[发明专利]无损伤性近红外光谱仪的多光谱分析方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用多光谱分析法确定样品中目标被分析物浓度的方法和装置。本发明可应用于各种各样的化学分析中，尤其是血液中被分析物的无损伤性分光光度分析中。

发明背景

测量血液中各组分的浓度在诊断和治疗人体状况和疾病的各种过程中得到应用。测量血液中的葡萄糖便是一种重要的应用。具体地说，对于糖尿病患者需要定期监测血液中葡萄糖的浓度，而对于胰岛素依赖型或I型糖尿病患者一天中常常必须或需要多次监测血液中的葡萄糖。此外，血液中胆固醇浓度的测量给人们治疗或预防冠状动脉疾病提供重要信息，对血液中其它有机被分析物，如胆红素和乙醇的测量在各种诊断中也是重要的。

获得血液中被分析物浓度的最准确和最广泛使用的一种方法是从病人那里抽取血样，然后利用高准确度和灵敏度的测定技术在实验室中对血样进行分析或是利用准确度较差的自测方法。具体地说，传统的监测血液中葡萄糖含量的方法每次测试需要从糖尿病人那里抽取血样(例如通过指针)，利用葡萄糖计(一种读出葡萄糖浓度的分光光度计)或比色定标法读出葡萄糖含量。这种损伤性的抽血会给糖尿病人带来疼痛和厌倦负担，糖尿病人存在感染的可能性，尤其是需要频繁地测试。这些考虑导致糖尿病人想要取消监测过程。

于是，需要找到一种简单又准确的无损伤性测量血液中被分析物浓度，尤其是监测糖尿病人血液中葡萄糖含量的方法和装置。解决这一问题的一种方法便是采用传统的近红外(NIR)分析法，这里利用在一个或多个特定波长上的吸收测量从给定样品中提取被分析物的特定信息。

液体样品的近红外吸收光谱含有大量的有关样品各种有机组分的信息。具体地说，与有机分子结构(例如碳-碳、碳-氢、碳-氮和氮-氢化学键)有关的振动、旋转和伸缩能量在近红外光谱区中会产生能够被检测出的微扰，它们与样品中存在的这种有机组分的浓度有关。然而，在复杂的样品基质中，近红外光谱也含有一定量的干扰，一部分原因是被分析物中结构上的相似性、被分析物浓度的相对水平、被分析物与特定系统中固有的电子和化学“噪声”幅度之间的干扰关系。这种干扰降低了利用近红外光谱术确定液体样品被分析物浓度所获得的测量结果的有效性和精确度。然而，已经对提供的许多无损伤性血液被分析物确定结果的近红外装置和方法作了描述。

Purdy等人的美国专利5,360,004描述了一种确定血液中被分析物浓度的方法和装置，其中，用含有两个或多个不同的连续波长入射辐射波段的辐射照射一部分机体。Purdy等人强调了滤光技术，在水的NIR吸收光谱中在约1440和1935nm处出现两个特别阻断辐射的峰值。利用这种选择性阻断是为了避免由于受照射的机体中水吸收辐射而引起加热效应。

相反，Yang等人的美国专利5,267,152描述了仅利用一个红外光谱段，它包含了NIR水吸收峰，(例如“水的透射窗口”，它包含1300至1900nm之间的这些波长)的无损伤性测量血液中葡萄糖浓度的装置和技术。将光学控制的光射入组织源上，然后由积分球收集光。对收集的光进行分析并利用存储的参考定标曲线计算血液中的葡萄糖浓度。

还描述了确定复杂样品中被分析物浓度用的装置。

例如，Richardson等人的美国专利5,242,602描述了通过对含水系统的分析检测多种活性或非活性水处理成分的方法。这些方法涉及在200至2500nm范围上确定组分的吸收光谱或发射光谱以及运用化学计量算法提取一部分所获光谱数据，定量表示多种性能。

Nygaard等人的美国专利5,252,829描述了利用红外衰减测量技术测量牛奶样品中尿素浓度的方法和装置。执行多变量技术以利用部分最小平方算法、主要成分回归、多次线性回归或人工神经网络学习确定已知成分的光谱贡献。通过计入阻断所关注被分析物信号的组分贡献进行定标。因此，Nygaard等人描述了一种测量多个被分析物红外衰减并补偿背景被分析物影响从而获得更高准确度测量结果的技术。

Robinson等人的美国专利4,975,581描述了一种基于已知被分析物浓度与样品之间红外能量吸收的比较(即几个波长上的吸收之差)确定生物样品中被分析物浓度的方法和装置。利用部分最小平方分析或其它多变量技术进行比较。