一种分光光度多波长检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种分光光度多波长检测装置及其检测方法。

背景技术：

分光光度法用于溶液中目标物定量分析时，为保证结果不受吸收池的影响，使用同一吸收池分别盛放试样与参比溶液或使用经过配对空白透过率相同的两个吸收池盛放试样与参比溶液。

对于某些阵列式多通道微型吸收池，例如离心式多通道微流控芯片，吸收池只能一次进样，试样与参比溶液只能分别盛放在两个不同的吸收池中。同时，此类阵列式芯片多个吸收池集成在芯片上，吸收池无法配对。这导致结构复杂的系统，特别是结构复杂的系统，制造难度与成本极高，且通道数越多，难度与成本越高。这严重制约了此类阵列式系统的应用与推广。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种分光光度多波长检测装置。所述分光光度多波长检测装置包括：

多波长校正模型构建模块，所述多波长校正模型构建模块将吸收池的表面粗糙度的影响表示为吸光度形式，根据吸光度的加和性，与多种组分的吸收相结合，构建包含表面散射影响的多波长校正模型；

波长选择模块，所述波长选择模块在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长；

吸收光谱测量模块，所述吸收光谱测量模块分别通过测量空吸收池，充满参比溶液的参比溶液吸收池，充满标准溶液的标准溶液吸收池，充满试样的吸收池获得在所述选定波长相对空气的吸收光谱；

计算模块，所述计算模块根据所述多波长校正模型，通过多元校正方法，计算获取待测目标物质的浓度测量结果。

在一些实施例中，所述波长选择模块根据选择待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围，以固定间隔取波长点，计算选定波长点选择性，大于预定值，则选用这些波长点；小于预定值，则扩大波长范围，或减小波长间隔，重新选择波长点，直至获得满足要求的波长点以获得所述选定波长。

在一些实施例中，所述多波长校正模型的表达式为：

其中，1、1/λ²、ae、ar、at、as分别为常数向量、波长平方倒数向量、空吸收池吸收光谱、参比溶液吸收池吸收光谱、目标物质标准溶液吸收池吸收光谱、待测试样吸收池吸收光谱。

在一些实施例中，所述计算模块具体根据多波长校正模型，通过最小二乘回归计算模型中各向量系数，根据已知参数，计算获取试样中目标物质浓度。

在一些实施例中，所述吸光度表示为：

a＝a0*1+a1*1/λ²,

其中，a0、a1为系数、1为常数向量、1/λ²为波长平方倒数向量。

另一方面，本发明实施例还提供了一种分光光度多波长检测方法，所述分光光度多波长检测方法包括步骤：

s1,将吸收池的表面粗糙度的影响表示为吸光度形式,根据吸光度的加和性，与多种组分的吸收相结合，构建包含表面散射影响的多波长校正模型；

s2,在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长；

s3,分别通过测量空吸收池，充满参比溶液的参比溶液吸收池，充满标准溶液的标准溶液吸收池，充满试样的试样吸收池获得在所述选定波长范围内相对空气的吸收光谱；

s4,根据所述多波长校正模型，通过多元校正模型，计算获取待测目标物质的浓度测量结果。

在一些实施例中，所述步骤s2：在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长，具体为：

根据选择待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围，以固定间隔取波长点，计算选定波长点选择性，大于预定值，则选用这些波长点；小于预定值，则扩大波长范围，或减小波长间隔，重新选择波长点，直至获得满足要求的波长点以获得所述选定波长。

在一些实施例中，所述多波长校正模型的表达式为：

其中，1、1/λ²、ae、ar、at、as分别为常数向量、波长平方倒数向量、空吸收池吸收光谱、参比溶液吸收池吸收光谱、目标物质标准溶液吸收池吸收光谱、待测试样吸收池吸收光谱。

在一些实施例中，所述步骤s4：根据所述多波长校正模型，通过多元校正方法计算获取待测目标物质的浓度测量结果，具体为：根据多波长校正模型，通过最小二乘回归计算模型中各向量系数，根据已知参数，计算获取试样中目标物质浓度。

在一些实施例中，所述吸光度表示为：

a＝a0*1+a1*1/λ²,

其中，a0、a1为系数、1为常数向量、1/λ²为波长平方倒数向量。

本发明的技术效果：本发明公开的分光光度多波长检测装置及检测方法考虑吸收池非理想粗糙表面散射影响，将表面当成多组分中一种成分，结合多物质吸收得到多组分多波长校正模型，选择满足可靠性定量要求的波长、测量空吸收池吸收光谱、参考溶液池吸收光谱、目标物质标准溶液池吸收光谱、试样池吸收光谱，以进行目标物质浓度预测。本发明将吸收池表面的透过损失表示为与常量以及波长相关的吸光度，结合物质吸收得到多波长校正模型，通过多元校正方法对目标物质浓度进行计算。该方法可有效消除大小未知的吸收池表面粗糙度差异对分光光度分析的影响，可以大幅降低吸收池的表面粗糙度要求，从而降低多通道阵列吸收池的制作难度与成本，无需检验吸收池表面粗糙度的同时保证了测量可靠性。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的实例用比色皿图；

图2是根据本发明一个实施例使用的比色皿的粗糙度不同的表面的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的测量结果与真值的关系图；

图4是根据本发明一个实施例的分光光度多波长检测装置的原理框图；

图5是根据本发明一个实施例的分光光度多波长检测方法的流程图。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

分光光度法用于溶液中目标物定量分析时，为保证结果不受吸收池的影响，使用同一吸收池分别盛放试样与参比溶液或使用经过配对空白透过率相同的两个吸收池盛放试样与参比溶液。对于某些阵列式多通道微型吸收池，例如离心式多通道微流控芯片，吸收池只能一次进样，试样与参比溶液只能分别盛放在两个不同的吸收池中。同时，此类阵列式芯片多个吸收池集成在芯片上，吸收池无法配对。根据分析，吸收池的空白透过率主要受吸收池通光表面粗糙度和材料吸收的影响。因此，为保证此类吸收池中对应的试样池与参比池空白透过率一致，必须保证其多个表面精度良好且一致。芯片的批量生产一般通过注塑方式进行，保证多组吸收池的多个表面粗糙度良好且一致是极其困难的，并且成本极高。特别是结构复杂的系统，且通道数越多，难度与成本越高。这严重制约了此类阵列式系统的应用与推广。本发明的发明人发现：可以通过消除吸收池表面粗糙度差异对分光光度分析影响的方法，且无需预先测量对应吸收池空白透过率，来大幅降低阵列式吸收池的制造难度与成本。

一方面，如图4所示，本发明实施例提供了一种分光光度多波长检测装置100。所述分光光度多波长检测装置100包括：

多波长校正模型构建模块110，所述多波长校正模型构建模块110将吸收池的表面粗糙度的影响表示为吸光度形式,根据吸光度的加和性，与多种组分的吸收相结合，构建包含表面散射影响的多波长校正模型；

波长选择模块120，在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长；

吸收光谱测量模块130，所述吸收光谱测量模块130分别通过测量空吸收池，充满参比溶液的参比溶液吸收池，充满标准溶液的标准溶液吸收池，充满试样的试样吸收池获得在所述选定波长相对空气的吸收光谱；

计算模块140，所述计算模块140根据所述多波长校正模型，通过多元校正方法计算获取待测目标物质的浓度测量结果。

在一些实施例中，所述波长选择模块120根据选择待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围，以一定规则(如固定间隔)取波长点，计算选定波长点选择性，大于预定值，则选用这些波长点；小于预定值，则扩大波长范围，或改变选择规则(如减小波长间隔)，重新选择波长点，直至获得满足要求的波长点以获得所述选定波长。

在一些实施例中，所述多波长校正模型的表达式为：

其中，1、1/λ²、ae、ar、at、as分别为常数向量、波长平方倒数向量、空吸收池吸收光谱、参比溶液吸收池吸收光谱、目标物质标准溶液吸收池吸收光谱、待测试样吸收池吸收光谱。

在一些实施例中，所述计算模块140具体根据多波长校正模型，通过多元校正方法(如最小二乘回归)计算模型中各向量系数，系数c4为试样中目标物质浓度与光程乘积，与标准溶液中目标物质浓度与光程乘积的比值。代入相应具体数值，计算试样中目标物质浓度，即测量结果。在标准溶液吸收池与试样吸收池光程相同时，系数c4与标准溶液目标物质浓度相乘即为试样中目标物质浓度。

在一些实施例中，所述吸光度表示为：

a＝a0*1+a1*1/λ²,

其中，a0、a1为系数、1为常数向量、1/λ²为波长平方倒数向量，所述吸光度具体为界面散射影响的吸光度。

另一方面，如图5所示，本发明实施例还提供了一种分光光度多波长检测方法，所述分光光度多波长检测方包括步骤：

s1,将吸收池的表面粗糙度的影响表示为吸光度形式,根据吸光度的加和性，与多种组分的吸收相结合，构建包含表面散射影响的多波长校正模型；

s2,在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长；

s3,分别通过测量空吸收池，充满参比溶液的参比溶液吸收池，充满标准溶液的标准溶液吸收池，充满试样的试样吸收池获得在所述选定波长范围内相对空气的吸收光谱；

s4,根据所述多波长校正模型，通过多元校正方法计算获取待测目标物质的浓度测量结果。

在一些实施例中，所述步骤s2：在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长，具体为：

根据选择待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围，以一定规则(如固定间隔)取波长点，计算选定波长点选择性，大于预定值，则选用这些波长点；小于预定值，则扩大波长范围，或改变选择规则(如减小波长间隔)，重新选择波长点，直至获得满足要求的波长点以获得所述选定波长。

在一些实施例中，所述多波长校正模型的表达式为：

其中，1、1/λ²、ae、ar、at、as分别为常数向量、波长平方倒数向量、空吸收池吸收光谱、参比溶液吸收池吸收光谱、目标物质标准溶液吸收池吸收光谱、待测试样吸收池吸收光谱。

在一些实施例中，所述步骤s4：根据所述多波长校正模型，通过多元校正方法计算获取待测目标物质的浓度测量结果，具体为：根据多波长校正模型，通过多元校正方法(如最小二乘回归)计算模型中各向量系数，系数c4为试样中目标物质浓度与光程乘积，与标准溶液中目标物质浓度与光程乘积的比值。代入相应具体数值，计算试样中目标物质浓度，即测量结果。在标准溶液吸收池与试样吸收池光程相同时，系数c4与标准溶液目标物质浓度相乘即为试样中目标物质浓度。

在一些实施例中，所述吸光度表示为：

a＝a0*1+a1*1/λ²,

其中，a0、a1为系数、1为常数向量、1/λ²为波长平方倒数向量。所述吸光度具体为界面散射影响的吸光度。

本发明的技术效果：本发明公开的分光光度多波长检测装置及检测方法考虑吸收池非理想粗糙表面散射影响，将表面当成多组分中一种成分，结合多物质吸收得到多组分多波长校正模型，选择满足可靠性定量要求的波长、测量空吸收池吸收光谱、参考溶液池吸收光谱、目标物质标准溶液池吸收光谱、试样池吸收光谱，以进行目标物质浓度预测。本发明将吸收池表面的透过损失表示为吸光度，结合物质吸收得到多波长校正模型，通过多元校正方法对目标物质浓度进行计算。该方法可有效消除大小未知的吸收池表面粗糙度差异对分光光度分析的影响，可以大幅降低吸收池的表面粗糙度要求，从而降低多通道阵列吸收池的制作难度与成本，无需检验吸收池表面粗糙度的同时保证了测量可靠性。

下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。

实施例1：

参考图4至图5所示，本发明实施例提供了一种分光光度多波长检测装置100和检测方法。

本实施例提供的分光光度多波长检测方法，包括以下步骤：

s1,将吸收池的表面粗糙度的影响表示为吸光度形式,根据吸光度的加和性，与多种组分的吸收相结合，构建包含表面散射影响的多波长校正模型；具体可为：

考虑吸收池非理想粗糙表面散射影响，将表面当成多组分中一种成分，结合多物质吸收得到多组分多波长校正模型：

将矩阵中不同列用向量表示，上述矩阵可以表示为：

其中，1、1/λ²、ae、ar、at、as分别为常数向量、波长平方倒数向量、空吸收池吸收光谱、参比溶液吸收池吸收光谱、目标物质标准溶液吸收池吸收光谱、待测试样吸收池吸收光谱。

s2,在待测目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围内选择波长；具体可为:

选择目标物质的一个或多个吸收峰所在的波长范围，等间距取点，计算目标物质在整个体系中的选择性，选择性大于10，所选波长点满足要求；小于10，扩大波长范围或缩小波长点间隔，增加波长点数，重新验证，直到所选波长点选择性大于10。选择性可以通过下面公式进行计算：

sel＝||(inxn-u×u⁺)atarget||/||atarget||/r(3)

其中u+是u的广义逆，atarget为目标物质吸收光谱，r为仪器的相对误差，对于紫外可见光谱，标准谱的测量相对误差一般可以设定为2％。

s3,分别通过测量空吸收池，充满参比溶液的参比溶液吸收池，充满标准溶液的标准溶液吸收池，充满试样的试样吸收池获得在所述选定波长相对空气的吸收光谱；具体可为：

取一吸收池，测量空吸收池相对空气在选定波长相对空气的吸收光谱；

将参考溶液置于吸收池中，测量该吸收池在选定波长相对空气的吸收光谱；

将目标物质标准溶液置于吸收池中，测量该吸收池在选定波长相对空气的吸收光谱；

将待测试样置于吸收池中，测量该吸收池在选定波长相对空气的吸收光谱；

s4,根据所述多波长校正模型，在所述标准溶液吸收池与所述试样吸收池光程相同时，通过计算获取待测目标物质的浓度测量结果；具体可为：

根据公式(2)所示的模型，通过最小二乘回归，对系数向量c进行回归预测：

c＝(v^tv)^-1v^tas(4)

其中

系数ctarget,btarget,c^ttarget,b^ttarget分别为试样中和标准溶液中目标物质浓度与光程。一般情况下，光程相同，此时c4为试样中目标物质浓度与标准溶液中目标物质浓度的比值，与标准溶液中目标物质浓度相乘，即可得到试样中目标物质浓度预测值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是可以消除大小未知的吸收池表面粗糙度差异引起的未知大小吸收池空白透过率差异对检测结果的影响。将吸收池的表面粗糙度的影响当成一种吸收组分来处理，其大小在回归预测时通过系数(c0、c1)来表征，对目标物质浓度预测的影响得以消除。检测过程无需知道吸收池空白透过率差值具体大小，因此无需对吸收池的进行空白校验。该方法容许对应的试样池与参比池的表面粗糙度不同，且只要求经过抛光即可，无具体粗糙度要求，相比玻璃比色皿国家标准(gtb26791-2011)中对表面粗糙度ra不大于25nm，透过率差值不大于0.5％的要求，表面粗糙度要求得以大幅降低，可以有效降低多通道整列吸收池的制造难度与成本。这将有利于此类阵列式多通道芯片系统的推广应用。

实施例2：

为具体说明本发明的检测过程和效果，以不同浓度橘红g溶液在11个表面粗糙度不同的pmma比色皿中的浓度检测为例进行说明，整个实例中光谱以及单点吸光度的测量在lambda850(perkinelmer)上进行。

实例中用到的13个比色皿如图1所示，如图2中所示的比色皿具有粗糙度不同表面1和表面2，入射光通过表面1以及试样(不同浓度橘红g溶液)从表面2中射出，形成透射光。1-10号比色皿的这两个表面经过不同程度的抛光处理，具有较大的表面粗糙度差异，用于说明本发明方法对不同表面粗糙度差异影响的消除效果。表1给出了比色皿盛放去离子水在440nm处的透过率以及表面1和2的均方根粗糙度(rq)，比色皿规格型号一致，透过率差由粗糙度不同导致:

表1

橘红g溶于去离子水，配制0.05mmol/l、0.25mmol/l、0.5mmol/l、0.75mmol/l、1mmol/l溶液用于该检测实例样品。同时，0.5mmol/l溶液被用作标准溶液。实例中为准确衡量该方法性能，避免溶液配制误差对结果的影响，认为0.5mmol/l溶液浓度值为真，并对其他溶液浓度通过分光光度标准方法，测量其在479nm处吸光度，进进行校正。得到溶液的浓度真值为：0.0513、0.2491、0.5000、0.7499、1.0012mmol/l。

波长的选择：

根据橘红g的吸收光谱，选择一个完整吸收峰所在波长范围380-550nm，间隔选择1nm，一共171个波长点。经计算sel值为11.34，满足可靠定量检测要求。

空吸收池吸收光谱的测量：

取12号比色皿，测量空比色皿相对空气在选定波长相对空气的吸收光谱。

参比溶液吸收池吸收光谱测量：

橘红g溶液试剂空白为水，因此参比溶液为水。将水置于12号比色皿中，测量选定波长相对空气的吸收光谱。

目标物质标准溶液吸收池吸收光谱测量：

将0.5mmol/l橘红g溶液置于13号比色皿中，测量选定波长相对空气的吸收光谱。

待测试样吸收池吸收光谱测量：

分别将五个浓度的溶液依次置于1-11号比色皿中，挨个测量选定波长相对空气的吸收光谱。

试样中目标物质浓度的计算：

将波长数据、空白比色皿吸收光谱、参比溶液比色皿吸收光谱、标准溶液比色皿吸收光谱代入公式4，并分别将试样比色皿吸收光谱代入，分别计算不同试样光谱的系数。由于此例中光程均为10mm，系数为浓度比值，分别与标准溶液浓度0.5mmol/l相乘，得到测量浓度值，如下表所示：

表2

本实例中，从表1可知，用于盛放试样的比色皿(1-11号)两个通光表面均方根粗糙度从30-250nm，与参考溶液比色皿(12号)透过率差从1％-27％不等。从表2可知，同一浓度溶液在透过率不同的比色皿中，目标物质(橘红g)使用本方法浓度测量结果变异系数均小于1％；多浓度多样品测量结果偏差均小于1.5％。测量结果均值与真值的关系如图3所示，其中，横坐标表示真值，纵坐标为计算结果值，得到了线性回归斜率1.0049，截距-0.0011。测量结果的准确度和精密度均较高，测量结果未受由表面粗糙度引起的空白透过率差的影响。整个测定结果非常好。

因此，通过该实施例可知：本发明可以消除吸收池表面粗糙度差异引起的未知大小吸收池空白透过率差异对检测结果的影响。检测过程无需知道吸收池空白透过率差值具体大小，因此无需对吸收池的进行空白校验。该方法容许对应的试样池与参比池的表面粗糙度不同，且只要求经过抛光即可，无具体粗糙度要求，表面粗糙度要求得以大幅降低，可以有效降低多通道整列吸收池的制造难度与成本，有利于此类阵列式多通道芯片系统的推广应用。

本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。