（机械电子工程专业论文）尿液成分的近红外光谱分析原理及实现研究.pdf

中文摘要 摘要 尿液检查是临床三大常规检查之一，其标本收集方便，尿液成分浓度的变化 是反映泌尿生殖系统等人体代谢、脏器状态、病理变化的客观资料。然而，现行 常用的借助生化化学方法的尿液分析，消耗大量试剂、费时费力、污染且价格昂 贵。本文的目的在于利用目前活跃于分析化学领域中的近红外分析技术，构建一 种快速、无试剂、无破坏的绿色尿液近红外检钡4 分析系统。 论文在简述现行几种尿液检查方法的原理与应用的基础上，阐述了近红外分 析技术的原理和物理化学基础等定量分析基本理论应用于尿液成分分析检测中的 可行性，采用近红外透射技术，进行尿液近红外检测分析仪的系统硬软件研制探 索。硬件系统的实现上详述了整个光学系统、电路系统和机械系统的总体结构设 计和各功能模块的实现过程。软件系统的实现基于s u a lc + + 6 o 开发平台，利用 软件技术和虚拟仪器技术构建尿液近红外检测分析仪的软件系统，实现对检测数 据的显示、分析、打印、存储等虚拟仪器各功能模块。 本研究用设计的系统样机进行了简单的测试实验，以验证系统的性能，为下 一步实现完善的快速定量分析模型的建立奠定基础。 近红外分析测试条件灵活，其检测结果包含的信息也十分丰富，本系统研究 要达到临床实用仪器精度仍需要进行大量试验来优化分析模型，论文结尾对研究 工作进行了总结和展望。 关键词：尿液，近红外，虚拟分析仪，无试剂 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h e 试n et e s ti so n eo f l ：eb i gc l i i l i c a lr o u t i n ei n s p e c t i o n s ，c o l l e c 血gs p e c i m e ni s c o n l i l i e n t ，也e 妇g eo fu r i n ec o m p o n 伽峪d q 胁r e n e c t s 廿1 eo b j e c t i v em a t e r i a ls u c h 嬲 也eu r o g e n i t a ls y s t e m 锄do 吐l e rb o d ym e t a ：b o l i s m ，l es t a t eo fo 玛a 璐a i l dp a d l o 西c a l c h 觚g e s h o w e v e r ，t l l ec o m m o l l l yu s e db i o c h e i m c a lm e m o d so f u r i r l e 锄i y s i s ，c o n s u m e l a r g e 锄0 吼t so fr e a g e n t s ，a i l dh a v eo t l l e rs h o r t c o m i n g sm a ta r et h l l e - c o n s 眦i l i n p o l l u t i n g ，d c 删v es a m p l e s 觚de x p e n s i v e t h ep u r p o s e0 ft l l i sp 印e ri sl l s i n gt 1 1 e n e 瓣d a n a l 舛c a lt e c l l i l i q sw h i c ha r ea i c t i v ei i l 也ef i e l do f 姐州c “c h e m i s 仃y c u 玎e n u yt 0c o n s t n j c tah n do fg r e e nl l r i n en e 扑i 曲狮dt e s ta i l a l y s i ss y s t c m 、州h c h 蝴s o f f 掇，n 0r e a g e n t s ，n 0d 锄a g e b 嬲e d0 np r e s e n t i n gp 咖c i p l e s 觚da p p l i c a t i o n so fs e v e r a l1 岫1 ee x a i i l i n a t i o n m e t l l o d sb r i e n y ，m ep a p e rd e s c r i b 懿m ef e a s i b i l i 够m a tq 删t a t i v ea n a l y s i sb 嬲i c m e o r i e ss u c h 嬲也en e 跚斑m 撇dt e c h o l o g yp 咖c i p l ea n dp h y s i c a l l c h c m i s 仃y f 0 啪d 撕0 na r ea p p l i e dt 0t l l eu r i i l e c 0 i n p o n c n ta n a l y s i s ，u s i n gm e 鹏小i 曲徽d 衄l s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，e x p l o r i n gt l l e d e v e l o po fm eu r m ea i l a j y s i si i l s 仃l 吼e n t s y s t e m sl l a r d w a r e 锄ds o f l 、) i ，a r e f o ft h eh a r d w a r es y s t e m ，i tr e a l i z e sn l eo v e r a l l l 蛐n j c t 町a ld e s i g no f 也ee n t i r eo p t i c a ls y s t e m ，e l e c 仃i c a ls y s t c m s 锄dm e c h l i c a ls y s t e m s a n d 也e 缸1 c t i o n a lm o 叫e s w 1 l i l eb 瑟e do nt l l ev i s u a lc + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a t f o 衄， t l l es o f h a r cs y 鼬锄m a l 【e su s eo ft l l es o f t 、柏r et e c l m o l o g ya i l dv i r t l j a ii i l s 仃l 瑚e n t t e c h o l o g ) rt 0b u i l dt l l es y s t 锄f o r 也el l r i n en e 瓣i l l 】胁r e dd e t e c t i o n 觚a l y z e r ，锄d a c m e v i n g 也et e s td a t ad i s p l a y ，a r 试y s i s ，p r i n t i n g ，g t o r a g ea n do 也e rv i r t i l a l li n s | c n h n e n t s e a c hm n c t i o nm o i l i i l e s h l 吐l i s 咖d y ，ad e s i 印e ds y s t c mp r 船帅ei st e 咖dt 0v e r i 母也ep 娟m a n c eo f 廿l e s y s t e m ，i i lp r 印a r a t i o nf o rr e a l i z i r 玛1 en e x tp e r f e c tf 瓠tq 啦m t i t a t i v e 明m y s i sm o d e l f o r 吐屺n e x i b i l i 锣o f 1 en e 小d 锄a l y s i st e s t sc o n d i t i o i l sa n dt 1 1 er i c h i l l f 0 吼a t i o nc o n t 斑埭di nt h er e s l l l to ft e s t ，m i ss y s t e mr c s e a r c hi ss t i un c e d e dt 0d oal o t t oo p t i m i z e 戗l ea 触l y s i sm o d e l ，t 0a c l l i e v ct l l ea c c u r a c yo fc l i n i c 2 l lp r t i c a l i l l s 讥l i n e n t s ， m i r c f 0 r ct h i sp a p e rs u l 】m a r i z c s 圯、v o r ka 1 1 dp r o s p e c t si nt l l ee n d k 对w o r d s ：u r m ，n e 孙i n 胁d ，v i 删h 】咖姗e n t ，n 0 n - r e 垮i n t s i i i 重庆大学硕士学位论文 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 尿液分析在l 临床检验中的作用 随着生活水平的提高，健康意识的逐步强化，体检已经成为人们日常生活、 工作中十分重要的一部分。区别于新技术下的高科技医疗检测设备，临床检验中 的血常规、尿常规、便常规，俗称“三大常规检查”，作为医生诊断的重要依据依 然发挥着不可或缺的作用。 1 1 1 尿液的形成 尿液n e ) 由人体肾组织生成，并经泌尿系统中的输尿管、膀胱和尿道排出。 尿在肾单位和集合管中生成时有以下三个过程：肾小球和肾小囊内壁将血液中的 尿酸、尿素、水、无机盐和葡萄糖等物质过滤到肾小囊，形成原尿；流经肾小管 时，肾小管与集合管把原尿中有用的全部葡萄糖、大部分水和部分无机盐选择性 的重新吸收；肾小管和集合管将原尿经重吸收后剩下的水和无机盐、尿素和尿酸 等分泌和排泄形成尿液。 1 1 2 尿液的特性与组成 尿液标本主要是用清洁容器采集清晨第一次的新鲜尿液，采集量一般为 1 0 0 2 0 0m l ，这样检测出的指标最为准确。尿量正常范围为【2 】：成人1 o 2 ol 2 4 h ， 7 一1 2 岁o 5 一1 5l 2 4h ，1 6 岁o 3 1 0l 2 4h 。 尿液标本的检测受多种因素的影响，新鲜的尿液一般是淡黄色，标本经放置 一段时间后p h 值变化、细菌生长、蛋白分解、尿液化学成分和有形成分遭到破坏， 此外，尿胆素原被氧化成尿胆素从而使颜色加深，而尿素被细菌作用生成氨故有 氨气味。尿液p h 值一般为5 0 7 。0 酸性，正常随机最大变动为4 0 8 0 。尿液变质 后，p h 8 相对密度降低，p h 3 相对密度增加，其成分检测分析呈假阴、假阳性【3 1 。 尿液中的水约有9 5 9 7 ，溶质3 5 ，正常尿溶质中以电解质和非蛋白 氮为主要物质，而其中非蛋白氮化合物绝大部分为尿素其余为肌酐、尿酸等等【l 】。 1 1 3 临床检验尿液成分的项目与作用 综上，作为临床医学检验中历史最为悠久的检验方法之一，尿液成分涵盖了 身体内各项指标的很多信息，可以借以获得病源、了解人体代谢过程是否正常， 为肾功能、泌尿系统、肝脏疾病、代谢性疾病( 如糖尿病) 等病理变化及脏器功能状 态的诊断和治疗监测提供客观资料，具有十分重要的参考价值和意义【4 】。 尿液成分分析检查一般包括尿一般性状、化学成分以及尿沉渣等。临床尿常 规分析检查主要项目大致可分为四大类【5 】：肾病类、糖尿病类、泌尿感染类以及其 他疾病类。表1 1 临床检验尿液成分项目指标及其疾病如下【2 5 】： 重鏖奎堂堡主堂垡鲨奎 一- - - - - - - _ _ - _ _ _ _ - - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ 一 表1 1 临床检验尿液成分项目指标及其疾病 一一 垡丛! 型丝垒避鲤坐堡监璺坐! 皇璺璺! 呈2 1 坐罂磐业! ! 兰 一一 - _ - - _ _ l l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ i _ _ _ _ _ - - - 。_ _ _ _ l - - - _ - - 。一 名称 。二垂堂 一一显壹 一 旦l 旦一 _ 二_ _ = _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - 。一。 酸碱度q ) h ) 4 6 8 0增高常见于频繁呕吐、呼吸性碱中毒等 ( 平均值6 0 ) 降低常见于酸中毒、慢性肾小球肾炎、糖 尿病等 尿比重( s g ) 1 0 1 5 。1 0 2 5增高多见于高热、心功能不全、糖尿病等 降低多为尿崩症、慢性肾小球肾炎和肾盂 肾炎等 尿胆原( 嗯o )1 6 超过此数值，说明有黄疸 隐潜血阴性( - ) 阳性如有蛋白，肾脏病和泌尿出血、结石、 l o ) 感染 白细胞阴性( ) 超过五个尿路感染，肾盂肾炎、膀胱炎、 ( w b c ) 尿道炎 尿蛋白a p r o )阴性或仅有微阳性提示可能有急性肾小球、糖尿病肾性 量病变 尿糖( g l u ) 阴性( ) 阳性提示可能有糖尿病、甲亢、肢端肥大 症等 胆红素i l )阴性( ) 阳性提示可能肝细胞性或阻塞性黄疸 酮体阴性( - ) 阳性提示可能酮症酸中毒、糖尿病、呕吐、 腹泻 尿红细胞阴性( - ) 阳性提示可能泌尿道肿瘤、肾炎尿路感染 c ) 等 亚硝酸盐阴性( - ) 阳性提示可能泌尿发生感染、肠杆菌感染 ( n i t ) 透明度( c l r )清澈透明无沉排出混浊白细胞、上皮细胞、粘液、微生 淀物引起 尿液颜色浅黄色至深黄黄绿色、尿浑浊、血红色等就说明有问题 注：肾病类项目a 、糖屎病类项目b 、泌尿感染类项目c 、其他疾病类项目d ：检查结果中n e g a l i v c ( 阴 性) 和某些数字表示正常。p o s i t i v e ( 阳性+ ) 、t r a ( 少量) 和l + 、2 + 、3 + 表示异常。 可见，作为一种临床容易获得的检验材料，尿液成分分析不仅能反映泌尿生 殖系统的病变炎症，对肾结石、糖尿病、黄疸肝炎、胆道梗阻、急性胰腺炎以及 2 l 绪论 高血压、荷尔蒙失衡等多种全身性疾病的早期临床辅助筛选诊断也有重要意义【l 一。 此外，尿液成分的检测也是监护安全用药( 如庆大霉素、磺胺类等药物) 和辅助诊断 职业病( 如铅、镉、汞等重金属元素) 的预防和手段【l 】。 随着基础医学的发展，先进检测技术的出现，现代电子学、光学以及计算机 技术的应用，自动化水平的快速提高，出现了各种各样的分析系统，其结果也更 具准确性和特异性，从而使尿液成分常规检查分析进入了新的阶段1 7 8 ，9 1 。 1 2 尿液成分检测分析方法研究进展 近年来，出现了基于各种原理的尿液成分分析与研究，主要的分析技术和方 法有【l lo ，1 1 】：尿沉渣检查法、干化学分析法、生化检测法、拉曼光谱、中红外光谱、 近红外光谱法。 1 2 1 尿沉渣检测法 尿沉渣检查指尿液经离心沉淀，在显微镜下直接观察检测尿液有形成分的一 种物理检测方法，俗称“尿镜检”，是判断尿液有形成分质和量的组合【1 2 1 。其发展 过程主要历经【1 3 】： 尿液直接涂片人工显微镜检查指将未处理的尿液，涂片后放在显微镜下 直接进行定性或半定量的确证观察和检验。1 6 3 0 年，n i c o l a sc l a u d e 等最早使用显 微镜观察尿沉渣【1 4 ，15 1 。 优点：简便，反映实际情况。 缺点：不定量，难标准化、规范化，受人员视野、技术等主观影响而存在不 确定性。 尿液离心取沉渣人工镜检尿液离心后充入计数板定量计数。1 9 4 8 年，苏 格兰医师a d d i s 介绍了尿液的收集和计数池的使用方法，即“爱迪( a d d i s ) 计数”， 显微镜下尿液检查成为患者相关疾病的检测项目之一【1 0 】。 优点：检出率高，定量分析，能标准化、规范化。 缺点：离心易使细胞破坏、丢失、沉降不完全，增大误差；操作繁杂，效率 低，强度大，受主观影响。 改良的人工镜检系统即镜检图像式，将显微镜图像经摄像机或数码相机 传至计算机显示，人工分类计数和判别。典型有b r o d y 采用相差显微镜鉴别尿液 中的红细胞与脂肪等成分，h a b e r 用干涉显微镜从三个不同方位观察了尿沉渣【l o 】。 优点：图像显示可多人会诊，便于管理存储备查，积累病例。 缺点：同上中：效率更低，不适合临床大批量标本检验。 自动尿沉渣分析 1 ) 流式细胞技术全自动尿沉渣分析采用与血细胞分析相同的流式细胞技 重庆大学硕士学位论文 术，用荧光染色和激光散射检验原理来进行成分检测。 优点：自动化程度高，流程简单，不用离心直接原尿检查，重复性好。 缺点：非形态学检查，无法看到各有形成分的形态；非特异性检测技术易导 致假阳性，只作过筛试验不能确诊。 2 ) 层流平板式的全自动尿沉渣分析采用与流式细胞技术中相同的高频闪光 源和摄像光学系统、利用计算机分析图像，分类计数流动在层流平板中的尿液有 形成分【1 3 1 。 优点：细化图像，高自动化，操作简便。 缺点：固定焦距无法获得所有计数标本的清晰图像，特异性差。 目前，使用最广泛的尿液流式细胞分析仪是日本s y s i n c x 公司生产的u f 系列 产品，以基于流式细胞及电阻抗原理测定尿液有形成分的u f - 1 0 0 为代表1 1 6 】。 1 2 2 干化学方法 自2 0 世纪9 0 年代，应用光电和化学检测原理，设计了干化学法尿液分析仪。 区别于湿化学技术，这是一种干试剂化学或固相化学法，指将一项测定中的全部 或部分干燥试剂固相在试纸条上，当液态样品加到载体上时，样品中的水将载体 上的试剂溶解，在潮湿状态下发色膜块与尿液中有关的化学成分、细胞发生颜色 反应，尿液分析仪比较处理完成测定，最后显示打印出报告【l 。 1 9 5 6 年，利用干化学检查方法c 0 m e r 研制出了t e s t a p e 尿糖试纸。2 0 世纪 7 0 年代，试纸法尿自动分析仪使观察显色时间和程度得到统一，避免了人为肉眼 误差因素。8 0 年代中期，开始应用于商业实验室、大型医院等场所l l o j 。 干化学方法用于定性检查，它以快速、简便和同时检测8 项、1 0 项、1 1 项尿 中参数：葡萄糖、蛋白质、p h 、酮体、胆红素、隐血、亚硝酸盐、抗坏血酸、比 重、尿胆原、白细胞酷酶【1 8 】，成为各级医院常规检验仪器之一。其基础是反射式 光度计，由机械系统、光学系统、电路系统和排尿系统等部分组成，分析仪可以 自动按序吸取尿样并自动加到每个试块中进行测定，最后还可以显示i 打印结果。 相比目测法，测定项目多、效率高，结果准确、精密，重复性好、易标准化， 但是尿中有形成分复杂，易受干扰物质影响，而且每种试纸条灵敏度和定值标准 有差异，结果易出现假阳性。故干化学尿液分析仪只是诊断初筛，不能确诊，其 不能识别各种管型、结晶及各种上皮细胞，必须用显微镜肉眼复检【l 叼o 】。 1 2 3 生化检测法 生化分析仪( c h 髓l i s 廿ya n a l y z e r ) 是现代临床医学检验中经常使用的重要分析 仪之一。主要基于光电比色法原理，通过测定吸光度来判定血液、血浆或尿液( 胸 腹水和脑脊液等其他体液) 中各种蛋白质、脂类、糖类、酶类等生化指标，如白蛋 白、葡萄糖、转氨酶、总蛋白、淀粉酶、肌肝、血红蛋白、无机磷、胆固醇、钙 4 l 绪一论 等；综合其他检验资料，可以帮助确诊疾病，评价器官功能，鉴别病发因子等。 生化分析仪是集光、机、电、计和生物化学分析技术于一体的智能光电医用 仪器，大致可分为四部分包括进样系统、光学系统、控制系统和数据处理系统。 进样系统是分析的前提，光学系统是整个仪器的核心，控制系统是分析的保证， 数据处理系统是功能的扩展。光源发出的光照射在尿试纸条上，试纸块的颜色深 浅对光的吸收和反射程度不同。试纸块反应的颜色深浅与尿样中各种成分的浓度 有关，颜色越深，则吸收光量值越大，反射光量值越小。 自动生化分析仪是将生化分析中的取样、加试剂、去干扰物、混合、保温、 比色、结果计算、书写报告和清理等步骤的部分或全部由模仿手工操作的仪器来 完成，具有快速、简便、灵敏、准确、标准化、微量等特点，分为半自动生化分 析仪和全自动生化分析仪。自动生化分析仪可进行定时法、连续监测法等各种反 应类型的分析测定；除一般的生化测定外，还可进行激素、免疫球蛋白、血药浓 度等特殊化合物的测定以及酶免疫、荧光免疫等分析方法的应用。 半自动生化分析仪 半自动生化分析仪的操作分为手工部分和仪器部分。手工完成加样、保温、 吸入样品等；仪器自动完成比色、读数、计算、打印等。因其体积小、结构简单、 灵活、价廉且不受试剂和方法的限制而多用于检测标本量不大的小型医院。与全 自动生化仪相比，主要存在以下区别： 1 ) 常使用同一比色池，重复性好，但易受加样和取样的影响。 2 ) 分析速率慢，检测时间长，易受计时正确性、温度等影响。 3 】手工加样，且每次加样量有限；手工清洗，易受主观因素影响。 全自动生化分析仪 全自动生化分析仪结合光学、精密机械、自动控制、电子电路、热工学、生 物化学、分析化学等学科，把取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算 和显示以及清洗等全部自动化，提高仪器工作效率、精密性、准确性、快速性， 减少主观误差，提高系统可靠性。从结构上，全自动生化分析仪是在传统分光光 度计的基础上，如光源、单色器( 色散装置) 、比色池、检测器等，加入生化分析特 有部分：加样系统、清洗系统、温控系统、软件系统【2 l 】。因其主观误差少，异常 自动报告、自动校正等便利，主要在大、中型检测单位用于临床生化项目的检测。 2 0 世纪5 0 年代开始，科技进步和医学及相关学科快速发展，以电子学、材料 学、计算机等学科划时代发展为代表的新技术掀起了科技革命的新浪潮。1 9 5 7 年， 美国r 曲l l l i c o n 公司s k e g g s 医师研制了第一台单通道连续流动式分析仪( a u t o a n a l y z c r ) ；6 0 年代，出现了多通道顺序式( 分立式) 分析仪；7 0 年代，自动临床生 化分析仪被广泛应用：8 0 年代开始出现了干化学式全自动生化分析仪。在随后的 重庆大学硕士学位论文 几十年中，伴随着医学、生理学、生物物理化学等研究的深入，应用于临床生化 检验的生物传感、生物芯片、自动控制等高新技术不断涌现，生化检测仪的研制 实现了模块化、全自动化，其灵敏度更高、分析速度更快、操作更方便简单。目 前，主要集中在欧美、日本和中国，如日立( h i 协i 幽) 、奥林巴斯( o l y m p 哟、贝克 曼库尔特( b e c k m a i lc o u l t e r ) 、东芝( t o s h i b a ) 、德灵( d a d eb e h 血g c p ) 、雅培b o 妨、 罗氏( i 沁c h e ) 、岛津( s 1 l i m a d z u ) 、拜耳a y e r ) 、深圳迈瑞等【2 l j 。 尿生化检测项目主要包括了：葡萄糖、钙、氯、肌酐、镁、钾、钠、淀粉酶、 尿素氮、微量白蛋白、微量总蛋白、尿素、尿酸。这种方法采用i s e ( 离子选择电 极) 、酶学电极法、糖氧化电极法、光电比色法、比浊法作为检测手段，分析时需 要消耗大量的原装试剂、多项定标液和质控液r 2 】。 1 2 4 拉曼光谱分析法 1 9 2 8 年，印度物理学家拉曼( 砌吼锄) 研究苯的光散射时发现，在散射光中除了 有与入射光频率相同的谱线外，还有与入射光频率发生位移( 频率增加或减少) 且强 度极弱的谱线。前者是已知的瑞利( 脚l e i g h ) 散射( 光瑞利效应) ，后者以他的名字 命名为拉曼散射光，即拉曼效应1 2 3 】。 特定条件下，拉曼光谱与待测样品成分的浓度关系为【2 4 】： i = k o c l ：jp 舢1 0 ) ( 般) 。办( z ) 龙( 1 1 ) 棚 式中：i 为光学系统中接收到的样品表面拉曼强度：、露分别为入射和散射 光的吸收系数；o 为样品表面激光入射功率；c 为样品待测物质成分的浓度：k 为拉曼散射的截面积；z 为入射光和散射光的光程；办( z ) 为光学系统的传输函数： 6 为样品池宽度。 在特定工作条件下，由式( 1 1 ) 得拉曼光谱进行定量分析的依据：样品中产生拉 曼散射的待测物质成分的浓度与拉曼散射光强度成正比【2 5 】。 1 2 5 红外光谱分析法 近年来，尿液红外光谱法分析得到了许多科学家的重视。目前，国内外的尿 液成分光谱分析应用研究中，还没有依赖光谱法实现尿液分析的成熟产品，大多 尚处于实验研究阶段。常规方法只能用试纸法对尿中丙酮、尿素、肌酐等进行半 定量测量而不能定量测量；高效液相色谱虽然可以实现定量测量，但耗时长，成 本高，不适合日常临床检测快速、实时的要求。红外光谱法测量尿中葡萄糖、丙 酮、尿素、肌酐等代谢物有着极其重要的临床应用价值。 1 9 9 6 年，r 加曲o n ys h a w 等人采用近红外光谱法对尿液中的肌酐、尿素、蛋 白这三种成分进行了测量，用偏最小二乘法( p l s ) 建模并测得其相关系数【2 6 】。2 0 0 1 年，j l a 玎叮等人也用近红外测量尿样中的尿素、肌酐、葡萄糖、酮体和蛋白质五 6 l 绪论 种主要成分，在对数据进行平滑处理后再用p l s 回归建模【2 刀。h m h e i s e 应用中 红外光谱法对尿液中的葡萄糖、蛋白、肌酐、尿酸四种成分进行了测量。其实验 中发现尿中含有的蛋白会残留在所使用的a 1 r 晶体表面从而影响测量精度【2 8 ，2 9 删。 另外，r 姚n ys h a w 也曾在近中红外光谱区域用干膜法进行了尿液成分( 尿素、 肌酐等) 的测量【3 l 】。日本x d o u 使用自制的激发光源为8 2 0m ( 1 3 0m m 的近红外 光色散型拉曼光谱仪进行尿液分析，测量了葡萄糖、丙酮、肌酐、尿素的浓度值【3 2 】。 国内研究测量尿液成分的近红外光谱法主要有丁东、蔡永军、李刚及刘伟玲 研究组【1 ，2 2 ，3 3 ，3 4 】。2 0 0 4 年，丁东等人用f t i r 光谱仪，选用1 1 7 6 1 3 3 4 衄近红外光 谱区，使用p l s 建模进行研究。蔡永军等人用f t i r 光谱仪测量了葡萄糖和蛋白质， 选用了1 6 6 7 1 7 2 4 姗近红外光谱区。2 0 0 6 年，刘伟玲等人采用f t i r 光谱仪，用 p l s 建模，进行了同样测量。李刚用可见近红外光谱检测了尿微量白蛋白。几个 研究组的实验结果证实了近红外光谱技术用于尿液临床分析的可行性和优越性。 1 2 6 尿液分析仪发展简史 公元前4 0 0 年，古希腊名医h i p p o c r a t e s 发热时尿液颜色和气味的变化。 公元1 0 0 0 年，波斯名医i s m 撕l 描述了颜色、黏稠度、尿量、透明度、沉淀物、 臭味和泡沫7 种针对尿液的观察和实验。 1 6 世纪，英国物理学家r o b e r tb o y l e 发明石蕊试纸，为尿试纸起源。 1 6 3 0 年，法国天文、解剖爱好者c l a u d ed ep e i r e s c 首先在显微镜下观察到了流 沙样结石尿中的菱形结晶，认为尿中锐角结晶可能引起排尿刺激和疼痛。 1 6 7 3 年，f r e d e r i c kd e l d 【e r s 用加热醋酸酸化尿液方法测定尿中的蛋白。 1 6 7 4 年，t 0 m a s 、i l i s 发现糖尿病患者的尿中有甜味。 1 7 8 7 年，法兰西f r a n c e s c om a r a b e l l i 用硝酸法检测尿中的胆红素。 1 7 9 0 年，f 姗c i sh o m e 用硝酸法检测水肿患者尿液中的蛋白。 1 8 2 7 年，m c h a r db r i m 用加热的方法首次检测肾病患者尿液中的蛋白。 1 8 4 1 年，t r o m m e r 第一次用氧化铜还原法测定尿糖。 1 8 5 0 年，巴黎化学家m a u r a e n e 基于干化学的原理，用氯化锡浸泡过的羊毛纤 维作试剂带，发明了一种测定尿葡萄糖的试验。 1 8 8 0 年，英国物理学家w i l l i 锄p a v y 研究糖尿病的发展，提出用干粉试剂来 测定尿葡萄糖的药丸p a y e sp e l l e t s ；又基于酸沉淀原理完善了测尿蛋白的药片。 1 8 8 3 年，英国医师g e o r g c0 1 i v e r 废除了液体试剂，将高浓度试剂固定于滤纸 上，发明测定尿蛋白、尿葡萄糖药片进入市场，干化学试纸开始流传。 1 9 1 1 年，美国辛辛那提大学阮i i l l yb e n e m c t 提出检测尿糖的碱性硫酸锅溶液 b e n e d i c t ss o l u t i o n 。美国纽约博士后c t o rm y e r s 对临床尿液化学分析进行大量工 作，成为临床分析化学的开创者。1 9 3 0 年，尿液检查成为医院常规检查中的一项。 重庆大学硕士学位论文 1 9 3 7 年，费格尔用p r o t e i ne n d r 法取代沉淀法发明了测尿蛋白的颜色反应。同 年，发明了测定尿潜血的ad r 叩r c a c t i o n ，为d 睁a n d r e a d 试剂带的发明打下了基础。 1 9 3 9 年；美国丹佛a l e x a n d c rg a l a t 生产基于铋还原原理测尿葡萄糖的c a l a t e s t 。 1 9 4 1 珲0 美国b a y e r 公司医学博士w 址e rc o m 】p t o n 基于班氏试剂铜还原的原 理，首次研制出具有纪念意义且畅销的测定尿糖试剂c l i i l i t e s t 。 1 9 4 8 年，苏格兰a d d i s 介绍了尿液的收集和计数池“a d d i s 计数”法，使尿液 显微镜检查成为评估患者相关疾病的检测项目之一。 1 9 5 0 年，美国b a y e r 公司医学博士舢缸df r e e 研制出测定血清、尿酮体的试 剂a c e t c s t ；1 9 5 5 年，研制出测定尿隐血和尿胆红素的试剂o e c u h e s t 和i c t o t e s t 。 1 9 5 6 年，美国b a y e r 和l i l y 两家公司创建了测定尿葡萄糖的c l i i l i 妇和t e s t a p e 试剂带，开始了广泛使用试剂带的新纪元。 1 9 5 7 年，美国b a y e r 公司推出测定尿蛋白的试剂带a l b u s t i x 。 1 9 5 8 年，美国b a y e r 公司推出测定尿葡萄糖和尿蛋白的二联试剂带u r i 呶， 次年又推出测定尿葡萄糖、尿蛋白和尿p h 的三联试剂带c o m b i s t i x 。以后几乎每 年都有新的产品问世，直至现在所使用的十联试剂带m u l t i s t i ) 【。 2 0 世纪6 0 年代，世界上许多公司也开始研制生产尿液干化学试剂带，如德国 b o e 胁g e rm 觚n h e 血公司于1 9 6 4 年推出c o n l b u 卜t e s t 试剂带。2 0 世纪7 0 年代， 随着自动化程度不断提高，半自动尿液分析仪的问世。2 0 世纪8 0 年代，许多公司 将层析和免疫技术用于试纸中，生产出具有检测敏感性和特异性极高的单克隆抗 体的试剂带如b o e m n gm a i l i l l l e i m 测定尿微量白蛋白试剂带m i c r a l t e s t 。 1 9 7 2 年，c 1 e m e n s 和h u r d e 制造了c l i i l i l a b 自动化分析仪，第一台尿液化学分 析仪。之后，日本株式会社、美国b a y e r 、德国b 0 e m n g e rm a i l i l h e i m 、韩国盈东 制药株式会社等制造出尿分析仪，将光学元件c c d 技术应用于尿液分析仪。 1 9 8 3 年，美国i n t c n l a t i o r l a li k m o t ei m a g i n gs y s t e m sc o ，l t d 研制了第一台 y o l l o wi s 高速摄影机式的尿沉渣自动分析仪，v l 尿自动分析仪。 1 9 8 9 年，日本t o am e d i c a le l e c 们i l i c sc o ，l t d ，生产出影象流式细胞术的 u a 1 0 0 0 型尿沉渣自动分析仪，随后u a 2 0 0 0 型尿沉渣自动分析仪。 1 9 9 3 年，b o e l l r m g e rm a i l l l h e h 公司推出1 0 项s u p e r 的n 全自动尿液分析仪。 1 9 9 4 年，b a y e r 公司推出具有条码识别系统、双探头计数装置的l l 项c l i 础c k a t l 嬲全自动尿液分析仪。 1 9 9 5 年，日本t o a m e d i c a le l e c 们i l i c sc o ，l t d 结合流式细胞术和电阻抗技术， 研制出u f 1 0 0 型全自动尿沉渣分析仪，u f - 1 0 0 0 i 全自动尿有形成分分析仪。 2 0 0 0 年，日本k d k 推出a 砸o nm a ) ( t ma x 4 2 8 0 型全自动尿分析仪，双波长 反射法测尿9 项，折射法测尿比重，四波长反射法测尿颜色和透光法测尿浊度。 8 l 绪论 2 0 0 1 年，b o e h 血gm a 衄h e i i i l 推出新型u s y s 2 4 0 0 型尿液分析仪。 我国尿干化学试剂带的研制始于2 0 世纪6 0 年代。 1 9 5 7 年，美国脚触博士来我国广州讲学并举办展览。 1 9 6 6 年，北京协和医院检验科和上海医学化验所开始研制尿液试剂带。 1 9 8 0 年，江定强教授在国内首先研制的国产尿试剂带问世并投放市场。 1 9 5 5 年，桂林医疗电子仪器厂引进日本京都第一株式会社凇- 4 2 1 0 型尿液分 析仪和专用试剂带的生产设备；1 9 8 8 年部分国产化；1 9 9 0 年全部国产化。1 9 9 4 年， 推出嘶t e s t 1 0 0 尿液分析仪及专用试剂带；1 9 9 7 年，推出了u r i t e 婚2 0 0 尿液分析 仪及专用试剂带，以后又推出u h t e s t - 3 0 0 、t e s t 5 0 0 尿分析仪。 1 9 9 2 年，长春迪瑞公司生产出采用六波长光学分析技术的n 6 0 0 、h 3 0 0 、 h 5 0 0 、h 8 0 0 等系列尿液分析仪，并通过欧盟c e 认证、美国f d a 认证。 2 0 0 2 年，长沙爱威公司将“机器视觉”技术应用于临床显微镜镜检，开发出 越，e 7 6 系列尿沉渣分析仪。 1 3 本文研究的意义及内容 1 3 1 研究意义 传统的尿常规手工镜检，操作烦琐，精密度和准确性差，化学试验繁多，没 有标准，灵敏度和特异性存在诸多问题。目前，尿液分析多使用自动半自动生化 分析仪虽然在速度、效率上较前者有所提高，也有一套完整的校准和质量控制体 系，采用统一的、规范化的操作方法和商品化试剂，但精确性有待提高，而且消 耗大量的试剂和试纸易造成污染，价格昂贵，检测结果也易受外界的影响。尿液 检测的近红外无试剂多成分分析已成为分析化学和生物医学领域研究的热点。 尿液成分检测的近红外光谱法样品无预处理、无损耗、无破坏、无污染，多 成分同时快速测定，测试重现性好，计算机数学模型实现定量分析提高了精确性， 更适合临床在线、大批量、低成本生物医学检测的需要。 本文基于近红外光谱分析原理对尿液成分进行分析，从临床检测分析仪实用 角度，初步搭建一种尿液近红外检测分析仪的硬件和软件系统，为后续进行大量 临床实验( 数据采集及比对) 提供样机，从而建立和完善成分浓度的化学计量法多元 数学校正模型，提高仪器的测量精度和可靠性。同时，为近红外分析技术在临床 生物医学及其他应用领域中成分的检测提供借鉴。 1 3 2 研究内容 本研究的主要工作和内容安排有： 绪论。首先描述了尿液成分分析的医学背景，包括人体尿液的形成、特性 与组成，以及临床尿液检查的项目与意义。然后综述了当前尿液成分采用的主要 9 重庆大学硕士学位论文 分析原理、发展历程及现状和各自的优缺点。最后阐述了尿液成分的近红外光谱 分析法的研究意义和本研究的主要工作。 近红外光谱分析原理。主要介绍了产生分子光谱的原理，近红外光谱分析 技术的原理及发展、物理化学基础以及朗伯比尔定律定量分析原理等基础技术和 关键问题。还简述了近红外分析技术的应用领域。 尿液近红外分析仪系统总体设计。包括系统总体设计框图和硬件、软件功 能需求等内容。 尿液近红外分析仪系统硬件设计与实现。在分析当前近红外分析仪结构类 型与组成的基础上，设计了本系统的硬件整体结构。包括三大部分：光学结构系 统、信号调理与采集、机械结构系统，根据系统的需求，对每个设计模块的原理、 功能及实现过程进行了具体阐述。 尿液近红外分析仪系统软件设计与实现。首先介绍了虚拟仪器技术的概 念、发展与特点，设计了本系统的软件总体框架与各功能模块。然后以则c + + 6 0 为开发平台，构建仪器软件操作界面和各个功能模块。 设计实验。 总结与展望。对本文的主要研究内容做了总结，分析了课题研究中尚且存 在的待完善改进之处和需要进一步开展的工作，并对课题研究进行了展望。 2 近红外光谱分析理论基础 2 近红外光谱分析理论基础 2 1 光谱分析 红外光谱分三个区域：由分子倍频、合频产生的近红外区、分子基频产生的 振动光谱中红外区以及分子转动光谱和某些基团振动光谱产生的远红外区【3 5 】，如 表2 1 所示。其又可分为发射光谱和吸收光谱两类。红外光谱对样品适用性好，固 态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，因 其仪器结构简单，操作方便，测试迅速，灵敏度高，所需试样量少，重复性好等 特点，已成为现代结构化学领域和分析化学领域中最为常用且不可或缺的工具。 同时，在一些高聚类物质的力学、构象、构型等方面的研究以及遥感、天文、生 物、气象、物理、医学等领域中都有着十分广泛的应用。 表2 1 三个红外波区的波长和波数界限 ! 垒! 宝兰：! ! 墼宝2 1 堂型睡趔业型! 曼型垒苎璺垒型巴坚! 竺1 2 螋坐： 丫射线x 射线紫可红外微波无线 外见近 红 外中红外远红外电波 美国试验和材料检测协会( a m 融c a ns 0 c i e 锣t e s t i n gm a t 砸a l s ，a s t m ) 将波长在 7 8 0 2 5 2 6n m ( 波数1 2 5 0 0 4 0 0 0c m 。1 ) 之间的电磁波称为近红外光谱区( n e a r d s p e c 仃d s c o p y ，n i r s ) 。n 承于l8 0 0 年w i l 】i i 锄h e r s c h e l 在天文观察中发现，是最早 发现的非可见光，介于可见光( v i s i b l e ，v i s ) 和中红外光0 i d d l ei r l 胁e d ，m i r ) 之 间，分为近红外短波( 7 8 0 11 0 0m n ) 和近红外长波( 1 1 0 0 2 5 2 6n m ) 网。从波长能量上 来看，近红外光子能量高于中红外光子能量，其穿透能力较强，可以透过光纤、 普通玻璃等材料获得足够光通量，透过动、植物组织分析生物样品信息。现代n i r s 分析技术是分析化学领域发展迅速的高新技术，被誉为分析巨人，是近二十年发 展最快、最引人注目的光谱分析技术之一，引起了众多分析专家的注目7 】。 重庆大学硕士学位论文 2 2 近红外光谱分析技术 2 2 1 近红外光谱分析技术的原理及发展 各种含氢基团在近红外光谱区有独特的光学特性，光谱表明在6 9 0 3 0 0 0 眦 区间，近红外光谱分析技术利用物质分子在近红外照射时，产生振动能级跃迁， 吸收部分光能，主要为含氢基团o h 、c h 、n h 、s h 、p h 等振动倍频和合频的 吸收，形成谱带。通过测量物质对光的吸收情况，得到相应的近红外光谱图，其 中包含丰富的被测物质相关信息与特征。几乎所有有机物的一些主要结构和组成 成分都能够在n 瓜s 中找到特征信号，使近红外作为获取物质组成和结构信息的有 效载体。根据检测对象及样品、光源、检测器三者位置的不同分近红外透射光谱 ( n i d 和近红外( 漫) 反射光谱；n i t 是利用透射光与入射光强的比例获取光谱， n i r 是利用反射光与入射光强的比例获取光谱哪j 近红外光谱分析技术的发展主要有几个阶段。1 8 0 0 年撇l l i 锄h 哪c h e l 发现 n 瓜s ，其强度弱、谱带复杂、相互重叠无法充分提取信息。1 9 0 0 年，n 瓜光谱仪 甩玻璃棱镜和胶片记录光谱限于7 0 0 1 6 0 01 1 i n 。2 0 世纪5 0 年代，p b s 光敏电阻作 检测器，n 瓜光谱仪波长延伸到3 0 0 0m 并用于定量分析；n o r r i s 等掀起n 峪发 展应用的高潮。2 0 世纪6 0 年代中后期，出现了各种新的生化分析技术，n 承s 因 消光系数低和谱带宽而解析困难等技术发展不够且其灵敏度低、抗干扰性差等弱 点，淡出了分析领域，w h e e l e r 称其为“被遗忘的谱区 。1 9 7 0 年，应用于农副产 品中的水分、蛋白质等含量测定的n i l 硌品质分析仪器问世。2 0 世纪8 0 年代，计 算机的迅速发展和