近红外光谱尿液分析仪的原理及实现

0引 言

    近红外光谱是波长为 780~2526nm 的光谱区[1]，该范围内，特定的原子群均有其相应的特征吸收波长且符合朗伯-比耳定律：即被吸收光量发热的数值与样品中吸收该波长光的原子聚集度成线性关系[2-3]。当前尿液分析主要采用生化方法，存在试剂消耗量大、价格昂贵、不环保等缺点[4]，近红外光谱分析成为尿液分析研究的新焦点。

    近年来各国科学家在该领域做的相关研究工作均是采用近红外光谱仪，所选波长较长，成本高，不利于仪器的推广应用。该文将采用最新的硬件设计和软件设计，针对尿液中的葡萄糖和蛋白质成分，提出一种体积小、结构简单的近红外光谱尿液分析仪，实现对尿液成分的快速无损定量分析。

1硬件设计

    近红外光谱仪器主要有滤光片型、发光二极管型、光栅单色器型、傅里叶变换干涉仪型、声光可调滤光片型等[5]。为了提高效率，减少仪器设计的复杂程度，选用发光二极管作为此仪器的光源。按照仪器的组成结构，将其分为光源控制电路、步进电机控制电路、信号检测与采样、单片机 4 大模块，如图 1 所示。单片机输出脉冲信号，通过光源控制电路给光源提供恒定的电流；步进电机驱动电路模块根据单片机的控制信号驱动步进电机；光源发光对样品进行透射，检测器接收到光谱信号，通过数据采集卡将信号传入微机进行数据运算分析。

1.1 波长选取

    葡萄糖浓度与其吸光度间的最佳建模波段为 1 176.5~1 333.3 nm[6]。另外，水在 1 440~1 460 nm和 1 940~1 960 nm 波长区域具有强吸收，检测波长应避开这 2 个区域，选取 1 500~1 800 nm 波段范围作为葡萄糖的检测波长[7]。蛋白质在 1000~1700nm的波段范围内，分布有十分丰富的吸收峰[8]。将光谱数据进行遗传算法波长优选得到15 个波长，并且波长优选和重复性实验的预测结果均得到较小的标准偏差[9]。

    因此，该研究优选了 4 个敏感的检测波长，分别为1 050，1 070，1 300，1 550 nm。其中，1 300 nm和1550nm 这 2 个波长用于检测尿液中的葡萄糖成分，全部 4 个波长用于检测尿液中的蛋白质成分。

1.2光路设计

    由于尿液为半透明液体，所以采用近红外光谱透射分析法。以近红外发光二极管（LED）为光源，通过一组（4 个）波长位于 1050，1070，1300，1 550 nm的 LED，形成单色的近红外光。样品池采用比色皿，保证近红外光在样品中散射吸收后由检测器接收。

    该系统采用单一的检测器，由此产生的问题是光源位置的不同对测量产生的影响。所以采取将4 个 LED 固定分布在圆形的转盘上，如图 2，使 LED与凸透镜、比色皿、探测器垂直固定中心在同一直线上。首先驱动步进电机带动圆盘顺时针转动，同时光控开关 S 开始搜寻圆盘的起始点，即 1 号 LED对准的带缺口位置，此时光控开关接通，系统开始工作。LED 发出的点光经凸透镜变成平行光，再对样品进行透射，检测器接收，光路的结构如图 3 所示。样品与探测器的距离很近，可以忽略空气对光的折射。