光學(xué)旋光法的血糖濃度測(cè)量_余振芳

1、余振芳等:光學(xué)旋光法的血糖濃度測(cè)量激光雜志2013年第34卷第5期LASER J OURNAL (Vol . 34. No . 5. 201357光學(xué)旋光法的血糖濃度測(cè)量余振芳, 邱琪, 郭勇, 蘇君(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院, 成都610054提要:采用光學(xué)法檢測(cè)血糖濃度是現(xiàn)今國(guó)際研究的熱門課題, 目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病患者進(jìn)行快速、無創(chuàng)、頻繁、實(shí)時(shí)的血糖監(jiān)測(cè)。本文介紹了光學(xué)旋光法檢測(cè)血糖濃度的原理, 對(duì)基于光學(xué)旋光法進(jìn)行無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)的研究狀況進(jìn)行綜述, 討論了各測(cè)量法的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:血糖; 旋光; 偏振光; 無創(chuàng)檢測(cè)中圖分類號(hào):TN248. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0253-2743

2、(2013 05-0057-03Optical porlarimetry for glucose sensingYU Zhen -fang , QIU Qi , GUO Y ong , AU Jun(School of Optoelectronic Information , Universit y of Electronics and Tchnol ogy of China , ChengDu 610054, China Abs tract :Optical glucose meas urment is t he international researc h hot topics nowd

3、ays , the goal is to undergoing rapid , noninvas ive , frequent , real -ti me glucos e monitoring for diabetics . The principl e of optical porl arimetry is introduced , several methods based on optical porl arimetry for gl ucos e measurementare -summarized and the advantages and disadvantages of ea

4、ch method is discussed .K ey words :Glucose ; optical rotation ; optical porlarimetry ; noninvasive meas urement糖尿病是一種常見的慢性病, 糖尿病的發(fā)展會(huì)危及人的心腦血管和腎臟, 已經(jīng)成為世界上繼腫瘤、心腦血管病之后第三位嚴(yán)重威脅人健康并導(dǎo)致死亡的最主要疾病。糖尿病若得不到有效治療, 可引起身體多系統(tǒng)的損害。血糖濃度隨著日常飲食等行為而改變, 頻繁監(jiān)測(cè)血糖以減少和減輕由血糖導(dǎo)致的并發(fā)癥。無創(chuàng)血糖檢測(cè)是在不損傷人體皮膚的條件下測(cè)量出血液血糖濃度的新方法。它克服了常規(guī)血糖監(jiān)測(cè)需病人針刺取

5、血的疼痛, 提高血糖檢測(cè)的水平和頻率, 降低了患者的危險(xiǎn)。采用光學(xué)法檢測(cè)血糖濃度是現(xiàn)今國(guó)際上研究的熱門課題, 目的是對(duì)糖尿病患者進(jìn)行快速、無創(chuàng)、頻繁、實(shí)時(shí)的血糖監(jiān)測(cè)。目前很多研究團(tuán)隊(duì)基于不同的光學(xué)原理來監(jiān)測(cè)血糖濃度的方法:吸收光譜法51-2升。由(1 式知, 監(jiān)測(cè)的血糖濃度與偏轉(zhuǎn)角成正比, 若旋光介質(zhì)的特征偏轉(zhuǎn)角以及樣品光程長(zhǎng)已知, 則可算出葡萄糖溶液的濃度。若波長(zhǎng)是633nm , 光程是1cm 濃度為100mg /dl 的10-11溶液將產(chǎn)生0. 004旋轉(zhuǎn)角。早在十九世紀(jì)初, 人們已經(jīng)利用旋光法來監(jiān)測(cè)葡萄糖的工業(yè)生產(chǎn)。1957年, E . J . Gillham 12報(bào)道了用于精確測(cè)量的旋

6、光計(jì)。但直到最近幾十年, 旋光法才用于生理上血糖濃度監(jiān)測(cè)的研究。1982年, March 和Rabinovich 13等人首次提出基于旋光法通過眼球前房水來間接估計(jì)血糖濃度。近些年在此領(lǐng)域的主要研究是提高測(cè)量的靈敏度、穩(wěn)定性和精確性, 以達(dá)到臨床應(yīng)用的目的。下面我們對(duì)旋光法監(jiān)測(cè)血糖濃度的方法做簡(jiǎn)單介紹。, 光散射系數(shù)法3-4, 拉曼(Ra -man 光譜法, 聲光光譜法, 光學(xué)旋光法等, 旋光法可能是無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的一種有效技術(shù), 具有測(cè)量精度高, 測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠等特點(diǎn), 且取得了一些研究成果, 但到目前為止, 尚無達(dá)到臨床應(yīng)用的條件。6-78-92旋光效應(yīng)監(jiān)測(cè)血糖濃度的方法旋光計(jì)是測(cè)量光學(xué)活

7、性分子引起旋轉(zhuǎn)角的光學(xué)儀器, 大多數(shù)的旋光計(jì)主要由光源、起偏器、測(cè)量樣品、檢偏器和探測(cè)器等元件組成。根據(jù)測(cè)量波長(zhǎng)數(shù)偏光計(jì)可分為單波長(zhǎng)旋光計(jì)和雙波長(zhǎng)旋光計(jì)。2. 1單波長(zhǎng)旋光計(jì)在生理范圍內(nèi), 光程為1cm 的葡萄糖引起5毫度旋轉(zhuǎn)角。目前獲得如此高的測(cè)量精度的技術(shù)主要分為兩種:強(qiáng)度17測(cè)量法8, 13, 14-和相位測(cè)量法18。1血糖的旋光效應(yīng)偏振光檢測(cè)血糖濃度的原理為:當(dāng)一束線偏振光通過某些含光學(xué)活性分子(如葡萄糖 物質(zhì)或溶液時(shí), 透射光也是線偏振光, 但偏振方向與原入射光的偏振方向有一個(gè)夾角, 這就是物質(zhì)的旋光特性。葡糖糖具有穩(wěn)定的旋光特性, 通過測(cè)量透射光的偏轉(zhuǎn)角即可得到人體的血糖濃度, 其

8、可由下式表征:T , PH =2. 1. 1強(qiáng)度測(cè)量法正交雙偏振光(orthogonal twin -polarized light , OTPL 檢測(cè)方法, 是將偏振光通過光學(xué)旋光物質(zhì)引起的微小偏振角的變化轉(zhuǎn)化為OTPL 的能量差, 正交雙偏振旋光計(jì)是由王洪8, 16等人提出的, 其結(jié)構(gòu)如圖1:激光光束經(jīng)起偏器P 后變?yōu)檠豖 軸方向偏振的線偏振光, 線偏振光被由正弦信號(hào)調(diào)制的電光調(diào)制器調(diào)制, 偏振方向變?yōu)閄 , 檢測(cè)系統(tǒng)中若無光學(xué)活性介質(zhì)時(shí), 兩偏振光在檢偏器A 的透射方向上的分量相等, 兩偏振光信號(hào)差為0, 只得到一個(gè)直流信號(hào), 若光路中含旋光介質(zhì)(葡萄糖分子 , , 這100LC(1T其

9、中 /(d mg /L , 與入射波, PH 是特征偏轉(zhuǎn)角, 單位是長(zhǎng)、溶液的溫度及酸堿性(PH 有關(guān); 是偏轉(zhuǎn)角, 單位是度; L是樣品的光程長(zhǎng), 單位是dm ; C 是溶液的濃度, 單位是克每毫收稿日期:2013-08-24作者簡(jiǎn)介:余振芳(1984- , 男, 博士研究生。, , , 博士生導(dǎo)師。58余振芳等:光學(xué)旋光法的血糖濃度測(cè)量激光雜志2013年第34卷第5期LASER J OURNAL (Vol . 34. No . 5. 2013cos (cos (cos (sin (r r r t +sin (r r , t sin (cos (cos (sin (r r r t +sin

10、(r r t j時(shí)兩偏振光通過檢偏器A 后在透射光軸上的分量將不同, 兩偏振方向的電場(chǎng)為Esin ( , 根據(jù)馬呂斯定律知兩分量的光強(qiáng)為:22f + , f -a =E 2sin 2(- a =E sin (E r =E j (t -kz +t e r 2E 0j (t -kz +t e r 2E s =cos (cos (cos (sin (s s r t +s n +e sin (r r t +sn sin (cos (cos (sin (s s r t +sn +e sin (r r t +sn j這兩個(gè)光強(qiáng)分量的差值為:f =E 2sin 2(+ -E 2sin 2(+ 是0, f (

11、 max的值, 上式對(duì)求導(dǎo)求極值得=時(shí), 22取最大值, 即兩偏振光相互垂直時(shí), 取最大值:f max =E 2sin2a(2 其中 , 沿y 軸方向 和血m 分別代表眼引起的雙折射(糖和噪聲引起的旋轉(zhuǎn)角, r , s 分別代表檢偏器P 2和P 3與x 軸的夾角, E 0表示入射電場(chǎng)振幅, r 是調(diào)制頻率, 光電探測(cè)E 2011器產(chǎn)生的光電流為:I r =+cos 2(r t -r 2222E 011I s =+1-cos ( cos 2( rt +s n +s2241+1+cos ( cos 2( r t +s n -s4光電流經(jīng)過比較器, 相位處理器和濾波器等電子器件的處理后, 調(diào)整P 3

12、的方向使s =0, 則信號(hào)光變?yōu)?E 011I s =+co s 2(, (3 r t +sn sn =ac +n222q c , n 分別為眼前房水引起的旋轉(zhuǎn)角, 生物噪聲 引起的旋轉(zhuǎn)角, 通過參考信號(hào)r =n 可以消除噪聲引起的測(cè)量誤差, 使得從相位計(jì)輸出的信號(hào)僅與眼前房水血糖濃度引起的旋轉(zhuǎn)角ac 有關(guān)。該裝置中的轉(zhuǎn)角系統(tǒng)采用電機(jī)帶動(dòng)蝸輪等轉(zhuǎn)動(dòng), 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)存在機(jī)械磨損會(huì)使測(cè)量誤差變化大, 因而測(cè)量精度難以提高, 尤其是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)限制了低濃度的測(cè)量, 則可通過電子檢測(cè)系統(tǒng)提高測(cè)量精度; 該法測(cè)量中, 既要求裝置固定不動(dòng), 又要求入射光與眼角膜面的角度相對(duì)不變, 才能保證光路徑恒定(1cm ,

13、但由于測(cè)量部位是人眼, 且人眼的運(yùn)動(dòng)引起的雙折射19, 很難使光路徑穩(wěn)定, 人眼雙折射是目前旋光測(cè)量中的主要問題, 可通過多波長(zhǎng)旋光法克服; 相位測(cè)量可以免除角膜雙折射和角膜旋轉(zhuǎn)的影響; 相位測(cè)量法克服強(qiáng)度測(cè)量中的光源浮動(dòng)和光束與特別物質(zhì)相互作用的因素, 具有較高的靈敏度且便于小型化。2. 2雙波長(zhǎng)旋光計(jì)雖然單波長(zhǎng)血糖測(cè)量在體外監(jiān)測(cè)中取得了一定進(jìn)展, 但由于人眼轉(zhuǎn)動(dòng)(引起角膜雙折射現(xiàn)象 加大了單波長(zhǎng)旋光法在臨床血糖監(jiān)測(cè)的困難, 為克服角膜雙折射實(shí)時(shí)性對(duì)血糖監(jiān)測(cè)的影響, Malik 和Cot 20-21等人提出實(shí)時(shí)雙波長(zhǎng)閉環(huán)環(huán)路旋光計(jì)來提高血糖測(cè)量的精度, 雙波長(zhǎng)旋光計(jì)裝置如下:2圖1正交雙偏振

14、旋光計(jì)結(jié)構(gòu)圖由(2 式知, 探測(cè)強(qiáng)度與光源光強(qiáng)和偏振角有關(guān), 與兩偏振光的相位差無光, 因而克服了外差探測(cè)法14對(duì)相位敏感的缺陷, 又具有光電外差探測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn); 正交雙偏振法對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格; 采用電光調(diào)制器產(chǎn)生正交雙偏振光, 由于需正負(fù)180V 的調(diào)制電壓, 電壓的突變將干擾微弱血糖信號(hào), 且會(huì)產(chǎn)生噪聲影響系統(tǒng)信噪比。2. 1. 2相位測(cè)量法圖2為Gerard L . Cot 18等人采用的一種相位法測(cè)量血糖濃度, 激光光源由起偏器P1變?yōu)榫€偏振光, 線偏振光經(jīng)四分之一波片后成為圓偏振光, 圓偏振光通過以頻率為r 同步線偏振旋轉(zhuǎn)器后, 電場(chǎng)變?yōu)檎穹愣ā㈦S時(shí)間變化的線偏振光, 之

15、后光束通過分光器, 一半光(參考光 通過檢偏器P2后由光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 另外一半光(信號(hào)光束 通過眼前房水經(jīng)檢偏器P3后由光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 電信號(hào)經(jīng)過濾波、比較器等電子處理器件處理參考光和信號(hào)光, 進(jìn)而進(jìn)行測(cè)量相位 。圖2相位法測(cè)量血糖濃度進(jìn)入光電探測(cè)器的參考光和信號(hào)光的電場(chǎng)可表示為:圖3雙波長(zhǎng)旋光裝置作為光源, 射別為和余振芳等:光學(xué)旋光法的血糖濃度測(cè)量激光雜志2013年第34卷第5期LASER J OURNAL (Vol . 34. No . 5. 2013830n m , 功率是7mw 和20mw , 兩激光光源(水平偏振光束 經(jīng)格蘭湯姆起偏器后, 兩線偏

16、振光束分別通過四分之一波片,波片的透射方向分別為快軸與入射偏振一致的方向和透射方向與快軸成45夾角方向, 這兩束光分別耦合到法拉第補(bǔ)償器, 兩光束合并后由法拉第調(diào)制器調(diào)制, 法拉第調(diào)制器由1. 09KHz 正弦波驅(qū)動(dòng), 調(diào)制深度約為1, 該調(diào)制波通過樣品后再通過檢偏器, 檢偏器的偏振方向與起偏器偏振方向垂直, 透射光由分光器分開后通過中心波長(zhǎng)為635nm 和830nm 的濾波器, 然后由光電探測(cè)器接受透射光產(chǎn)生光電流, 光電流由帶寬放大器預(yù)放大后, 信號(hào)再進(jìn)入鎖相放大器, 鎖相放大器從相位和頻率上鎖定處理1. 09KHz 信號(hào)成分, 輸出直流電壓該直流電壓與光電探測(cè)器檢測(cè)到的1. 09KHz

17、信號(hào)電壓成正比, 輸出直流電壓來驅(qū)動(dòng)法拉第補(bǔ)償器來補(bǔ)償由于樣品引起偏振的改變。在考慮角膜雙折射的影響下, 雙波長(zhǎng)閉環(huán)環(huán)路旋光計(jì)探測(cè)的光強(qiáng)為:22m m 22I 1E 1+ (cos (21+2 1m sin m t -m t 2222m m 22I 2E 2+ (cos (24 2+2 2m sin m t -m t (22其中 m = g m - fm + b , b 是雙折射引起的變化, g m fm代表波長(zhǎng)m =1, 2血糖旋轉(zhuǎn)角和補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)角。59bl ood serum and urine sa mples using l iquid -core optical fi ber Ram

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