雙光程調(diào)制光源測(cè)量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法與流程

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雙光程調(diào)制光源測(cè)量血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的方法與流程

本發(fā)明涉及光譜復(fù)雜溶液濃度分析化學(xué)計(jì)量領(lǐng)域，尤其涉及一種雙光程調(diào)制光源測(cè)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(yàn)來檢測(cè)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(diǎn)，但化學(xué)檢驗(yàn)的方式無法滿足快速、非接觸、以及無污染的需求，光譜測(cè)量由于其非接觸、無污染的特性也有可能實(shí)現(xiàn)血袋內(nèi)游離血紅蛋白的含量檢測(cè)。

在光譜檢測(cè)中，根據(jù)朗伯-比爾定律：分別測(cè)量各個(gè)波長的入射光強(qiáng)i0和出射光強(qiáng)i，通過公式(1)計(jì)算各個(gè)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(shí)際上，由于種種原因未能測(cè)量入射光強(qiáng)i0，例如：入射光強(qiáng)i0太強(qiáng)而難以測(cè)量，但如果在入射光強(qiáng)i0基本穩(wěn)定不變的情況下，只測(cè)量出射光強(qiáng)i也可以得到不錯(cuò)的結(jié)果。然而光譜檢測(cè)受到光譜背景噪聲的影響、光源變化的影響以及測(cè)量容器的影響難以達(dá)到測(cè)量需要的精度。

光源的影響主要表現(xiàn)為光譜分布和光強(qiáng)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(duì)測(cè)量精度的影響，以及減小光源強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)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(qiáng)過強(qiáng)，實(shí)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(cè)量入射光強(qiáng)i0。以中性衰減片為例(下文的討論除非特別說明，均在某個(gè)波長上討論)，測(cè)量通過中性衰減片的出射光強(qiáng)iⁿ，則光源的光強(qiáng)i0ⁿ可以用吸光度a和出射光強(qiáng)iⁿ來表示：

然后將被測(cè)樣品替換中性衰減片，測(cè)出樣品的出射光強(qiáng)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(qiáng)度(及其光譜)不會(huì)影響對(duì)樣品的測(cè)量，只要所有的測(cè)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(diǎn)：

不同場(chǎng)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(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種雙光程透射光譜測(cè)量血袋內(nèi)血液的游離血紅蛋白含量的方法，可操作性強(qiáng)，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(cè)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(hào)，光源對(duì)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(tái)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(dòng)，由光譜接收裝置采集透射光譜；

將兩個(gè)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(gè)頻域內(nèi)透射光譜的各個(gè)波長下光強(qiáng)比值求對(duì)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(duì)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(gè)頻域內(nèi)透射光譜的各個(gè)波長下光強(qiáng)比值求對(duì)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(jì)算，得到游離血紅蛋白的含量；

所述方法通過控制位移平臺(tái)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(cè)。

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(hào)，由光譜接收裝置采集透射光譜，將透射光譜的每個(gè)波長的時(shí)間序列變換到頻域，以各個(gè)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(dòng)，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(duì)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(tái)控制光源移動(dòng)至位置b，由光譜接收裝置采集透射光譜；

或，

光源對(duì)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(tái)控制光譜接收裝置移動(dòng)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(duì)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(tái)控制光源和光譜接收裝置分別移動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(tái)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(hào)分析或統(tǒng)計(jì)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(tái)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(cè)問題，高效、簡(jiǎn)便、無污染，可操作性強(qiáng)。

附圖說明

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

圖4為實(shí)施例2中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例3中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例4中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例5中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例6中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例7中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(shí)施例8中雙光程調(diào)制光源測(cè)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(hào)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(tái)；

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(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)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(shí)，光會(huì)周期性的通過和遮擋。此時(shí)光源發(fā)出的光被調(diào)制成具有一定頻率的方波光信號(hào)。透射血液得到的透射光譜中每個(gè)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(shí)間對(duì)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(shí)間，且t1＝t2＝…＝ti＝t；t1區(qū)間內(nèi)積分時(shí)間對(duì)應(yīng)的是背景噪聲，此時(shí)光譜接收裝置接收到的光強(qiáng)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(shí)間對(duì)應(yīng)的是λ波長的光強(qiáng)和背景噪聲，此時(shí)光譜接收裝置接收到的光強(qiáng)幅值是λ波長的光強(qiáng)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(shí)間一部分對(duì)應(yīng)背景噪聲，另一部分對(duì)應(yīng)λ波長的光強(qiáng)和背景噪聲，因此所得到的積分值在(imin，imax)區(qū)間內(nèi)變動(dòng)。由此，在t1～ti內(nèi)可以得到一組值域?yàn)?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(dòng)而形成周期性信號(hào)，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(hào)。通過對(duì)各個(gè)波長的積分值的時(shí)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(qiáng)，同時(shí)也是第二光程2的入射光的光強(qiáng)，i1是第一光程1的出射光強(qiáng)，i2是第二光程2的出射光強(qiáng)，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(cè)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(qiáng)io無關(guān)。因此，雙光程法在理論上是不受光源影響的，同時(shí)扣除了血袋本身的影響。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例提供的雙光程調(diào)制光源測(cè)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(tái)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(hào)，光源3在第一位置a(對(duì)應(yīng)第一光程1)處對(duì)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(tái)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(dòng)至第二位置b(對(duì)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(gè)位置處采集的透射光譜的每個(gè)波長的時(shí)間序列變換到頻域，以各個(gè)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(gè)頻域內(nèi)透射光譜的各個(gè)波長下光強(qiáng)比值求對(duì)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(cè)量誤差，更客觀反映個(gè)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(yàn)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(hào)分析或統(tǒng)計(jì)等方法均可建立數(shù)學(xué)模型。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)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(gè)波長的時(shí)間序列變換到頻域，以各個(gè)波長的基波分量構(gòu)造頻域內(nèi)透射光譜，將兩個(gè)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(jì)算，得到游離血紅蛋白的含量。