双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法与流程

文档序号：11249358阅读：412来源：国知局

本发明涉及光谱复杂溶液浓度分析化学计量领域，尤其涉及一种双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法。

背景技术：

现有技术中，较为成熟的技术是通过化学检验来检测血袋中游离血红蛋白的含量，具有准确性高的突出优点，但化学检验的方式无法满足快速、非接触、以及无污染的需求，光谱测量由于其非接触、无污染的特性也有可能实现血袋内游离血红蛋白的含量检测。

在光谱检测中，根据朗伯-比尔定律：分别测量各个波长的入射光强i0和出射光强i，通过公式(1)计算各个波长的吸光度a。∈为物质在某一波长下吸光系数，c为物质的浓度，b为光程长度。

实际上，由于种种原因未能测量入射光强i0，例如：入射光强i0太强而难以测量，但如果在入射光强i0基本稳定不变的情况下，只测量出射光强i也可以得到不错的结果。然而光谱检测受到光谱背景噪声的影响、光源变化的影响以及测量容器的影响难以达到测量需要的精度。

光源的影响主要表现为光谱分布和光强的变化。导致光源变化的原因有很多，如光源电压变化、灯丝老化、或环境温度变化等。在光谱分析中，鲜有文献介绍光源对测量精度的影响，以及减小光源强度变化对测量精度影响的方法。在早前的研究中，用定标的方式来消除一些干扰，如用水来定标，但是由于光强过强，实际中难以操作。也有很多学者利用中性衰减片或光纤分光方式测量入射光强i0。以中性衰减片为例(下文的讨论除非特别说明，均在某个波长上讨论)，测量通过中性衰减片的出射光强iⁿ，则光源的光强i0ⁿ可以用吸光度a和出射光强iⁿ来表示：

然后将被测样品替换中性衰减片，测出样品的出射光强i^s：

注意到所以

式(4)的最终结果中没有(也即)出现，说明光源的强度(及其光谱)不会影响对样品的测量，只要所有的测量都采用同一中性衰减片校准，即保持lgiⁿ+aⁿ为恒定常数。

采用上述方法存在如下的缺点：

不同场合很难找到完全一样的中性衰减片，且很难保证样品与中性衰减片的位置一致。

技术实现要素：

本发明提供了一种双光程透射光谱测量血袋内血液的游离血红蛋白含量的方法，可操作性强，消除了光谱背景噪声、光源变化和血袋带来的影响，提高了游离血红蛋白含量的分析精度，详见下文描述：

一种双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法，所述方法包括以下步骤：

光源出光光口与光谱接收装置入射狭缝紧贴血袋，调制装置调制光源使其发出方波光信号，光源对血液样品进行透射，光谱接收装置采集透射光谱；

位移平台在保证光源出光光口和光谱接收装置入射狭缝同轴前提下，控制光源移动，由光谱接收装置采集透射光谱；

将两个位置处透射光谱分别变换到频域构造频域内透射光谱，将两个频域内透射光谱的各个波长下光强比值求对数得到吸收光谱，将吸收光谱归一化处理后与已有化学分析的结果对比，建立数学模型；

采集未知血液两位置处的透射光谱，将两透射光谱分别变换到频域构造频域内透射光谱，将两个频域内透射光谱的各个波长下光强比值求对数得到吸收光谱，将吸收光谱进行归一化，并带入数学模型计算，得到游离血红蛋白的含量；

所述方法通过控制位移平台改变光程，在不同光程长处采集同一调制光源下的血袋内血液的透射光谱，消除光源变化和血袋带来的影响，消除光谱背景噪声的影响，提高游离血红蛋白含量的分析精度，解决血袋内游离血红蛋白含量的无损检测。

其中，所述构造频域内透射光谱的步骤具体为：

调制装置将光源调制成方波光信号，由光谱接收装置采集透射光谱，将透射光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱。

其中，控制光源移动，由光谱接收装置采集透射光谱的步骤具体为：

光源在位置a处对血液样品进行透射，由光谱接收装置采集透射光谱；

位移平台控制光源移动至位置b，由光谱接收装置采集透射光谱；

或，

光源对血袋内的血液样品进行透射，由光谱接收装置在位置a处采集透射光谱；

位移平台控制光谱接收装置移动至位置b，采集位置b处的透射光谱；

或，

在位置a处由光源对血袋内的血液样品进行透射，在位置a’处由光谱接收装置采集透射光谱；

位移平台控制光源和光谱接收装置分别移动至位置b、b’处，由光谱接收装置采集透射光谱。

其中，所述方法还包括：

在光源处设置一光纤，作为入射光纤，且保证入射光纤与光谱接收装置入射狭缝紧贴血袋且同轴；

或，

在光谱接收装置处设置一光纤，作为出射光纤，且保证出射光纤与光源出光光口紧贴血袋且同轴；

或，

在光源与光谱接收装置处分别设置入射光纤与出射光纤，且保证入射光纤与出射光纤紧贴血袋且同轴。

其中，所述a位置为入射光纤的第一位置，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对位置a下的透射光谱；在保证入射光纤与出射光纤同轴的前提下，控制入射光纤移动到位置b处，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对位置b下的透射光谱。

其中，所述a位置为出射光纤的第一位置，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对位置a下的透射光谱；在保证入射光纤与出射光纤同轴的前提下，控制出射光纤移动到位置b处，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对位置b下的透射光谱。

其中，a、a’分别为入射光纤和出射光纤的第一位置，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对该位置a、a’下的透射光谱；在保证入射光纤与出射光纤同轴的前提下，控制入射光纤和出射光纤移动到位置b、b’处，由光谱接收装置采集入射光纤与出射光纤相对位置b、b’下的透射光谱。

进一步地，所述光源为超连续宽谱激光、氙灯宽谱光源或溴钨灯宽带光源，该超连续宽谱激光、氙灯宽谱光源或溴钨灯宽带光源覆盖可见光波段、或近红外光波段、或两者的组合，可直接发光或经入射光纤传导。

进一步地，所述位移平台为步进电机或磁铁吸合装置；所述光谱接收装置为光谱仪；所述调制装置为斩波器。

上述所述数学模型利用主成分分析、人工神经网络、偏最小二乘回归、支持向量机、信号分析或统计方法建立。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过控制位移平台改变光程，在不同光程长处采集同一调制光源下的血袋内血液的透射光谱，不仅消除了光源变化和血袋带来的影响，而且消除了光谱背景噪声的影响，提高了游离血红蛋白含量的分析精度，解决了血袋内游离血红蛋白含量的无损检测问题，高效、简便、无污染，可操作性强。

附图说明

图1为双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法原理图；

图2为双光程透射光谱法原理示意图；

图3为实施例1中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法示意图；

图4为实施例2中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图5为实施例3中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图6为实施例4中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图7为实施例5中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图8为实施例6中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图9为实施例7中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图10为实施例8中双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一光程；2：第二光程；

3：光源；4：入射光纤；

5：血袋；6：位移平台；

7：光谱接收装置；8：出射光纤；

9：调制装置；a、a’：第一位置；

b、b’：第二位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

将调制装置放置于光源光路之中时，光会周期性的通过和遮挡。此时光源发出的光被调制成具有一定频率的方波光信号。透射血液得到的透射光谱中每个波长的频率与光源发出的方波光频率一致，以透射光谱某一波长λ为例，图1为λ波长的波形与光谱接收装置积分时间对应的积分值示意图，b为背景噪声，t为光谱接收装置的积分时间，且t1＝t2＝…＝ti＝t；t1区间内积分时间对应的是背景噪声，此时光谱接收装置接收到的光强幅值背景噪声的积分值，数值最小记为imin；ti区间内积分时间对应的是λ波长的光强和背景噪声，此时光谱接收装置接收到的光强幅值是λ波长的光强和背景噪声的积分值，数值最大记为imax，t1与ti之间其他的积分时间一部分对应背景噪声，另一部分对应λ波长的光强和背景噪声，因此所得到的积分值在(imin，imax)区间内变动。由此，在t1～ti内可以得到一组值域为(imin，imax)积分值序列，由此可见，该波长的积分值在(imin，imax)区间内变动而形成周期性信号，其他波长的积分值与此类似，且为严格同周期和同步的周期性信号。通过对各个波长的积分值的时间序列进行傅立叶变换，以所有波长积分值的频域基波分量构成的频域内透射光谱，可以消除光谱背景噪声，大幅度提高信噪比。

双光程法是根据朗伯-比尔定律，如图2所示，分别设定第一光程1和第二光程2。推导过程如下：

其中，a1是第一光程1的吸光度，a2是第二光程2的吸光度。io是第一光程1的入射光的光强，同时也是第二光程2的入射光的光强，i1是第一光程1的出射光强，i2是第二光程2的出射光强，b1是第一光程1的光程长，b2是第二光程2的光程长，△b为两光程长的差，∈吸光系数为，c所测物质浓度。

由式(7)可以看出，双光程光谱法的吸光度与光程差仍然成线性关系，符合朗伯-比尔定律，且与入射光光强io无关。因此，双光程法在理论上是不受光源影响的，同时扣除了血袋本身的影响。

实施例1

本发明实施例提供的双光程调制光源测量血袋内游离血红蛋白含量的方法，所使用到的器件如图3所示，包括：光源3、血袋5、位移平台6、光谱接收装置7以及调制装置9。

其中，保证光源3出光光口与光谱接收装置7入射狭缝紧贴血袋5且同轴，调制装置9调制光源3使其发出方波光信号，光源3在第一位置a(对应第一光程1)处对血袋5内的血液样品进行透射，由光谱接收装置7采集透射光谱。随后通过位移平台6在保证光源3出光光口和光谱接收装置7出射狭缝同轴的前提下控制光源移动至第二位置b(对应第二光程2)，由光谱接收装置7采集透射光谱。

将a、b两个位置处采集的透射光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱，由此消除光谱背景噪声的影响，将两个频域内透射光谱的各个波长下光强比值求对数得到吸收光谱，由此消除光源不稳定和血袋带来的测量误差，更客观反映个体之间血液成分的变化。将吸收光谱归一化处理，归一化方法为：

ag＝a/max(a)(8)

公式(8)中，ag为归一化吸光度，max(a)为不同波长上的吸光度最大值，a为吸光度。结合化学检验的数据，利用主成分分析(pca,principalcomponentanalysis)或人工神经网络(ann,artificialneuralnetwork)或偏最小二乘回归(plsr,particleleastsquarescalibrationanalysis)或支持向量机(svm,supportvectormachines)信号分析或统计等方法均可建立数学模型。

本发明实施例对具体建立数学模型的步骤不做赘述，为本领域技术人员所公知。

采集未知血液样品a、b两处位置的透射光谱，将透射光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱，将两个频域内透射光谱吸收光谱进行归一化带入上述建立好的数学模型进行计算，得到游离血红蛋白的含量。