近红外光谱法用于尿液多成分分析.docx

近红外光谱法用于尿液多成分分析刘伟玲1 张思祥2 虞启琏1 冉多钢2 赵学玲1( 1 . 天津大学精密仪器与光电子学院 ,天津 ,300072 ; 2 . 河北工业大学测控系 ,天津 ,300130)摘 要 尿液分析在临床检验中是一个重要的检测项目 ,红外光谱法的应用将可实现无试剂的尿液快速分析 。介绍了采用光谱法对尿液样品主成分进行的近红外分析 ,实验中对最佳光程长作了选择与计算 。实验结果证 实了近红外光谱法用于尿液临床分析的可行性及优越性 。关键词 近红外光谱法 最佳光程长 尿液 主成分分析t ho ny Shaw R. 在中红外区域用干膜法进行了尿的成分测量 。2001 年 Heise H M . 应用红外光谱法对 肌酐 、尿酸 、葡萄糖 、蛋白四种成分进行了测量1 ,2 。 国内目前尚无相关报道 。国外文献中的实验也多因 精度原因未能普及到临床应用上 。对于尿液分析 ,红外光谱法的优点是 :无需任何试剂 ; 成本低 ,可靠性高 ; 无需预处理 ; 快速 ,所用样 品量少 (微升) ,无污染 ;从一条光谱中可获得多个分 析物的值 ;对样品无破坏 ,可重复使用样品 ,适于在 线和大量重复测量 。利用较为经济的光栅或声光可 调滤光器 ( AO TF) 等分光元件 , 可实现尿样中生化成分的近红外光谱法测量 ,测量精度能够满足临床 及大范围普查的应用 。1前言尿液标本的收集对病人来讲没有痛苦 ,是一种容易获得的检验标本 ,其组成变化不仅能反映泌尿 生殖系统的病变 ,而且能反应其它疾病所引起尿液 成分的变化 。尿液的生化和显微镜检查可以为临床提供广泛的诊断佐证 ,其作用是其他实验室检查所 不能替代的 。目前 国 内 尿 液 检 验 设 备 主 要 依 赖 进 口 ,多采用生化法及干化学法 。生化法检测常用的 有 ISF ( 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 。国内外医院所使用的大多数尿液分析仪均采用化学方法 ,存在试剂消耗量大 的问题 。采用光 谱 法 测 量 尿 中 代 谢 物 如 : 葡 萄 糖 、白 蛋 白 、尿素 、肌酐等具有临床意义 。目前定量测量尿中 丙酮 、尿素 、肌酐的常规方法还没有出现 ,只能用试纸法进行的半定量测量 。红外光谱法用于尿液测量 一直是国际上的研究热点 。1996 年 Ant ho ny Shaw R. 等人采用近红外干膜法对尿样中的尿素 、肌酐 、 蛋白三种成分进行了测量 , 其光 谱 范 围 : 5000cm - 14000cm - 1 。1996 年 DOU X. 采用拉曼光谱法测 量葡萄糖 、丙酮 、尿素 、肌酐的浓度值 。2001 年 An2实验部分22 . 1仪器与试剂Spect rum GX 系列傅里叶变换光谱仪 ( Per kin - Elmer 公 司) 配 置 如 下 : 近 红 外 光 源 , 石 英 分 束 器 , InSb 检测器 ,一次性注射器 ,可变光程长样品池 。实验用溶剂 :尿样 ,蒸馏水 ,尿液单质成分 (固体 粉末) ,包括葡萄糖 、白蛋白及肌酐 。2 . 2实验条件作者简介 : 刘伟玲 ,女 ,1973 年 9 月出生 ,河北邢台人 ,河北工业大学讲师 ,天津大学在读博士生 ,主要从事测控仪器的研究与开发 。讨论与研究分 析 仪 器2004 年第 1 期48光谱采集范围 10000cm - 1 4000cm - 1 ,扫描分辨率为 4cm - 1 ,每个样品扫描 16 次取平均值 ,光谱 数据以 1cm - 1为间隔采集 。温度控制在 35 1 。2 . 3数据处理将得到的能量光谱以空气为背景 ,转换成吸收 光谱 , 以 便 PL S 分 析 用 。数 据 处 理 采 用 U nscram2bler 多变量分析理处理软件 (挪威 CAMO 公司) 。高和适用性广 。实验表明 ,在尿液中某一成分含量基本保持恒定的前提下 ,对于不同颜色和混浊状态 的尿液 ,光谱测量数据有较大的差异 。因此 ,为了保 证测量模型的可靠性 、重复性及精度 ,所做的主要工 作是排除颜色及浊度等因素对分析的影响 。3 . 2 吸光度及最佳光程长的计算吸光系数随不同的物质 、环境及波长而异 ,所以 它可以表示一个物质的吸收特征 。在近红外波段 , 不同物质具有不同的吸收特征 。图 1 为尿液中四种 主要成分的吸光系数曲线 。结果与讨论样品的近红外吸收光谱特性尿液的红外光谱法测量要求实验模型的可靠性33 . 1图 1 尿液中四种主要成分的吸光系数曲线目前的实验样品都是均匀分布的液体 ,所以符合朗伯 - 比尔定律 。根据这一定律可将傅里叶变换 红外光谱仪测得的谱图根据需要转换为不同的吸收程长度增大导致透过光强度 I 呈指数衰减 ,考虑到噪声的存在 (光谱测量中噪声是不可避免的) ,如何 选择最佳的光程长度 L 以获得最佳测量信噪比是 至关重要的 。近红外光谱谱带宽而且强度较弱 ,要想从中提取微弱的信号进行分析 ,就必须提高测量 灵敏度 ,即提高单位被测组分浓度变化所引起的光强变化 ,以减少因噪声引起的浓度误差 。选择最佳 光程长是提高测量灵敏度的重要方法 。根据朗伯 - 比尔定律 :n谱3。吸光度 A ,计算公式为 :A = ln ( I0 / I t )其中 I0 为空样品时的能量光谱 , It 为被测样品的能量光谱 ,文中称之为样品扣除空气背景后得到的吸 光度值4 。吸光度差 dA 的计算公式为 : i i ii- C L( 2)I = I0 e = 1dA = A 样品 - A 纯水 ln ( I t纯水 / I t样品 )( 1)dciI0 e - Li( 3)d I =-L dcj其中 , I t样品 为被测样品的能量光谱 , I t纯水 为纯水 ( 与被测样品相邻测量) 的能量光谱 ,文中称之为样品扣除水背景后得到的吸光度值 。 当被测物质的构成基本确定后 ,在测量其中某一组分的浓度时 ,必须正确选择测量光程长度 。光dcj其中 , c 为样品成分浓度 , 为吸光系数 ( 波长的函数) , L 为光程长 , n 为溶液中物质成分个数 , d I 为 所感兴趣成分 cij 变化所引起的光强变化 。所感兴趣成分的吸收系数 ai 与光程长 L 有关 。分 析 仪 器2004 年第 1 期49基于此 原 理 可 计 算 出 最 佳 光 程 长下 :L opt i m u n , 公 式 如表 1各主成分的载荷与组分吸光系数的相关系数吸光系数主成分葡萄糖水白蛋白肌酐1L opt i m u n n ici( 4)=1230 . 6350 . 815- 0 . 676- 0 . 3250 . 046- 0 . 835- 0 . 614- 0 . 8340 . 376- 0 . 598- 0 . 9260 . 693i = 1 4 - 0 . 163 - 0 . 156 - 0 . 377 - 0 . 104 3 . 3主成分分析正常人每日尿量为 11 . 5L 。尿液中的成分受饮食 ,机体代谢 ,人体内环境及肾处理各种物质的能力等因素的影响 。尿中含水量约占 96 %97 % ,成 人每日通过尿液排出的总固体为 60g , 其中有机物(尿素 、尿酸 、葡萄糖 、蛋白 、激素和酶等) 约 35g ,无机物 (钠 、钾 、钙 、镁 、硫酸盐和磷酸盐等) 约 25g 。 尿液成分的复杂性给定量分析带来困难 ,如何利用较少的组分代替原来较多的组分 ,还能综合反映出原来较多组分的信息 ,主成分分析 ( PCA) 方法 提供了有效的手段 。主成分分析的目的就是将数据降维 ,以消除众 多化学信息中相互重叠的部分 。它是将原变量进行 转换 ,使数目较少的新变量 ( 主成分) 成为原变量的线性组合 ,而且新变量应最大限度地表征原变量的 数据结构特征而不丢失信息 。方法是将光谱数据向 协方差最大方向投影 。通过对主成分个数的合理选 取 ,去掉代表干扰组分和干扰因素的主成分 ,新变量 最大限度地反映了被测样品的组成和结构信息 ,而最小限度地包含噪音 。 主成分分析所完成的工作可示意为 :主成分分析 Xl , Xp Fl , Fp 其中 , ( f p) 记 F = F 1 , Ff 是新变量系统下的数据表 , 它是由原数据表 X = X 1 ,换 , 并省略一部分信息得到的 。, Xp 经数学变主成分 Fk 与原变量 Xi 之间的相关系数称为载荷 (loading) 。载荷越大 ,说明变量与主成分越相同 ,载荷表征变量与主成分的相关性 。 实验中对由生理盐水 、葡萄糖 、白蛋白 、肌酐组成的样品进行了分析 ,表 1 列出了各主成分的载荷与组分吸光系数的相关系数 。各主成分的权重如图2 所示 。由表 1 及图 2 可分析出 ,主成分 1 主要表征了 葡萄糖的信息 ,主成分 2 表征了葡萄糖和肌酐的信 息 ,主成分 3 表征了水与肌酐的信息 ,主成分 4 表征了白蛋白的信息 。图 2 四种主要成分的权重图a 、b 、c 、d 分别为主成分 14 的载荷图3 . 4实验模型的建立与预测用于实验的 40 个样品由天津医院提供 。样品 成分含量参考值是由日本东芝 TBA - 120 FR 全自 动生化分析仪测定的 。光谱采集使用 Spect rum GX 系列傅里叶变换光谱仪 ,样品池光程长为 1 mm , 在4800cm - 1 4200cm - 1 使用偏最小二乘法 ( PL S) 建 模预测 ,预测结果如表 2 所示 。其中 RM SEP 为预测标准偏差 。分 析 仪 器2004 年第 1 期50表 2 PLS 法建模预测结果除率的计算提供了依据 。在后续的研究中 ,将采用光栅分光或 AO TF 分光法进行光路的组建 ,研制低 成本普及型的尿液成分分析仪 。浓度范围( mg/ dL )分析物主成分数RMSEP相关系数葡萄糖白蛋白 肌酐1012 . 60 . 99814846652430 . 022 . 1参考文献1223 . 10 . 985612Heise H M . Anal Chem , 1998 ,362 :141 - 147Haaland D M et al . Vibratio nal Spect roscop y , 2002 , 29 :171 - 175J ianan Qu. I EEE in Medicine and Biology , 1998 , 20 ( 4) :1845 - 1849L akatos J et al . Clinica Chimica Acta , 2000 , 297 : 225 -237收稿日期 :2003 - 08 - 151116 . 40 . 99643结论4实验表明 ,应用光谱法进行尿液成分的定量分析是可行的 。在尿液的各种成分中 ,葡萄糖和蛋白 是两个主要的参考指标 ,同时肌酐的测量为肌酐清4Analysis of mult iple components in urine by near inf rared spectrometry. L i u W ei l i n g1 , Zha n g S i x i a n g2 , Y u Q i l i a n 1 , R a n D uoga n g2 , Zhao X uel i n g1 ( 1 . S chool of Precision I nst r u m en ts a n d opt oelect ronics En gi nee r2i n g , T i aj i n U ni ve rsi t y , T i a n j i n , 300072)U rine analysis is an impo rtant item of clinical test . The applicatio n of near inf rared spect ro met ry to urine test can realize t he rapid analysis f ree of reagent s. The op timum lengt h of op tical pat h has been selected and cal2 culated fo r analysis of p rincipal co mpo nent s in urine samples. It is show n t hat t he met ho d is applicable to urine analysis in clinical test s.卡尔费歇尔滴定法测定水分应注意的事项周侠胡谨( 安徽科苑集团股份有限公司 ,宿州 ,234023)摘 要 卡尔费歇尔滴定法测定水分具有较高的准确性 。介绍了采用卡尔费歇尔滴定法测定水分时应注意的事项 。关键词 卡尔费歇尔法 精度 滴定卡尔费歇尔滴定法是 1935 年由卡尔费歇尔( Karl Fisc