CN107741412B - 一种基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪 - Google Patents
一种基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪，该仪器由机身和装配在机身内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派、紫外拉曼激光器、紫外拉曼探头、光谱仪、样品室、直流稳压电源、触摸屏以及辅助部件。本发明的有益效果是，采用了样品室内腔恒温和初始标定方法，提高了测试环境的统一性以及测试的重复性；对冻存血清样品的测试，进行时域序列紫外拉曼荧光谱采集，不同种属的血清在升温过程中，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其时域序列紫外拉曼荧光谱特性也将有所区别，因此该方法提取的不同种属的时域光谱特征差异将远大于常规单次测量的光谱差异，进而有效提高不同种属血清的识别率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光光谱分析仪，尤其涉及一种采用时域分辨紫外拉曼荧光谱技术的血清分析仪，适用于人与动物冻存血清样品的测试、建库及甄别,属于光电成像领域。
背景技术
在进出口领域，各国对血液制品的进出口大都采取严格控制的措施。由于人与动物的血液成分中含有物种的遗传特性等重要的生物信息，因此对其的进出口管制非常严格，需要特制的仪器设备进行检测。
由于血液制品的特殊性，因此对测试设备的要求是非接触式，以免血液外露造成的变性和对测试人员的危害。现有的血液检测设备大都基于流式细胞术，需要对血样进行抽样、稀释等操作，对检测环境要求高，只能用于精细检测，不适合海关快速通关高速检测的需要。此外，目前国际上血液制品的进出口遵循冻存管保存、通关、运输的规定，即全血、血清等制品必须保存在零下40-80度的环境下进行进出口，所以海关检测的是固态血液的制品。这样，市面上的生物医学设备无法胜任。目前，我国的法律规定禁止人的血液制品出口，允许部分动物血液制品出口，因为，为了防止不法人员将人血混入动物血中进行出口，必须一种能快速区别人与动物冻速血液制品的仪器和方法。
面对这一需求，本发明提出一种采用时域分辨紫外拉曼荧光谱技术的血清分析方法及相应仪器，根据人与动物冻存血清的时域紫外拉曼荧光谱差异，进行快速检测、建库与识别，方便海关进出口检测检疫部门进行冻存人与动物血液制品的溯源、鉴别及保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时域分辨紫外拉曼荧光谱分析方法及相关仪器，可获取人与动物冻存血清的时域分辨紫外拉曼荧光谱，对时域光谱的特征提取和模式识别结果，可用于海关对冻存血清的检测、识别、建库、溯源及保护。
本发明是这样来实现的：
本发明提出的基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪由机身和装配在机身内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派、紫外拉曼激光器、紫外拉曼探头、光谱仪、样品室、直流稳压电源、触摸屏以及辅助部件；
其中机身除了容纳这些内部组件外，还有机身USB接口、键盘接口、鼠标接口和市电开关；紫外拉曼探头由发射光纤、接收光纤、发射头与接收头组成；辅助部件包括USB供电器、若干USB线、一分二USB线、HDMI线与串口数据线组成；
紫外拉曼探头固定在样品室并伸进内腔，紫外拉曼探头的发射光纤联接激光器光纤输出端口，接收光纤联接光谱仪的光谱仪光纤接口；紫外拉曼激光器通过激光器光纤输出端口输出窄线宽紫外连续激光至发射光纤，发射光纤另一端联接发射头，发射头内部有紫外干涉滤光片，用以进一步压缩紫外激光的线宽，并抑制激光的分频杂光，发射头内部还有紫外聚焦镜，紫外连续激光通过该紫外聚焦镜对内腔内的血清样品进行聚焦，激发的拉曼与荧光后向回波信号通过接收头，导入接收光纤；接收头内有紫外瑞利滤光片，可抑制后向的瑞利散射干扰；内腔内壁涂覆有黑色哑光材料，可消除杂散光的影响；接收光纤的出射光进入光谱仪进行分析；
样品室包括样品架、内腔与恒温器三部分；其中样品架为透明石英玻璃材质，内部用以放置冻存管，冻存管内部装有冷冻血清样品；恒温器安装在内腔内，使样品室的内腔处于一个恒定的室温环境，恒定的温度使得所有测试血清样品与测试环境的温差一致，升温也保持一致，保证了测试环境的统一性；
直流稳压电源将输入的市电转换成直流电，并分成三路输出；第一路用以提供恒温器所需的直流电源；第二路用对紫外拉曼激光器进行供电；第三路用以提供USB供电器所需的直流电压；USB供电器有USB接口丙、USB接口乙、USB接口甲三个5V输出供电端口，其中光谱仪USB口通过一分二USB线分别与USB接口丙及机身USB接口相连，当仪器工作时，USB接口丙输出5V直流电压通过光谱仪USB口给光谱仪供电；当仪器不工作时，USB接口丙无输出，此时，光谱仪USB口可通过机身USB接口连接外部计算机，进行离线调试；USB接口乙通过USB线与树莓派的树莓派USB接口丙相连，用以对树莓派供电；USB接口甲4通过USB线与触摸屏USB接口相连，用以对触摸屏供电；
树莓派的树莓派HDMI接口通过HDMI线与触摸屏的触摸屏HDMI接口相连，用以对触摸屏提供显示；树莓派的树莓派串口与光谱仪的光谱仪串口通过串口数据线连接，用以进行通讯；树莓派的树莓派控制口连接恒温器，用以设定恒温温度，并接收恒温器的已到控温温度信号；键盘接口通过USB线与树莓派USB接口乙相连，外部键盘插入键盘接口可在树莓派中进行键盘输入；鼠标接口通过USB线与树莓派USB接口甲相连，外部鼠标插入鼠标接口可在树莓派中进行鼠标操作；树莓派装有主控软件，用户可以通过外部键鼠或对触摸屏进行触摸操作进行软件的操作，进行人机交互；
本发明提出的时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析方法包括以下步骤：
(1)样品室恒温
用户将样品架放入样品室，打开机身的市电开关，此时，直流稳压电源产生输出，使得树莓派、紫外拉曼激光器、光谱仪、样品室、触摸屏以及恒温器都通电处于工作状态；树莓派通电启动主控软件，用户点击操作主控软件的样品室恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定温度值T给恒温器；恒温器开始进行加热或冷却，恒温器里有温度传感器，当内腔到达预定温度T时，恒温器返回信号给主控软件，完成恒温，进入下一步；
(2)初始定标
用户点击操作主控软件的初始定标按钮，主控软件产生响应，设定光谱仪的采集积分时间A；紫外拉曼激光器发射的紫外连续激光对样品架内的空气进行聚焦，激发的空气背景后向回波信号通过接收头，导入接收光纤；接收光纤的出射光进入光谱仪；主控软件启动光谱仪按积分时间A进行光谱采集，得到基准光谱并存入树莓派内部的存储器；
(3)升温时域分辨紫外拉曼荧光光谱采集
用户取出样品架，将处于低温状态的装有冷冻血清样品的冻存管放入样品架，然后将样品架放入样品室，用户点击操作主控软件的开始测试按钮，主控软件产生响应，设定时域分辨的时间间隔B，以及总测试时长C；紫外拉曼激光器发射的紫外连续激光对样品架内冻存管内的冷冻血清样品进行聚焦，激发的拉曼荧光后向回波信号通过接收头，导入接收光纤；接收光纤的出射光进入光谱仪；主控软件启动光谱仪按单次积分时间A、时间间隔B、总测试时长C进行时域紫外拉曼荧光序列光谱采集，并存入树莓派内部的传感器；由于在测试的C时间内，血清样品与恒温器设定的恒定温度值有巨大的差异，因此血清样品处于快速升温过程，其时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的血清在此升温过程中，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其时域紫外拉曼荧光序列光谱特性也将有所区别；
(4)测试结果分析
用户点击操作主控软件的结果分析按钮，主控软件产生响应，将第三步获得的各组时域紫外拉曼荧光序列光谱数据减去第二步获得的基准光谱，获得各组时域序列校正拉曼荧光光谱，对其进行主成分分析、时域变化曲线拟合，得到其时域分辨拉曼荧光特征向量；与基础数据库的大量已知种属的样品的特征向量进行模式识别计算、聚类分析后，得出该血清样品的种属。
本发明的有益效果是，采用了样品室内腔恒温和初始标定方法，提高了测试环境的统一性以及测试的重复性；对冻存血清样品的测试，进行时域序列紫外拉曼荧光谱采集，不同种属的血清在升温过程中，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其时域序列紫外拉曼荧光谱特性也将有所区别，因此该方法提取的不同种属的时域光谱特征差异将远大于常规单次测量的光谱差异，进而有效提高不同种属血清的识别率。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图，图中：1——机身；2——USB接口丙；3——USB接口乙；4——USB接口甲；5——机身USB接口；6——键盘接口；7——鼠标接口；8——市电开关；9——直流稳压电源；10——USB供电器；11——紫外拉曼激光器；12——激光器光纤输出端口；13——发射光纤；14——发射头；15——接收头；16——样品室；17——样品架；18——冻存管；19——血清样品；20——内腔；21——恒温器；22——接收光纤；23——光谱仪光纤接口；24——光谱仪；25——光谱仪串口；26——光谱仪USB口；27——串口数据线；28——树莓派串口；29——树莓派控制口；30——树莓派USB接口甲；31——树莓派USB接口乙；32——树莓派HDMI接口；33——树莓派USB接口丙；34——触摸屏；35——HDMI线；36——触摸屏HDMI接口；37——触摸屏USB接口；38——一分二USB线；39——USB线；40——树莓派；41——紫外拉曼探头。
注：USB，即Universal Serial Bus，通用串行总线；HDMI，即HighDefinitionMultimedia Interface，高清晰度多媒体接口。
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1所示。
本发明提出的基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪由机身1和装配在机身1内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派40、紫外拉曼激光器11、紫外拉曼探头41、光谱仪24、样品室16、直流稳压电源9、触摸屏34以及辅助部件；
其中机身1除了容纳这些内部组件外，还有机身USB接口5、键盘接口6、鼠标接口7和市电开关8；紫外拉曼探头41由发射光纤13、接收光纤22、发射头14与接收头15组成；辅助部件包括USB供电器10、若干USB线39、一分二USB线38、HDMI线35与串口数据线27组成；
紫外拉曼探头41固定在样品室16并伸进内腔20，紫外拉曼探头41的发射光纤13联接激光器光纤输出端口12，接收光纤22联接光谱仪24的光谱仪光纤接口23；紫外拉曼激光器11通过激光器光纤输出端口12输出窄线宽紫外连续激光(本实施例为360纳米紫外激光)至发射光纤13，发射光纤13另一端联接发射头14，发射头14内部有紫外干涉滤光片(本实施例为360纳米干涉滤光片)，用以进一步压缩紫外激光的线宽，并抑制激光的分频杂光，发射头14内部还有紫外聚焦镜，紫外连续激光通过该紫外聚焦镜对内腔20内的血清样品19进行聚焦，激发的拉曼与荧光后向回波信号通过接收头15，导入接收光纤22；接收头15内有紫外瑞利滤光片(本实施例为360纳米瑞利片)，可抑制后向的瑞利散射干扰；内腔20内壁涂覆有黑色哑光材料，可消除杂散光的影响；接收光纤22的出射光进入光谱仪24(本实施例光谱仪的检测光谱范围为360至700纳米)进行分析；
样品室16包括样品架17、内腔20与恒温器21三部分；其中样品架17为透明石英玻璃材质，内部用以放置冻存管18，冻存管18内部装有冷冻血清样品19；恒温器21安装在内腔20内，使样品室16的内腔20处于一个恒定的室温环境，恒定的温度使得所有测试血清样品19与测试环境的温差一致，升温也保持一致，保证了测试环境的统一性；
直流稳压电源9将输入的市电转换成直流电，并分成三路输出；第一路用以提供恒温器21所需的直流电源；第二路用对紫外拉曼激光器11进行供电；第三路用以提供USB供电器10所需的直流电压；USB供电器10有USB接口丙2、USB接口乙3、USB接口甲4三个5V输出供电端口，其中光谱仪USB口26通过一分二USB线38分别与USB接口丙2及机身USB接口5相连，当仪器工作时，USB接口丙2输出5V直流电压通过光谱仪USB口26给光谱仪24供电；当仪器不工作时，USB接口丙2无输出，此时，光谱仪USB口26可通过机身USB接口5连接外部计算机，进行离线调试；USB接口乙3通过USB线39与树莓派40的树莓派USB接口丙33相连，用以对树莓派40供电；USB接口甲4通过USB线39与触摸屏USB接口37相连，用以对触摸屏34供电；
树莓派40的树莓派HDMI接口32通过HDMI线35与触摸屏34的触摸屏HDMI接口36相连，用以对触摸屏34提供显示；树莓派40的树莓派串口28与光谱仪24的光谱仪串口25通过串口数据线27连接，用以进行通讯；树莓派40的树莓派控制口29连接恒温器21，用以设定恒温温度，并接收恒温器21的已到控温温度信号；键盘接口6通过USB线39与树莓派USB接口乙31相连，外部键盘插入键盘接口6可在树莓派40中进行键盘输入；鼠标接口7通过USB线39与树莓派USB接口甲30相连，外部鼠标插入鼠标接口7可在树莓派40中进行鼠标操作；树莓派40装有主控软件，用户可以通过外部键鼠或对触摸屏34进行触摸操作进行软件的操作，进行人机交互；
本发明提出的时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析方法包括以下步骤：
(1)样品室恒温
用户将样品架17放入样品室16，打开机身1的市电开关8，此时，直流稳压电源9产生输出，使得树莓派40、紫外拉曼激光器11、光谱仪24、样品室16、触摸屏34以及恒温器21都通电处于工作状态；树莓派40通电启动主控软件，用户点击操作主控软件的样品室恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定温度值T(本实施例为20度)给恒温器21；恒温器21开始进行加热或冷却，恒温器21里有温度传感器，当内腔20到达预定温度T时，恒温器21返回信号给主控软件，完成恒温，进入下一步；
(2)初始定标
用户点击操作主控软件的初始定标按钮，主控软件产生响应，设定光谱仪24的采集积分时间A(本实施例为500毫秒)；紫外拉曼激光器11发射的紫外连续激光对样品架17内的空气进行聚焦，激发的空气背景后向回波信号通过接收头15，导入接收光纤22；接收光纤22的出射光进入光谱仪24；主控软件启动光谱仪24按积分时间A进行光谱采集，得到基准光谱并存入树莓派40内部的存储器；
(3)升温时域分辨紫外拉曼荧光光谱采集
用户取出样品架17，将处于低温状态(本实施例为零下60度)的装有冷冻血清样品19的冻存管18放入样品架17，然后将样品架17放入样品室16，用户点击操作主控软件的开始测试按钮，主控软件产生响应，设定时域分辨的时间间隔B(注：即步长，本实施例为5秒)，以及总测试时长C(本实施例为1分钟)；紫外拉曼激光器11发射的紫外连续激光对样品架17内冻存管18内的冷冻血清样品19进行聚焦，激发的拉曼荧光后向回波信号通过接收头15，导入接收光纤22；接收光纤22的出射光进入光谱仪24；主控软件启动光谱仪24按单次积分时间A、时间间隔B、总测试时长C进行时域紫外拉曼荧光序列光谱采集(本实施例共得到12组紫外拉曼荧光光谱数据)，并存入树莓派40内部的传感器；由于在测试的C时间内，血清样品19与恒温器21设定的恒定温度值有巨大的差异，因此血清样品19处于快速升温过程，其时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的血清在此升温过程中，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其时域紫外拉曼荧光序列光谱特性也将有所区别；
(4)测试结果分析
用户点击操作主控软件的结果分析按钮，主控软件产生响应，将第三步获得的各组时域紫外拉曼荧光序列光谱数据减去第二步获得的基准光谱，获得各组时域序列校正拉曼荧光光谱，对其进行主成分分析、时域变化曲线拟合，得到其时域分辨拉曼荧光特征向量；与基础数据库的大量已知种属的样品的特征向量进行模式识别计算、聚类分析后，得出该血清样品19的种属。
Claims (1)
1.一种基于时域分辨紫外拉曼荧光谱的冻存血清分析仪，由机身(1)和装配在机身(1)内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派(40)、紫外拉曼激光器(11)、紫外拉曼探头(41)、光谱仪(24)、样品室(16)、直流稳压电源(9)、触摸屏(34)以及辅助部件；其特征在于：
所述的机身(1)除了容纳这些内部组件外，还有机身USB接口(5)、键盘接口(6)、鼠标接口(7)和市电开关(8)；紫外拉曼探头(41)由发射光纤(13)、接收光纤(22)、发射头(14)与接收头(15)组成；辅助部件包括USB供电器(10)、若干USB线(39)、一分二USB线(38)、HDMI线(35)与串口数据线(27)组成；
所述的紫外拉曼探头(41)固定在样品室(16)并伸进内腔(20)，紫外拉曼探头(41)的发射光纤(13)联接激光器光纤输出端口(12)，接收光纤(22)联接光谱仪(24)的光谱仪光纤接口(23)；紫外拉曼激光器(11)通过激光器光纤输出端口(12)输出窄线宽紫外连续激光至发射光纤(13)，发射光纤(13)另一端联接发射头(14)，发射头(14)内部有紫外干涉滤光片，用以进一步压缩紫外激光的线宽，并抑制激光的分频杂光，发射头(14)内部还有紫外聚焦镜，紫外连续激光通过该紫外聚焦镜对内腔(20)内的血清样品(19)进行聚焦，激发的拉曼与荧光后向回波信号通过接收头(15)，导入接收光纤(22)；接收头(15)内有紫外瑞利滤光片，可抑制后向的瑞利散射干扰；内腔(20)内壁涂覆有黑色哑光材料，可消除杂散光的影响；接收光纤(22)的出射光进入光谱仪(24)进行分析；
所述的样品室(16)包括样品架(17)、内腔(20)与恒温器(21)三部分；其中样品架(17)为透明石英玻璃材质，内部用以放置冻存管(18)，冻存管(18)内部装有冷冻血清样品(19)；恒温器(21)安装在内腔(20)内，使样品室(16)的内腔(20)处于一个恒定的室温环境，恒定的温度使得所有测试血清样品(19)与测试环境的温差一致，升温也保持一致，保证了测试环境的统一性；
所述的直流稳压电源(9)将输入的市电转换成直流电，并分成三路输出；第一路用以提供恒温器(21)所需的直流电源；第二路用对紫外拉曼激光器(11)进行供电；第三路用以提供USB供电器(10)所需的直流电压；USB供电器(10)有USB接口丙(2)、USB接口乙(3)、USB接口甲(4)三个5V输出供电端口，其中光谱仪USB口(26)通过一分二USB线(38)分别与USB接口丙(2)及机身USB接口(5)相连，当仪器工作时，USB接口丙(2)输出5V直流电压通过光谱仪USB口(26)给光谱仪(24)供电；当仪器不工作时，USB接口丙(2)无输出，此时，光谱仪USB口(26)可通过机身USB接口(5)连接外部计算机，进行离线调试；USB接口乙(3)通过USB线(39)与树莓派(40)的树莓派USB接口丙(33)相连，用以对树莓派(40)供电；USB接口甲(4)通过USB线(39)与触摸屏USB接口(37)相连，用以对触摸屏(34)供电；
所述的树莓派(40)的树莓派HDMI接口(32)通过HDMI线(35)与触摸屏(34)的触摸屏HDMI接口(36)相连，用以对触摸屏(34)提供显示；树莓派(40)的树莓派串口(28)与光谱仪(24)的光谱仪串口(25)通过串口数据线(27)连接，用以进行通讯；树莓派(40)的树莓派控制口(29)连接恒温器(21)，用以设定恒温温度，并接收恒温器(21)的已到控温温度信号；键盘接口(6)通过USB线(39)与树莓派USB接口乙(31)相连，外部键盘插入键盘接口(6)可在树莓派(40)中进行键盘输入；鼠标接口(7)通过USB线(39)与树莓派USB接口甲(30)相连，外部鼠标插入鼠标接口(7)可在树莓派(40)中进行鼠标操作；树莓派(40)装有主控软件，用户可以通过外部键鼠或对触摸屏(34)进行触摸操作进行软件的操作，进行人机交互。
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