專利名稱：無損傷性紅外分光術(shù)中多光譜分析用的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用多光譜分析確定試樣中目標(biāo)分析物濃度的方法和裝置。本發(fā)明在化學(xué)分析中有廣泛的應(yīng)用，特別是在血液分析物的無損傷光譜光度分析中。
背景技術(shù)：
血液中各種成份濃度的測定被廣泛應(yīng)用于人體疾病的診斷與治療過程中。一種重要的應(yīng)用就是血糖的測定。特別是，糖尿病患者應(yīng)該定期監(jiān)控其血糖濃度，對于胰島素依賴型，即Ⅰ型糖尿病患者更需要一天幾次測定血糖濃度。另外，在防治冠狀動脈疾病中測定的血液膽固醇濃度提供了重要的信息，并且在各種診斷過程中其它血液有機(jī)分析物(例如膽紅素和酒精)的測定也是很重要的。
獲取血液分析物濃度的最準(zhǔn)確和常用方法是從病人身上提取血樣，這些血樣或者在實驗室內(nèi)采用高精度和高靈敏度的測定技術(shù)進(jìn)行分析，或者采用精度較低的自檢方法。特別是傳統(tǒng)的血糖監(jiān)控方法在每次測試時都需要從糖尿病人身上提取血樣(例如利用指尖刺血針)并且采用血糖計(一種讀取血糖濃度的分光光度計)或者比色計標(biāo)度方法讀取血糖水平。這種損傷性血液提取方式造成了糖尿病人的痛苦和負(fù)擔(dān)并且由于所需測試次數(shù)較多增加了其感染的可能性。這些因素可能會導(dǎo)致糖尿病人在心理上對監(jiān)控過程有抵觸。
因此需要一種簡單而準(zhǔn)確的方法和裝置以無損傷方式測定血液分析物濃度，特別是在糖尿病人血糖監(jiān)控應(yīng)用中。解決問題的一種途徑是采用近紅外分析的傳統(tǒng)方法，其中利用某一或多個波長上測定的吸光度從給定試樣中提取特定的分析信息。
液體試樣的近紅外吸收光譜包含了試樣各種有機(jī)成份的大量信息。特別是與有機(jī)分子結(jié)構(gòu)(例如碳-碳、碳-氫、碳-氮和氮-氫化學(xué)鍵)相關(guān)的振動、旋轉(zhuǎn)和伸縮能量在近紅外區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生可測的微擾量，它們與試樣中的各種有機(jī)成份濃度有關(guān)。但是在復(fù)雜試樣基質(zhì)中，近紅外光譜還包含了相當(dāng)大的干擾，這些干擾的大小取決于分析物之間結(jié)構(gòu)上的相似性、分析物的相對濃度水平、分析物之間的互擾關(guān)系以及特定系統(tǒng)固有的電學(xué)和化學(xué)“噪聲”。這種干擾降低了利用近紅外光譜測定法確定液體樣本分析物濃度的測量效率和精度。盡管如此，人們?nèi)匀惶岢隽艘恍┮詿o損傷方式測定血液分析物的近紅外裝置和方法。
授予Purdy等人的美國專利No.5,306,004揭示了一種用于測定血液分析物濃度的方法和裝置，其中采用具有不同的連續(xù)波長段的輻射照射人體。Purdy等人強(qiáng)調(diào)采用濾波技術(shù)來專門阻止波長位于水在近紅外吸收光譜中兩個波峰處的輻射透過，這兩個波峰大約在1440和1935nm處。這種選擇性阻擋的目的是避免人體中水份對光的吸收所引起的加熱效應(yīng)。
與此相反，授予Yang等人的美國專利No.5,267,152揭示了一種無損傷裝置和技術(shù)，它僅僅利用包含近紅外水吸收峰的紅外光譜部分(例如“水透射窗口”，它包括1300-1900nm之間的波段)來測定血糖濃度。光學(xué)方式控制的輻射射向組織源并且隨后由集光球聚集。聚集的輻射經(jīng)過分析并利用存儲的基準(zhǔn)標(biāo)度曲線計算血糖濃度。
人們還提出了用于測定復(fù)雜試樣中分析物濃度的裝置。
例如授予Richardson等人的美國專利No.5,242,602揭示了通過分析含水系統(tǒng)來檢測多種活性或非活性水處理成份的方法。這些方法包括成份物在200-2500nm范圍內(nèi)吸收譜或發(fā)射譜的測定以及采用化學(xué)計量術(shù)算法來提取所獲光譜數(shù)據(jù)段從而對多功能指示劑進(jìn)行定量分析。
授予Nygaard等人的No.5,252,829揭示了一種采用紅外衰減測量技術(shù)測定牛奶試樣中尿素濃度的方法和裝置。應(yīng)用多變量技術(shù)是為了利用最小平方差算法、主分量回歸、多重線性回歸或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法確定已知成份物的光譜分布。通過解析阻擋所需分析物信號分量的貢獻(xiàn)進(jìn)行標(biāo)度工作。Nygaard等人由此揭示出一種測量多分析物紅外衰減和補(bǔ)償背景分析物影響從而獲取更精確測定結(jié)果的技術(shù)。
授予Ross等人的美國專利No.4,306,152揭示了一種光學(xué)流體分析儀，它從設(shè)計上將難以分析的渾濁試樣或液體試樣中背景吸收(即流體試樣的總體或基本光吸收水平)對測量精度的影響降低到最小限度。該裝置測量感興趣試樣成份物的特征光吸收處的光學(xué)信號和背景吸收波長附近的另一信號，并且將它們相減以抑制分析物信號中的背景分量。
利用上述方法和裝置所獲信息的精度受制于背景(即非分析物)和在近紅外區(qū)域也具有系統(tǒng)吸收光譜的試樣成份引起的光譜干擾。背景噪聲水平呈現(xiàn)的是內(nèi)在的系統(tǒng)限制，當(dāng)分析物非常少時這種限制就特別突出。針對這種限制，人們試圖通過各種手段提高信噪比，例如避免水吸收峰出現(xiàn)從而提高光照強(qiáng)度，減少光譜信息的分析量，或者采用基于背景吸收近似的減法或補(bǔ)償技術(shù)。雖然這些技術(shù)為此作了某種改進(jìn)，但是還是需要一種能夠更精確地測定液體試樣中分析物濃度的方法和裝置，這在血糖監(jiān)控應(yīng)用中尤其如此。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的首要目標(biāo)是滿足上述需要，它所提供的方法可以測定包含各種背景基質(zhì)和嚴(yán)重成份干擾的試樣中分析物的濃度。該方法解決了試樣中各種成份結(jié)構(gòu)相似性、分析物濃度相對大小以及各種試樣成份和儀器差異引起的光譜干擾等問題。
該方法通常包括以下步驟(1)識別出近紅外波段內(nèi)幾個波長不同的非交疊區(qū)域，這些區(qū)域與分析物濃度具有較高的相關(guān)度；(2)使包含這些波長區(qū)域的入射輻射照射在試樣上以獲取衰減的光譜作為表征試樣成份的結(jié)果；(3)檢測光譜衰減的輻射；(4)測定非交疊波長區(qū)域內(nèi)某一波長處光譜衰減的輻射強(qiáng)度；以及(5)對測量進(jìn)行相關(guān)分析以獲取表示分析物濃度的數(shù)值。
在本發(fā)明的一個方面中，所提供方法的特征在于為獲取分析物特定信息，對來自近紅外和中紅外區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。因此該方法包括識別出近紅外和中紅外波段內(nèi)幾個明顯不同的非交疊區(qū)域，通常在1100-5000nm的范圍內(nèi)，這些區(qū)域與選定分析物濃度具有較強(qiáng)的相關(guān)度或者提供了有關(guān)測量和儀器參數(shù)的信息。
在本發(fā)明的另一方面，所提供的方法包括以下步驟(1)在近紅外波段內(nèi)選擇幾個與分析物濃度具有較高相關(guān)度的明顯不同的非交疊波長區(qū)域；(2)利用包含選定光譜范圍的紅外輻射照射試樣以獲取光譜發(fā)生變化的輻射；(3)以光學(xué)方式濾光光譜發(fā)生變化的輻射以隔離或突出每個非交疊區(qū)域的輻射部分；(4)聚集并利用檢測器測量被濾光輻射的強(qiáng)度；以及(5)通過對濾光的輻射應(yīng)用確定的數(shù)學(xué)模型獲取表示分析物濃度的數(shù)值。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種光譜光度測量裝置，用來測定包含各種背景基質(zhì)和嚴(yán)重成份干擾的試樣中的分析物濃度。該裝置在結(jié)構(gòu)上包括一排能聚集和測定試樣反射的衰減輻射的檢測器。該裝置被用于多光譜分析以獲取包含特定分析物信號與涉及儀器背景噪聲的信號的光譜信息以及干擾光譜信息。濾光單元上采用化學(xué)計量術(shù)技術(shù)以提高分析物特定信息與分析物濃度的相關(guān)度并且構(gòu)筑能夠測定分析物濃度值的系統(tǒng)算法。在本發(fā)明的一個方面中，采用衍射光柵系統(tǒng)來獲取分析物特定光譜信息，這些信息由能夠同時分析最多幾百個數(shù)據(jù)點或波長的線性檢測器陣列檢測。附圖的簡要說明

圖1為按照本發(fā)明的裝置示意圖，它包含能夠分析近紅外和中紅外波段的線性檢測器陣列。
圖2為按照本發(fā)明的另一裝置的示意圖。
圖3為進(jìn)行體內(nèi)血糖耐量性研究時的時間掃描曲線。
圖4示出了利用本發(fā)明方法的無損傷方式測定的血糖濃度結(jié)果的曲線圖。實施發(fā)明的方式在詳細(xì)論述本發(fā)明之前，應(yīng)該理解的是本發(fā)明并不局限于所述裝置或方法的特定部件。還應(yīng)該理解的是這里所用的術(shù)語其目的僅僅在于描述特定的實施例而無限定作用。值得指出的是，說明書和所附權(quán)利要求書中所用的單數(shù)形式“一”或“這個”包含復(fù)數(shù)含義，除非在文中有特別說明。例如“一個分析物”具有分析物的混合物的含義，“一個光學(xué)傳送元件”具有兩個以上光學(xué)傳送元件的含義，“一個用于反射透過輻射的裝置”具有兩個以上這種裝置的含義，“一個波長”具有兩個以上波長的含義，“一種化學(xué)計量術(shù)算法”具有兩種以上算法的含義，等等。
在下面的說明書和權(quán)利要求中，涉及的術(shù)語具有如下的含義“化學(xué)計量術(shù)”涉及數(shù)學(xué)、統(tǒng)計和模式識別技術(shù)在化學(xué)分析中的應(yīng)用。例如參見Brown等人在分析化學(xué)(1990)62∶84-101上的文章。文中的化學(xué)計量術(shù)被用于采用先進(jìn)的信號處理和標(biāo)度技術(shù)的無損傷診斷儀器。信號處理被用來改善分析信號中物理意義信息的易用性。信號處理技術(shù)的實例包括傅立葉變換、一階和二階導(dǎo)數(shù)以及數(shù)值或自適應(yīng)濾波。
在化學(xué)計量術(shù)中，“標(biāo)度”指的是為定量化而對與化學(xué)濃度有關(guān)的測量數(shù)據(jù)所進(jìn)行的處理。特別是利用化學(xué)計量術(shù)方法的統(tǒng)計標(biāo)度可以用來從復(fù)雜的數(shù)據(jù)組中提取特定的信息。這些標(biāo)度方法包括線性回歸、多重線性回歸、局部線性回歸和主分量分析。在其它應(yīng)用中，可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法和旋轉(zhuǎn)主分量分析進(jìn)行標(biāo)度。
檢測一種復(fù)雜化學(xué)基質(zhì)中一種或多種組分的信息的儀器必然依賴于分析算法(如利用化學(xué)計量術(shù)導(dǎo)出的這些)，以便揭示屬于一種或多種化學(xué)組分特有的信息。可以采用化學(xué)計量術(shù)將未知的與經(jīng)過定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，提供先進(jìn)的分組分析形式以及從未知試樣中提取能夠被用作統(tǒng)計和數(shù)學(xué)模型中信息的特征。
“主要成分分析(PAC)”是一種在將化學(xué)計量術(shù)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜基質(zhì)中化學(xué)分析物分光光譜測量中能夠進(jìn)行的數(shù)據(jù)縮減方法。采用PAC來降低大量的相互相關(guān)變量的維數(shù)同時保持一種成分區(qū)別于另一種成分的信息。將原始一組相互相關(guān)的變量(例如吸收光譜)本征矢量變換為數(shù)量很少的代表了原始組變量中大部分信息的一組非相關(guān)主要組分(PC)變量，利用這種本征矢量變換可以實現(xiàn)這一縮減。新的一組變量按照使其頭幾個變量保持所有原始變量中出現(xiàn)最多變化排序。見Jolliffe L.T.等人的《主要成分分析》Sprinter-Verlag,New York(1986)。更具體說，每個PC是所有原始測量變量的一種線性組合。第一個是在觀測變量的最大方差方向上的矢量。將接下來的各個PC選作代表測量數(shù)據(jù)的最大偏差并與以前計算的PC正交。因此，各個PC按照重要性的降序排列。
術(shù)語“加權(quán)因子”包括部分最小平方回歸和/或主要成分回歸的加權(quán)系數(shù)、或從任何統(tǒng)計定標(biāo)獲得的能夠被用于計算未知試樣值(如分析物的濃度)的任何常數(shù)?！安ㄩL加權(quán)因子”是在構(gòu)造能夠從光譜數(shù)據(jù)中突出特定波長信息的光學(xué)濾光片裝置中采用的加權(quán)常數(shù)的一個實施例?？梢圆捎锰囟úㄩL信息來確定與接受分析的試樣(例如分析物的濃度)有關(guān)的所需值。波長加權(quán)因子可以體現(xiàn)為特定的濾光片密度(例如中性或特定波長)、濾光片厚度等，這些參數(shù)都能利用上述統(tǒng)計定標(biāo)技術(shù)來確定。
實現(xiàn)波長加權(quán)因子的濾光裝置可以用來選擇突出與選定分析物濃度具有較高相關(guān)度的波長?！拜^高相關(guān)”或者“緊密相關(guān)”指的是特定波長的吸收光譜與特定分析物濃度之間的定量關(guān)系，其中兩個變量具有0.9以上的相關(guān)系數(shù)(r)。
“中性密度濾光片”是指具有平坦吸收光譜的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)濾光片裝置。可以采用中性密度濾光片與濾光片系統(tǒng)中的相關(guān)濾光片一起提供加衰減分析物在所選波長上吸收的權(quán)因子和進(jìn)一步改善系統(tǒng)所提供的相關(guān)性的準(zhǔn)確度。中性密度濾光片可以具有足以等量地衰減所關(guān)注范圍中所有波長的輻射的吸收光譜。
正如文中所采用的，“含水媒體”包括由水組成或者含有水的任何基質(zhì)。因此，含水媒體包括水為主要成分的媒體，即含量至少約50％，以及水為溶劑但是含量低于約50％。這里把含水媒體具體限定為包括哺乳動物組織面內(nèi)。
術(shù)語“血液分析物”是指在近紅外范圍中吸收譜的血液組分，血液組分的測量對病人監(jiān)測或保健保障中是有用的。
正如這里所采用的，術(shù)語“近紅外”包括在約660nm至3500nm光譜范圍，通常在1050至2850nm，更經(jīng)常地在約1100至2500nm范圍的輻射。
術(shù)語“中紅外”包括在約3501nm-6000nm范圍的輻射。
術(shù)語“背景吸收”是指被分析的含水試樣的整個或基準(zhǔn)光學(xué)吸收，所選組分在一個或多個特征波長上的吸收要偏離這一背景吸收，達(dá)到表示所選組分濃度的程度。當(dāng)背景吸收的基準(zhǔn)高于所選組分的特征吸收，以致在復(fù)雜的含水媒體中找到大量干擾組分時，要準(zhǔn)確地測量在所關(guān)注組分特征波長上吸收的小幅度變化需要應(yīng)用這里所述的化學(xué)計量術(shù)技術(shù)。在所關(guān)注組分的總濃度相對地低于含水媒體時，例如在測量血液中的分析物情況中尤其是這樣。
一般方法提供一種利用近紅外和中紅外輻射確定液體試樣中分析物濃度的分光光度法。為了獲得能夠被用于以更高的準(zhǔn)確度確定分析物濃度的一組測量結(jié)果，本發(fā)明的方法與以前的技術(shù)不同，它利用了近紅外范圍中所含的所有光譜信息。
該方法包括步驟(1)選擇幾個不同的非重疊的近紅外波長區(qū)，一般在1100-3000nm之間，或者從近紅外范圍和中紅外范圍內(nèi)選擇，一般在3501-5000nm之間，其中每個區(qū)域限定一個光譜范圍；(2)利用包含所選光譜范圍的近紅外光照射試樣，獲得已經(jīng)被衰減的光譜上產(chǎn)生變換的輻射；(3)收集并測量包含在每一個所選光譜范圍內(nèi)的一個或多個波長上光譜上經(jīng)過衰減的輻射的強(qiáng)度；(4)對這些測量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)，獲得表示分析物濃度的值。
利用這一方法獲得的光譜信息可以結(jié)合一些數(shù)學(xué)變換，以獲得更精確的分析物濃度的值。例如，可以采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計技術(shù)，如部分最小平方(PLS)分析、或主要成分回歸(PCR)分析，使特定波長上的輻射吸收與分析物的結(jié)構(gòu)和濃度相關(guān)。例如，Geladi等人(1986)Analytica Chimica Acta 185∶1-17描述了PLS技術(shù)。對于PCR技術(shù)的描述，可以參考Jolliffe L.T.Principal Component Analysis,Pprinter-Verlag,New York(1986)。
于是，在從機(jī)體組織試樣確定血液中分析物濃度中，一種方法涉及從1100至3500nm近紅外范圍中選擇三個不相重疊的波長區(qū)。比較好的但并非必需的是，第一波長區(qū)在約1100至1350nm之內(nèi)，第二波長區(qū)在約1430至1450nm之內(nèi)或者1930至1950nm之內(nèi)，第三波長區(qū)在約2000至2500nm之內(nèi)，這里，每個區(qū)域限定一個“光譜范圍”。第一區(qū)域包含蛋白質(zhì)和其它細(xì)胞成分顯示主要光譜活性的波長，第二區(qū)域以水的吸收光譜為主，第三區(qū)域包含分析物有機(jī)分子顯露明顯的光譜活性的波長。在這些組分不為主要物質(zhì)的區(qū)域中，它們對吸收光譜也產(chǎn)生作用。于是，從每個區(qū)域獲得的光譜上經(jīng)過衰減的輻射含有大量的相關(guān)信息，必須利用統(tǒng)計方法減少這些相關(guān)信息，獲得分析物的特定信息。
本發(fā)明還涉及采用信號處理來改善分析信號中重要物理信息的可及性。因此可以對特定波長上獲得的信號的強(qiáng)度值進(jìn)行處理，降低儀器噪聲的影響。然后，利用已知的統(tǒng)計技術(shù)對經(jīng)過處理的信號作多變量分析。
數(shù)據(jù)縮減的PCA方法是本發(fā)明中實際采用的減少大量相關(guān)變量的維數(shù)同時保留一種成分區(qū)別于另一種成分的信息的較佳方法。將原始的一組相互相關(guān)的變量(例如吸收光譜)本征矢量變換為數(shù)量很少的代表了原始組變量中大部分信息的一組非相關(guān)主要組分(PC)變量，利用這種本征矢量變換可以進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減。新的一組變量按照使其頭幾個變量保持所有原始變量中出現(xiàn)最多變化排序。
通過相對吸收比平均值的正交旋轉(zhuǎn)可以對主要成分矢量進(jìn)行變換，獲得一個已知波長和屬于分析物的波長上的吸收比的相對值。通過對三個光譜區(qū)中每個光譜區(qū)獲得的信息進(jìn)行這樣的分析，經(jīng)過線性算法對主要成分矢量進(jìn)行交叉相關(guān)，以及利用減法去除干擾分析物的影響，所獲得的值能夠被用于系統(tǒng)算法中，確定分析物的濃度。
采用多變量技術(shù)來提供每個光譜區(qū)中特定波長上的輻射強(qiáng)度與特定試樣基質(zhì)(如機(jī)體組織)中分析物濃度相關(guān)的模型。利用兩組同時獲得的示范測量結(jié)果構(gòu)造該模型，第一組測量結(jié)果，“預(yù)計組”包括光譜數(shù)據(jù)，如所選波長上的輻射強(qiáng)度，第二組測量結(jié)果，“定標(biāo)組”包括利用無損傷性取樣技術(shù)已經(jīng)確定的較高準(zhǔn)確度的分析物濃度。在分析物濃度的一個量程上進(jìn)行這種過程，提供一組定標(biāo)數(shù)據(jù)和一組預(yù)計數(shù)據(jù)。
在定標(biāo)組和預(yù)計組中所獲得的測量結(jié)果接受多變量分析，例如利用市場上可得到的多變量模型開發(fā)軟件程序提供初始模型。將初始模型運用到預(yù)計數(shù)據(jù)中，導(dǎo)出能夠與損傷性技術(shù)獲得值進(jìn)行比較的分析物濃度。通過逐次進(jìn)行上述步驟，發(fā)展為一個精煉的數(shù)學(xué)模型，能夠被用于建立系統(tǒng)算法，用于對采用本發(fā)明方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
在本發(fā)明的實施中，還采用了不同的非重疊光譜區(qū)的非分析物的特定信息，例如對每次光譜掃描進(jìn)行歸一化，減去背景和基線干擾，或者提供用于檢測非準(zhǔn)確測量結(jié)果的信號值。
在確定機(jī)體組織試樣中血液的分析物濃度時，在約1320-1340nm光譜范圍中獲取的測量結(jié)果提供高反射、未經(jīng)衰減的信號，因為光譜區(qū)中不存在主要吸收波段。通過收集和測量該范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度，獲得的值能夠被用于估測用以照射試樣的近紅外光的實際強(qiáng)度。可以用該值對各次掃描進(jìn)行歸一化并校正光源強(qiáng)度的起伏，光源強(qiáng)度的起伏會影響利用本發(fā)明方法獲得的分析物濃度值的準(zhǔn)確度。
另外，在約1430-1450nm或約1930-1950nm光譜范圍內(nèi)獲取的測量結(jié)果提供了基本非反射的經(jīng)過高度衰減的信號，因為在水的近紅外吸收光譜中在約144和1935nm處出現(xiàn)的兩個主吸收峰之故。通過收集和測量以一個或兩個光譜范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度，獲得的值能夠被用作估測不完全被被照試樣吸收的近紅外光的強(qiáng)度。利用該值可以從其它光譜區(qū)中獲得的分析物特定信號中減去背景或基線信息和/或為檢測不準(zhǔn)確測量結(jié)果提供內(nèi)部參考。為了校正鏡面反射引起的墊底效應(yīng)(隨皮膚質(zhì)地和年齡而不同)，可以從利用本發(fā)明方法獲得的每個光譜測量結(jié)果中減去該值。
從第一光譜區(qū)(例如跨越約1320-1340nm的光譜范圍)獲得的基本未經(jīng)衰減信號的測量結(jié)果和從第二光譜區(qū)(例如約1430-1450nm或1930-1950nm)獲得的經(jīng)過高度衰減信號的測量結(jié)果也可以用于將漫反射輻射與鏡面反射輻射進(jìn)行比較。如果兩個光譜區(qū)中的信號具有相對可比的值，那么，用于照射細(xì)胞組織試樣的大部分輻射看來是被皮膚表面反射的，因此未能穿透皮膚與血液中分析物相互作用。利用這一信息可以識別由于未能獲得細(xì)胞組織的適當(dāng)儀器掃描而引起的無效測量。
在本發(fā)明的一個方面中，所提供的確定試樣內(nèi)分析物濃度的方法利用了從幾個在紅外區(qū)的不同的非交疊波長區(qū)域和適于現(xiàn)場或家用的光學(xué)處理系統(tǒng)得到的元損傷性測量結(jié)果。該方法一般包括以下步驟(1)從近紅外范圍(比較好的是1100-3000nm范圍)或者從1100-3500nm的近紅外范圍和3501-5000nm的中紅外范圍選擇幾個不同的非重疊的近紅外波長區(qū)，其中每個波長區(qū)限定一個光譜范圍；(2)利用包含所選光譜范圍的近紅外光照射試樣，獲得光譜變化的輻射，即反射的輻射；(3)對光譜變化的輻射進(jìn)行濾光以隔離或突出來自各非交疊區(qū)域的輻射部分；(4)利用檢測器收集并測量經(jīng)過濾光的輻射的強(qiáng)度；以及(4)對這些測量結(jié)果應(yīng)用精確的數(shù)學(xué)模型以獲得表示分析物濃度的值。數(shù)學(xué)模型可以包含利用化學(xué)計量技術(shù)獲得的相關(guān)算法。
利用許多分光光度計配置都能夠執(zhí)行本發(fā)明的方法?，F(xiàn)在參考圖1，以標(biāo)號10從總體上表示確定液體試樣中分析物濃度的特定裝置。該裝置包括輻射源12，它提供約1100至5000nm范圍中的多個不同的不相重疊的波長區(qū)。本領(lǐng)域人員熟知許多合適的輻射源，如射向干涉濾光片的白熾燈光源、經(jīng)相關(guān)調(diào)制盤調(diào)制的鹵素光源、激光光源、激光二極管陣列、或高速發(fā)光二極管(LED)陣列。在一個特定裝置中，輻射源12提供三個不同波長區(qū)的輻射，具體說，近紅外的第一波長區(qū)，通常約為1100至1350nm的范圍；第二波長區(qū)，通常約為1930至1950nm的范圍；和第三波長區(qū)，通常約為2000至3500nm的范圍。
裝置10還包括試樣接口光學(xué)裝置14，它將來自輻射源的入射輻射射入含有分析物的試樣媒體16。在與試樣媒體接觸后，收集從試樣媒體上以漫反射光出射的光譜發(fā)生變化的輻射并將其送至多階濾光裝置，一般用18表示。
在不同的配置中，可以將試樣接口光學(xué)裝置14設(shè)計成能夠使裝置10與媒體16緊密相接，例如通過將裝置置于試樣媒體上與之直接接觸，由此將輻射源置于緊靠被分析試樣的地方而進(jìn)行光束發(fā)射。光束發(fā)射后，利用光敏裝置，如光束會聚裝置或光束偏轉(zhuǎn)光學(xué)元件收集反射輻射。另一方面，試樣接口光學(xué)裝置14可以包括與裝置耦合的光纖波導(dǎo)，從而能夠?qū)⒀b置置于遠(yuǎn)處和操作。提供其它一些配置，其中采用單束光纖將輻射送至媒體和從媒體接收輻射。設(shè)置在單束光纖一端的光極將近紅外輻射發(fā)射到試樣媒體16中并接收通過單束光纖返回到裝置10的光譜上發(fā)生變化的輻射?？梢圆捎盟{(lán)寶石或高等級的石英作上述光纖波導(dǎo)中的光學(xué)元件，因為這些材料在近紅外光譜范圍中具有很好的透射特性。
仍然參考圖1，從試樣16出射的反射光線被送至多階濾光片裝置18。具體而言，光線被送至包含可調(diào)濾光片裝置20的第一階，該裝置能夠根據(jù)外部產(chǎn)生或者裝置10已經(jīng)產(chǎn)生的信號調(diào)節(jié)其吸收特性?？烧{(diào)濾光片裝置通常包括篩選濾光片，如中性密度濾光片，可以調(diào)節(jié)其吸收特性，改變對外部信號或系統(tǒng)命令所表示輻射強(qiáng)度的衰減?？烧{(diào)濾光片20所提供的衰減度與所選的預(yù)定因子有關(guān)，以保證從可調(diào)濾光片出射的輻射將維持恒定值，而不管預(yù)先濾光的輻射的強(qiáng)度如何。
從可調(diào)濾光片裝置20出來的經(jīng)過衰減的輻射與主分析物濾光片22相接，其光學(xué)特性能夠有選擇地讓輻射源12發(fā)射的各個不相重疊的波長區(qū)中一個或多個波長通過。將通過主分析物濾光片的波長選擇為與分析物的濃度相關(guān)。
在裝置10中配備一個第二濾光片裝置24，它與主分析物濾光片2相關(guān)，使得有選擇地通過主分析物濾光片的波長與第二濾光片裝置相互作用，第二濾光片裝置選定的吸收特性使得每個通過波長的強(qiáng)度被其衰減。例如可以利用化學(xué)計量術(shù)技術(shù)導(dǎo)出的一組獨立的加權(quán)因子確定第二濾光片裝置所提供的衰減。
在一種特定結(jié)構(gòu)中，利用從含有分析物試樣獲得的原始光譜的部分最小平方或主要成分回歸確定加權(quán)因子。利用能夠透射至少1100至5000nm范圍輻射的合適基底層能夠構(gòu)造第二濾光片裝置24?；讓由贤ǔｅ冇幸粚踊蚨鄬颖绢I(lǐng)域內(nèi)常用的金屬和/或氧化物，提供多種衰減濾光片密度。利用感光乳劑或本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員熟知的化學(xué)汽相淀積(CVD)技術(shù)可以將這種涂層加在基底上。在另一種裝置中，第二濾光片裝置為光學(xué)密度的光譜線與利用旋轉(zhuǎn)主要成分或最小平方分析技術(shù)確定的加權(quán)因子成正比的照相掩膜。
經(jīng)過第二濾光片裝置衰減后，各個波長與檢測裝置26，如PbS檢測器、砷化鎵檢測器等相接。在特定的裝置結(jié)構(gòu)中，如果需要獲取整個約1100-5000nm范圍的測量，可以采用一個或多個硒化鉛(PbSe)檢測器。
從第二濾光片裝置出射的波長經(jīng)檢測裝置26檢測并轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驊?yīng)用分析物特定算法確定分析物濃度的信號。具體說，利用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將從第二檢測裝置獲得的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。將數(shù)字化信息提供給微處理器或其它電子存儲裝置，這里利用該數(shù)字化信息提供能夠在顯示裝置上看到的和/或記錄在輸出記錄器上的分析物濃度。
在另一種結(jié)構(gòu)中，裝置10包括衍射光柵系統(tǒng)和線性檢測器陣列以代替多階濾光片裝置18。從試樣16反射的光線可以送至選擇通過分立波長的衍射光柵系統(tǒng)，其中通過的波長與分析物濃度特別相關(guān)。隨后通過的波長與諸如硫化鉛檢測器陣列之類的線性檢測器陣列相接。在對整個1100-5000nm范圍內(nèi)進(jìn)行測量的特定應(yīng)用中，可以采用商標(biāo)為MULTIPLEXIR的產(chǎn)品(可Graseby Infrcred,Orlando.Fla.購得)由獲得硒化鉛線性檢測器。
如上所述，線性檢測器陣列聚集和測量衍射光柵系統(tǒng)傳送的波長以提供可以應(yīng)用分析物專門算法確定分析物濃度的信號。
利用裝置10能夠獲得各種復(fù)雜媒體，如具有復(fù)雜光譜背景的含水媒體中的分析物濃度的測量結(jié)果。在一種應(yīng)用中，可以采用該裝置確定血液中分析物的濃度，尤其是血液中的有機(jī)分析物，如葡萄糖、尿素(BUN)、類脂物、膽紅素和乙醇，但不限于這些。血液中的分析物可能存在于體外的試樣媒體(例如血樣)或者本裝置也可測量組織中的血液分析物。然而，裝置10特別適合用于現(xiàn)場(例如測量血液中的乙醇)或者家庭健康監(jiān)測(例如確定血糖含量)。
現(xiàn)在參考圖2，標(biāo)號50總體表示測量試樣中分析物濃度的另一種裝置。該裝置包括輻射源52，它提供約1100至5000nm范圍中的多個不同非重疊波長區(qū)的輻射。裝置50還包括試樣接口光學(xué)裝置54，它將輻射源的入射輻射與包含分析物的試樣媒體56接觸。在與試樣媒體接觸之后，從試樣出射的光譜變化的輻射作為漫反射光線被聚集和送至通過特定波長光線的濾光片裝置58。
在操作中，入射輻射經(jīng)試樣接口光學(xué)裝置從輻射源52到達(dá)試樣媒體，在一種構(gòu)造下，試樣接口光學(xué)裝置可以設(shè)計成與得分析物試樣緊密相接。在傳送之后，利用光學(xué)活性裝置(例如光聚焦裝置，透鏡或者光束偏轉(zhuǎn)裝置)聚集反射的光線。試樣接口光學(xué)裝置54可以包括與裝置50耦合的光纖波導(dǎo)能夠遙控裝置放置和操作。如上所述，另一系統(tǒng)利用了單根光纖束向和從媒體后者輻射。
反射的輻射被導(dǎo)向包括多個用λ1、λ2、λ3、…λn表示的分立濾光片元件的濾光片裝置58。濾光片裝置58傳遞大部分被選定的波長范圍，它們提供了特定分析物信息、測量背景信息和可以校正儀器變化或干擾效應(yīng)的信息。選定的從濾光片裝置出射的波長由包含用D1、D2、D3、…Dn表示的多個分立檢測器單元的檢測器60陣列檢測。檢測器排列成由單個分立的檢測器檢測從濾光片裝置出射的每個選定波長范圍。合適的檢測器結(jié)構(gòu)都是已知的并且可以包括例如PbS和PbSe檢測器陣列。每個檢測器將檢測的輻射轉(zhuǎn)換為可以用來獲取指示分析物濃度值的電學(xué)信號。
從檢測器獲得的信號可以利用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，即指示檢測波長強(qiáng)度的數(shù)字信號。數(shù)字化的信息隨后輸入微處理器作進(jìn)一步的處理(例如應(yīng)用系統(tǒng)算法)，或者信息可以經(jīng)電子顯示裝置顯示。從分立檢測器獲得的模擬信號與模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器相連以轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬信號可以利用本領(lǐng)域熟知的技術(shù)在轉(zhuǎn)換之前作前置放大。A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信息隨后輸入微處理器以利用特定分析物的系統(tǒng)算法計算分析物濃度。微處理器通過對檢測信號應(yīng)用化學(xué)計量算法計算分析物濃度。利用遞歸標(biāo)度法和統(tǒng)計模型技術(shù)(例如上述的化學(xué)計量方法)可以確定特定分析物算法。
在實施本發(fā)明中，濾光片裝置58可以包括至少一個能夠提高通過波長與分析物濃度相關(guān)度的吸收特性的分立濾光片元件。具體而言，濾光片裝置可以包括一個或多個利用化學(xué)計量技術(shù)導(dǎo)出的獨立加權(quán)因子組使通過波長的強(qiáng)度衰減的濾光片元件。這種加權(quán)因子可以通過對取自包含分析物的試樣的原始光譜進(jìn)行部分最小平方或主分量回歸導(dǎo)出。
在另一結(jié)構(gòu)中，濾光片裝置58包括兩階濾光片，第一階包括多個選擇通過來自試樣的衰減輻射的大部分波段。選擇通過的波長包括分析物特定信息、與測量背景有關(guān)的信息和可以用來校正儀器變化或干擾效應(yīng)的信息。濾光片的第二階直接靠近第一階，并且用來使來自第一階的每個通過波長的強(qiáng)度衰減。兩階濾光片的第二階可以是中性密度濾光片，它具有平坦吸收光譜，足以使濾光片第一階的每個通過波長的強(qiáng)度衰減程度相等。
裝置50可以用來確定各種復(fù)雜媒體中一個或多個感興趣分析物濃度，例如在包含復(fù)雜光譜背景的含水媒體中。特別是本裝置可以用于確定血液分析物的濃度，特別是諸如但是不局限于葡萄糖、尿素、膽紅素、膽固醇和酒精之類的有機(jī)血液分析物。如上所述，可以利用體外試樣分析血液分析物濃度，或者可以利用組織的近紅外掃描進(jìn)行分析，例如從前臂組織掃描獲取的反射測量。
當(dāng)裝置50被用來從組織源獲取血液分析物測量時，從光源52經(jīng)試樣接口光學(xué)裝置54發(fā)射的入射輻射到達(dá)組織皮膚表面，例如到達(dá)前臂。試樣接口光學(xué)裝置使輻射以一定的角度射向組織從而可以被皮膚附近的組織物質(zhì)吸收和漫反射。入射輻射的光譜由于血液和組織成份的紅外吸收而發(fā)生變化。入射的近紅外輻射部分被組織源內(nèi)的血液成份吸收、擴(kuò)散和反射。這種光譜變化的輻射包含了光學(xué)活性血液成份的特定信息。
在利用裝置50確定血糖水平時，可以利用漫反射近紅外輻射檢測和測量血糖分子的振動。振動包括血糖分子的轉(zhuǎn)動和平移，包括諧波振動和組合振動。這些振動中諧波振動是主要的并且大約在1670-1690nm的范圍內(nèi)。葡萄糖組合振動帶大約在2120-2280nm范圍內(nèi)。葡萄糖在大約1320-1340nm的近紅外范圍內(nèi)沒有明顯的光學(xué)活性。
因此裝置50可以包括具有四個部分的濾光片裝置58，第一部分使大約1300-1360nm范圍的波長區(qū)域的反射輻射通過，第二部分使大約1430-1450nm或者1930-1950nm范圍的波長區(qū)域的反射輻射通過，第三部分使大約1670-1690nm范圍的波長區(qū)域的反射輻射通過，第四部分使大約2120-2280nm范圍的波長區(qū)域的反射輻射通過。
濾光片裝置第三和第四部分通過的波長的強(qiáng)度包含分析物特定信息。如上所述，第三和第四濾光片部分可以包括提高通過輻射與組織試樣中葡萄糖濃度相關(guān)度的加權(quán)因子。從濾光片第一部分獲得的信息可以用來估計每次測量時背景光譜的貢獻(xiàn)，并且可以用來校正或歸一化從第三和第四濾光片部分獲取的測量。從第二濾光片部分獲取的信號(水吸收信息)可以用作內(nèi)部檢驗以識別無效的測量，例如因未能獲得組織試樣正確的儀器掃描而導(dǎo)致的測量，或者可以用來校正從第三和第四濾光片部分獲取的測量中的溫度變化。
應(yīng)當(dāng)明白，雖然結(jié)合具體的較佳實施例對本發(fā)明作了描述，但是，以上的描述以及下面給出的例子只是為了進(jìn)行說明而非限制本發(fā)明的范圍。對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員而言，在本發(fā)明范圍內(nèi)的其它方面、優(yōu)點和改進(jìn)是顯而易見的。
例子利用本發(fā)明的方法能夠獲得無損傷性葡萄糖測量結(jié)果。具體說，在約1100nm至3500nm近紅外光譜區(qū)中進(jìn)行反射式光學(xué)測量。利用鎢-汞(W-Hg)輻射源、硫化鉛(PbS)檢測器和掃描率為nm/0.4秒的儀器，從自愿者前臂收集光譜掃描。
找出許多特定的光譜范圍作為能夠用于從前臂組織掃描中確定葡萄糖濃度的信息。進(jìn)行的體內(nèi)葡萄糖耐量研究與無損傷性獲得的體外血液中葡萄糖濃度確定相結(jié)合，確定特定的光譜區(qū)。具體說，圖3示出在體內(nèi)耐量研究期間獲得的與次數(shù)有關(guān)的掃描。正如圖中所能看到的，在研究的次數(shù)過程期間記錄了約2120至2180nm范圍上反射強(qiáng)度差明顯變化。這種變化的增大與耐量試驗期間血液中葡萄糖含量的增大直接有關(guān)，這表明2120至2180nm的范圍含有葡萄糖的特定光譜信息。
一旦找出特定的光譜范圍，利用四個不同光譜范圍的信息可獲得無損傷性葡萄糖測量結(jié)果。第一光譜范圍包含在約1320至1340nm處產(chǎn)生的輻射。這個范圍提供很強(qiáng)的反射信號，在這一范圍中沒有葡萄糖的主吸收波段。可以利用第一光譜范圍上獲得的信息對各次掃描進(jìn)行歸一化，以便校正輻射源的起伏以及由于機(jī)械擾動造成的變化。
第二光譜范圍包含在約1440至1460nm或約1940至1960nm中任一范圍上產(chǎn)生的輻射。由于是衰減漫反射輻射的水的強(qiáng)吸收波段，這些范圍提供基本沒有反射的信號。利用這些范圍上獲得的信息能夠作為從其它測量中減去的背景和基準(zhǔn)線。這些測量結(jié)果允許對鏡面反射信號值引起的起伏作墊底調(diào)節(jié)，能夠用作檢測不適當(dāng)?shù)臏y量結(jié)果。
第三光譜范圍包含在約1670至1690nm處產(chǎn)生的輻射。這個范圍提供由于存在葡萄糖振動諧波波段引起的分析物的特定信息。
第四光譜范圍包含在約2120至2280nm處產(chǎn)生的輻射。這個范圍提供由于葡萄糖組合振動波段引起的分析物的特定信息。
利用第一范圍獲得的信號對其它光譜區(qū)的信號進(jìn)行歸一化。當(dāng)對每次光譜掃描重復(fù)進(jìn)行時，這一過程可消除與光源變化有關(guān)的問題并起提供內(nèi)部參考的作用。于是極大地減小了由光學(xué)接口偏差(例如病人移動)引起的測量偏差。
從第三和第四分析物特定范圍中獲得的信號中減去第二范圍中獲得的信號，可以消除背景信息。用這種方式，校正鏡面反射產(chǎn)生的墊底效應(yīng)，這種效應(yīng)會隨皮膚質(zhì)地和年齡而變化。
在分析物的化學(xué)計量術(shù)分析中可以應(yīng)用第三和第四范圍信號校正的歸一化和基準(zhǔn)線。圖4示出第二與第三范圍中信號之間的歸一化之差。
正如從圖4中所示結(jié)果中能夠看到的，血液中葡萄糖含量的增大導(dǎo)致兩個范圍中信號差的增大。
權(quán)利要求
1．一種確定試樣中分析物濃度的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在近紅外和中紅外光譜范圍內(nèi)確定與分析物濃度具有較高相關(guān)度的多個明顯不同的非交疊區(qū)域，每個所述區(qū)域?qū)?yīng)一個光譜分析范圍；(b)利用包含選定光譜范圍的紅外輻射照射試樣以在每個光譜分析范圍內(nèi)獲取光譜發(fā)生變化的輻射；(c)以光學(xué)方式濾光光譜發(fā)生變化的輻射以隔離或突出每個范圍的部分輻射；(d)利用檢測器聚集和測量被濾光輻射的強(qiáng)度；以及(e)通過對濾光的輻射應(yīng)用數(shù)學(xué)模型獲取表示分析物濃度的數(shù)值。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于濾光光譜發(fā)生變化的輻射的步驟包括使所述輻射通過濾光裝置，所述濾光裝置的吸收特征能夠選擇通過來自各個光譜范圍的分立波長，其中所述分立波長與分析物濃度特別相關(guān)。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于濾光裝置的吸收特征是利用了化學(xué)計量術(shù)技術(shù)得出的。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于檢測器裝置包含多個檢測器。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于檢測器由硒化鉛構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于試樣由人體組織構(gòu)成而分析物為有機(jī)血液分析物。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于血液分析物選自葡萄糖、尿素、脂肪、膽紅素和酒精。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于血液分析物為葡萄糖。
9．一種確定試樣中分析物濃度的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在近紅外和中紅外光譜范圍內(nèi)確定與分析物濃度具有較高相關(guān)度的多個明顯不同的非交疊區(qū)域，每個所述區(qū)域?qū)?yīng)一個光譜分析范圍；(b)利用包含步驟(a)確定的光譜分析范圍的近紅外輻射照射試樣，其中照射后從試樣產(chǎn)生光譜衰減的輻射和光譜未衰減的輻射，所述光譜衰減的輻射具有位于每個光譜分析范圍內(nèi)的波長；(c)聚集光譜衰減的輻射；(d)測量每個光譜分析范圍內(nèi)預(yù)定波長處被聚集的光譜衰減輻射的強(qiáng)度；以及(e)使步驟(d)獲取的測量相關(guān)以獲取表示分析物濃度的數(shù)值。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于近紅外輻射包含范圍為約1100-1350nm的第一光譜分析區(qū)域、范圍為約1550-1850nm的第二光譜分析范圍和范圍為約2000-3500nm的第三光譜分析范圍。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括聚集和測量來自試樣的光譜未衰減輻射的強(qiáng)度的步驟，其中所述未衰減輻射來自第一光譜分析區(qū)域并且包含大約1320-1340nm范圍內(nèi)的波長。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于未衰減輻射測量中獲取的數(shù)值被用來估計步驟(b)中所用近紅外光線的強(qiáng)度。
13．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于光譜衰減的輻射包括高度衰減的輻射。
14．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括聚集和測量來自試樣的高度衰減的輻射強(qiáng)度的步驟，其中所述高度衰減的輻射從水吸收譜對應(yīng)峰值的波段內(nèi)挑選。
15．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于高度衰減輻射測量所獲的數(shù)值被用來估計被照射試樣未吸收的近紅外光線強(qiáng)度。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所選波段大約在1430-1450nm范圍內(nèi)。
17．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所選波段大約在1930-1950nm范圍內(nèi)。
18．一種確定試樣中分析物濃度的裝置，其特征在于它包括(a)將包含近紅外區(qū)和中紅外區(qū)中多個不同不相重疊波長區(qū)的入射輻射照射在試樣上的裝置；(b)收集來自試樣的反射輻射并將所述反射輻射射入一光路的裝置；(c)設(shè)置在光路中的可調(diào)濾光片裝置，這里，所述濾光片裝置使光路中的輻射強(qiáng)度衰減；(d)主分析物濾光片裝置，它能夠接收來自所述可調(diào)濾光片裝置的衰減輻射并選擇性地通過分立的波長，其中所述分立的波長與分析物濃度特別相關(guān)；(e)第二濾光片裝置，它能夠接收主分析物濾光片裝置出射的分立波長并使所述波長衰減；(f)接收第二濾光片裝置出射的衰減波長的檢測裝置；(g)將被檢測波長轉(zhuǎn)換為代表所述波長強(qiáng)度的信號的裝置。
19．如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于可調(diào)濾光片裝置包含中性密度濾光片。
20．如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于第二濾光片裝置包含中性密度濾光片。
21．如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于利用加權(quán)因子建立第二濾光片裝置提供的衰減。
22．如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于加權(quán)因子利用化學(xué)計量技術(shù)導(dǎo)出。
23．如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于加權(quán)因子利用分析物吸收光譜的旋轉(zhuǎn)主分量分析導(dǎo)出。
24．如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于檢測器裝置包含硒化鉛檢測器。
25．如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于入射輻射位于大約1100-5000nm的范圍內(nèi)。
26．一種確定試樣中分析物濃度的裝置，其特征在于它包括(a)將包含近紅外區(qū)和中紅外區(qū)中多個不同不相重疊波長區(qū)的入射輻射照射在試樣上的裝置；(b)收集來自試樣的反射輻射并將所述反射輻射射入所述反射光路的裝置；(c)設(shè)置在光路中的濾光片裝置，所述濾光片裝置包括多個選擇通過試樣反射輻射中至少一個波長的部分；(d)多個檢測器陣列，從而由分立的檢測器檢測濾光片裝置出射的每個波長；以及(e)將被檢測波長轉(zhuǎn)換為代表所述波長強(qiáng)度的信號的裝置。
27．如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于濾光片裝置包含兩階濾光片，第一階濾光片又包括多個片選擇得使它能通過來自試樣的至少一個波長的反射輻射，第二階濾光片靠近第一階濾光片并且能夠使濾光片裝置的第一階出射的每一個選擇通過的波長衰減。
28．如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于兩階濾光片裝置的第二階為中性密度濾光片。
29．如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于濾光片裝置包含多個分立的濾光片元件。
30．如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于至少一個分立的濾光片元件包括選擇用來提高通過波長與分析物濃度之間的相關(guān)度的吸收特性。
31．如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于通過利用化學(xué)計量技術(shù)導(dǎo)出的加權(quán)因子提供吸收特性。
32．如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于利用分析物吸收譜的旋轉(zhuǎn)主分量分析導(dǎo)出加權(quán)因子。
33．如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于檢測器由硒化鉛構(gòu)成。
34．如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于入射輻射的范圍大約在1100-5000nm內(nèi)。
35．如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于濾光片裝置包含使范圍大約在1300-1360nm的第一光譜分析分析區(qū)域的至少一個波長通過的第一部分、使范圍大約在1670-1690nm的第二光譜分析分析區(qū)域的至少一個波長通過的第二部分、使范圍大約在1930-1950nm的第三光譜分析分析區(qū)域的至少一個波長通過的第三部分和使范圍大約在2120-2280nm的第四光譜分析分析區(qū)域的至少一個波長通過的第四部分。
36．一種確定試樣中分析物濃度的裝置，其特征在于它包括(a)將包含近紅外區(qū)和中紅外區(qū)中多個不同不相重疊波長區(qū)的入射輻射照射在試樣上的裝置；(b)收集來自試樣的反射輻射并將所述反射輻射射入光路的裝置；(c)設(shè)置在光路中的衍射光柵裝置，其中所述衍射光柵裝置能夠反射從試樣出射的輻射并且選擇性地通過分立的波長，所屬分立波長與分析物濃度特別相關(guān)；(d)一個線性的檢測器陣列以接收由衍射光柵裝置呈出射的波長；以及(e)將被檢測波長轉(zhuǎn)換為代表所述波長強(qiáng)度的信號的裝置。
37．如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于線性檢測器陣列由硒化鉛構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明描述一種利用近紅外和中紅外區(qū)域內(nèi)的多光譜分析確定試樣中分析物濃度的方法和裝置。在大約1100－5000nm范圍內(nèi)包含多個不同的非交疊區(qū)域的入射輻射被用來掃描試樣。來自試樣的漫反射輻射被檢測,并且利用化學(xué)計量技術(shù)獲得了指示分析物濃度的數(shù)值。各個非交疊波長區(qū)域獲取的信息可以交差相關(guān)以去除背景干擾。
文檔編號A61B5/145GK1214768SQ97193401
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月2日
發(fā)明者S·F·馬林, G·哈利勒 申請人:量度測試設(shè)備股份有限公司