快捷键Ctrl+E）；

Data– 对导入数据进行各种处理操作，包括将测量信号与标准信号进行比对、XY 坐标转换、谱峰面积标准化、异常点过滤等；

Prepare– 对谱峰进行拟合前操作，如选取待拟合数据范围（快捷键Ctrl+V）、平滑、傅里叶转换、去基线等；

AutoFit – 对谱峰进行拟合，常用的拟合操作有：残差最小化拟合（快捷键Ctrl+R）、二次导数极小值拟合（快捷键Ctrl+S）和去卷积拟合（快捷键Ctrl+D），也可根据用户自定义公式进行拟合（快捷键Ctrl+U）；

Help – 软件使用帮助。

注：本人目前很少用到傅里叶转换，相关内容本教程暂不涉及，有需要者可通过Help 获取。

3、数据处理过程（拉曼光谱为例）

3.1 数据导入：通过File—Import、或点击按钮导入数据，支持ASCII（如.txt、.prn、.dat）、Excel、SigmaPlot、SPSS 等格式文件（此处以软件自带的Sample.xls 文件为例）。

图3.1.1 导入数据

如果文件中包含多列数据，依次选择两列作为X 轴和Y 轴。

图3.1.2 选择X 轴和Y 轴

确定文件名称和X 轴Y 轴标题。

图3.1.3 确定文件名称和X 轴Y 轴标题

图3.1.4 数据导入完成

如果导入的数据只有两列，软件会自动跳过图3.1.2 步骤；如果数据点较多（如100 ~ 4000cm^-1），软件会提示是否减少数据点数量，通常选“否”：

图3.1.5 软件提示数据点过多，是否减少

3.2 选择待拟合数据范围：通过Prepare—Section、或点击进入以下界面。

图3.2.1 选择待拟合数据点

数据选择可通过输入X_i 和X_f 值、然后点击Apply New 确定。也可通过鼠标操作完成，具体为：点住左键，向右拉动选择去掉的数据点，向左拉动为选择待拟合的数据点，操作之后上图显示待拟合谱峰，下图显示完整数据，其中未被选择的数据点变为灰色。

图3.2.2 选择待拟合数据点

数据选择范围不仅包括整个谱峰，还需要包括谱峰两侧的基线数据。如果存在异常数据点，可通过单击该点进行排除，未被选中的数据点会显示为灰色。数据选择完成，点击OK 返回，此时界面中只显示待拟合的谱峰。

图3.2.3 数据选择完成

3.3 拟合前操作：对谱峰进行面积标准化、平滑、去基线等操作。

3.3.1 面积标准化（可选操作）：通过Data—Area Normalize 完成，该操作会将谱峰的积分面积调整为1。如果该操作在“3.2 选择待拟合数据范围”操作之前进行，则会将所有谱峰积分面积之和调整为1。该操作可将强度差异显著的数据进行标准化操作，以保证最终成图的一致性。

注：如果需要用到谱峰强度信息，则不能对数据进行面积标准化；如果用到的是谱峰强度比，则可在“3.2 选择待拟合数据范围”操作之前进行面积标准化。

选择左侧的OK 按钮确定或者Undo 按钮撤销标准化操作。

3.3.2 去基线（可选操作）：通过单击按钮进入去基线操作界面。

图3.3.2 去基线

可通过左侧算法改变基线拟合方式，Initial, Final Lin—通过首尾两个数据点线性拟合；Progressive Lin—选择首末一段范围内数据点进行线性拟合，适用于基线清晰的情况；2nd DerivZero—通过不同方程（如线性、多项式、对数等）对基线进行拟合，此处选择Progressive Lin。

可通过单击查看基线方程，确定之后单击将基线从原始数据中去掉。去基线操作可单独进行，也可在谱峰拟合过程中同步进行。

3.3.3 平滑（可选操作）：平滑操作主要针对峰宽较大、高频噪音明显的谱峰，如H₂O 的对称伸缩振动峰。通过Prepare—Smoth、或单击按钮进入以下界面：

图3.3.3 谱峰平滑

平滑操作可通过不同算法完成，不同算法对谱峰平滑结果也不尽相同，可自行尝试。通过单击按钮进行自动平滑，完成之后单击OK 确定。

注：平滑操作不当会改变峰强和半高宽，不建议对峰宽较窄的峰进行平滑操作。

3.4 谱峰拟合

3.4.1 寻峰

通过AutoFit—AutoFit Peaks I Residuals 或单击、AutoFit Peaks II Second Derivative 单击、AutoFit Peaks III Deconvolution 单击进行谱峰拟合操作，此处以AutoFit Peaks I Residuals为例。

图3.4.1 谱峰拟合操作界面

左侧Baseline 选项，由于此前已进行去基线操作，此处选No Baseline。若此前未进行去基线操作，可选不同的方程进行基线拟合。

左侧Smoothing 选项，同样由于已进行平滑操作，此处选None。

左侧Peak Types 选项，选择用于拟合的方程。PeakFit 自带78 个分布方程，可对绝大部分的光谱和色谱数据进行拟合。第一个选框内选All Peak Fns 调出所有分布方程，第二个选框内此处选Pearson IV 方程。

注：不同分布方程适用于拟合不同形态的谱峰，一般来讲非晶体和H2O 拉曼峰适合GaussAmp/Area 方程，对称的晶体拉曼峰适合Gauss + Lor Amp/Area 或Voigt Amp/Area 方程，不对称的晶体拉曼峰适合Pearson IV 方程，外源荧光或单色光的谱峰适合Beta Amp/Area 峰。

左侧AutoScan选项，选择寻峰操作。Amp%确定寻峰的临界强度，即只有高于该强度的数据才被识别为信号，低于该强度的数据被识别为噪音。实际操作中如果软件识别出太多不必要的峰，可通过增大Amp%的值减少多余的弱峰。Vary Width 和Vary Shape 主要用于多峰拟合中允许不同峰有不同的峰宽和形态，Add Residuals 和Allow Negative 对拟合结果影响不大。

注：某些情况下软件自动寻峰结果与真实结果相差较大，可通过手动操作对寻峰结果进行编辑，具体为：左键单击空白处可手动增加一个峰，左键单击峰顶点可屏蔽该峰，左键双击峰顶点去掉该峰，右键单击峰顶点调出更多操作（更改拟合方程、更改拟合参数、锁定参数等）。