近红外光谱无创血糖检测技术研究

近红外光谱无创血糖检测技术研究姓名:雷鹏学号:2013022057专业:光学摘要:红外技术（InfraredTechnique）是指以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0.75µm～1000µm，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm）、中红外（3～6µm）、远红外（6～15µm）、和极远红外（15～1000µm），红外线具光电效应，红外辐射效应，红外反射效应，大气传输特性等，这些特性为红外技术的应用提供了广阔的空间。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（OH、NH、CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，其检查主要靠血糖含量判断，本文提出一种利用近红外光谱进行无创血糖含量的方法，从而能够对糖尿病进行判断。关键词：红外技术近红外光谱血糖一、前言红外技术的英文名称是：InfraredTechnique。红外技术的内容包含四个主要部分：1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探器。19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的动。到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展二、近红外光谱技术近红外光谱（NIRS）作为一种分析手段，可以测定有机物以及部分无机物。这些物质分子中化学键结合的各种基团（如C=C，N=C，O=C，O=H，N=H）的伸缩、振动、弯曲等运动都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时，被激发产生共振，同时光的能量一部分被吸收，测量其吸收光，可以得到极为复杂的图谱，这种图谱表示被测物质的特征［3］。不同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的吸收特征，这就为近红外光谱定量分析提供了基础。近红外技术是依据某一化学成分对近红外区光谱的吸收特性而进行的定量测定，所以应用NIR光谱进行检测的技术关键就是在两者之间建立一种定量的函数关系。其基本流程包括：首先收集具有代表性的样品（其组成及其变化范围接近于要分析的样品），然后采集样品的光学数据；利用标准的化学方法对样品进行化学成分测定；通过数学方法将这些光谱数据和检测的数据进行关联，一般将光谱数据进行转换（一阶或二阶导数），与化学测定值进行回归计算，然后得出定标方程，建立数学模型；在分析未知样品时，先对待测样品进行扫描，根据光谱值利用建立的模型可以计算出待测样品的成分含量。确定回归模型的过程其实就是定标过程，定标的好坏直接关系到分析结果的准确性，因此，定标软件是近红外分析技术的核心。计算得到的定标方程必须通过实际测量调整它的准确性和精确性。精确性是指重复测定时测值间的相近程度。准确性的度量通常用定标方程的预测标准误（SEP）来表示。SEP表示测定值与“真值”间的相近程度。近红外光照射到被测样品后，从样品表面反射出来的光被检测器吸收，此为近红外反射光谱分析法（NIR）。它要求样品的粉碎程度一致，从而保证样品表面光滑一致。另一类为近红外穿过样品后，再被接受检测到，即为近红外投射光谱分析法（NIT）。该法优点是很少或不用制备样品，因此重复性较高，但灵敏度低。三、血糖检测方法综述检测血糖的方法主要是从体内抽取血液通过生化检测进行分析，这属于有创伤检测，有创伤检测给患者带来的痛苦和不便。无创性血糖检测已引起人们极大的关注，其意义是：（1）减少患者天天采血丈量的痛苦，进步病人的生存质量；（2）可进步丈量次数，进步血糖控制精确度，降低糖尿病并发症发生的危险；（3）降低每次丈量的本钱；（4）有可能形成含有检测器和胰岛素注射的闭环循环系统；（5）其丈量方法和原理可以推广应用到其它血液成分的检测。在无创性血糖检测研究中使用较多的是红外光谱分析方法，通过对一束红外光透过人体组织或者由其反射的光谱信号分析，确定组织内葡萄糖的含量。目前较有效的光谱范围是近红外区（波长为0.7um-2.5um）。四、近红外光谱检测葡萄糖的原理和方法水溶液中葡萄糖的近红外吸收有机分子在近红外光谱区的吸收主要是由于含氢基团的分子振动的倍频与合频吸收造成的。有机分子的倍频和合频光谱能够得到分子结构、组成状态的信息。有机物近红外光谱，其特征性强，受分子内外环境的影响小，但倍频和合频比基频吸收带宽得多，使得多组分样品的近红外光谱在不同组分的谱带、同一组分中不同基团的谱带以及同一基团不同形式的倍频、合频谱带发生严重的重迭，从而使近红外光谱的图谱解析异常困难。在混合物中的化学组分，很难再分离出每种组分单一、无重叠的吸收光谱。在有强烈水的背景吸收情况下的生物混合液，常规方法很难丈量出低浓度物质的含量。水是生物组织中的主要成分，不但有单一的红外光谱，还有丰富的扩展到近红外区域的合频和倍频光谱。对水的红外光谱分析可知，水在波长为2.01um-2.5um的吸收较小，形成一个被称为水传输窗的区域，所以水溶液物质最好的分析波长为2.0um-2.5um。水在3um以上其吸收率大于6AU/mm，很难丈量其它物质葡萄糖光谱的特异性在葡糖固体和葡萄糖溶液中所得的葡萄糖红外吸收的基频早已有报导。葡萄糖伸缩振动能产生很强的合频和倍频吸收带。葡萄糖水溶液的近红外（2.0um-2.5um）光谱的丈量有吸收峰，葡萄糖的光谱是唯一的，但葡萄糖红外区的合频和倍频光谱与水、脂肪和血红蛋白电子吸收波段的几个合频和倍频频率相互重迭，即被其它成分的光谱所覆盖。这是葡萄糖红外光谱丈量的主要干扰。有机混合物对在近红外区吸收谱带的重迭以及漫反射光谱并不是各成分单独存在时光谱的迭加。组织吸收对葡萄糖丈量也有影响，在手指这样小的部位中近红外光会削弱3-4个吸收单位，而5mmoL／L的葡萄糖浓度变化，光谱吸收的变化约10-5个吸收单位。组织光散射对葡萄糖丈量的影响也很大，组织散射的光强、定位误差和身体各因素的影响是最主要的丈量误差，这些都影响近红外光谱学在血糖检测中的应用。化学计量学（Chemometrics）采用多元分析校正统计学方法与计算技术，解析化学丈量数据，由红外光谱算出样品各成分的含量。现在常用的多元分析校正方法中，进行血糖检测光谱分析效果较好的是偏最小二乘法（PLS），它将已知的葡萄糖浓度的光谱组，用主因子分析作定量计算的方法，对光谱矩阵进行特征向量分析，然后使用多元线性回回，找出极小的光谱变化和分析物浓度之间的关系，消除与葡萄糖无关的光谱变数，得出校正光谱，通过校正光谱和样品光谱的内积（即点积）确定葡萄糖浓度。五、近红外光谱在无创检测血糖中存在的问题在体近红外光谱血糖丈量在体近红外光谱血糖丈量的关键是建立在体环境下的校正光谱，由于有很多误差来源影响丈量，需要通过定标来消除或予以补偿。有些影响丈量的误差却不轻易合并到定标中，这样的误差来源主要有探测器定位误差、温度和脉搏的影响、检测设备的机械压力、水合作用、出汗、血容量以及血流比容积的变化等。现在主要有两种研究方法，一种是实验方法，在进行口服耐糖检测（OGTT）时从非糖尿病人群和糖尿病患者中无创地收集光谱信号，同时用有创伤的方法丈量血糖浓度，最后在所得血糖值和无创性收集的光信号的关系基础上建立模型。这种方法不能丈量出其它的代谢物、干扰物、生物噪声或者仪器与身体接触面的变化等信息，但它可计算出这些噪声所带来的影响。另一种方法是物理模型方法，在这种方法中，首先在一组标准葡萄糖溶液中丈量葡萄糖的信号。然后逐渐增加标准液的复杂性来模拟人体组织，并描述每一步的精度和正确度，再用数学模型把数据关联起来，用于组织中的光线传播，最后把研究的丈量方法和系统应用到人体中。所得的体内信号又与通过化学丈量技术的有创伤数据关联起来。这种方法可以鉴别噪声成分，因此利用这种方法在使用化学丈量技术之前消除噪声对信号的影响。近红外在体检测葡萄糖浓度的缺点：1）丈量精度较低；2）需要反复定标；3）受到服用药物的影响，其它干扰因素较多；4）水的近红外波段的吸收强度对溶解物的浓度和温度很敏感；5）使用的仪器设备较昂贵且很难小型化。六、总结近红外光谱技术具有1）分析速度快。2）对样品无化学污染。3）仪器操作和维护简单，4）测量精度高等优点。而近红外光谱无创血糖检测技术是一种新型的血糖检测技术，其无创特性避免了病人的痛苦，同时能够快速得到结果，尽管目前近红外无创血糖检测技术还存在一定的问题，但是我想在日后技术不断成熟和器件不断发展的条件下，该技术一定能够成为一种快速，方便的血糖检测技术，会为更好检测糖尿病的提供技术支持。参考文献：[1]苏君红红外技术[J]昆明物理所[2]纪红红外技术基础与应用[M]科学出版社，1979[3]A.R.杰哈（美）著张孝霖等译《红外技术应用》光电光子器件及传感器[M]化学工业出版社2004[4]张小青徐智红外光谱技术在医学中的应用[J]光谱学与光谱分析2010,30(1)pp30-34;[5]罗苏秦,张世英.近红外光谱仪器之分析技术及其应用[J].科仪新知,1999,25(5):13-30.[6]徐广通,袁洪福,陆婉珍.现代近红外光谱技术及应用进展[J].光谱学与光谱分析,2000,20(2):134-142[7]李长治编.分子光谱新技术[M].北京:科学出版社,1986.97-98[8]李文永王玉玲红外技术在临床医学领域中的应用[J]科技信息[9]相秉仁李睿吴拥军近红外光谱分析技术在药学领域中的应用[J]计算机与应用化学1999年9月16卷第5期[10]曲如燕近红外光谱在药品快速鉴别中的应用[J]实用医技杂志2010年7月第17卷第7期[11]季忠秦子辉血糖无创检测原理及仪器实现研究[J]生物医学工程学杂志2010年2月第27卷第1期[12]付冠军近红外无