CN112525865B - 溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法，其克服了现有技术中存在的血样量大，耗时长，血液检测不及时容易在检测过程中导致血液标本发生溶血现象造成误诊的问题。本发明包括溶血检测光纤微流控传感器，半导体激光器与溶血检测光纤微流控传感器相连，溶血检测光纤微流控传感器的输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器与信号处理电路相连，溶血检测光纤微流控传感器包括D型光纤，D型光纤的侧壁平整面上设置有红细胞精细滤除结构。溶血检测光纤微流控传感器包括壳体，D型光纤纵向贯穿壳体，两根单模光纤从侧面穿入壳体并与D型光纤相连，壳体上设置有与红细胞精细滤除结构连通的血液样本进入通道和血液样本分离后通道。

Description

溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法

技术领域：

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法。

背景技术：

标准溶血指数(Normalized Index of Hemolysis，NIH)是定量衡量溶血的特征指标。通过NIH测量可以定量了解溶血的程度。一般认为NIH值大于＞0.1g/100L，则认为出现溶血。溶血检测有两个目的，一是疾病筛查和诊断，临床诊断中新生儿溶血病、溶血性贫血、患者手术中输血前交叉配血等各类溶血性疾病的诊断均需溶血检测；二是判别血液检测样本是否发生溶血现象，避免样本检测结果受到溶血的错误干扰。国内，医疗机构每年要做数亿次的血液检测，结果出现偏差的有60％是由于标本溶血；根据美国2017年统计，在所有医院的血液检测中，大约31％的检测结果受到样本溶血的干扰。

传统溶血检测需要的血液样本量大(mL量级)，需要离心机分离红细胞和含有血红蛋白的血浆，并使用大型仪器分析溶血指数，无法做到患者抽完血即在患者旁边做即刻检测(point-of-care，PoC)或床边检测(Bedside Testing)。目前的溶血检验，血液标本需经过采集、转运、实验室离心处理等过程，这些过程也易于导致标本溶血。在血液检验中，因标本溶血导致标本拒收、或发出错误结果报告均可能造成误诊误治，重新抽血给患者增加痛苦、报告周期延长，复测造成人力、物力、经济损失。

凝聚胺试管法(Polybrene Tube Method,PTM)是当前检测溶血现象的主要手段。该方法需将被测红细胞悬液滴入血清当中，并在室温下静置一段时间后进行离心处理，然后吸取上清液移入酶标仪内，按照分光光度法(中国药典四部通则0401)，于545nm波长处测定吸光度，进而检测血红蛋白浓度，结果以溶血指数表示；或者吸取上清液移入比色皿，利用标本溶血比色卡目测溶血程度。凝聚胺试管法存在过程复杂、耗时长、所需血样剂量大、测试过程本身可能引起溶血现象等问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法，其克服了现有技术中存在的血样量大，耗时长，血液检测不及时容易在检测过程中导致血液标本发生溶血现象造成误诊的问题，实现微量、快速的溶血检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：包括溶血检测光纤微流控传感器，半导体激光器与溶血检测光纤微流控传感器的输入端相连，溶血检测光纤微流控传感器的输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端与信号处理电路相连，溶血检测光纤微流控传感器包括D型光纤，D型光纤的侧壁平整面上设置有红细胞精细滤除结构。

溶血检测光纤微流控传感器包括壳体，D型光纤纵向贯穿壳体，两根单模光纤从侧面穿入壳体并与D型光纤相连，壳体上设置有与红细胞精细滤除结构连通的血液样本进入通道和血液样本分离后通道。

红细胞精细滤除结构为周期性栅格结构，栅格高度为数微米，间距为小于红细胞尺寸的亚微米量级。

红细胞精细滤除结构采用光刻胶，通过双光子聚合工艺直接制作于D型光纤侧壁平整面上。

壳体上端设置有与壳体密封的盖板，盖板上设置有用于血液样本血浆的导入与导出两个通孔，两个通孔分别与血液样本进入通道和血液样本分离后通道相对应。

一种基于溶血检测光纤微流控传感系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：半导体激光器发射连续输出的激光通过单模光纤耦合进入D型光纤，在D型光纤中传输的光的部分倏逝波场与物理隔离了红细胞的红细胞精细滤除结构间隙中的血红蛋白相互作用，并引起光纤中传输光的衰减，通过对透射光衰减量的测定，实现溶血指数测量，光的衰减系数表示为

其中σ(λ)为衰减横截面面积，N_A为阿伏伽德罗常数；光的衰减信息由D型光纤从过滤器耦合进传感系统，利用光电探测器将传感信号的光信号转换为电流信号，再进入信号处理电路进行处理。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明将光纤微流控技术和光学检测技术引入溶血检测，结合微流控技术与光纤技术，只需要微量的血液样本，即可实现对溶血指数的快速检测，无需低离子介质液和离心机的繁琐低效。突破了传统溶血检测方法血液量大，耗时长，血液检测不及时容易在检测过程中导致血液标本发生溶血造成误诊的现象。

2、本发明在D型光纤上采用双光子聚合工艺制作红细胞精细滤除结构，通过物理的方式直接阻挡红细胞而允许溶血现象产生的血红蛋白进入红细胞精细滤除结构的间隙，与D型光纤侧壁平整面上的倏逝波场直接作用，引起光纤中传输光消光系数的改变，实现溶血指数的高灵敏度测量。

附图说明：

图1为溶血检测光纤微流控传感器的结构示意图；

图2为溶血检测光纤微流控传感信号解调系统示意图；

图3为溶血检测光纤微流控传感器中D型光纤与红细胞精细滤除结构主视图；

图4为溶血检测光纤微流控传感器中D型光纤与红细胞精细滤除结构俯视图；

图5为溶血检测光纤微流控传感器中D型光纤与红细胞精细滤除结构剖视图；

图6为D型光纤传感器包层侧抛研磨装置图；

图7为双光子聚合加工工艺装置图；

图8为信号处理原理简图.

图中，1-D型光纤，2-血液样本进入通道，3-红细胞精细滤除结构，4-壳体，5-血液样本分离后通道，6-盖板，7-半导体激光器，8-溶血检测光纤微流控传感器，9-光电探测器，10-信号处理电路。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种溶血检测光纤微流控传感系统及检测方法，是通过物理过滤的方法来分离血红细胞和血红蛋白，利用血红蛋白对D型光纤平整面侧壁倏逝波场的衰减，通过测量光纤经过该传感器结构之后透射光的衰减量，达到检测血液中的血红蛋白浓度的目的。血液样本中的血红细胞以及血红蛋白在进入红细胞精细滤除结构栅格间隙，并与D型光纤侧壁平整面的部分倏逝波场相互作用，引起在其中传输的导行光的衰减，通过标定血红蛋白浓度与光纤中导行光的衰减量之间的关系，根据血细胞分析仪确定血液样本血红蛋白浓度，通过9％的氯化钠溶液进行不同浓度的稀释，来改变血液样本中血红蛋白的浓度，分别从0-150g/L浓度的稀释样品中每隔10g/L进行浓度梯度实验，通过建立不同的血红蛋白浓度以及不同浓度对应的光谱强度的关系来进行标定，利用对透射光衰减量的测定实现溶血指数测量。

参见图2，本发明传感系统包括溶血检测光纤微流控传感器8，半导体激光器7与溶血检测光纤微流控传感器8的输入端相连，溶血检测光纤微流控传感器8的输出端与光电探测器9的输入端相连，光电探测器9的输出端与信号处理电路10相连，溶血检测光纤微流控传感器8包括D型光纤1，D型光纤的侧壁平整面上设置有红细胞精细滤除结构3。

参见图1，溶血检测光纤微流控传感器8包括壳体4，D型光纤1纵向贯穿壳体4，两根单模光纤从侧面穿入壳体并与D型光纤1相连，壳体4上设置有与红细胞精细滤除结构3连通的血液样本进入通道2和血液样本分离后通道5。壳体4上端设置有与壳体4密封的盖板6，盖板上设置有用于血液样本血浆的导入与导出两个通孔，两个通孔分别与血液样本进入通道2和血液样本分离后通道5相对应。

参见图3、图4和图5，红细胞精细滤除结构3为周期性栅格结构，构筑在D型光纤上边，栅格高度为数微米，间距为小于红细胞尺寸的亚微米量级。红细胞精细滤除结构3采用光刻胶，通过双光子聚合工艺直接制作于D型光纤1侧壁平整面上。该结构可以通过物理方式隔离红细胞，只让血红蛋白与D型光纤侧壁的倏逝波场直接作用，从而通过对光纤中传输光波衰减指数测量实现溶血指数检测。

参见图6，其中D型光纤的制作步骤为：选取合适长度的单模光纤，去除光纤研磨部分的涂覆层，并将去除涂覆层的光纤表面清洁干净，以免残留的涂覆层占据基准光纤陶瓷微型槽内的空间，导致光纤研磨的精度降低。将清洁干净的光纤放置于直径为125um的固定槽内，并将光纤两端拉直，绷紧，然后用耐高温胶对胶粘槽进行填充来固定光纤，最后将固定好光纤的基准光纤陶瓷微型槽置于烤箱内，将耐高温胶胶烤干，固化光纤。将固定好光纤的基准光纤陶瓷微型槽置于微型槽固定器的凹槽内，并用微型槽固定旋钮将基准光纤陶瓷微型槽固定在凹槽内。将微型槽固定器置于光纤砂纸研磨带下方，需研磨的光纤部分正对光纤砂纸研磨带，且光纤轴向与光纤砂纸研磨带垂直。首先在竖直方向上调节研磨机粗调固定架，粗调光纤研磨砂纸带与光纤之间的距离，当光纤研磨砂纸带与光纤的距离约为1cm时，通过研磨机上下粗调旋钮固定研磨机粗调固定架。然后启动驱动电机，调节研磨电机细调节旋钮，绷紧光纤砂纸研磨带，使其不再上下摆动，待光纤砂纸研磨带转动稳定后通过研磨机细调旋钮调节研磨机细调固定架，使光纤研磨砂纸带和光纤接触，对光纤研磨。在进行不同颗粒度的光纤砂纸研磨带更换时，首先关闭驱动电机，然后通过研磨电机细调节旋钮调节电机固定架来更换光纤砂纸研磨带。为了增加研磨效率和光纤研磨面的质量，首先使用颗粒度较大的光纤砂纸研磨带对光纤进行研磨，然后使用颗粒度适中的光纤砂纸研磨带进行研磨，最后使用颗粒度较小的光纤砂纸研磨带进行最后的抛光工艺。

参加图7，其中红细胞精细滤除结构的制作步骤为：将配制好的光刻胶滴加到D型光纤上，使用膜片固定光刻胶液滴，将D型光纤固定在加工系统的载物台上。红细胞精细滤除结构的模型是由AutoCAD或是3ds Max软件设计完成后植入计算机的，由计算机程序控制的二维振镜和压电移动台(P-622.ZCL，Physik Instrumente)分别控制激光焦点在x-y平面的移动和样品台z方向上的移动。二维振镜和压电移动台的协同控制可以使得激光焦点在光刻胶中x，y，z三个方向精确扫描，通过层层加工得到结构精密、重复性好的复杂3D微结构，加工结束后，从样品台上取下样品，用去离子水轻轻冲洗掉D型光纤上未反应的光刻胶，最后需要的红细胞滤除结构就会保留下来。

参见图1、图2和图3，基于溶血检测光纤微流控传感系统的检测方法包括以下步骤：半导体激光器7发射连续输出的激光通过单模光纤耦合进入D型光纤1，在D型光纤1中传输的光的部分倏逝波场与物理隔离了红细胞的红细胞精细滤除结构3间隙中的血红蛋白相互作用，并引起光纤中传输光的衰减，通过对透射光衰减量的测定，实现溶血指数测量，光的衰减系数表示为

其中σ(λ)为衰减横截面面积，N_A为阿伏伽德罗常数；光的衰减信息由D型光纤1从过滤器耦合进传感系统，利用光电探测器9将传感信号的光信号转换为电流信号，再进入信号处理电路10进行处理。

实际检测过程为：血液样本中的血红细胞以及血红蛋白在经过红细胞精细滤除结构时，血红细胞被阻挡在外，血红蛋白进入D型光纤侧壁平整面上的栅格结构，并与D型光纤侧壁平整面的部分倏逝波场相互作用，引起其中导行光的衰减，衰减系数可以表示为

其中σ(λ)为衰减横截面面积，N_A为阿伏伽德罗常数。光的衰减信息由D型光纤从过滤器耦合进传感系统，利用光电探测器将传感信号的光信号转换为电流信号，再进入信号处理电路进行处理。该系统的灵敏度S＝η_mea(λ)ε_mea(λ)l，灵敏度S主要与液体与倏逝波相互作用部分的能量与总能量流的能量比η_mea(λ)、作用有效长度l及检测样本的消光系数ε_mea(λ)共同决定。

参见图8，在传感器中经过衰减的光信号进入到光电探测器中，经由光电探测器将光信号转换为模拟量的电信号，然后模拟量的电信号通过A/D转换模块将模拟量的电信号转换为数字信号，所得的数字信号由主控芯片进行处理。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：包括溶血检测光纤微流控传感器(8)，半导体激光器(7)与溶血检测光纤微流控传感器(8)的输入端相连，溶血检测光纤微流控传感器(8)的输出端与光电探测器(9)的输入端相连，光电探测器(9)的输出端与信号处理电路(10)相连，溶血检测光纤微流控传感器(8)包括D型光纤(1)，D型光纤的侧壁平整面上设置有红细胞精细滤除结构(3)。

2.根据权利要求1所述的溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：溶血检测光纤微流控传感器(8)包括壳体(4)，D型光纤(1)纵向贯穿壳体(4)，两根单模光纤从侧面穿入壳体并与D型光纤(1)相连，壳体(4)上设置有与红细胞精细滤除结构(3)连通的血液样本进入通道(2)和血液样本分离后通道(5)。

3.根据权利要求1或2所述的溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：红细胞精细滤除结构(3)为周期性栅格结构，栅格高度为数微米，间距为小于红细胞尺寸的亚微米量级。

4.根据权利要求3所述的溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：红细胞精细滤除结构(3)采用光刻胶，通过双光子聚合工艺直接制作于D型光纤(1)侧壁平整面上。

5.根据权利要求4所述的溶血检测光纤微流控传感系统，其特征在于：壳体(4)上端设置有与壳体(4)密封的盖板(6)，盖板上设置有用于血液样本血浆的导入与导出两个通孔，两个通孔分别与血液样本进入通道(2)和血液样本分离后通道(5)相对应。

6.一种基于权利要求1所述的溶血检测光纤微流控传感系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：半导体激光器(7)发射连续输出的激光通过单模光纤耦合进入D型光纤(1)，在D型光纤(1)中传输的光的部分倏逝波场与物理隔离了红细胞的红细胞精细滤除结构(3)间隙中的血红蛋白相互作用，并引起光纤中传输光的衰减，通过对透射光衰减量的测定，实现溶血指数测量，光的衰减系数表示为

其中σ(λ)为衰减横截面面积，N_A为阿伏伽德罗常数；光的衰减信息由D型光纤(1)从过滤器耦合进传感系统，利用光电探测器(9)将传感信号的光信号转换为电流信号，再进入信号处理电路(10)进行处理。

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