CN106769878A - 一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法，包括以下步骤：将中药汤剂样品放入样品容器内，所述样品容器的一面设有台型柱面透镜；将偏振激光从台型柱面透镜的一侧射向样品容器，偏振激光经过样品界面反射后由检测设备接收；将可调整的脉冲激光垂直射向样品界面，样品受激产生外传光声信号；外传光声信号形成的光声压使偏振激光在样品界面处反射后的偏振态发生改变，检测设备接收偏振激光后产生电信号，并将电信号传输到数据处理设备中；逐次调整短脉冲激光的波长，数据处理设备将每次收到的电信号处理为光谱图表，并进行成分标定，实现对样品成分的检测与鉴别。

Description

一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法及装置
技术领域
本发明属于光声光谱检测领域，本发明涉及一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法及装置。
背景技术
中医药作为医药的重要组成部分，为几千年来中华民族的繁衍生息、繁荣昌盛作出了卓越的贡献。尽管中医药的功效经受住了历史考验以及近代临床疗效的肯定，但是从近代至今以来中医药剂因缺乏严谨的科学理论支持与有效的检测方式而倍受争议。
目前，对于中药特征与特性刻画的中药指纹图谱是国内外社会所接受的一种中药评价方式。当前获取中药指纹图谱的手段主要两大类，其一为色谱法，诸如：有薄层色谱(TLC)、气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、，高效毛细管电泳色谱(HPCE)等；其二为光谱法，如：紫外光谱(UV)，红外光谱(IR)、近红外光谱法(NIR)、荧光检测(FI)、拉曼光谱技术等；除此外还有核磁共振谱(HMR)、X射线指纹谱(XRD)等，或者多种现代分析仪器联用得到的多维多信息特征谱等。其中，薄层色谱(TLC)、气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)等三种色谱技术是目前大家所公认的三种常规的分析方法，尤其是HPLC，因其分离效率高、分析速度快，重现性好，而倍受人们所喜爱。但是它的分析过程需对药物进行洗脱，难以适用于在线监测与控制。而且中药尤其是中药复方所含化学成份的多样性和复杂性，导致单一的分析方法受其工作原理所限，得到的图谱难以全面体现中药的内在品质。另外、色谱技术所获取的许多数据都是在单一波长下的所获得的，因而难以表述中药中有效成份在各个波段上的吸收差异，从而很难实现中药质量特征的全面表达。而光谱技术则因本身检测原理，其具有多波长扫描的特点，能够很好的规避了色谱技术的缺陷，能够实现一种非接触式的在线检测，且灵敏度高，易于表征中药的许多化学特性，但是在进行相似度评价过程则因数据量过于庞大而导致数据处理缓慢。
光声光谱技术是一种基于光声效应的光谱技术，是光谱学的一个重要分支。相较于传统光谱学，该技术探测的不是光与物质相互作用后的光信号而是声信号，从而克服了传统光谱法在样品分析中存在的诸多困难。相较于传统的光谱方法，光声技术则表现出许多传统光谱法所不及的独特特性：一、样品普适性强，它检测的对象可以是固体、液体、气体；二、不受样品形态与形状限制，各种样品可以在未预处理的自然状态下就可以直接进行测量，是一种无损检测，能够保证样品的原有特性；三、有效回避传统光受散射、反射等引起的信号干扰，具有高信噪比，高检测灵敏度，且波谱范围宽的特点；四、样品的用量少，只要少量样品即可获得样品的光学与声学多方面性质的信息；五、无损活体成像，能够实现药物在体药效研究。正是由于光声光谱技术具有这些明显特点，且易于量化，为实现在同一系统中药性鉴别与药效监测的实施提供可能，近年来，也有一些研究小组开展了光声光谱在中药鉴别与检测就的应用。王习东等人建立了基于氙灯光源与驻极体传声器的光声光谱系统，并结合小波分析法对硝基化合物、硫酸铜以及它们的混合物进行组分分析。实验结果表明光声光谱技术能够实现固休颗粒物的组分分析。列光华等人通过对菠萝叶绿叶与黄叶光声光谱的检测展开了光合作用效率的研究，并发现叶绿体在358nm与650nm处有特征峰。罗泽鹏等人组建了紫外-可见光光声光谱系统，并在此基础上对野生灵芝、川贝母、木香，小田七等中药进行光声光谱检测，实验表明部分中药的光声光谱具有明显的吸收峰，
然而目前尚未有光声光谱技术应用于中药汤剂成分方面的检测，且当前成像系统中光声信号检测方式一般基于压电晶体与压电薄膜的超声探测器进行信号检测因而极大限制了光声信号检测的灵敏度以及信号带宽。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种多光谱、高灵敏、宽带宽的光声光谱检测方法，所述方法信号检测灵敏度高，且具有大带宽响应，设计简单，易于操作。
本发明的另一目的在于提供一种应用于中药成分的光声多光谱检测方法的装置，所述装置结构简单，操作简便，且易于便携使用。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法，包括以下步骤：
步骤一)将中药汤剂样品放入样品容器内，所述样品容器的一面设有台型柱面透镜；
步骤二)将偏振激光从台型柱面透镜的一侧射向样品容器，偏振激光经过样品界面反射后由检测设备接收；
步骤三)将可调整的脉冲激光垂直射向样品界面，样品受激产生外传光声信号；外传光声信号形成的光声压使偏振激光在样品界面处反射后的偏振态发生改变，检测设备接收偏振激光后产生电信号，并将电信号传输到数据处理设备中；
步骤四)逐次调整短脉冲激光的波长，数据处理设备将每次收到的电信号处理为光谱图表，并进行成分标定，实现对样品成分的检测与鉴别
进一步的改进，所述脉冲激光的光源为固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、光参量振荡激光器或染料激光器。
进一步的改进，所述脉冲激光的波长为680nm-2500nm。
一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，包括样品容器，所述样品容器的一面为台型柱面透镜，台型柱面透镜的相对两侧分别设有偏振激光发射装置和偏振激光接收装置；偏振激光发射装置包括连续激光器和偏振光起偏镜片，偏振激光接收装置偏振光检偏器件和高速光电检测器；连续激光器发射的激光穿过偏振光起偏镜片倾斜射入台型柱面透镜，在样品界面反射后穿过偏振光检偏器件，再由高速光电检测器接收；
高速光电检测器通过采集与控制电路连接有计算机，采集与控制电路还连接有脉冲激光器；脉冲激光器发射的脉冲激光垂直穿过台型柱面透镜射向样品界面。
进一步的改进，所述台型柱面透镜为样品容器的底面。
进一步的改进，所述计算机通过采集与控制电路控制偏振激光，使高速光电探测器获得最大光强。
进一步的改进，所述采集与控制电路发出两路TTL信号，其中一路控制脉冲激光器发出脉冲激光，另一路控制高速光电检测器接收偏振激光信号。
进一步的改进，所述采集与控制电路设有放大器，将高速光电检测器生成的电信号放大。
本发明的有益效果是：
1、利用光声光谱技术进行中药汤剂成分检测
2、利用偏振光反射的方法进行光声信号的检测，提高了信号检测的灵敏度,并具有宽带宽检测范围(从1KHz到50MHz)。
3、本发明装置结构简单，操作简便，易于便携使用。
附图说明
图1为本发明实施例的装置示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的主要工作原理是：利用脉冲多光谱激光激发中药汤剂样品生成外传光声压力波。因外传光声压力波作用于汤剂样品与透镜界面时，使得汤剂样品与透镜界面的相对折射率发生改变，从而影响到在界面处反射的偏振光的偏振度，通过接收反射后的偏振光变化实现光声信号的检测，再利用多光谱激发汤剂中不同原子吸收光谱的差异形成的光声信号变化来鉴别汤剂中主成分的构成。
一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，包括样品容器5，所述样品容器5的底部为台型柱面透镜9(透镜也可以放置在容器侧面，保证偏振光路在样品界面反射即可)，台型柱面透镜9的相对两侧分别设有偏振激光发射装置和偏振激光接收装置；偏振激光发射装置包括连续激光器8和偏振光起偏镜片7，偏振激光接收装置包括偏振光检偏器件4和高速光电检测器3；连续激光器8发射的激光穿过偏振光起偏镜片7倾斜射入台型柱面透镜9，在样品界面反射后穿过偏振光检偏器件4，再由高速光电检测器3接收；
高速光电检测器3通过采集与控制电路2连接有计算机1，采集与控制电路2还连接有脉冲激光器10；脉冲激光器10发射的脉冲激光垂直穿过台型柱面透镜9射向样品界面。
计算机1通过采集与控制电路2控制起偏器和检偏器，使高速光电探测器3获得最大光强。所述采集与控制电路2发出两路TTL信号，其中一路控制脉冲激光器10发出脉冲激光，另一路控制高速光电检测器3接收偏振激光信号。采集与控制电路2设有放大器，将高速光电检测器生成的电信号放大。脉冲激光器固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、光参量振荡激光器或染料激光器。脉冲激光可以选用波长为680nm-2500nm的红外到紫外光。
使用上述设备进行中药汤剂成分检测的方法为：
步骤一:连续激光器8发射连续激光，经起偏器7后产生偏振光从侧面透射进入台型柱面透镜9，并在柱面透镜与样品界面处发生反射。反射光线经台型柱面透镜9的另一侧透射而出，再经检偏器后由高速光电探测器3接收后转换为电信号，最后经由采集与控制电路2产生的TTL同步信号进行触发并采集后输送至计算机1进行处理。
步骤二：由计算机1控制的采集与控制电路2生成控制信号，自动调整起偏器与检偏器，使得高速光电探测器获得光强最大。由计算机1控制的采集与控制电路2产生TTL信号控制脉冲激光器10，并输出短脉冲激光，其出光重复率等同于采集与控制电路2生成的TTL信号频率；生成的短脉冲激光经台型柱面透镜9后，直接辐照于中药汤剂样品6，并激发产生光声信号。
步骤三：中药汤剂样本6受激产生外传光声信号；外传光声信号形成的光声压使得样本6与台型柱面镜9之间相对折射率改变，从而引起激光器8产生的偏振光在界面处反射后的偏振态发生改变，反射后的偏振光经检偏器后由高速光电探测器3接收后转换为电信号，最后经由采集与控制电路2生成的TTL同步信号触发并采集后输送至计算机1进行处理。
步骤四：计算机1控制的采集与控制电路2生成驱动信号，逐次改变激光器10出射的脉冲激光波长，形成光谱扫描，再重复步骤三、步骤四、步骤五、获得多光谱光声信号。计算机对获取的多光谱光声信号进行算法处理提取各波段峰峰值，并列成光谱图表进行成分标定，最终获得中药汤剂成分图谱实现成分检测与鉴别。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一)将中药汤剂样品放入样品容器内，所述样品容器的一面设有台型柱面透镜；
步骤二)将偏振激光从台型柱面透镜的一侧射向样品容器，偏振激光经过样品界面反射后由检测设备接收；
步骤三)将可调整的脉冲激光垂直射向样品界面，样品受激产生外传光声信号；外传光声信号形成的光声压使偏振激光在样品界面处反射后的偏振态发生改变，检测设备接收偏振激光后产生电信号，并将电信号传输到数据处理设备中；
步骤四)逐次调整短脉冲激光的波长，数据处理设备将每次收到的电信号处理为光谱图表，并进行成分标定，实现对样品成分的检测与鉴别。
2.如权利要求1所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法，其特征在于，所述脉冲激光的光源为固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、光参量振荡激光器或染料激光器。
3.如权利要求1所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测方法，其特征在于，所述脉冲激光的波长为680nm-2500nm。
4.一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，包括样品容器，其特征在于，所述样品容器的一面为台型柱面透镜，台型柱面透镜的相对两侧分别设有偏振激光发射装置和偏振激光接收装置；偏振激光发射装置包括连续激光器和偏振光起偏镜片，偏振激光接收装置偏振光检偏器件和高速光电检测器；连续激光器发射的激光穿过偏振光起偏镜片倾斜射入台型柱面透镜，在样品界面反射后穿过偏振光检偏器件，再由高速光电检测器接收；
高速光电检测器通过采集与控制电路连接有计算机，采集与控制电路还连接有脉冲激光器；脉冲激光器发射的脉冲激光垂直穿过台型柱面透镜射向样品界面。
5.如权利要求4所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，其特征在于，所述台型柱面透镜为样品容器的底面。
6.如权利要求4所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，其特征在于，所述计算机通过采集与控制电路控制偏振激光，使高速光电探测器获得最大光强。
7.如权利要求4所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，其特征在于，所述采集与控制电路发出两路TTL信号，其中一路控制脉冲激光器发出脉冲激光，另一路控制高速光电检测器接收偏振激光信号。
8.如权利要求4所述的一种基于光声光谱的中药汤剂成分检测装置，其特征在于，所述采集与控制电路设有放大器，将高速光电检测器生成的电信号放大。
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