一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置及检测方法

本发明属于光电探测，特别涉及一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置和检测方法。

背景技术：

1、糖尿病被世界卫生组织定义为全球性的流行病，国际糖尿病组织2021年的报告显示，全球有5.37亿成年糖尿病人，其中，中国有1.4亿。然而，目前世界上还没有彻底治愈糖尿病的方法，治疗和控制糖尿病的最佳方法是定期测量血糖水平，通过注射或口服药物，控制病情，从而延长糖尿病人的寿命。

2、传统的采血式血糖检测方法，不仅会给患者带来生理和心理压力，还可能造成血液的交叉感染，同时传统采血存在无法连续性监测的问题，家庭常用的血糖仪每次检测血糖时都需要更换试纸，增加了家庭的医疗支出。相比于有创的血糖检测方法，便捷、微创/无创的血糖检测装置就显得非常必要，微创/无创且连续监测的检测装置是关乎国民健康和糖尿病人迫切需要的关键技术。在众多光学检测方法中，光声光谱血糖检测方法结合了光波的高特异性和声波的低散射特性，成为微创/无创血糖测量中最具吸引力的传感技术之一。

3、但是，目前的光声光谱血糖仪的准确度仍不能达到国家食品药品监督管理局的要求，现有技术中最核心的技术瓶颈是复杂因子干扰下系统信噪比较低，从而对人体的血糖检测的吸收信号较弱，极大地影响了血糖检测精确度。

技术实现思路

1、针对上述存在的复杂因子干扰下系统信噪比较低的缺陷，本发明提出了一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置和检测方法，从而解决上述背景技术中存在的问题。

2、本发明结合表面增强红外吸收(seira)技术，通过在硒化锌(znse)等边三角棱镜上制备纳米金岛膜，进而形成znse棱镜表面的金纳米增强基底，纳米金岛膜可以在特定波段产生表面等离子体共振，极大地提高金属天线附近的电场，增强对葡萄糖的吸收作用，从而提高血糖检测的灵敏性，同时，本发明结合声波换能器探测光声信号，采用时间分辨光声技术结合锁相放大技术，从时域和频域角度提取信号，提高系统信噪比。

3、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

4、本发明公开的第一方面为：一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，包括依次连接形成回路的主控制单元、激光器驱动器、脉冲激光器、反射镜、表面增强红外的硒化锌样品池、声波换能器、信号处理单元，且激光器驱动器、信号处理单元均与主控制单元连接，

5、为了实现上述目的，进一步地，表面增强红外的硒化锌样品池包括znse棱镜、金纳米增强基底、聚四氟乙烯样品池和不锈钢支架，金纳米增强基底位于znse棱镜的表面，znse棱镜通过不锈钢支架固定，不锈钢支架与聚四氟乙烯样品池通过螺栓固定连接。

6、基于上述方案，进一步地，znse棱镜为60°等边三角色散棱镜，且其红外透过范围为0.5-15μm。

7、上述方案进一步地优选方案为：脉冲激光器通过反射镜以45°入射到znse棱镜的侧面，其光斑聚焦至金纳米增强基底上。

8、基于上述方案，进一步地，脉冲激光器的中心波长为1064nm，峰值功率为12kw，单脉冲能量为65μj。

9、上述方案进一步地优选方案为：声波换能器固定在znse棱镜的侧面，其中心频率为2.5mhz。

10、本发明公开的第二方面为：一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测方法，包括以下步骤：

11、s1：主控制单元向激光器驱动器输出数字信号，通过激光器驱动器控制脉冲激光器的激光输出信号；

12、s2：激光输出信号通过反射镜传输至znse棱镜的侧面，经过表面增强红外的硒化锌样品池吸收红外光，产生声波信号；

13、s3：通过声波换能器在znse棱镜的另一侧探测上述步骤s2中产生的声波信号；

14、s4：将探测的声波信号经声压转换为电信号，利用信号处理单元进行数据处理并反馈至主控制单元，进行血糖浓度的检测。

15、上述方案的进一步地优选方案为：在上述步骤s2中，经过表面增强红外的硒化锌样品池吸收红外光是通过金纳米增强基底来实现的，金纳米增强基底的形成过程为：采用湿化学合成法在znse棱镜的表面直接制备纳米金岛膜材料，形成金纳米增强基底。

16、进一步地，纳米金岛膜的制备步骤为：

17、s21：用抛光粉对znse棱镜的表面进行抛光预处理；

18、s22：对抛光过的znse棱镜进行清洗并超声处理；

19、s23：将上述步骤s22处理后的znse棱镜置于30℃的水浴中20分钟；

20、s24：向znse棱镜的表面加入氯金酸水溶液，在设定的反应温度和反应时间下，形成纳米金岛膜的形貌和厚度，加入超纯水终止反应；

21、s25：将上述步骤s24获得的znse棱镜放入超纯水中超声处理5min，去除杂质并吹干后待用。

22、上述方案的进一步地优选方案为：上述步骤s24中，氯金酸水溶液的加入量为600μl，浓度为10mm，反应温度为30℃，反应时间为10s。

23、本发明采用的上述技术方案，与现有技术相比，有益效果为：

24、1、本发明基于表面增强红外技术，采用湿化学合成法在znse棱镜的表面直接制备金岛膜材料，并形成在葡萄糖的特征吸收峰处增强效果最大的金岛膜形貌和厚度，由于表面增强红外的金纳米增强基底能够把红外光限制在金岛膜表面，在特定波段产生表面等离子体共振，以此提高电场增强效果进而增大对葡萄糖的吸收信号，并结合时间分辨信号处理程序和锁相放大信号处理程序，从时域和频域两个角度提取信号，提高了系统的信噪比，从而显著提高传感的灵敏性和精度。

25、2、本发明采用的近红外脉冲激光器、基于表面增强红外的硒化锌棱镜样品池和声波换能器，利用声波换能器探测经样品池吸收红外光后产生的声波信号，经声压转换后变为电信号，再通过信号处理单元进行数据处理并反馈给主控制单元，从而实现血糖浓度的检测，同时，近红外脉冲激光器、声波换能器的造价低廉，大大降低了无创血糖检测仪的成本。

26、本发明提出的基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，通过将自制的不同浓度的葡萄糖溶液倒入样品池进行多次检测和调试，使检测装置内部参数训练至最优，并同步验证了seira纳米金岛膜具有很好的电场增强效果，为后续针对人体血糖的直接检测奠定了理论基础，且提供了能够提高检测精度和灵敏度的新思路。

技术特征：

1.一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，包括依次连接形成回路的主控制单元、激光器驱动器、脉冲激光器、反射镜、表面增强红外的硒化锌样品池、声波换能器、信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，表面增强红外的硒化锌样品池包括znse棱镜、金纳米增强基底、聚四氟乙烯样品池和不锈钢支架，金纳米增强基底位于znse棱镜的表面，znse棱镜通过不锈钢支架固定，不锈钢支架与聚四氟乙烯样品池通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，znse棱镜为60°等边三角色散棱镜，且其红外透过范围为0.5-15μm。

4.根据权利要求2所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，脉冲激光器通过反射镜以45°入射到znse棱镜的侧面，其光斑聚焦至金纳米增强基底上。

5.根据权利要求4所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，脉冲激光器的中心波长为1064nm，峰值功率为12kw，单脉冲能量为65μj。

6.根据权利要求5所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置，其特征在于，声波换能器固定在znse棱镜的侧面，其中心频率为2.5mhz。

7.一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测方法，其特征在于，在上述步骤s2中，经过表面增强红外的硒化锌样品池吸收红外光是通过金纳米增强基底来完成，金纳米增强基底的形成过程为：采用湿化学合成法在znse棱镜的表面直接制备纳米金岛膜材料，形成金纳米增强基底。

9.根据权利要求8所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测方法，其特征在于，纳米金岛膜的制备步骤为：

10.根据权利要求9所述的一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测方法，其特征在于，上述步骤s24中，氯金酸水溶液的加入量为600μl，浓度为10mm，反应温度为30℃，反应时间为10s。

技术总结
本发明提供一种基于表面增强红外的光声光谱血糖检测装置及检测方法，属于光电探测技术领域。针对目前检测血糖浓度因系统信噪比低引起的检测精度低的问题，本发明结合SEIRA技术，采用湿化学合成法在硒化锌棱镜表面制备纳米金岛膜，形成在葡萄糖的特征吸收峰处增强效果最大的形貌和厚度；结合金纳米增强基底，提出本发明的血糖检测装置，包括依次连接的主控制单元、激光器驱动器、脉冲激光器、反射镜、表面增强红外的硒化锌样品池、声波换能器、信号处理单元，激光器驱动器、信号处理单元与主控制单元连接，利用增强红外基底将红外光限制在金岛膜表面，增强金岛膜缝隙附近电场，使葡萄糖溶液利用增强区域的电场对红外光吸收，提高传感性能。

技术研发人员：宋芳,张馨予,朱恒亮,郑传涛,皮明权,王一丁
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21