一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其包括以下步驟：將樣品測(cè)定時(shí)所用溶劑加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到背景散射圖像；將金納米材料加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到金納米材料的特征散射圖像；將含有不同濃度金納米材料的待測(cè)樣品分別加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到若干待測(cè)樣品的散射圖像；對(duì)采集得到的背景散射圖像、金納米材料的特征散射圖像和待測(cè)樣品的散射圖像依次進(jìn)行圖像分析，得到待測(cè)樣品散射圖像中金納米材料的數(shù)量。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于多種透明平整基底以及多種結(jié)構(gòu)和尺寸的金納米材料的計(jì)數(shù)中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，球形納米顆粒、納米棒等金納米材料在化學(xué)和生物分析檢測(cè)中已得到廣泛的應(yīng)用。由于金納米材料具有表面等離子體共振性質(zhì)，其散射光譜具有強(qiáng)的、可調(diào)控的特征散射峰，因此金納米材料可以用于透明平整片狀基底(如玻璃、有機(jī)玻璃、塑料等)表面的光散射生化分析檢測(cè)?，F(xiàn)有的生化分析檢測(cè)方法采用直接結(jié)合或三明治夾心法原理，將修飾有識(shí)別分子的金納米材料吸附或鍵合至基底表面，繼而通過(guò)檢測(cè)散射光信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性定量。受單個(gè)金納米顆粒的散射光強(qiáng)度弱及基底表面雜散光的影響，現(xiàn)有方法對(duì)于金納米材料光學(xué)信號(hào)的響應(yīng)靈敏度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)納米材料的定量，多需銀染等后續(xù)處理以放大金納米材料的信號(hào)，從而使相應(yīng)的分析方法檢測(cè)限受限，實(shí)驗(yàn)步驟和復(fù)雜度增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單個(gè)金納米材料進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和計(jì)數(shù)的透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其包括以下步驟:1)將樣品測(cè)定時(shí)所用溶劑加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到背景散射圖像；2)將金納米材料加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到金納米材料的特征散射圖像；3)將含有不同濃度金納米材料的待測(cè)樣品分別加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到若干待測(cè)樣品的散射圖像；4)對(duì)步驟I)中得到的背景散射圖像、步驟
2)中得到的金納米材料的特征散射圖像和步驟3)中得到的待測(cè)樣品的散射圖像依次進(jìn)行圖像分析，得到待測(cè)樣品散射圖像中金納米材料的數(shù)量。
[0005]所述步驟I)、步驟2)和步驟3)中，透明平整片狀基底采用透明無(wú)機(jī)材料和透明高分子材料中的一種，透明無(wú)機(jī)材料采用普通玻璃和石英玻璃中的一種，透明高分子材料采用聚二甲基硅氧烷、有機(jī)玻璃和塑料中的一種。
[0006]所述步驟2)和步驟3)中，金納米材料采用金材料顆?；蚪鸩牧项w粒的聚集體,金材料顆粒采用球形金納米顆粒、金納米棒和金納米殼中的一種，金材料顆粒和金材料顆粒聚集體的尺寸均為IOnm?lOOOnm。
[0007]所述步驟I)、步驟2)和步驟3)中，采集暗場(chǎng)散射圖像時(shí)的曝光時(shí)間為IOms?IOOOms ;采集得到的暗場(chǎng)散射圖像中一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的尺寸小于或等于0.5 μ mX0.5 μ m。
[0008]所述步驟4)中，對(duì)散射圖像進(jìn)行圖像分析，其具體包括以下步驟:1、色彩空間轉(zhuǎn)換；分別將步驟I)中得到的背景散射圖像、步驟2)中得到的金納米材料的特征散射圖像和步驟3)中得到的待測(cè)樣品的散射圖像從sRGB色彩空間轉(zhuǎn)換至L*A*B*色彩空間，分別對(duì)應(yīng)得到L*A*B*色彩空間中的圖像；I1、亮度閾值運(yùn)算；將步驟I得到的L*A*B*色彩空間中圖像的所有像素進(jìn)行亮度閾值運(yùn)算，得到非背景像素和背景像素；111、圖像分割；采用四連通的洪泛算法對(duì)步驟II得到的非背景像素進(jìn)行分割，得到所有四連通的子區(qū)域列表；舍棄包含非背景像素?cái)?shù)量少于9的子區(qū)域，計(jì)算每一子區(qū)域中非背景像素組成圖形的面積與軸比，選取軸比在理論取值范圍內(nèi)以及面積在金納米材料成像面積的理論取值范圍內(nèi)的子區(qū)域，得到子圖像列表；IV、色彩特征提?。粚?duì)經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的背景散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像以及經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的金納米材料特征散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像進(jìn)行色彩特征提?。籚、待測(cè)樣品散射圖像中的金納米材料計(jì)數(shù)；對(duì)于經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的待測(cè)樣品散射圖像子圖像列表中的每一個(gè)子圖像或標(biāo)準(zhǔn)樣品散射圖像子圖像列表中的每一個(gè)子圖像，將子圖像中的每一非背景像素色彩的L*、A*與B*的值四舍五入為整數(shù)，查找金納米材料特征色彩查找表中對(duì)應(yīng)(L*，A*，B*)單元格的數(shù)值；若單元格的數(shù)值為1，則非背景像素為金納米通道像素；計(jì)算子圖像中金納米通道像素占非背景像素的比例，若該比例大于50%，則該子圖像為金納米材料子圖像；計(jì)算所有金納米材料子圖像的數(shù)量，該數(shù)量即為待測(cè)樣品散射圖像或標(biāo)準(zhǔn)樣品散射圖像中的金納米材料數(shù)量。
[0009]所述步驟III中，采用空間矩的方法計(jì)算像素組成圖形的軸比，其具體過(guò)程為:(I)計(jì)算像素所組成圖像的重心為:
【權(quán)利要求】
1.一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其包括以下步驟: 1)將樣品測(cè)定時(shí)所用溶劑加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到背景散射圖像； 2)將金納米材料加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到金納米材料的 特征散射圖像； 3)將含有不同濃度金納米材料的待測(cè)樣品分別加至透明平整片狀基底表面，然后置于暗場(chǎng)顯微鏡下觀察，采集得到若干待測(cè)樣品的散射圖像； 4)對(duì)步驟I)中得到的背景散射圖像、步驟2)中得到的金納米材料的特征散射圖像和步驟3)中得到的待測(cè)樣品的散射圖像依次進(jìn)行圖像分析，得到待測(cè)樣品散射圖像中金納米材料的數(shù)量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟I)、步驟2)和步驟3)中，透明平整片狀基底采用透明無(wú)機(jī)材料和透明高分子材料中的一種，透明無(wú)機(jī)材料采用普通玻璃和石英玻璃中的一種，透明高分子材料采用聚二甲基硅氧烷、有機(jī)玻璃和塑料中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟2)和步驟3)中，金納米材料采用金材料顆?；蚪鸩牧项w粒的聚集體，金材料顆粒采用球形金納米顆粒、金納米棒和金納米殼中的一種，金材料顆粒和金材料顆粒聚集體的尺寸均為IOnm~lOOOnm。
4.如權(quán)利要求2所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟2)和步驟3)中，金納米材料采用金材料顆?；蚪鸩牧项w粒的聚集體，金材料顆粒采用球形金納米顆粒、金納米棒和金納米殼中的一種，金材料顆粒和金材料顆粒聚集體的尺寸均為IOnm~lOOOnm。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟I)、步驟2)和步驟3)中，采集暗場(chǎng)散射圖像時(shí)的曝光時(shí)間為IOms~1000ms ;采集得到的暗場(chǎng)散射圖像中一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的尺寸小于或等于0.5 μ mX 0.5 μ m。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟4)中，對(duì)散射圖像進(jìn)行圖像分析，其具體包括以下步驟: I、色彩空間轉(zhuǎn)換； 分別將步驟I)中得到的背景散射圖像、步驟2)中得到的金納米材料的特征散射圖像和步驟3)中得到的待測(cè)樣品的散射圖像從sRGB色彩空間轉(zhuǎn)換至L*A*B*色彩空間，分別對(duì)應(yīng)得到色彩空間中的圖像； II、亮度閾值運(yùn)算； 將步驟I得到的L*A*B*色彩空間中圖像的所有像素進(jìn)行亮度閾值運(yùn)算，得到非背景像素和背景像素； III、圖像分割； 采用四連通的洪泛算法對(duì)步驟II得到的非背景像素進(jìn)行分割，得到所有四連通的子區(qū)域列表；舍棄包含非背景像素?cái)?shù)量少于9的子區(qū)域，計(jì)算每一子區(qū)域中非背景像素組成圖形的面積與軸比，選取軸比在理論取值范圍內(nèi)以及面積在金納米材料成像面積的理論取值范圍內(nèi)的子區(qū)域，得到子圖像列表； IV、色彩特征提??； 對(duì)經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的背景散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像以及經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的金納米材料特征散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像進(jìn)行色彩特征提??； V、待測(cè)樣品散射圖像中的金納米材料計(jì)數(shù)； 對(duì)于經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的待測(cè)樣品散射圖像子圖像列表中的每一個(gè)子圖像或標(biāo)準(zhǔn)樣品散射圖像子圖像列表中的每一個(gè)子圖像，將子圖像中的每一非背景像素色彩的L*、A*與B*的值四舍五入為整數(shù)，查找金納米材料特征色彩查找表中對(duì)應(yīng)(L*，A*，B*)單元格的數(shù)值；若單元格的數(shù)值為1，則非背景像素為金納米通道像素；計(jì)算子圖像中金納米通道像素占非背景像素的比例，若該比例大于50%，則該子圖像為金納米材料子圖像； 計(jì)算所有金納米材料子圖像的數(shù)量，該數(shù)量即為待測(cè)樣品散射圖像或標(biāo)準(zhǔn)樣品散射圖像中的金納米材料數(shù)量。
7.如權(quán)利要求6所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟III中，采用空間矩的方法計(jì)算像素組成圖形的軸比，其具體過(guò)程為: (I)計(jì)算像素所組成圖像的重心為:

8.如權(quán)利要求6所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟III中，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)成像分辨率公式，計(jì)算軸比的理論取值范圍與金納米材料成像面積的理論取值范圍，其計(jì)算過(guò)程為: (I )將金納米材料視為橢圓，該橢圓的長(zhǎng)軸與短軸長(zhǎng)度分別為a和b，結(jié)合光的波長(zhǎng)λ以及顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑NA，計(jì)算得到理想情況下金納米材料經(jīng)顯微鏡成像后的圖像軸比R’為:
9.如權(quán)利要求6所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟IV中，色彩特征提取的具體過(guò)程為: I)對(duì)于經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的背景散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像，分別計(jì)算所有非背景像素的L*、A*和B*色彩通道的色彩平均值，得到子圖像的平均色彩；使用CIEDE2000色差算法，計(jì)算子圖像中所有非背景像素與平均色彩之間的差值；預(yù)設(shè)色彩差值閾值的取值范圍為10~30，計(jì)算差值小于色彩差值閾值的像素?cái)?shù)量占非背景像素的比例，得到平均色彩的覆蓋率；如果平均色彩的覆蓋率大于50%，則將子圖像的平均色彩加入背景散射圖像的特征色彩列表中； II)對(duì)于經(jīng)步驟I~步驟III處理得到的金納米材料特征散射圖像的子圖像列表中的每一幅子圖像，按步驟I )中的方法，計(jì)算平均色彩及平均色彩的覆蓋率； 如果平均色彩的覆蓋率小于100%，則分別計(jì)算金納米材料特征散射圖像的子圖像的所有非背景像素中，差值大于或等于色彩差值閾值且亮度大于平均色彩亮度的像素的L*、A*和B*色彩通道的色彩平均值，得到高光區(qū)域的平均色彩；使用CIEDE2000色差算法，計(jì)算與平均色彩或高光區(qū)域的平均色彩任一差值小于色彩差值閾值的像素占非背景像素的比例，若該比例大于50%，則將金納米材料特征散射圖像的子圖像的平均色彩與高光區(qū)域的平均色彩加入金納米材料散射圖像特征色彩列表； III)對(duì)于金納米材料散射圖像特征色彩列表中的每一金納米材料的特征色彩，使用CIEDE2000色差算法，計(jì)算金納米材料的特征色彩與背景散射圖像特征色彩列表中每一背景特征色彩之間的差值，若有任一差值小于色彩差值閾值，則將金納米材料的特征色彩從金納米材料散射圖像特征色 彩列表中移去，若所有差值均大于或等于色彩差值閾值，則將金納米材料的特征色彩的L*、A*與B*的數(shù)值均四舍五入至整數(shù)； IV)建立金納米材料特征色彩查找表，將金納米材料散射圖像特征色彩列表中的每一金納米材料的特征色彩放入查找表，并進(jìn)行色彩擴(kuò)展。
10.如權(quán)利要求9所述的一種透明平整片狀基底表面的金納米材料計(jì)數(shù)方法，其特征在于:所述步驟IV)中，建立金納米材料特征色彩查找表，將金納米材料散射圖像特征色彩列表中的每一金納米材料的特征色彩放入查找表，并進(jìn)行色彩擴(kuò)展，其具體包括以下步驟: (I )建立包含L*、A*和B*三個(gè)維度的表，并將該表作為金納米材料特征色彩查找表，其中L*的取值范圍為[0，100]，A*的取值范圍為[-86，98]，B*的取值范圍為[-108，94]，L*、A*與B*的變化步長(zhǎng)均為I ;將金納米材料特征色彩查找表中所有單元格的數(shù)值均預(yù)設(shè)為O ; (II )對(duì)于金納米材料散射圖像特征色彩列表中的每一色彩值，將金納米材料特征色彩查找表中相應(yīng)(L*，A*，B*)單元格的數(shù)值設(shè)置為I ; (III)按L*的取值范圍為[35，100], A*的取值范圍為[-86，98]，B*的取值范圍為[1,94]遍歷金納米材料特征色彩查找表；對(duì)于遍歷過(guò)程中的每一(L*，A*，B*)色彩值，使用CIEDE2000色差算法，計(jì)算每一(L*，A*，B*)色彩值與金納米材料散射圖像特征色彩列表中的每一金納米材料特征色彩之間的差值，若有任一差值小于色彩差值閾值，則將金納米材料特征色彩查找表中對(duì)應(yīng)(L*，A*，B*)單元格的數(shù)值設(shè)置為I。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104007087SQ201410201048
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】許瀟, 李娜, 李甜, 徐重行, 劉鋒 申請(qǐng)人:北京大學(xué)