CN114235724A - 一种血红蛋白浓度的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血红蛋白浓度的检测装置及检测方法，其中检测装置包括：单频光纤激光器，用于输出单路激光；分光耦合器，与单频光纤激光器连接，用于将输出的的单路激光分成两路激光；第一光电探测器，用于接收透射过样品池的检测光，输出第一电压；第二光电探测器，用于接收参考光，输出第二电压；信号采集与处理***，用于接收第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压获取血红蛋白溶液的浓度。本发明采用激光对待测的血红蛋白溶液进行照射，根据吸光度求解血红蛋白溶液的浓度；该检测过程简便、无毒无污染，同时检测效率高、稳定性好，能够实时连续检测血红蛋白浓度，可为无创检测奠定基础。本发明可广泛应用于液体浓度检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及液体浓度检测领域，尤其涉及一种血红蛋白浓度的检测装置及检测方法。
背景技术
目前，常用的血红蛋白浓度检测方法包括光度法、荧光法及电化学法等。传统的光度法的原理主要是基于血红蛋白与某些实际互相反应而生成能够稳定存在的显色物质，通过该物质在某一特定波长下对光的特征吸收，进而计算出血红蛋白的浓度。现有将血红蛋白与高铁***进行反应生成稳定的氰化高铁血红蛋白(HiCN)，选取合适波长对其照射测得光强度，最后计算得出血红蛋白浓度。该方法测量结果准确性较好，但其所用化学试剂具有一定毒性，容易对身体产生危害并造成环境污染。另外，传统光度法中使用的检测光源一般为卤钨灯，辅以单色器、光栅或其他光学元件实现单一波长的选择与光输出，但其结构较复杂，且光源稳定性、单色性和方向性难以有很大提升，从而影响检测结果的准确度和灵敏度。
荧光法则是由于血红蛋白具有很高的类似过氧化物酶的催化活性，选择一种合适的酶催化氧化底物，二者充分反应后对产物进行荧光分析，进而计算出血红蛋白浓度。但该方法检测过程繁琐复杂，无法快速实时地进行分析检测，难以用于临床检测。
电化学法的基本原理是血红蛋白的氧化还原反应，由于血红蛋白易吸附石英子并发生氧化还原反应，且血红蛋白浓度与该氧化还原反应的电流呈现正比例关系，通过测量电流值即可得到血红蛋白浓度。该方法可以实时快速地进行分析检测，但结构庞大的血红蛋白会附着在电极表面，使电极逐渐钝化，影响测量结果准确性。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于单频光纤激光器的血红蛋白的检测装置及检测方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种血红蛋白浓度的检测装置，包括：
单频光纤激光器，用于输出单路激光；
分光耦合器，与所述单频光纤激光器连接，用于将输出的所述的单路激光分成两路激光，一路激光为检测光，另一路激光为参考光；
第一光电探测器，用于接收透射过样品池的所述检测光，输出第一电压，其中所述样品池内装有血红蛋白溶液；
第二光电探测器，用于接收所述参考光，输出第二电压；
信号采集与处理***，均与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器电连接，用于接收所述第一电压和所述第二电压，根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度。
进一步，所述单频光纤激光器包括依次连接的泵浦源、光纤激光谐振腔、波分复用器、光隔离滤波器、光纤放大器和倍频模块；
所述泵浦源向所述光纤激光谐振腔注入泵浦光，产生受激辐射的激光信号，所述激光信号经过所述波分复用器和所述光隔离滤波器后，由所述光纤放大器进行功率放大以及由所述倍频模块进行频率非线性转换，输出单频光纤激光。
进一步，所述单频光纤激光器还包括相位调制器，所述相位调制器的输入端与所述光隔离滤波器的输出端连接，所述相位调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接；
所述相位调制器用于对由所述光隔离滤波器输出的激光信号进行相位调制。
进一步，所述光纤激光谐振腔中附加有压电陶瓷，所述压电陶瓷用于对谐振腔腔的输出光进行相位调制。
进一步，所述泵浦源的工作波长为976nm，所述光纤激光谐振腔的中心波长为1080nm，所述倍频模块输出波长为540nm的单频光纤激光。
进一步，所述倍频模块中的倍频晶体为铌酸锂晶体、掺氧化镁铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、酸锂晶体、偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾晶体或磷酸钛氧钾晶体。
进一步，所述单频光纤激光器输出光的波长范围为450nm～580nm。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种血红蛋白浓度的检测方法，包括以下步骤：
获取两路单频激光，其中一路激光作为检测光，另一路激光作为参考光；
将所述检测光透射过装有血红蛋白溶液的样品池，采集透射后的检测光，并根据采集到的检测光获取第一电压；
根据参考光获取第二电压；
根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度。
进一步，所述根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度，包括：
根据所述第一电压和所述第二电压计算所述血红蛋白溶液对所述检测光的吸光度；
根据所述吸光度和预设的关系表达式获取所述血红蛋白溶液的浓度。
进一步，所述预设的关系表达式通过以下方式获得：
固定样品池的厚度；
将预设浓度的血红蛋白溶液装入样品池，采集参考光以及透射过样品池的检测光，根据采集的检测光与参考光计算所述预设浓度的血红蛋白溶液对应的吸光度；
通过更换血红蛋白溶液的浓度，获取不同浓度下血红蛋白溶液对应的吸光度，获得关系表达式。
本发明的有益效果是：本发明基于朗伯-比尔定律，采用激光对待测的血红蛋白溶液进行照射，根据血红蛋白溶液对激光的吸光情况，求解血红蛋白溶液的浓度。该检测过程简便、无毒无污染，同时检测效率高、稳定性好，能够实时连续检测血红蛋白浓度，可为无创检测奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种血红蛋白浓度的检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中单频光纤激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例中血红蛋白的可见光吸收光谱示意图；
图4是本发明实施例中吸光度和浓度关系的最小二乘拟合曲线；
图5是本发明实施例中一种血红蛋白浓度的检测方法的步骤流程图；
图6是本发明实施例中计算血红蛋白溶液的浓度的步骤流程图。
附图标记：1—单频光纤激光器，2—分光耦合器，3—样品池，4—第一光电探测器，5—第二光电探测器，6—信号采集与处理***，11—泵浦源，12—光纤激光谐振腔，13—波分复用器，14—光隔离滤波器，15—相位调制器，16—光纤放大器，17—倍频模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种血红蛋白浓度的检测装置，包括：
单频光纤激光器1，用于输出单路激光；
分光耦合器2，与单频光纤激光器1连接，用于将输出的的单路激光分成两路激光，一路激光为检测光，另一路激光为参考光；
第一光电探测器4，用于接收透射过样品池3的检测光，输出第一电压，其中样品池3内装有血红蛋白溶液；
第二光电探测器5，用于接收参考光，输出第二电压；
信号采集与处理***6，均与第一光电探测器4和第二光电探测器5电连接，用于接收第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压获取血红蛋白溶液的浓度。
本实施例的装置，以朗伯-比尔定律作为检测的理论基础，使用单频光纤激光器1作为检测光源，测得血红蛋白溶液的光吸收度，并定量确定样品中的血红蛋白浓度；其中，检测光源为全保偏结构，输出光的单色性和方向性俱佳，可提高检测结果的准确性、可靠性。上述装置的具体工作原理如下：单频光纤激光器1产生并发射激光，针对血红蛋白溶液的特性，本实施例选择输出光的波长范围为450～580nm，输出纯净的蓝绿光波段单频光纤激光，功率范围为1μW～1W。激光射出后，经过分光耦合器2，分成两路激光，作为可选的实施方式，这两路激光的光强度相同。两路激光中，一路激光作为检测光，另一路激光作为参考光，其中分光耦合器2分出的参考光可实时反映光源的微小波动。检测光检测光垂直入射置于样品池3中的待测样品后，被第一光电探测器4接收并转换为电信号，参考光则直接被第二光电探测器5接收并转换为电信号，经双通道的信号采集与处理***6处理换算，得到精确的血红蛋白浓度数值。综上所述可知，本装置的结构简单，操作方便，只需将待测的血红蛋白溶液放至样品池3中即可；且检测过程中并不产生污染物，检测效率高、测量结果精确、稳定性好，能够实时连续检测血红蛋白浓度。
参见图2，作为可选的实施方式，单频光纤激光器1包括依次连接的泵浦源11、光纤激光谐振腔12、波分复用器13、光隔离滤波器14、光纤放大器16和倍频模块17；
泵浦源11向光纤激光谐振腔12注入泵浦光，产生受激辐射的激光信号，激光信号经过波分复用器13和光隔离滤波器14后，由光纤放大器16进行功率放大以及由倍频模块17进行调频，输出单频光纤激光。
单频光纤激光器1中各部分的连接关系如下：泵浦源11与光纤激光谐振腔12的宽带光纤光栅连接，光纤激光谐振腔12的窄带光纤光栅与波分复用器13连接，波分复用器13与光隔离滤波器14连接，光隔离滤波器14与光纤放大器16连接，光纤放大器16与倍频模块17连接，倍频模块17与分光耦合器2连接。其中倍频模块17中的倍频晶体为铌酸锂晶体(LN)、掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO：LN)、钽酸锂晶体(LT)、酸锂晶体(LBO)、偏硼酸钡晶体(BBO)、磷酸二氢钾晶体(KDP)或磷酸钛氧钾晶体(KTP)。
参见图2，作为可选的实施方式，单频光纤激光器1还包括相位调制器15，用于对由光隔离滤波器14输出的激光信号进行相位调制。光纤激光谐振腔12中附加有压电陶瓷，压电陶瓷用于对谐振腔腔的输出光进行相位调制。
在单频光纤激光器1的输出光未经相位调制时，适用于检测浓度较高、浓度范围较小的待测样品。而在本实施例中，通过压电陶瓷与相位调制器15的其中之一或两者协同作用，实现频率控制与稳定(即实现锁相检测)，光信号较微弱时也可准确检测，提高血红蛋白的检测灵敏度，可准确检测浓度更低、浓度范围更广的待测样品，。基于此，本实施例的待测血红蛋白溶液为浓度小于0.01mol/L的稀溶液。
以下结合具体实施例对上述装置进行详细的解释说明。
本实施例使用血红蛋白吸光度大、组织液中穿透力强的540nm激光作为检测血红蛋白浓度的激光光源，如图3所示。泵浦源11工作波长为976nm，泵浦输出功率为250mW，DBR型光纤激光谐振腔12中心波长为1080nm，泵浦源11采用正向泵浦方式向DBR型光纤激光谐振腔12注入泵浦光，产生受激辐射的激光信号，经由波分复用器13、光隔离滤波器14进入相位调制器15输出1080nm调制光，接着经由光纤放大器16进行功率放大后进入倍频模块17，输出纯净的540nm的单频光纤激光。该输出光注入分光耦合器2分成检测光与参考光(在本实施例中，检测光与参考光的光强度相同)，两束光经准直后，检测光垂直入射置于样品池3中厚度恒为L的待测样品后被第一光电探测器4接收并转换为电信号，参考光经与检测光相同光程后直接被第二光电探测器5转换为电信号，经双通道信号采集与处理***6进行I/V转换及放大后分别获得Vout、Vin，分别与出射光强I和入射光强I0成正比，求得此浓度下的吸光度A＝-lg(I/I0)＝-lg(Vout/Vin)。将吸光度A代入函数关系表达式，便可求得血红蛋白浓度，如图4所示。该函数关系表达式可通过如下方式获得：固定样品厚度L，改变其浓度，多次实验得到C-A最小二乘线性拟合曲线，进而求出朗伯-比尔定律公式A＝KCL中的C-A的具体函数关系表达式，此后测得未知浓度样品的吸光度A，代入表达式计算即可得出血红蛋白浓度C。
综上所述，与现有技术相比，本实施例检测过程简便、无毒无污染，同时检测效率高、测量结果精确、稳定性好，能够实时连续检测血红蛋白浓度，可为无创检测奠定基础。其单频光纤激光器1包括光纤激光谐振腔12、相位调制器15、光纤放大器16、倍频模块17等重要部件。首先，泵浦源11对光纤激光谐振腔12进行抽运，产生受激辐射信号光，通过压电陶瓷与相位调制器15的其中之一或两者协同作用，实现频率控制与稳定，光信号较微弱时也可准确检测；其次，将调制光注入光纤放大器16进行功率放大，再通过倍频模块17，最终实现方向性和单色性俱佳的蓝绿光波段单频光纤激光输出。将该输出光经分光耦合器2分为检测光与参考光，检测光垂直入射置于样品池3中的待测样品后被第一光电探测器4接收并转换为电信号，参考光则直接被被第二光电探测器5接收并转换为电信号，经双通道信号采集与处理***6处理换算，得到精确的血红蛋白浓度数值。
如图5所示，本实施例还提供一种血红蛋白浓度的检测方法，包括以下步骤：
S1、获取两路单频激光，其中一路激光作为检测光，另一路激光作为参考光；
S2、将所述检测光透射过装有血红蛋白溶液的样品池，采集透射后的检测光，并根据采集到的检测光获取第一电压；
S3、根据参考光获取第二电压；
S4、根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度。
参见图6，其中，步骤S4包括步骤S41-S42：
S41、根据所述第一电压和所述第二电压计算所述血红蛋白溶液对所述检测光的吸光度；
S42、根据所述吸光度和预设的关系表达式获取所述血红蛋白溶液的浓度。
本实施例的方法可采用上述中的检测装置进行实施，在本实施例中，获取两路光强度相同的激光，一路作为检测光，另一路作为参考光。检测光垂直入射置于样品池中，检测光投射过待测的血红蛋白溶液后，被第一光电探测器接收并转换为电流信号，参考光经与检测光相同光程后直接进入第二光电探测器被转换为电流信号，经双通道信号采集与处理***进行I/V转换及放大后分别获得电压信号Vout、Vin，分别与出射光强I和入射光强I0成正比，求得此浓度下的吸光度A＝-lg(I/I0)＝-lg(Vout/Vin)。根据吸光度A和预设的关系表达式可获取血红蛋白溶液的浓度C。
其中，函数关系表达式可通过如下方式获得：固定样品厚度L，改变其浓度，多次实验得到C-A最小二乘线性拟合曲线，进而求出朗伯-比尔定律公式A＝KCL中的C-A的具体函数关系表达式，此后测得未知浓度样品的吸光度A，代入表达式计算即可得出血红蛋白浓度C。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，包括：
单频光纤激光器，用于输出单路激光；
分光耦合器，与所述单频光纤激光器连接，用于将输出的所述的单路激光分成两路激光，一路激光为检测光，另一路激光为参考光；
第一光电探测器，用于接收透射过样品池的所述检测光，输出第一电压，其中所述样品池内装有血红蛋白溶液；
第二光电探测器，用于接收所述参考光，输出第二电压；
信号采集与处理***，均与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器电连接，用于接收所述第一电压和所述第二电压，根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述单频光纤激光器包括依次连接的泵浦源、光纤激光谐振腔、波分复用器、光隔离滤波器、光纤放大器和倍频模块；
所述泵浦源向所述光纤激光谐振腔注入泵浦光，产生受激辐射的激光信号，所述激光信号经过所述波分复用器和所述光隔离滤波器后，由所述光纤放大器进行功率放大以及由所述倍频模块进行频率非线性转换，输出单频光纤激光。
3.根据权利要求2所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述单频光纤激光器还包括相位调制器，所述相位调制器的输入端与所述光隔离滤波器的输出端连接，所述相位调制器的输出端与所述光纤放大器的输入端连接；
所述相位调制器用于对由所述光隔离滤波器输出的激光信号进行相位调制。
4.根据权利要求2或3所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述光纤激光谐振腔中附加有压电陶瓷，所述压电陶瓷用于对谐振腔腔的输出光进行相位调制。
5.根据权利要求2所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述泵浦源的工作波长为976nm，所述光纤激光谐振腔的中心波长为1080nm，所述倍频模块输出波长为540nm的单频光纤激光。
6.根据权利要求2所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述倍频模块中的倍频晶体为铌酸锂晶体、掺氧化镁铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、酸锂晶体、偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾晶体或磷酸钛氧钾晶体。
7.根据权利要求1所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述单频光纤激光器输出光的波长范围为450nm～580nm。
8.一种血红蛋白浓度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取两路单频激光，其中一路激光作为检测光，另一路激光作为参考光；
将所述检测光透射过装有血红蛋白溶液的样品池，采集透射后的检测光，并根据采集到的检测光获取第一电压；
根据参考光获取第二电压；
根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度。
9.根据权利要求8所述的一种血红蛋白浓度的检测方法，其特征在于，所述根据所述第一电压和所述第二电压获取所述血红蛋白溶液的浓度，包括：
根据所述第一电压和所述第二电压计算所述血红蛋白溶液对所述检测光的吸光度；
根据所述吸光度和预设的关系表达式获取所述血红蛋白溶液的浓度。
10.根据权利要求9所述的一种血红蛋白浓度的检测装置，其特征在于，所述预设的关系表达式通过以下方式获得：
固定样品池的厚度；
将预设浓度的血红蛋白溶液装入样品池，采集参考光以及透射过样品池的检测光，根据采集的检测光与参考光计算所述预设浓度的血红蛋白溶液对应的吸光度；
通过更换血红蛋白溶液的浓度，获取不同浓度下血红蛋白溶液对应的吸光度，获得关系表达式。
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