CN101435768B

CN101435768B - 一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置及检测方法

Info

Publication number: CN101435768B
Application number: CN2008102182564A
Authority: CN
Inventors: 王贵良; 何永红
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2028-12-08
Also published as: CN101435768A

Abstract

本发明公开了一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置及检测方法。光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，包括：发出吸收光的吸收光源(100)、发出参考光的参考光源(200)和光电检测装置(800)；还包括：物镜透镜组(600)和目镜透镜组(700)；所述物镜透镜组(600)用于将所述参考光和吸收光聚焦于所述容器的内壁面上的探测焦点；所述目镜透镜组(700)设置在所述参考光和吸收光进入所述光电检测装置(800)的光路上，用于将由所述探测焦点反射回的所述参考光和吸收光聚焦于检测焦点；所述光电检测装置(800)接收通过所述检测焦点的参考光和吸收光并转换为相应的电信号。

Description

一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置及检测方法。

背景技术

如何无损并精确的测量生物体中体液的浓度，是一个很难解决的矛盾，以下仅以检测血糖浓度为例进行说明。

目前全世界有2.46亿糖尿病患者，并且还在每年快速增加，2007年仅美国的2400万糖尿病患者的医疗费用就高达2180亿美元。鉴于全世界庞大的糖尿病人数，无损血糖检测仪有着很大的市场空间，吸引了很多大公司和研究机构都投入了大量的精力来研究人体血糖的无损检测问题。近30年来，研究人员开发了一系列方法用于无损检测血糖的浓度，最常见的有近红外光谱法，旋光法，激光拉曼光谱法、光声光谱法等。但是由于人体组织的差异性、血糖监测信号过于微弱、背景噪声强、以及个体的差异性等原因，目前在研的方法均止步于基础研究阶段，尚无一种无损血糖检测仪器能够通过美国FDA认证用于临床应用。

目前医学上使用的通过美国FDA认证的血糖检测方法，都是有损或者微损检测方式，这些方法需要每次刺破皮肤采取静脉或者指尖的血液样本，通过试纸比色测量来测试人体的血液中葡萄糖浓度。这些方法不仅费时、成本高、又造成局部感染的风险，而且采取血样的麻烦和疼痛更使得大多数糖尿病人不可能按理论上的要求每天多次监测其血糖水平，影响了糖尿病患者及时、快速的诊断治疗。据统计，我国糖尿病患者的治疗率仅为27.2％。在这种情况下，患者和社会都非常迫切的需要一种无痛、连续、方便的血糖监测技术。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是首先提出一种不接触的方式测量溶液浓度的装置和方法，其次是如何让检测单元接收到尽量小的，容器外壁直接反射回来的检测光和容器内壁除探测焦点之外的散射光，而尽量多的接收透过待测溶液并经位于容器内壁的探测焦点所在位置反射回来的检测光，以提高检测精度。

上述检测光为散射光。

红外光谱法的理论依据是郎伯一比尔(Lambert-Beer)定律。近红外光线照射到生物组织，其中一部分光会被组织内的各种成分(如蛋白质、水等)散射或者吸收，仅有剩余的部分透射或者反射出来。因此光在生物体组织中传输时，出射光强会由于组织的散射和吸收而逐渐衰减。出射光强与入射光强成正比，与生物体组织内吸收或者散射组分的浓度和光通过该组织的光程的乘积成指数衰减。假定入射光为单色光，并且组织的吸收和散射均发生在均一的组织内，则光的衰减规律可以由比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)描述

I＝e^-acdI₀

上式中，I0，I分别为入射和出射光强，a为样品的吸光系数。c为被测组分浓度，令A为被测组分吸光度，则可写成A＝ac。

因为生物组织中存在的组分大多都对红外光有吸收，而且它们的吸收谱互相重叠，因而使问题变得复杂。为此，可以采取用多波长进行近红外光探测，其中每一个波长的吸光度都会形成一个方程，即

Σ_{j = 1}^{n} a_{ij} c_{j} = A_{i}

式中aij表示第i个波长时第j个组分的吸光系数。设组织中含有n种组分，其浓度分别为c₁，c₂，…c_n，则可以通过不同波长的实验建立一个关于组分浓度的方程组求解葡萄糖的浓度：

a₁₁c₁+a₁₂c₂+…+a_1nc_n＝A₁

a₂₁c₁+a₂₂c₂+…+a_2nc_n＝A₂

…

a_m1c₁+a_m2c₂+…+a_mnc_n＝A_m

即

Σ_{j = 1}^{n} a_{ij} c_{j} = A_{i}, i = 1,2, \cdot \cdot \cdot m

其中各组分吸光系数aij已知，生物组织对第i个波长的光的吸光度Ai通过实验得出，即可解算出各组分的浓度c₁，c₂，…c_n。在数据处理中，应用化学统计学法分析谱数据可以利用特定波长上光吸收量与糖浓度间的定标模型来估算糖溶液的浓度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，包括：发出吸收光的吸收光源、发出参考光的参考光源和光电检测装置；所述参考光和吸收光经过调整汇聚分别透过盛装待测溶液的容器射入所述盛装待测溶液，并经过所述容器的内壁反射射出所述容器，还包括：物镜透镜组和目镜透镜组；所述物镜透镜组用于将所述参考光和吸收光聚焦于所述容器的内壁面上的探测焦点；所述目镜透镜组设置在所述参考光和吸收光进入所述光电检测装置的光路上，用于将由所述探测焦点反射回的所述参考光和吸收光聚焦于检测焦点；所述光电检测装置接收通过所述检测焦点的参考光和吸收光并转换为相应的电信号。

所述吸收光源和参考光源分别采用发光二极管，也可以采用激光光源或超辐射发光二极管。发光二极管可视为一种电光源，则所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置还包括：第一光汇聚装置和第二光汇聚装置；所述第一光汇聚装置设置于靠近所述吸收光源的位置，用于将所述吸收光汇聚成平行光；所述第二光汇聚装置设置于靠近所述参考光源的位置，用于将所述参考光汇聚成平行光。

所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置还包括：第一双向色镜；经过所述第一光汇聚装置汇聚的所述吸收光，与经过所述第二光汇聚装置汇聚的所述参考光相互垂直相交，所述第一双向色镜设置于该相交处，并分别与所述吸收光和参考光的夹角为45度；所述吸收光透过所述第一双向色镜，所述参考光被所述双向色镜反射，透过所述第一双向色镜的所述吸收光与被所述第一双向色镜反射的所述参考光合为一个光路射向所述物镜透镜组。

所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置还包括：宽带分光镜；所述宽带分光镜设置于所述吸收光和参考光合为一个光路射向所述物镜透镜组的光路上，并与该光路的夹角为45度，射向所述物镜透镜组的所述吸收光和参考光透过所述宽带分光镜射向所述物镜透镜组，由所述探测焦点反射回的所述参考光和吸收光经过所述物镜透镜组汇聚射向所述宽带分光镜，并由所述宽带分光镜反射射向所述目镜透镜组。

所述光电检测装置包括：开有针孔的挡板；所述针孔的位置位于所述检测焦点的位置，仅通过所述针孔的所述吸收光或参考光被所述光电检测装置转换为相应的电信号。

所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置还包括：第二双向色镜；所述目镜透镜组包括：第一目镜透镜组和第二目镜透镜组；所述光电检测装置包括：第一光电检测装置和第二光电检测装置；所述第二双向色镜设置于由所述宽带分光镜反射的所述吸收光和参考光的光路上，并与该光路成一定角度；所述吸收光透过所述第二双向色镜射向所述第一目镜透镜组，并由所述第一目镜透镜组聚焦后被所述第一光电检测装置接收并转换为相应的电信号；所述参考光被所述第二双向色镜反射射向所述第二目镜透镜组，并由所述第二目镜透镜组聚焦后被所述第二光电检测装置接收并转换为相应的电信号。

所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置另一个实施例，还包括：波分复用器和双波长耦合器；所述吸收光源发出的吸收光和所述参考光源发出的参考光，分别通过光纤进入所述波分复用器，再通过光纤传播到所述双波长耦合器，然后通过双向光纤射出到所述目镜透镜组，该双向光纤射出光的端部为双向光纤端点，所述双向光纤端点设置在所述检测焦点的位置；由所述双向光纤端点射出的所述吸收光和参考光经过所述目镜透镜组汇聚，再由所述物镜透镜组聚焦于所述探测焦点；由所述探测焦点反射的所述吸收光或参考光依次经过所述物镜透镜组和目镜透镜组聚焦于所述检测焦点，然后由所述双向光纤端点送入所述双向光纤，再经过所述双波长耦合器，然后传送到通过光纤与所述双波长耦合器光耦合的所述光电检测装置。

所述光电检测装置包括：解波复用器和光电探测电路；所述解波复用器用于接收由所述探测焦点反射回的经过所述光纤与所述双波长耦合器返回的所述吸收光和参考光，并将所述吸收光和参考光分离为两路，分别送入所述光电探测电路转化为相应的电信号。

本发明还提供一种利用所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置的检测方法，所述光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置能够相对于盛装待测溶液的容器进行移动，所述物镜透镜组聚焦的所述吸收光和参考光的焦点也随之移动，当所述光电检测装置接收到的光信号最强的时候，则所述物镜透镜组聚焦的所述吸收光和参考光的焦点到达所述容器的内壁面上的探测焦点。

与现有技术相比本发明的优点如下：

首先能够无损的测量生物体中体液的浓度。而且由于使用光学共焦技术对组织进行探测，不需要探头直接接触或侵入待测组织，一方面避免了侵入式探测对生物组织所带来的损害和潜在的感染风险，另一方面也避免了由于探头接触待测组织因为压力引起组织形变而带来的探测误差，提高了探测的精度和稳定性。

同时，本发明还可以有目的性的选择探测范围。在对生物组织的探测中，光学共焦技术可以根据不同的目的，可以做到只采集自特定位置和特定深度返回的光子，这样就滤除了来自不同界面和位置处的杂散光，使得系统具有高信噪比。这类方法的探测灵敏度与系统的信噪比成正比关系，采用将光线射入人体皮肤后接收来自真皮层的漫反射光子的方法系统的典型信噪比在10⁴量级，而采用本发明的技术方案信噪比至少可达10⁵量级。

并且，由于本发明的技术方案检测的光程比传统的方法大大提高，因此在其他条件不变的前提下，会很大程度上提高探测的灵敏度。

附图说明

图1是本发明光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置第一种实施例的结构示意图；

图2是本发明光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置第二种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置应用于检测眼球房水内溶液浓度的一种实施例的结构。

吸收光源100所发出的吸收光以及参考光源200所发出的参考光分别经第一光汇聚装置301和第二光汇聚装置302汇聚，并由第一双向色镜401汇合成同一光路。

其中，所述吸收光指被待测浓度物质吸收却不被被测溶液中其他物质吸收或者较小吸收的特定波长的光；所述参考光发出不被被测溶液中待测浓度物质吸收或者较小吸收的特定波长的光。由于不同光波长的光之间都存在被不同的溶液中物质吸收比率的差异，本发明的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置也可以设置三个或者三个以上发出不同的波长光的光源，则可以实现同时测量溶液中多种不同物质的浓度。

其检测过程如下：

a、首先对一个与人眼虹膜有着相同的散射和吸收系数的标准样品进行背向散射光强监测，由光电检测装置800得到未经房水吸收时所述吸收光和参考光的信号强度A10与A20。该信号可以认为与光强成正比，因此有

则I10与I20分别为所述吸收光和参考光的入射光强。

所述吸收光和参考光通过第一双向色镜401汇合。该第一双向色镜401对所述吸收光透射，而对所述参考光反射，则如图所示，所述吸收光和参考光耦合成一束，再通过宽带分光器500和物镜透镜组600射入人眼，透过角膜、房水后聚焦于在虹膜上的探测焦点。

由虹膜反射产生的背向散射光经过物镜透镜组600返回，在宽带分光器500处反射，被第二双相色镜402按波长分为两束，分别经过第一目镜透镜组710和第二目镜透镜组720聚焦于检测焦点，并分别被第一光电检测装置810和第二光电检测装置820获取。其中第一光电检测装置810和第二光电检测装置820都分别具有一个针孔801，该针孔801分别设置于与第一目镜透镜组710和第二目镜透镜组720的检测焦点相应的位置，以仅让通过检测焦点的所述吸收光或参考光分别进入第一光电检测装置810和第二光电检测装置820。

光电检测装置800接收共焦的光电信号，经放大、处理、解调，得到虹膜对所述吸收光和参考光的反射信号强度A1与A2，同样有

其中I1与I2分别为两种波长下的出射光强。此时的光会有两次经过人眼，经过眼前房时，房水中的水、葡萄糖等物质会对红外光产生吸收，根据背景介绍中的郎伯一比尔(Lambert-Beer)定律，假设房水中有n种组分，其中第一种组分为葡萄糖，即葡萄糖水溶液的浓度为c1，在两个波长下的吸光系数分别为a11和a21，此时的出射光强I1与I2分别为：

I_{1} = e^{- (a_{11} c_{1} + a_{12} c_{2} + \cdot \cdot \cdot + a_{1 n} c_{n}) d} I_{10}

I_{2} = e^{- (a_{21} c_{1} + a_{22} c_{2} + \cdot \cdot \cdot + a_{2 n} c_{n}) d} I_{20}

将两式相除并取对数可得：

[(a_{11} - a_{21}) c_{1} + (a_{12} - a_{22}) c_{2} + \cdot \cdot \cdot + (a_{1 n} - a_{2 n}) c_{n}] d = \ln \frac{I_{10}}{I_{20}} - \ln \frac{I_{1}}{I_{2}}

因为房水中除了水之外，其他组分的浓度都非常小，而且还可以通过适当选取两束近红外光的波长，使得除葡萄糖外的其他组分在两个波长下的吸光系数均差别很小，可以忽略不计，于是上式近似为：

c_{1} = (\ln \frac{I_{10}}{I_{20}} - \ln \frac{I_{1}}{I_{2}}) / [(a_{11} - a_{21}) d]

其中如前所述可知：

葡萄糖溶液在两波长下的吸光系数a11和a21为已知的物理常数，d为人眼的前房轴长，可通过仪器精确测量且长期稳定不变。于是人眼房水中的葡萄糖浓度可由上式求得。

上述方法中，光源可以采用激光光源、或发光二极管光源、或超辐射发光二极管光源，或其他类型的光源；光源的波段可以选择紫外光源、或可见光源、或红外光源等。

探测焦点的位置也可以选择为虹膜、晶状体前表面、晶状体后表面、或眼虹膜表面，也可以选择为眼视网膜毛细血管层等其它部位，只要透过眼前房房水即可，并能有相应的反射面。

如图2所示，本发明的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置应用于检测检测眼球房水内溶液浓度的另一种实施例的结构。与上述实施例采用自由空间光路系统不同，本实施例采用光纤光路系统，

分别将所述吸收光和参考光聚焦射入光纤后汇入波分复用器350，然后经过双波长耦合器360后由双向光纤端点900出射。出射的所述吸收光和参考光经过目镜透镜组700和物镜透镜组600聚焦于位于虹膜面上的探测焦点。经由所述探测焦点反射的散射光经所述物镜透镜组600汇聚并由所述目镜透镜组700聚焦于检测焦点。而所述双向光纤端点900正好位于所述检测焦点的位置，仅有汇聚于所述检测焦点的光才被所述双向光纤端点900获取并由所述双波长耦合器360到解波复用器850，所述解波复用器850按波长将所述吸收光和参考光相互分离，分别被光电检测电路860经探测和前置放大等处理转化为相应的电信号，可以由具有数据处理能力的数据处理单元980进行相应的处理获得具体的数据，该数据处理单元980还可以与外部的计算机990连接，进一步扩展其功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，包括：发出吸收光的吸收光源(100)、发出参考光的参考光源(200)和光电检测装置(800)；所述参考光和吸收光经过调整汇聚分别透过盛装待测溶液的容器射入所述盛装待测溶液，并经过所述容器的内壁反射射出所述容器，其特征在于，还包括：物镜透镜组(600)和目镜透镜组(700)；所述物镜透镜组(600)用于将所述参考光和吸收光聚焦于所述容器的内壁面上的探测焦点；所述目镜透镜组(700)设置在所述参考光和吸收光进入所述光电检测装置(800)的光路上，用于将由所述探测焦点反射回的所述参考光和吸收光聚焦于检测焦点；所述光电检测装置(800)接收通过所述检测焦点的参考光和吸收光并转换为相应的电信号；

还包括：第一光汇聚装置(301)和第二光汇聚装置；所述第一光汇聚装置(301)设置于靠近所述吸收光源(100)的位置，用于将所述吸收光汇聚成平行光；所述第二光汇聚装置(302)设置于靠近所述参考光源(200)的位置，用于将所述参考光汇聚成平行光。

2.如权利要求1所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，所述吸收光源(100)和参考光源(200)分别采用发光二极管。

3.如权利要求1所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，还包括：第一双向色镜(401)；经过所述第一光汇聚装置(301)汇聚的所述吸收光，与经过所述第二光汇聚装置(302)汇聚的所述参考光相互垂直相交，所述第一双向色镜(401)设置于该相交处，并分别与所述吸收光和参考光的夹角为45度；所述吸收光透过所述第一双向色镜(401)，所述参考光被所述双向色镜(401)反射，透过所述第一双向色镜(401)的所述吸收光与被所述第一双向色镜(401)反射的所述参考光合为一个光路射向所述物镜透镜组(600)。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，还包括：宽带分光镜(500)；所述宽带分光镜(500)设置于所述吸收光和参考光合为一个光路射向所述物镜透镜组(600)的光路上，并与该光路的夹角为45度，射向所述物镜透镜组(600)的所述吸收光和参考光透过所述宽带分光镜(500)射向所述物镜透镜组(600)，由所述探测焦点反射回的所述参考光和吸收光经过所述物镜透镜组(600)汇聚射向所述宽带分光镜(500)，并由所述宽带分光镜(500)反射射向所述目镜透镜组(700)。

5.如权利要求4所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，所述光电检测装置(800)包括：开有针孔(801)的挡板；所述针孔(801)的位置位于所述检测焦点的位置，仅通过所述针孔(801)的所述吸收光或参考光被所述光电检测装置(800)转换为相应的电信号。

6.如权利要求5所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，还包括：第二双向色镜(402)；所述目镜透镜组(700)包括：第一目镜透镜组(710)和第二目镜透镜组(720)；所述光电检测装置(800)包括：第一光电检测装置(810)和第二光电检测装置(820)；所述第二双向色镜(402)设置于由所述宽带分光镜(500)反射的所述吸收光和参考光的光路上，并与该光路成一定角度；所述吸收光透过所述第二双向色镜(402)射向所述第一目镜透镜组(710)，并由所述第一目镜透镜组(710)聚焦后被所述第一光电检测装置(810)接收并转换为相应的电信号；所述参考光被所述第二双向色镜(402)反射射向所述第二目镜透镜组(720)，并由所述第二目镜透镜组(720)聚焦后被所述第二光电检测装置(820)接收并转换为相应的电信号。

7.如权利要求1所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，还包括：波分复用器(350)和双波长耦合器(360)；所述吸收光源(100)发出的吸收光和所述参考光源(200)发出的参考光，分别通过光纤进入所述波分复用器(350)，再通过光纤传播到所述双波长耦合器(360)，然后通过双向光纤射出到所述目镜透镜组(700)，该双向光纤射出光的端部为双向光纤端点(900)，所述双向光纤端点(900)设置在所述检测焦点的位置；由所述双向光纤端点(900)射出的所述吸收光或参考光经过所述目镜透镜组(700)汇聚，再由所述物镜透镜组(600)聚焦于所述探测焦点；由所述探测焦点反射的所述吸收光或参考光依次经过所述物镜透镜组(600)和目镜透镜组(700)聚焦于所述检测焦点，然后由所述双向光纤端点(900)送入所述双向光纤，再经过所述双波长耦合器(360)，然后传送到通过光纤与所述双波长耦合器(360)光耦合的所述光电检测装置(800)。

8.如权利要求7所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置，其特征在于，所述光电检测装置(800)包括：解波复用器(850)和光电探测电路(860)；所述解波复用器(850)通过光纤与所述双波长耦合器(360)，用于接收由所述探测焦点反射回的所述吸收光和参考光，并将所述吸收光和参考光分离为两路，分别送入所述光电探测电路(860)转化为相应的电信号。

9.一种利用如权利要求1至8中任一权利要求所述的光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置的检测方法，其特征在于：所述光学方式检测溶液内特定物质浓度的装置能够相对于盛装待测溶液的容器进行移动，所述物镜透镜组(600)聚焦的所述吸收光和参考光的焦点也随之移动，当所述光电检测装置(800)接收到的光信号最强的时候，则所述物镜透镜组(600)聚焦的所述吸收光和参考光的焦点到达所述容器的内壁面上的探测焦点。