中红外无创血糖测量中光程变化对PLSR模型的影响研究

在测量人体皮肤中红外光谱的过程中,皮肤与ATR晶体之间的接触面积很难保持一致,导致倏逝波与人体皮肤的作用光程会产生差异。以光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间的相关性为基础,建立了两个分析葡萄糖含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型,RMSECV分别为31.3和4.52mg.dL-1;RMSEP分别为30.3和98.7mg.dL-1。结果表明,当光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间偶然相关时,所建PLSR模型的预测精度与稳健性会受到不同程度的影响,随着二者之间相关性的增强,最优模型对葡萄糖信息的识别能力越来越弱。为提高中红外无创血糖测量分析结果的可靠性,避免获得伪优定标模型提供了实验依据。     

基于红外ATR光谱的组织液中葡萄糖信息检测方法研究

通过测量组织液中的葡萄糖浓度获得血糖信息是目前实现血糖连续检测的主要方法,中红外ATR光谱法在分析葡萄糖等生物小分子成分信息方面具有显著优势,但是如何利用中红外ATR光谱法检测皮下组织液中的葡萄糖信息仍是尚未解决的问题。在对中红外穿透深度理论分析的基础上开展了自然状态和渗透状态下人体皮下组织液葡萄糖的中红外ATR光谱检测实验。首先探究将中红外光直接入射到人体皮肤表层上,采集自然状态下人体手指皮下组织液葡萄糖的ATR光谱数据,讨论中红外直接穿透皮下组织获得葡萄糖信息的可行性;在此基础上,通过采用低频超声和真空负压的方法促进组织液渗透到皮肤表层,采集其中红外ATR光谱进而分析和判断是否含有葡萄糖特异信息。由于二维相关光谱技术在红外光谱等光谱研究领域分析分子间反应和物质的吸收峰信息来源时有很高的分辨率和很好的适用性,利用二维相关光谱技术分别分析皮肤表层在自然状态和渗透状态的实验条件皮下组织体中葡萄糖信息。实验结果表明：中红外ATR光谱法无法直接应用于皮下组织液的葡萄糖浓度检测,利用物理或化学的方法促进组织液渗透到皮肤表层,是实现中红外ATR光谱法检测皮下组织液中葡萄糖的一个发展方向。     

论无创血糖监测的红外光谱方法(特邀)

介绍了无创血糖监测的几种光学方法以及红外光谱法用于无创血糖监测的优势。分析了无创血糖监测红外光谱法的主要问题,包括光在人体组织中的复杂传播;葡萄糖吸收信号微弱,且与人体中其它生化成分吸收光谱重叠;人体组织背景吸收干扰严重等。总结了无创血糖监测红外光谱法的最新进展,给出抑制人体组织背景吸收干扰的方法,并认为组织液可代替血液用于血糖水平的测量。展望了该领域未来研究趋势,主要涉及精确描述光子在组织中的传输、测量皮肤表皮内或表皮与真皮浅层光谱信息,以及提高光谱仪器信噪比,建立葡萄糖吸收带定标模型。     

三维坐标异常数据判定方法的模拟与实验研究

近红外漫反射光谱具有无创伤、连续、无感染、速度快等诸多优势,在人体成分无创伤检测方面有很好的应用前景。但是在测量过程中,随机噪声、干扰组分以及检测条件的改变等容易导致异常光谱。判定并剔除异常光谱对于提高近红外无创血液成分检测的可靠性具有重要意义。首先分析了近红外漫反射光谱无创血糖检测中可能出现的异常数据类型,提出了一种综合利用马氏距离、光谱残差和化学值残差三个指标构造三维空间对样本集进行检验的三维坐标异常数据判定方法。其次,针对三层皮肤组织模型,在参数中设置人为失误、极端成分含量以及异常温度变化的样本,通过蒙特卡罗（MC)模拟程序得到一组正常模拟数据以及一组包含化学值异常和光谱异常的模拟数据,并利用三维坐标法进行异常数据的判定。结果显示,该方法能识别出全部异常样本,剔除这些异常样本后,偏最小二乘（PLS）校正模型的交互验证均方根误差（RMSECV）由21.2 mmol·L-1降低到1.1 mmol·L-1,初步验证了该方法的可行性。进一步,对三位受试者开展了口服葡萄糖耐量试验（OGTT）,通过在测量受试者血糖参考值的同时同步采集其手指部位的漫反射光谱,获得了三组在体实验数据。并利用三维坐标法和蒙特卡罗交互验证法进行异常数据的判定和剔除,最后建立PLS模型比较两种异常数据判别方法的效果：剔除三维坐标法识别出的异常数据后,三组样本建立的校正模型的决定系数显著提升,RMSECV平均值由2.1 mmol·L-1降低至0.8 mmol·L-1,效果优于蒙特卡罗交互验证法的结果。这些结果表明,基于马氏距离、光谱残差和化学值残差的三维坐标异常数据判定方法能有效识别近红外无创血糖测量中的异常数据,在在体成分检测应用中有显著优势。     

基于外部参数正交的无创血糖测量温度校正

近红外人体血糖浓度无创检测所面临的主要问题之一是人体温度变化干扰测量光谱。为此,提出使用基于外部参数正交化(EPO)的光谱预处理方法,对测量部位体温改变时的光谱进行温度校正。该方法仅需预先采集人体体温变化时的漫射光谱,即可获得消除温度干扰的滤波矩阵,利用该矩阵可以将不同体温下的光谱校正至基准温度水平。预先对外部干扰变量单独建立模型,与血糖浓度预测模型的建立分离。EPO原理提出组成光谱空间的干扰信号空间与有用信号空间正交,即温度光谱响应与葡萄糖浓度光谱响应之间彼此正交,而在实际测量中,仪器系统漂移,人体出汗等共模干扰常导致有用信号和干扰信号存在偶然相关,影响了消除温度干扰的效果。因此在进行温度校正之前,首先对原始光谱进行位置差分处理,经验证位置差分方法能够消除仪器系统漂移带来的共模干扰,获得的吸光度光谱中温度响应部分和浓度响应部分彼此正交。使用蒙特卡洛模拟人体三层皮肤模型获得血糖光谱数据,模拟样品参数均根据实际人体实验中的参数水平设置。对受温度干扰的光谱进行位置差分处理后使用EPO进行温度校正,然后利用校正后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。与校正前光谱建模结果比较,校正后的模型均方根误差(RMSEC和RMSECV)明显降低,相关系数得到一定的提高,同时主成分数减少,验证了该温度校正方法的有效性。     

饲料中粗脂肪和粗纤维含量的近红外光谱快速分析

采用近红外光谱(NIRS)结合偏最小二乘(PLS)方法,实现对饲料中粗脂肪和粗纤维的快速定量分析。采用Norris-Williams平滑求导(NW)和多元散射校正(MSC)方法对光谱进行预处理;蒙特卡罗无信息变量消除法(MCUVE)、变量组合集群分析法(VCPA)和区间变量迭代空间收缩法(iVISSA)用于光谱变量选择和优化; PLS用于光谱校正模型的建立,采用校正集相关系数(R_c)、交互验证均方根误差(RMSECV)、预测集相关系数(R_p)和预测集均方根误差(RMSEP)评价模型。光谱预处理中经MSC处理后的光谱模型优于其他预处理方法,其RMSECV和RMSEP值都减小,R_c和R_p值都增大。脂肪定量分析中,原始光谱模型的RMSECV和R_c为0.21和0.87, RMSEP和R_p为0.20和0.88,变量数(V_n)为1 501;经MCUVE方法选择变量后建立的定量模型,其RMSECV和R_c为0.17和0.92, RMSEP和R_p为0.19和0.89,V_n为400个;经VCPA选择变量建立PLS定量模型,其RMSECV和R_c为0.21和0.87, RMSEP和R_p为0.25和0.81,V_n为12;经iVISSA选择变量后的模型,其RMSECV和R_c为0.21和0.86, RMSEP和R_p为0.20和0.87,V_n为20。粗纤维定量分析中,原始模型的RMSECV和R_c为0.28和0.91, RMSEP和R_p为0.25和0.95,V_n为1 501;经MCUVE选择后的模型,其RMSECV和R_c为0.23和0.95, RMSEP和R_p为0.23和0.94,V_n为740;经VCPA选择变量后的模型,其RMSECV和R_c为0.27和0.91, RMSEP和R_p为0.30和0.91,V_n为11;经iVISSA选择后变量的模型,其RMSECV和R_c为0.29和0.90, RMSEP和R_p为0.27和0.93,V_n为20。结果表明, MSC方法可以有效提高光谱质量,消除光谱平移误差; MCUVE变量选择方法可以简化模型提高模型精度和稳定性,建立最优模型。在粗脂肪的定量分析模型中, MSC处理后的光谱经过MCUVE选择后剩余400个变量,R_c和R_p相较于全谱模型提高了0.05和0.01, RMSECV和RMSEP分别降低到了0.17和0.19;经VCPA和iVISSA选择变量的模型其结果与全谱模型相似,但其变量分别只有12和20个。在粗纤维模型中,经MCUVE选择后740个变量用于建立PLS模型,其R_c和R_p为0.95和0.94, RMSECV和RMSEP分别为0.23和0.23; VCPA和iVISSA分别运用11和12个变量建立回归模型,但结果都比MCUVE模型差。利用饲料近红外光谱建立MSC-MCUVE-PLS模型可以有效对饲料粗脂肪和粗纤维进行定量分析。     

光谱相减方法用于无创生化检测中背景扣除实验研究

在近红外光谱无创生化检测中,血流容积光谱相减方法在理论上可以消除组织背景等干扰因素,提取出血液的有效光谱信息。为论证血流容积光谱相减方法有效性,设计了相应的模拟实验。采用生物分子水溶液模拟血清样品,不同吸收特性的滤光片模拟组织背景干扰,可变厚度样品池模拟血流容积变化。比较了光谱相减方法处理前后的模型精度,处理前模型定标相关系数(R_c)为0.476,交叉检验标准差(RMSECV)为437 mg·dL-1;处理后R_c达到0.977,RMSECV降至301 mg·dL-1。实验结果表明血流容积光谱相减方法能够较好抑制或扣除组织背景干扰,大幅度提高模型预测精度。     

近红外无创血糖检测系统信号提取能力的验证

近红外无创血糖检测技术的精度目前仍达不到临床应用的需求,主要的原因为:一方面人体血糖信号微弱,并且血液中一些组分的近红外吸收谱带与葡萄糖的吸收谱带存在重叠,为了从光谱中解析葡萄糖浓度信息,通常会采用如偏最小二乘(PLS)等多变量回归的方法。另一方面,在实际测量中,必然会存在光源漂移、测量条件变化等背景干扰,这些背景干扰对测量造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应,因此在建立血糖预测模型之前必须对这些背景干扰进行有效地控制与消除,否则使用多变量回归方法所建立的血糖预测模型中很可能存在伪相关。因此为了更好地实现无创血糖检测,测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力,并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下,采用合适的数据处理方法去除绝大部分的背景干扰。为此,对自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测能力进行了评估,证明了本系统能够达到较高的测量精度;对三名健康的受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)以及口服水耐量试验(OWTT),对比了本系统在两个不同光源-探测器距离下测得的OGTT与OWTT的光谱数据,发现在两个光源-探测器距离下OGTT吸光度变化量的方差值都大于OWTT,但由于受到背景干扰的影响,三名受试者的吸光度变化量的方差值随波长的分布特点存在较大的差异;对两个光源-探测器距离下的光谱数据进行差分处理,对比分析OGTT与OWTT的差分光谱数据,结果表明OGTT差分吸光度变化量的方差值远大于OWTT,且三名受试者的差分吸光度变化量的方差值随波长分布特性与葡萄糖溶液的吸收特性基本一致,证明使用自行研发的无创血糖检测系统配合差分处理方法,能够有效去除背景干扰,提取血糖浓度信息。     

噻酮对离体乳猪皮肤光透明效果影响的实验研究

研究一种新型促渗剂——噻酮对皮肤组织光透明效果的影响。分别用单纯聚乙二醇400(PEG400)溶液以及PEG400与噻酮的混合溶液作用于含角质层及去角质层的离体乳猪皮肤,利用积分球系统动态检测样品对632．8 nm光的透射率变化,并对样品拍照获得直观图。结果表明:混合溶液作用于两种皮肤模型后,其光透明性均有不同程度的增加,即衰减系数降低;比较去角质层皮肤与含角质层皮肤的衰减系数的变化,前者比后者大19倍;单纯的PEG400仅对去角质皮肤有一定的光透明效果,并且所导致的皮肤衰减系数的降低仅为混合液作用后的2/3。因此,噻酮作为良好的促渗剂能与PEG400产生协同效应,有效提高皮肤光透明效果。     

不同生产厂家注射用头孢哌酮钠含量测定的近红外定量模型的建立

采用近红外漫反射光谱法和偏最小二乘回归算法建立了2种测样方式对不同厂家注射用头孢哌酮钠中头孢哌酮的含量进行快速测定的定量分析模型。对9个厂家的19批注射用头孢哌酮钠样品及其降解物中头孢哌酮的含量进行了预测,积分球模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.636和2.01,光纤模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.857和3.71。根据ICH指导原则,从专属性、线性、重现性、稳定性、准确性等几个方面对两模型的方法进行了验证,进而说明光纤测样方式建立的模型专属性和适用性均良好,完全可以对不同生产厂家的同一品种的药品进行快速的初步定量分析,适用于药品检验车的快速无损检测。     

Progress in Boronic Acid-Based Fluorescent Glucose Sensors

Effective management of diabetes relies on the frequent monitoring of blood glucose concentrations. The current approach of blood sampling and glucose concentration determination in vitro) presents many problems. Therefore, there is a drive for the development of non-invasive and continuous monitoring of glucose concentrations. The use of implanted glucose fluorescent sensors represents a promising approach. Due to its strong interaction with diol moieties, the boronic acid group often plays a critical role in the design of such glucose sensors. This paper reviews the progress in this area during the last ten years.     

Slow dynamics and aging of a colloidal hard sphere glass

The intermediate scattering function (ISF) is measured for a colloidal hard-sphere glass as functions of the scattering vector and waiting time. For scattering vectors near the structure factor peak, we show that the ISF and the stretching index, defined at the crossover time between the fast and slow processes, depend algebraically on the waiting time. By contrast, the Debye-Waller factor is independent of the waiting time.     

傅立时变换中红外光谱法用于非损伤性血糖测定的研究

本文首次使用中红外光纤对人体血糖进行了非损伤性测定，实验显示，人手指的中红外光谱１１２３ｃｍ－１谱带的相对强度与人的血糖浓度同步改变，表明葡萄糖特征谱带的相对强度确可作为人血糖值的一个数量指标。这给红外光纤在生物医学领域中的应用展示了光明的前景。     

Structure conserving correlation and the Kohlrausch-Williams-Watts decay of the incoherent intermediate scattering function in simulated Ni(0.5)Zr(0.5) melt

Results are presented about the origin of the Kohlrausch-Williams-Watts decay of the incoherent intermediate scattering function (ISF) in molecular dynamics simulated liquid Ni(0.5)Zr(0.5). By the concept of weakly effective particles (WEPs), we establish an interrelationship between ISF and particle dynamics. Temporal correlations in the action of WEPs act structure conserving, reflecting that immobile particles tend to remain immobile. Analysis of the related correlation function yields that these correlations account quantitatively for the stretched exponential like decay.     

Shear effects in nonhomogeneous turbulence

Motivated by recent experimental and numerical results, a simple unifying picture of intermittency in turbulent shear flows is suggested. Integral structure functions (ISF), taking into account explicitly the shear intensity, are introduced on phenomenological grounds. ISF can exhibit a universal scaling behavior, independent of the shear intensity. This picture is in satisfactory agreement with both experimental and numerical data. Possible extension to convective turbulence and implication on closure conditions for large-eddy simulation of nonhomogeneous flows are briefly discussed.     

A novel amperometric glucose biosensor based on poly(glycidyl methacrylate-co-(3-thienylmethylmethacrylate))

Two novel glucose oxidase (GOx) enzyme electrodes based on the copolymer of glycidyl methacrylate with 3-thienylmethyl methacrylate (poly(GMA-co-MTM)) with and without polypyrrole (PPyr) coating were prepared and employed in the amperometric determination of glucose levels. The effect of PPyr coating on the electrode properties was investigated in detail. Cyclic voltammetry studies showed that electrical conductivity of electrode B with PPyr coating (poly(GMA-co-MTM)/GOx/PPyr) was substantially higher than that of electrode A (poly(GMA-co-MTM)/GOx). On the other hand, electrode A showed better results in terms of sensitivity (10 nA/mM), limit of detection (50.2 μM), and response time (5 s). Electrodes A and B gave linear responses to the glucose concentrations in the range of 2–20 and 2–14 mM, respectively. The ranges of linearity for both enzyme electrodes are sufficient for the determination of physiological glucose concentrations in human blood. Moreover, PPyr coating of electrode B did not result in further stabilization of the enzyme electrode.     

In vitro study of glucose utilization and erythrocyte membrane penetrability

This study is devoted to the determination of the conditions of stable functioning of the self-regulation mechanism of nonspecific penetrability of erythrocyte membranes in blood in vivo. The kinetics of basic processes of erythrocyte energy metabolism after patient blood sampling was analyzed. The time dependences of the glucose concentration in blood plasma and the erythrocyte membrane penetrability for oxygen were experimentally measured. The increases in the average glucose utilization rate and the average membrane penetrability for oxygen were explained. It was shown that there exist osmotic variations in the blood plasma and erythrocyte cytoplasm in blood after its sampling. The possible cause of these variations was identified.     

基于谱分解的无创血糖检测新方法研究

糖尿病是一种表现为高血糖的糖代谢异常疾病,如果血液中的葡萄糖水平长时间保持非常低或非常高,则可能导致包括组织损伤、中风、心脏病、失明和肾衰竭等严重疾病。根据世界卫生组织（WHO）的数据,目前全球约有4.5亿糖尿病患者。随着糖尿病患者的数量增加,对于血糖检测仪器的需求也日益迫切,由于目前普及的有创侵入式血糖检测仪器会给患者带来不便和疼痛,甚至会引发感染,长此以往会给病人带来不可避免的生理及心理压力,因此实现无创血糖检测具有重要的临床应用价值。光电容积脉搏波(PPG)包含丰富的人体心血管生理病理信息,针对于时域难以观察的PPG信号中与血糖浓度变化相关的频谱信息,提出基于谱分解的无创血糖检测新方法,利用连续小波变换（CWT）对脉搏波信号进行分解,从对应尺度和细节分量的频谱中获取与血糖浓度值变化相关的频谱分量幅值信息,研究发现PPG信号频谱分量幅值的变化与血糖浓度变化值之间存在较高的相关性,通过口服葡萄糖耐糖实验(OGTT)对检测的血糖浓度值与获取的相关PPG信号频谱分量幅值进行偏最小二乘回归建模,并对建立的模型进行评估,校正集的最大RMSEC为12.47 mg·dL-1即0.69 mmol·L-1,预测集的最大RMSEP为6.21 mg·dL-1即0.35 mmol·L-1,模型的血糖浓度预测值与参考值之间的一致率为96.00%。OGTT实验结果表明,采用谱分解法可以有效分离出血糖分子基团振动特征吸收光谱,血糖频谱分量建模可以最大程度地减小生理变异性和各种环境条件的影响。模型的预测结果符合国家检测标准（＞95%）。克拉克网格误差分析结果表明,该方法检测的结果可以用于患者日常血糖监测。     

荧光共振能量转移探针检测药物中单磷酸腺苷的方法研究

小牛血清去蛋白药物能够促进缺氧细胞对氧与葡萄糖的摄取和利用,改善外周及脑部的血液循环障碍和营养失调,促进烧伤创伤愈合,调节中枢神经系统等诸多药理药效。单磷酸腺苷（AMP）为该药物的活性成份之一,构建了以β-环糊精（β-CD）修饰的硫化锌量子点为能量供体, 3-羟基黄酮为能量受体的能量共振转移荧光探针。研究发现AMP能够引起该探针在526 nm处的荧光发射峰强度的猝灭,并且AMP的浓度与探针的荧光强度的Stern-Volmer曲线呈现良好的线性关系,线性相关系数为0.996, 该探针能够应用于药品中AMP的检测。