基于荧光光谱技术的血糖检测研究

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　　摘  要： 血糖浓度不同的血清样品被相同波长的光激发后，得到各个血清的荧光发射光谱，通过对光谱分析以及数据处理后可以得到血清中血糖浓度的大小。实验结果表明，血清的发射波长约为470 nm，激发光波长相同时，随着葡萄糖浓度的增加，得到的光谱图中波峰处的光强也增加，另外波峰的半峰宽减小，曲线波峰的面积也越大。可以由这些特征值预测血糖浓度。
　　关键词： 光谱分析;荧光分析;血糖
　　中图分类号： O433.4    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.046
　　本文著录格式：詹志鹏，陈明惠，栾昌昇，等. 基于荧光光谱技术的血糖检测研究[J]. 软件，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
　　糖尿病是一种代谢性疾病，它的特征是血糖含量偏高。糖尿病是由许多病因共同引起的代谢紊乱，而高血糖是由于胰岛素分泌较低引起的。糖尿病患病时间长会对很多器官造成伤害，甚至还会引起神经、心脏、肾脏、眼睛这些组织的病变以及功能缺陷和功能衰竭。病情严重时可能会发生急性代谢紊乱，如高渗性昏迷等。目前各个国家糖尿病的患病人数占比随时间都呈一直上升的趋势，另外由糖尿病致死的病例在全球范围内也持续增多。国际糖尿病联盟数据显示[1]，2013年全球20～79岁糖尿病患者总数是3.82亿，占该年龄段人口总数的8.3%，预计到2035年，上述两个数据将分别增加到5.92亿和10.1%，22年间全球糖尿病患者数将增加2.1亿。同期数据表明，2013年全球20～79岁糖尿病患者死亡人数为510万，占该年龄段死亡总数的8.4%，与2011年糖尿病死亡人数相比，增加了11%。印度1971至2000年糖尿病患病率增长了10倍（从1.2%增长到12.1%）[2]。由此可见糖尿病患者数目的持续增长趋势已经严重影响了人类的健康安全。
　　目前糖尿病是没有办法彻底治愈的，但可以通过持续的血糖浓度检测后根据检测结果使用药物进行控制，从而控制人体的血糖浓度。这种可以方式在一定程度上减少糖尿病并发症的危害。目前临床上主要使用两种方式进行血糖检测，分别是生化分析仪和快速血糖仪。对于全自动生化分析仪来说，由于购买设备仪器费用较高，而且检测的耗时也较长，有比较高的技术要求，需要专业的人员进行操作，虽然测得的血糖浓度比较准确，但是测量速度较慢。而且由于采血量较大，对病人造成的痛苦也比较大，不利于连续检测血糖浓度。快速血糖仪一般采用指尖毛细血管中的血液进行检测，其优点是取血方便，可以随时随地检测，并且采血量少，病人的疼痛感也少。但是在正常工作中，血糖仪检测结果往往不够精确。尤其是长时间使用快速血糖仪后检测结果会发生偏移。而实验室测定的葡萄糖含量只存在于血浆他中，由于血清标本不含红细胞，因此测量结果更加准确，即血浆或血清的血糖值应稍高于末梢血，但是血液离体后血细胞可不断从血清中摄取葡萄糖，因此应当及时分离血清和血细胞以免影响检测结果，使生化仪测定值较快速血糖仪测定值偏低。因此快速血糖仪检测精度不高，在血糖检测结果的准确性上，全自动生化分析仪与快速血糖仪虽然存在一定差异，但差异较小，快速血糖仪需要定期与全自动生化分析仪进行对比，以确保血糖检测的准确度[4]。
　　所以现阶段的人体无创血糖检测在当前仍然是比较重要的科研课题，根据文献知朱卫华等[5]所做的实验采用紫外光激发正常和异常的人体血清，通过实验测试系统采集不同血糖浓度的血清在不同波段处的荧光图像，经过处理后得到血糖的浓度直接影响血清在365 nm处的荧光强度的结论，由此可以根据365 nm处的荧光强度的大小来判断血清中的血糖含量是否超标。Shirshin Evgeny等[6]采用280 nm～450 nm波長范围的光激发白鼠血清样品，结果表明320 nm激发下的荧光发射带形状最能反映血浆中高血糖的存在。O. Abdallah等[7]通过光照不同葡萄糖浓度的DMEM溶液，在紫外和可见光范围内利用荧光光谱法计算葡萄糖浓度，并对检测信号进行分析。根据各种光学方法无创检测葡萄糖浓度，研究了葡萄糖溶液与光之间的相互作用，研究结果表明葡萄糖浓度越高，对应荧光强度越高。荧光光谱法检测血糖操作简单，成本也较低，检测结果相对于快速血糖仪也更为准确，为无创检测血糖浓度提供了一种新的思路。 　　1  实验步骤和方法
　　人体血液主要由血浆和血细胞组成，其中血清为浅黄色半透明液体，其中除含有大量水分以外，还有无机盐、纤维蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各种营养物质、代谢产物等。这些物质无一定的形态，但具有重要的生理功能。而人体血液中所含有的血糖几乎都存在于血清中，因此本实验的样品主要采用血清。血清由上海市徐汇中心医院提供。正常情况下，人体血清血糖浓度范围为4.5～6.9 mmol/L。本次实验是在之前已经做了血清血糖的光谱检测的基础上，进行合理的细化样品的血糖浓度梯度和范围，在3.5～ 8 mmol/L的血糖浓度范围，以0.5 mmol/L为浓度梯度进行了再次实验。
　　实验仪器：血糖浓度由BS-2000M全自动生化分析仪标定，荧光光谱用Cary Eclipse荧光分光光度计检测，光谱成像采用配套软件处理。激发和发射狭缝均设为5 nm，步长2 nm，扫描速率设为1200 nm/min。
　　将参数设置好以后，检测得到的数据先导入excel中预处理，然后再导入MATLAB中进行四阶多项式拟合曲线并绘制荧光光谱图，并对于各个浓度的光谱曲线的特征参数进一步分析。
　　2  实验结果分析
　　王乐新等[8]通过实验表明：在不同波长的紫外光激励下，血清产生的荧光光谱线型及峰值波长基本相同，与激励光波长无关，但荧光峰强度随激励光波长变化而变化。血清的荧光光谱有两个较强的荧光发射区，其中第一个发射区处于300～410 nm，第二个发射区处于410～530 nm。当激发光波长小于310 nm，荧光主要集中在第一发射区，荧光峰位于330和370 nm处，并产生竞争现象。当激发光波长大于250 nm时，只出现330 nm处的荧光峰，其最佳激励光波长为300 nm;当激发光波长大于320 nm，第一发射区的荧光变弱，在第二发射区的荧光变强，荧光峰位于452 nm。并且表明血清荧光光谱的峰值处的荧光强度与血清浓度有一定相关性。
　　激发和发射狭缝均设为5 nm，步长2 nm，扫描速率设为1200 nm/min。使用340 nm的光激发血清样品，检测样品的发射光谱并记录数据。此前的实验已经初步确定了血糖浓度在3.5-8 mmol/L范围内光谱特征参数和血糖浓度成一定关系[9]，本次实验补充部分浓度血清溶液的测量并对这种关系进行进一步探究。
　　如图1是6.5 mmol/L的血清荧光光谱图：波峰处荧光强度是52.49a.u.，其余浓度的波峰强度也是依此计算，并记录于表格1中。浓度分别是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。各浓度血清荧光发射光谱的波峰强度三阶拟合方程为（1），由数据可知波峰强度随血糖浓度增加而增加，由拟合方程可以根据荧光光谱的波峰强度和拟合方程对血糖浓度进行预测，为无创检测血糖提供了一种可能。
　　3  结论
　　本实验在之前实验的基础上进一步分析了血糖浓度为3.5-8 mmol/L的血清溶液的荧光光谱，得到如下结论：荧光光谱的波峰强度和血糖浓度呈正相关;光谱由波峰降低到半波峰的水平宽度和浓度也呈正相关;另外光谱图中第一个波谷之后的波形与水平轴所夹面积和血糖浓度也呈正相关。这些相关性为进行进一步分析处理计算血糖浓度提供了基础，但要真正实施无创检测血糖还需要解决如何排除人体其他组织成分对光谱图的影响，以及如何放大并提取血糖的荧光信号的问题，另外根据光谱图特征参数准确计算血糖浓度的算法也有待研究。
　　参考文献
　　[1] Linnenkamp U， Guariguata L， Beagley J， Whiting Dr， Cho Nh Diabetes Research and Clinical Practice， 2013.
　　[2] Full accounting of diabetes and pre-diabetes in the U. S. population in 1988-1994 and 2005-2006.
　　[3] 尹发斌. 快速血糖仪与全自动生化分析仪监测血糖结果的对比分析[J]. 中国医疗器械信息， 2019， 25（05）： 162-163.
　　[4] 张婉琳， 叶惠艺， 黄飞龙， 邹志杰. 全自动生化分析仪与快速血糖仪检测血糖的临床效果比较[J]. 中国现代药物应用， 2018， 12（18）： 69-71.
　　[5] 朱卫华， 赵志敏， 郑敏， 辛玉军， 王乐新， 郭昕. 人体血清血糖浓度对血清荧光强度的影响[J]. 光谱学与光谱分析， 2007（12）： 2531-2533.
　　[6] Shirshin Evgeny， herkasova Olga， Tikhonova Tatiana， Ber-lovskaya Elena， Priezzhev Alexander， Fadeev Victor. Native fluorescence spectroscopy of blood plasma of rats with experimental diabetes： identifying fingerprints of glucose- related metabolic pathways.[J]. Journal of biom?edical optics， 2015， 20（5）.
　　[7] Abdallah O， Qananwah Q， Bolz A， et al. Fluorescence Spectroscopy by Detection of Glucose Concentrations in DMEM- solutions and its Perspectives for Non-invasive Measure?ment[C]//Biodevices-International Conference on Biomedical Electronics & Devices. DBLP， 2015.
　　[8] 王樂新， 赵志敏， 辛玉军， 郭林峰， 陈会. 不同波长激发光对血清荧光光谱影响的实验研究[J]. 光谱学与光谱分析， 2008（10）： 2360-2364.
　　[9] 陶建峰， 陈明惠， 郑刚， 王成， 宋云霄. 荧光分析法在血糖检测中的应用[J]. 光学技术， 2019， 45（01）： 124-128.
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