中红外光谱法无创伤检测血糖的新进展

应用中红外光谱法对手指、血液以及干燥后的血液进行了测定,并同时与血糖仪测定的血糖作对比研究。研究结果表明,对红外光谱图进行分析时,选择1455cm-1附近的谱峰作为基准峰,可使1120cm-1附近的谱带得到准确度较高的相对强度。干燥后的血液与手指的光谱图大致相似并且与实测的血糖值的投点图具有相近的斜率,说明中红外光谱法检测人体血糖具有较高的可靠性。对同一手指进行不同时间的测定,以1120cm-1谱带强度来表征血糖的浓度,其随时间的增加而增加,是因为人体内的葡萄糖不仅存在于血液中,而且也存在于皮肤的分泌物中,而分泌物会随时间的增加而增加。根据测定的1120cm-1谱带的相对强度与实测血糖值所得的线性关系图表明,洗手后10min的准确度要高于4min。     

基于二维相关中红外光谱技术的无创血糖检测特异性研究

葡萄糖的特异性是实现血糖浓度检测的前提,也是论证一种血糖检测方法可行性的基础。二维相关光谱技术以其高分辨率和便捷的时序规则(Noda规则)两大优势被广泛地应用在分子间(内)反应、物质相变以及物质信息提取等研究领域。旨在应用二维相关光谱技术验证中红外光谱法无创血糖检测技术的葡萄糖特异性,首先通过分析各种离体溶液样本的二维相关光谱证明方法的理论可行性,然后开展了人体手指的中红外ATR光谱采集实验,参考OGTT方法调节实验过程中人体的血糖水平,并运用二维相关光谱技术验证所得人体光谱中的葡萄糖特征信息,从而论证中红外光谱无创血糖检测技术的可行性。     

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。     

吖啶橙与肝素钠相互作用的分光光度法研究

用分光光度法研究吖啶橙与肝素钠的结合反应,吖啶橙主要以静电作用的方式与肝素钠发生相互作用。在pH 2.0的Britton-Robinson(B-R)缓冲溶液中,吖啶橙在478和492 nm处有特征吸收峰,当加入肝素钠后,492 nm处的吸光度值强度降低且在453 nm处出现了一个新的吸收峰,说明两者之间发生了较强的相互作用形成了一种新的复合物,利用摩尔比法求解两者的结合比为1∶3。在最佳条件下,吸光度值的降低与肝素钠的浓度在3.0～15.0 mg·L-1范围内呈良好的线性关系,表观摩尔吸光系数ε=1.599×105 L·mol-1·cm-1,检测限(3σ)为0.236 mg·L-1。该方法简单、快速,应用于肝素钠注射液效价的测定,结果令人满意。     

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。     

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。     

基于中红外光谱分析的微水对绝缘油电气性能影响研究

微量水分对绝缘油的介质损耗因数、电阻率等电气性能指标有明显的影响,探讨绝缘油受微量水分的影响规律,对于采取有效措施监控绝缘油的运行状态具有重要意义。首先对配制不同微水含量的绝缘油经过超声波振荡8h后再进行显微图像观察,得到该油水分散系中游离水和乳化水相对均匀程度在25 min内其分散状态较为稳定;在此基础上对油水分散系的介质损耗因数、电阻率指标进行了实验测试,得到了微水对绝缘油的电气性能指标的影响规律;然后对不同微水含量的绝缘油进行中红外光谱分析,得到不同微水含量的绝缘油在1 640,3 400,3 450,3 615 cm-1波数处的吸光度值。结合绝缘油中红外光谱分析的吸光度值变化以及实验测试结果表明油样在1 640,3 400,3 450,3 615 cm-1水分的特征波数处吸光度值数据随水分含量不同而产生明显变化,且吸光度值与水分含量的皮尔逊相关系数分别为0.964 1,0.984 8,0.984 5,0.944 0,油样中水分在相应特征波数处的吸光度值能够较好的反映出油样中水分含量的变化趋势;微水对绝缘油介质损耗因数的影响和水分子在3 400和3 450 cm-1特征波数处的吸光度值变化趋势之间的相关系数较大,分别为0.860 6和0.863 6;微水对绝缘油介质损耗因数的影响和水分子在1 640和3 615 cm-1特征波数处的吸光度值变化趋势之间的相关系数分别为-0.931 5和-0.9680,从而为绝缘油中微水的监测奠定了前期研究基础。     

可调谐半导体激光吸收光谱中的吸光度反演算法研究

可调谐半导体激光吸收光谱具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点,已经在环境检测、工业过程检测等方面得到广泛应用。在直接吸收光谱技术中,吸光度曲线以及积分吸光度的确定对于气体浓度反演、线强校正等都有重要的作用。对激光直接吸收光谱中吸光度和吸光度积分反演算法进行了研究,采用分段多项式基线拟合方法来消除激光器光强波动的影响,得到吸光度,再用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线形拟合来获取积分吸光度。通过水气吸收谱线的检测对算法进行了验证。     

磁几何阻挫材料天然绿盐铜矿的中红外和拉曼光谱分析

在室温情况下,利用FTIR光谱仪测得了天然磁几何阻挫材料绿盐铜矿(Atacamite,β-Cu2 (OH)3Cl)的中红外光谱4 000～400 cm-1,同时还通过激光显微拉曼光谱仪获得了它的拉曼光谱4 000～95 cm-1.结合它的晶体结构参数,确认了官能团区4 000～2 500～1 000 cm-1和指纹区1...     

中红外光谱法在无创血糖检测技术中的应用

构建了中红外无创血糖检测的实验方案，利用傅里叶红外光谱仪对葡萄糖溶液及手指进行了中红外光谱检测并进行分析，得到葡萄糖的中红外特征吸收峰在1000cm^-1附近，证实了中红外光谱在无创血糖检测中的可实现性，选择激光器和光导探测器进行特征峰处的光电检测实验，并得到了有效信号。     

中红外波长可调谐激光器及其在葡萄糖检测中的应用

提出一种激光器发射波长和功率控制与稳定的方法,研制出波长范围在9.19~9.77 μm,可应用于葡萄糖检测的中红外波长可调谐CO₂激光器,发射光谱半波宽度为4 cm-1,光谱分辨率达到2.7×104,最高功率为800 mW,功率波动性＜0.8%。根据葡萄糖在中红外指纹谱波段的吸收特性,选择激光器发射光谱9R和9P带的1 081,1 076,1 051,1 041和1 037 cm-1作为测量波长,利用ATR传感器测量了PBS溶液中葡萄糖浓度。结果表明五个测量波长下的吸收度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(R2＞0.99,SD＜0.000 4,P＜0.000 1),且该波长可调谐激光光谱测量系统的灵敏度是传统FTIR光谱仪的4倍左右。     

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。     

基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测方法研究

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法,在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源,采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件,实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明,当PPLN晶体工作温度为99.5℃时,闲频光的输出功率为112 μW,差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃,泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上,分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。     

利用可调谐激光吸收光谱技术对光路上气体温度分布的测量

利用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),扫描多条吸收谱线以实现气体温度分布的测量。文章给出了温度分布测量的原理和方程离散化的方法,在气体浓度和压力均匀时,利用带约束最小二乘法计算得到温度分布。根据HITRAN中6 330 cm-1附近的4条CO谱线的参数,建立了温度在300和600 K时,路径长度均为55 cm的两段温度分布模型,模拟了测量误差与温度区间长度约束条件的影响。结果表明随着测量误差的增大和约束条件的减弱,计算结果误差相应增大。在5％的测量误差下,计算结果的最大误差为11％,平均误差为2.2％。以管式炉中的高温段和室温下的低温段作为两段温度分布模型进行试验。利用6 330 cm-1处的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)扫描得到的4条CO谱线,通过背景信号的三次多项式拟合得到基线,求出温度分布计算所需的光谱吸收率积分值。在四种情况下, 计算温度分布结果与模型误差分别为7.3％,6.5％,4.7％和2.7％。     

黄铁矿氧化的原位衰减全反射红外光谱表征

黄铁矿是自然界普遍存在的一种矿物,容易发生氧化反应,是酸性矿山废水(AMD)的主要来源。研究黄铁矿氧化有助于揭示其产生污染的机制。通过黄铁矿氧化生成硫酸,硫酸再与黄铁矿中所含碳酸盐(钙)反应生成二氧化碳这一设计实验,实现了黄铁矿在大气环境和水环境中氧化的原位衰减全反射红外光谱表征。通过对反应生成的CO₂进行原位表征,发现黄铁矿在空气和水中均存在明显的氧化作用,二者的氧化速率随时间而下降,差别在于,黄铁矿在水环境中的氧化速率下降较之在大气中显著,表明黄铁矿在水中的氧化较之在大气中要慢。在衰减全反射测量中,2 350 cm-1处表征CO₂的双吸收峰的选择性好,并可实现原位分析。     

Off-axis re-entrant cavity ring-down spectroscopy with a mid-infrared continuous-wave optical parametric oscillator

We demonstrate an off-axis cavity ring-down spectroscopy system, which uses a mid-infrared continuous-wave optical parametric oscillator as a light source. Off-axis injection with re-entrant configuration of the ring-down cavity is used to achieve high spectral resolution while maintaining high measurement speed. This makes the setup suitable for sensitive molecular spectroscopy in the mid-infrared region, particularly for studies that require high temporal resolution. Formaldehyde (H₂CO) absorption spectrum at 3.4 µm is measured using the off-axis re-entrant cavity ring-down spectrometer.     

含油岩心显微红外光谱成像方法的研究

虽然用红外光谱显微探针方法研究岩心中碳质物已有很多工作,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别位点所得的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别并已得到广泛应用,但是用红外显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用透射和衰减全反射(ATR)两种方式对含油岩心进行了显微红外光谱成像(Mapping)的研究。从灵敏度、信噪比、光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得实验结果进行了比较和评估。     

SG-DBR半导体激光器的光谱技术研究

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、高选择性、非侵入的痕量气体实时检测技术,已在大气监测、工业控制等方面得到广泛应用。采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源,并通过自编程序对该激光器设定了18个通道,输出波长分别对应CO,CO₂以及H₂O的吸收谱线中心位置,设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统,描述了相关的光学系统设置,结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO₂的吸收谱线)的吸收光谱,系统获得的CO和CO₂峰值吸收探测极限能够达到10-5。实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量,有效降低设备成本和系统复杂性。     

Generation of infrared radiation by stimulated Raman scattering in para-hydrogen crystal at 5 K

We report the preliminary results of our experiments with stimulated Raman scattering in para-hydrogen crystal aimed at developing a continuously tunable laboratory laser source of mid-infrared radiation. With laser pulses at 532 nm, a conversion efficiency for the first Stokes beam of as much as 20% in the forward direction was observed through a single-pass, 5-cm-long crystal. Generation of mid-infrared pulses at 4.5 microm was achieved by use of the output of a near-infrared pulsed laser (1.6 microm, 3 ns), and an absorption spectrum of gaseous CD4 molecules was successfully recorded. These results suggest use of the solid para-hydrogen Raman shifter as a promising light source for mid-infrared spectroscopy.