利用PeakFit处理拉曼光谱数据教程

来源：小木虫论坛 作者：xueyinyuan

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。

Systat 公司主页：https://systatsoftware.com/

PeakFit 购买与30 天试用链接：https://systatsoftware.com/products/peakfit/

2、 软件基本操作

PeakFit 软件基本操作界面如图2.1。

图2.1 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Xi 和Xf 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。

图3.3.1 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）。

图3.4.2 拉曼峰编辑

3.4.2 拟合

重复点击左下角按钮进行数据拟合的迭代运算，单击小窗口中的Addl Adjust 按钮确认本次运算结果，直到结果不再改变。

图3.4.3 多次迭代进行数据拟合

迭代运算也可通过单击按钮进入以下界面后点击Addl Adjust 进行（同样需要重复进行直至结果不再改变）。

图3.4.4 多次迭代进行数据拟合

3.4.3 结果确认和导出

通过单击图3.4.3 小窗口或3.4.4 左侧的Review Fit 按钮查看谱峰拟合结果，也可通过单击图3.4.1 左下方按钮查看拟合结果。

图3.4.5 查看拟合结果

Export：将拟合结果导出到文件中，可选ACSII、Excel 等数据格式。

图3.4.6 将拟合结果导出到文件中

Numeric：查看拟合得到的谱峰数据，包括拟合参数、谱峰位置、强度、面积、半高宽、对称性等参数以及各参数的标准差等。 如果只需要查看最简单的谱峰信息，可通过单击图3.4.1 左侧按钮获得。可通过File—SaveAs 将结果导出到文件中。

图3.4.7 查看谱峰拟合结果

图3.4.8 将谱峰拟合结果导出到文件中

Data：查看详细拟合数据（类似于Export 导出的数据），同样可以通过File—SaveAs 将数据导出到文件中。

Evaluation：对拟合结果进行评估（很少用）。

Residuals：查看拟合结果残差。

参考文献：

拉曼和红外数据处理操作可参考下列文献：

R. Gautam, S. Vanga, F. Ariese and S. Umapathy, 2015. Review of multidimensional dataprocessing approaches for Raman and infrared spectroscopy. EPJ Techniques andInstrumentation. 2:8（DOI: 10.1140/epjti/s40485-015-0018-6）。

光谱数据前处理（平滑、标准化等）可参考下列文献：

K. H. Liland, A. Kohler and N. K. Afseth, 2015. Model-based pre-processing in Ramanspectroscopy of biological samples. Journal of Raman Spectroscopy. 47, 643–650 （ DOI:10.1002/jrs.4886）。

T. W. Randolph, 2006. Scale-based normalization of spectral data. Cancer Biomarkers, 2006,2(3): 135-144.（DOI: 10.3233/CBM-2006-23-405）。

谱峰拟合方程选择可参考下列文献：

X. Yuan and R. A. Mayanovic, 2017. An Empirical Study on Raman Peak Fitting and ItsApplication to Raman Quantitative Research. Applied Spectroscopy. (DOI:10.1177/0003702817721527)

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