CN107907523B - 一种恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法，该方法是在冻存血清分析仪上实现的。该冻存血清分析方法包括内腔低温恒温、初始定标、等距螺旋多点紫外光谱采集、测试结果分析四个步骤，该方法可用于海关对冻存血清的检测、识别、建库、溯源及保护。本发明的有益效果是，采用了电动阀门控制流量和液氮泵控制液速的方式，实现内腔的低温恒温控制，从而保证了测试环境的统一性，从而提高了测试的重复性；对冻存血清样品的测试，进行恒低温等距螺旋多点紫外拉曼荧光谱采集，将光谱均值向量和光谱方差向量进行主成分分析，消除了单点测试的偶然性和偏差，可有效提高不同种属血清的识别率。

Description

一种恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法

技术领域

本发明涉及一种激光光谱分析方法，尤其涉及一种采用等距螺旋多点紫外光谱技术的血清分析方法，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恒低温等距螺旋多点紫外光谱技术的血清分析方法，根据人与动物冻存血清的等距螺旋多点紫外光谱差异，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恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法，可获取人与动物冻存血清的等距螺旋多点紫外拉曼荧光谱，对光谱均值向量和光谱方差向量进行主成分分析的结果，可用于模式识别得到血清种属，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：

本发明提出的恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法是在一种冻存血清分析仪上实现的，该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、液氮泵、液氮瓶、电动控制及运动组件以及辅助部件；

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；

样品室包括样品架、内腔与低温探头三部分；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；低温探头安装在内腔内，用以实时探测内腔的温度；电动控制及运动组件里有电动控制器和平动转动台，它与样品架联连；在测试时，装有冷冻血清样品的冻存管放入样品架中，电动控制及运动组件可带动样品架连同冷冻血清样品沿运动中轴向上平动及以运动中轴为转轴的匀角速度转动；

液氮泵安装在样品室外，并通过入口与出口与内腔相通，形成一循环通道；液氮瓶与入口相连，内装满液氮，具有电动阀门，打开此阀门可排出液氮进入循环通道；

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；

直流稳压电源将输入的市电转换成直流电，并分成五路输出；第一路用以提供液氮泵所需的直流电源；第二路用以提供低温探头所需电源；第三路用以提供电动控制及运动组件所需电源；第四路用对紫外拉曼激光器进行供电；第五路用以提供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；树莓派具有四个控制口，其一连接液氮泵，通过泵的抽运速度的变化来控制液氮在循环通道的流速；其二连接液氮瓶的电动阀门，用以控制循环通道液氮的流量；其三连接低温探头，用以设定恒定低温的温度，并实时接收低温探头测量的内腔的温度；其四连接电动控制及运动组件，用以设定平动和转动速度；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；

本发明提出的恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法包括以下步骤：

(1)内腔低温恒温

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、低温探头、电动控制及运动组件以及液氮泵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低温恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定低温温度值T给低温探头同时接收其回传的内腔的实时测量温度；同时打开液氮瓶的电动阀门，使液氮进入循环通道，并进入内腔，通过改变电动阀门的开闭大小，调节液氮的流量；同时主控软件发出指令控制液氮泵的抽运速度以调节液氮在循环通道的流速；这样通过进入内腔的液氮的流量和流速达到控温的目的，当主控软件接收低温探头回传的内腔的实时测量温度等于T时，提示用户进行下一步操作；

(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)等距螺旋多点紫外光谱采集

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，设定多点测试的的时间间隔B，以及总测试点数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；主控软件发出指令给电动控制及运动组件，设定平动速度D和转动速度E；电动控制及运动组件带动样品架连同冷冻血清样品做沿运动中轴向上的平动及以运动中轴为转轴的匀角速度转动的联合运动，从而激光在血清样品内的焦点形成的聚焦点轨迹将为一等距螺旋线，该螺旋线上的测试点为C，在血清样品中近似均匀空间分布，对这C个点的测试，可全面反映血清样品的光学性质；从这些测试点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、总测试点数C进行等距螺旋多点紫外光谱采集，并存入树莓派内部的传感器；不同种属的血清，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其等距螺旋多点紫外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C个等距螺旋紫外光谱数据减去第二步获得的基准光谱，获得C个校正等距螺旋紫外拉曼光谱，对其进行C点的统计运算，得到光谱均值向量和光谱方差向量，然后将该血清样品的光谱均值向量和光谱方差向量与数据库里的不同人与动物种属样品的光谱均值向量和光谱主差向量进行主成分计算，以主成分计算结果为依据进行聚类分析，从而判断出该血清样品的种属。

本发明的有益效果是，采用了电动阀门控制流量和液氮泵控制液速的方式，实现内腔的低温恒温控制，从而保证了测试环境的统一性，从而提高了测试的重复性；对冻存血清样品的测试，进行恒低温等距螺旋多点紫外拉曼荧光谱采集，将光谱均值向量和光谱方差向量进行主成分分析，消除了单点测试的偶然性和偏差，可有效提高不同种属血清的识别率。

附图说明

图1、图2为本发明系统结构及工作示意图，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——液氮泵；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——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；42——出口；43——低温探头；44——入口；45——液氮瓶；46——电动控制及运动组件；47——运动中轴；48——聚焦点轨迹；49——电动阀门。

注：USB，即Universal Serial Bus，通用串行总线；HDMI，即High DefinitionMultimedia 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。

本发明提出的恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法是在一种冻存血清分析仪上实现的，该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、液氮泵21、液氮瓶45、电动控制及运动组件46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；

样品室16包括样品架17、内腔20与低温探头43三部分；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；低温探头43安装在内腔20内，用以实时探测内腔20的温度；电动控制及运动组件46里有电动控制器和平动转动台，它与样品架17联连；在测试时，装有冷冻血清样品19的冻存管放入样品架17中，电动控制及运动组件46可带动样品架17连同冷冻血清样品19沿运动中轴47向上平动及以运动中轴47为转轴的匀角速度转动；

液氮泵21安装在样品室16外，并通过入口44与出口42与内腔20相通，形成一循环通道；液氮瓶45与入口44相连，内装满液氮，具有电动阀门49，打开此阀门可排出液氮进入循环通道；

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；

直流稳压电源9将输入的市电转换成直流电，并分成五路输出；第一路用以提供液氮泵21所需的直流电源；第二路用以提供低温探头43所需电源；第三路用以提供电动控制及运动组件46所需电源；第四路用对紫外拉曼激光器11进行供电；第五路用以提供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具有四个控制口29，其一连接液氮泵21，通过泵的抽运速度的变化来控制液氮在循环通道的流速；其二连接液氮瓶45的电动阀门49，用以控制循环通道液氮的流量；其三连接低温探头43，用以设定恒定低温的温度，并实时接收低温探头43测量的内腔20的温度；其四连接电动控制及运动组件46，用以设定平动和转动速度；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；

本发明提出的恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法包括以下步骤：

(1)内腔低温恒温

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、低温探头43、电动控制及运动组件46以及液氮泵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低温恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定低温温度值T(本实施例为零下40度)给低温探头43同时接收其回传的内腔20的实时测量温度；同时打开液氮瓶45的电动阀门49，使液氮进入循环通道，并进入内腔20，通过改变电动阀门49的开闭大小，调节液氮的流量；同时主控软件发出指令控制液氮泵21的抽运速度以调节液氮在循环通道的流速；这样通过进入内腔20的液氮的流量和流速达到控温的目的，当主控软件接收低温探头43回传的内腔20的实时测量温度等于T时，提示用户进行下一步操作；

(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)等距螺旋多点紫外光谱采集

用户取出样品架17，将处于低温状态(本实施例为零下40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，设定多点测试的的时间间隔B(本实施例为1秒)，以及总测试点数C(本实施例为100)；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；主控软件发出指令给电动控制及运动组件46，设定平动速度D和转动速度E；电动控制及运动组件46带动样品架17连同冷冻血清样品19做沿运动中轴47向上的平动及以运动中轴47为转轴的匀角速度转动的联合运动，从而激光在血清样品19内的焦点形成的聚焦点轨迹48将为一等距螺旋线，该螺旋线上的测试点为C，在血清样品19中近似均匀空间分布，对这C个点的测试，可全面反映血清样品19的光学性质；从这些测试点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、总测试点数C进行等距螺旋多点紫外光谱采集(本实施例共得到100组紫外拉曼荧光光谱数据)，并存入树莓派40内部的传感器；不同种属的血清，由于粘度、浊度、吸收等特性的差异，其等距螺旋多点紫外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C个等距螺旋紫外光谱数据减去第二步获得的基准光谱，获得C个校正等距螺旋紫外拉曼光谱，对其进行C点的统计运算，得到光谱均值向量和光谱方差向量，然后将该血清样品19的光谱均值向量和光谱方差向量与数据库里的不同人与动物种属样品的光谱均值向量和光谱主差向量进行主成分计算，以主成分计算结果为依据进行聚类分析，从而判断出该血清样品19的种属。

Claims (1)

1.一种恒低温等距螺旋多点紫外光谱冻存血清分析方法，该方法是在冻存血清分析仪上实现的，所述分析仪由机身(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)、液氮泵(21)、液氮瓶(45)、电动控制及运动组件(46)以及辅助部件；其特征在于冻存血清分析方法包括以下步骤：

1)内腔低温恒温

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、低温探头、电动控制及运动组件以及液氮泵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低温恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定低温温度值T给低温探头同时接收其回传的内腔的实时测量温度；同时打开液氮瓶的电动阀门，使液氮进入循环通道，并进入内腔，通过改变电动阀门的开闭大小，调节液氮的流量；同时主控软件发出指令控制液氮泵的抽运速度以调节液氮在循环通道的流速；这样通过进入内腔的液氮的流量和流速达到控温的目的，当主控软件接收低温探头回传的内腔的实时测量温度等于T时，提示用户进行下一步操作；

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)等距螺旋多点紫外光谱采集

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，设定多点测试的时间间隔B，以及总测试点数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；主控软件发出指令给电动控制及运动组件，设定平动速度D和转动速度E；电动控制及运动组件带动样品架连同冷冻血清样品做沿运动中轴向上的平动及以运动中轴为转轴的匀角速度转动的联合运动，从而激光在血清样品内的焦点形成的聚焦点轨迹将为一等距螺旋线，该螺旋线上的测试点为C，在血清样品中近似均匀空间分布，对这C个点的测试，可全面反映血清样品的光学性质；从这些测试点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、总测试点数C进行等距螺旋多点紫外光谱采集，并存入树莓派内部的传感器；不同种属的血清，由于粘度、浊度、吸收特性的差异，其等距螺旋多点紫外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，将步骤3)获得的C个等距螺旋紫外光谱数据减去步骤2)获得的基准光谱，获得C个校正等距螺旋紫外拉曼光谱，对其进行C点的统计运算，得到光谱均值向量和光谱方差向量，然后将该血清样品的光谱均值向量和光谱方差向量与数据库里的不同人与动物种属样品的光谱均值向量和光谱主差向量进行主成分计算，以主成分计算结果为依据进行聚类分析，从而判断出该血清样品的种属。

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