CN103852446A - 一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，它包括光学平台、血液挥发气体收集装置、模数转换器和计算机；其中光学平台包括激光光源模块、光学振荡腔、薄膜压力传感器和光电倍增管；本发明利用具有低成本，超敏感和高准确性的光腔衰荡光谱（CRDS）技术和背景扣除法检测血液挥发气体中的易挥发性有机物（VOCs）浓度，从而检测不同的血液成分。

Description

一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器

技术领域

本发明涉及血液成分检测技术领域，特别是涉及一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器。

背景技术

血液成分检测技术一直是近年来生物医学传感领域的研究热点。血液成分反应了机体生理的各项指标，包括血糖、血脂、胆固醇水平以及各种酶和蛋白质的含量，除此类生物大分子之外，在血浆中含有非常复杂的小分子成分，包含单糖、脂肪酸、酮体以及各类易挥发性的有机物（volatileorganic compounds,VOCs），例如氨气（NH₃）、乙醇（CH₃CH₂OH）、丙酮【(CH₃)₂CO】等。这些小分子有机物与机体的生理状态息息相关，其成分的异常往往与某些病理状态或代谢紊乱紧密联系。识别与分析这些血液成分，对机体代谢状态与获取生理病理信息具有重要意义。除此之外，对血液成分的快速检测与识别，在生物学上也可以对不同种属的动物进行分类与区分。

由于血液成分分析具有广泛的社会意义及潜在的经济效益，近几十年来一直是世界各国在医学领域的研究热点之一。目前常用的血液成分分析方法及不足之处在于：

1、血液成分分析法，采用血液生化分析仪，耗时长，检测复杂，需对血液样品进行各种生化处理，容易产生结果偏差。检测指标仅限于有限的几种重要的酶类和一些脂蛋白等大分子；而且不能检测机体代谢重要的中间产物或终产物等小分子物质。因此在代谢监测和血液成分识别方面，传统的血液生化分析会遗失一大部分有关于代谢小分子的血液成分信息。

2、化学反应试纸检测法，其检测速度快，但往往只能对单一成分进行检测，而且试纸法测试对一次性试纸的消耗也非常大，因而成本非常高。

3、电化学传感器测试法，其体积小，检测速度快，适于应用于便携式仪器。但这种方法的特异性不强，而且需要经常性的校准，测量误差较大。此外样品残留也会影响传感器使用寿命。

4、透射或者散射光谱法，其可以获得血液各成分丰富的光学信息，但其检测精度不高，对各种小分子的血液成分定位不准。因而目前没有实际能够用于临床测试的产品。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于：包括光学平台、气体收集装置、模数转换器和计算机；所述光学平台包括激光光源模块、光学振荡腔、薄膜压力传感器和光电倍增管；所述光学谐振腔具有两个输入端和两个输出端，所述气体收集装置的输出端和所述激光光源模块的输出端分别与所述光学谐振腔的两个输入端相连；所述光学谐振腔的两个输出端分别与所述薄膜压力传感器的输入端和所述光电倍增管的输入端相连；所述光电倍增管的输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与计算机的输入端相连。

其中，所述激光光源模块为Photonic Solutions的可调脉冲染料激光器，工作波长为225-950nm，脉冲重复频率为50Hz，单脉冲能量为4.8μJ。该激光器发出的光束，通过准直透镜（北京卓立汉光），入射到光学谐振腔内。

其中，所述光学谐振腔的两端各安装有一个光学支架，光学支架通过密封0圈固定有反射镜，两个反射镜之间的距离为10-60厘米。所述的光学谐振腔为美国LGR的50cm长，内部直径为2cm的不锈钢材质的光学腔。用于收集被检测气体。光学谐振腔上配有三个口，中间的为进气口，两侧的为二个出气口。所述反射镜为一对高反射率的反射镜（一般大于99.9%），能够实现多维可调，入射到光学谐振腔内的光，通过高反射率的反射镜之间的来回衰荡，从而大大增加了光学程长，提高了检测灵敏度。

其中，所述的薄膜压力传感器为型号为MKS870B的微型压力传感器。压力传感器安装在光学谐振腔上两个出气口中的一个上，测量范围为0.5-1000Torr，用于测量光学谐振腔内的压力。

其中，所述的光电倍增管为日本滨松的R7400-U紫外波段光电倍增管，用来收集光学谐振腔出射的光进行信号放大及转换，并将光耦合至模数转换器。

其中，所述的气体收集装置用于收集血液挥发气体，并将气体导入到光学谐振腔中。其收集方法为将血液样本进行抗凝处理后，注入样本皿中，然后置于气体收集装置的底部，密封气体收集装置，维持气体收集装置的温度为40摄氏度，保持2min后将气体收集装置的输出口阀门打开，将含有血液挥发气体的上层气体引入光学谐振腔中进行CRDS光谱测量。

其中，所述的模数转换器用于将光电倍增管产生的模拟电信号采样量化为数字信号，供计算机进行数字信号处理。

其中，所述的计算机为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。光电倍增管探测到每一个衰荡波形送至模数转换器，数字化为1000个数据点并输入到计算机。然后用一个简单的指数衰减函数对数据点进行拟合，得到信号衰减时间。

本发明的技术原理为：血液挥发气体中的VOCs成分的测量主要是基于光的吸收原理。根据Lambert-Beer的吸收法则，入射光的强度I₀，光在被测物中的传播光程l，出射光的强度I之间有如下关系：

I=I₀exp(-εcl)  (1)

其中，c为吸收物质的浓度，ε为其摩尔吸光系数。如已知物质的摩尔吸光系数、传播光程，并经测量得到光的入射和出射强度，根据公式(1)可反算出被测物质的浓度。这就是用光谱方法测量物质浓度的基本原理。

然而血液样本挥发气体中的VOCs含量较低,为了准确测量痕量物质的含量，本发明提出了基于超灵敏的光腔衰荡光谱（CRDS）技术的血液挥发气体与血液成分分析的技术方案。

超灵敏的光腔衰荡光谱（CRDS）测量方法，不仅可以在不同波长下进行测量从而获取丰富的血液成分的光学信息，而且具有超灵敏的检测精度，其检测极限可低至ppm甚至ppb。由于直接分析血液成分具有一定的技术难度，因而本发明采用一种间接分析血液成分的方法，即测量血液挥发气体中的VOCs含量，从而推算出血液中各成分的含量，再通过多维度的参数对比，可以对不同血液样本进行识别。

由于血液中VOCs的饱和蒸气压较高，从而可以在常温下从血液中挥发出来。在一个密闭的空间内，血液样本表面上方被称为上层空间（Headspace）。饱和蒸气压指在一个密闭空间内，某种物质在给定的温度下，该物质的液相、气相共存时的气体压强（分压）。如果物质饱和蒸气压已知，则可以通过测量上层空间的VOCs含量即可推断出血液中此物质的实际含量。

不同物质的饱和蒸气压根据物质特性与环境温度有关。遵循Clausius-Claperon方程:

$\frac{d\ln p}{d(1/T)}=-\frac{H\left(v\right)}{R\·Z\left(v\right)}$

式中p为蒸气压；H(v)为蒸发潜热；Z(v)为饱和蒸汽压缩因子与饱和液体压缩因子之差。该方程是一个十分重要的方程，大部分蒸汽压方程是从此式积分得出的。在实际计算中，对此方程进行简化，得出Antoine方程：

$\mathrm{lgp}=A-\frac{B}{T+C}$

式中，A，B，C为Antoine常数，可查数据表。Antoine方程是对Clausius-Clapeyron方程最简单的改进，在1.333-199.98kPa范围内误差小。因此，通过超灵敏的CRDS光谱法测量血液样品的上层空间气体中VOCs成分，即可计算出该物质在血液中的含量，从而对血液成分进行识别与分析。

然而血液样本挥发气体中的VOCs含量较低,为了准确测量痕量物质的含量，本发明提出了基于超敏感的CRDS技术的血液挥发气体与血液成分分析的技术方案。

光腔衰荡光谱是一种高灵敏、高光谱分辨的吸收光谱技术。CRDS技术测量的是从一个由两片高反射率的反射镜组成的光学谐振腔中漏出光强的单指数衰减信号。这个信号可以表示为:

$I_t=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})---\left(2\right)$

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{c[\mathrm{\αCL}+(1-R)]}---\left(3\right)$

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{L}{c(1-R)}---\left(4\right)$

其中，τ和τ₀分别为光腔有和无吸收样品时的衰荡时间,L为谐振腔的长度,c为光速，R为两片腔镜反射率的平均值，α和C分别为样品的吸收系数和浓度。

根据（3）和（4）式，可推出

$\mathrm{\αCL}=\frac{L}{c}(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(5\right)$

对于特定的波长,介质的吸收系数α是一定的,因此根据式(5),通过测量存在吸收介质和不存在吸收介质时的衰荡时间τ和τ₀,可以计算出被测介质的浓度C。

基于上面光腔衰荡光谱技术的相关内容，利用背景扣除法可求得血液样本挥发气体中丙酮的绝对浓度。定义空气在1atm的条件下由于吸收导致的光腔损耗为空气的有效吸收，用公式表达为：

$\mathrm{Absorbance}=A_{\mathrm{atm}}=\mathrm{\αCL}=\frac{L}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{atm}}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(6\right)$

其中，τ₀为腔中为真空下的衰荡时间，τ_atm为腔中在压力1atm下的实验室空气下的衰荡时间，L为衰荡腔的长度,c为光束，C是吸收体的浓度，α为介质的吸收系数。

同理，血液样本挥发气体中的吸收损耗可表达为：

$A_{\mathrm{breath}}=\mathrm{\αCL}=\frac{L}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{breath}}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(7\right)$

其中，τ_breath为腔中为血液样本挥发气体下的光腔衰荡时间。

利用背景扣除法，可求得血液样本挥发气体中丙酮的绝对浓度

$\mathrm{\ΔA}=A_{\mathrm{breath}}-\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{atm}}}=\mathrm{\αCL}---\left(8\right)$

其中，

为空气的平均有效吸收α为丙酮的吸收系数C为丙酮浓度L为衰荡腔的长度。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于低成本，超敏感和高准确性的光腔衰荡光谱技术的血液挥发气体及血液成分分析仪，利用背景扣除法分析了不同代谢状态下或不同种属的机体血液样本挥发气体成分，通过比对血液样本挥发气体的成分含量对比可以识别与分析不同的血液样本，为机体的代谢情况提供监测依据，也可为不同种属动物的血液生物学研究提供重要的检测手段。

附图说明

如图1所示为本发明所涉基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器的连接结构示意图；

如图2所示为图1中光学平台及其连接关系结构示意图；

图3所示为信号衰减时间曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1所示为一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器的连接结构示意图，包括光学平台1、气体收集装置2、模数转换器3和计算机4。

如图2所示为图1中光学平台及其连接关系结构示意图，所述光学平台1包括激光光源模块5、光学谐振腔、薄膜压力传感器7和光电倍增管8。

所述光学谐振腔6具有两个输入端和两个输出端，所述气体收集装置2的输出端和所述激光光源模块5的输出端分别与所述光学谐振腔6的两个输入端相连；所述光学谐振腔6的两个输出端分别与所述薄膜压力传感器7的输入端和所述光电倍增管8的输入端相连；所述光电倍增管8的输出端与所述模数转换器3的输入端相连，所述模数转换器的输出端与计算机的输入端相连。

其中，所述激光光源模块5为Photonic Solutions的可调谐脉冲染料激光，光束波长为225-950nm，脉冲重复频率为50Hz，单脉冲能量为4.8μJ。该激光器发出的光束，通过准直透镜（北京卓立汉光），入射到光学谐振腔内。

其中，所述光学谐振腔6的两端各安装有一个光学支架，光学支架通过密封0圈固定有反射镜，两个反射镜之间的距离为10-60厘米。所述的光学谐振腔6为美国LGR的50cm长，内部直径为2cm的不锈钢材质的光学腔。用于收集被检测气体。光学谐振腔上配有三个口，中间的为进气口，两侧的为二个出气口。所述反射镜为一对高反射率的反射镜（一般大于99.9%），能够实现多维可调，入射到光学谐振腔内的光，通过高反射率的反射镜之间的来回衰荡，从而大大增加了光学程长，提高了检测灵敏度。

其中，所述的薄膜压力传感器7为型号为MKS870B的微型压力传感器。压力传感器安装在光学谐振腔上两个出气口中的一个上，测量范围为0.5-1000Torr，用于测量光学谐振腔内的压力。

其中，所述的光电倍增管8为日本滨松的R7400-U紫外波段光电倍增管与可见近红外波段光电倍增管，用来收集光学谐振腔6出射的光进行信号放大及转换，并将光耦合至模数转换器。

其中，所述的气体收集装置2用于收集血液挥发气体，并将气体导入到光学谐振腔6中。其收集方法为将血液样本进行抗凝处理后，注入样本皿中，然后置于气体收集装置2的底部，密封气体收集装置2，维持气体收集装置2的温度为40摄氏度，保持2min后将气体收集装置2的输出口阀门打开，将含有血液挥发气体的上层气体引入光学谐振腔中进行CRDS光谱测量。

其中，所述的模数转换器3用于将光电倍增管8产生的模拟电信号采样量化为数字信号，供计算机4进行数字信号处理。

其中，所述的计算机4为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。光电倍增管8探测到每一个衰荡波形送至模数转换器3，数字化为1000个数据点并输入到计算机4。然后用一个简单的指数衰减函数对数据点进行拟合，得到信号衰减时间,如图3所示。

下表为应用本发明光腔衰荡光谱技术和背景扣除法分别三种血液样本挥发气体中的VOCs浓度进行测试得到的数据。

VOCs	人体血液样本测量浓度(ppb)	大鼠血液样本测量浓度	兔血样本测量浓度
				甲烷(CH4)	5060	3200	4650
一氧化碳(CO)	5900	6800	3150
				氨气(NH3)	800	1000	500
丙酮【(CH3)2CO】	660	790	350
				异戊二烯(C5H8)	180	100	80
一氧化氮(NO)	45	50	39
				戊烷(C5H12)	40	100	180

通过上表的数据来看，检测血液样本挥发气体中的VOCs浓度可以达到三个个目的：

一是分析对比不同血液样本挥发气体中的VOCs浓度，建立同种动物血液样本在不同代谢状态下的CRDS光谱数据库；

二是能根据不同种属血液样本间的VOCs浓度，建立不同种属的血液样本数据库；

三是通过模式匹配等算法对未知样本的代谢状态与种属进行识别与分类。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于：包括光学平台、气体收集装置、模数转换器和计算机；所述光学平台包括激光光源模块、光学振荡腔、薄膜压力传感器和光电倍增管；所述光学谐振腔具有两个输入端和两个输出端，所述气体收集装置的输出端和所述激光光源模块的输出端分别与所述光学谐振腔的两个输入端相连；所述光学谐振腔的两个输出端分别与所述薄膜压力传感器的输入端和所述光电倍增管的输入端相连；所述光电倍增管的输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与计算机的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于所述激光光源模块为Photonic Solutions的可调谐脉冲染料激光，波长范围为225–950nm，脉冲重复频率为50Hz，单脉冲能量为4.8μJ。

3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于所述光学谐振腔的两端各安装有一个光学支架，光学支架通过密封0圈固定有反射镜，两个反射镜之间的距离为10-60厘米。

4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于所述光学谐振腔上配有三个口，中间的为进气口，两侧的为二个出气口。

5.根据权利要求4所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于所述的薄膜压力传感器安装在光学谐振腔的其中一个出气口处，其测量范围为0.5-1000Torr。

6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器，其特征在于所述的模数转换器用于将光电倍增管产生的模拟电信号采样量化为数字信号，供计算机进行数字信号处理。

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