一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，它包括光學(xué)平臺(tái)、血液揮發(fā)氣體收集裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；其中光學(xué)平臺(tái)包括激光光源模塊、光學(xué)振蕩腔、薄膜壓力傳感器和光電倍增管；本發(fā)明利用具有低成本，超敏感和高準(zhǔn)確性的光腔衰蕩光譜（CRDS）技術(shù)和背景扣除法檢測(cè)血液揮發(fā)氣體中的易揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）濃度，從而檢測(cè)不同的血液成分。
【專利說明】一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及血液成分檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]血液成分檢測(cè)技術(shù)一直是近年來生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。血液成分反應(yīng)了機(jī)體生理的各項(xiàng)指標(biāo)，包括血糖、血脂、膽固醇水平以及各種酶和蛋白質(zhì)的含量，除此類生物大分子之外，在血漿中含有非常復(fù)雜的小分子成分，包含單糖、脂肪酸、酮體以及各類易揮發(fā)性的有機(jī)物(volatile organic compounds, VOCs),例如氨氣(NH3)、乙醇(CH3CH20H)、丙酮【(CH3)2CO]等。這些小分子有機(jī)物與機(jī)體的生理狀態(tài)息息相關(guān)，其成分的異常往往與某些病理狀態(tài)或代謝紊亂緊密聯(lián)系。識(shí)別與分析這些血液成分，對(duì)機(jī)體代謝狀態(tài)與獲取生理病理信息具有重要意義。除此之外，對(duì)血液成分的快速檢測(cè)與識(shí)別，在生物學(xué)上也可以對(duì)不同種屬的動(dòng)物進(jìn)行分類與區(qū)分。
[0003]由于血液成分分析具有廣泛的社會(huì)意義及潛在的經(jīng)濟(jì)效益，近幾十年來一直是世界各國(guó)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前常用的血液成分分析方法及不足之處在于:
[0004]1、血液成分分析法，采用血液生化分析儀，耗時(shí)長(zhǎng)，檢測(cè)復(fù)雜，需對(duì)血液樣品進(jìn)行各種生化處理，容易產(chǎn)生結(jié)果偏差。檢測(cè)指標(biāo)僅限于有限的幾種重要的酶類和一些脂蛋白等大分子；而且不能檢測(cè)機(jī)體代謝重要的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物等小分子物質(zhì)。因此在代謝監(jiān)測(cè)和血液成分識(shí)別方面，傳統(tǒng)的血液生化分析會(huì)遺失一大部分有關(guān)于代謝小分子的血液成分信息。
[0005]2、化學(xué)反應(yīng)試紙檢測(cè)法，其檢測(cè)速度快，但往往只能對(duì)單一成分進(jìn)行檢測(cè)，而且試紙法測(cè)試對(duì)一次性試紙的消耗也非常大，因而成本非常高。
[0006]3、電化學(xué)傳感器測(cè)試法，其體積小，檢測(cè)速度快，適于應(yīng)用于便攜式儀器。但這種方法的特異性不強(qiáng)，而且需要經(jīng)常性的校準(zhǔn)，測(cè)量誤差較大。此外樣品殘留也會(huì)影響傳感器使用壽命。
[0007]4、透射或者散射光譜法，其可以獲得血液各成分豐富的光學(xué)信息，但其檢測(cè)精度不高，對(duì)各種小分子的血液成分定位不準(zhǔn)。因而目前沒有實(shí)際能夠用于臨床測(cè)試的產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器。
[0009]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 的目的所采用的技術(shù)方案是:一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于:包括光學(xué)平臺(tái)、氣體收集裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；所述光學(xué)平臺(tái)包括激光光源模塊、光學(xué)振蕩腔、薄膜壓力傳感器和光電倍增管；所述光學(xué)諧振腔具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，所述氣體收集裝置的輸出端和所述激光光源模塊的輸出端分別與所述光學(xué)諧振腔的兩個(gè)輸入端相連；所述光學(xué)諧振腔的兩個(gè)輸出端分別與所述薄膜壓力傳感器的輸入端和所述光電倍增管的輸入端相連；所述光電倍增管的輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連。
[0010]其中，所述激光光源模塊為Photonic Solutions的可調(diào)脈沖染料激光器，工作波長(zhǎng)為225-950nm，脈沖重復(fù)頻率為50Hz，單脈沖能量為4.8μ J。該激光器發(fā)出的光束，通過準(zhǔn)直透鏡(北京卓立漢光)，入射到光學(xué)諧振腔內(nèi)。
[0011]其中，所述光學(xué)諧振腔的兩端各安裝有一個(gè)光學(xué)支架，光學(xué)支架通過密封O圈固定有反射鏡，兩個(gè)反射鏡之間的距離為10-60厘米。所述的光學(xué)諧振腔為美國(guó)LGR的50cm長(zhǎng)，內(nèi)部直徑為2cm的不銹鋼材質(zhì)的光學(xué)腔。用于收集被檢測(cè)氣體。光學(xué)諧振腔上配有三個(gè)口，中間的為進(jìn)氣口，兩側(cè)的為二個(gè)出氣口。所述反射鏡為一對(duì)高反射率的反射鏡(一般大于99.9%)，能夠?qū)崿F(xiàn)多維可調(diào)，入射到光學(xué)諧振腔內(nèi)的光，通過高反射率的反射鏡之間的來回衰蕩，從而大大增加了光學(xué)程長(zhǎng)，提高了檢測(cè)靈敏度。
[0012]其中，所述的薄膜壓力傳感器為型號(hào)為MKS870B的微型壓力傳感器。壓力傳感器安裝在光學(xué)諧振腔上兩個(gè)出氣口中的一個(gè)上，測(cè)量范圍為0.5-lOOOTorr，用于測(cè)量光學(xué)諧振腔內(nèi)的壓力。
[0013]其中，所述的光電倍增管為日本濱松的R7400-U紫外波段光電倍增管，用來收集光學(xué)諧振腔出射的光進(jìn)行信號(hào)放大及轉(zhuǎn)換，并將光耦合至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0014]其中，所述的氣體收集裝置用于收集血液揮發(fā)氣體，并將氣體導(dǎo)入到光學(xué)諧振腔中。其收集方法為將血液樣本進(jìn)行抗凝處理后，注入樣本皿中，然后置于氣體收集裝置的底部，密封氣體收集裝置，維持氣體收集裝置的溫度為40攝氏度，保持2min后將氣體收集裝置的輸出口閥門打開，將含有血液揮發(fā)氣體的上層氣體引入光學(xué)諧振腔中進(jìn)行CRDS光譜測(cè)量。
[0015]其中，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將光電倍增管產(chǎn)生的模擬電信號(hào)采樣量化為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
[0016]其中，所述的計(jì)算機(jī)為目前通用的微型計(jì)算機(jī)或視頻工作站，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光電倍增管探測(cè)到每一個(gè)衰蕩波形送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字化為1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并輸入到計(jì)算機(jī)。然后用一個(gè)簡(jiǎn)單的指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到信號(hào)衰減時(shí)間。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)原理為:血液揮發(fā)氣體中的VOCs成分的測(cè)量主要是基于光的吸收原理。根據(jù)Lambert-Beer的吸收法則，入射光的強(qiáng)度Itl，光在被測(cè)物中的傳播光程1，出射光的強(qiáng)度I之間有如下關(guān)系:
[0018]I=10exp (_ ε cl) (I)
[0019]其中，c為吸收物質(zhì)的濃度，ε為其摩爾吸光系數(shù)。如已知物質(zhì)的摩爾吸光系數(shù)、傳播光程，并經(jīng)測(cè)量得到光的入射和出射強(qiáng)度，根據(jù)公式(I)可反算出被測(cè)物質(zhì)的濃度。這就是用光譜方法測(cè)量物質(zhì)濃度的基本原理。
[0020]然而血液樣本揮發(fā)氣體中的VOCs含量較低，為了準(zhǔn)確測(cè)量痕量物質(zhì)的含量，本發(fā)明提出了基于超靈敏的光腔衰蕩光譜(CRDS)技術(shù)的血液揮發(fā)氣體與血液成分分析的技術(shù)方案。
[0021 ] 超靈敏的光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量方法，不僅可以在不同波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)量從而獲取豐富的血液成分的光學(xué)信息，而且具有超靈敏的檢測(cè)精度，其檢測(cè)極限可低至PPm甚至PPb0由于直接分析血液成分具有一定的技術(shù)難度，因而本發(fā)明采用一種間接分析血液成分的方法，即測(cè)量血液揮發(fā)氣體中的VOCs含量，從而推算出血液中各成分的含量，再通過多維度的參數(shù)對(duì)比，可以對(duì)不同血液樣本進(jìn)行識(shí)別。
[0022]由于血液中VOCs的飽和蒸氣壓較高，從而可以在常溫下從血液中揮發(fā)出來。在一個(gè)密閉的空間內(nèi)，血液樣本表面上方被稱為上層空間(Headspace)。飽和蒸氣壓指在一個(gè)密閉空間內(nèi)，某種物質(zhì)在給定的溫度下，該物質(zhì)的液相、氣相共存時(shí)的氣體壓強(qiáng)(分壓)。如果物質(zhì)飽和蒸氣壓已知，則可以通過測(cè)量上層空間的VOCs含量即可推斷出血液中此物質(zhì)的
實(shí)際含量。
[0023]不同物質(zhì)的飽和蒸氣壓根據(jù)物質(zhì)特性與環(huán)境溫度有關(guān)。遵循Clausius-Claperon方程:
【權(quán)利要求】
1.一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于:包括光學(xué)平臺(tái)、氣體收集裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；所述光學(xué)平臺(tái)包括激光光源模塊、光學(xué)振蕩腔、薄膜壓力傳感器和光電倍增管；所述光學(xué)諧振腔具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，所述氣體收集裝置的輸出端和所述激光光源模塊的輸出端分別與所述光學(xué)諧振腔的兩個(gè)輸入端相連；所述光學(xué)諧振腔的兩個(gè)輸出端分別與所述薄膜壓力傳感器的輸入端和所述光電倍增管的輸入端相連；所述光電倍增管的輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于所述激光光源模塊為Photonic Solutions的可調(diào)諧脈沖染料激光，波長(zhǎng)范圍為225 - 950nm，脈沖重復(fù)頻率為50Hz，單脈沖能量為4.8μ J。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于所述光學(xué)諧振腔的兩端各安裝有一個(gè)光學(xué)支架，光學(xué)支架通過密封O圈固定有反射鏡，兩個(gè)反射鏡之間的距離為10-60厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于所述光學(xué)諧振腔上配有三個(gè)口，中間的為進(jìn)氣口，兩側(cè)的為二個(gè)出氣口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于所述的薄膜壓力傳感器安裝在光學(xué)諧振腔的其中一個(gè)出氣口處，其測(cè)量范圍為0.5-1000Torr。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的血液成分識(shí)別與分析儀器，其特征在于所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將光電倍增管產(chǎn)生的模擬電信號(hào)采樣量化為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103852446SQ201410129565
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】李迎新, 王儲(chǔ)記, 孫美秀, 吳金鵬, 楊基春, 陰慧娟 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所