CN109060788A - 一种通过光强检测液体含糖量的方法及装置与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过光强检测液体含糖量的方法及装置与应用。本发明通过将一束准单色准平行光从棱镜的一侧进入棱镜内部，使其以近似水全反射角的方向入射到棱镜的底面与液体的交界面，其全反射光从棱镜的另一侧出射，由光探测器检测；依据前述步骤对待测液体样品和标准液体样品分别进行检测；制备标准曲线，通过标准曲线确定待测液体样品中的含糖量。实现该方法的装置包含黑色卡片和光路系统；光路系统包含准单色光源、样品台、第一透镜、光探测器、电信号处理电路、电源电路、温度传感器探头、第二透镜、光阑和光反射元件。本发明测量速度快，能实现实时测量，且过程简单，准确度高，用于唾液等体液测量时，能实现无创取样，避免感染，无痛苦。

Description

一种通过光强检测液体含糖量的方法及装置与应用

技术领域

本发明属于光电精密测量技术领域，特别涉及一种通过光强检测液体含糖量的方法及装置与应用。

背景技术

随着人们的生活水平逐步提高，我国逐步进入老年社会。糖尿病患者的数量越来越多，对糖尿病的无创、快速检测及糖尿病患者病情的家庭日常无创廉价监测是目前面临的一个迫切的社会问题。当前，家庭检测糖尿病的手段主要依靠血糖仪及尿糖浓度测量装置。前者需要取血，会对患者带来痛苦及具有感染的风险；后者使用很不方便，且结果受干扰因素很多，稳定性与精度不高。

目前，测量液体含糖量的方法主要有阿贝折光仪或折射率计、棱镜全反射法、布儒斯特角法、棱镜表面等离子耦合法等，这些是通过测量液体折射率来到达检测液体含糖量的；原则上可以用于唾液的含糖量测量，但有些方法测量精度不高，有些方法不容易实现快速测量且仪器价格高，不适合家庭使用。

因此，人们在寻求一种无创、快速、更为准确的检测体液中含糖量的方法。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种通过光强检测液体含糖量的方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述方法的装置。

本发明的再一目的在于提供上述装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种通过光强检测液体含糖量的方法，包括如下步骤：

(1)将一束准单色准平行光从棱镜的一侧进入棱镜内部，使其以近似水全反射角的方向入射到棱镜的底面与液体的交界面，其全反射光从棱镜的另一侧出射，最后由光探测器检测；

(2)通过步骤(1)对待测液体样品和标准液体样品分别进行检测；制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量。

步骤(2)优选为：用显色剂分别对待测液体样品和和标准液体样品进行显示，得到显色的待测液体样品和显色的标准液体样品；通过步骤(1)分别对显色的待测液体样品和显色的标准液体样品进行检测；通过标准液体样品的测量值，制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量；更优选如下：用显色剂分别对待测液体样品和标准液体样品进行显色，得到显色的待测液体样品和显色的标准液体样品；通过步骤(1)对待显色的测液体样品和和显色的标准液体样品进行检测，在检测前用纯水进行校准，以减小误差；通过标准液体样品的测量值，制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量。显色液体具有较大的折射率，灵敏度更高，准确性更高。

步骤(1)中所述的准单色准平行光优选波长为480～535nm的准单色准平行光；更优选为波长为500～510nm的准单色准平行光。

步骤(1)中所述的棱镜优选为折射率为1.51～1.76的棱镜；更优选为折射率为1.51～1.76的等腰玻璃棱镜。

所述的柱面透镜优选为半圆形柱面透镜。

步骤(1)中所述的水全反射角一般指的是62°。

步骤(1)中所述的光探测器可为硅光电池、光电二极管、光敏电阻等小型光电元件，优选带有放大电路的光电二极管模块，其受光面积要大于入射光光斑。

步骤(2)中所述的待测液体样品指的是含糖液体，包括唾液、泪液和尿液等体液。

步骤(2)中所述的标准样品优选为已知浓度的葡萄糖溶液样品。

步骤(2)中所述的显色剂是能使葡萄糖显色的试剂，优选为葡萄糖氧化酶、3-羟基-2,4,6-三溴苯甲酸(TBHBA)或苯酚。

所述的通过光强检测液体含糖量的方法能用于检测普通液体的含糖量，或者是用于检测包括唾液、泪液和尿液等体液的含糖量。

在所述的通过光强检测液体含糖量的方法用于检测包括唾液、泪液和尿液等体液的含糖量时，包括非诊断或治疗目的的应用，如获得生理参数。

一种通过光强检测液体含糖量的装置，是通过上述方法设计得到的，包含黑色卡片和光路系统；光路系统包含准单色光源、样品台、第一透镜、光探测器、电信号处理电路、电源电路、温度传感器探头、第二透镜、光阑和光反射元件；沿着光束前进的方向，准单色光源、第一透镜、光阑、光反射元件、第二透镜、光探测器依次排布；电源电路分别与准单色光源和电信号处理电路连接，光探测器与电信号处理电路连接；黑色卡片与光反射元件连接，形成样品耦合棱镜，设置在样品台上；温度传感器探头设置在样品台的附近，其与电信号处理电路连接。

所述的黑色卡片的结构优选为包含黑色基底层以及设置在黑色基底层上的显色剂层。

所述的显色剂层优选为设置在所述的黑色基底层的粗糙面。

所述的黑色基底层的材质优选为塑料、有机玻璃或纸张。

所述的显色剂是能使葡萄糖显色的试剂，优选为葡萄糖氧化酶、3-羟基-2,4,6-三溴苯甲酸(TBHBA)或苯酚。

所述的准单色光源为发射波长接近显色液体的吸收波长505nm的准单色光源，一般为蓝绿光或可见光小功率的半导体激光器，或蓝绿光或可见光小功率的发光二极管，可带有光强补偿信号输出电极。

所述的蓝绿光小功率的半导体激光器优选波长为480～535nm的半导体激光器，如西安华科公司的MDF520系列、532纳米系列半导体激光器及输出波长在505纳米附近的发光二极管等。

所述的第一透镜用于实现光束变换，其设置位置以能使得准单色光源出射的准平行光以近似于水全反射角入射棱镜底面的液体样品为准，譬如棱镜折射率取1.51，水全反射角为62°。

所述的光阑用于控制出射光束直径的大小及总光强，并排除杂散光，使光探测器接收的光强始终处于光探测器的线性响应范围。

所述的光反射元件的材质为玻璃或透明的高分子聚合物。

所述的透明的高分子聚合物优选为塑料。

所述的光反射元件包括棱镜和柱面透镜。

所述的棱镜优选为折射率为1.51～1.76的棱镜；更优选为折射率为1.51～1.76的等腰玻璃棱镜。

所述的柱面透镜优选为半圆形柱面透镜。

所述的第二透镜起聚光作用，调整其位置使液体样品全反射的光经过第二透镜后全部进入光探测器，减少环境杂散光进入光探测器造成干扰。

所述的光探测器可为硅光电池、光电二极管、光敏电阻等小型光电元件，优选带有放大电路的光电二极管模块，其受光面积要大于入射光光斑。

所述的电信号处理电路包括放大电路、比较电路及模数转换(A/D)电路，温度检测电路、单片机；放大电路、比较电路、模数转换电路和单片机依次连接；温度检测电路、放大电路和单片机依次连接。

所述的光路系统还包含分光镜和补偿光探测器；分光镜设置在光阑和光反射元件之间，用于反射少部分入射光到补偿光探测器；补偿光探测器设置在分光镜反射光出射位置，与电信号处理电路连接。

所述的分光镜为分光比为3％～10％的分光镜。

所述的分光镜为分光片或分光棱镜。

所述的分光镜的材质为玻璃或镀膜玻璃。

上述通过光强检测液体含糖量的装置还包括密封外套，用于让光路系统不受外界光干扰，提高信号的信噪比；光路系统设置在密封外套内。

所述的密封套的材质为金属或塑料；其内侧表面喷涂成黑色。

上述通过光强检测液体含糖量的装置还包括操作面板，操作面板包含开关按键、校准按键、测量按键、样品区和数字显示屏；开关按键与电源电路连接；校准按键、测量按键和数字显示屏分别与电信号处理电路连接；样品区处为黑色卡片放置位置。

上述装置的使用方法，包括如下步骤：

1)清洁棱镜的底面，把待测液体涂于黑色卡片上，显色后将黑色卡片盖于棱镜的底面，使显色的待测液体与棱镜底面紧密接触，不留气泡及杂质，进行测量，得到待测液体的含糖量；

2)在用纯水进行校准时，是将纯水涂于黑色卡片上，盖于棱镜的底面，使纯水与棱镜底面紧密接触，不留气泡及杂质，进行校准；

3)在用标准液体样品进行定标时，操作同步骤1)。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明测量速度快，可以实现实时测量。

2、本发明用于唾液等体液测量时，可以实现无创取样，避免感染，无痛苦，且测量过程方便简单，使用、保养成本低。

3、本发明测量精度高。唾液糖精度可达0.01～1mmol/L，也适合于液体折射率的测量。

4、本发明提供的装置体积小，重量轻，性价比高，适合于家庭个人使用及携带。

附图说明

图1是实施例1提供的装置的结构示意图。

图2是实施例2提供的装置的结构示意图。

图3是液体含糖量检测装置操作面板图。

图4是唾液含糖量检测过程的流程图。

图中，1为准单色光源、3为样品台、4为透镜、5为光探测器、6为电信号处理电路、7为电源、8为密封外套、9为分光镜、10为补偿光探测器、11为开关按键、12为校准按键、13为测量按键、14为样品区、15为数字显示屏、16为黑色卡片、17为温度传感器探头、18为透镜、19为光阑、20为棱镜、21为柱面透镜。

具体实施方式

下面结合实施例子及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种通过光强检测液体含糖量的装置，如图1所示，包括黑色卡片16、密封外套8和设置在密封外套8内的准单色光源1、样品台3、透镜4、光探测器5、电信号处理电路6、电源电路7、温度传感器探头17、透镜18、光阑19、棱镜20。其中，沿着光束前进的方向，准单色光源1、透镜18、光阑19、棱镜20、透镜4、光探测器5依次排布；电源电路7分别与准单色光源1和电信号处理电路6连接，光探测器5与电信号处理电路6连接；黑色卡片16与棱镜20连接，形成样品耦合棱镜，设置在样品台3上；温度传感器探头17用于测量液体样品的温度，设置在样品台3的附近，其与电信号处理电路6连接。

准单色光源1、透镜18及光阑19构成光源发射模块。其中，准单色光源1为蓝绿光或可见光小功率的半导体激光器或发光二极管，且带有光强补偿信号输出电极。光强补偿信号用于消除准单色光源1输出光强波动对测量结果的影响，如波长为520、532纳米的半导体激光器及蓝绿光发光二极管等。透镜18用于实现光束变换，调节其与准单色光源1的距离，使其出射的光为会聚或发散的准平行光光束，以近似于水全反射角入射棱镜底面的液体样品，如唾液样品、泪液样品等；光阑19用于控制出射光束直径的大小及总光强，并排除杂散光，使光探测器5接收的光强始终处于光探测器的线性响应范围；棱镜20的底面垂直固定于样品台3台面且位于样品台3的转轴中心。棱镜20优选45、60°等腰玻璃棱镜(如折射率为1.51、1.76等)，也可以是透明聚合物或塑料等材料棱镜。样品台3可以绕其转轴微调转动0～5°左右，与棱镜20同步转动，调节样品台3及棱镜20使棱镜底面的液体样品的全反射光进入光探测器5后并紧固；透镜4起聚光作用，调整其位置使液体样品全反射的光经过透镜4后全部进入光探测器5，减少环境杂散光进入光探测器5造成干扰；光探测器5把入射光转换为电信号，可为硅光电池、光电二极管、光敏电阻等小型光电元件，优选带有放大电路的光电二极管模块，其受光面积要大于入射光光斑；电信号处理电路6包括放大电路、比较电路及模数转换(A/D)电路，温度检测电路、单片机等，放大电路、比较电路、模数转换电路和单片机依次连接；温度检测电路、放大电路和单片机依次连接吗。光探测器5的样品光强电信号及光强补偿电信号经电信号处理电路6放大、比较后转换成数字信号输入单片机，经其信号处理后送显示屏进行显示；温度传感器探头17获得的温度电信号经放大后直接进入单片机，以修正不同温度下的液体含糖量测量结果。电源电路7主要包括电池模块及交流变直流模块等，为准单色光源1及电信号处理电路6提供电源。密封套8由金属或塑料加工而成，其内侧表面喷涂成黑色，保证让光路系统不受外界光干扰，提高信号的信噪比。黑色卡片16的结构为包含黑色基底层以及设置在黑色基底层粗糙面上的显色剂层，显色剂为葡萄糖氧化酶、3-羟基-2,4,6-三溴苯甲酸(TBHBA)或苯酚，黑色基底层的材质为塑料、有机玻璃或纸张。

实施例2

一种通过光强检测液体含糖量的装置，如图2所示，包括黑色卡片16、密封外套8和设置在密封外套8内的准单色光源1、样品台3、透镜4、光探测器5、电信号处理电路6、电源电路7、分光镜9、补偿光探测器10、温度传感器探头17、透镜18、光阑19、柱面透镜21。其中，沿着光束前进的方向，准单色光源1、透镜18、光阑19、分光镜9、柱面透镜21、透镜4、光探测器5依次排布；电源电路7分别与准单色光源1和电信号处理电路6连接，光探测器5与电信号处理电路6连接；黑色卡片16与柱面透镜21连接，形成样品耦合棱镜，设置在样品台3上；温度传感器探头17用于测量液体样品的温度，设置在样品台3的附近，其与电信号处理电路6连接；补偿光探测器10设置在分光镜9反射光出射位置，与电信号处理电路6连接。

本实施例提供的装置和实施例1的主要区别在于：将柱面透镜21取代棱镜20，以及设置分光镜、补偿光探测器；光源1可为蓝绿光或可见光小功率的半导体激光器或发光二极管。

柱面透镜21用于与液体样品的耦合，优选半圆柱面透镜，可以为玻璃或透明塑料材料；分光镜9用于反射少部分入射光到补偿光探测器10，可选择为玻璃或镀膜玻璃分光片或分光棱镜，其分光比为3％～10％左右。因此，光强补偿信号通过分光镜9及补偿光探测器10获取，用于消除光源输出光强波动对测量结果的影响，与光探测器5输出信号一起进入电信号处理电路6。

实施例3

一种通过光强检测液体含糖量的系统，除了含有实施例1或实施例2提供的装置外，还包含如图3所示的操作面板，包括开关按键11、校准按键12、测量按键13、样品区14、数字显示屏15；开关按键11与电源电路7连接；校准按键12、测量按键13和数字显示屏15分别与电信号处理电路6连接；样品区14即为黑色卡片16放置位置。

操作面板设置校准按键功能，利用不含糖的纯净水可以方便实现定标及校准，保证测量准确性。

实施例4

唾液是一种常见的含糖液体。介绍一种唾液含糖量测量的具体实施方案及过程：使用实施例3提供的系统检测唾液含糖量，其含有实施例1提供的装置和如图3所示的操作面板。测量过程如图4所示：调整准单色光源1及透镜18，使其输出会聚或发散的准平行光光束，从棱镜20的侧面入射，轻微旋转棱镜20的方位，初步使棱镜底面反射光进入光探测器5；把水或唾液涂于黑色卡片16上，待试纸表面的液体显色后，贴于棱镜20的底面。使待测液体与棱镜紧密接触。仔细调整棱镜20，让进入棱镜内部的光线以近似水的全反射角θ入射到棱镜底面，θ由下式确定：

式(1)中n₁为棱镜的折射率，n₂为显色后唾液或水等液体的折射率。如棱镜的折射率取1.51，则θ约为62°。棱镜底面的反射光通过棱镜20的另一侧面出射，再经过透镜4进入光探测器5。调节光阑19，使进入光探测器5的光强大小位于探测器的线性范围。光探测器5把光信号转化为电信号，并与从准单色光源1出来的光强补偿电信号一起输入电信号处理电路6，由放大电路、比较电路、模数转换电路及单片机进行处理，再输出到数字显示屏15进行显示。

当含有葡萄糖的待测液体与黑色卡片16上的显色剂发生反应，显色后的混合液体一般为红色，其吸收峰在505纳米附近；用蓝绿光入射混合显色液体，其折射率及吸收系数会增大，且与葡萄糖含量成正比。据此，棱镜的全反射光强会随而显色液体的折射率发生变化，通过测量全反射光强，由全反射光强与待测液体含糖量的关系进而求出待测液体的含糖量。这样可以降低含糖量的最低检出限，大大提高含糖量的测量精度，减少检测误差。

为了准确测量人体唾液含糖量，须对测量装置进行标定。选择一系列已知含糖量的唾液或葡萄糖溶液及纯净水，用本装置对已知液体样品进行测量，得到全反射光强与相应的液体含糖量的实验数据。调整光路、电信号处理电路6里面放大器的放大倍率及单片机中的软件设置等，使数字显示器15的读数与样品相应含糖量相一致。

本发明装置的使用过程为：先用酒精清洁棱镜20的底面，待酒精挥发后，把唾液涂于黑色卡片16上，显色后盖于棱镜20的底面，使唾液与底面紧密接触，不留气泡及杂质，按测量按键13，便可显示被测样品的含糖量，单位为mmol/L。如果使用柱面透镜21时，操作同棱镜20。

总之，本发明的具体结构多种多样，只要是采用准单色准平行光光束照射棱镜，经检测棱镜底面与显色后液体或唾液样品耦合的全反射光强，来测量待测液体或唾液含糖量或折射率的装置，都属于本申请的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过光强检测液体含糖量的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将一束准单色准平行光从棱镜的一侧进入棱镜内部，使其以近似水全反射角的方向入射到棱镜的底面与液体的交界面，其全反射光从棱镜的另一侧出射，最后由光探测器检测；

(2)通过步骤(1)对待测液体样品和标准液体样品分别进行检测；制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量。

2.根据权利要求1所述的通过光强检测液体含糖量的方法，其特征在于：步骤(2)为：用显色剂分别对待测液体样品和和标准液体样品进行显示，得到显色的待测液体样品和显色的标准液体样品；通过步骤(1)分别对显色的待测液体样品和显色的标准液体样品进行检测；通过标准液体样品的测量值，制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量。

3.根据权利要求2所述的通过光强检测液体含糖量的方法，其特征在于：步骤(2)为：用显色剂分别对待测液体样品和标准液体样品进行显色，得到显色的待测液体样品和显色的标准液体样品；通过步骤(1)对待显色的测液体样品和和显色的标准液体样品进行检测，在检测前用纯水进行校准；通过标准液体样品的测量值，制备标准曲线，通过标准曲线，确定待测液体样品中的含糖量。

4.根据权利要求1～3任一项所述的通过光强检测液体含糖量的方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的准单色准平行光是波长为480～535nm的准单色准平行光；

步骤(1)中所述的棱镜为折射率为1.51～1.76的棱镜；

步骤(2)中所述的标准样品为已知浓度的葡萄糖溶液样品。

5.根据权利要求2或3所述的通过光强检测液体含糖量的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的显色剂为葡萄糖氧化酶、3-羟基-2,4,6-三溴苯甲酸或苯酚。

6.一种通过光强检测液体含糖量的装置，其特征在于：是通过权利要求1～5任一项所述的方法设计得到的，包含黑色卡片和光路系统；光路系统包含准单色光源、样品台、第一透镜、光探测器、电信号处理电路、电源电路、温度传感器探头、第二透镜、光阑和光反射元件；沿着光束前进的方向，准单色光源、第一透镜、光阑、光反射元件、第二透镜、光探测器依次排布；电源电路分别与准单色光源和电信号处理电路连接，光探测器与电信号处理电路连接；黑色卡片与光反射元件连接，形成样品耦合棱镜，设置在样品台上；温度传感器探头设置在样品台的附近，其与电信号处理电路连接；

所述的第一透镜的设置位置以能使得准单色光源出射的光以近似于水全反射角入射棱镜底面的液体样品为准。

7.根据权利要求6所述的通过光强检测液体含糖量的装置，其特征在于：所述的光路系统还包含分光镜和补偿光探测器；分光镜设置在光阑和光反射元件之间；补偿光探测器设置在分光镜反射光出射位置，与电信号处理电路连接。

8.根据权利要求6所述的通过光强检测液体含糖量的装置，其特征在于：

所述的黑色卡片的结构为包含黑色基底层以及设置在黑色基底层上的显色剂层；

所述的准单色光源为发射波长接近显色液体的吸收波长505nm的准单色光源；

所述的光反射元件为棱镜或柱面透镜；

所述的电信号处理电路包括放大电路、比较电路及模数转换电路，温度检测电路、单片机；放大电路、比较电路、模数转换电路和单片机依次连接；温度检测电路、放大电路和单片机依次连接。

9.根据权利要求6～8任一项所述的通过光强检测液体含糖量的装置，其特征在于：还包括密封外套和操作面板；光路系统设置在密封外套内；操作面板包含开关按键、校准按键、测量按键、样品区和数字显示屏，开关按键与电源电路连接，校准按键、测量按键和数字显示屏分别与电信号处理电路连接，样品区处为黑色卡片放置位置。

10.权利要求6～9任一项所述的通过光强检测液体含糖量的装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

1)清洁棱镜的底面，把待测液体涂于黑色卡片上，显色后将黑色卡片盖于棱镜的底面，使显色的待测液体与棱镜底面紧密接触，不留气泡及杂质，进行测量，得到待测液体的含糖量；

2)在用纯水进行校准时，是将纯水涂于黑色卡片上，盖于棱镜的底面，使纯水与棱镜底面紧密接触，不留气泡及杂质，进行校准；

3)在用标准液体样品进行定标时，操作同步骤1)。