候華毅，董美麗，王貽坤，朱 靈，馬祖長，劉 勇

1. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026

3. 皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心，安徽省生物醫(yī)學(xué)光學(xué)儀器工程技術(shù)研究中心，安徽 銅陵 244000

漫反射光譜技術(shù)快速無創(chuàng)檢測皮膚膽固醇

候華毅1, 2，董美麗1, 3*，王貽坤1, 3，朱 靈1, 3，馬祖長1，劉 勇1, 3

1. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026

3. 皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心，安徽省生物醫(yī)學(xué)光學(xué)儀器工程技術(shù)研究中心，安徽 銅陵 244000

針對皮膚膽固醇無創(chuàng)檢測的迫切需求，設(shè)計了一種基于微型光譜儀的便攜式和智能化的皮膚漫反射光譜實時測量系統(tǒng)。配制毛地黃皂苷—辣根過氧化物酶共聚物溶液，利用毛地黃皂苷可與皮膚膽固醇分子中的羥基特異性結(jié)合和辣根過氧化物酶能與TMB試劑(主要成分為3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺)反應(yīng)顯色的特性，實現(xiàn)皮膚膽固醇的高靈敏和高特異的識別與指示，并通過測量反應(yīng)后顏色的變化程度來定量皮膚膽固醇的濃度。以與人體皮膚結(jié)構(gòu)相近的豬皮膚為實驗對象，采用萃取法獲得梯度濃度的膽固醇樣本，利用上述光譜測量系統(tǒng)檢測樣本內(nèi)的膽固醇濃度來驗證該方法的可行性。實驗結(jié)果顯示，相對漫反射率能夠區(qū)分不同濃度的膽固醇樣本，在特征單波長(442，450和463 nm)處和特征波段442～500 nm內(nèi)，漫反射率強度因子均可以定量反映樣本內(nèi)的膽固醇濃度，經(jīng)線性擬合，判定系數(shù)R2分別為0.960，0.959，0.958和0.958。研究結(jié)果表明，使用漫反射光譜技術(shù)可以實現(xiàn)皮膚膽固醇的快速無創(chuàng)檢測，將其應(yīng)用于動脈粥樣硬化性疾病風險評估，對于該類疾病的防控具有重要意義。

皮膚膽固醇；無創(chuàng)檢測；漫反射光譜；動脈粥樣硬化

引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，居民生活水平的提高，以及人口老齡化的加速，以動脈粥樣硬化為基礎(chǔ)的冠心病和缺血性腦卒中等心血管疾病的發(fā)病率正在逐步升高，成為國人健康的頭號殺手。有效預(yù)防動脈粥樣硬化性疾病的關(guān)鍵在于準確鎖定高危人群。目前臨床上廣泛使用的動脈粥樣硬化性疾病診斷方法是測定靜脈血漿中的總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇和甘油三酯等指標[1]。上述方法需要在長時間空腹后采集血液樣本以避免膳食中膽固醇的干擾。抽血會造成受試者疼痛，并伴有感染的風險，此外分析血漿膽固醇和脂蛋白水平過程復(fù)雜，需要特定的檢測環(huán)境和昂貴的檢測設(shè)備。以上這些不足，降低了人們進行血液膽固醇檢測的意愿，不利于動脈粥樣硬化性疾病的早發(fā)現(xiàn)。

皮膚是膽固醇新陳代謝的重要場所，人體內(nèi)約11%的膽固醇存在于皮膚中[2]。研究結(jié)果顯示，皮膚中膽固醇累積量與動脈粥樣硬化性疾病的風險相關(guān)[3-5]，并且相對于傳統(tǒng)的血液膽固醇具有更好的相關(guān)性[6]，皮膚膽固醇可以作為動脈粥樣硬化性疾病的新型標志物。目前，皮膚膽固醇的常規(guī)測定方法是皮膚活檢法，該方法在獲取皮膚活體樣本時會造成受試者疼痛，活檢部位具有受感染的風險，需要經(jīng)過訓(xùn)練的專業(yè)人員進行操作。而且，活檢樣本包含皮下脂肪等多層結(jié)構(gòu)，其中一些是高度血管化的，這些樣本包含了不同的膽固醇來源，不能得出可重復(fù)、可靠的膽固醇分析結(jié)果。因此，尋找新的皮膚膽固醇測量方法逐漸成為大家關(guān)注的焦點。

為準確檢測皮膚組織中的膽固醇含量，Weerheim[7]利用膠帶剝離和高效薄層色譜分離法來測量皮膚角質(zhì)層脂質(zhì)中的膽固醇，該方法使用三種連續(xù)的溶劑使脂質(zhì)分離，然后通過染色和焦化的方法使組分顯色，最后通過密度測定來確定脂質(zhì)的相對含量，不是一種適于大范圍簡單快速測定膽固醇的方法；Hiroshi[8]通過分子印跡自組裝單層膜電極探測器和高效液相色譜法，探測膽固醇萃取液前后的電流變化來反映皮膚膽固醇濃度，該方法的靈敏度受電極材料影響較大，臨床使用有限；Mancini[9]通過光譜法在HSV顏色空間內(nèi)對皮膚膽固醇進行定量測量，并結(jié)合Framingham風險評估方法實現(xiàn)了對動脈粥樣硬化性疾病人群和正常人的分類，但在顏色空間內(nèi)測量對光源等條件要求較高，需要特定的標準光源，限制了它的應(yīng)用。

漫反射光譜技術(shù)是通過測量待測物對不同波長光的漫反射，獲取有關(guān)物質(zhì)信息的一種光譜分析技術(shù)。對通常吸收光譜無法直接測量的樣品，它具有極大的優(yōu)越性，并具有速度快、效率高、成本低、測試重復(fù)性高和測量方便等特點，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域[10]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)膽固醇分子的化學(xué)特性，采用漫反射光譜技術(shù)，設(shè)計了一種基于微型光譜儀的光譜實時測量系統(tǒng)，檢測特異性標記后的膽固醇。經(jīng)光譜特性分析后，選擇特征波長和波段，利用該波長處和波段內(nèi)的相對漫反射率進行皮膚膽固醇濃度的定量分析。以與人體皮膚結(jié)構(gòu)相近的豬皮膚為實驗對象，采用萃取法獲得梯度濃度的膽固醇樣本，利用上述光譜測量系統(tǒng)實驗驗證了該方法的可行性，進而為利用該方法預(yù)測動脈粥樣硬化性疾病風險打下基礎(chǔ)。該方法克服了對光源的限制，并且具有活體、原位、實時和無創(chuàng)的優(yōu)點，適用于大規(guī)模人群的篩查。

1 原理和測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于漫反射光譜的皮膚膽固醇檢測原理

人體內(nèi)的膽固醇以兩種形式存在：游離膽固醇(約占30%)和膽固醇酯(約占70%)[11]。膽固醇酯在膽固醇酯酶的(cholesterol esterase, CHER)作用下水解成游離膽固醇[1]，游離膽固醇分子中含有羥基(3β-OH)，該羥基與毛地黃皂苷具有良好的親和性，能以等分子的比例形成難溶于水的毛地黃皂苷—膽固醇化合物。辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)是一種含鐵卟啉輔基的糖蛋白復(fù)合酶，在過氧化氫(H2O2)的作用下，與TMB顯色劑(主要成分為3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺)發(fā)生顯色反應(yīng)。反應(yīng)過程見式(1)—式(3)

(1)

游離膽固醇+毛地黃皂苷→

毛地黃皂苷-膽固醇化合物+H2O

(2)

(3)

本文配制了毛地黃皂苷-辣根過氧化物酶的共聚物溶液，利用該共聚物中毛地黃皂苷和辣根過氧化物酶的特性實現(xiàn)膽固醇的標記，并產(chǎn)生顯色反應(yīng)。在一定條件下，漫反射光譜強度的變化與顯色反應(yīng)的顏色變化程度(膽固醇的濃度)呈對應(yīng)關(guān)系，利用漫反射光譜測量顯色反應(yīng)后的顏色變化程度，進而定量皮膚膽固醇的濃度。

1.2 漫反射光譜實時測量系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上述檢測原理，設(shè)計了一種基于微型光譜儀的漫反射光譜實時測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制單元、光源單元、光學(xué)傳輸和耦合單元、光探測單元以及信息分析和處理單元。光源單元采用高亮度白光LED，出射光經(jīng)準直透鏡耦合進入入射光纖，并投射到顯色反應(yīng)后的液體(或標準漫反射白板)上，漫反射光經(jīng)接收光纖耦合進入光探測單元，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計算機進行數(shù)據(jù)處理與結(jié)果輸出。光探測單元采用微型光柵光譜儀，檢測波長范圍為200～850nm，分辨率為5nm，內(nèi)部光路采用MEMS結(jié)構(gòu)，CCD采用SonyILX563A。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Block diagram of the measurement system

測量系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。采用功率計測量光源功率，并以光源工作標準功率為基準，進行校正以消除光源波動對結(jié)果的影響。若光源功率變化超過30%，則認為功率異常，結(jié)束該流程，檢查光源和電路是否故障，并重新初始化。當光譜測量完成后，將數(shù)據(jù)輸入計算機中進行光譜的去噪、平滑和數(shù)據(jù)處理，進而定量皮膚膽固醇濃度。

圖2 測量系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Control flowchart of the measurement system

2 實驗部分

測量系統(tǒng)設(shè)計完成后，擬通過測量不同膽固醇濃度的皮膚樣品對系統(tǒng)進行驗證。然而，短時間內(nèi)在體人體皮膚組織中膽固醇含量保持不變，無法形成系列梯度濃度膽固醇的樣品組織。研究表明[12]，利用萃取液對皮膚樣品進行處理，通過控制萃取時間，即可獲得具有梯度膽固醇濃度的皮膚樣品。因此，前期實驗選用了與人體皮膚結(jié)構(gòu)相近的豬皮膚為實驗對象，通過測量萃取處理后的豬皮膚樣品來驗證該方法和系統(tǒng)的可行性。

2.1 材料和試劑的準備

(1)豬皮膚樣本。選取屠宰場新宰殺的生豬新鮮皮膚一塊，大小為10cm×12cm，樣本皮膚表面干凈整潔、無毛發(fā)、斑點印跡等。

(2)所需試劑。0.8%的生理鹽水，自配，高溫殺菌；乙醚(分析純，上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司)；乙醇(分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；檢測試劑：毛地黃皂苷-辣根過氧化物酶共聚物溶液，實驗前根據(jù)制備流程配制，分為低濃度(1倍濃度)和高濃度(10倍濃度)兩種；顯色試劑：TMB顯色液(上海碧云天生物技術(shù)有限公司)。

(3)萃取液的制備。將乙醇和乙醚按照體積比為3：1混合配制萃取液，萃取液在萃取實驗前現(xiàn)配，且在通風柜中操作，避免操作人員吸入。

(4)粘貼板的制備。粘貼板如圖3所示，用來粘貼在實驗區(qū)域滴加試劑。上面有三個通孔，一個為檢測孔，另外兩個為對照孔。對照孔1(□)為陽性對照，用來指示試劑是否正常工作；對照孔2(◇)為陰性對照，用來指示皮膚表面是否存在影響反應(yīng)結(jié)果的物質(zhì)；檢測孔(○)用來滴加檢測試劑和顯色試劑，用于對皮膚膽固醇濃度的檢測。

圖3 粘貼板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structural diagram of the pasting plate

2.2 方法

實驗步驟流程如圖4所示，共包括6步：

圖4 實驗步驟流程圖Fig.4 Flow diagram of the experimental procedure

(1)豬皮膚樣本前處理。用手術(shù)刀將新鮮豬皮膚樣本切割為8份1cm×3.5cm大小的長方形小樣本，分別標號為1#—8#，所有樣本分配為隨機分配。將8份樣本浸泡在0.8%的生理鹽水中，并放置于冰箱中冷藏，隨后，每隔12h更換一次生理鹽水，48h后，取出樣本，自然陰干1h。

(2)對照組和實驗組的設(shè)置。1#—4#樣本為對照組，不進行萃取處理，視萃取時間為0min，5#—8#為實驗組，進行萃取處理。

(3)萃取豬皮膚樣本。取100mL燒杯4支，每支燒杯中加入萃取液30mL，將5#—8#樣本分別放置其中，萃取時間分別為1，2，3和4min。每份樣本在時間到后從燒杯中取出，用吸水紙吸干表面的萃取液，待用。

(4)滴加試劑。將所有樣本放置在實驗臺上，在上面附上粘貼板，并保證粘貼板緊貼豬皮膚樣本以防止漏液。用移液槍分別在檢測孔(○)和對照孔1(□)中添加檢測檢測試劑(1倍濃度)和陽性對照試劑(10倍濃度)各30μl，等待2min后，用吸水棒吸取多余的試劑，然后分別在三個孔內(nèi)加入顯色試劑30μl，等待3min。

(5)觀察實驗現(xiàn)象。到達3min后，觀察對照孔1(□)內(nèi)是否呈現(xiàn)藍色，對照孔2(◇)內(nèi)是否為無色。

(6)測量漫反射光譜。若(5)中實驗現(xiàn)象正常，將8份樣本放置在設(shè)計好的夾具中，并移至檢測系統(tǒng)中，測量顏色變化后溶液的漫反射光譜Wj(j=1，2，…，8)。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗現(xiàn)象

如圖5(a)和(b)所示，對照孔1(□)為陽性對照，孔內(nèi)液體呈現(xiàn)深藍色，表明檢測試劑有效；對照孔2(◇)為陰性對照，孔內(nèi)液體呈現(xiàn)無色，說明皮膚表面沒有影響反應(yīng)結(jié)果的物質(zhì)。在之前的探索實驗中，發(fā)現(xiàn)對照孔2(◇)內(nèi)滴加顯色試劑，到達預(yù)定時間后，溶液呈現(xiàn)微藍色，經(jīng)過多次實驗和分析，發(fā)現(xiàn)是皮膚中血紅素的影響，因此在后來的實驗中對樣本做處理時，用0.8%的生理鹽水浸泡48h，旨在消除血紅素等因素的影響。

圖5 對照組和實驗組反應(yīng)現(xiàn)象圖 (a): 對照組; (b): 實驗組Fig.5 The reaction phenomenon graph of thecontrol group and experimental group(a): Control group; (b): Experimental group

實驗中，樣本1#—4#作為對照樣本，作用是為了驗證來自于同一塊豬皮膚樣本中的膽固醇濃度是否一致，其反應(yīng)后現(xiàn)象如圖5(a)所示，4份樣本的檢測孔(○)內(nèi)藍色變化程度一致，采集其漫反射光譜如圖6所示，4份樣本反應(yīng)溶液的漫反射光譜形狀基本重合，將420～650nm波段內(nèi)的漫反射光譜強度進行積分，得到各自的積分強度，變異系數(shù)為0.03，說明各樣本間的膽固醇濃度差距較小。因此，可將1#—8#樣本的初始膽固醇濃度視為一致。計算樣本1#—4#的光譜強度的平均值，作為未經(jīng)過萃取(萃取時間為0min)的樣本膽固醇濃度對應(yīng)的漫反射光譜強度。

5#—8#樣本反應(yīng)后現(xiàn)象如圖5(b)所示，隨著萃取時間的延長，檢測孔(○)內(nèi)藍色變化程度逐漸變小，表明樣本內(nèi)膽固醇濃度逐漸降低。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 原始光譜及去噪處理

不同萃取時間T下的樣本反應(yīng)后溶液的原始漫反射光譜如圖7所示。

圖6 對照組樣本原始漫反射光譜圖Fig.6 The original diffuse reflectionspectrum of control group

圖7 不同萃取時間下的樣本原始漫反射光譜圖Fig.7 The image of original diffuse reflection spectrumunder different extraction time T

從圖7中可以很直觀的看出，隨著萃取時間的增加，漫反射光譜形狀保持不變，強度逐漸增強。但原始光譜存在噪聲，為了提取有用信息，需要先對原始光譜進行去噪處理，利用三種常用的去噪方法，包括小波變換[13]、Savitzky-Golay平滑[14-15]和FFT變換對原始光譜進行去噪處理，并采用均方根誤差(meansquareerror,MSE)和信噪比(signal-to-noiseratio,SNR)兩種指標來評價三種方法的去噪效果。在使用小波變換去噪處理過程中，利用Matlab小波工具箱對小波包參數(shù)進行多次嘗試后，選用具有緊支撐和近似對稱的6層sym14小波包進行消噪，閾值選擇方案采用“Fixedformthreshold”，閾值函數(shù)采用軟閾值。

經(jīng)過三種方法去噪處理后，光譜曲線整體平滑，保留了相應(yīng)的波峰和波谷細節(jié)，毛刺等噪聲明顯下降。經(jīng)過比較，小波變換去噪的效果要優(yōu)于其他兩種方法，具有更小的均方根誤差和更大的信噪比。因此，采用小波變換的方法進行去噪，去噪處理后的光譜如圖8所示。

圖8 經(jīng)過小波變換去噪后不同萃取時間T下的光譜圖Fig.8 The image of spectrum after denoising by wavelettransform under different extraction time T

3.2.2 相對漫反射率

在獲得的漫反射光譜中，由于攜帶了光源的光譜特性信息，不能直接反映膽固醇的濃度，而漫反射率去除了光譜特性信息，可以彌補這種不足。記Dλ為波長λ處的暗電流譜線強度，Cλ和Sλ分別為波長λ處的參考漫反射光譜和樣本漫反射光譜，參考光譜是以標準漫反射白板為對象時獲得。則反應(yīng)后溶液在波長λ處的相對漫反射率ρ(λ)由式(4)得到

(4)

式(4)中，f(λ)是修正值，可以由更精密的測量儀器測量標準漫反射白板得到，由于求的是相對漫反射率，因此f(λ)取常數(shù)1。得到的不同萃取時間T下的相對漫反射率曲線如圖9所示。

從圖9中，可以很明顯的根據(jù)相對漫反射率的變化來區(qū)分經(jīng)過不同時間萃取處理的豬皮膚樣本內(nèi)膽固醇的濃度，隨著萃取時間的延長(0～4 min)，反應(yīng)溶液顏色由深變淺，相對漫反射率增大。根據(jù)曲線的特征，可以將其分為3個階段：階段a(420～442 nm)分布在紫光區(qū)域，隨著波長的增加，吸收增強，相對漫反射率下降，并在442 nm存在一個最低值；階段b(442～500 nm)主要分布在藍光區(qū)域，也是反應(yīng)后溶液呈現(xiàn)的顏色區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)先增強，在463 nm處到達頂點，然后開始下降；階段c(500～650 nm)分布在藍光以后的區(qū)域，隨著波長的延長，吸收增多，相對漫反射率開始逐漸下降，并保持基本平行。

3.2.3 特征波長和特征波段的選擇

考慮到一些光譜區(qū)域容易受到其他因素干擾，或者基本不包含有效的信息，將全光譜帶入分析會影響計算精度。因此，根據(jù)得到的光譜曲線特征，選擇特征波長或者波段，利用該波長或者波段的相關(guān)信息來特異性表現(xiàn)對應(yīng)的皮膚膽固醇濃度。

圖9 不同萃取時間T下反應(yīng)后溶液的相對漫反射率

特征單波長：

(1)吸收波長。HRP在以TMB為底物，pH為5.0反應(yīng)時，產(chǎn)生可溶性藍色產(chǎn)物，其特征吸收波長為450 nm，因此，將450 nm作為一個特征波長。

(2)峰值波長。相對漫反射率曲線中，分別在442和463 nm處達到最低值和最高值，因此把這兩個波長也作為特征單波長。

特征波段：根據(jù)上述漫反射曲線特征的三個階段中，階段b(442～500 nm)內(nèi)曲線易于區(qū)分，且該波段主要分布在藍光區(qū)域，是反應(yīng)后溶液的主要反射區(qū)域，因此選用該波段作為特征波段。

3.2.4 漫反射率強度因子S

相對漫反射率表征不同濃度的皮膚膽固醇，為了定量所測量皮膚膽固醇的濃度，根據(jù)相對漫反射率引入一個“漫反射率強度因子S”，其計算公式見式(5)

(5)

式(5)中，ρ(λ)為在特征單波長處的相對漫反射率或特征波段內(nèi)的平均相對漫反射率。

根據(jù)上述公式，求得萃取實驗中各樣本中的漫反射率強度因子如表1所示。并以萃取時間T為橫坐標，漫反射率強度因子S為縱坐標作圖，如圖10所示。

表1 漫反射率強度因子S

圖10中，在特征波長處和特征波段內(nèi)，隨著萃取時間T的延長，漫反射率強度因子S呈線性下降。經(jīng)過最小二乘法擬合后的方程判定系數(shù)R2分別為0.960(442 nm處)、0.959(450 nm處)、0.958(463 nm處)和0.958(442～500 nm波段內(nèi))。結(jié)果顯示，無論是在特征單波長(442，450和463 nm)處，還是特征波段442～500 nm內(nèi)，利用漫反射率強度因子S均可以定量反映豬皮膚樣本內(nèi)膽固醇的濃度。但單波長點存在出現(xiàn)畸變的風險，可能會對結(jié)果的準確性和重復(fù)性產(chǎn)生影響，而在特征波段442～500 nm內(nèi)，采用平均相對漫反射率能夠彌補這種不足，更加準確和穩(wěn)定地反映皮膚膽固醇的含量。

圖10 漫反射率強度因子S隨萃取時間T變化圖

(a): At characteristic wavelength 442 nm; (b): At characteristic wavelength 450 nm; (c): At characteristic wavelength 463 nm;

(d): In characteristic wavelength band of 442～500 nm

4 結(jié) 論

研究了漫反射光譜快速無創(chuàng)測量皮膚膽固醇的方法，設(shè)計了基于微型光譜儀的皮膚漫反射光譜實時測量系統(tǒng)，并結(jié)合豬皮膚實驗驗證了該方法和測量系統(tǒng)的可行性。實驗結(jié)果表明，相對漫反射率能夠區(qū)分不同濃度的膽固醇樣本，漫反射率強度因子S在特征單波長(442，450和463 nm)處和特征波段442～500 nm內(nèi)，均可以定量反映豬皮膚樣本內(nèi)的膽固醇濃度，經(jīng)線性擬合，判定系數(shù)R2分別為0.960，0.959，0.958和0.958。后續(xù)將通過檢測在體人體皮膚組織內(nèi)的膽固醇來進一步驗證此方法的可行性和有效性。將此方法應(yīng)用于皮膚膽固醇的臨床檢測，將有助于提高動脈粥樣硬化性疾病的早期篩查率。

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(Received Aug. 4, 2015; accepted Dec. 16, 2015)

*Corresponding author

Rapid and Noninvasive Detection of Skin Cholesterol with Diffuse Reflectance Spectroscopy Technology

HOU Hua-yi1, 2, DONG Mei-li1, 3*, WANG Yi-kun1, 3, ZHU Ling1, 3, MA Zu-chang1, LIU Yong1, 3

1. Institute of Applied Technology, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

3. Wanjiang Center for Development of Emerging Industrial Technology, Anhui Provincial Engineering Technology Research Center for Biomedical Optical Instrument, Tongling 244000, China

Due to the urgent need for noninvasive detection of skin cholesterol, a portable, intelligent and real-time skin diffuse reflectance spectroscopy measurement system was designed based on a micro-spectrometer. Digitonin-horseradish peroxidase copolymer solution was prepared. According to the properties digitonin binds to the hydroxy of cholesterol molecular specifically and the horseradish peroxidase reacts with TMB color solution (the main component is 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine ) a color change was produced, by which the skin cholesterol was identified and instructed with high sensitivity and high specificity, and the concentration of skin cholesterol was quantified by measuring the degree of color change. In order to validate the feasibility of this method, pig skin which is similar to human skin was taken as the experimental subject, and cholesterol samples of gradient concentration were achieved through the extraction. After that the spectroscopy measurement system was adopted to detect the cholesterol concentration. The experiment result showed that, relative diffuse reflectance can distinguish the cholesterol samples with different concentrations, and the diffuse reflectance intensity factor can quantity the concentrations of cholesterol at characteristic wavelengths (442, 450 and 463 nm) and characteristic wavelength band of 442～500 nm. Linear fitting curves were obtained with the determination coefficientR2were 0.960, 0.959, 0.958 and 0.958, respectively. The study has shown that, using diffuse reflectance spectroscopy technology can realize noninvasive rapid detection of skin cholesterol, and applying it to the risk assessment of atherosclerotic diseases would contribute to the prevention and control of such diseases significantly.

Skin cholesterol; Noninvasive detection; Diffuse reflectance spectroscopy; Atherosclerosis

2015-08-04，

2015-12-16

國家科技支撐計劃項目(2015BAI01B04)，國家科技支撐計劃項目(2013BAH14F01)，安徽省自然科學(xué)基金項目(1508085QF141)和中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所所長基金項目(Y33J381141)資助

候華毅，1987年生，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所博士研究生 e-mail：hhy@mail.ustc.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail：dongmeili@aiofm.ac.cn

TN29

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3215-07