基于红外拉曼超连续漫综合谱的血液鉴别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于红外拉曼超连续漫综合谱的血液鉴别方法。该方法包括仪器启动及超连续谱测试进样；超连续谱激光漫综合光谱测试；拉曼光谱测试进样；红外激光拉曼光谱测试；数据分析及融合；血液鉴别与判定等六个步骤。本发明专利技术的有益效果是，硬件采用Y形光纤联接两进两出光纤复用光谱仪，软件上采用红外拉曼光谱与超连续漫综合激光光谱加权叠加，实现光谱数据信息融合。硬件结构和软件分析的鲁棒性使本血液鉴别仪可适用于全血、血浆及血清的自动识别。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种人与动物血液分类仪器及方法,尤其涉及一种基于红外拉曼结合超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的方法。
技术介绍
目前我国对于血液和其他各类生物材料的海关进出口均采取信用制度，而对各类生物材料的真实性却由于种种原因无法直接检测。特别是涉及血液样品这样的特殊材料，开放式的接触式采样很多时候条件是不被允许的。一方面血液样品可能被检测操作污染；另一方面血液样品自身可能携带的致病因子会对检测人员造成职业暴露。鉴于上述原因，开发血液样品非接触式快速检测技术方法十分急迫。人类血液与动物全血主成分相似，主要由血细胞和血浆组成，都呈红色，肉眼难以区别，但人与动物血细胞和血浆的形貌和组成是有细微区别的，选用恰当的方法就可以区分人类血液与动物血液。经典的接触式的检测方法可以检测出部分血液参数，可以根据这些血液参数进行不同种属之间的血液鉴别。目前，商用使用较多的血液鉴别产品大都基于流式细胞术，需进行接触式微采样得到血液的代表种属特性的参数。非接触式密封血液鉴别是一个极富挑战的课题，因为大部分物种密封在透明试管中的无论是全血还是血清、血浆等样品，其在紫外、可见、红外谱段，对外所反映的光学特性极其相似，在非采样的检测中，依靠光学的手段分辨极其困难。首先，试管内封装的血液制品可能含有不同成份的抗凝剂，包括肝素、乙二胺四乙酸盐(EDTA盐)、枸橼酸盐、草酸盐等，此外试管材料可能是石英<br>玻璃或PET塑料等，大部分试管还都贴有标签。这些干扰因素，将严重影响血液的光学性质，使得常用光学及光谱方法在密封试管血液鉴别上无能为力。鉴于以上原因，开发一种用于人与动物密封试管血液，包括全血、血清、血浆的非接触式分类鉴别仪器及相应方法是急需解决的难题。针对该问题，本专利技术提出一种基于红外拉曼结合可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别的仪器及方法，在红外拉曼光谱检测中采用红外窄线宽拉曼激光器，结合光纤准直及显微物镜聚焦至试管内血液样品，并采用发射接收同轴光纤端面设计采集血液样品后向拉曼散射信号；在超连续漫综合激光光谱检测中，采用宽光谱超连续谱激光源及特殊设计的积分球为核心仪器硬件结构，得到不同样品的漫综合激光光谱数据。本专利技术的方法结合以上两种激光光谱检测技术，并采用Y形光纤联接两进两出光纤复用光谱仪，实现光谱数据信息融合。建立不同物种、不同试管、不同血液的融合光谱数据库，并基于主成分分析法(principalcomponentsanalysis，简称PCA)计算这些融合光谱数据得到主成分分析得分图，在得分图中得到人与动物全血、血浆、血清的聚类区域，将这些区域作为鉴别判断标准进行人与动物试管密封血样非接触鉴别。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于红外拉曼结合可见至中红外超连续漫综合激光光谱的用于密封试管血液样品非接触式鉴别方法，可进行人与动物全血、血浆及血清的自动识别，满足检测检疫部门对血液制品粗检的需求。本专利技术的技术方案是这样来实现的，基于红外拉曼结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪的硬件系统主要由电源模组、可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、两进两出光纤、主控及数据分析系统、积分球、试管机械手、连接杆、导轨、机械手运动控制器、样品室外盖板、底板、支架、光源室外盖板、光纤准直接头、激光器尾纤、超连续谱激光器、物镜支架、显微物镜、物镜联接器、光纤准直镜、Y形同轴光纤、光纤联接器、红外窄线宽激光器组成。其中，积分球由积分球右半部和积分球左半部两个半球组成，它们通过积分球接头进行联接，并安装固定在底板上。积分球内壁涂覆漫反射涂层，对照射到内壁的光线起漫反射匀光的作用。积分球右半部开有积分球样品孔，样品室外盖板安装在底板及积分球右半部上，形成封闭空间样品室，以消除杂散光的影响。样品室外盖板上方开有圆孔，装卸主轴穿过积分球样品孔及圆孔的中心，并与底板垂直。积分球左半部开有积分球光源孔及积分球光纤接口。Y形同轴光纤由红外发射光纤与拉曼接收光纤组成，两者汇聚成一根光纤，其光纤端面为同轴分布，中心圆形区域为红外发射光纤排列，外圈同心圆环区域为拉曼接收光纤排列，该几何配置可高效接收红外激光激发的后向拉曼散射信号。Y形同轴光纤与光纤准直镜耦合可实现准直发射与接收，光纤准直镜通过物镜联接器与显微物镜相联接，可将红外激光束聚焦至拉曼光谱测试点并对拉曼光谱测试点的后向散射信号进行收集。物镜支架将显微物镜固定安装于底板上。可见谱段光谱仪与红外谱段光谱仪均采用相同光谱仪光纤接口，两进两出光纤分为两个接收端(即两进)及两个输出端(即两出)。一个接收端与积分球光纤接口联接，可收集来自接收光轴的漫反射光线；另一个接收端与拉曼接收光纤通过光纤联接器联接，可收集来自拉曼接收光纤的拉曼信号；两个输出端分别与可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪联接。超连续谱激光器发出的可见及红外谱段超连续谱脉冲激光经激光器尾纤传输，然后通过光纤准直接头进行光束准直后输出超连续谱脉冲准直激光束，并沿发射光轴穿过积分球光源孔进入积分球。光纤准直接头由支架固定在底板上，并通过光源室外盖板与积分球左半部外壳联接，形成封闭空间光源室，以消除杂散光的影响。红外窄线宽激光器发出的红外连续激光束经Y形同轴光纤中的红外发射光纤传输、从红外发射光纤排列中发射后沿红外激光光轴传输、经光纤准直镜准直、显微物镜聚焦后可实现对拉曼光谱测试点的红外诱导拉曼激发(注：红外激光光轴与装卸主轴相交，其交点为拉曼光谱测试点)，拉曼光谱测试点的后向散射拉曼信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即拉曼接收光纤排列收集，再经拉曼接收光纤、两进两出光纤至红外谱段光谱仪进行接收和分析。导轨与底板垂直安装，试管机械手通过连接杆与导轨联接并可在机械手运动控制器控制下沿导轨滑动。待检血液由试管盖封装在试管中。试管机械手在机械手运动控制器控制下，可抓紧试管盖并带动试管沿装卸主轴方向上下运动。电源模组用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电。主控及数据分析系统用以对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行控制，并通过USB接口接收可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的光谱数据进行处理和分析。主控及数据分析系统内含触摸屏人机交互界面，用于与用户的人机交互本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外拉曼超连续漫综合谱的血液鉴别方法，该方法是在基于红外拉曼结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪器上实现的,所述的密封血液鉴别仪器包括电源模组(1)、可见谱段光谱仪(2)、红外谱段光谱仪(3)、两进两出光纤(5)、主控及数据分析系统(7)、积分球(35)、试管机械手(10)、连接杆(11)、导轨(12)、机械手运动控制器(13)、样品室外盖板(18)、底板(22)、支架(29)、光源室外盖板(30)、光纤准直接头(31)、激光器尾纤(32)、超连续谱激光器(34)、物镜支架(39)、显微物镜(40)、物镜联接器(41)、光纤准直镜(42)、Y形同轴光纤(43)、光纤联接器(44)、红外窄线宽激光器(49)；其特征在于密封血液鉴别方法如下：1)仪器启动及超连续谱测试进样开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电。用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序。此时，主控及数据分析系统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球；试管底部位置高于发射光轴且与接收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接沿发射光轴传输并被两进两出光纤收集；2)超连续谱激光漫综合光谱测试主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪，超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方向传输，变成了均匀光线，试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管、试管的外贴标签与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具有漫综合光谱影响；沿发射光轴传输的漫反射光线被两进两出光纤收集后，分别送至可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，可见谱段光谱仪的采样点为N1，采样点数N1＝1300，红外谱段光谱仪的采样点为N2＝512；可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共N＝N1+N2个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储；3)拉曼光谱测试进样主控及数据分析系统发送出样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手带动试管至其沿装卸主轴方向移出积分球及样品室，至拉曼光谱测试点位于试管内待检血液的中心位置，此时完成拉曼光谱测试进样；4)红外激光拉曼光谱测试主控及数据分析系统发出指令启动红外窄线宽激光器、可见谱段光谱仪及红外谱段光谱仪；红外窄线宽激光器发出的红外连续激光束经准直聚焦后会聚到拉曼光谱测试点处的待检血液，红外窄线宽连续激光所诱导的斯托克斯拉曼光谱信号依次经显微物镜及光纤准直镜后由Y形同轴光纤端面的外圈同心圆环区域，即拉曼接收光纤排列收集，再经拉曼接收光纤、两进两出光纤至红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，对拉曼光谱采用与超连续谱测试红外谱段一样的采样位置与采样点数，即N3＝N2；由于红外窄线宽激光器的波长位于可见谱段光谱仪的光谱范围之外，因此红外激光回波不会影响对拉曼光谱信号的采集，无需采用瑞利滤光片抑制回波干扰；红外谱段光谱仪输出的N3个光谱数据经USB接口送至主控及数据分析系统进行存储；5)数据分析及融合将红外谱段的超连续谱激光漫综合光谱的N2个光谱数据与拉曼光谱的N3个光谱数据进行加权叠加，得到N2个红外谱段的融合光谱数据。其中拉曼光谱的权重值为L，超连续谱激光漫综合光谱的权重值为1‑L；将这N2个红外谱段的融合光谱数据及可见谱段的超连续谱激光漫综合光谱的N1个光谱数据，共N个光谱数据用于后续分析；基于主成分分析法计算这N个光谱数据的M个主成分数值，进行降维处理，主成分数M取为7；6)血液鉴别与判定将待检血液的M个主成分数值，得到其在M维主成分空间的特征向量，将该特征向量与M维主成分空间的由本血液鉴别仪获得的人与动物全血、血浆、血清M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度首先确定待检血液的血液类型，即是全血、血浆还是血清。然后，再将待检血液的M个主成分数值，与该血液类型下的人与动物不同种属的M维主成分空间数据库的聚类中心特征向量进行对比，根据特征向量相似度再确定种属，即是人还是动物血液，如果是动物血液，是何种动物血液，至此，完成待检血液的血液类型与种属的判定；然后，主控及数据分析系统将待检血液的红外激光诱导拉曼光谱及可见红外超连续漫综合激光光谱的光谱曲线以及判定结果显示在触摸屏人机交互界面上，以供用户参考。至此完成整个测试过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于红外拉曼超连续漫综合谱的血液鉴别方法，该方法是在基于红
外拉曼结合超连续漫综合激光光谱的密封血液鉴别仪器上实现的,所述的密封
血液鉴别仪器包括电源模组(1)、可见谱段光谱仪(2)、红外谱段光谱仪(3)、
两进两出光纤(5)、主控及数据分析系统(7)、积分球(35)、试管机械手(10)、
连接杆(11)、导轨(12)、机械手运动控制器(13)、样品室外盖板(18)、底
板(22)、支架(29)、光源室外盖板(30)、光纤准直接头(31)、激光器尾纤
(32)、超连续谱激光器(34)、物镜支架(39)、显微物镜(40)、物镜联接器
(41)、光纤准直镜(42)、Y形同轴光纤(43)、光纤联接器(44)、红外窄线
宽激光器(49)；其特征在于密封血液鉴别方法如下：
1)仪器启动及超连续谱测试进样
开启电源模组，对可见谱段光谱仪、红外谱段光谱仪、主控及数据分析系
统、超连续谱激光器、红外窄线宽激光器及机械手运动控制器进行供电。
用户通过触摸屏人机交互界面启动测试主程序。此时，主控及数据分析系
统发出进样指令给机械手运动控制器，机械手运动控制器控制试管机械手抓取
试管进样至其沿装卸主轴方向进入积分球；试管底部位置高于发射光轴且与接
收光轴不相交，避免激光束直接照射待检试管，并避免试管的透反射光线直接
沿发射光轴传输并被两进两出光纤收集；
2)超连续谱激光漫综合光谱测试
主控及数据分析系统发出指令启动超连续谱激光器、可见谱段光谱仪及红
外谱段光谱仪，超连续谱激光器输出的超连续谱准直激光束沿发射光轴进入积
分球，激光束照射到漫反射涂层后，其反射光为漫反射，即在积分球内沿各方
向传输，变成了均匀光线，试管受不同方向的超连续谱光线照射后，试管、试

\t管的外贴标签与待检血液的漫反射、漫透射、吸收、发射后的光线将沿空间任
意方向传输，遇到漫反射涂层漫反射至任意方向，其对积分球内的光线传输具
有漫综合光谱影响；
沿发射光轴传输的漫反射光线被两进两出光纤收集后，分别送至可见谱段
光谱仪及红外谱段光谱仪进行光电转换变成光谱数据，可见谱段光谱仪的采样
点为N1，采样点数N1＝1300，红外谱段光谱仪的采样点为N2＝512；可见谱段
光谱仪及红外谱段光谱仪输出的共N＝N1+N2个光谱数据经USB接口送至主控
及数据分析系统进行存储；
3)拉曼光谱测试进样
主控及数据分析系统发送出样指令给机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雄，刘鹏希，章婷婷，陈学岗，张志敏，张华明，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31