基于最小偏向角法的模擬血液濃度測量研究

李芷竹 陳超 馬遠貞 戶婷亞 張曉紅 楊丹

摘? 要：人體的健康狀況可以通過血液中某些物質的濃度直接體現(xiàn)，為了進行快速、高效、精準的血液檢測，人們不斷探究新的檢測方法及醫(yī)療儀器設備。酒駕醉駕違法犯罪行為危害人民群眾生命財產安全，為實現(xiàn)有效防治，各類檢測技術與裝置不斷被研發(fā)。本文基于物理光學中最小偏向角法，利用乙醇溶液模擬人體醉酒血液狀態(tài)，自制模擬血液三棱鏡測量不同濃度下的最小偏向角，通過折射率的計算以及數(shù)據(jù)擬合分析找出經驗方程，得到一種通過可視化角度測量便可測定未知血液濃度的有效方法，為血液中物質含量或濃度的檢測提供新思路。

關鍵詞：最小偏向角法? 模擬血液? 濃度? 折射率

Abstract： The concentration of certain substances in the blood could reflect the physical condition directly. To carry out rapid， efficient and accurate blood tests， new test methods and medical equipment are being researched constantly. The illegal and criminal acts of drunk driving endanger the lives and property of the people. In order to achieve effective prevention and control， various detection technologies and devices are constantly being developed. Based on the least deviation angle method in physical optics， ethanol solution was used to simulate a blood alcohol state， and the least deviation angles were measured under different concentrations by the self-processed simulated blood prism. Through the refractive index calculation and data fitting analysis， an effective method to determinate blood concentration was found， which could realize a visual measurement and provide a new idea for blood tests.

Key Words： Least deviation angle method; Simulated blood; Concentration; Refractive index

健康一直是人們關注的焦點，而血液中某些物質的濃度往往可以直接、真實、有效地反映人體的當前狀況，例如血液中葡萄糖的含量可以作為糖尿病的診斷依據(jù);血液中某種藥物的濃度可以作為療效的評價參考;血液中酒精的含量還可以作為酒駕醉駕違法行為的判定標準等等[1-3]。對此，科研人員也展開了一系列的研究工作。Lulu Dai等人[4]通過對貴州省燃煤砷中毒地區(qū)的631名25歲以上且具有15年以上本地居住史的調查者進行病例對照研究，發(fā)現(xiàn)長期燃煤砷暴露與2型糖尿病之間存在一定聯(lián)系，當血液中砷濃度超過3.69μg/L時，2型糖尿病的患病風險隨之增加，二者存在非線性關系;雖然血砷濃度低于3.69μg/L時相對安全，但若吸煙也會增大患病風險，特別是在具有15年以上吸煙史的調查者中，這種患病幾率顯著增加，這為研究砷暴露與糖尿病之間的聯(lián)系提供了流行病學依據(jù)。胡楠等人[5]利用高效液相色譜串聯(lián)質譜法，對進行大劑量甲氨蝶呤化療的血液惡性腫瘤患者進行了血液監(jiān)測，檢測其血清中甲氨蝶呤及主要代謝產物7-羥基甲氨蝶呤的濃度，發(fā)現(xiàn)患者在甲氨蝶呤給藥劑量大約為1.9g/m2的情況下，連續(xù)靜脈滴注24h后，體內主要代謝產物7-羥基甲氨蝶呤的濃度要高于甲氨蝶呤數(shù)倍，表明7-羥基甲氨蝶呤的濃度與大劑量甲氨蝶呤化療治療具有相關性，對于7-羥基甲氨蝶呤濃度的檢測具有十分重要的臨床意義。汪軍等人[6]研究了微量注射重組人促紅細胞生成素對血液興奮劑檢測運動員生物護照的影響，通過對14名健康男性青年受試者進行為期7周的微量重組人促紅細胞生成素皮下注射，對比注射等量生理鹽水的安慰劑組，發(fā)現(xiàn)注射重組人促紅細胞生成素后的受試者靜脈血液總量和濃度參數(shù)顯著增加，使得運動員生物護照檢測結果為陽性，其中血液總量指標血紅蛋白總量更為敏感，而血液濃度指標可能受到血漿量影響而直到最后一次注射后3周左右都維持在較高水平，這為進行運動員生物護照血液興奮劑檢測提供了實踐依據(jù)。

對于血液中物質濃度（或含量）的檢測往往依托于精準的檢測技術和先進的醫(yī)療儀器設備，因此高靈敏度、快速的檢測方法與裝置一直也是人們研究的熱點[7-9]。周閏等人[10]采用以QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）前處理方法為基礎的氣相色譜-質譜方法，對60位普通人血液樣本中的30種有機氯農藥和菊酯類農藥進行了檢測，發(fā)現(xiàn)有12種農藥被檢出，其中傳統(tǒng)的有機氯農藥和廣泛應用的氯氰菊酯等菊酯類農藥檢出率大于50%，說明該方法靈敏、簡便、穩(wěn)定性高，可實現(xiàn)血液中農藥的快速檢測，為農藥中毒和農藥殘留檢測提供了技術支持。趙鵬等人[11]以分光光度法為基礎結合偶聯(lián)終點比色法，建立了一種可以定量檢測全血或血液制品中游離血紅蛋白濃度的方法，并應用于Wistar大鼠的失血性休克動物模型中，測量復蘇前后血液樣本中游離血紅蛋白濃度并進行血氣分析，發(fā)現(xiàn)輸入不同濃度的游離血紅蛋白血液1h后體內pH值得以糾正，且游離血紅蛋白濃度與pH值呈線性相關，這種檢測血液中游離血紅蛋白濃度的裝置和方法適用于院前大量輸血治療時全血和血液制品的快速質量評估。閆文強等人[12]為了進一步明確更適于臨床檢驗的人體血液中鉛濃度的有效方法，對衛(wèi)生部2006年《血鉛臨床檢驗技術規(guī)范》中規(guī)定的石墨爐原子吸收光譜法和微分電位溶出法兩種基本方法進行了比較，在隨機抽取了10名兒童的微量元素檢測樣本后，每份分10次分別采用以上兩種方法進行檢測，發(fā)現(xiàn)兩種方法檢測結果具有很好的一致性和可靠性，再綜合考慮二者的測試成本及操作性，微分電位溶出法則體現(xiàn)出微偏差、低成本、易操作等優(yōu)勢，更適于臨床檢測，這為臨床上血鉛檢測方法選擇提供了參考依據(jù)。

基于市場經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國汽車總量逐年增加，據(jù)公安部數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年6月，全國機動車保有量已達3.6億輛，其中汽車保有量達為2.7億輛，占機動車總量的75%。與此同時，全國機動車駕駛人數(shù)量也逐年增加，已達到4.4億，其中汽車駕駛人數(shù)量為4億，占駕駛人總數(shù)量的90.9%。在如此龐大的機動車和駕駛員數(shù)量之下，酒駕醉駕違法犯罪行為的出現(xiàn)也相對增多，僅今年“五一”小長假5d時間，全國共查處酒駕醉駕違法犯罪行為3.3萬余起，嚴重危害了人民群眾生命財產安全。目前，針對此類違法行為我國已進一步加大整治力度，加強監(jiān)管，相關法律法規(guī)逐步完善。同時科學技術方面，各種防酒駕裝置與酒精檢測方法也不斷被研發(fā)[13-15]，如羅春林等人[16]設計了一種集合酒精檢測、屏幕顯示、語音提醒、禁止啟動等功能于一體的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)，并利用三次樣條插值算法對系統(tǒng)中的MQ-3酒精氣體傳感器進行了修正，在提高系統(tǒng)酒駕識別準確性的同時從源頭上杜絕酒駕。本文從物理學的角度出發(fā)進行基礎性研究，基于最小偏向角原理，采用實驗模擬的方法，探究一種測定血液中酒精濃度的新方法，為血液中物質含量或濃度的檢測提供新思路，為檢測儀器的研發(fā)與制備提供實驗基礎。

1? 實驗原理與設計

最小偏向角法[17]是物理光學實驗中常用的一種用來確定棱柱形實心透明介質折射率的有效方法，如圖1所示。已知透明實心三棱鏡的主截面，頂角為，當單色平行光束Ⅰ入射三棱鏡一側面時，會連續(xù)發(fā)生兩次折射，光線Ⅱ從另一側面出射，與入射光線Ⅰ之間的夾角即為偏向角。由主截面上幾何關系，以及，可得。若入射光線Ⅰ方向保持不變，將棱鏡繞垂直于主截面的軸線開始旋轉，則偏向角將隨之變化;由折射定律的微分形式可以推導出，當時偏向角即達最小值，此時有，同時可知。因此，若已知固體三棱鏡的頂角為，測量出其最小偏向角，即可推算出該固體透明材料的折射率，計算式為。

本文在此最小偏向角原理的基礎上，設計一種溶液三棱鏡，并應用于模擬血液酒精濃度的測量之中。首先，通過精密光學加工制作薄壁空心三棱鏡槽，壁厚小于5 mm，以減小光線在鏡壁內折射產生的影響，設計頂角為60°。其次，利用純水和無水乙醇配制不同濃度的乙醇溶液（10%～50%），以定性模擬不同人體醉酒血液狀態(tài)，并將其置于薄壁空心三棱鏡槽中形成模擬血液棱鏡。最后，利用JJY型分光計測量模擬血液棱鏡在不同濃度c下的最小偏向角，并通過阿貝折射儀測定折射率n進行驗證，進而擬合實驗數(shù)據(jù)定量找出二者關系。

2? 數(shù)據(jù)測量與討論

將配制好的乙醇溶液倒入空心三棱鏡槽中形成模擬血液棱鏡，并轉移至已調節(jié)好的JJY型分光計載物臺中央。實驗采用汞燈作為光源，選取綠色譜線作為目標譜線入射模擬血液棱鏡，轉動目鏡位置觀察出射光線。緩慢轉動載物臺，視野中目標譜線會隨之轉動，直到轉動載物臺至某一位置時目標譜線反向而動，該位置即最小偏向角位。記錄載物臺左右游標數(shù)據(jù)，并計算出最小偏向角，實驗中均進行3次以上測量取平均值，并計算不確定度后數(shù)據(jù)列入表1。分別配制濃度為10%～50%的乙醇溶液重復上述實驗，由表1可以看出，隨著模擬血液中酒精濃度c的升高，最小偏向角角度隨之增大，且多次測量的不確定度μ較小，說明該檢測方法測量的穩(wěn)定性高、重復性好。

為驗證該測量方法的準確性，實驗還利用最小偏向角原理進一步計算出不同濃度下的模擬血液折射率n，并與阿貝折射儀直接測量的折射率數(shù)值 進行比較，數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯?，不同濃度下基于最小偏向角法計算所得的模擬血液折射率n，與阿貝折射儀直接測量的折射率 近似相等，誤差u相對較小，且均隨模擬血液濃度c的增加而增大，說明通過此方法測量溶液棱鏡的最小偏向角亦可準確反映模擬血液濃度的信息。

為進一步定量確定模擬血液中酒精濃度與最小偏向角之間的關系，將表1中最小偏向角換算成角度（°）單位，與濃度c的數(shù)據(jù)繪制成圖，并利用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，如圖2所示。從圖中可以看出，模擬血液濃度c與最小偏向角之間近似呈線性關系（R2=0.99785），且在測量濃度區(qū)間10%-50%內滿足線性方程。為了驗證此經驗方程的準確性，選取已知折射率的純水作為參考對象，在本實驗系統(tǒng)中，即當模擬血液中酒精濃度c降至0時，系統(tǒng)研究對象變?yōu)榧兯?，此時由擬合方程可得最小偏向角為23.6688°，再進一步由最小偏向角法求得對應折射率n為1.33396，這與純水折射率的理論數(shù)值1.333近似，相對誤差僅為0.072%，再次證明此模擬血液濃度測量方法的精準性。

3? 結語

隨著我國經濟的日益發(fā)展，人們對自身健康的關注度以及對生活品質的要求日益提高。血液信息作為人體健康的信號燈一直被科研領域所關注，各種檢測方法及儀器裝置也不斷被研發(fā)。基于血液中物質濃度的測量及方法探究的研究熱點，結合當今酒駕醉駕的社會問題，本文利用乙醇溶液定性模擬人體醉酒血液狀態(tài)，從最小偏向角法出發(fā)制備了模擬血液三棱鏡，通過測量不同酒精濃度下的最小偏向角，并輔助阿貝折射儀驗證，得到了最小偏向角與模擬血液濃度間的擬合方程，確定二者關系的同時實現(xiàn)了未知濃度的可視化測量。這為血液中物質含量或濃度的檢測提供了新思路，為檢測儀器的研發(fā)與制備提供了實驗基礎。

參考文獻

[1] 酉麗紅，付隆君，王愛華，等.血液葡萄糖濃度與維持性血液透析患者透析低血壓的關系[J].中國冶金工業(yè)醫(yī)學雜志，2016，33（6）：683-684.

[2] 馮文濤.百草枯血藥濃度監(jiān)測在中毒患者血液灌流治療中的應用[J].華西藥學雜志，2018，33（6）：554-556.

[3] 姜佳奕.人體血液乙醇濃度檢測方法的研究[J].法制博覽，2018（34）：168.

[4] Lulu Dai， Xiaoyong Lv， Zhongbao Chen， etal. Elevated whole blood arsenic level is associated with type 2 diabetes in coalburning areas in Guizhou[J]. Toxicology and Applied Pharmacology， 2020，403：115135（1-7）.

[5] 胡楠，錢卿，惲琴素，等.LC-MS/MS法檢測血液惡性腫瘤患者血清中甲氨蝶呤及其代謝物7-羥基甲氨蝶呤的濃度[J].中國藥師，2020，23（5）：910-913.

[6] 汪軍，張美玲，王松利，等.血紅蛋白總量在運動員生物護照興奮劑檢測中的意義[J].中國應用生理學雜志，2018，34（6）：519-523.

[7] 李興春，崔良峰，李潔，等.生化分析儀、血氣分析儀與YY0598-2015行業(yè)標準規(guī)定方法檢測血液透析液中離子濃度的比較[J].中國醫(yī)療器械信息，2019，25（19）：25-27.

[8] 周碧云，張玲，巫小莉，等.Sysmex XN-1000全自動血液分析儀檢測模式和血小板檢測方法功能評價[J].實驗與檢驗醫(yī)學，2019，37（5）：841-843.

[9] 虞蕊鴻.探析血液篩查中常見的丙型肝炎病毒的檢測方法[J].世界最新醫(yī)學信息文摘，2019，19（70）：162，178.

[10] 周閏，吳林林，劉文衛(wèi).基于QuEChERS方法的血液中30種農藥的氣相色譜-質譜快速檢測法[J].現(xiàn)代預防醫(yī)學，2019，46（13）：2448-2454.

[11] 趙鵬，吳太虎，孫建軍，等.游離血紅蛋白濃度的定量檢測方法及其在失血性休克復蘇中的應用[J].軍事醫(yī)學，2012，36（3）：225-237.

[12] 閆文強，葉政德.人體血鉛檢測方法的比較[J].中國誤診學雜志，2009，9（1）：38.

[13] 丁浩，閆偉，楊會.基于FPGA多通道酒駕主動檢測系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（21）：43-44.

[14] 劉貴勝，尹波.基于單片機的智能防酒駕裝置設計[J].科學技術創(chuàng)新，2020（17）：84-85.

[15] 李春麗，韓文軍，李學博，等.血液中乙醇濃度測定方法及影響因素的探究[J].山東化工，2018，47（11）：89-90.

[16] 羅春林，崔浩，舒朝君，等.基于三次樣條插值的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2019，42（10）：161-165，170.

[17] 姚啟鈞.光學教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2005.