（光学工程专业论文）人体血糖浓度近红外光谱校正模型的建立.pdf

摘要 血糖，即人体血液中的葡萄糖。葡萄糖是人身体中的重要组成物质，它浓度 的高低反映了人身体的健康的情况。因此，人体中葡萄糖浓度的测量的准确程度 便是十分重要的。利用近红外光谱对血糖进行测量，不需要消耗试剂，不仅能降 低检测成本而且还能快速的得到血糖的浓度值，推动了近红外光谱在医学领域中 的应用。本论文首先对葡萄糖粉术进行近红外光谱测量，进而对不同浓度的葡萄 糖溶液进行测量并建立了校正模型，这些都为人体血糖校正模型的建立积累了经 验，最后，通过不同算法之间的比较，采用偏最t j 、- - 乘法( p l s ) 在血糖的特征 吸光区域内建立了人体血糖浓度的校f 模型并取得了较好的结果，达到并超过了 国外用近红外光谱对血糖浓度进行测量的结果，在近红外光谱测量血糖浓度的领 域取得了很大的进展，为下一步进行无创血糖检测奠定了基础。 关键词：血糖；近红外光谱；偏最小二乘法；无创血糖检测 a nc a l i b r a t e dm o d e lo fn e a r - i n f r a r e d s p e c t r u mo f b l o o d s u g a r i nh u m a n b o d y i se s t a b l i s h e d c u i j i c h e n g d i r e c t e db y t a n gy u g u o a b s t r a c t ：b l o o ds u g a ri sg l u c o s ei nb o d yb l o o d g l u c o s ei sa ni m p o r t a n ts u b s t a n c ei n h u m a nb o d y , i t sc o n s i s t e n c ei ss h o w e dt o p e o p l e s h e a l t h s ot h ev e r a c i t yo ft h e m e a s u r eo ft h eg l u c o s ei nh u m a n b o d yi sv e r yi m p o r t a n t b l o o ds u g a ri sm e a s u r e db y n e a r - i n f r a r e ds p e c t r u m ，t h i sm e t h o dh a sn o tu s er e a g e n t s t h ea p p l i c a t i o no f u s i n g n e a r - i n f r a r e ds p e c t r u mi nm e d i c i n ef i e l di s p r o m o t e db yu s i n gt h em e t h o dt l a tn o t o n l yd r o p s t h ec o s t so fe x a m i n a t i o nb u ta l s or e c e i v e st h er e s u l to fb l o o ds u g a r r a p i d l y i nt h i sp a p e r , t h en e a r i n f r a r e ds p e c t r u mo f g l u c o s ep o w d e r i sm e a s u r e d f i r s t l y , t h e n m a d eae m e n d a t i o nm o d e lf o rv a r yc o n c e n t r a t i o no fg l u c o s es o l u t i o n ，a l lo ft h e s e a c c u m u l a t e sal o to f e x p e r i e n c ef o rt h ee m e n d a t i o nm o d e lo f f i e s hb l o o ds u g a r , f i n a l l y , a nc a l i b r a t e dm o d e lo fh u m a nb o d yb l o o ds u g a ri nt h ec h a r a c t e ra b s o r br e g i o no ft h e b l o o ds u g a ri se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ep a r t i a ll e a s t - s q u a r e sm e t h o d ( p l s ) a n d a v e r y g o o dr e s u l t i sr e c e i v e d t h er e s u l tr e a c h e st h es a m er e s u l tt h a tr e c e i v e db yu s i n g n e a r - i n f r a r e ds p e c t r u mi no t h e r sc o u n t r i e s ，i tm a k e sah u g ep r o g r e s si nt h er e g i o no f u s en e a r - i n f r a r e ds p e c t r u mt om e a s u r eb l o o ds u g a ro f p e o p l e ab a s i co f n o n i n v a s i v e m e a s u r e st h ec o n c e n t r a t i o no fb l o o ds u g a rh a sb e e ne s t a b l i s h e d k e yw o r d ：b l o o ds u g a r , n e a r i n f r a r e ds p e c t r u m ，p a r t i a ll e a s t s q u a r e s ，n o n i n v a s i v e m e a s u r e 第一章引高 第一章引言 糖尿病是目前较为普遍的一种内分泌疾病，在美欧等发达国家约有3 的人 口患有不同程度的糖尿病，在我国随着人民生活水平的不断提高，糖尿病的发病 率呈上升趋势。据报道，到2 0 1 0 年全世界糖尿病患者将达到二亿二千万人。通 过经常监测患者体内的血糖浓度，以此为根据控制饮食，可以有效延缓糖尿病的 病情并减少并发症。目前糖尿病人的监测通常到医院进行或进行自我监测，所用 的方法一般是有创检测，这些方法需要消耗大量的生化试剂并且检测时间长、采 样多给患者带来了不可避免的痛苦和不便。目前，在国内外市场上有不少用于监 测人体血糖的仪器，如美国强生l i f e s c a n 的o n et o u c h 、德国的a c c u c h e k i n s t a m 和罗氏诊断公司的g l u c t r e n d 血糖仪等等，这些仪器在精度和稳定性上存 在定的争议。因此，高精度的人体血糖检测仪器有着广阔的研究和应用前景。 近年来，随着光学仪器设计、制造水平的提高以及计算机技术的发展和化学计量 学方法研究的深入，现代近红外光谱分析技术迅速发展。在血糖检测方面，国内 外许多学者和专家进行了一些研究和尝试，并有待于进一步研究和应用。本论文 就是在这种背景下，希望建立一个利用近红外光谱进行人体血糖检测的校正模 型，使其具有良好的精度和稳定性，使血糖检测的方法多样化，提供一条新的检 测血糖的方法，并为下一步进行无创血糖检测的研究积累经验和方法。这将是近 红外光谱在医学领域的又一重大应用。 1 1 近红外光谱的发展过程 近红外区域按a s t m 定义是指波长在7 8 0 2 5 2 6 n m 范围内的电磁波，是人 们最早发现的非可见光区域，距今已有近2 0 0 年的历史。本世纪初，人们采用摄 谱的方法首次获得了有机化合物的近红外光谱，并对有关基团的光谱特征进行了 解释，预示着近红外光谱f n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，缩写为n i r ) 有可能作为分 析技术的一种手段得到应用。由于缺乏仪器基础，5 0 年代以前，近红外光谱的 研究只限于为数不多的几个实验室中，且没有得到实际应用。5 0 年代中后期， 随着简易型近红外光谱仪器的出现及n o r r i s 等人在近红外光谱漫反射技术上所 做的大量工作，掀起了近红外光谱应用的一个小高潮，近红外光谱在测定农副产 品( 包括谷物、饲料、水果、蔬菜、肉、蛋、奶等) 的品质( 如水分、蛋白、油脂含 人体血糖浓度近红外光谱校正模型的建立 量等) 方面得到广泛使用。由于这些应用都基于传统的光谱定量方法，当样品的 背景、颗粒度、基体等发生变化时，测量结果往往产生较大的误差。进入6 0 年 代中后期，随着( 中) e c b 光谱技术的发展及其在化合物结构表征中所起的巨大作 用，使人们淡漠了近红外光谱在分析测试中的应用。在此后约2 0 年的时间里， 除在农副产品领域的传统应用之外，近红外光谱技术几乎处于徘徊不前的状态， 以致被人们称其为光谱技术中的沉睡者。 进入8 0 年代后期，近红外光谱才真正为人们所注意，这在很大程度上应归 功于化学计量学方法的应用，再加上过去中红外光谱术积累的经验，使近红外光 谱分析技术迅速得到推广，成为一门独立的分析技术，有关近红外光谱的研究及 应用文献几乎呈指数增长。图卜一1 是1 9 9 4 年有关近红外光谱研究及应用文献的 统计。1 9 8 3 年以后，近红外光谱仪器的生产厂商就开始每年召丌次近红外光 谱的国际会议，但会议内容较着重于其生产仪器的改进及应用。 赣 搿 钗 f , o o 潮 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o l i l丑 l l 蓬囊鋈 j lii i 蜀i薏 l jli_ ll 薯薹1 1l i _ 一墨l 耍生_ _ 一- 1 重 定靛炎娥 啜1 一l 近红母 毙辩技零氍生警镊域驰定欺统汁 傩霾娃： s 卜一繁空擘；r 舻喾孵掌；口贩一亿学i 。c 争一纯棱鼹# a 鼢化卷谤t 掌 艄瓣一壤料；脚肛睇境 闷伽? 囊晶；e 一撼蕊学； c 辩一一殷磁期；h 董卜馓吐外略选碍窝撰激鬻；搬争一戚豫；烈争嗽嚣： l s 镦笼；硝e 精一礅蒋# 脯b _ 萁它；0 | 叩光学；l 埘 一崩莳； 附o 光黟ih r 卜镥理警；i 张，糍合静；r - 卜喇奠；r 料躲避： 舒辩悖感饕；镊蜡串罨淬 s 。劳一欺忤l 哥d 搽准；t l 袋溉糖i k 卜经 1 9 8 8 年，国际近红外光谱协会( c n i r s ) 成立，该协会北美分会对1 9 0 5 1 9 9 0 年有关近红外光谱的文献做了全面汇编( c b i b l ) 。关于近红钋光谱研究及应用的 专业期刊j o u r n a ln e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 和n e a ri n f r a r e dn e w s 先后于9 0 年代 初创刊。1 9 8 7 年举办第一届近红外光谱研究与应用的国际会议，至今已举办了9 届。每次会议都出版了相应的文集，刊登了大量涉及近红外光谱仪器、计量学方 法、新技术发展及各种新应用的文章。同时，在其它涉及分析与光谱的杂志，如 第一章0 【苦 a p p l i e ds p e c t r o s c o p y 、a n a l y t i c a lc h e m i s t r y 上也刊登了大量近红外光谱基础研究 及应用的文章。近年来，有很多近红外光谱技术也出现在各国的专利中。目前从 事近红外光谱仪器生产的厂商已不下几十家。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，但1 9 9 5 年以来己受到了多 方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了可喜的 成果。 1 1 1 近红外光谱仪器的发展 最早的近红外光谱仪器是一台摄谱仪，所得的谱图只能作出某些化合物可以 在近红外区吸收的判断，很难用于定量或定性分析。 直到第二次世界大战结束时，近红外光谱仍不被人们所重视，因为在这一区 域内谱带重叠严重，再加上样品中如有水分则更会因为氢键的变化而使谱图不能 稳定。近红外光谱的低吸收系数又使对仪器的噪音要求十分苛刻。因此，在5 0 年代以前，人们对紫外、可见及中红外光谱仪己做厂大量的工作，而对近红外光 谱只是偶然作为紫外可见光谱仪的一个延伸，并没有过分重视这一波段的应用。 最早的透射式近红外光谱仪器是k a y 等人在1 9 5 0 年制作的。 已知k a r ln o r r i s 是在5 0 年代后期最先将近红外光谱技术用于农副产品分析 的。由于当时商品仪器的噪音较大不能适用，故n o r r i s 自己设计了一台仪器，其 中也包括了消除天然产品光谱的干扰及定量计算方法上的考虑。所有近红外光谱 仪从一开始就配有计算设备，只是初期计算机的运算速度和内存都无法与现在的 计算机相比。在此设计的基础上，美国依利诺州农业部门开始招标测定大豆中蛋 白、油及水分的仪器。d i e k e y j o l m 公司生产了第一台商用近红鲐光落仪，其中 有1 个卤钨光源，6 个高精度的干涉型滤光片及1 个硫化铅检测器。测量样品必 须预先干燥，使其水分含量小于1 5 ，然后样品经粉碎使其粒径小于1 m m ，装 入一个带有石英窗的样品池中。在此之后，n e o t e c 公司设计了一台带有旋转滤光 片的仪器用于谷物分析。上述二种仪器都采用模拟线路，使用均不甚方便。 7 0 年代中期，t e c h n i c o n 公司与d i e k e y j o h n 公司合作生产了一台近红外光 谱分析仪( a n a l y z e r 2 5 ) ，其中增加了防尘和仪器内部的温度控制设备，因而使仪 器的稳定性，尤其是波长的稳定性得以提高，同时采用积分球测量参考物质及样 品的积分信号。这样使他们从国家谷物检测中一l , ( f g i s ) 得到了大量订单，并将近 红外光谱作为确认的分析方法。可以看出，近红外光谱仪器的早期发展也是在竞 人体m 糖浓度近红外光肃校正模型的建讧 争中实现的。在1 9 8 5 年以前，许多专用的近红外光谱仪一直使用滤光片作为分 光器件，光栅扫描或傅立叶变换的仪器则主要用于研究，如通过光谱扫描确定使 用的波长位置，再选定滤光片。也有人选用发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，缩 写为l e d ) 这种窄带光源，但l e d 产生的光强在不同波长处不是线性的，会对后 续的校j 下带来一定的困难。到1 9 8 4 年，已有4 5 家制造厂商在欧洲和美国生产 各种形式的仪器，大部分用于近红外漫反射分析。 目盼，近红外光谱仪器的生产厂商已增加到3 0 多家，在所用的分光系统、 检测系统方面都存在差异。有些近红外光谱分析仪则是针对某一特定的测试内容 而设计的，如辛烷值分析仪、葡萄糖测定仪等。山于近红外光谱是一种不破坏样 品的分析方法，非常适合于在线分析使用。在7 0 年代初就有一些非接触式在线 分析仪用于传送带上谷物、食品及饲料中水分含量的测定。目前，用于在线分析 的近红外光谱仪器也已有很多公司生产，且大部分仪器都是基于光纤传输的。 1 1 2 计算技术的发展 由于近红外吸收及漫反射光谱谱带都很宽且重叠严重，在早期限制了近红外 光谱技术的应用。最早，n o r r i s 对谷物的分析是采用单波长线性回归或多波长多 元线性回归的方法得到定量结果的，但使用的波长数受到滤光片个数的限制，在 有些测定中仍会出现较大的偏差。在近红外光谱技术发展的同时，欧洲的w o l d 和美国的k o w a l s k i 教授已于7 0 年代丌始了化学计量学( c h e m o m e t r i o s ) 的研究， 尤其是k o w a l s k i 教授在华盛顿大学领导的过程分析化学中一0 ( c p a c ) 着重研究了 分析仪器与化学过程自动化的联系。他们综合使用数学、统计学和计算机科学知 识，研究从测定数据中提取信息，其中最重要的发展是因子分析技术的使用，也 就是将大量的数据进行坐标转换以达到降维的日的。即消除众多信息共存中相互 重叠的信息，典型的应用如主成分分析，光谱数据经主成分分析，再与应变量回 归求出校正系数( 矩阵) 。在主成分回归的基础上，又发展了偏最小二乘法，该方 法在对光谱矩阵进行降维处理的同时引入应变量的信息。目前，p l s 是近红外光 谱分析中应用最广的计算方法，很多商品化软件中都包含这种建模方式。但当校 正集样本中出现奇异点，或个别样品的性质范围已超出校f 集样本的范围时，则 可能出现较大的偏差，因此人们开始寻找更可靠的模型建立方法，如稳健p l s 方法在克服奇异点影响上有良好的效果。由于有些应变量与光谱间的非线性关 系9 0 年代中期以来，非线性校正技术在光谱分析中的应用日渐增多，人工神 4 第一章引言 经网络在多元非线性校正技术中占有重要的地位，该技术在不少领域的应用中已 取得了良好效果。如柴油闪点与光谱性质问的关联，即使在光谱受到外界因素扰 动时仍然获得较好结果。1 9 9 4 年以来，采用基于“模式识别”的方法提出的拓 扑计算方法也有一定的适用性，其基本思想是比较未知样品的谱图与校正集样品 谱图的差异，在校正集中寻找最相近的样品求其性质的平均值即为未知样品的 性质。在定性分析中应用的模式识别、主成分分析、马氏距离等方法随应用的需 要也得到很快的发展。 近红外光谱分析技术是伴随着计算技术的发展而发展的，各种线性或非线性 关联方法几乎在此都得到应用，但最佳计算方法的选择将由分析对象及所处的环 境决定。 1 1 3 应用领域的发展 前面已经一再提到，近红外光谱技术的发展是从在农产品中的应用丌始的。 1 0 0 多年来，人们注意到了农产品的营养价值，因此发展了很多分析方法来确定 其中营养物质的含量，但均耗时较长且费用较高。近红外光谱技术可以快速提供 低成本的分析结果，不断增加的分析工作得到了较高效的解决。“近红外光谱分 析”标称为n 1 r a ( n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y a n a l y s i s ) ，最早的应用是农副产品中 水分的测定，以后又用于谷物及饲料中的蛋白、水分、纤维、糖份及脂肪等项目 的分析，且都取得了较满意的结果。到1 9 8 5 年，在美国农业部的领导下，对农 产品所做的工作进行了总结，并出版了一本农业手册其中一节专门写了近 红外光谱的应用。在农产品应用中大多采用漫反射光谱，因为农产品都是固体， 近红外光经漫反射出来，可以有选择地被吸收一部分，进而获得被测物质中分子 结构的信息。为了得到准确的结果，农业部门的研究人员做了大量的标准物质。 同时，近红外光谱分析也用到了牲畜对饲料反应的研究。为了使已有的光谱数据 用于以后的计算，专业人员编制了样品及谱图档案，并设法做到将同一个样品集 用于世界各地。因此，在样品的选择、制备及数据的传递等方面做了大量的工作。 1 9 7 7 年c h t i o u i 首先发表了第一篇采用n 1 r a 测定烟草中尼古丁含量的论文，以 后又陆续发表了有关烟草中的糖、水分、甲醇及总氮含量等的n 1 r a 测定结果。 n 1 r a 在羊毛分析中的应用开展较晚，1 9 7 8 年s c o t c 等人发表了用n 1 r a 测 定羊毛上脂类的论文，至1 9 8 2 年才出现测量结果与标准方法的相关指数。n 1 r a 在纺织业中可以用来研究原料及加工过的纺织品，所用的方法也都是近红外漫反 人体血糖浓度近红外光淆校f 模型的建立 射技术。n i r a 在制药工业中的应用亦开展较晚，1 9 8 2 年，r o s e 提出很多结构 相近似的青霉素型药品可以用n 1 r a 区分开来，并得到定性结果，那时所采用的 仪器已是光栅扫描型光谱仪( 不是滤光片光谱仪) 。目前，n 1 r a 在制药工业中的 应用已十分成熟，并正在等待n 1 r a 作为标准化方法的实现。高分子领域长期应 用中红外光谱进行结构分析，至1 9 7 7 年c r a n d a l 才提出n i r a 在分析聚合酸时十 分有用。1 9 8 5 年左右，在高聚物中应用爿被广为接受。在石油化工领域中的应 用则始于1 9 8 9 年。c a l l i s 等人在短波近红外区域采用偏最小二乘法测定汽油的辛 烷值，其后，石油产品的各种性质的测定都有报道。结合光导纤维实现在线控制 分析是9 0 年代中期近红外光谱在石油加工过程中应用的一个明显特征，并取得 了明显的经济效益。其它领域如食品工业( 尤其是奶制品及饮料、酒类等) 、木材 加工、生命科学以至天体科学研究，也都是在8 0 年代中期以后才不断得到人们 的重视及应用的。 近红外光谱分析也和其它分析技术一样，先是早期的基础工作，如各种基团 在近红外区的吸收测定，然后是在某一个领域得到突破，并广泛使用。这进一步 引起了仪器制造厂商的重视，经不断完善推广，逐步进入新的领域。随着应用的 - 推广又进一步促进基础研究工作及仪器水平的提高，各种分析技术最终都可能成 为官方确认的标准方法。目前，可能因为近红外光谱的发展应用历史尚短，除了 农产品外，官方确认的应用近红外光谱分析的标准方法尚在酝酿中。但人们( 尤 其是在医药行业) 正在做各种准备，如实验室间结果的比较，验证仪器及方法的 标准物质等，以便在必要时提出标准方法，及早为官方确认。 1 2 近红外光谱的分析基础 近红外光谱分析方法由两个要素组成，一是准确、稳定地测定样品的吸收或 漫反射光谱谱图的硬件技术( 即光谱仪器) ，这一硬件技术的主要要求就是必须保 持长时间的稳定性；另一个是利用多元校正方法计算测定结果的软件技术。 近红外光谱的早期应用大都是对一定样品的特定组分的定量，如谷物中的水 分含量测定，以后才逐渐用于定性或判别分析，其依据是同类样品在不同波长下 具有相同的光谱。但如前已述及，近红外光谱的分辨率远不如中红外光谱，因此 其定性分析也必须借助于多元校正方法( 其中最常用的方法如主成分分析，马氏 距离和归一化距离等) ，以使各种样品进行聚类识别。各类化合物的定性则可用 已知的样品作判据。近年来近红外光谱聚类( 定性) 分析的应用也在日益推广，如 第一章引言 各种纺织物或聚合物的快速定性，常在后续处理过程中起着重要作用。 1 3 近红外光谱技术的特点 近红外光谱技术之所以能在短短的1 0 多年内，在众多领域得到应用，进而 在数据处理及仪器制造方面有如此迅速的发展，主要因为它在有机化合物的分析 测定中有以下独特的优越性。 1 很多物质在近红外区域的吸收系数小，使分析过程变得简单 作为分子振动能级跃迁产生的吸收光谱，近红外区域的倍频或合频吸收系数 很小，一般较红外基频吸收低1 3 个数量级，故样品无需用溶剂稀释即可以直 接测定，便于生产过程的实时测定。所用样品池的光程不像中红外区常在1 m m 以f ，近红外区域根据所使用的谱带和测试物含量的高低，光程可以是 1 1 0 0 m m ，长样品池使清洗过程变得非常方便。虽然吸光系数小会妨碍样品中微 量杂质的测定，但也保证了微量杂质或在近红外吸收弱的组分不至于干扰测定。 2 适用于漫反射技术 近红外区内光散射效应大，且穿透深度大，使得近红外光谱技术可以用漫反 射技术对样品直接测定。固体样品可以是任何形状，如水果、谷物或固体药丸都 可以直接测定，便于检查各部位或每一颗粒的质量。在短波近红外区域 f 7 0 0 1 1 0 0 n m ) ，对固体样品的穿透深度可达几厘米，而被吸收的光强很小。大部 分固体样品的在线检测都使用漫反射技术。 3 近红外光可以在玻璃或石英介质中穿透 近红外区的波长短，因而不被玻璃或石英介质所吸收。所用的样品池容器可 以用常用的玻璃或石英制成，价格较低，使用也方便。有时可以直接在玻璃容器 中进行测定，而无需打开密封的容器，避免样品的转移手续及不必要的污染。近 红外光的这一特性，更重要的是使一般玻璃或石英光纤可以用于近红外光谱技 术，光导纤维的引进使传统的近红外光谱技术扩展到了过程分析及有毒材料或恶 劣环境中样品的远程分析，同时也使光谱仪的设计得以更多用，且小型化。 4 可以用于样品的定性，也可以得到精度很高的定量结果 采用多元校正方法及一组已知的同类样品所建立的定量模型，可以快速得到 相对误差小于0 5 的测量结果。例如，汽油辛烷值的测定重复性可以达到o 3 单位，其中苯含量测定的相对误差可以小于0 5 。 定性分析采用识别分析程序，先取得一组已知样品的吸光度分布模型，再测 人体l 自l 糖浓度近红外光翦校f 模型的建赶 得待定性样品在不同波长下的吸光度分布，用聚类原理确定样品是否属于已有的 模型，即这一类已知的样品。如果己知样品有好几类，则可以从几种模型中选出 最接近的一类以定性。例如，在石油化工中，可以用定性的方法指出某一个样品 汽油是属于直馏、催化裂化还是重整工艺的产品。在织物的分类中，可以区别毛 纺、棉纺、涤纶及棍纺等不同的纤维类型。 5 不破坏样品，不用试剂，故不污染环境 近红外光谱分析中只是取得样品的光谱信号，有时甚至可以在原容器中进行 测定，因此不需要其它试剂，样品测定后一般可以送回原生产地或容器，因此测 试过程中不会产生任何污染。 6 测定速度极快 近红外光谱的信息必须由计算机进行数据处理及统计分析，一般一个样品取 得光谱数据后可以立刻得到定性或定量分析结果，整个过程可以在不到2 m i n 内 完成。近红外光谱技术的另一个特点是通过样品的1 张光谱可以计算出样品的各 种组成或性质数据。当然，如前面所提到的，这种快速分析是建立在已有模型基 础上的，也就是说必须事先对这类样品的光谱及各种性质的关联作好时期工作。 已有一些商品模型可以购买，以节省很多建模的费用及时间。 7 不适合于痕量分析及分散性样品的分析 如果面对的样品仅有几毫克或要分析的组分在样品中的含量仅有1 1 0 ， 近红外光谱分析是有困难的，最好去寻求另一种方法。 6 u 已说明，建立近红外光谱方法之前，必须投入一定的人力、物力和财力才 能得到一个准确的校正模型。因此，对于经常的质量控制是十分经济且快速的， 但对于偶然做一二次的分析或分散性样品则不太适用。 1 4 近红外光谱在人体血糖中应用的国内外现状 近年来，国内外在近红外光谱对血糖分析方面进行了许多研究，取得了一些 进展，有关论文和报道大量增加。 h e i s e 等人提出使用去水样品和短光程的方法，来排除由于水的吸收率较大 而形成的干扰，运用漫反射技术来建立血糖浓度的校正模型。在无创测量人体血 糖浓度方面，采用人体口腔内静脉血作为样品收集，光谱的采集区间为两个水的 吸收峰较高处5 2 0 0 c m 。和6 9 0 0 e m 。之间的区域。这样建立的校正模型误差大约 在2 5 m r n o l l ( 4 5 m g d l ) 左右。 第一牵0 【苦 麻省理工学院机械工程部的k a m a ly o u c e f - t o u m i 等人认为，用近红外测量葡 萄糖浓度时，近红外区分布着葡萄糖吸收信号的合频和倍频，葡萄糖的吸收峰在 4 4 3 0 c m 。( 2 2 5 7 n m ) 处。温度的变化对葡萄糖的吸收也有影响，影响无创血糖测量 的关键因素为：信噪比较低；测量的不可重复性。同时，水在5 4 0 0 c m 一6 4 0 0 c m 。 和4 3 0 0 c m 4 8 0 0 c m “处透过率较大，而在4 3 0 0 c m 4 8 0 0 c m 。处重复性比较 高，因此选用这一波段来对葡萄糖浓度进行回归建模。 德克萨斯州a & m 大学的m i c h a e lj m c s h m l e 等人，在用近红外光谱对血糖 浓度的测量中，认为葡萄糖浓度在5 0 0 0 c m 4 0 0 0 e m 。( 2 0 u m 一2 ，5 u m ) 的吸收峰 比较明显，因此选用这一波段的葡萄糖吸光度的数值采用逐步选择法来确定子 集，并使用偏最小二乘法来建立校正模型，取得了比较理想的结果。 c h r i s t o p h e rs m c n u l t y 和g a n a p a t im a u z e 等人运用小波分析的方法对血糖的 浓度进行分析，他们发现在4 5 5 0 c m 。- - 4 1 5 0 c m 。处，水对近红外光吸收相对较小， 并且在这段区域血糖有比较明显的吸收峰。因此他们利用这段来进行小波分析。 b r u m e i s t e r 等人用舌头作为检测部位，在1 4 0 0 2 0 0 0 n m 范围内对葡萄糖的无 创性测定进行了研究。最近他们对五个i 型糖尿病患者进行了3 9 天的透射研究， 每天测5 次，他们用这种方法减少了由临时影响带来的问题。对不同的个体都建 立了p l s 定标模型，并用其预测样本的浓度。 s t e p h e nf m a l i n 等人用1 0 5 0 n m 2 4 5 0 n m 的漫反射光谱用于人体无创血糖浓 度测试中。他们采用两种方法来建立血糖浓度的预测模型：第一种是采集7 个糖 尿病人在3 5 天中任意选取的多个血糖浓度的近红外光谱图。第二种是用3 个健 康人采用口服耐糖监测，在数天中，每隔3 5 个小时收集他们的近红外光谱，来 观察他们血糖浓度的变化。实验结果是：用糖尿病人血糖的近红外光谱做出的校 f 模型其标准偏差为1 4 l m m o l l ( 2 5 m g d l ) ；乖i 用健康人1 2 1 服耐糖实验中血糖的 近红外光谱做出的校正模型的标准偏差是1 1 m m o l l ( 2 0 m g d l ) 。这说明用波长 1 0 5 0 n m 一2 4 5 0 n m 之间的近红外光进行无创漫反射实验所建立校正模型是可行 的，但模型的长期稳定性和可靠性还待研究。 国内对人体血糖近红外光谱的研究起步较晚，由于受条件的限制，与国外相 比落后许多，相关论文和报道也较少。上海中医学院莫希等人仿照双波长血氧饱 和仪的原理建立了血糖连续、无创、定量检测的数理模型进行了理论上的推导。 北医大沈韬等人利用代有中红外的傅立叶分光光度计对血糖进行了非损伤性测 人体血糖浓度近红外光精校正模型的建证 定。中国医科大学的沙宪征等人在经皮负压抽吸装置和酶一葡萄糖传感器测定血 糖方面进行了一些研究工作。大力丌展这方面的研究，跟踪、超过国外水平，有 相当的重要性和紧迫性。 1 5 论文研究的内容和论文的安排 综上所述，近红外光谱在各个领域中的应用前景十分广阔，尤其是在医学领 域。本次论文的题目是：人体血糖浓度近红外光谱校f 模型的建立。本论文是结 合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所二期创新项目完成的。如果能利用 血糖在近红外区的吸收光谱在其特征吸收峰的范围内建立校正模型，这样就能放 弃现有的采用试剂测量血糖的方法，不但降低了检测成本，还能快速准确地得到 血糖的浓度值。所做的这些工作将推动近红外光谱在医学领域中的进一步应用并 为下一步无创测量血糖积累了经验。为了完成这个论文，我主要做了以下的工作： 1 、葡萄糖粉末的近红外光谱测量。2 、盛装葡萄糖粉末所用容器的设计及加工。 3 、葡萄糖溶液近红外光谱的测量及校j 下模型的建立。4 、人体血糖近红外光谱的 测量及校币模型的建立。 论文的安排：本论文主要分为四部分，在第一部分主要介绍近红外光谱的产 生及光谱特性；第二部分详述了光谱仪的基本特性并详细介绍了本次论文中使用 的傅立叶红外光谱仪；第三部分介绍了近红外光谱分析中常用的数学方法，并主 要介绍了本次论文中使用的偏最小二乘法；第四部分详述了从葡萄糖粉末、葡萄 糖溶液到人体血糖的近红外光谱校正模型建立的整个过程，并给出了最终的实验 结果。 第二幸近红外光谱的产生及光谱特性 第二章近红外光谱的产生及光谱特性 2 1 近红外分子振动光谱 习惯上，往往把红外区分为三个区域。波长7 8 0 h m 至2 5 2 6 n m 的区域称作近 红外区。波长2 5 0 0 h m 至2 5 0 0 0 h m 的区域称作中红外区，绝大多数有机化合物和 许多无机化合物的化学键振动的基频均在此区域出现。波长2 5 u m 至1 0 0 0 u m 的 区域，称作远红外区。一般，近红外常用波长n m 表示光谱位置与范围，而中红 外则常用频率或波数c m 。表示。 近红外光是电磁波，它具有光的属性，即同时具有“波”及“粒”的二重性， 因此，我们对光的能量也可以用光子表示。量子力学理论认为，光子能量为：昂= b y ( 其中h 为普郎克常数，v 为光的频率) 。近红外的光子能量同样可以使用上述公 式定量描述。从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质 二，如果 分子没有产生吸收，则光穿过样品，该物质分子为非红外活性分子；否则，为红 外活性分子。只有红外活性分子中的键爿能与近红外光子发生作用，产生近红外 光谱吸收。分子在红外光谱区内的吸收产生于分子振动或转动的状态变化或者分 子振动或转动状态在不同能级间的跃迁。这些能量跃迁可以通过量子力学理论进 行阐述。描述上述几种跃迁常使用谐振子( h a r m o n i co s c i l l a t o r ) 和非谐振子 ( a n h a r m o n i co s c il l a t o r ) 模型。能量跃迁包括基频跃迁( 对应于分子振动状态在 相邻振动能级之间的跃迁) 、倍频跃迁( 对应于分子振动状态在相隔一个或几个振 动能级之问的跃迁) 和合频跃迁( 对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃 迁) 。所有近红外光谱的吸收谱带都是中红外吸收基频( 4 0 0 0 1 6 0 0 c m - 1 ) 的倍频及 合频。很多基频可以粗略地用以下公式计算，即原子间的键能是由一个理想的双 原子谐振子产生的，其振动频率符合虎克定律( h o o k sl a w ) 。 y = i 2 i “2 1 ) 式中v 振动频率； 卜经典力常数； 旷一二原子的化简质量。 式( 2 1 ) 对于真正的双原子分子很适用，且对于在一个多原子的分子中2 个原子 的伸缩振动的平均值也是接近的。但对于真正的红外谱图只能求得峰的中心频 人体血糖浓度近红外光谱校正模型的建屯 率；此外，对c h 、o h 及n h 双原子键其折合质量分别为0 8 1 、0 8 9 及0 8 7 ，所 得频率十分接近。好在在真的分子中i 临近原子上电子的吸引及振动会改变键能、 键长及振动频率。这是为什么真实的光谱是可以区别上述三种化学键的原因。已 知吸收光谱是量子化的，产生于谱线不同的能级跃迁。对双原子分子中能级的描 述可以简化为下式： e v = ( v + 1 1 2 ) h 2 尼“( 2 - 2 ) g = o ，1 ，2 ， 也是可以用量子数表达为： e v = ( 一1 2 ) hv( 2 - 3 ) 或 。) _ 3 n - 6 ( v ，+ 1 2 ) h ； ( 2 4 ) f u ，l ，z ， 如果能级是从0 到l ，不论是什么振动频率都称作基频；而能级跃迁是从0 到 v = 2 或3 时，则称作倍频。如果一个光子的能量同时激发二种基频的跃迁，则分 子在光谱中的吸收峰位胃等于这种基频振动频率的和，或称这种吸收为合频，其 实倍频是混频的一种特殊情况。本来倍频及合频是不允许的，但是由于非谐振现 象或费米( f e r m i ) 共振会产生较弱的吸收谱。因为在分子中2 个原子上的电子会 使2 个核不能完全接近，其间会有一个能量阻力。因此，各能级在非谐振中并不 是相同的，随着能量的增加各能级之间的距离缩小。可以用以下两式表示： e v = ( 汁l 2 ) b w e x e - ( 时1 2 ) w e x e + ( 2 5 ) w e = ( ：2 ) 胁“( 2 - 6 ) 式中 肫、托一非谐振常数； i 舱谐振为常数。 一般舱为0 0 1 o 0 5 ，故3 5 0 0 n m 的倍频会是v = 3 5 0 0 2 + 3 5 0 0 x 0 0 1 ， 0 0 2 ， = 1 7 8 5 1 9 2 5 ( n m ) ，会比基频的一半多一个小数值。从能量的角度看， o h ，s h ，n h 和c h 等键的倍频强度会比基频小1 0 至1 0 0 0 倍。按照0 5 的 非谐振性计算羟值的基频为5 7 1 4 n m ，其倍频为3 0 0 0 n m ，二级倍频会在1 3 7 0 h m 附 近，但强度更弱。 12 第二章近红外光谱的产生及光谱特性 在一个多原子分子中，会有3 n - 6 种能级( n 为原子数) ，在这样大量的能级 中，常常会出现其中有2 个能级是十分接近的，这种情况称作意外选律 ( d e g e n e r a c y ) ，这时会产生f e r m i 共振，谱图中会出现不能用已知计算方法得到 的谱线。出现f e r m i 共振时，二个能级会相互排斥，一个向上，另一个向下，其 移动的距离相同，这种排斥与非谐振值有关。非谐振值愈大，则共振现象愈明显， 有时2 个能级相差5 0 c m 。时会出现共振。例如，二氧化碳分子中o - c 一0 的弯曲振 动是在6 7 6 c m ，而c - - o 的不对称伸缩振动也在近似的位置，结果二氧化碳的倍 频振动光谱在1 3 8 8 c m l 和1 2 8 6 c m “处出现2 个谱带，而不是1 3 4 4 c m 。1 或1 3 3 0 c m 。 在近红外区这种现象常常不能分辨，而是藏在一个宽峰或重叠峰下面。能吸 收近红外光的分子主要有两种振动模式：伸缩和弯曲。伸缩振动是指组成化学键 的两个原子沿着键轴方向连续变化的振动。弯曲是指两个原子成键角变化的振 动。大多数近红外光谱有着不同于中红外光谱的信息特征。从频率范围划分，近 红外光谱的波数在4 0 0 0 c m 以上(即2 5 0 0 n m 以下) ，因此，只有振动频率在 2 0 0 0 c m “以上的振动，才可能在近红外区内产生级倍频，而能够在2 0 0 0 c m 以上产生基频振动的主要是含氢官能团，如c h 、n h 、s h 和o h 的伸缩振动。 其它官能团，如羧基碳与氧原子的伸缩振动、c n 伸缩振动、c - - c 等的伸缩振 动在近红外区仅能产生多级倍频。这些多级倍频的信号强度很弱，如羰基的伸缩 振动在1 7 5 0 c m _ 。，一级倍频应在3 0 0 0 n m 左右，较弱的二级倍频约在2 1 0 0 n m ，三 缴倍频在1 6 5 0 h m ，这些倍频通常被含氢官能团的一级或二级倍频所掩盖。更弱 的四级倍频在1 3 7 0 h m ，但是其强度太弱，以致对有机物分析没有什么用处。 精确近红外谱带的归属很困难，因为每个近红外谱带可能是若干个不同基频 的倍频和合频谱带的组合，没有锐峰和基线分离的谱峰，大量的是重叠谱峰和肩 峰。另外，影响近红外谱带位置变化的因素也较多。如氢键的影响，使谱带向长 波长方向移动；溶液稀释和温度升高，使谱带朝短波长方向移动。可以观察到移 动的幅度在几纳米到5 0 纳米的范围。近红外光谱包含了键强度、化学组分、电 负性和氢键的信息。对于圃体样品，很多其它信息，如散射、漫反射、特殊反射、 表面光泽、折光指数和反射光的偏振等都被加载到样品近红外光谱上。这些都使 近红外光谱的解析复杂化。这也是造成近红外区曾经一度被“遗忘”的原因。这 意味着在信息的提取方式及用途上，近红外光谱与中红外光谱将有大的区别。 近红外能量范围及光谱特征与紫外、可见和中红外光谱的比较参见表2 一l 。 人伴m 糖浓度近红外光谱校j 下模型的建赴 表2 1几种光谱的能量及光谱特性比较 光谱范围波长1 3 i n光谱特性 紫外 1 9 0 3 6 0 离域n 电子的跃迁：如芳环特性等 可见光 3 6 0 7 8 0 电子跃迁：如颜色的测量 近红外 7 8 0 2 5 0 0 分子振动基频的倍频和合频的谱带 中红外 2 5 0 0 - 4 0 0 0 0 基频分子振动：伸缩、弯曲、摇摆和剪切 基频及倍频谱带在强度上存在着数量级的差别，表2 2 列出c _ 一h 键近红 外与中红外谱带强度比较情况。近红外信息与紫外信息强度比较，低2 4 个数 量级。 表2 - 2c h 键近红外与中红外谱带强度的对比 谱带波长r i m相对强度 需用的光程c m 基频 3 3 8 0 3 5 1 0lo 0 1 - 0 4 一缴倍频 1 6 9 0 - 1 7 5 5o o lo 1 2 二级倍频 1 1 2 7 1 1 7 0o 0 0 10 5 - 5 三级倍频 8 4 5 8 7 80 0 0 0 15 1 0 四级倍频 0 0 0 0 0 51 0 2 0 物体对光的散射随着波长的减短而增大，近红外波长比中红外波长短，因此， 近红外更适于作漫反射和散射光谱分析。 适用于近红外光谱区的光学材料比中红外的多，如表2 3 所示。与中红外 相比，用可透过近红外光的普通玻璃和石英材料作光学材料，不仅降低了材料费 用，也有利于光学器件的维护，还可使用光纤传输，使得近红外光谱测量更容易。 表2 3 适用于近红外光谱区的光学材料性能 透过范围水中溶解度 材料 波长n m波数c m 。 折射率 g ( 1 0 0 9 ) “ 熔融石英 18 0 3 3 0 015 5 5 5 3 0 3 01 4 60 石英 2 0 0 3 3 0 05 0 0 0 0 3 0 3 01 5 40 火石玻璃 3 5 0 2 2 0 02 8 5 7 2 - - 4 5 4 51 6 6 0 c a f1 2 0 1 2 0 0 08 3 3 3 3 8 3 8 1 4 30 0 0 1 6 n a c l 3 0 0 - 17 0 0 03