尿糖近紅外光譜的測量和研究

姚武斌

（太原理工大學應用力學與生物醫學工程研究所 山西太原 030024 山西醫科大學第一醫院 山西太原 030001）

尿糖近紅外光譜的測量和研究

姚武斌

（太原理工大學應用力學與生物醫學工程研究所 山西太原 030024 山西醫科大學第一醫院 山西太原 030001）

首次探索了以尿液近紅外光譜為研究對象，建立尿糖濃度數學模型，進行尿糖定量測量的方法。建立了適合尿液近紅外光譜采集的測量系統，對實際的尿液樣品進行了光譜采集。分析了尿液近紅外光譜。選擇了參加建模的樣品的濃度范圍、最佳的預處理方法和光譜區間。

糖尿病；近紅外光譜；數學模型

引言

糖尿病的檢查主要有血糖檢查和尿糖的檢查。尿糖的檢查又分為定性檢查和定量檢查，尿糖的定性檢查目前臨床上應用最廣泛的方法仍然是硫酸銅還原法。用以確定尿糖濃度的高低，濃度是在一個范圍內，用“+”號的多少表示尿糖濃度的高低。尿糖定量檢查主要是測定24h尿糖定量正常人每天從尿中排出微量葡萄糖，約0.18～0.5mmol（32～93mg）。國內報道糖尿病病人24h尿糖最高達636g，國外有報道超過1000g者。多數病人在100g以下。

精確定量檢查尿糖濃度的方法還沒有見到報道。尿液標本的收集對病人來講沒有痛苦，是一種容易獲得的檢驗標本。如果在臨床中用近紅外光譜分析的方法精確定量檢查尿糖的濃度。會為糖尿病的診斷增加一個有效的途徑。

1 尿糖近紅外光譜測量系統的建立與尿糖近紅外光譜的采集和預處理

1.1 測量儀器的選擇

光譜儀仍然用NICOLET的Nexus870傅立葉紅外光譜儀。采集尿液的近紅外光譜應當采用對樣品透射的方法，測量不同濃度尿液吸光度的變化，得到吸光度變化與尿糖濃度之間的對應關系。樣品架采用和做采集葡萄糖溶液近紅外光譜時一樣的樣品架，采用1mm光程，K9玻璃的樣品池。

1.2 尿液樣品的準備

尿液來自一名9歲男性兒童，在兒童空腹的情況下取得。因尿糖的精確濃度無法測得，在不影響一般性的基礎上，設原尿液的葡萄糖濃度為3mmol/l，然后加入葡萄糖粉末來改變尿糖的濃度。制備了從3～165mmol/l的56份尿液樣品，濃度間隔為3mmol/l。

1.3 儀器參數設置

實驗中傅立葉光譜儀Nicolet公司的Nexus-870的參數設置為：掃描次數為32次、分辨率為1cm-1、數據間隔為1.928cm-1、光源采用白光、探測器為TEC In GaAs 2.6μm。

1.4 光譜的采集和預處理

以水為背景，用光譜儀的專用軟件OMNIC E.S.P 5.2a采集光譜。

本實驗對光譜信號做了兩步預處理：譜圖的平滑分辨出被噪聲掩蓋的吸收峰；基線校正是為了使原始光譜中不含光譜信息的譜段平整并表現為零吸收，使含有樣品信息的譜段突出。

2 尿液尿糖濃度校正模型的建立

2.1 樣品濃度范圍的選擇

在近紅外光譜分析中，校正集樣品的選擇及校正集樣品基礎數據測量的準確性直接決定所建立校正模型的適用性和準確性。所選擇的校正集樣品的光譜特征及性質范圍應能覆蓋以后未知樣品的光譜特征，以保證校正模型的適用性和測試結果的準確性。

制備的樣品濃度范圍為3～165mmol/l，共56份。濃度范圍非常大，建立模型時是否都應該加入校正樣品集應從校正模型的具體情況來判斷。下面把光譜數據分濃度范圍3～165mmol/l和3～30mmol/l分別建立數學模型進行比較。

2.1.1 建立3～165mmol/l濃度范圍的數學模型

在計算機上，應用Nexus-870傅立葉紅外光譜儀的專用光譜處理軟件TQAnalystV6，將尿液中葡萄糖含量與光譜間進行偏最小二乘法回歸（PLS），得到校正模型。仍然選擇用偏最小二乘法建立模型。建立模型的光譜區間為7500～8500cm-1。校正模型的計算結果和實際值相關的準確度并不是很高，相關系數雖然達到了0.979，但偏差卻在-23～22mmol/l之間，顯然不能滿足尿糖定量檢測的要求。我們認為產生這么大誤差的原因可能有兩方面的原因：①尿液樣品濃度間隔太大；②尿液樣品濃度范圍太大。

2.1.2 建立3～30mmol/l濃度范圍的數學模型

人的血糖濃度在0.3～30mmol/l之間，尿糖濃度也會在這個范圍附近，而165mmol/l這個濃度已遠遠超出了正常范圍。葡萄糖濃度過大在尿液中會有析出的現象。顯然3～165mmol/l這個范圍的樣品集選擇的不好。

以人的血糖濃度為參考，僅采用3～30mmol/l的光譜數據來建立濃度模型。這個時候模型的相關系數達到1.000，偏差范圍在-0.03～0.04mmol/l之間。這個校正模型所選的校正樣品集的性質范圍覆蓋了以后未知的光譜特征。用這個校正模型可以預測未知樣品的尿糖濃度，實現了尿糖的定量檢測。

2.2 光譜區間的選擇

本文在4250～4850cm-1、5500～6500cm-1、7500～8500cm-1、8500～10000cm-1、4000～10000cm-1、及各光譜區間的組合分別進行了建模分析，在不同波長范圍下PLS回歸得到的最佳主因子數、均方差（RMSEC）、相關系數R和誤差范圍。

在7500～8500cm-1這個光譜區間進行建模相關系數最大，均方根差最小。在這個區域重復性比較高，因此應該選用這一光譜區間來對尿糖濃度進行回歸建模。

2.3 預測結果比較

將參加建模的10個樣品都分別做為未知濃度的樣品進行預測，并與實際值進行比較，用教正模型對每一個尿液樣品的濃度進行預測，偏差最小達到0.00，偏差最大為0.04mmol/l。

3 小結

本文通過用偏最小二乘法建立了尿糖濃度和近紅外光譜的數學模型。模型的相關系數達到1.00，均方差為0.017，偏差在-0.03～0.04mmol/l之間。在這個實驗中存在著一些問題：①準備的尿液樣品濃度的間隔太大；②沒有確定原尿液的尿糖濃度。

通過實驗和初步分析，可以得出，用近紅外光譜的方法可以實現尿糖的定量檢測。突破了用傳統方法不能進行尿糖定量測量的限制，實現了尿糖快速、準確的測量，為糖尿病的診斷和檢驗提供了一條新的途徑。

[1]陸婉珍.現代近紅外光譜分析技術[M].北京：中國石化出版社，2000.

[2]常建華，董綺功.波譜原理及分析[M].北京：科學出版社，2001.

O657.33

A

1004-7344（2016）26-0335-01

2016-9-4

姚武斌（1976-），男，山西臨猗人，山西醫科大學第一醫院精神科心理治療師，2010年7月畢業于山西職工醫學院，臨床醫學專業，主要從事心理治療工作。