雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>測量裝置的制造及其應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及光譜復(fù)雜溶液濃度分析化學(xué)計量領(lǐng)域，尤其涉及一種雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，較為成熟的技術(shù)是通過化學(xué)檢驗來檢測血袋中游離血紅蛋白的含量，具有準(zhǔn)確性高的突出優(yōu)點，但化學(xué)檢驗的方式無法滿足快速、非接觸、以及無污染的需求，光譜測量由于其非接觸、無污染的特性也有可能實現(xiàn)血袋內(nèi)游離血紅蛋白的含量檢測。

在光譜檢測中，根據(jù)朗伯-比爾定律：分別測量各個波長的入射光強i0和出射光強i，通過公式(1)計算各個波長的吸光度a?！蕿槲镔|(zhì)在某一波長下吸光系數(shù)，c為物質(zhì)的濃度，b為光程長度。

實際上，由于種種原因未能測量入射光強i0，例如：入射光強i0太強而難以測量，但如果在入射光強i0基本穩(wěn)定不變的情況下，只測量出射光強i也可以得到不錯的結(jié)果。然而光譜檢測受到光譜背景噪聲的影響、光源變化的影響以及測量容器的影響難以達(dá)到測量需要的精度。

光源的影響主要表現(xiàn)為光譜分布和光強的變化。導(dǎo)致光源變化的原因有很多，如光源電壓變化、燈絲老化、或環(huán)境溫度變化等。在光譜分析中，鮮有文獻(xiàn)介紹光源對測量精度的影響，以及減小光源強度變化對測量精度影響的方法。在早前的研究中，用定標(biāo)的方式來消除一些干擾，如用水來定標(biāo)，但是由于光強過強，實際中難以操作。也有很多學(xué)者利用中性衰減片或光纖分光方式測量入射光強i0。以中性衰減片為例(下文的討論除非特別說明，均在某個波長上討論)，測量通過中性衰減片的出射光強iⁿ，則光源的光強i0ⁿ可以用吸光度a和出射光強iⁿ來表示：

然后將被測樣品替換中性衰減片，測出樣品的出射光強i^s：

注意到所以

式(4)的最終結(jié)果中沒有(也即)出現(xiàn)，說明光源的強度(及其光譜)不會影響對樣品的測量，只要所有的測量都采用同一中性衰減片校準(zhǔn)，即保持lgiⁿ+aⁿ為恒定常數(shù)。

采用上述方法存在如下的缺點：

不同場合很難找到完全一樣的中性衰減片，且很難保證樣品與中性衰減片的位置一致。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種雙光程透射光譜測量血袋內(nèi)血液的游離血紅蛋白含量的方法，可操作性強，消除了光譜背景噪聲、光源變化和血袋帶來的影響，提高了游離血紅蛋白含量的分析精度，詳見下文描述：

一種雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法，所述方法包括以下步驟：

光源出光光口與光譜接收裝置入射狹縫緊貼血袋，調(diào)制裝置調(diào)制光源使其發(fā)出方波光信號，光源對血液樣品進(jìn)行透射，光譜接收裝置采集透射光譜；

位移平臺在保證光源出光光口和光譜接收裝置入射狹縫同軸前提下，控制光源移動，由光譜接收裝置采集透射光譜；

將兩個位置處透射光譜分別變換到頻域構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜，將兩個頻域內(nèi)透射光譜的各個波長下光強比值求對數(shù)得到吸收光譜，將吸收光譜歸一化處理后與已有化學(xué)分析的結(jié)果對比，建立數(shù)學(xué)模型；

采集未知血液兩位置處的透射光譜，將兩透射光譜分別變換到頻域構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜，將兩個頻域內(nèi)透射光譜的各個波長下光強比值求對數(shù)得到吸收光譜，將吸收光譜進(jìn)行歸一化，并帶入數(shù)學(xué)模型計算，得到游離血紅蛋白的含量；

所述方法通過控制位移平臺改變光程，在不同光程長處采集同一調(diào)制光源下的血袋內(nèi)血液的透射光譜，消除光源變化和血袋帶來的影響，消除光譜背景噪聲的影響，提高游離血紅蛋白含量的分析精度，解決血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的無損檢測。

其中，所述構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜的步驟具體為：

調(diào)制裝置將光源調(diào)制成方波光信號，由光譜接收裝置采集透射光譜，將透射光譜的每個波長的時間序列變換到頻域，以各個波長的基波分量構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜。

其中，控制光源移動，由光譜接收裝置采集透射光譜的步驟具體為：

光源在位置a處對血液樣品進(jìn)行透射，由光譜接收裝置采集透射光譜；

位移平臺控制光源移動至位置b，由光譜接收裝置采集透射光譜；

或，

光源對血袋內(nèi)的血液樣品進(jìn)行透射，由光譜接收裝置在位置a處采集透射光譜；

位移平臺控制光譜接收裝置移動至位置b，采集位置b處的透射光譜；

或，

在位置a處由光源對血袋內(nèi)的血液樣品進(jìn)行透射，在位置a’處由光譜接收裝置采集透射光譜；

位移平臺控制光源和光譜接收裝置分別移動至位置b、b’處，由光譜接收裝置采集透射光譜。

其中，所述方法還包括：

在光源處設(shè)置一光纖，作為入射光纖，且保證入射光纖與光譜接收裝置入射狹縫緊貼血袋且同軸；

或，

在光譜接收裝置處設(shè)置一光纖，作為出射光纖，且保證出射光纖與光源出光光口緊貼血袋且同軸；

或，

在光源與光譜接收裝置處分別設(shè)置入射光纖與出射光纖，且保證入射光纖與出射光纖緊貼血袋且同軸。

其中，所述a位置為入射光纖的第一位置，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對位置a下的透射光譜；在保證入射光纖與出射光纖同軸的前提下，控制入射光纖移動到位置b處，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對位置b下的透射光譜。

其中，所述a位置為出射光纖的第一位置，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對位置a下的透射光譜；在保證入射光纖與出射光纖同軸的前提下，控制出射光纖移動到位置b處，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對位置b下的透射光譜。

其中，a、a’分別為入射光纖和出射光纖的第一位置，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對該位置a、a’下的透射光譜；在保證入射光纖與出射光纖同軸的前提下，控制入射光纖和出射光纖移動到位置b、b’處，由光譜接收裝置采集入射光纖與出射光纖相對位置b、b’下的透射光譜。

進(jìn)一步地，所述光源為超連續(xù)寬譜激光、氙燈寬譜光源或溴鎢燈寬帶光源，該超連續(xù)寬譜激光、氙燈寬譜光源或溴鎢燈寬帶光源覆蓋可見光波段、或近紅外光波段、或兩者的組合，可直接發(fā)光或經(jīng)入射光纖傳導(dǎo)。

進(jìn)一步地，所述位移平臺為步進(jìn)電機(jī)或磁鐵吸合裝置；所述光譜接收裝置為光譜儀；所述調(diào)制裝置為斬波器。

上述所述數(shù)學(xué)模型利用主成分分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支持向量機(jī)、信號分析或統(tǒng)計方法建立。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明通過控制位移平臺改變光程，在不同光程長處采集同一調(diào)制光源下的血袋內(nèi)血液的透射光譜，不僅消除了光源變化和血袋帶來的影響，而且消除了光譜背景噪聲的影響，提高了游離血紅蛋白含量的分析精度，解決了血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的無損檢測問題，高效、簡便、無污染，可操作性強。

附圖說明

圖1為雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法原理圖；

圖2為雙光程透射光譜法原理示意圖；

圖3為實施例1中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法示意圖；

圖4為實施例2中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖5為實施例3中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖6為實施例4中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖7為實施例5中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖8為實施例6中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖9為實施例7中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖；

圖10為實施例8中雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法另一示意圖。

附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：

1：第一光程；2：第二光程；

3：光源；4：入射光纖；

5：血袋；6：位移平臺；

7：光譜接收裝置；8：出射光纖；

9：調(diào)制裝置；a、a’：第一位置；

b、b’：第二位置。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

將調(diào)制裝置放置于光源光路之中時，光會周期性的通過和遮擋。此時光源發(fā)出的光被調(diào)制成具有一定頻率的方波光信號。透射血液得到的透射光譜中每個波長的頻率與光源發(fā)出的方波光頻率一致，以透射光譜某一波長λ為例，圖1為λ波長的波形與光譜接收裝置積分時間對應(yīng)的積分值示意圖，b為背景噪聲，t為光譜接收裝置的積分時間，且t1＝t2＝…＝ti＝t；t1區(qū)間內(nèi)積分時間對應(yīng)的是背景噪聲，此時光譜接收裝置接收到的光強幅值背景噪聲的積分值，數(shù)值最小記為imin；ti區(qū)間內(nèi)積分時間對應(yīng)的是λ波長的光強和背景噪聲，此時光譜接收裝置接收到的光強幅值是λ波長的光強和背景噪聲的積分值，數(shù)值最大記為imax，t1與ti之間其他的積分時間一部分對應(yīng)背景噪聲，另一部分對應(yīng)λ波長的光強和背景噪聲，因此所得到的積分值在(imin，imax)區(qū)間內(nèi)變動。由此，在t1～ti內(nèi)可以得到一組值域為(imin，imax)積分值序列，由此可見，該波長的積分值在(imin，imax)區(qū)間內(nèi)變動而形成周期性信號，其他波長的積分值與此類似，且為嚴(yán)格同周期和同步的周期性信號。通過對各個波長的積分值的時間序列進(jìn)行傅立葉變換，以所有波長積分值的頻域基波分量構(gòu)成的頻域內(nèi)透射光譜，可以消除光譜背景噪聲，大幅度提高信噪比。

雙光程法是根據(jù)朗伯-比爾定律，如圖2所示，分別設(shè)定第一光程1和第二光程2。推導(dǎo)過程如下：

其中，a1是第一光程1的吸光度，a2是第二光程2的吸光度。io是第一光程1的入射光的光強，同時也是第二光程2的入射光的光強，i1是第一光程1的出射光強，i2是第二光程2的出射光強，b1是第一光程1的光程長，b2是第二光程2的光程長，△b為兩光程長的差，∈吸光系數(shù)為，c所測物質(zhì)濃度。

由式(7)可以看出，雙光程光譜法的吸光度與光程差仍然成線性關(guān)系，符合朗伯-比爾定律，且與入射光光強io無關(guān)。因此，雙光程法在理論上是不受光源影響的，同時扣除了血袋本身的影響。

實施例1

本發(fā)明實施例提供的雙光程調(diào)制光源測量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法，所使用到的器件如圖3所示，包括：光源3、血袋5、位移平臺6、光譜接收裝置7以及調(diào)制裝置9。

其中，保證光源3出光光口與光譜接收裝置7入射狹縫緊貼血袋5且同軸，調(diào)制裝置9調(diào)制光源3使其發(fā)出方波光信號，光源3在第一位置a(對應(yīng)第一光程1)處對血袋5內(nèi)的血液樣品進(jìn)行透射，由光譜接收裝置7采集透射光譜。隨后通過位移平臺6在保證光源3出光光口和光譜接收裝置7出射狹縫同軸的前提下控制光源移動至第二位置b(對應(yīng)第二光程2)，由光譜接收裝置7采集透射光譜。

將a、b兩個位置處采集的透射光譜的每個波長的時間序列變換到頻域，以各個波長的基波分量構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜，由此消除光譜背景噪聲的影響，將兩個頻域內(nèi)透射光譜的各個波長下光強比值求對數(shù)得到吸收光譜，由此消除光源不穩(wěn)定和血袋帶來的測量誤差，更客觀反映個體之間血液成分的變化。將吸收光譜歸一化處理，歸一化方法為：

ag＝a/max(a)(8)

公式(8)中，ag為歸一化吸光度，max(a)為不同波長上的吸光度最大值，a為吸光度。結(jié)合化學(xué)檢驗的數(shù)據(jù)，利用主成分分析(pca,principalcomponentanalysis)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann,artificialneuralnetwork)或偏最小二乘回歸(plsr,particleleastsquarescalibrationanalysis)或支持向量機(jī)(svm,supportvectormachines)信號分析或統(tǒng)計等方法均可建立數(shù)學(xué)模型。

本發(fā)明實施例對具體建立數(shù)學(xué)模型的步驟不做贅述，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。

采集未知血液樣品a、b兩處位置的透射光譜，將透射光譜的每個波長的時間序列變換到頻域，以各個波長的基波分量構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜，將兩個頻域內(nèi)透射光譜吸收光譜進(jìn)行歸一化帶入上述建立好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，得到游離血紅蛋白的含量。