[发明专利]无损伤性红外分光术中多光谱分析用的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及利用多光谱分析确定试样中目标分析物浓度的方法和装置。本发明在化学分析中有广泛的应用，特别是在血液分析物的无损伤光谱光度分析中。背景技术

血液中各种成份浓度的测定被广泛应用于人体疾病的诊断与治疗过程中。一种重要的应用就是血糖的测定。特别是，糖尿病患者应该定期监控其血糖浓度，对于胰岛素依赖型，即Ⅰ型糖尿病患者更需要一天几次测定血糖浓度。另外，在防治冠状动脉疾病中测定的血液胆固醇浓度提供了重要的信息，并且在各种诊断过程中其它血液有机分析物(例如胆红素和酒精)的测定也是很重要的。

获取血液分析物浓度的最准确和常用方法是从病人身上提取血样，这些血样或者在实验室内采用高精度和高灵敏度的测定技术进行分析，或者采用精度较低的自检方法。特别是传统的血糖监控方法在每次测试时都需要从糖尿病人身上提取血样(例如利用指尖刺血针)并且采用血糖计(一种读取血糖浓度的分光光度计)或者比色计标度方法读取血糖水平。这种损伤性血液提取方式造成了糖尿病人的痛苦和负担并且由于所需测试次数较多增加了其感染的可能性。这些因素可能会导致糖尿病人在心理上对监控过程有抵触。

因此需要一种简单而准确的方法和装置以无损伤方式测定血液分析物浓度，特别是在糖尿病人血糖监控应用中。解决问题的一种途径是采用近红外分析的传统方法，其中利用某一或多个波长上测定的吸光度从给定试样中提取特定的分析信息。

液体试样的近红外吸收光谱包含了试样各种有机成份的大量信息。特别是与有机分子结构(例如碳-碳、碳-氢、碳-氮和氮-氢化学键)相关的振动、旋转和伸缩能量在近红外区域内产生可测的微扰量，它们与试样中的各种有机成份浓度有关。但是在复杂试样基质中，近红外光谱还包含了相当大的干扰，这些干扰的大小取决于分析物之间结构上的相似性、分析物的相对浓度水平、分析物之间的互扰关系以及特定系统固有的电学和化学“噪声”。这种干扰降低了利用近红外光谱测定法确定液体样本分析物浓度的测量效率和精度。尽管如此，人们仍然提出了一些以无损伤方式测定血液分析物的近红外装置和方法。

授予Purdy等人的美国专利No.5,306,004揭示了一种用于测定血液分析物浓度的方法和装置，其中采用具有不同的连续波长段的辐射照射人体。Purdy等人强调采用滤波技术来专门阻止波长位于水在近红外吸收光谱中两个波峰处的辐射透过，这两个波峰大约在1440和1935nm处。这种选择性阻挡的目的是避免人体中水份对光的吸收所引起的加热效应。

与此相反，授予Yang等人的美国专利No.5,267,152揭示了一种无损伤装置和技术，它仅仅利用包含近红外水吸收峰的红外光谱部分(例如“水透射窗口”，它包括1300-1900nm之间的波段)来测定血糖浓度。光学方式控制的辐射射向组织源并且随后由集光球聚集。聚集的辐射经过分析并利用存储的基准标度曲线计算血糖浓度。

人们还提出了用于测定复杂试样中分析物浓度的装置。

例如授予Richardson等人的美国专利No.5,242,602揭示了通过分析含水系统来检测多种活性或非活性水处理成份的方法。这些方法包括成份物在200-2500nm范围内吸收谱或发射谱的测定以及采用化学计量术算法来提取所获光谱数据段从而对多功能指示剂进行定量分析。

授予Nygaard等人的No.5,252,829揭示了一种采用红外衰减测量技术测定牛奶试样中尿素浓度的方法和装置。应用多变量技术是为了利用最小平方差算法、主分量回归、多重线性回归或人工神经网络学习算法确定已知成份物的光谱分布。通过解析阻挡所需分析物信号分量的贡献进行标度工作。Nygaard等人由此揭示出一种测量多分析物红外衰减和补偿背景分析物影响从而获取更精确测定结果的技术。

授予Ross等人的美国专利No.4,306,152揭示了一种光学流体分析仪，它从设计上将难以分析的浑浊试样或液体试样中背景吸收(即流体试样的总体或基本光吸收水平)对测量精度的影响降低到最小限度。该装置测量感兴趣试样成份物的特征光吸收处的光学信号和背景吸收波长附近的另一信号，并且将它们相减以抑制分析物信号中的背景分量。