CN105628640A - 一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法。本发明提供了一种基于太赫兹光谱测量技术，利用体液在太赫兹辐射诱导下的色散变化区分不同肾病病人尿液中蛋白质的相对含量，该方法解决了衡量尿液状况的物理参数问题；而且不依赖化学试剂的辅助，减少了外在的化学污染，是一种纯物理的检测方法；方法操作简单，数据处理快速，结果准确。

Description

一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法

技术领域

本发明涉及尿液检测领域，具体涉及一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法，一种区分不同尿液标本中蛋白质含量的太赫兹光谱分析方法。

背景技术

尿液检查是临床检验工作中除血液检验外数量最多的检查内容，尿液分析是重要的检验项目，具有特别的临床诊断及鉴别价值，在临床中帮助医生观察疗效和判断预后。尿液也是一项无痛苦、容易获得的检验样品。尿液检查对多种临床疾病如泌尿系统疾病、内分泌系统疾病、循环系统疾病、消化系统疾病、生殖系统疾病等都有重要的临床诊断价值。同时，尿液检查也是药物监测、正常健康体检等必不可少的检测项目，因此，获得高效、准确、无化学污染的尿液检查方法对于人类认识自身、医疗保健等都具有重大影响。

尿液检查，包括尿常规分析、尿液中有形成分检测、蛋白成分定量测定、尿酶测定等。尿蛋白检测又是尿液检测中重要的检测项目，多种疾病如糖尿病肾病、肾炎、肾病综合征都出现不同于正常尿液的阳性尿蛋白，尿蛋白的检测为这些疾病的诊断提供不可缺少的帮助。生理情况下，尿蛋白正常参考值为阴性。尿蛋白阳性是指做尿常规检查或是24小时尿蛋白定量检测结果显示有“+”。尿蛋白阳性通常提示有肾脏病病变。

常见尿蛋白定量检测方法有放射免疫法、酶联免疫法、免疫比浊法和化学发光法等。目前，传统的肾病病人的尿蛋白的检测方法在临床多采用免疫比浊法进行检测，需要添加多种化学试剂、具有化学污染，并且检测复杂且成本高。

近年来光谱技术的发展推动了其在生物医学领域的应用。Dou等以及Dahu等曾采用拉曼光谱法对尿液中葡萄糖、尿素、肌酐等成分的含量进行分析。这些尿液光谱分析方法使用的仪器昂贵、测量时间较长，且未针对尿液多种蛋白中具有重大临床意义的尿微量白蛋白进行检测，缺乏定量趋势分析。刘伟玲等使用近红外傅里叶光谱仪对葡萄糖、白蛋白及肌酐单质成分固体粉末配制尿液进行建模分析，未对实际尿样进行分析研究，因此不能保证所得到的模型的普适性和临床应用性。

最近，太赫兹波段自从上个世纪80年代起逐步受到了科学家的重视，并被称为电磁波谱上的最后一个待开发的波段。太赫兹是指频率范围在0.3THz到10THz的电磁波，它填补了毫米波与红外波之间的空白。太赫兹光谱技术是获得物质结构在太赫兹波段内的物理化学信息的一个重要手段，由于太赫兹波对有机分子的振动和转动模式敏感，物质的太赫兹光谱具有指纹性，而且太赫兹时域光谱技术可以同时获得幅值和相位信息，信息量丰富，且物质的太赫兹光谱是物质的指纹光谱，具有独一无二的特征，并且太赫兹能量低不会引起生物体的电离等优点，因此非常适合用于物质识别中。基于以上特点，太赫兹技术在物理、化学、生物等基础自然科学，以及生物医学等研究领域具有广泛的应用前景。

国外各个研究组织利用太赫兹测量尿蛋白的研究发展也很缓慢，目前只有利兹大学的Cunningham等人利用老鼠的尿蛋白单晶获得了吸收光谱，但是缺乏明显的吸收特征峰，所以难以用这种方法来区分不同的病例。因此，目前国内外尚缺乏快速有效的根据尿液中尿蛋白检测区分不同病例的光谱方法。

发明内容

为了克服上述尿液检测方法技术的不足，本发明提供了一种基于太赫兹光谱测量技术，利用体液在太赫兹辐射诱导下的色散变化区分不同肾病病人尿液中蛋白质的相对含量，该方法解决了衡量尿液状况的物理参数问题；而且不依赖化学试剂的辅助，减少了外在的化学污染，是一种纯物理的检测方法；方法操作简单，数据处理快速，结果准确。

本发明的一种比较不同病人的尿液蛋白含量的检测方法，具有如下有益效果：

1)通过本发明中太赫兹光谱方法所得到的体液的色散信息，众多病人尿液中含有的不同含量的尿蛋白可以从测得的曲线变化率的变化中体现，同时人尿蛋白质中微量变化也能够体现，这将推动太赫兹光谱技术在人尿蛋白中应用；

2)本发明采用的检测方法，免除了目前医学检测中试条膜块基质的外在影响，而且检测速度快，检测准确，成本低。

3)本发明采用物理学的检测方法，不同于其他化学的尿液检测方法，本发明的检测方法具有无需添加多种化学试剂，避免化学试剂污染，减少资源浪费等优点。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法。其包括以下步骤：

(1)选择短光程的样品池；

(2)获得不同种类的尿液作为样本；

(3)利用太赫兹时域光谱装置测量不同尿液的太赫兹光谱；

(4)对光谱数据处理，计算太赫兹辐射在不同尿液体中的色散数据；

(5)对比正常的与异常尿液的光谱数据，区分各个病例样本。

作为优选实施方式，其特征在于：

所述步骤(1)的样品池选用高纯度石英样品池，样品池的形状是长方体，上方有密封盖。样品池的光程控制在不大于0.5mm。

所述步骤(2)不同种类的尿液样本是指含有正常人的尿液和异常尿液，异常尿液选自从糖尿病肾病、肾盂肾炎、膀胱炎、肾脓肿、尿道炎，或肾结核，从患者尿液中，分别选取1毫升的新鲜尿液封装在分别储放在样品池中。分别选取0.5-3毫升，优选1毫升的各种新鲜尿液封装在不同样品池中。

所述步骤(3)中的太赫兹光谱测量装置是透射型的太赫兹时域光谱系统，测试环境是样品仓充满氮气的环境，空气湿度小于2％，温度为18-25℃，样品检测的范围在0.2THz～2.5THz。

所述步骤(3)中的测量是利用太赫兹脉冲波透过装有尿液的样品池，并测量透射过去的太赫兹脉冲时域波谱信号，获得的太赫兹光谱数据的特征图是横坐标是时间，纵坐标是强度的时域数据点。

所述步骤(4)中的光谱数据处理是指利用傅里叶变换把时域光谱转化为频域光谱，再利用基于菲涅尔公式的数据处理模型得到随着太赫兹频率变化的样品的色散曲线。

所述步骤(5)为在上述的太赫兹检测范围内，与各种尿蛋白含量的尿液相比较，根据各个尿液样本的色散曲线来区分不同病例。

本发明所提供的利用太赫兹时域光谱检测尿液的方法所采用的太赫兹时域光谱系统的结构如图1所示，其包括钛蓝宝石飞秒激光器1、时间延迟控制系统2、太赫兹辐射产生装置3、太赫兹辐射探测装置4。其中，太赫兹时域光谱装置中的钛蓝宝石飞秒激光器产生中心波长为800nm(纳米)，重复频率为82MHz(兆赫兹)，脉冲宽度为50fs(飞秒)的激光光源，输出功率为960mW(毫瓦)，通过探测晶体ZnTe探测脉冲信号，从而对样品信号进行检测。

附图说明

图1为透射型太赫兹时域光谱光路图。

图2为低蛋白含量的尿液的太赫兹测量结果图。

图3为较高蛋白含量的尿液的太赫兹测量结果图。

图4为高蛋白含量的尿液的太赫兹测量结果图。

图5为更高蛋白含量的尿液的太赫兹测量结果图。

图6为不同浓度蛋白质尿液的太赫兹测量结果对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术对尿液中蛋白质含量进行检测的方法，其包括以下步骤：

1)、选择样品池：所用的样品池为英国Starna公司研制的高纯度石英样品池，光程为0.5mm。

2)、尿液的来源：患者姜某，男，年龄68岁，患糖尿病肾病2年，24小时尿液量2780ml，测得24小时尿蛋白定量(UPr)的生化结果为0。

3)、尿液的获得与灌装：从北京某三甲医院检验科获得不同病人的新鲜尿液样本，然后用移液枪提取并注入到样品池中，盖上盖子，灌装完毕。

4)、零蛋白的尿液的检测：

打开激光器直至输出功率稳定后，校准光路中的光线准直情况；激光预热一小时后进行测量；将准备好的空样品池放进光路中的样品仓位置处；随后开始充氮气直到仓内湿度降低到1％以下，采集空样品池的太赫兹透射时域光谱；以空样品池的太赫兹时域波形为参考信号。重复采用以上方法获得人尿液样本的太赫兹透射时域光谱数据，并以尿液的太赫兹时域波形为样品信号。为提高精确度，每种样品重复测量三次，取平均值作为最终的参考信号和样品信号。

5)、信号处理：将参考信号和样品信号的时域波形进行快速傅里叶变换得到其频域谱，然后利用菲涅尔公式的数据处理模型计算空样品池与尿液在有效的太赫兹波段色散数值n(υ)：

$n\left(v\right)=\frac{c\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}dv}+1$

其中，φ为样品电场(尿液样品的电场)和参考电场(空样品池电场)之间的相位差，d为样品厚度，v为辐射的频率，c为真空的光速。

其中，有效的太赫兹波段频率范围可以利用太赫兹时域系统对样品进行扫描检测后得到的包括时间、振幅强度在内的多组数据进行计算得到。

零蛋白的尿液的太赫兹测量谱图见图2。

实施例2

本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术对异常的低蛋白尿液检测的方法，操作步骤和实施例1完全相同。选取的尿液来源病例信息：患者刘某，女，年龄48岁，患糖尿病肾病6年，24小时尿液量2350ml，测得24小时尿蛋白定量(UPr)的生化结果为0.188。待测样品为含有低蛋白尿液的病例。其中，太赫兹测量谱图见图3。

实施例3

本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术对较高蛋白尿液检测的方法，操作步骤和实施例1完全相同。选取的尿液来源病例信息：患者王某，男，年龄58岁，患糖尿病肾病9年，24小时尿液量1700ml，测得24小时尿蛋白定量(UPr)的生化结果为3.706。待测样品为较高蛋白尿液的病例。其中，太赫兹测量谱图见图4。

实施例4

本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术对高蛋白尿液检测的方法，操作步骤和实施例1完全相同。选取的尿液来源病例信息：患者李某，男，年龄67岁，患糖尿病肾病10年，24小时尿液量2750ml，测得24小时尿蛋白定量(UPr)的生化结果为5.803。待测样品为高蛋白尿液的病例。其中，太赫兹测量谱图见图5。

实施例5

本实施例比较了利用太赫兹时域光谱的方法测量了上述临床病例中的不同浓度的蛋白尿液的结果，并合医学测量结果作了比对。结果对比图如图6所示，所示。可以看出，应用本发明的检测方法得到的不同浓度的尿蛋白包括零蛋白、低蛋白、中蛋白及高蛋白尿液的变化趋势一致，从无蛋白尿液与异常尿液的色散曲线可以看到：异常尿液的色散比无蛋白尿液的色散系数要大。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于，包括依次顺序执行如下步骤：

(1)选择短光程的样品池；

(2)获得不同种类的尿液作为样本；

(3)利用太赫兹时域光谱装置测量不同尿液的太赫兹光谱；

(4)对光谱数据处理，计算太赫兹辐射在不同尿液体中的色散数据；

(5)对比正常的与异常尿液的光谱数据，区分各个病例样本。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，，其特征在于：所述步骤(1)中的样品池选用高纯度石英样品池，带有密封盖，样品池的光程控制在不大于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)不同种类的尿液样本是指正常人的尿液和异常尿液，异常尿液选自从糖尿病、肾病、肾盂肾炎、膀胱炎、肾脓肿、尿道炎，或肾结核，从患者尿液中，分别选取1毫升的新鲜尿液封装在分别储放在样品池中。

4.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中的太赫兹光谱测量装置是透射型的太赫兹时域光谱系统，测试环境是样品仓充满氮气的环境，空气湿度小于2％，温度为18-25℃，样品检测的范围在0.2THz～2.5THz。

5.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中的测量是利用太赫兹脉冲波透过装有尿液的样品池，并测量透射过去的太赫兹脉冲时域波谱信号，获得的太赫兹光谱数据点，其显示图的横坐标是时间，纵坐标是强度的时域数据点。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的光谱数据处理是利用傅里叶变换把时域光谱转化为频域光谱，再利用基于菲涅尔公式的数据处理模型得到样品的折射率随着太赫兹频率变化的曲线。

7.根据权利要求6所述的基于太赫兹光谱技术的人尿液的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)为在上述的太赫兹检测范围内，与正常人尿液相比较，根据各个尿液样本的色散曲线的区间范围来区分不同病例。