11

	Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет радиоэлектроники
Кафедра микро- и наноэлектроники 
Дисциплина наноэлектроника



«К защите допустить»
Руководитель курсовой работы
кандидат физико-математических  
наук, доцент
________________ С. А. Волчёк
     ___.____.2017


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе
на тему
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ РАМАНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

БГУИР КР 1-41 01 03 033 ПЗ




Студент		Е. И. Швед
Руководитель		С. А. Волчёк

Минск 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ	3
1  ПОРЯДОК ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ORIGIN	6
2  ПОРЯДОК ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ  В  ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ MICROSOFT EXCEL	10
3  СОЗДАНИЕ МАКРОСА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ          ГИСТОГРАММ В MICROSOFT EXCEL	13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	15
ПРИЛОЖЕНИЕ А	17












 
ВВЕДЕНИЕ

	Программа Origin – это пакет программ OriginLab Corporation программ фирмы OriginLab Corporation для численного анализа данных и научной графики, работающий на компьютере под управлением операционной системы Microsoft Windows.
	Для выполнения операций можно как использовать инструмент графического интерфейса пользователя (диалоги/меню), так и вызывать их в программах. В Origin включён собственный компилятор C/C++ с поддержкой и оптимизацией векторных и матричных вычислений.
Origin создана для создания двумерной, трёхмерной научной графики, которая создаётся с помощью готовых шаблонов, доступных для редактирования пользователем. Также возможно создавать новые собственные шаблоны. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах. Можно экспортировать полученные графики и таблицы в ряд форматов, таких как PDF, EPS, WMF, TIFF, JPEG, GIF и др.
	С помощью Origin можно проводить численный анализ данных, включая различные статистические операции, обработку сигналов.
Microsoft Excel – программа для работы с электронными 
таблицами, созданная корпорацией Microsoft для Microsoft Windows. Она предоставляет возможности экономико-статистических расчетов, графические инструменты и, за исключением Excel под Mac OS X, язык макропрограммирования  Visual Basic for Application. Microsoft Excel входит в состав Microsoft Office и на сегодняшний день Excel является одним из наиболее популярных приложений в мире.
	Application programming interface позволяет открывать таблицы Excel в ряде других приложений. Это включает в себя открытие документов Excel на веб-страницах с помощью ActiveX или таких плагинов, как Adobe Flash Player. Также предпринимались попытки копировать таблицы Excel в веб-приложения с использованием разделённых запятыми значений.
	Ценной возможностью Excel является возможность писать код на основе Visual Basic для приложений. Этот код пишется с использованием отдельного от таблиц редактора. Управление электронной таблицей осуществляется посредством объектно-ориентированной 
модели кода и данных. С помощью этого кода данные входных таблиц будут мгновенно обрабатываться и отображаться в
 таблицах и диаграммах (графиках). Таблица становится интерфейсом кода, позволяя легко работать, изменять его и управлять расчётами.
Вышеупомянутые комплексы используются для построения гистограмм из выходных данных после обработки рамановского изображения. Быстрая обработка данных в программе Microsoft Excel вместе с дополнительной библиотекой «Пакет анализа» позволяет оценить 
возможные ошибки и перепроверить данные. Origin дает возможность сделат более гибкую настройку для построения гистограмм.
	В современной медицине активно ведутся работы по исследованию свойств различных типов наночастиц для их дальнейшего применения при диагностике и лечении заболеваний. Использование кремниевых наночастиц для этих целей имеет существенные преимущества, обусловленные свойствами их биосовместимости и биодеградации. В теле здорового человека массой 70 кг в норме содержится около 1 г кремния, что делает кремний одним из наиболее распространенных мик роэлементов в организме человек. В организме человека кремний отвечает за обеспечение защитных функций, процессы обмена веществ и дезинтоксикации. Создание биологически активных нанокомпозитных материалов на кремниевой основе дало толчок многочисленным исследованиям применения этого элемента для лечения и диагностики различных заболеваний. Было установлено, что наночастицы кремния могут быть использованы в качестве фотосенсибилизаторов синглетного кислорода и соносенсибилизаторов ультразвука, что открывает возможность их использования для терапии онкозаболеваний.
	Основными представляющими интерес величинами являются данные спектров, мезопористого кремния сформированного на n-типе кремниевой пластины. На поверхности находятся наночастицы серебра и аналит бычий сывороточный альбумин, раствореный в буфере.
	Бычий сывороточный альбумин – наиболее широко изученный и наиболее распространенный протеин крови (70% от общего протеинового состава). Благодаря доступности исходного материала, стабильным методикам выделения, и, как результат, относительно невысокой цене и хорошей изученности свойств, бычий сывороточный альбумин широко применяется в лабораторной практике.
	БСА применяется в качестве стандарта в различных методах количественного определения белков, в качестве стандарта молекулярной массы белков (маркера) в гель-хроматографии и электрофорезе белков в денатурированном состоянии, а также как стандартный антиген при определении изменения иммунного ответа под действием иммуномодуляторов или других факторов. Так же используется для стабилизации некоторых ферментов, в частности эндонуклеаз рестрикции. Предотвращает адгезию ферментов к стенкам сосуда.
	В настоящее время особое внимание уделяется вопросам адресной доставки наночастиц к пораженным клеткам, при этом в большинстве случаев используется доставка наночастиц через кровеносную систему. Попадание частиц в кровоток может повлечь за собой их транспорт через все тело и накопление в конкретных органах [6]. Хотя биорастворимый кремний и выводится из организма в виде ортокремниевой кислоты, нужно исключить возможность образования агрегатов белок и кремний непосредственно в плазме крови. Поэтому необходимо исследовать взаимодействие наночастиц кремния с основными белками сыворотки крови, особенно с альбумином, одной из основных функций которого является транс порт веществ. Эти исследования могут быть проведены методами рассеяния света и инфракрасной (ИК) спектроскопии. Сравнивая значения параметров светорассеяния для систем вода и частицы кремния и белок, вода и кремний, вода и белок и сопоставляя их ИК спектры, можно судить о наличии или отсутствии агрегатов – нанокластеров, которые могут образоваться в результате взаимодействия макромолекул альбумина и наночастиц кремния.
1234567891
	Входные данные файлов формата ".txt" с группировкой по  названию "BSA_001M_KNa_PB_map_15x15_d0_s3_03_rb-2017.11.15-12.11.51", где 
а)	BSA_001M_KNa_PB – спектры исследуемого образца
б)	map_15x15 – размеры карты, в данном случае 15 на 15 точек
в)	d0 – показатель ослабления лазера, в данном случае – 0
г)	s3 – показатель задержки, в данном случае – 3 секунды
д)	2017.11.15-12.11.51 – дата, когда был сделано измерение спектра
 
1  ПОРЯДОК ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ORIGIN

	После запуска программы, с помощью функции Import  требуется вызвать список задач, в котором каждый элемент представляет собой шаг процесса моделирования модели.
 
а)	 Доступные оси для построения графика
б)	Наименование данных
в)	Количество входных данных
г)	Комментарии к столбцу входных данных
д)	Функция построения графиков
е)	Примерный получаемый график
ж)	Входные данные
Рисунок 1 – Импортированные данные значений спектров


Рассмотрим каждый пункт:
Доступные оси для построения графика
Важно понимать какие оси используются для построения графика и в какой системе координат предстоит работать.
Наименование данных
При большом количестве наименований требуется более детально обозначать данные, для того, чтобы не возникло путаницы ввиду их большого количества.
Количество входных данных
Это поле показывает количество входящих элементов для данного столбца.
Комментарии к столбцу входных данных
Это поле дает возможность уточнить некоторые параметры данных для нормальной работы в следующей сессии
Функция построения графиков 
Данное поле дает возможность построение графика по определенной функции
Примерный получаемый график
Данное поле показывает примерный график, который получается исходя из входных данных.
Входные данные
	Поля входных данных, для каждого спектра – новая ячейка.
	После импорта данных в таблицу и выделения ячеек со значениями спектров, с помощью функции Histogram можно построить гистограмму.
Построенная гистограмма изображена на рисунке 2.
	Параметры построенной гистограммы изображенные на рисунке 3, позволяют сделать дополнительную настройку. Один из ключевых параметров – Number of Bins увеличивает количество интервалов в построенной гистограмме. Изменения виды на рисунке 4.
	Для получения кривой распределения следует увеличивать параметр Number of Bins или же использовать параметр Distribution Curve 
со значением Kernel Smooth. Построенная диаграмма с параметром изображена на рисунке 5.
 
Рисунок 2 – Гистограмма спектров
	
 

Рисунок 3 – Параметры гистограммы



Рисунок 4 – Диаграмма спектров с уменьшенным интервалом
 
Рисунок 5 – Диаграмма спектров с дополнительной
 кривой распределения

 
2  ПОРЯДОК ПОСТРОЕНИЯ ГИСТОГРАММ  В  ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ MICROSOFT EXCEL

Основное применение программного комплекса Microsoft Excel вместе с дополнительной библиотекой "Пакет анализа" имеет место только при автоматизации построения гистограмм, ввиду того, что есть другие комплексы программ, которые позволяют делать процесс построения гистограмм в ручном режиме менее затратным.
Рассмотрим ручное построение гистограмм в Microsoft Excel для сравнения с программным комплексом Origin.
После запуска программы, в созданную таблицу импортируем входные данные. Пример входных данных в ячейках на рисунке 6.
	После импортирования данных, использую библиотеку "Пакет анализа"  вызываем функцию "Гистограмма" таблицу импортируем входные данные. Пример контекстного меню для построения гистограммы изображен на рисунке 7. 
Для построения таблицы с автоматическим интервалом требуется указать ячейки с исходными данными, в данном случае со снятыми значениями спектров, в пункте меню  "Входной интервал"  и в параметрах вывода в пункте меню "Выходной интервал" начальную ячейку для сформированной таблицы графика распределения, в нашем случае гистограммы спектров.
Для построения таблицы с пользовательским заданием интервалом требуется сформировать таблицу с интервалами. Используя пункт меню "Интервал карманов" указываем ячейки со сформированными интервалами. Повторяем действия для построения таблицы с автоматическим интервалом.
Используя таблицу данных, строим гистограмму 
распределения спектров. Примеры построенных
 гистограмм представлены на рисунках 8 и 9 соответственно. 

 

Рисунок 6 – Исходные данные в таблице

 

Рисунок 7 – Исходные данные в таблице

 

Рисунок 8 – Гистограмма с автоматическим интервалом
в 20 пунктов

 
Рисунок 9 – Гистограмма с  интервалом в 2 пункта
 
3  СОЗДАНИЕ МАКРОСА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ          ГИСТОГРАММ В MICROSOFT EXCEL

	Исходя из количества действий для создания в ручном режиме гистограммы в программном комплексе Microsoft Excel, следует требование оптимизации построения гистограммы. В приложении А находиться исходный код программы для реализации вышеупомянутого процесса. Требуется импортировать код в программный комплекс Microsoft Excel, указать входные данные ¬– таблицу со значениями спектров исследуемого образца, начальные и конечные индексы выходных данных, интервал для гистограммы и название листа в программном комплексе. Созданная гистограмма изображена на рисунке 10 для другого исследуемого образца. 

 

Рисунок 10 – Автоматически сгенерированная гистограмма
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

	Представленная здесь теория и примеры показывают, что имея два рассмотренных инструмента для обработки рамановского изображения строить гистограммы распределения в зависимости от заданных условий. Гибкость настройки инструментов позволяют убирать шум слева и справа, если это потребуется.
	Исходя из построенных гистограмм, можно судить о возможности 
сдвига линий поглощений в низкочастотные области, характерный для образования водородных связей между карбонильными группами белка и ОН-группами на поверхности наночастиц мезопористого кремния.
	С помощью двух данных пакетов программ можно анализировать большое количество данных, обработка которых без  указанных пакетов программ может занимать в разы больше по временным рамкам. Следовательно, оптимизация человеко-часов.
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1]	Aroca, R. Surface-enhanced vibrational spectroscopy/ R. Aroca. – Chichester: J. Wiley, 2006. – 233 р.
[2]	SERS-active substrates based on n-type porous silicon // A. Yu. Panarin [et al.] / Applied Surface Science. – 2010. – V. 256. – P. 6969-6976.
[3]	Formation of SERS-active silver structures on the surface of mesoporous silicon // A. Yu. Panarin [et al.] / Journal of Applied Spectroscopy. – 2009. – Vol. 76. – № 2. – P. 280-287.
[4]	Surface-enhanced Raman spectroscopy using self-assembled silver nanoparticles on silicon nanotips // S. Chattopadhyay [et al.] / Chem Mater. – 2005. – Vol. 17. – P. 553-559. 
[5]	Дурнев А.Д., Соломина А.С., Даугель"Дауге Н.О., Жанатаев А.К., Шредер Е.Д., Немова Е.П., Шре" дер О.В., Велигура В.А., Осминкина Л.А., Тимошен" ко В.Ю., Середенин С.Б. // Бюлл. эксп. биол. и мед. 2010. Т. 149. № 4. С. 429–433.
[6]	Ершов А.В., Машин А.И., Карабанова И.А. Изучение колебательных свойств аморфного кремния методом ИК спектроскопии. Лабораторная работа по курсу “Физика аморфных и нанокристаллических полупроводников”. Н. Новгород: ННГУ, 2007. 24 с.
[7]	Егоров Н.Б., Шагалов В.В. Инфракрасная спектроскопия редких и рассеянных элементов. Учебнометодические указания. Томск: Издво ТПУ, 2008. 20 с.
[8]	Comparative SERS study carried out on unsilanized and silanized oxidized porous silicon surface coated by small gold nanoparticles // H. Dridi [et al.] / J Porous Mater. – November 2014. – P. 1-7.
[9]	Multifunctional porous silicon nanopillar arrays: antireflection, superhydrophobicity, photoluminescence, and surface-enhanced Raman scattering // B. Kiraly [et al.] / Nanotechnology. – 2013. – Vol. 24. – P. 245704.
[10]	Porous silicon covered with silver nanoparticles as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for ultra-low concentration detection // M. Kosovic [et al.] / Appl Spectrosc. – 2015. – Vol. 69(12). – P. 1417-24. 
[11]	Surface-enhanced Raman scattering from silver-plated porous silicon // H. Lin [et al.] / J Phys Chem B. – 2004. – Vol. 108. – P. 11654-11659. 
[12]	SERS-active substrates fabricated by displacement deposition of metals on porous silicon // K. Artsemyeva [et al.] / Abstracts of the 222nd ECS Fall Meeting, Honolulu, Hawaii, USA, 7–12 October 2012. 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ А 

Sub Chart 
Charts.Add 
Dim oRangeSelected As Range
   On Error Resume Next
   Sheets("Лист1").Select
   Set oRangeSelected = Application.InputBox("Please select a range of cells!", _ "SelectARAnge ", Selection.Address, , , , , 8)
   ActiveChart.ChartType = xlColumnClustered
   ActiveChart.SetSourceData Source:=Sheets("Лист1").Range(oRangeSelected), PlotBy:= _ 
       xlColumns 
   ActiveChart.Location Where:=xlLocationAsNewSheet 
   With ActiveChart 
       .HasTitle = True  
       .ChartTitle.Characters.Text = "Гистограмма"
       .Axes(xlCategory, xlPrimary).HasTitle = False
       .Axes(xlValue, xlPrimary).HasTitle = False
   End With
   ActiveChart.HasDataTable = False  
End Sub
Sub Chart()
    Dim oRangeSelected As Range
    On Error Resume Next
    Sheets("Лист2").Select
    Set oRangeSelected = Application.InputBox("Please select a range of cells!",    	_   "SelectARAnge ", Selection.Address, , , , , 8)
    ActiveSheet.Shapes.AddChart2(201, xlColumnClustered).Select
    ActiveChart.SetSourceData Source:=Range(oRangeSelected.Address)
    ActiveChart.Location Where:=xlLocationAsNewSheet
    ActiveChart.ChartArea.Select
    ActiveChart.ChartTitle.Text = "Гистограмма"
    Selection.Format.TextFrame2.TextRange.Characters.Text = "Гиcтограмма"
End Sub