基于红外拉曼紫外荧光超连续谱的血液鉴别方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于红外拉曼紫外荧光超连续谱的血液鉴别方法。该方法包括仪器启动及超连续谱测试进样；超连续谱激光漫综合光谱测试；拉曼荧光光谱测试进样；红外激光拉曼光谱及紫外激光荧光测试；数据分析及融合；血液鉴别与判定等六个步骤。本发明的有益效果是，硬件采用Y形光纤联接两进两出光纤复用光谱仪，软件上采用分段加权叠加，实现红外拉曼光谱、紫外荧光光谱及超连续漫综合光谱数据信息融合。本发明的血液鉴别仪可适用于全血、血浆及血清的自动识别。
【专利说明】
基于红外拉曼紫外荧光超连续谱的血液鉴别方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种人与动物血液分类仪器及方法，尤其涉及一种基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别方法。
【背景技术】
[0002]目前我国对于血液和其他各类生物材料的海关进出口均采取信用制度，而对各类生物材料的真实性却由于种种原因无法直接检测。特别是涉及血液样品这样的特殊材料，开放式的接触式采样很多时候条件是不被允许的。一方面血液样品可能被检测操作污染；另一方面血液样品自身可能携带的致病因子会对检测人员造成职业暴露。鉴于上述原因，开发血液样品非接触式快速检测技术方法十分急迫。
[0003]人类血液与动物全血主成分相似，主要由血细胞和血浆组成，都呈红色，肉眼难以区别，但人与动物血细胞和血浆的形貌和组成是有细微区别的，选用恰当的方法就可以区分人类血液与动物血液。经典的接触式的检测方法可以检测出部分血液参数，可以根据这些血液参数进行不同种属之间的血液鉴别。目前，商用使用较多的血液鉴别产品大都基于流式细胞术，需进行接触式微采样得到血液的代表种属特性的参数。非接触式密封血液鉴别是一个极富挑战的课题，因为大部分物种密封在透明试管中的无论是全血还是血清、血浆等样品，其在紫外、可见、红外谱段，对外所反映的光学特性极其相似，在非采样的检测中，依靠光学的手段分辨极其困难。
[0004]首先，试管内封装的血液制品可能含有不同成份的抗凝剂，包括肝素、乙二胺四乙酸盐(EDTA盐)、枸橼酸盐、草酸盐等，此外试管材料可能是石英玻璃或PET塑料等，大部分试管还都贴有标签。这些干扰因素，将严重影响血液的光学性质，使得常用光学及光谱方法在密封试管血液鉴别上无能为力。
[0005]鉴于以上原因，开发一种用于人与动物密封试管血液，包括全血、血清、血浆的非接触式分类鉴别仪器及相应方法是急需解决的难题。
[0006]针对该问题，本发明提出一种基于红外拉曼、紫外荧光结合可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的仪器及方法，在红外拉曼及紫外荧光光谱检测中采用窄线宽激光器，结合光纤准直及显微物镜聚焦至试管内血液样品，并采用发射接收同轴光纤端面设计采集血液样品后向拉曼及荧光散射信号;在超连续漫综合激光光谱检测中，采用宽光谱超连续谱激光源及特殊设计的积分球为核心仪器硬件结构，得到不同样品的漫综合激光光谱数据。本发明的方法结合以上三种激光光谱检测技术，并采用Y形光纤联接两进两出光纤复用光谱仪，实现光谱数据信息融合。建立不同物种、不同试管、不同血液的融合光谱数据库，并基于主成分分析法(pr inci pa I componentsanalysis，简称PCA)计算这些融合光谱数据得到主成分分析得分图，在得分图中得到人与动物全血、血浆、血清的聚类区域，将这些区域作为鉴别判断标准进行人与动物试管密封血样非接触鉴别。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种基于红外拉曼、紫外荧光结合可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的方法，可进行人与动物全血、血浆及血清的自动识别，满足检测检疫部门对血液制品粗检的需求。
[0008]本发明的技术方案是这样来实现的，基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的硬件系统主要由电源模组、可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、两进两出光纤、主控及数据分析系统、积分球、试管机械手、连接杆、导轨、机械手运动控制器、样品室外盖板、底板、支架、光源室外盖板、光纤准直接头、激光器尾纤、超连续谱激光器、物镜支架、显微物镜、物镜联接器、光纤准直镜、Y形同轴光纤、第一光纤联接器、第二光纤联接器、Y形光纤、红外窄线宽激光器及紫外窄线宽激光器组成。
[0009]其中，积分球由积分球右半部和积分球左半部两个半球组成，它们通过积分球接头进行联接，并安装固定在底板上。积分球内壁涂覆漫反射涂层，对照射到内壁的光线起漫反射勾光的作用。积分球右半部开有积分球样品孔，样品室外盖板安装在底板及积分球右半部上，形成封闭空间样品室，以消除杂散光的影响。样品室外盖板上方开有圆孔，装卸主轴穿过积分球样品孔及圆孔的中心，并与底板垂直。积分球左半部开有积分球光源孔及积分球光纤接口。
[0010]Y形同轴光纤由激光发射光纤与信号接收光纤组成，两者汇聚成一根光纤，其光纤端面为同轴分布，中心圆形区域为激光发射光纤排列，外圈同心圆环区域为信号接收光纤排列，该几何配置可高效接收红外激光激发的后向拉曼散射及紫外激光激发的后向荧光信号。Y形同轴光纤与光纤准直镜耦合可实现准直发射与接收，光纤准直镜通过物镜联接器与显微物镜相联接，可将红外及紫外激光束聚焦至光谱测试点并对光谱测试点的后向散射信号进行收集。物镜支架将显微物镜固定安装于底板上。
[0011 ] Y形光纤有两个输入端及一个输出端，两个输入端分别联接红外窄线宽激光器与紫外窄线宽激光器，输出端通过第二光纤联接器与Y形同轴光纤中的激光发射光纤相联接。Y形光纤可将红外窄线宽激光器发出的红外激光与紫外窄线宽激光器发出的紫外激光同时汇集到激光发射光纤中。
[0012]可见谱段光谱仪与红外谱段光谱仪均采用相同光谱仪光纤接口，两进两出光纤分为两个接收端(即两进)及两个输出端(即两出)。一个接收端与积分球光纤接口联接，可收集来自接收光轴的漫反射光线；另一个接收端与信号拉曼接收光纤通过第一光纤联接器联接，可收集来自信号接收光纤的拉曼及荧光信号;两个输出端分别与可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪联接。
[0013]超连续谱激光器发出的可见及红外谱段超连续谱脉冲激光经激光器尾纤传输，然后通过光纤准直接头进行光束准直后输出超连续谱脉冲准直激光束，并沿发射光轴穿过积分球光源孔进入积分球。
[0014]光纤准直接头由支架固定在底板上，并通过光源室外盖板与积分球左半部外壳联接，形成封闭空间光源室，以消除杂散光的影响。
[0015]红外窄线宽激光器发出的红外连续激光束经Y形光纤至Y形同轴光纤中的激光发射光纤传输、从激光发射光纤排列中发射后沿激光光轴传输、经光纤准直镜准直、显微物镜聚焦后可实现对光谱测试点的红外诱导拉曼激发(注:激光光轴与装卸主轴相交，其交点为光谱测试点)，光谱测试点的后向散射拉曼信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至红外谱段光谱仪进行接收和分析。
[0016]紫外窄线宽激光器发出的紫外连续激光束经Y形光纤至Y形同轴光纤中的激光发射光纤传输、从激光发射光纤排列中发射后沿激光光轴传输、经光纤准直镜准直、显微物镜聚焦后可实现对光谱测试点的紫外诱导荧光激发，光谱测试点的后向散射荧光信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至可见谱段光谱仪进行接收和分析。
[0017]导轨与底板垂直安装，试管机械手通过连接杆与导轨联接并可在机械手运动控制器控制下沿导轨滑动。待检血液由试管盖封装在试管中。试管机械手在机械手运动控制器控制下，可抓紧试管盖并带动试管沿装卸主轴方向上下运动。
[0018]电源模组用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电。主控及数据分析系统用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行控制，并通过USB接口接收可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的光谱数据进行处理和分析。主控及数据分析系统内含触摸屏人机交互界面，用于与用户的人机交互，接受用户的指令并输出结果给用户。
[0019]基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的血液分析方法其步骤为:
[0020](I)仪器启动及超连续谱测试进样
[0021]开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电。
[0022]用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序。此时，主控及数据分析系统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球。试管底部位置高于发射光轴且与接收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接沿发射光轴传输并被两进两出光纤收集。[0023 ] (2)超连续谱激光漫综合光谱测试
[0024]主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪。超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方向传输，变成了均匀光线。试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管(注:包括其材质与外贴标签)与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具有漫综合光谱影响。
[0025]沿发射光轴传输的漫反射光线被两进两出光纤收集后，分别送至可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据。可见谱段光谱仪的采样点为NI，采样点数取NI = 1300,红外谱段光谱仪的采样点为N2，采样点数取N2 = 512;可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共N=N1+N2个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储。
[0026](3)拉曼荧光光谱测试进样
[0027]主控及数据分析系统发送出样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手带动试管至其沿装卸主轴方向移出积分球及样品室，至光谱测试点位于试管内待检血液的中心位置，此时完成拉曼荧光光谱测试进样。
[0028](4)红外激光拉曼光谱及紫外激光荧光测试
[0029]主控及数据分析系统发出指令启动红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪。
[0030]紫外窄线宽激光器发出的紫外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点处的待检血液，紫外窄线宽连续激光所诱导的荧光光谱信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至可见谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，对荧光光谱采用与超连续谱测试可见谱段一样的采样位置与采样点数，即N3 = N1。可见谱段光谱仪输出的N3个光谱数据经USB接口 6送至主控及数据分析系统7进行存储。
[0031]同时，红外窄线宽激光器发出的红外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点处的待检血液，红外窄线宽连续激光所诱导的斯托克斯拉曼光谱信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，对拉曼光谱采用与超连续谱测试红外谱段一样的采样位置与采样点数，即N4 = N2。红外谱段光谱仪输出的N4个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储。
[0032](5)数据分析及融合
[0033]将可见谱段的超连续谱激光漫综合光谱的NI个光谱数据与荧光光谱的N3个光谱数据进行加权叠加，得到NI个可见谱段的融合光谱数据。其中荧光光谱的权重值为F，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-F。(注:本实施例中F = 0.7)
[0034]将红外谱段的超连续谱激光漫综合光谱的N2个光谱数据与拉曼光谱的N4个光谱数据进行加权叠加，得到N2个红外谱段的融合光谱数据。其中拉曼光谱的权重值为L，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-L。(注:本实施例中L = 0.4)
[0035]将NI个可见谱段的融合光谱数据与N2个红外谱段的融合光谱数据组成共N个光谱数据用于后续分析。基于主成分分析法(principal components analysis，简称PCA)计算这N个光谱数据的M个主成分数值，进行降维处理，主成分数M取为7。
[0036](6)血液鉴别与判定
[0037]将待检血液的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液的血液类型与种属的判定。
[0038]然后，主控及数据分析系统将待检血液的红外激光诱导拉曼光谱、紫外激光诱导荧光光谱及可见红外超连续漫综合激光光谱的光谱曲线以及判定结果显示在触摸屏人机交互界面上，以供用户参考。至此完成整个测试过程。
[0039]本发明的有益效果是，在红外拉曼光谱及紫外荧光光谱检测中采用窄线宽激光器，结合光纤准直及显微物镜聚焦至试管内血液样品，并采用发射接收同轴光纤端面设计采集血液样品后向拉曼及荧光散射信号，有效提高试管内血液激光红外拉曼及紫外荧光光谱信号的信噪比；采用特殊设计的积分球，无论是血浆、血清透明液体的漫透射，还是全血及试管标签的漫反射，以及整个测试样品的漫吸射及漫发射的宽谱段信号均可接收，即可适用于各类血液、各类材质试管、各类不同抗凝剂以及不同标签情况下的光谱数据均匀采集。采用了可见至中红外高功率超连续谱激光源及对应的双谱段光谱仪，得到宽谱段漫综合激光光谱数据，可对封装血液的细微光学差异进行捕捉，可提高鉴别准确性;硬件采用Y形光纤联接两进两出光纤复用光谱仪，软件上采用加权叠加，实现光谱数据信息融合。由于硬件结构和软件分析的鲁棒性，本发明的血液鉴别仪可适用于全血、血浆及血清的自动识别。
【附图说明】
[0040]图1为本发明的原理图，其中(a)超连续谱激光漫综合光谱测试；(b)红外激光拉曼及紫外激光荧光光谱测试；(C)光纤剖面I图；(d)光纤剖面2图；(e)光纤剖面3图。图中:I一一电源模组；2一一可见谱段光谱仪；3一一红外谱段光谱仪;4一一光谱仪光纤接口 ；5——两进两出光纤;6——USB接口； 7——主控及数据分析系统;8——积分球光纤接口 ；9一一积分球接头；10一一试管机械手；11一一连接杆；12一一导轨；13一一机械手运动控制器；14--试管盖；15--试管；16--圆孔；17--积分球样品孔；18--样品室外盖板；
19——待检血液；20——接收光轴；21——样品室；22——底板；23——积分球右半部；24——漫反射涂层;25一一发射光轴；26——积分球左半部；27——光源室；28——积分球光源孔；29 支架；30 光源室外盖板；31 光纤准直接头；32 激光器尾纤；33一一触摸屏人机交互界面；34一一超连续谱激光器；35一一积分球；36一一装卸主轴；37——激光光轴；38——光谱测试点；39——物镜支架;40——显微物镜;41——物镜联接器;42——光纤准直镜；43——Y形同轴光纤；44——第一光纤联接器;45——激光发射光纤;46一一信号接收光纤;47一一信号接收光纤排列；48一一激光发射光纤排列；49一一红外窄线宽激光器;50——第二光纤联接器;51——Y形光纤;52——紫外窄线宽激光器。
【具体实施方式】
[0041]基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的硬件系统结构如图1所示，硬件系统主要由电源模组1、可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、两进两出光纤5、主控及数据分析系统7、积分球35、试管机械手10、连接杆11、导轨12、机械手运动控制器13、样品室外盖板18、底板22、支架29、光源室外盖板30、光纤准直接头31、激光器尾纤32、超连续谱激光器34、物镜支架39、显微物镜40、物镜联接器41、光纤准直镜42、Y形同轴光纤43、第一光纤联接器44、第二光纤联接器50、Y形光纤51、红外窄线宽激光器49、紫外窄线宽激光器52组成。
[0042]其中，积分球35由积分球右半部23和积分球左半部26两个半球组成，它们通过积分球接头9进行联接，并安装固定在底板22上。积分球35内壁涂覆漫反射涂层24，对照射到内壁的光线起漫反射匀光的作用。积分球右半部23开有积分球样品孔17，样品室外盖板18安装在底板22及积分球右半部23上，形成封闭空间样品室21，以消除杂散光的影响。样品室外盖板18上方开有圆孔16，装卸主轴36穿过积分球样品孔17及圆孔16的中心，并与底板22垂直ο积分球左半部26开有积分球光源孔28及积分球光纤接口 8 (注:本实施例中为SMA905接口)。
[0043]Y形同轴光纤43由激光发射光纤45与信号接收光纤46组成，两者汇聚成一根光纤，其光纤端面为同轴分布，中心圆形区域为激光发射光纤排列48，外圈同心圆环区域为信号接收光纤排列47，该几何配置可高效接收红外激光激发的后向拉曼散射信号以及紫外激光激发的后向荧光信号。Y形同轴光纤43与光纤准直镜42耦合可实现准直发射与接收，光纤准直镜42通过物镜联接器41与显微物镜40相联接，可将红外及紫外激光束聚焦至光谱测试点38并对光谱测试点38的后向散射信号进行收集。物镜支架39将显微物镜40固定安装于底板22上。
[0044]Y形光纤51有两个输入端及一个输出端，两个输入端分别联接红外窄线宽激光器49与紫外窄线宽激光器52，输出端通过第二光纤联接器50与Y形同轴光纤43中的激光发射光纤45相联接。Y形光纤51可将红外窄线宽激光器49发出的红外激光与紫外窄线宽激光器52发出的紫外激光同时汇集到激光发射光纤45中。
[0045]可见谱段光谱仪2与红外谱段光谱仪3均采用相同光谱仪光纤接口4(注:本实施例中为SMA905接口)，两进两出光纤5分为两个接收端(即两进)及两个输出端(即两出)。一个接收端与积分球光纤接口 8联接，可收集来自接收光轴20的漫反射光线；另一个接收端与信号接收光纤46通过第一光纤联接器44联接(注:本实施例中为SMA905联接器)，可收集来自信号接收光纤46的拉曼及荧光信号;两个输出端分别与可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3联接。
[0046]超连续谱激光器34(注:本实施例中其光谱范围400nm-2400nm，功率1W，重频1MHz，脉宽150ps)发出的可见及红外谱段超连续谱脉冲激光经激光器尾纤32传输，然后通过光纤准直接头31进行光束准直后输出超连续谱脉冲准直激光束，并沿发射光轴25穿过积分球光源孔28进入积分球35。
[0047]光纤准直接头31由支架29固定在底板22上，并通过光源室外盖板30与积分球左半部26外壳联接，形成封闭空间光源室27，以消除杂散光的影响。
[0048]红外窄线宽激光器49发出的红外连续激光束经Y形光纤51至Y形同轴光纤43中的激光发射光纤45传输、从激光发射光纤排列48中发射后沿激光光轴37传输、经光纤准直镜42准直、显微物镜40聚焦后可实现对光谱测试点38的红外诱导拉曼激发(注:激光光轴37与装卸主轴36相交，其交点为光谱测试点38)，光谱测试点38的后向散射拉曼信号依次经显微物镜40及光纤准直镜42后由Y形同轴光纤43端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列47收集，再经信号接收光纤46、两进两出光纤5至红外谱段光谱仪3进行接收和分析。
[0049]紫外窄线宽激光器52发出的紫外连续激光束经Y形光纤51至Y形同轴光纤43中的激光发射光纤45传输、从激光发射光纤排列48中发射后沿激光光轴37传输、经光纤准直镜42准直、显微物镜40聚焦后可实现对光谱测试点38的紫外诱导荧光激发，光谱测试点38的后向散射焚光信号依次经显微物镜40及光纤准直镜42后由Y形同轴光纤43端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列47收集，再经信号接收光纤46、两进两出光纤5至可见谱段光谱仪2进行接收和分析。
[0050]导轨12与底板22垂直安装，试管机械手10通过连接杆11与导轨12联接并可在机械手运动控制器13控制下沿导轨12滑动。待检血液19由试管盖14封装在试管15中。试管机械手10在机械手运动控制器13控制下，可抓紧试管盖14并带动试管15沿装卸主轴36方向上下运动。
[0051]电源模组I用以对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、主控及数据分析系统7、超连续谱激光器34、红外窄线宽激光器49、紫外窄线宽激光器52及机械手运动控制器13进行供电。主控及数据分析系统7用以对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、超连续谱激光器34、红外窄线宽激光器49、紫外窄线宽激光器52及机械手运动控制器13进行控制，并通过USB接口 6接收可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3输出的光谱数据进行处理和分析。主控及数据分析系统7内含触摸屏人机交互界面33，用于与用户的人机交互，接受用户的指令并输出结果给用户。
[0052]基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的血液分析方法其步骤为:
[0053](I)仪器启动及超连续谱测试进样
[0054]开启电源模组I，对可见谱段光谱仪2、红外谱段光谱仪3、主控及数据分析系统7、超连续谱激光器34、红外窄线宽激光器49、紫外窄线宽激光器52及机械手运动控制器13进行供电。
[0055]用户通过触摸屏人机交互界面33启动测试主程序。此时，主控及数据分析系统7发出进样指令给机械手运动控制器13，机械手运动控制器13控制试管机械手10抓取试管15进样至其沿装卸主轴36方向进入积分球35。试管15底部位置高于发射光轴25且与接收光轴20不相交，避免激光束直接照射待检试管15，并避免试管15的透反射光线直接沿发射光轴25传输并被两进两出光纤5收集。
[0056](2)超连续谱激光漫综合光谱测试
[0057]如图1a所示，主控及数据分析系统7发出指令启动超连续谱激光器34、可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3。超连续谱激光器34输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴25进入积分球35，激光束照射到漫反射涂层24后，其反射光为漫反射，即在积分球35内沿各方向传输，变成了均匀光线。试管15受不同方向的超连续谱光线照射后，试管15(注:包括其材质与外贴标签)与待检血液19的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层24漫反射至任意方向，其对积分球35内的光线传输具有漫综合光谱影响。
[0058]沿发射光轴25传输的漫反射光线被两进两出光纤5收集后，分别送至可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3进行光电转换变成光谱数据。本具体实施例中可见谱段光谱仪2的光谱范围为370-750nm，采样点为附=1300。红外谱段光谱仪3的光谱范围为800-1750鹽，采样点为N2 = 512。可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3输出的共N=N1+N2个光谱数据经USB接口 6送至主控及数据分析系统7进行存储。
[0059](3)拉曼荧光光谱测试进样
[0060]主控及数据分析系统7发送出样指令给机械手运动控制器13，机械手运动控制器13控制试管机械手10带动试管15至其沿装卸主轴36方向移出积分球35及样品室21，至光谱测试点38位于试管15内待检血液19的中心位置，此时完成拉曼荧光光谱测试进样。
[0061 ] (4)红外激光拉曼及紫外激光荧光光谱测试
[0062]如图1b所示，主控及数据分析系统7发出指令启动红外窄线宽激光器49、紫外窄线宽激光器52、可见谱段光谱仪2及红外谱段光谱仪3。
[0063]紫外窄线宽激光器52(注:本实施例中采用波长为360nm±lnm，功率0.05W的半导体栗浦固体连续激光器)发出的紫外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点38处的待检血液19，紫外窄线宽连续激光所诱导的荧光光谱信号依次经显微物镜40及光纤准直镜42后由Y形同轴光纤43端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列47收集，再经信号接收光纤46、两进两出光纤5至可见谱段光谱仪2进行光电转换变成光谱数据，本具体实施例中可见谱段光谱仪2的光谱范围为370-750nm，对荧光光谱采用与超连续谱测试可见谱段一样的采样位置与采样点数，即N3 = N1 = 1300。由于紫外窄线宽激光器52的波长位于可见谱段光谱仪2的光谱范围之外，因此紫外激光回波不会影响对荧光光谱信号的采集，无需采用瑞利滤光片抑制回波干扰。可见谱段光谱仪2输出的N3个光谱数据经USB接口 6送至主控及数据分析系统7进行存储。
[0064]同时，红外窄线宽激光器49(注:本实施例中采用波长为785nm土 Inm，功率0.3W的半导体栗浦固体连续激光器)发出的红外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点38处的待检血液19，红外窄线宽连续激光所诱导的斯托克斯拉曼光谱信号依次经显微物镜40及光纤准直镜42后由Y形同轴光纤43端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列47收集，再经信号接收光纤46、两进两出光纤5至红外谱段光谱仪3进行光电转换变成光谱数据，本具体实施例中红外谱段光谱仪3的光谱范围为800-1750nm，对拉曼光谱采用与超连续谱测试红外谱段一样的采样位置与采样点数，即N4 = N2 = 512。由于红外窄线宽激光器49的波长位于红外谱段光谱仪3的光谱范围之外，因此红外激光回波不会影响对拉曼光谱信号的采集，无需采用瑞利滤光片抑制回波干扰。红外谱段光谱仪3输出的N4个光谱数据经USB接口 6送至主控及数据分析系统7进行存储。
[0065](5)数据分析及融合
[0066]将可见谱段的超连续谱激光漫综合光谱的NI个光谱数据与荧光光谱的N3个光谱数据进行加权叠加，得到NI个可见谱段的融合光谱数据。其中荧光光谱的权重值为F，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-F。(注:本实施例中F = 0.7)
[0067]将红外谱段的超连续谱激光漫综合光谱的N2个光谱数据与拉曼光谱的N4个光谱数据进行加权叠加，得到N2个红外谱段的融合光谱数据。其中拉曼光谱的权重值为L，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-L。(注:本实施例中L = 0.4)
[0068]将NI个可见谱段的融合光谱数据与N2个红外谱段的融合光谱数据组成共N个光谱数据用于后续分析。基于主成分分析法(principal components analysis，简称PCA)计算这N个光谱数据的M个主成分数值(注:在本实施例中M = 7，即计算7个主成分数值)，进行降维处理。
[0069](6)血液鉴别与判定
[0070]将待检血液19的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液19的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液19的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液19的血液类型与种属的判定。
[0071]然后，主控及数据分析系统7将待检血液19的红外激光诱导拉曼光谱、紫外激光诱导荧光光谱及可见红外超连续漫综合激光光谱的光谱曲线以及判定结果显示在触摸屏人机交互界面33上，以供用户参考。至此完成整个测试过程。
【主权项】
1.一种基于红外拉曼紫外荧光超连续谱的血液鉴别方法，该方法是在基于红外拉曼、紫外荧光结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪器上实现的，所述的密封血液鉴别仪器包括电源模组(1)、可见谱段光谱仪(2)、红外谱段光谱仪(3)、两进两出光纤(5)、主控及数据分析系统(7)、积分球(35)、试管机械手(10)、连接杆(11)、导轨(12)、机械手运动控制器(13)、样品室外盖板(18)、底板(22)、支架(29)、光源室外盖板(30)、光纤准直接头(31)、激光器尾纤(32)、超连续谱激光器(34)、物镜支架(39)、显微物镜(40)、物镜联接器(41)、光纤准直镜(42)、Y形同轴光纤(43)、第一光纤联接器(44)、第二光纤联接器(50)、Y形光纤(51)、红外窄线宽激光器(49)、紫外窄线宽激光器(52);其特征在于密封血液鉴别方法如下: 1)仪器启动及超连续谱测试进样 开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电； 用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序，此时，主控及数据分析系统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球，试管底部位置高于发射光轴且与接收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接沿发射光轴传输并被两进两出光纤收集； 2)超连续谱激光漫综合光谱测试 主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪，超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方向传输，变成了均匀光线;试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管、试管的外贴标签与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具有漫综合光谱影响； 沿发射光轴传输的漫反射光线被两进两出光纤收集后，分别送至可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据。可见谱段光谱仪的采样点为NI，采样点数取NI= 1300,红外谱段光谱仪的采样点为Ν2，采样点数取Ν2 = 512;可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共Ν=Ν1+Ν2个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储； 3)拉曼荧光光谱测试进样 主控及数据分析系统发送出样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手带动试管至其沿装卸主轴方向移出积分球及样品室，至光谱测试点位于试管内待检血液的中心位置，此时完成拉曼荧光光谱测试进样； 4)红外激光拉曼光谱及紫外激光荧光测试 主控及数据分析系统发出指令启动红外窄线宽激光器、紫外窄线宽激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪； 紫外窄线宽激光器发出的紫外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点处的待检血液，紫外窄线宽连续激光所诱导的荧光光谱信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至可见谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，对荧光光谱采用与超连续谱测试可见谱段一样的采样位置与采样点数，即Ν3 = Ν1;可见谱段光谱仪输出的Ν3个光谱数据经USB接口(6)送至主控及数据分析系统(7)进行存储； 同时，红外窄线宽激光器发出的红外连续激光束经准直聚焦后会聚到光谱测试点处的待检血液，红外窄线宽连续激光所诱导的斯托克斯拉曼光谱信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即信号接收光纤排列收集，再经信号接收光纤、两进两出光纤至红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，对拉曼光谱采用与超连续谱测试红外谱段一样的采样位置与采样点数，即N4 = N2。红外谱段光谱仪输出的N4个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储； 5)数据分析及融合 将可见谱段的超连续谱激光漫综合光谱的NI个光谱数据与荧光光谱的N3个光谱数据进行加权叠加，得到NI个可见谱段的融合光谱数据。其中荧光光谱的权重值为F，权重值取值F = 0.7，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-F; 将红外谱段的超连续谱激光漫综合光谱的N2个光谱数据与拉曼光谱的N4个光谱数据进行加权叠加，得到N2个红外谱段的融合光谱数据，其中拉曼光谱的权重值为L，权重值取值L = 0.4，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1-L; 将NI个可见谱段的融合光谱数据与N2个红外谱段的融合光谱数据组成共N个光谱数据用于后续分析。基于主成分分析法计算这N个光谱数据的M个主成分数值，进行降维处理，主成分数M取为7; 6)血液鉴别与判定 将待检血液的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，完成待检血液的血液类型与种属的判定； 然后，主控及数据分析系统将待检血液的红外激光诱导拉曼光谱、紫外激光诱导荧光光谱及可见红外超连续漫综合激光光谱的光谱曲线以及判定结果显示在触摸屏人机交互界面上，以供用户参考。至此完成整个测试过程。
【文档编号】G01N21/64GK105842224SQ201610167755
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】万雄, 刘鹏希, 章婷婷, 陈学岗, 张志敏, 张华明
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所