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    微型化血液中CO检测专用仪的研制与应用研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-01 10:28:51    浏览次数:51    评论:0
    导读

    摘要:目的 基于双波长还原检测法构建微型化血液中CO检测专用仪。方法 装置以发光二极管(LED)为光源,结合半透半反镜对LED光强进行校正,聚醚醚酮(PEEK)模块制作检测通路,辅以光电转换、数据处理、结果显示等组件。结果 整机重量仅为540 g,尺寸为14 cm× 12 cm × 6.3 cm;检测池体积小于10 μL,总样品消耗量小于400

    摘要:目的 基于双波长还原检测法构建微型化血液中CO检测专用仪。方法 装置以发光二极管(LED)为光源,结合半透半反镜对LED光强进行校正,聚醚醚酮(PEEK)模块制作检测通路,辅以光电转换、数据处理、结果显示等组件。结果 整机重量仅为540 g,尺寸为14 cm× 12 cm × 6.3 cm;检测池体积小于10 μL,总样品消耗量小于400 μL,有效光程10 mm,检测时间小于5分钟。结论 可满足临床及刑侦对血液中CO含量现场快速检测的需求。

    关键词:发光二极管;微型;CO检测;血液

    引言

    随着科学的发展,各应用领域对分析测试结果实时性的要求不断提高,现场快速分析已成为分析科学的发展趋势之一。现场分析势必要求分析仪器的微型化和便携化,研制结构紧凑,使用方便的微型现场分析系统具有重要的现实意义。

    CO中毒作为一种常见的中毒形式,不仅需要根据临床症状和体征进行快速诊断,患者/死者血液中的碳氧血红蛋白含量(HbCO%)更是判定CO中毒及程度的重要依据。在临床和刑侦中,血液为一氧化碳中毒重要检材,实现快速、高灵敏HbCO%检测对于挽救生命及案件的侦破皆具有重大意义。应用于血液中CO检测的方法包括:顶空气相色谱法[1]、血氧定量计法[2]、毛细管电泳法[3]、氧电极法[4]、傅立叶变换红外光谱法[5]、分光光度法等[6,7]。其中分光光度法具有样品前处理简单,检测速度快等优势。张婷等[7]对7种一氧化碳中毒血样分光光度含量测定方法进行了系统比较。其中还原法利用420 nm波长处碳氧血红蛋白呈现吸收峰,血红蛋白吸收较弱,在432 nm波长处血红蛋白呈现吸收峰,碳氧血红蛋白吸收较弱特点,根据比耳定律和吸光度加和原理,联立方程组获得血液中CO含量。传统分光光度计体积较大,不适合现场快速、实时检测。目前,市场上有多种微型分光光度计,如美国哈希便携式分光光度计[8],便携式PORS-15V型快速光谱仪[9],T3WS便携式水质快速检测仪[10]等,但并无针对血液中CO检测的专用微型仪器问世。

    本文以发光二极管(LED)为光源,结合半透半反镜对光强进行校正,利用碳氧血红蛋白和血红蛋白在420 nm和430 nm不同吸收,基于还原法构建了微型化的血中CO含量检测专用仪,可以满足临床及刑侦对急性CO中毒快速诊断的需要。

    1 实验材料和方法

    1.1 试剂及仪器

    连二亚硫酸钠,分析纯;CO中毒血样,新疆兵团公安局刑侦总队技术处提供;超纯水,Merck Millipore超纯水设备自制。

    紫外可见分光光度计参比溶液:0.25%连二亚硫酸钠溶液。微型化血液中CO检测专用仪校准液:甲醇。测试血样:原血用0.25%连二亚硫酸钠溶液稀释2500倍。

    紫外可见分光光度计(Thermo Scientific Evolution 220),设置扫描范围400-500 nm。

    1.2 微型CO含量检测专用仪配件及使用方法

    光源采用L420R-06 LED灯,结合420 nm,432 nm两个波长的窄带滤光片提供光度计所需光源。采用半透半反镜(10 mm×15 mm)将直射入检测池的入射光分光,分别射入参比池和检测池。滤光片模块为活动组件,通过一个金属推杆将相应滤光片推入光路获得相应波长的入射光。

    检测池与参比池整合入PEEK模块,检测池尺寸:1.1 mm ID ×10 mm,有效光程约为10 mm ,其检测池体积约为9.2 μL。参比池尺寸:15 mm×9 mm×23.5mm。样品入口管为转接管,两段管路尺寸分别为0.5 mm ID×60 mm和2 mm ID ×100 mm,出口管尺寸为0.5 mm ID × 320 mm,总样品消耗体积约为400 μL。

    使用方法:

    1)开机预热1 min;

    2)注射器取1mL甲醇注入加样口,待读数稳定后调节金属推杆分别在420 nm和432 nm测量,按校正键校正仪器参比值;

    3)测量完成后用注射器吹出校准溶液,将稀释2500倍并放置反应2 min的血样注入加样口,待读数稳定后,分别按测量键在两个波长下进行测量;

    4)测量完成后,点击“结果计算”键,直接得到HbCO% 浓度。

    1.3 数据计算

    紫外可见分光光度计测得420 nm、432 nm波长下吸光度值后代入以下公式计算碳氧血红蛋白含量。

    [HbCO]%=(1.317 A420-0.988 A432)/ (0.844 A420+0.982 A432)×100% (1)

    由于微型检测器采用滤光片获得所需波长入射光,其波长范围宽于紫外分光光度计入射光波长范围,致使对应的摩尔吸光系数产生偏差。为了校正入射光单色性差带来的误差,碳氧血红蛋白饱和度计算公式修正为:

    [HbCO]%=[(1.317 A420-0.988 A432)×1.598/ (0.844 A420+0.982 A432)+0.019]×100% (2)

    2 结果与讨论

    2.1 仪器构建

    针对分光光度法检测血液中CO检测方法(还原法)的特点,设计的微型化血中CO含量检测专用仪结构如图1所示,图2a也给出了实物图,图2 b为调节滤光片位置推杆。

    图1 微型化血中CO含量检测专用仪光路图

    图2 微型化血中CO含量检测专用仪实物图

    微型化血中CO含量检测专用仪主要由LED光源、检测池、参比池、光电转换组件、信号放大及数据处理组件、控制组件、电源等组成。LED灯具有工作电压很低,工作电流很小,抗冲击和抗震性能好,可靠性高,寿命长的优点,且价格便宜。因此我们选用L420R-06 LED灯作为光源,其波长范围涵盖了测定所需两个波长,仅需一个LED灯即可。但是,LED也有光强不稳定的缺点,给分光光度法测量带来较大误差。我们在光路系统中引入内置参比池,采用半透半反镜分光,通过参比池光强对测量池光强进行实时校正,可完全消除LED本身光强变化带来的误差。由于LED在不同的空间角度光强相差较大,光路系统中光源发射的光直射入光路系统,也最大程度避免了光强变化。由于需要在420 nm和432 nm两个波长下采集数据,采用模块化光路系统,唯一活动部件为滤光片模块,而滤光片直径大于光入口直径,无需特殊准直组件即可保证入射光光强稳定。光路模块采用PEEK材料,此材料具有良好的生物兼容性,可以有效避免血液中的组分在检测通道表面的不可逆吸附,因此非常便于清洗。此外,这种材料不透光,可以避免环境中杂光对检测的干扰。

    通过编制控制程序,将数据采集、信号处理和运算、过程控制和结果显示等一系列过程直接嵌入,实现自动化处理。过程控制和结果显示采用触摸屏,数据处理模块中嵌入了结果计算的程序。整机重量仅为540 g,尺寸为14 cm × 12 cm × 6.3 cm;检测池体积小于10 μL,总样品消耗量小于400 μL。整个操作简单、快速,保证其可便捷地应用于现场快速检测,使用人员无需特殊培训。

    2.2 仪器和实验方法优化

    双波长还原法测定血中CO含量采用0.25%连二亚硫酸钠溶液作为参比溶液,但是连二亚硫酸钠在空气中易氧化分解,而样品溶液配制过程中不可避免的会与空气接触,随着时间的增加,溶液会逐渐浑浊,致使透射光强减弱,造成较大误差,需要在参比溶液和样品配制好后尽快完成测定。因此我们选取了甲醇、水及0.25%连二亚硫酸钠溶液作为参比溶液进行对照试验,检测池透射光光强数据见表1。

    从测定结果可以看出,选择甲醇、水及0.25%连二亚硫酸钠溶液作为参比溶液,其所测数据基本相当,无显著性差异,即选择这三种溶剂任何一种对样品的测定无影响。而甲醇相比水而言,可同时作为清洗光路的溶剂,因此我们在实验中选择用甲醇作为参比溶液。

    在还原法中,建议血样稀释倍数为1000-2000倍。以稀释1000倍,2000倍,2500倍血样为样品,分别采用微型检测器和常规紫外-可见分光光度计进行了测定,测定结果见表2。

    从测定结果可以看出,当样品被稀释至1000倍时,样品浓度较高,吸光度值大于1.0,测定误差较大。相对于大型紫外分光光度计而言,微型检测器测定值明显偏高。而稀释至2500倍时,吸光度值在0.15-1.0范围内,微型检测器测定据也与常规紫外分光光度计测定结果吻合。因此对于微型检测器,其最佳稀释倍数约为2500倍。

    2.3 微型血液中CO含量检测专用仪性能评价

    为了测试微型血液中CO含量检测专用仪的测量准确度,选取碳氧血红蛋白含量在20-70%区间样品在商品化紫外-可见分光光度计上同时进行对比试验,并对结果加以分析,结果见表3。

    由表3可以看出,微型分光光度计测定结果与常规紫外分光光度计测定结果一致,测定绝对偏差绝对值在0%-2.8%之间,相对偏差绝对值在0%-5.1%之间,可以满足分析要求。

    为了对微型血液中CO含量检测专用仪测定重复性加以评价,分别取HbCO%含量66.5%和49.3%的血样连续3次测定,结果见表4。微型检测器对样品进行多次平行测定时,与常规紫外分光光度计相比,其相对标准偏差略高,但均小于5%。

    3 结论

    综上所述,微型化血中CO含量检测专用仪体积小,使用方便,测定结果准确,满足临床及刑侦对血液中CO含量现场快速检测的需求。


     
    (文/小编)
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