（测试计量技术及仪器专业论文）基于中红外透射光谱法的血糖浓度测量仪器研究.pdf

中文摘要 血糖监测对于糖尿病患者来说具有十分重要的意义，现有的生化检测方法需 要消耗试剂且测量速度较慢，因此我们尝试以光学的方法对血糖浓度进行检测。 本课题研究的内容是基于中红外光谱测量原理的血糖浓度测量方法，这种方法的 意义在于它不仅可以取代传统生化检测方法达到节省耗材和快速测量的目的，而 且也是无创检测血糖浓度的前提和基础。 本文在对中红外血糖测量的原理、方法进行探索的基础上，将重点放在了觑 糖测量仪器的研制方面，设计了基于中红外光谱测量原理的人体血糖浓度测量系 统样机。 我们通过f t - i r 光谱仪上的一系列实验，证实了中红外光谱法测量血糖浓度 的可行性，并能达到较高的精度。根据红外光谱法中的最佳光程长理论，实验得 出了对于中红外单波长测量血液样品的的最佳光程长的近似值。 仪器研制方面，我们以上面的方法研究为基础，采用最新的小型二氧化碳激 光器作为红外光源，用运动控制器和位移执行器组成的波长控制系统改变激光器 输出波长，用热释电检测器作为接收器件，采用双光路参比结构设计出了基于中 红外光谱测量原理的单多波长血糖浓度测量装置，编制了用于测试系统的波长 切换控制、数据采集和信号处理的配套软件。特别是在血糖浓度测量系统中采用 以往研究中较少采用的透射方式进行测量和系统性能评价，测量装置的信噪比可 达万分之五，稳定性在千分之六左右。由本套装置在1 0 8 0 c m 。单波长下，采用 透射方式完成了葡萄糖水溶液和全血测量实验，全血中建模结果相关系数为 o 9 7 5 。实验比较了透射方式和a t r 方式在测量效果上的差异，认为透射方式由 于增大了测量光程长，使之更接近最佳光程长，因此得到了比a t r 方式更高的 测量灵敏度，而且将每次测试所需的样品量从2 m l 减少到了o 0 5 m l 。此外，还对 测试系统样机进行了多波长测量方式的尝试。 关键词：中红外光谱，透射，衰减全反射，血糖检测，热释电，二氧化碳激 光器 a b s t r a c t b l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gi sv i t a lf o rt h ed i a b e t i c s t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s h a v et oc o n s u m et h eb i o c h e m i c a lr e a g e n t sa n dl a s tal o n gm e a s u r i n gp e r i o d s ow e a t t e m p tt oa c h i e v et h eb l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n tb yo p t i c a lm e t h o d t h i sp a p e ri s c o n c e n t r a t e do nt h em e t h o d o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o nf o rb l o o dg l h c o s em e a s u r e m e n t b a s e do nm i d - i ra t r s p e c t r o s c o p y , f o ri tn o to n l yp r o v i d e sa ne c o n o m i cw a yt o a v o i db i o c h e m i c a lt e s tm e t h o d s ，r e d u c em a t e r i a lw a s t a g ea n ds p e e du pm e a s u r e m e n t ， b u ta l s oi ti st h ei m p o r t a n tb a s eo f n o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n t w eu s e df t - i rs p e c t r u mt o d e s i g nas e r i a lo fe x p e r i m e n t s t h r o u g ht h e s e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f m e a s u r i n gt h e c o n c e n t r a t i o no f b l o o dg l u c o s eb y f t - i rm e t h o da n di tc o u l da c h i e v el l i g hp r e c i s i o n w eg o tt h ea p p r o x i m a t e l yv a l u eo f o p t i m a lp a t h l e n g t ho fm i d - i rs i n g l ev a r i a b l eo fw h o l eb l o o db yt h et h e o r yo fo p t i m a l p a t h l e n g t hi ni rs p e c t r u m b a s e do nt h em e t h o da n dr e s u l tm e n t i o n e da b o v e ，w eb u i l tf ls a m p l ei n s t r u m e n t f o rb l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n ti nt e r m so fs i n g l ea n dm u l t i w a v e l e n g t h ，i nw h i c ha n e wm o d e lm i n i a t u r ec 0 2l a s e rw a su s e da st h ei rs o u r c ea n dt h ep y r o e l e c t f i c d e t e c t o ra st h ed e t e c t i o nd e v i c e i no r d e rt oc h a n g et h eo u t p u tw a v e l e n g t hw e d e s i g n e dac o n t r o ls y s t e mc o n s i s tw i t ht h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h el i n e a ra c t u a t o r a d u a lb e a ms c h e m eh a sb e e na d o p t e df o rt h eo p t i c a ls e t u p a l s o ，w ed e v e l o p e dt h e r e l e v a n ts o f t w a r ef o rt h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s t h es i g n a l t o n o i s er a t i of s n r ) o ft h ei n s t r u m e n ti s1 0 0 0 0 ：5a n dt h es t a b i l i t yi sa p p r o x i m a t e l y6 ob yt r a n s m i s s i o n m e t h o d w ef i n i s h e dt h ee x p e r i m e n t so fg l u c o s ei nw a t e rs o l u t i o na n dw h o l eb l o o db y t r a n s m i s s i o n ，t h es i n g l ew a v e l e n g t hi s10 8 0 c m 1a n dt h er e s u l tc o e f f i c i e n to fw h o l e m o d e li s0 9 7 5 i nt h i sd e v i c e t h r o u g hc o m p a r i n gt h et r a n s m i s s i o na n da t rm e t h o d ， w et h i n kt h et r a n s m i s s i o nm e t h o da d dt h em e a s u r e m e n tp a t h l e n g t ha n dm a d ei tm o r e a c c e s st ot h eo p t i m a lp a t h l e n g t h ，s oi tc a ng e th i g h e rm e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yt h a n a t rm e t h o da n dt h ec o n s u m eo fs a m p l ec a nd e c r e a s ef r o m2 m lt oo 0 5 m lb y t r a n s m i s s i o n f i n a l l yw ea t t e m p t e dt h em u l t i w a v e l e n g t hm e t h o db yu s i n gt h i s m e a s u r e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：m i d - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , t r a n s m i s s i o n a t t e n u a t e dt o t a 】 r e f l e c t i o n ( a t r ) ，b l o o dg l u c o s e m e a s u r e m e n t ，p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r , c 0 2l a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑篆砖签字日期：2 0 0 r 年f 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ；艺海 导师签名 讯一 签字日期：三。日f 年f 月f 同签字日期：五憎z ，年月j 。日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 糖尿病是现代疾病中威胁人类健康的第二杀手，其对人体的危害仅次于癌 症，作为一种较为普遍的内分泌疾病，它对人们的身心健康危害越来越大，而且 有扩大化和年轻化的趋势。糖尿病最大的危险来自其引发的各种并发症，糖尿病 患者由于血糖浓度异常而导致体内代谢紊乱，易引起糖尿病酮症、心脑血管 病变、肾病、眼病、肢端坏疽和感染等严重并发症。 据报道，1 9 9 7 年全世界的糖尿病患者超过- - 4 z 两千万，而这个数字到2 0 1 0 年将增长n - - - 亿二千万以上。同样，我国近年来糖尿病患者人数也呈迅速增加 的趋势。糖尿病其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。 迄今为止，还没有彻底根治糖尿病的医学手段。目前在对糖尿病的治疗过程 中，主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生以及对症处理并发症， 特别是通过频繁地监测血糖浓度并精确、及时地以此为据调整口服降糖药物和胰 岛素的用量。因此，实时的监测血糖浓度，是治疗糖尿病的关键，也是预防糖尿 病严重并发症的有效措施。 目前，临床中对血糖浓度的检测方法是利用生化试剂或酶与血液或血浆发生 作用，通过试剂的消耗量或与酶作用后的颜色深浅变化来定性或定量地表示血糖 浓度的高低。这种方法的缺点在于需要不断地消耗生化试剂，而且测量速度较慢， 试剂及相关耗材处理不当还可能会造成污染。另外，现在市场上又出现了一些家 用便携式血糖测量仪，其测量原理多是基于电化学的测量理论对血液与配套试纸 的相互作用进行检测，尽管它们具有方便、操作简单等优点，但总体来说精度都 不是很高，而且依然不能摆脱消耗试纸的缺点。 红外光谱测量方法作为绿色检测技术的代表，是进行微创及无创血糖检测研 究的主流方向。然而目前，有创采血样测量血糖浓度方法的精度不是很高，无创 血糖测量仪还没有研制成功，因此研究有创条件下高精度测量血糖浓度的方法和 仪器是十分有意义的，它不仅可以取代传统生化检测方法达到节省耗材和快速测 量的目的，而且也是无创检测血糖浓度的前提和基础。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 用中红外光谱法测量血糖浓度，国外研究机构已经做过了大量的基础研究工 作，也取得了一些阶段性的成果，但总体上仍都停留在实验阶段，没有实际的成 功应用案例及相关仪器的开发。 到目前为止，衰减全反射( a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n ，a t r ) 方法一直是中 红外光谱法测量血糖浓度的主流方法。德国的光谱化学与应用光谱研究所i s a s ( t h ei n s t i t u t eo fs p e c t r o c h e m i s t r ya n da p p l i e ds p e c t r o s c o p y ) 中的h m h e i s e 和 r m a r b a c h 等人进行了较为系统和深入的研究。他们在1 9 8 9 年发表的两篇文章1 中采用中红外a t r 测量方式结合多变量数据建模方法分别对血浆中的各临床生 化检测指标以及全血中的葡萄糖含量进行了比较细致的研究，血浆和全血中葡萄 糖定量建模的结果分别是2 2 o r ；【g ，d l 和1 9 8 m g d l 。随后在1 9 9 4 年，h m h e i s e 和r m a r b a c h 等人又发表了一篇更为详尽的用中红外a t r 光谱法测量血浆中的 各临床生化检测指标的论文【3 】，其中详细地介绍了实验装置、参考值测定和建模 方法等方面的改进，葡萄糖的测量精度也提升到了1 0 4 0 m d l 。此外，k j w a r d 等人也都进行了类似的研究，不同之处主要在于数据处理及建模方法上的差异， 他们发表的论文1 4 】中全血中的葡萄糖的测量精度为1 4 4 m g d l 。 与红外光谱分析密切相关的多元数据处理与建模方法也连同中红外a t r 光 谱法测量血糖浓度研究的深入而逐渐发展，p r a s h a n tb h a n d a r e 等人对中红外a t r 光谱法测量血糖浓度的数据建模方法做了较为深入的研究，他们将人工神经元网 络( a n n ) 与传统的偏最小二乘方法( p l s ) 相结合将全血中葡萄糖浓度的预测 精度由2 1 5 m d l 提升至1 5 6 m g d l ”，并且他们对测量血浆中各成分含量的各 种多元数据建模方法进行了较为全面的比较1 6 】。另外h m h e i s e 等人对中红外 a t r 光谱法测量血糖浓度的误差分析 7 1 以及a n d r e wj b e r g e r 等人对多元数据建 模的误差估计i s 也都作了较为深入的研究。 测量仪器研制方面，利用c 0 2 激光器作为红外光源结合a t r 测量方式对血 液中的生化指标进行测量的方法可以追溯到1 9 7 9 年，德国的k a i s e r 于当年首先 提出了此种方法，并申请了专利 9 1 ，他在此专利中描述了这一方法的基本原理、 系统构建以及实验方法，并有测量血糖浓度的定性实验结果，但没有作定量的分 析。此后，美国伍斯特工学院( w p i ) 的t z h a km e n d e l s o n 等人在这一领域进 行了较为深入的研究，他们采用单一波长和最小二乘建模方法对猪血【lo 】及人血【l l 】 中的葡萄糖含量进行了测量，精度分别可以达到2 0 2 m g d l 和1 7 0 m g d l 。此后， 这一方法尚无发表出更好的测量精度结果。 采用中红外光谱法进行血糖浓度测量的研究中，虽然衰减全反射( a t r ) 测 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 量方式是主流方，但也有一些研究机构采用其它测量方式对此进行了有益的探 索。德国的r v o n a c h 等人采用c a f 2 窗样品池以中红外透射方法对全血中的葡萄 糖浓度进行了测量【l “，测量精度为1 3 8 m g d l 。此外，捷克的gb u d r n o v a 等 人将血液和血浆凝固制成千态聚乙烯贴片再用中红外透射方法对血糖浓度进行 了测量i l ，血浆测量精度为1 6 9 m g d l ，全血的测量精度为2 3 6 m g d l 。 值得指出的是，上述所列各项精度指标由于建模样品个数、参考值分布等因 素的影响，并没有绝对的可比性。r a n t h o n ys h a w 和h e n r yh m a n t s c h 在最近 的一篇详细综述【1 4 中的精度指标概况可以基本反映出当今世界该领域所能达到 的最高测量精度，即血浆中葡萄糖为1 0 4 r r i g d l ，全血中葡萄糖为1 4 4 m g d l 。 我国在这方面的研究起步较晚，能见到的相关论文较少。其中有北京医科大 学沈韬等人在1 9 9 6 年的用中红外光谱法非损伤性测定血糖的研究论文【l5 】及相关 专利【l ”，他们利用中红外光纤及a t r 针形探头附件对受试者的手指进行光谱测 量，以两个波长吸收峰强度的比值作为与葡萄糖浓度相关联的测量数据，得到了 一些定性的实验结果，但未见到后续的研究报道。上海师范大学的吴永祥等人用 c 0 2 激光器及功率计等装置采用a t r 方法对葡萄糖水溶液浓度及人的血糖浓度 的测量进行了研究【l ”，得到的也只是定性结果，并且同样没有后续研究报道。 综上所述，国际上各研究机构该领域该领域探索仍在继续，而且国内的相关 研究还比较落后，没有相关仪器的问世说明目前所达到的测量精度还有待提高。 基于这样的背景，我们选择了这一研究课题，它的成果不但可以单独作为中间产 品推广使用，而且对无刨血糖测量技术的研究也将起到推动作用。 1 3 本文的主要内容 本文以国内外相关理论、成果为依据，结合课题组内的相关成果，对中红外 光谱法测量血糖浓度的方法进行了较为系统的研究，在此基础上，尝试采用波长 可调谐小型二氧化碳激光器作为红外光源，以热释电检测器作为接收器件，采用 了以往相关研究中较少采用的透射方式，设计了一种基于中红外光谱测量原理的 单波长及多波长血糖浓度测试系统样机。 本文研究的内容概括如下： 第一章给出了研究课题的背景和意义，对国、内外在中红外光谱法进行血糖 测量方面的研究现状做一总结，最后介绍了本论文的主要内容。 第二章阐述了相关的测量原理，并通过对一系列我们在f t - i r 光谱仪上进行 的基础实验和方法研究的总结、分析，证实了中红外光谱法测量血糖浓度的可行 性，此外，通过实验得到了在中红外单波长下测量血液样品的最佳光程长的近似 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 值，为中红外血糖浓度测量装置的研究提供了理论依据。 第三章详细阐述了基于中红外光谱法的血糖测量仪的研制。主要包括：系统 整体设计、光学设计、电学设计、数据采集系统设计、仪器控制及数据处理软件 设计等。 第四章对该测量系统样机的性能进行了评价。在样机中采用透射方式进行血 糖浓度测量的尝试，通过在单波长下的葡萄糖水溶液及全血实验，对样机检测血 糖浓度的性能进行了分析，并和a t r 方式的测量结果进行了比较。此外，对测 试系统在多波长方式下工作进行了尝试。最后，结合测试过程中出现的问题，进 行了分析，并提出了改进的措施。 第五章总结了本课题的工作，并对该课题下一步的工作进行了展望。 二墨里奎兰竺主堂竺笙苎塑三兰! 塑! ! 堂堕婆到量血塑浓度的相关原理及可行性研究 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 本章首先对中红外光谱法测量血糖浓度所涉及到的基本原理和方法进行总 体的介绍，内容主要包括：红外光谱测量原理、傅立叶变换光曾仪、衰减全反射 和透射钡9 量原理以及红外光谱数据分析方法；进而对本课题蛆为验证中红外光谱 法测量血糖浓度的可行性而做的基础研究_ = 作做一总结。此外，通过实验得到了 中红外单波长方式下测量血液样品的最佳光程长近似值。 2 1 红外光谱测量原理 2 1 1 分子振动基本知识 红外波段按波长不同可划分为三个区域，根据美国材料实验协会( a s l m ) 的定义，波长7 8 0 r t m 2 5 0 0 n r n ( 1 2 8 2 0 4 0 0 0 c m 1 ) 的区域称为近红外区，波长 2 5 0 0 n m 2 5 0 0 0 n m ( 4 0 0 0 4 0 0 c m “) 的区域称为中红外区，绝大多数有机化合 物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域出现。 分予在红外谱区的吸收主要是由于分子振动状态的变化或者按量了的观点 是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的。 由量子力学的相关理论【1 目，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频。 分子可以通过共振吸收，对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的电磁波 产生吸收，这就是分子的基频吸收、各级倍频吸收与各种台频吸收。由有机物中 不同键伸缩振动和弯曲振动的力常数范围可咀推算出，有机物基频吸收的波数范 围约在中红外区。中红外谱区与分子的基频频率相一致，而近红外谱区与分子的 倍频、台频振动频率相一致。分子在中红外谱区的吸收是由于振动状态在相邻振 动能级之间的跃迁而形成的，而近红外谱区的吸收是由于分子振动的倍频或合频 组合吸收所造成的。中红外光普的备种信息特征都是由于这个基本特征所决定 的。 2 1 2 朗伯一比尔定律 红外光谱定量分析的理论基础是朗伯一比尔定律( l a m b c r t b e e r s l a w ) 1 9 1 o 当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部分被吸收称为吸收光l ，一部分透过 当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部分被吸收称为吸收光七，一部分透过 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量姐糖浓度的相关原理及可行性研究 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 本章首先对中红外光谱法测量血糖浓度所涉及到的基本原理和方法进行总 体的介绍，内容主要包括：红外光谱测量原理、傅立叶变换光谱仪、衰减全反射 和透射 贝9 量原理以及红外光谱数据分析方法；进而对本课题组为验证中红外光谱 法测量血糖浓度的可行性而做的基础研究工作做一总结。此外，通过实验得到了 中红外单波长方式下测量血液样品的最佳光程长近似值。 2 1 红外光谱测量原理 2 1 1 分子振动基本知识 红外波段按波长不同可划分为三个区域，根据美国材料实验协会( a s t m ) 的定义，波长7 8 0 n m 2 5 0 0 n m ( 12 8 2 0 4 0 0 0 c m 1 ) 的区域称为近红外区，波长 2 5 0 0 n m 2 5 0 0 0 n m ( 4 0 0 0 4 0 0 c m 1 ) 的区域称为中红外区，绝大多数有机化合 物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域出现。 分子在红外谱区的吸收主要是由于分子振动状态的变化或者按量子的观点 是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的。 由量子力学的相关理论【18 1 ，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频。 分子可以通过共振吸收，对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的电磁波 产生吸收，这就是分子的基频吸收、各级倍频吸收与各种合频吸收。由有机物中 不同键伸缩振动和弯曲振动的力常数范围可以推算出，有机物基频吸收的波数范 围约在中红外区。中红外谱区与分子的基频频率相一致，而近红外谱区与分子的 倍频、合频振动频率相一致。分子在中红外谱区的吸收是由于振动状态在相邻振 动能级之间的跃迁而形成的，而近红外谱区的吸收是由于分子振动的倍频或合频 组合吸收所造成的。中红外光谱的各种信息特征都是由于这个基本特征所决定 的。 2 1 2 朗伯一比尔定律 红外光谱定量分析的理论基础是朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e r sl a w ) f 。 当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部分被吸收称为吸收光厶，一部分透过 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 溶液称为透射光五，一部分被器皿反射称为反射光，若入射光为如，则而= 厶+ 五 + 。一般情况下，器皿反射光恒定，且可减小到极小值，则而一厶+ 五。 朗伯定律：一束一定波长的单色光通过一定浓度的均匀溶液时，光强度的减 弱与液层( 光吸收层) 厚度b 的增加成正比： l n ( 1 0 i ，) = 口b ( 2 1 ) 比尔定律：一束一定波长的单色光通过溶液层厚度一定且均匀的可吸收光的 溶液时，光强度的减弱与溶液浓度的增加c 和入射光强度成正比： 瓯，o i f ) = 口2 c ( 2 - 2 ) 两定律合并，即称为朗伯一比尔定律，可以将它看作是上述分子振动原理的 宏观表示，对于含 种物质成分的混合溶液而言，其完整的数学表示式为： 其中： a = l n ( i o 1 ，) = 1 n ( 1 ，) = a 。( 五) = 口。( 五) 三q ( 2 3 ) a ：吸光度，是波长的函数 厶：入射辐射强度 五：透过辐射强度 三：吸收层厚度( m ) g ：成分n 的浓度( m g d l ) n 。：成分 的吸光系数( m g d l 皿) n 透过率= o 对于吸光系数a ，它是物质本身的固有性质。实验证明，不同浓度的同一物质在 相同波数处具有相同的吸收系数；对于每一物质，不同波数处其吸光度系数不同。 公式( 2 - 3 ) 的适用条件为： ( 1 ) 吸收过程中各物质问无相互作用，但各物质的吸光度具有可加合性： ( 2 ) 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，无荧光、散射光等化学现象： ( 3 ) 吸收物是一种均匀分布的连续体系。 本文中实验用到的样品大都是均匀分布的液体，所以符合朗伯一比尔定律。 根据这一定律可将傅立叶变换红外光谱仪测得的谱图根据需要转换为不同的吸 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 收谱，大体可分为以下三种情况： ( 1 ) 吸光度4 ，即一= l n ( 厶) ，其中o 为放置空样品池时的能量光谱，五 为放置被测样品时的能量光谱，本文中我们将其称之为样品扣除空气背景得到的 吸光度值； ( 2 ) 吸光度差枷，如下式： d 4 = a 样品一彳纯永 i n ( o i , 样品) 一l n ( ，o i l 纯水) 】= l n ( 纯水i t 样品) ( 2 - 4 ) 其中i 。样品为被测样品的能量光谱，。纯水为与被测样品相邻测量的纯水的能 量光谱，本文中我们将其称之为样品扣除水背景得到的吸光度值； ( 3 ) 原始能量e ，即直接对样品测量得到的能量光谱。 2 1 3 衰减全反射测量原理 根据光传输原理，当光以大于临界角的角度从光密介质r 1 1 传输到光疏介质n 2 时，会在界面上发生全反射现象。但从微观上讲，根据电动力学的实验和理论， 光并不是在界面就发生了全反射，而是有部分光还是进入了光疏介质n 2 中，这种 现象就称为衰减全反射，如图2 1 所示。 将荧光物质渗入到介质n 2 中，紧挨介质n l ，当发生全反射时，观察到介质 啦底层发出荧光，由此实验可以说明光的确进入到了介质n 2 。 l i a h to u t 图2 - 1 衰减全反射现象 按电动力学和电磁波在介质中的传播理论【1 9 1 ，可导出光射入到介质n 2 中的 深度为： 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 略2 警南丑2 石4 s i n 2 0 - ( n 2 n 1 ) 2 沼s ， 其中： o ：光在真空中的波长： 。l ：光在介质n l 中的波长 0 ：光的入射角 n l ：介质n l 的折射率 n 2 ：介质n 2 的折射率 由式( 2 - 5 ) 可知，光射入到介质2 2 中的深度磊与以下的三个因素有关：( 1 ) 光在介质n 1 中的波长；( 2 ) 待测样品和晶体材料的折射率之比 ：啊；( 3 ) 入射 角0 。 穿透深度如与 。l 成正比，不同波长的瓜光透入样品层的深度不同，在长 波时穿透深度大，因此a t r 谱在不同波束区间的灵敏度也不同。在长波处吸收 峰因透入深度大而使峰增强，在短波处吸收峰则较弱，这是是a t r 谱在短波区 域灵敏度低的原因。 样品折射率抛与m 波长有关，一般在发生吸收的波长处，样品折射率变化 强烈，协与晶体材料的折射率 j 的比值也会随之改变。这种变化将对光谱形状 产生影响，若这种变化导致此波长处不再发生全反射，则产生“失真”现象。避 免产生“失真”现象的方法一般有两种：( 1 ) 所用晶体材料的折射率在整个测量 区间都明显大于样品的折射率( 包括吸收处折射率) ；( 2 ) 入射角的选择应留有 一定余量。 入射角扫与穿透深度的关系见图 2 2 ，由图可知，入射角越小，穿透深 度越大，入射角趋向于临界角时，穿 透深度趋向无穷。另一与穿透深度有 关的因素是a t r 晶体反射面与样品的 接触效率，应尽可能使样品与a t r 板 反射面严密接触，这是获得高质量 a t r 谱的重要条件。 能 隧 划 低 l l l 图2 - 2 入射角与穿透深度的关系 由上述分析可知，全反射现象不完全在两种介质的界面上进行，部分光束要 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 进a n 介质r 1 2 一段距离后才反射回来，d 区域( 图2 - 1 ) 对光的吸收可使入射光 和反射光的能量产生差异，这一特性可被用于进行光谱测量。透入到介质n 2 的 光束其强度随透入深度的增强按指数规律衰减，而透入深度又与光波长、入射角、 晶体材料折射率、样品折射率等因素有关。关于影响透入深度的光波长因数和 a t r 晶体反射面与样品的接触效率可以通过a t r 校正系统加以校正。 2 1 4 多重衰减全反射 经过一次衰减全反射，光透入样品的深度有限，样品对光吸收较少，因此光 束能量变化也很小，所得光谱吸收带弱、信噪比差。为了增加吸收峰强度，提高 测量信噪比，现代a t r 附件采用增加全反射次数的方法使吸收带增强，这就是 多重衰减全反射，其光路如图2 - 3 所示。 上 d t 图2 - 3 多重衰减全反射 光在晶体内的全反射次数与晶体材料长度三和厚度d 以及入射角口有如 下关系： n = ( 三d ) c o s 口 ( 2 6 ) 全反射附件中使用的a t r 晶体的长度三和厚度d 是固定的，而入射角可在一定 范围内变化，由式( 2 6 ) 可知减小入射角能够增加全反射的次数，使光束与样 品作用次数增加，也就增加了光程长，因此可以提高信号测试的灵敏度。 2 1 5 透射法 透射方法是红外检测最常用的检测方法，原理简单，易于实现。透射光谱一 般用于均匀透明的真溶液或固体样品，测量得到的吸收光谱符合比尔一朗伯定 率。吸收峰的强度主要取决与特定波长下样品的摩尔吸光系数和光程。 2 1 6 单变量光谱分析中的最佳光程长口0 1 红外光谱分析技术需要从光谱中提取微弱化学信息，因此选择合适的测 9 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 量条件，对于提高测量精度具有重要意义。根据朗伯比尔吸收定律可知，吸 收峰的强度主要决定于特定波长下样品的吸光系数和光程长。选择最佳光程 长可以提高透射光谱的测量灵敏度( 即单位被测成份浓度变化所引起的被测 透射光谱信号变化幅度) ，对减少仪器噪声引起的浓度测量误差具有重要意 义。 浓度预测的均方根误差( r o o tm e a ns q u a r ee r r o ro fp r e d i c t i o n ，简称 r m s e p ) 与灵敏度以之间的定量关系为 r m s e p = o r s ( 2 7 ) 灵敏度乱越大，仪器噪声盯，所带来的浓度预测误差越小。 在近红外光谱分析技术中，对物质浓度进行定量分析的最佳测量条件要 求给定的透射光误差引起的浓度测量误差最小。由于浓度预测的均方根误差 ( r m s e p ) 与灵敏度s 。成反比关系，因此当该波长处灵敏度取得最大值时， 预测误差最小，此时对应的光程长即为最佳光程长。 令盟：0 ，可导出： 讲 7 一j 一 锄”窆叩。 汜8 厶一l 。o 可见对于单波长光谱测量分析，存在最佳光程长。最佳光程长在吸光度 a = i 时获得，此时灵敏度值最大，测量误差最小；另外，对于同种测量溶液， 只要测量波长选定，则最佳光程长固定，与具体的被测成份无关。 由于最佳光程由y 口，c j 值确定，通常情况下溶剂的浓度值相对溶质的浓度非 t = i ” 常的大，因此要只不是溶剂吸收过小的波段，可认为口c f 与溶剂的的凹值近 i = 1 似。血液中主要成分是水，且水在中红外波段的吸收很强，因此可以将血液中各 成分的球。c 。用水的c 1 值近似替代。 公式2 - 8 可以改写为： ， 1 1 w m 2 一 0 ；1 c 。 舞l ( 2 9 ) 天津大学硕士学位论文 第_ - g r 中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 由公式2 3 可以得到 即l ：掣( 2 - 1 0 2 - 1 0 )盘l c l = o 2 ) 山 应用上述原理，我们采用f t - i r 光谱仪的中红外测试系统，并采用它的多重 衰减全反射a t r 附件，对于中红外1 0 8 0 c m “这一单波长下，对于全血样品测量 的最佳光程长进行了估算。 用未加样品时透过a t r 样品池的光强作为厶，以透过置于a t r 样品池中的 蒸馏水之后的光强作为，取1 0 8 0 c m 。处的能量相除，厶l = 1 6 9 1 7 ，得到 l n ( 1 0 i t ) 为o 5 2 5 7 ，对于所采用的a t r 附件它的光程长工为o 0 5 1 m m ，通过式 2 1 0 得到a ，c 值为1 0 3 0 8 5 ，代入公式2 - 9 ，得到中红外1 0 8 0 e m 。单波长下，对 于全血样品测量的最佳光程长近似为o 0 9 7 m m 。 2 1 7 中红外波段衰减全反射法和透射法的比较 采用a t r 方法，在长波处由于光穿透深度较短波处深，使得a t r 方法在中红 外波段有较高的灵敏度，而近红外波段灵敏度降低，是中红外波段采用最多的测 量方式之一。一般情况，采用a t r 方法时红外光对样品的透过深度很小，因此与 透射法相比，特别是在分析水溶液样品时更容易得到不产生饱和的光谱图， 采用透射方法，特别是检测水溶液样品时，由于水在中红外波段的强吸收， 如果光程长选取过大，常常使水的特征峰区的红外光被吸收殆尽，探测器很难再 分辩出有用信号，但是透射法能够较灵活的改变光程长，在实际的光谱测量应用 中可以通过适当增大光程长的方法提高测量的灵敏度。 2 2 傅立叶变换光谱仪 2 2 1 傅立叶变换光谱法基本原理【1 9 】 傅立叶( f o u r i e r ) 变换光谱法的原理是利用干涉图和光谱图之间的对应关系， 通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。和 传统的色散型光谱仪相比较，傅立叶变换光谱仪能同时测量、记录所有谱元的信 号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，从而使它具有比传统光谱仪高得 多的信噪比和分辨率；同时它的数字化光谱数据也便于计算机的处理和演绎。 傅立叶变换光谱仪的主要光学部件是迈克尔逊干涉仪，其基本机构如图2 4 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 所示。 图2 4 迈克尔逊干涉仪基本结构 由图可知，干涉仪系统包括两个互成9 0 0 角的平面镜、光学分束器、光源和 探测器。两个平面反射镜中一个固定不动称为定镜，另一个沿图示方向平行移动 称为动镜，动镜在平稳的移动中要时时与定镜保持9 0 0 角。为了减小摩擦，防止 振动，通常把动镜固定在空气轴承上移动。光学分束器具有半透半反性质，与动 镜和定镜呈4 5 0 角放置，它将光源射来的一束光分为两束，5 0 通过，5 0 反射。 反射光束垂直射到定镜上，并沿原路返回分束器，并透过分束器射向探测器。同 样透射光束投射到动镜上，其返回光束经分束器反射后投射到探测器上。这样， 射向探测器的两束光干涉叠加，当两束光的光程差为半波长x 2 的偶数倍时，则 落到检测器上的干涉光是相长干涉，产生明线，其相干光的强度有最大值；当两 束光的光程差为半波长m 2 的奇数倍时，落到检测器上的相干光是相消干涉，产 生暗线，其相干光的强度有最小值。因此，对于一个纯单色光，在动镜连续移动 过程中将得到强度不断变化的余弦干涉波，随着反射镜动镜每移动刈2 距离，探 测器上得到的信号强度将周期性变化，变化方程为： a l l ( x ) = d b 妒) c o s ( 2 z v x ) 】 ( 2 1 1 ) 式中，丑砂为干涉图的强度，它是光程差x 的函数，口俐为光源( 被测对象) 的强 度，它是光源频率v 的函数。显然对于一个有连续波长的多色光，其干涉图只要 将式2 1 1 积分即可： ，( x ) = b ( v ) c o s 2 n x v d v ( 2 _ 1 2 ) 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量i i f 糖浓度的相关原理及可行性研究 多色光的干涉图是各单色光干涉图的加和。由于零光程差时各单色光强度均 为极大值，其余部分则因相长或相消干涉强弱不同而相互抵消，结果得到一个有 中心极大值并向两边迅速衰减的对称图形，如图2 5 所示。 、厂八厂、 一、，v ， o 。t v 、 图2 5 多色光的干涉图 白光干涉随着谱带加宽，叠加的单色光干涉图增加，逐渐形成零光程差处最 强两边逐渐衰减的干涉图，多色光越复杂，其干涉图越亮，两边衰减也越快。干 涉图包含着光源的全部频率和与该频率对应的强度信息，所以如将一个有红外吸 收的样品放在干涉仪的光路中，会由于样品吸收掉了某些频率的能量，结果使得 所得到的干涉圈强度曲线相应地产生变化，但从这些极为相似的干涉图中直接去 辨认各种强度的吸收光谱特性却是十分困难的，包含每个频率强度信息的干涉图 可凭借数学上的傅立叶变换技术，对每个频率的光强进行计算，从而得到我们熟 悉的红外光谱，但这种复杂的数学处理必须由计算机来完成。由于傅立叶变换的 可逆性，所以由胞) 就可以计算出光源的光谱分布： b ( v ) = i ( x ) c 。s ( 2 删) 出 ( 2 1 3 ) 由于干涉图是偶函数，因此上式可改写为 b ( v ) = r i ( x ) c 。s ( 2 a x w ) & ( 2 1 4 ) 式2 1 4 就是傅立叶变换光谱学的基本方程。 2 2 2 傅立叶变换红外光谱仪 本文实验所用到的光谱仪为英 p e r k i ne l m e r 公司的s p e c t r u mg x 系歹i j f t - i r 光谱仪。仪器的硬件配置川如表2 1 所示： 天津大学硕士学位论文 第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 此光谱仪通过仪器配套的软件印倒，“m 2 2 3 控制，其工作系统如图2 6 所示 我们可以看到，它采用的就是麦克尔逊干涉原理。 图2 6f t - | r 光谱仪t 作系统 s p e c t r u m 软件可以通过改变光源、分束器以及检测器在近红外、中红外和外 界光源三种测量方式之间进行切换，可分别实现在近红外区域的液体样品透射 ( t r a n s m i s s i o n ) 光谱测量，在中红外区域的液体样品衰减全反射( a t r ) 光谱 测量和外界光源的近红外中红外光谱测量。另外，它还可以通过调整b 阻光片和 j 阻光片的通光尺寸来调整检测器接收能量的大小，避免检测器的饱和甚至烧 毁。 与传统的色散型红外光谱仪相比，傅立叶变换红外光谱仪有以下一些优点： ( 1 )光学部件简单，只有一个可动镜在实验过程中运动； ( 2 ) 测量波段宽，换用不同的光源、分束器和检测器，能测量到4 5 0 0 0 6 c m 。整个光谱波段； ( 3 ) 具有很高的光谱分辨能力，在整个光谱波段内分辨率很容易达到 0 1 c m 一： 天津大学硕士学位论文第二章中红外光谱法测量血糖浓度的相关原理及可行性研究 ( 4 ) 光束全部通过，光通量大，检测精度高； ( 5 ) 具有多路通过的特点，所有频率同时测量； ( 6 ) 扫描速度快且具有极高的波数准确度； ( 7 ) 检测器只响应调制的音频信号，杂散光不易影响检测。 2 2 3f t - i r 光谱仪h a t r 附件 本文实验所用到的a t r 样品池为前述s p e c t r u mg x 系列f t - i r 光谱仪自带 的水平衰减全反射附件【2 3 】( h o r i z o n t a la t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n a c c