基于熒光光譜技術(shù)的血糖檢測研究

詹志鵬 陳明惠 欒昌昇

摘 ?要： 血糖濃度不同的血清樣品被相同波長的光激發(fā)后，得到各個血清的熒光發(fā)射光譜，通過對光譜分析以及數(shù)據(jù)處理后可以得到血清中血糖濃度的大小。實驗結(jié)果表明，血清的發(fā)射波長約為470 nm，激發(fā)光波長相同時，隨著葡萄糖濃度的增加，得到的光譜圖中波峰處的光強(qiáng)也增加，另外波峰的半峰寬減小，曲線波峰的面積也越大?？梢杂蛇@些特征值預(yù)測血糖濃度。

關(guān)鍵詞： 光譜分析;熒光分析;血糖

中圖分類號： O433.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.046

本文著錄格式：詹志鵬，陳明惠，欒昌昇，等. 基于熒光光譜技術(shù)的血糖檢測研究[J]. 軟件，2020，41（08）：172-174

【Abstract】： After the serum samples with different blood glucose concentration are excited by the same wavelength of light， the fluorescence emission spectrum of each serum can be obtained. Through the spectral analysis and data processing， the blood glucose concentration in the serum can be obtained. The experimental results show that the emission wavelength of serum is about 470 nm. When the excitation wavelength is the same， with the increase of glucose concentration， the light intensity at the peak of the spectrum increases. In addition， the half width of the peak decreases and the area of the curve peak increases. These characteristic values can be used to predict blood glucose concentration.

【Key words】： Spectrum analysis; Fluorescence analysis; Blood glucose

0 ?引言

糖尿病是一種代謝性疾病，它的特征是血糖含量偏高。糖尿病是由許多病因共同引起的代謝紊亂，而高血糖是由于胰島素分泌較低引起的。糖尿病患病時間長會對很多器官造成傷害，甚至還會引起神經(jīng)、心臟、腎臟、眼睛這些組織的病變以及功能缺陷和功能衰竭。病情嚴(yán)重時可能會發(fā)生急性代謝紊亂，如高滲性昏迷等。目前各個國家糖尿病的患病人數(shù)占比隨時間都呈一直上升的趨勢，另外由糖尿病致死的病例在全球范圍內(nèi)也持續(xù)增多。國際糖尿病聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示[1]，2013年全球20～79歲糖尿病患者總數(shù)是3.82億，占該年齡段人口總數(shù)的8.3%，預(yù)計到2035年，上述兩個數(shù)據(jù)將分別增加到5.92億和10.1%，22年間全球糖尿病患者數(shù)將增加2.1億。同期數(shù)據(jù)表明，2013年全球20～79歲糖尿病患者死亡人數(shù)為510萬，占該年齡段死亡總數(shù)的8.4%，與2011年糖尿病死亡人數(shù)相比，增加了11%。印度1971至2000年糖尿病患病率增長了10倍（從1.2%增長到12.1%）[2]。由此可見糖尿病患者數(shù)目的持續(xù)增長趨勢已經(jīng)嚴(yán)重影響了人類的健康安全。

目前糖尿病是沒有辦法徹底治愈的，但可以通過持續(xù)的血糖濃度檢測后根據(jù)檢測結(jié)果使用藥物進(jìn)行控制，從而控制人體的血糖濃度。這種可以方式在一定程度上減少糖尿病并發(fā)癥的危害。目前臨床上主要使用兩種方式進(jìn)行血糖檢測，分別是生化分析儀和快速血糖儀。對于全自動生化分析儀來說，由于購買設(shè)備儀器費用較高，而且檢測的耗時也較長，有比較高的技術(shù)要求，需要專業(yè)的人員進(jìn)行操作，雖然測得的血糖濃度比較準(zhǔn)確，但是測量速度較慢。而且由于采血量較大，對病人造成的痛苦也比較大，不利于連續(xù)檢測血糖濃度?？焖傺莾x一般采用指尖毛細(xì)血管中的血液進(jìn)行檢測，其優(yōu)點是取血方便，可以隨時隨地檢測，并且采血量少，病人的疼痛感也少。但是在正常工作中，血糖儀檢測結(jié)果往往不夠精確。尤其是長時間使用快速血糖儀后檢測結(jié)果會發(fā)生偏移。而實驗室測定的葡萄糖含量只存在于血漿他中，由于血清標(biāo)本不含紅細(xì)胞，因此測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，即血漿或血清的血糖值應(yīng)稍高于末梢血，但是血液離體后血細(xì)胞可不斷從血清中攝取葡萄糖，因此應(yīng)當(dāng)及時分離血清和血細(xì)胞以免影響檢測結(jié)果，使生化儀測定值較快速血糖儀測定值偏低。因此快速血糖儀檢測精度不高，在血糖檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性上，全自動生化分析儀與快速血糖儀雖然存在一定差異，但差異較小，快速血糖儀需要定期與全自動生化分析儀進(jìn)行對比，以確保血糖檢測的準(zhǔn)確度[4]。

所以現(xiàn)階段的人體無創(chuàng)血糖檢測在當(dāng)前仍然是比較重要的科研課題，根據(jù)文獻(xiàn)知朱衛(wèi)華等[5]所做的實驗采用紫外光激發(fā)正常和異常的人體血清，通過實驗測試系統(tǒng)采集不同血糖濃度的血清在不同波段處的熒光圖像，經(jīng)過處理后得到血糖的濃度直接影響血清在365 nm處的熒光強(qiáng)度的結(jié)論，由此可以根據(jù)365 nm處的熒光強(qiáng)度的大小來判斷血清中的血糖含量是否超標(biāo)。Shirshin Evgeny等[6]采用280 nm～450 nm波長范圍的光激發(fā)白鼠血清樣品，結(jié)果表明320 nm激發(fā)下的熒光發(fā)射帶形狀最能反映血漿中高血糖的存在。O. Abdallah等[7]通過光照不同葡萄糖濃度的DMEM溶液，在紫外和可見光范圍內(nèi)利用熒光光譜法計算葡萄糖濃度，并對檢測信號進(jìn)行分析。根據(jù)各種光學(xué)方法無創(chuàng)檢測葡萄糖濃度，研究了葡萄糖溶液與光之間的相互作用，研究結(jié)果表明葡萄糖濃度越高，對應(yīng)熒光強(qiáng)度越高。熒光光譜法檢測血糖操作簡單，成本也較低，檢測結(jié)果相對于快速血糖儀也更為準(zhǔn)確，為無創(chuàng)檢測血糖濃度提供了一種新的思路。

1 ?實驗步驟和方法

人體血液主要由血漿和血細(xì)胞組成，其中血清為淺黃色半透明液體，其中除含有大量水分以外，還有無機(jī)鹽、纖維蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各種營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等。這些物質(zhì)無一定的形態(tài)，但具有重要的生理功能。而人體血液中所含有的血糖幾乎都存在于血清中，因此本實驗的樣品主要采用血清。血清由上海市徐匯中心醫(yī)院提供。正常情況下，人體血清血糖濃度范圍為4.5～6.9 mmol/L。本次實驗是在之前已經(jīng)做了血清血糖的光譜檢測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的細(xì)化樣品的血糖濃度梯度和范圍，在3.5～ 8 mmol/L的血糖濃度范圍，以0.5 mmol/L為濃度梯度進(jìn)行了再次實驗。

實驗儀器：血糖濃度由BS-2000M全自動生化分析儀標(biāo)定，熒光光譜用Cary Eclipse熒光分光光度計檢測，光譜成像采用配套軟件處理。激發(fā)和發(fā)射狹縫均設(shè)為5 nm，步長2 nm，掃描速率設(shè)為1200 nm/min。

將參數(shù)設(shè)置好以后，檢測得到的數(shù)據(jù)先導(dǎo)入excel中預(yù)處理，然后再導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行四階多項式擬合曲線并繪制熒光光譜圖，并對于各個濃度的光譜曲線的特征參數(shù)進(jìn)一步分析。

2 ?實驗結(jié)果分析

王樂新等[8]通過實驗表明：在不同波長的紫外光激勵下，血清產(chǎn)生的熒光光譜線型及峰值波長基本相同，與激勵光波長無關(guān)，但熒光峰強(qiáng)度隨激勵光波長變化而變化。血清的熒光光譜有兩個較強(qiáng)的熒光發(fā)射區(qū)，其中第一個發(fā)射區(qū)處于300～410 nm，第二個發(fā)射區(qū)處于410～530 nm。當(dāng)激發(fā)光波長小于310 nm，熒光主要集中在第一發(fā)射區(qū)，熒光峰位于330和370 nm處，并產(chǎn)生競爭現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)光波長大于250 nm時，只出現(xiàn)330 nm處的熒光峰，其最佳激勵光波長為300 nm;當(dāng)激發(fā)光波長大于320 nm，第一發(fā)射區(qū)的熒光變?nèi)?，在第二發(fā)射區(qū)的熒光變強(qiáng)，熒光峰位于452 nm。并且表明血清熒光光譜的峰值處的熒光強(qiáng)度與血清濃度有一定相關(guān)性。

激發(fā)和發(fā)射狹縫均設(shè)為5 nm，步長2 nm，掃描速率設(shè)為1200 nm/min。使用340 nm的光激發(fā)血清樣品，檢測樣品的發(fā)射光譜并記錄數(shù)據(jù)。此前的實驗已經(jīng)初步確定了血糖濃度在3.5-8 mmol/L范圍內(nèi)光譜特征參數(shù)和血糖濃度成一定關(guān)系[9]，本次實驗補充部分濃度血清溶液的測量并對這種關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步探究。

如圖1是6.5 mmol/L的血清熒光光譜圖：波峰處熒光強(qiáng)度是52.49a.u.，其余濃度的波峰強(qiáng)度也是依此計算，并記錄于表格1中。濃度分別是3.5 mmol/L、4 mmol/L、4.5 mmol/L、5 mmol/L、5.5 mmol/L、6 mmol/L、6.5 mmol/L、7 mmol/L、7.5 mmol/L、8 mmol/L。各濃度血清熒光發(fā)射光譜的波峰強(qiáng)度三階擬合方程為（1），由數(shù)據(jù)可知波峰強(qiáng)度隨血糖濃度增加而增加，由擬合方程可以根據(jù)熒光光譜的波峰強(qiáng)度和擬合方程對血糖濃度進(jìn)行預(yù)測，為無創(chuàng)檢測血糖提供了一種可能。

3 ?結(jié)論

本實驗在之前實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了血糖濃度為3.5-8 mmol/L的血清溶液的熒光光譜，得到如下結(jié)論：熒光光譜的波峰強(qiáng)度和血糖濃度呈正相關(guān);光譜由波峰降低到半波峰的水平寬度和濃度也呈正相關(guān);另外光譜圖中第一個波谷之后的波形與水平軸所夾面積和血糖濃度也呈正相關(guān)。這些相關(guān)性為進(jìn)行進(jìn)一步分析處理計算血糖濃度提供了基礎(chǔ)，但要真正實施無創(chuàng)檢測血糖還需要解決如何排除人體其他組織成分對光譜圖的影響，以及如何放大并提取血糖的熒光信號的問題，另外根據(jù)光譜圖特征參數(shù)準(zhǔn)確計算血糖濃度的算法也有待研究。

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