近紅外透射光譜的動物全血鑒別

萬 雄，王 建，劉鵬希，章婷婷

1. 中國科學(xué)院空間主動光電技術(shù)重點實驗室，上海 200083 2. 上海市動物疫病預(yù)防控制中心，上海 201103

近紅外透射光譜的動物全血鑒別

萬 雄1，王 建2*，劉鵬希1，章婷婷1

1. 中國科學(xué)院空間主動光電技術(shù)重點實驗室，上海 200083 2. 上海市動物疫病預(yù)防控制中心，上海 201103

在進出口檢測檢疫部門，血液制品的檢驗與分類是件重要且復(fù)雜的事情。對于全血樣品，開放式的采集可能帶來污染，且血樣中的致病因子可能會對檢測人員造成危害。因此急需非接觸式的全血分類鑒別方法。常用流式細胞術(shù)中的光譜方法由于需要對血細胞進行采樣，所以無法在非接觸全血分類鑒定中采用。紅外吸收光譜學(xué)是一種可用來分析樣品分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的技術(shù)，可以在不直接接觸樣品的情況下對樣品進行探測。為尋找一種可實現(xiàn)非接觸式血液樣品種屬差異性狀探測的可行光譜方法，采用近紅外譜段(4 497.669～7 506.4 cm-1)對犬貓雞三類常見動物全血樣品進行了透射光譜測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)所測樣品均在5 184～5 215 cm-1之間有個明顯的吸收峰，在7 000 cm-1附近有個較平緩的吸收峰，且同種動物個體之間的透射光譜分布相似，只在整體透射率上有些差別。采用相關(guān)系數(shù)比較三類動物全血樣品近紅外透射光譜的區(qū)別，計算得出同種動物不同個體光譜曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，而不同種動物光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.509 48～0.916 13之間。其中雞與貓光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.857 23～0.912 44之間；雞與犬光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.509 48～0.664 82之間；貓與犬光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.872 75～0.916 13之間。犬貓同屬哺乳綱，兩者全血的近紅外透射光譜相關(guān)系數(shù)比犬雞或貓雞非同綱動物的大，即光譜曲線的相似度更高。研究結(jié)果表明近紅外透射光譜是一種非接觸式動物全血鑒別的可行方法。

透射光譜；近紅外；相關(guān)系數(shù)；動物全血

引 言

全血樣品的進出口檢測檢疫是件非常重要的事情。一方面，需要禁止國內(nèi)特有動物的全血制品出口，因為其出口會造成國家物種資源信息的流失；另一方面，全血制品的進口必須加以檢驗及控制，以避免不明外來物種的入侵，造成生態(tài)環(huán)境的破壞。在進出口檢驗檢疫部門，對于全血制品這種特殊檢測對象，常規(guī)基于流式細胞術(shù)的開放式檢測方法有兩個弊端，即接觸式采樣帶來的全血樣品污染以及全血制品可能攜帶的致病因子引起的人員感染風(fēng)險。因此，急需非接觸式的全血分類檢測與鑒別方法。

光譜技術(shù)在血液分析中得到廣泛應(yīng)用，例如在流式細胞術(shù)中，常用激光激發(fā)熒光[1-2]及激光散射[3-4]等光學(xué)技術(shù)進行細胞的分類鑒別。但是這些流式細胞術(shù)中的光譜方法無法在非接觸全血分類鑒定中采用。紅外吸收光譜學(xué)是一種可用來分析樣品分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的技術(shù)，因為每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨有的紅外吸收光譜。該技術(shù)可以在不直接接觸樣品的情況下對樣品進行探測，可能實現(xiàn)非接觸式的血液樣品種屬差異性狀的探測。

早在1916年, Lewis等[8]就測量了人血清的紫外吸收光譜。1997年，許少峰等[9]發(fā)現(xiàn)人和猴、犬、羊、兔、鼠、雞全血在可見光譜段的吸收光譜非常相似，其吸收峰的位置也比較接近。此外，他們還發(fā)現(xiàn)人血和兔血在紅外部分吸收峰有所區(qū)別[10]。1999年，F(xiàn)riebel等[11]對人全血在400～2500 nm譜段的光學(xué)特性(包括吸收)進行了分析。在2011年，Almulla等[12]比較了貧血病人和正常人血液可見光及近紅外吸收光譜的區(qū)別。以上研究，為近紅外吸收(或透射)光譜的動物全血鑒別分類的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。我們在近紅外譜段對犬貓雞三類常見動物全血樣品進行了透射光譜測量，發(fā)現(xiàn)三類動物全血樣品近紅外透射光譜的特性差異可供鑒別分類。

1 實驗部分

實驗系統(tǒng)采用ABB公司MB3000傅里葉變換紅外光譜儀，其最高光譜分辨率為0.7 cm-1且到64 cm-1的范圍之間調(diào)節(jié)，光譜范圍為485～8 500 cm-1。該型號光譜儀采用邁克爾遜干涉儀光路結(jié)構(gòu)，通過樣品后含有樣品信息的干涉光到達探測器，通過傅里葉變換獲得光譜數(shù)據(jù)，從而得到透過率或吸收率隨波數(shù)變化的光譜圖。

Fig.1 Experimental steps of whole bloods

實驗步驟如圖1所示，實驗全血樣品為雞、犬、貓三種動物EDTA抗凝血(采集24 h內(nèi)測定)，每種動物各取二個個體供分析，共六個全血樣。測試時將六個全血樣裝入統(tǒng)一的PET塑料試管，全血試管裝血量約為二分之一，采用倒置試管放置樣品，測量上部掛壁血液部分的透射光譜，以避免整個試管全血吸收過強造成的信號微弱。測試過程中選用光譜分辨率5 cm-1，光譜范圍4 497.669～7 506.4 cm-1，取五次的平均光譜數(shù)據(jù)。PET塑料試管透射光譜曲線如圖2所示，做為參考光譜，全血光譜以此為基準(zhǔn)進行透過率測量。

Fig.2 Reference spectrogram of PET cuvette

2 結(jié)果與討論

2.1 三種動物全血的近紅外透射光譜

雞、犬、貓六個全血樣分別標(biāo)注為Chicken A, Chicken B, Dog A, Dog B, Cat A, Cat B。所測得的三種動物六個個體的全血近紅外透射光譜如圖3—圖5所示。

2.2 透射光譜分析

從圖3—圖5可見，所有六個全血樣品均在5 184～5 215 cm-1之間有個明顯的吸收峰，同時在7 000 cm-1附近有個較平緩的吸收峰。同種動物個體之間的透射光譜分布相似，只在整體透射率上有些差別。

Fig.3 Near IR transmission spectrograms of chicken’s whole bloods

Fig.4 Near IR transmission spectrograms of dog’s whole bloods

Fig.5 Near IR transmission spectrograms of cat’s whole bloods

可采用相關(guān)系數(shù)評估光譜曲線的相似性，其定義見下式

(1)

r的取值范圍為0～1，大小反映了兩條光譜曲線的相似程度，當(dāng)r為1時，表示兩條曲線形狀完全一致。六個全血樣品4 497.669～7 506.4 cm-1間透射光譜曲線之間的相關(guān)系數(shù)r如表1所示。結(jié)果表明，同種動物不同個體光譜曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說明相似度非常高。而不同種動物光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.509 48～0.916 13之間，說明有一定的相似度，但比同種動物相似度有一定的差距。另外，雞與貓光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.857 23～0.912 44之間；雞與犬光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.509 48～0.664 82之間；貓與犬光譜曲線的相關(guān)系數(shù)在0.872 75～0.916 13之間。說明，犬貓同屬哺乳綱，兩者全血的近紅外透射光譜曲線差異比犬雞或貓雞非同綱動物的小。

Table 1 Correlation coefficients r among whole blood samples

3 結(jié) 論

采用近紅外譜段(4 497.669～7 506.4 cm-1)對犬貓雞三類常見動物全血樣品進行了透射光譜測量，計算了光譜曲線的相關(guān)系數(shù)。研究表明，不同物種動物全血的近紅外透射光譜存在一定差異，這種差異可用相關(guān)系數(shù)進行衡量。相關(guān)系數(shù)的差異可用來進行物種全血鑒定判別。需要指出的是，光譜是用掛瓶血液進行測量的結(jié)果，原因在于光源的強度不高且試管本身吸收很強，如再加上試管內(nèi)徑長度的全血吸收，會導(dǎo)致吸收過多信號過弱。用掛瓶血液測量，厚度不均、重復(fù)性不好，從而會引起不同次測量整體光譜曲線的上移或下移。但相關(guān)系數(shù)的大小只與兩條光譜曲線的形狀的相似度有關(guān)，光譜曲線的整體上移或下移并不會影響兩條光譜曲線的相關(guān)系數(shù)。為了改善實驗的重復(fù)性，可采用高強度超連續(xù)譜激光光源對試管部分整個全血的吸收進行測量。在本研究基礎(chǔ)上，通過光源的改進，近紅外譜段的吸收光譜分析可成為一種非接觸式動物全血鑒別的可行方法。

[1] Wallner G, Amann R, Beisker W. Cytometry, 1993, 14(2): 136.

[2] Herzenberg L A, Parks D, Sahaf B, et al. Clinical Chemistry, 2002, 48(10): 1819.

[3] De Grooth B G, Terstappen L, Pupples G J, et al. Cytometry, 1987, 8(6): 539.

[4] Ion R M, Planner A, Wiktorowicz K, et al. Acta Biochimica Polonica English Edition, 1998, 45: 833.

[5] Chappell J S, Bloch A N, Bryden W A, et al. Journal of the American Chemical Society, 1981, 103(9): 2442.

[6] Kreuzer L B. Journal of Applied Physics, 1971, 42(7): 2934.

[7] Xu M, Gao Y, Moreno E M, et al. Physical Review Letters, 2011, 106(13): 138302.

[8] Lewis S J. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 1916, 89(617): 327.

[9] XU Shao-feng，LIN Shao-zhong, CHEN Rong(許少峰, 林少忠，陳 榮). Applied Laser(應(yīng)用激光)，1997. 6.

[10] CHEN Rong, XU Shao-feng(陳 榮, 許少峰). Chinese Laser Medical Magzine(中國激光醫(yī)學(xué)雜志), 1997, 6(3): 142.

[11] Friebel M, Do K, Hahn A, et al. Journal of Biomedical Optics, 1999, 4(1): 36.

[12] Almulla A M F, Agab A W, Almannai L S, et al. Royal College of Surgeons in Ireland Student Medical Journal, 2011, 4(1): 82.

*Corresponding author

Identification of Animal Whole Blood Based on Near Infrared Transmission Spectroscopy

WAN Xiong1，WANG Jian2*，LIU Peng-xi1，ZHANG Ting-ting1

1. Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics Technology, Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China

2. Shanghai Municipal Animal Diseases Control Center, Shanghai 201103, China

The inspection and classification for blood products are important but complicated in import-export ports or inspection and quarantine departments. For the inspection of whole blood products, open sampling can cause pollution and virulence factors in bloods samples may even endanger inspectors. Thus non-contact classification and identification methods for whole bloods of animals are needed. Spectroscopic techniques adopted in the flowcytometry need sampling blood cells during the detection; therefore they can not meet the demand of non-contact identification and classification for whole bloods of animals. Infrared absorption spectroscopy is a technique that can be used to analyze the molecular structure and chemical bonds of detected samples under the condition of non-contact. To find a feasible spectroscopic approach of non-contact detection for the species variation in whole blood samples, a near infrared transmitted spectra (NITS, 4 497.669～7 506.4 cm-1) experiment of whole blood samples of three common animals including chickens, dogs and cats has been conducted. During the experiment, the spectroscopic resolution is 5 cm-1, and each spectrogram is an average of 5 measured spectral data. Experimental results show that all samples have a sharp absorption peak between 5 184 and 5 215 cm-1, and a gentle absorption peak near 7 000 cm-1. Besides, the NITS curves of different samples of same animals are similar, and only have slight differences in the whole transmittance. A correlation coefficient (CC) is induced to distinguish the differences of the three animals’ whole bloods in NITS curves, and the computed CCs between NITS curves of different samples of the same animals, are greater than 0.99, whereas CCs between NITS curves of the whole bloods of different animals are from 0.509 48 to 0.916 13. Among which CCs between NITS curves of the whole bloods of chickens and cats are from 0.857 23 to 0.912 44, CCs between NITS curves of the whole bloods of chickens and dogs are from 0.509 48 to 0.664 82, and CCs between NITS curves of the whole bloods of cats and dogs are from 0.872 75 to 0.916 13. The cat and the dog belong to the class of mammal, and the CCs between their whole bloods NITS curves are greater than those between chickens and cats, or chickens and dogs, which are hetero-class animals. Namely, the whole bloods NITS curves of the cat and the dog have higher similarity. These results of NITS provide a feasible method of non-contact identification of animal whole bloods.

Transmitted spectrum；Near infrared; Correlation coefficient; Animals’ whole blood

Sep. 8, 2014; accepted Dec. 20, 2014)

2014-09-08，

2014-12-20

國家自然科學(xué)基金項目(81260225), 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2015AA021103)和中國科學(xué)院“百人計劃”擇優(yōu)項目資助

萬 雄，1969年生，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所研究員 e-mail: wangxiong@mail.sitp.ac.cn; wanxiong1@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail：jianwhlj@163.com

O675.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0080-04