CN105675507A - 一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法 - Google Patents

一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法，该方法首先进行样品前处理，制备半胱氨酸显色样品溶液；之后通过图像采集，图像分析，计算待测样品溶液在不同颜色空间如：RGB颜色空间、HSV颜色空间和CMYK颜色空间中各个分量的像素值，再通过最小二乘法拟合出半胱氨酸检测的曲线，得到半胱氨酸浓度和各个颜色分量像素值之间的对应关系；进而计算出半胱氨酸的浓度。本发明实现了半胱氨酸的定量检测，具有操作步骤简单，装置便携通用，能够适应实时手机监测等优点。

Description

一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测半胱氨酸的技术，尤其涉及一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法。
背景技术
半胱氨酸是生物体内具有巯基的常见氨基酸，参与了生物体内重要的生理化学反应。它也是一个潜在的神经毒素，是某些疾病的标志化合物。因此，实时、准确、快速地检测血样以及细胞中的半胱氨酸的含量在临床诊断上有重要意义。目前，已报道的分析方法有电化学分析法，荧光分析法、分光光度法等，存在着操作繁琐、设备复杂而无法适应现场检测。近年来，智能移动设备由于其强大的计算和存储能力，常常被用来作为数据处理和显示的平台，实现对生理参数和化学物质的移动监测。因此利用氧化石墨烯/纳米金复合物在生物传感以及荧光检测等领域的优异特性作为前端传感敏感物质，发展一种基于移动设备颜色分析系统的快速、简便、通用的半胱氨酸检测装置及方法，将会大大提高传感检测的移动性和便携性，在临床诊断上具有广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法，该方法在半胱氨酸检测系统上实现，所述半胱氨酸检测系统包括：待测液装置瓶、通用便携式图像采集装置、可调距离光通路装置和智能移动设备；所述通用便携式图像采集装置由图像采集室和光通道一体形成，图像采集室的顶部垂直开有与待测液装置瓶匹配的槽，槽的底部与光通道连通；所述光通道的外侧设有外螺纹，可调距离光通路装置的内部设有与外螺纹匹配的内螺纹；其中，待测的半胱氨酸溶液放置在待测液装置瓶内，待测液装置瓶固定在图像采集室的槽内；根据不同手机型号调整可调距离光通路装置长度以适应于智能移动设备摄像头的图像采集焦距；智能移动设备的摄像头对准可调距离光通路装置的进光口，进而采集待测液装置瓶内的半胱氨酸溶液图像；该方法包括以下步骤：
(1)样品前处理，制备半胱氨酸显色样品溶液，具体包括以下步骤：
(1.1)制备氧化石墨烯/纳米金复合溶液：将质量分数为1％的1.225mL氯金酸溶液和浓度为1mg/mL的3mL氧化石墨烯分散液混合静置半小时后搅拌加热至80℃；再加入质量分数为1％的2.1mL柠檬酸钠溶液，维持80℃恒温搅拌加热一小时；此时溶液颜色由紫变红，停止加热继续搅拌15分钟将所得溶液避光冷却至室温；最后以3000r.p.m.的速度离心15分钟取上层清液，即为氧化石墨烯/纳米金复合溶液；
(1.2)配备不同浓度的半胱氨酸样品溶液：称取4.8mg半胱氨酸溶于4mL去离子水中，得到10mM半胱氨酸原液，将原液稀释配置5μM,10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM半胱氨酸样品溶液各1mL用于后续浓度标定曲线确定；
(1.3)配备半胱氨酸显色样品溶液：取20uL，5uM的半胱氨酸样品溶液加入到200uL氧化石墨烯/纳米金复合溶液中，振荡1分钟，用于后续颜色检测
(1.4)重复步骤(1.3)分别得到10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM的半胱氨酸显色样品溶液用于相应的颜色检测；
(2)确定半胱氨酸检测的标定曲线，将步骤(1)制得的半胱氨酸显色样品溶液固定在通用便携式图像采集装置中，通过智能移动设备的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理，具体包括以下子步骤：
(2.1)将装有半胱氨酸显色样品溶液的待测液装置瓶固定于通用便携式图像采集装置中，根据不同手机型号，调整可调距离光通路装置的距离；
(2.2)智能移动设备的摄像头对准装置进光口，进行图像采集，得到检测图像；
(2.3)切割出检测图像中部的子图像，子图像的像素范围是10×10；
(2.4)将子图像转换至颜色空间RGB、HSV或CMYK上。如果选择RGB颜色空间进行分析则相应的提取子图像中每个像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量平均值；如果选择HSV颜色空间进行分析则相应的提取子图像中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量平均值；如果选择CMYK颜色空间进行分析则相应的提取子图像中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量平均值；
(2.5)根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出RGB颜色空间中R(红)、G(绿)、B(蓝)；HSV颜色空间中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)；或CMYK颜色空间中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)各个分量关于半胱氨酸样品溶液浓度的标定曲线，得到相应的半胱氨酸检测的标定曲线；
(3)检测未知浓度的半胱氨酸溶液浓度：将待测的未知浓度的半胱氨酸溶液与步骤(1)制备的氧化石墨烯/纳米金复合溶液按体积比1:10混合，振荡1分钟后，重复步骤(2.1)～步骤(2.4)，得到该未知浓度的待测半胱氨酸溶液对应的子图像的各个颜色分量平均值，带入步骤(2.5)得到的半胱氨酸浓度标定曲线，得到待测半胱氨酸溶液的半胱氨酸浓度。
本发明的有益效果是：
1、传统的半胱氨酸检测方法有电化学分析法，荧光分析法、分光光度法等，存在着操作繁琐、设备复杂而无法适应现场检测。本发明利用智能移动设备方便的摄像功能以及强大的计算和存储能力，作为数据处理和显示的平台，实现对半胱氨酸的实时检测。
2、本发明合成了氧化石墨烯/纳米金复合物，并基于该复合物制成半胱氨酸显色溶液，经过实验尝试确定半胱氨酸与氧化石墨烯/纳米金复合物体积比为1:10时，显色效果最好，易于不同颜色分量分析。
3、该半胱氨酸检测系统，包含有密封的光检测环境，提供了稳定统一的颜色检测环境，同时该检测系统可以根据手机型号的不同实现光通路长度的调节，提高了检测系统的通用性和便携性。
4、构建了基于手机颜色分析方法用于半胱氨酸的快速检测。本发明所采用的颜色分析利用RGB、HSV和CMYK颜色模型，对图像颜色分析透彻全面。
5、该方法操作简便、检测稳定性好、通用性强、易于推广使用。
附图说明
图1是本发明所使用的半胱氨酸检测系统的结构图；
图2是通用便携式图像采集装置的示意图；
图3是本发明检测方法流程图；
图4是本发明在RGB颜色空间中检测半胱氨酸时R(红)、G(绿)、B(蓝)分量对应的标定曲线图；
图5是本发明在HSV颜色空间中检测半胱氨酸时H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)分量对应的标定曲线图；
图6是本发明在CMYK颜色空间中检测半胱氨酸时C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)分量对应的标定曲线图；
图7是手机中颜色分析软件开始显示界面；
图8是手机中颜色分析软件图像处理界面；
图9是在RGB颜色空间分析中未知浓度半胱氨酸检测结果；
图10是在HSV颜色空间分析中未知浓度半胱氨酸检测结果；
图11是在CMYK颜色空间分析中未知浓度半胱氨酸检测结果；
图12是在RGB颜色空间分析中已知浓度(37μM)半胱氨酸检测结果；
图13是在HSV颜色空间分析中已知浓度(37μM)半胱氨酸检测结果；
图14是在CMYK颜色空间分析中已知浓度(37μM)半胱氨酸检测结果；
图中，待测液装置瓶1、槽2、通用便携式图像采集装置3、可调距离光通路装置4、进光口5、智能移动设备6。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作详细描述，但并不是限制本发明。
本发明提供的一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法，该方法在半胱氨酸检测系统上实现，如图1、2所示，所述半胱氨酸检测系统包括：待测液装置瓶1、通用便携式图像采集装置3、可调距离光通路装置4和智能移动设备6；所述通用便携式图像采集装置3由图像采集室和光通道一体形成，图像采集室的顶部垂直开有与待测液装置瓶1匹配的槽2，槽2的底部与光通道连通；所述光通道的外侧设有外螺纹，可调距离光通路装置4的内部设有与外螺纹匹配的内螺纹；其中，待测的半胱氨酸溶液放置在待测液装置瓶1内，待测液装置瓶1固定在图像采集室的槽2内；根据不同手机型号调整可调距离光通路装置4长度以适应于智能移动设备6摄像头的图像采集焦距；智能移动设备6的摄像头对准可调距离光通路装置4的进光口5，进而采集待测液装置瓶1内的半胱氨酸溶液图像；如图3所示，该方法包括以下步骤：
(1)样品前处理，制备半胱氨酸显色样品溶液，具体包括以下步骤：
(1.1)制备氧化石墨烯/纳米金复合溶液：将质量分数为1％的1.225mL氯金酸溶液和浓度为1mg/mL的3mL氧化石墨烯分散液混合静置半小时后搅拌加热至80℃；再加入质量分数为1％的2.1mL柠檬酸钠溶液，维持80℃恒温搅拌加热一小时；此时溶液颜色由紫变红，停止加热继续搅拌15分钟将所得溶液避光冷却至室温；最后以3000r.p.m.的速度离心15分钟取上层清液，即为氧化石墨烯/纳米金复合溶液；
(1.2)配备不同浓度的半胱氨酸样品溶液：称取4.8mg半胱氨酸溶于4mL去离子水中，得到10mM半胱氨酸原液，将原液稀释配置5μM,10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM半胱氨酸样品溶液各1mL用于后续浓度标定曲线确定；
(1.3)配备半胱氨酸显色样品溶液：取20μL，5μM的半胱氨酸样品溶液加入到200μL氧化石墨烯/纳米金复合溶液中，振荡1分钟，用于后续颜色检测；
(1.4)重复步骤(1.3)分别得到10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM的半胱氨酸显色样品溶液用于相应的颜色检测；
(2)确定半胱氨酸检测的标定曲线，将步骤(1)制得的半胱氨酸显色样品溶液固定在通用便携式图像采集装置3中，通过智能移动设备6的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理，具体包括以下子步骤：
(2.1)将装有半胱氨酸显色样品溶液的待测液装置瓶1固定于通用便携式图像采集装置3中，根据不同手机型号，调整可调距离光通路装置4的距离；
(2.2)智能移动设备6的摄像头对准装置进光口5，如图7所示，根据使用说明提示，点击拍照进行图像采集，得到检测图像；
(2.3)如图7所示，点击导入，进行后续图像处理，切割出检测图像中部的子图像，子图像的像素范围是10×10；
(2.4)如图8所示，采样处理后的子图像显示在手机屏幕的右上角，根据不同的控制选项，将子图像转换至颜色空间RGB、HSV或CMYK上。如果选择RGB颜色空间进行分析则相应的提取子图像中每个像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量平均值；如果选择HSV颜色空间进行分析则相应的提取子图像中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量平均值；如果选择CMYK颜色空间进行分析则相应的提取子图像中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量平均值；如果点击“返回”则返回到图7所示图像处理导入界面，重新进行图像导入；
(2.5)根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出RGB颜色空间中R(红)、G(绿)、B(蓝)；HSV颜色空间中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)；或CMYK颜色空间中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)各个分量关于半胱氨酸样品溶液浓度的标定曲线，得到相应的半胱氨酸检测的标定曲线；图4是本发明在RGB颜色空间中检测半胱氨酸时R(红)、G(绿)、B(蓝)分量对应的标定曲线图；图5是本发明在HSV颜色空间中检测半胱氨酸时H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)分量对应的标定曲线图；图6是本发明在CMYK颜色空间中检测半胱氨酸时C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)分量对应的标定曲线图；
(3)检测未知浓度的半胱氨酸溶液浓度：将待测的未知浓度的半胱氨酸溶液与步骤1制备的氧化石墨烯/纳米金复合溶液按体积比1:10混合，振荡1分钟后，重复步骤(2.1)～步骤(2.4)，得到该未知浓度的待测半胱氨酸溶液对应的子图像的各个颜色分量平均值，带入步骤(2.5)得到的半胱氨酸浓度标定曲线，得到待测半胱氨酸溶液的半胱氨酸浓度。图9、10、11是手机中选择不同颜色空间时，检测未知浓度半胱氨酸的结果图。图9是在RGB颜色空间分析中半胱氨酸检测结果；图10是在HSV颜色空间分析中半胱氨酸检测结果；图11是在CMYK颜色空间分析中半胱氨酸检测结果。图12、13、14是手机中选择不同颜色空间时，检测已知浓度(37μM)半胱氨酸的结果图。图12是在RGB颜色空间分析中半胱氨酸检测结果，检测误差为3.2％；图13是在HSV颜色空间分析中半胱氨酸检测结果，检测误差为2.7％；图14是在CMYK颜色空间分析中半胱氨酸检测结果，检测误差为5.4％。以上结果说明该检测方法具有较高的检测精度，对半胱氨酸的定量检测有指导意义。

Claims (1)

1.一种基于手机颜色分析的半胱氨酸检测方法，其特征在于，该方法在半胱氨酸检测系统上实现，所述半胱氨酸检测系统包括：待测液装置瓶(1)、通用便携式图像采集装置(3)、可调距离光通路装置(4)和智能移动设备(6)；所述通用便携式图像采集装置(3)由图像采集室和光通道一体连通形成，图像采集室的顶部垂直开有与待测液装置瓶(1)匹配的槽(2)，槽(2)的底部与光通道连通；所述光通道的外侧设有外螺纹，可调距离光通路装置(4)的内部设有与外螺纹匹配的内螺纹；其中，待测的半胱氨酸溶液放置在待测液装置瓶(1)内，待测液装置瓶(1)固定在图像采集室的槽(2)内；根据不同手机型号调整可调距离光通路装置(4)长度以适应于智能移动设备(6)摄像头的图像采集焦距；智能移动设备(6)的摄像头对准可调距离光通路装置(4)的进光口(5)，进而采集待测液装置瓶(1)内的半胱氨酸溶液图像；该方法包括以下步骤：
(1)样品前处理，制备半胱氨酸显色样品溶液，具体包括以下步骤：
(1.1)制备氧化石墨烯/纳米金复合溶液：将质量分数为1％的1.225mL氯金酸溶液和浓度为1mg/mL的3mL氧化石墨烯分散液混合静置半小时后搅拌加热至80℃；再加入质量分数为1％的2.1mL柠檬酸钠溶液，维持80℃恒温搅拌加热一小时；此时溶液颜色由紫变红，停止加热继续搅拌15分钟将所得溶液避光冷却至室温；最后以3000r.p.m.的速度离心15分钟取上层清液，即为氧化石墨烯/纳米金复合溶液；
(1.2)配备不同浓度的半胱氨酸样品溶液：称取4.8mg半胱氨酸溶于4mL去离子水中，得到10mM半胱氨酸原液，将原液稀释配置5μM,10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM半胱氨酸样品溶液各1mL，用于后续浓度标定曲线确定；
(1.3)配备半胱氨酸显色样品溶液：取20μL，5uM的半胱氨酸样品溶液加入到200μL氧化石墨烯/纳米金复合溶液中，振荡1分钟，用于后续颜色检测；
(1.4)重复步骤(1.3)分别得到10μM,15μM,20μM,30μM,40μM,50μM的半胱氨酸显色样品溶液用于相应的颜色检测；
(2)确定半胱氨酸检测的标定曲线，将步骤(1)制得的半胱氨酸显色样品溶液固定在通用便携式图像采集装置(3)中，通过智能移动设备(6)的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理，具体包括以下子步骤：
(2.1)将装有半胱氨酸显色样品溶液的待测液装置瓶(1)固定于通用便携式图像采集装置(3)中，根据不同手机型号，调整可调距离光通路装置(4)的距离；
(2.2)智能移动设备(6)的摄像头对准装置进光口(5)，进行图像采集，得到检测图像；
(2.3)切割出检测图像中部的子图像，子图像的像素范围是10×10；
(2.4)将子图像转换至颜色空间RGB、HSV或CMYK上。如果选择RGB颜色空间进行分析则相应的提取子图像中每个像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色参数分量平均值；如果选择HSV颜色空间进行分析则相应的提取子图像中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)颜色参数分量平均值；如果选择CMYK颜色空间进行分析则相应的提取子图像中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量，分别得到子图像所有像素的C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)颜色参数分量平均值；
(2.5)根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出RGB颜色空间中R(红)、G(绿)、B(蓝)；HSV颜色空间中H(色调)、S(饱和度)、V(亮度)；或CMYK颜色空间中C(青色)、M(品红)、Y(黄色)、K(黑色)各个分量关于半胱氨酸样品溶液浓度的标定曲线，得到相应的半胱氨酸检测的标定曲线；
(3)检测未知浓度的半胱氨酸溶液浓度：将待测的未知浓度的半胱氨酸溶液与步骤1制备的氧化石墨烯/纳米金复合溶液按体积比1:10混合，振荡1分钟后，重复步骤(2.1)～步骤(2.4)，得到该未知浓度的待测半胱氨酸溶液对应的子图像的各个颜色分量平均值，带入步骤(2.5)得到的半胱氨酸浓度标定曲线，得到待测半胱氨酸溶液的半胱氨酸浓度。
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