于旭耀，白志亮，劉 蓉*，袁 晶，余 輝，王海均，徐可欣

1. 天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072 2. 天津大學生物醫(yī)學檢測技術(shù)與儀器天津市重點實驗室，天津 300072

氯化鈉對葡萄糖水溶液近紅外光譜的影響

于旭耀1，白志亮1，劉 蓉1*，袁 晶2，余 輝2，王海均2，徐可欣1

1. 天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072 2. 天津大學生物醫(yī)學檢測技術(shù)與儀器天津市重點實驗室，天津 300072

人體內(nèi)鈉鹽的含量影響血糖代謝且與糖尿病具有較高的相關(guān)性。因此，在進行血糖的近紅外光譜無創(chuàng)檢測時，不僅要考慮血液中大顆粒及大分子物質(zhì)對光譜的吸收和散射影響，也應從分子結(jié)構(gòu)層面上分析小分子物質(zhì)對葡萄糖分子結(jié)構(gòu)及其特征吸收的影響。基于聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)的高精度近紅外光譜采集系統(tǒng)，測量并研究了在水溶液環(huán)境下氯化鈉(NaCl)對葡萄糖分子結(jié)構(gòu)及其近紅外特征吸收的影響。首先，測量含有不同NaCl含量的葡萄糖水溶液透射光譜，分別采用純水和同濃度 NaCl 樣本進行背景修正，實驗表明，在水溶液環(huán)境中 NaCl會改變水分子和葡萄糖分子特征吸收峰的位置和強度； 對不含NaCl和含有NaCl的糖水樣本分別扣除純水和同濃度NaCl樣本后進行二維相關(guān)光譜分析，同步譜的切線譜顯示NaCl減弱了葡萄糖分子在1 400和1 520～1 700 nm處的特征吸收。最后，通過偏最小二乘回歸模型定量分析NaCl對葡萄糖預測精度的影響，發(fā)現(xiàn)模型的預測均方根誤差隨NaCl含量的增加而增大，并且含NaCl的樣本與不含NaCl的樣本對葡萄糖濃度預測值之差的平均值與加入的NaCl含量近似為線性關(guān)系。結(jié)果表明，在水溶液環(huán)境下NaCl分子會改變葡萄糖分子鍵狀態(tài)并影響其特征吸收，從而降低模型的預測精度。若將NaCl含量作為變量因子，有助于提升血糖的近紅外光譜無創(chuàng)檢測精度。

近紅外光譜; 葡萄糖; 氯化鈉; 偏最小二乘; 二維相關(guān)光譜

引 言

糖尿病是一種由多重因素造成的高血糖代謝紊亂疾病，至今沒有徹底根治的醫(yī)學手段。世界衛(wèi)生組織推薦患者進行血糖濃度的自我監(jiān)測，及時調(diào)整藥物或胰島素劑量，將血糖濃度控制在合理范圍內(nèi)，進而減少各種并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[1]。目前，患者一般通過針刺取血，再采用便攜式血糖儀進行血糖監(jiān)測，屬于有創(chuàng)方式且存在感染的風險，給患者帶來痛苦和諸多不便，也限制了血糖監(jiān)測頻率[2]。由于近紅外光對生物組織有較強的穿透性，且具有快速、無損、無污染等特點，已成為血糖濃度無創(chuàng)傷檢測的主要研究方向之一[3]。但葡萄糖在近紅外區(qū)域吸收微弱，容易被水的強吸收覆蓋，且人體內(nèi)干擾信息復雜多變，導致其有用信息很難被精確提取。在以往的研究中，大多主要關(guān)注人體組織內(nèi)包括水、脂肪、皮膚、肌肉及骨骼等大顆粒及大分子物質(zhì)對血糖無創(chuàng)檢測的影響[4-5]，對血液成分中的無機鹽的影響研究較少。

鈉和氯是人體的宏量元素，均占體重0.15%，在循環(huán)和消化系統(tǒng)中起主導作用。鈉離子(Na+)能保持人體血壓和血容量，氯離子(Cl-)可維持體內(nèi)酸堿平衡。已有研究表明，在不考慮胰島素影響情況下，組織對葡萄糖的吸收受到鈉鹽飲食情況的影響[6]。吳樞武和晏渠如[7]通過臨床試驗證明，血鈉可作為糖尿病足病早期的風險預測指標。Sakabe等[8]以Ⅱ型糖尿病患者為對象進行研究，表明每日鹽攝取與作為糖尿病腎病標志的尿蛋白具有相關(guān)性。姜虹和施康平[9]的研究表明，Ⅱ型糖尿病合并低鈉血癥者可能存在因腎上腺皮質(zhì)功能相對不足而引起低鈉血癥的風險。由此可見，在人體特別是糖尿病患者體內(nèi)，鈉鹽含量與血糖濃度具有較高的相關(guān)性。而作為體內(nèi)主要金屬陽離子，血鈉正常值(135～145 mmol·L-1)是血鉀正常值(3.5～5.5 mmol·L-1)的30倍。所以，在人體檢測時，應考慮NaCl對血糖吸收光譜的影響。

近紅外光譜主要為一些含氫基團如C—H，N—H，O—H與S—H等，化合物基頻振動的倍頻和合頻吸收，因此NaCl分子并不存在紅外活性。但在水溶液環(huán)境下，NaCl主要以離子形式存在，可能致使溶液中原有基團發(fā)生形變甚至斷裂，進而改變其他基團特征吸收峰的位置和形狀。陳劍虹等分析了近紅外光譜檢測溶液中的鈉離子機理，并選定8 333～6 898和6 898～5 586 cm-1波段，建立了NaCl濃度在同一溫度和不同溫度下的偏最小二乘(partial least square，PLS) 模型，結(jié)果均能滿足日常檢測精度要求； Huang等[10]利用短波近紅外反射光譜檢測熏魚肉的水分和鹽濃度，分別建立PLS和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，結(jié)果表明，PLS模型具有更好的預測效果。

由于近紅外區(qū)域的吸收譜帶表征低能級間電子躍遷，譜峰弱而寬，且高度重疊，圖譜解析和定量分析存在一定的困難。Noda在1986年提出了二維相關(guān)光譜分析技術(shù)，將光譜信號從一維擴展到二維，大大提高了光譜分辨率及重疊峰的分離度，能更直觀地反映光譜強度和擾動變量的相關(guān)性。該技術(shù)目前已在藥物、聚合物、蛋白質(zhì)、生物學等領(lǐng)域取得了成功，如生物蛋白質(zhì)的次級結(jié)構(gòu)研究、中草藥成分鑒定、聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能研究以及化學反應的機理和動力學研究等[11]。

測量了含有不同NaCl含量的葡萄糖溶液的近紅外透射光譜，分析了NaCl的存在對葡萄糖水溶液吸光度的影響，并通過二維相關(guān)分析技術(shù)，考察了NaCl分子對葡萄糖分子特征吸收信息的擾動情況，最后，建立了不同NaCl含量下的葡萄糖PLS回歸模型，分析了NaCl含量對溶液中葡萄糖濃度預測精度的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

采用課題組自行研制的基于聲光可調(diào)諧濾波器(acousto-optic tunable filter, AOTF, Brimrose Company, USA)的高精度雙光路近紅外光譜采集系統(tǒng)，參考路主要用于監(jiān)測系統(tǒng)的光源漂移并對樣品路進行修正[12]。樣品路和參考路的樣品池均為固定光程1 mm的石英玻璃，并利用蠕動泵自動進樣。

配置樣本所使用葡萄糖(Tianjin GuangFu Fine Chemical Research Institute)、NaCl(Tianjin JiangTian Chemical Technology Co., Ltd)均為分析純級試劑，預先在105 ℃干燥至恒重后，利用電子分析天平(BS224S，Sartorius，Germany)稱量，稱重精度為±0.1 mg，最后使用去離子水進行定容配置。

1.2 數(shù)據(jù)處理

實驗樣品溫度控制在(20±0.1)℃內(nèi)，光譜范圍為1 100～1 700 nm，光譜掃描10次取平均以消除隨機誤差的影響。為減小系統(tǒng)誤差影響，對待測樣本隨機進樣，采用“Sandwich”方式的測量方法進行光譜采集，即交替測量待測樣本和純水背景。

應用CAMO公司的Unscrambler 9.7近紅外光譜處理軟件進行光譜S-Golay平滑處理、基線校正及PLS模型建立。二維相關(guān)光譜分析采用美國MathWorks公司的Matlab 2012b進行計算及圖像生成。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaCl對葡萄糖水溶液近紅外吸收的影響

樣本： (1)NaCl水溶液樣本10個(濃度范圍： 100～1 000 mg·dL-1，間隔： 100 mg·dL-1)； (2)葡萄糖水溶液樣本10個(濃度范圍： 400～4 000 mg·dL-1，間隔： 400 mg·dL-1)； (3)含有固定NaCl(1 000 mg·dL-1)的葡萄糖水溶液樣本10個，葡萄糖濃度設置同(2)。

以空樣品池為背景，計算純水和NaCl水溶液樣本的吸收光譜，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，兩種樣本的強吸收峰均出現(xiàn)在1 400～1 600 nm波段范圍內(nèi)，二者吸光度的差異主要出現(xiàn)在1 450～1 700 nm波段范圍內(nèi)。

圖1 純水和NaCl溶液的吸收光譜

以純水為背景，計算NaCl水溶液與純水之間的吸光度差，結(jié)果如圖2(a)所示。由于NaCl在水溶液環(huán)境中以離子形式存在，Cl-半徑較大，阻礙水分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而Na+半徑小且具有較強的正電效應，又會促進水分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，這兩種離子的相互作用使得水環(huán)境下分子狀態(tài)變化較為復雜，引起光譜的差異變化較大。從圖中可以看出，NaCl溶液在1 400和1 500～1 700 nm處具有明顯的負吸收峰，且吸收強度隨NaCl濃度的增加而增強。原因主要來自兩方面： 一方面，與純水相比，NaCl溶液中由于NaCl的溶解置換了部分水分子，降低了水分子濃度，從而導致水的O—H鍵吸收強度減??； 另一方面，在水溶液環(huán)境下，離子進行水合作用產(chǎn)生水-離子鍵，該鍵能遠大于水分子之間的氫鍵鍵能，從而影響了水分子間氫鍵的對稱伸縮振動(ν1)和彎曲振動(ν2)，致使其吸收峰位置和強度發(fā)生了改變。

圖2(b)和2(c)分別為不含NaCl和固定含量NaCl的葡萄糖水溶液與純水之間的吸光度差。從圖中可以看出，二者均在1 400 nm附近出現(xiàn)了較強的負吸收峰，而在1 600 nm附近出現(xiàn)正吸收峰。前者主要是由于部分水分子被溶質(zhì)置換導致水的吸收強度降低，后者則是葡萄糖的一級倍頻吸收。從強度上來看，在1 400 nm處，含有NaCl的葡萄糖水溶液與純水之間的吸收差異更大，由于二者糖濃度一致，因此，主要原因在于NaCl的加入置換了更多的水分子； 而在1 600 nm附近葡萄糖的吸收區(qū)域，含有NaCl的樣本強度則要低于不含NaCl的樣本，可能的原因是，NaCl對水分子影響所形成的負吸收峰(1 500～1 700 nm附近，如圖2(a)所示)抵消了部分葡萄糖的特征吸收，從而使得該區(qū)域的吸收下降。

在葡萄糖的水溶液中，由于葡萄糖分子與水分子之間的置換效應，吸光度與葡萄糖濃度無關(guān)的基準波長出現(xiàn)在波長1 525 nm處[如圖2(b)所示]。而在圖2(c)中，由于NaCl的影響，與葡萄糖濃度無關(guān)的基準波長向短波長方向偏移至1 510 nm。所以，在葡萄糖水溶液中加入NaCl能夠影響糖分子與水分子的結(jié)合。

圖2 不同水溶液的吸收光譜

(a): 扣除純水背景的NaCl水溶液; (b): 扣除純水背景的葡萄糖水溶液; (c): 扣除純水背景的葡萄糖和NaCl混合水溶液; (d): 扣除NaCl含量相同水溶液背景的葡萄糖和NaCl混合水溶液

Fig. 2 Absorbance difference between different aqueous solutions

(a): NaCl aqueous solutions based on pure water; (b): Glucose aqueous solutions based on pure water; (c): Glucose aqueous solutions with NaCl based on pure water; (d): Glucose aqueous solutions with NaCl based on NaCl sample with same concentration

2.2 NaCl對葡萄糖水溶液影響的二維相關(guān)分析

以葡萄糖濃度為外擾，在1 100～1 700 nm波段，計算圖2(b)和(d)光譜數(shù)據(jù)的二維相關(guān)光譜。圖3(a)和(b)分別為不含NaCl的葡萄糖水溶液扣除純水和含NaCl的葡萄糖水溶液樣本扣除NaCl后的二維相關(guān)同步譜(32層等高線)，對應的對角線切線譜如圖3(c)所示。

圖3 不同溶液的二維相關(guān)同步譜

(a): 葡萄糖水溶液; (b): 葡萄糖和NaCl混合水溶液; (c): 兩個同步譜的對角線切線譜

Fig.3 2D correlation synchronous spectra

(a): Glucose aqueous solutions; (b): Glucose aqueous solutions with fixed content NaCl; (c): Slice spectrum based on diagonal line of the synchronous spectrum

以相同濃度的NaCl溶液為背景，計算含有NaCl 的葡萄糖水溶液與NaCl水溶液之間的吸光度差，結(jié)果如圖2(d)所示。從圖中可以看出，通過扣除同濃度的NaCl水溶液后，NaCl對吸收峰的影響基本消除，吸收譜圖的外形、強度以及基準波長的位置基本與以葡萄糖水溶液吸收譜接近[圖2(b)]。但通過這種簡單對比，很難判斷NaCl對葡萄糖的干擾情況是否已完全去除，需要進行進一步的分析。

從圖3中不難看出，兩組溶液的同步譜3(a)和3(b)中，在1 400和1 600 nm附近區(qū)域均形成了自相關(guān)峰，且水分子吸收強度遠大于葡萄糖的吸收強度[圖3(c)中也可以觀察到]； 在(1 400，1 600 nm)和(1 150，1 400 nm)處分別出現(xiàn)了負交叉峰和正交叉峰，表明在葡萄糖擾動下，水的吸收峰與葡萄糖的吸收峰強度變化方向相反，而1 150和1 400 nm變化方向相同(均屬于水的吸收峰，1 150 nm吸收太微弱，并未出現(xiàn)其自相關(guān)峰)。

從圖3(c)中的對比還可以發(fā)現(xiàn)，含有NaCl的葡萄糖溶液扣除同含量的NaCl背景后，其自相關(guān)峰強度均低于不含NaCl的樣本，尤其是在水的吸收峰附近，這表明NaCl的加入，可能不僅減小了水分子和葡萄糖分子在溶液內(nèi)占比，而且壓縮了溶液中O—H和C—H含氫鍵的鍵長，改變了其振動頻率，使得吸收峰也隨之減弱。

2.3 NaCl對溶液內(nèi)葡萄糖含量濃度預測的影響

樣本： (1)葡萄糖水溶液樣本20個(濃度范圍： 50～1 000 mg·dL-1，間隔： 50 mg·dL-1)，以純水為背景，交替測量糖濃度樣本與純水樣本的透射光譜； (2) 含有固定NaCl(500～1 000 mg·dL-1，間隔100 mg·dL-1)的葡萄糖水溶液樣本6組，每組22個，葡萄糖濃度設置同(1)，分別以純水和含有同濃度NaCl水溶液為背景，交替測量糖濃度樣本、水以及NaCl樣本的透射光譜。

以純水為參考，計算樣本4和樣本5的吸收光譜。首先，進行S-Golay平滑處理，去除高頻噪聲，提高信噪比； 然后，利用基線校正有效消除光源光譜輪廓、檢測器光譜響應、干涉等的影響； 最后，采用Leave-one-out內(nèi)部交互驗證建立葡萄糖濃度的PLS預測模型，以校正誤差均方根(root mean square error of calibration，RMSEC)、相關(guān)系數(shù)(R)和交互驗證均方根誤差 (root-mean-square error of cross validation，RMSECV)等參數(shù)對模型效果進行評價，結(jié)果見表1。

表1 扣除純水背景后吸收光譜PLS模型預測結(jié)果

從表1的建模結(jié)果可以看出，校正集和驗證集模型的相關(guān)系數(shù)r>0.9，且預測誤差均低于30 mg·dL-1，表明建立的模型具有較高的預測能力。隨著葡萄糖水溶液中NaCl含量增大，模型的預測誤差有所增加，特別是最后一組溶液的預測均方根誤差明顯增大。可能是由于NaCl含量較高時，由其引起的水分子吸收變化為吸收光譜的主要因素，掩蓋了葡萄糖的特征信息。

對含有固定NaCl含量的葡萄糖水溶液樣本5，扣除相應含量NaCl的水溶液光譜后，對數(shù)據(jù)采取同上的預處理后建立葡萄糖的PLS模型，結(jié)果見表2。與表1結(jié)果對比可以看出，即使扣除NaCl干擾后，建模效果有所提升，但仍低于不含NaCl的葡萄糖水溶液的預測結(jié)果。

表2 扣除相同NaCl含量的水溶液背景后吸收光譜的PLS模型預測結(jié)果

為了進一步確定NaCl含量對葡萄糖濃度檢測結(jié)果的影響程度，提取多組樣本扣除相應含量NaCl的水溶液光譜處理后的建模結(jié)果，按照式(1)計算含NaCl的葡萄糖水溶液與不含NaCl的葡萄糖水溶液模型預測濃度差的平均值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 NaCl含量不同的葡萄糖水溶液的Δcp

從圖4中可以看出，葡萄糖濃度預測差的平均值Δcp與NaCl的含量近似為線性關(guān)系，該結(jié)果進一步證明NaCl的加入會降低葡萄糖濃度預測的精度，即使扣除了同濃度的NaCl水溶液，其影響也無法消除，因此可以認為在水溶液環(huán)境下NaCl 改變了葡萄糖分子鍵振動模式，從而使得其在近紅外光譜范圍內(nèi)的特征吸收發(fā)生了變化。

3 結(jié) 論

通過以不同溶液為背景，對混合溶液的近紅外吸收光譜進行校正，結(jié)果表明雖然NaCl在近紅外波段沒有吸收，但在溶液環(huán)境下，鈉離子的水合作用影響分子內(nèi)及分子間共價鍵的形成和狀態(tài)，從而間接影響溶液中葡萄糖和水分子的特征吸收。利用二維相關(guān)譜分析可以明顯看出NaCl減弱了水分子(1 400 nm)和葡萄糖一級倍頻(1 500～1 600 nm)處的特征吸收。

分別以純水和相應含量NaCl水溶液為背景，對含NaCl葡萄糖水溶液吸收光譜數(shù)據(jù)進行處理，并建立葡萄糖濃度PLS預測模型。結(jié)果表明，經(jīng)過NaCl溶液背景修正后，模型效果有所改善，但仍小于不含NaCl的葡萄糖溶液，且二者對葡萄糖濃度的預測差值與溶液中加入的NaCl的含量近似為線性關(guān)系。

綜上所述，可以認為在水環(huán)境中，NaCl 改變了葡萄糖分子的分子鍵振動模式，從而影響其對近紅外光譜的特征吸收。因此在血糖的近紅外光譜無創(chuàng)檢測研究時，也應充分考慮人體血液中如鈉鹽等小分子物質(zhì)對光譜的影響，將其作為修正因子引入血糖濃度預測模型，有助于改進和提升血糖無創(chuàng)檢測精度。

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*Corresponding author

(Received Feb. 14, 2015; accepted Jun. 11, 2015)

Study on the Effect of Sodium Chloride Salt on Near-Infrared Spectroscopy of Glucose Aqueous Solution

YU Xu-yao1, BAI Zhi-liang1, LIU Rong1*, YUAN Jing2, YU Hui2, WANG Hai-jun2, XU Ke-xin1

1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2. Key Laboratory of Biomedical Testing Technology and Instruments in Tianjin, Tianjin University, Tianjin 300072, China

The sodium chloride (NaCl) salt has been reported to be associated with glucose metabolism. However, the effect of it on non-invasive detection of blood glucose using near-infrared spectroscopy is still an open question. The aim of this study was to investigate this affection through transform background correction analysis two-dimensional (2D) correlation synchronous spectrum and the partial least-squares (PLS) regression. First, the transmittances of glucose aqueous solutions with different NaCl content are collected and the pure water and NaCl aqueous solution are measured as the background. Results show that, the dissolving of NaCl in water changes the amplitude and position of the absorption peak of water. There are two negative peaks in 1 400 and 1 500～1 700 nm corrected spectra of NaCl aqueous obviously and the amplitude of peaks associated with NaCl concentration. That’s because NaCl affect the molecular binding and vibration of water. Then the glucose aqueous solutions without NaCl and with NaCl are corrected by the spectra of pure water and NaCl aqueous solution, respectively. So we get the conclusion that NaCl also affect the combination of glucose and water molecules. And the two-dimensional correlation spectroscopy analysis is performed under the perturbation of glucose concentration. The slice spectra of synchronous correlation spectra show that, the adding of NaCl weakens the spectral variation due to glucose concentration change in the wavelength of 1 400 and 1 520～1 700 nm. Finally, the partial least square (PLS) regression models were built to quantitatively conduct the influence of NaCl on glucose prediction accuracy. Comparison results showed that, NaCl molecule in aqueous solution will deteriorate the model accuracy, where root mean square error of prediction increases with the NaCl content; the mean difference of predicted glucose concentration between models based on glucose aqueous solutions with NaCl and without NaCl, is linear with NaCl concentration in samples.

Near infrared spectroscopy; Glucose aqueous; Sodium chloride; Partial least square method; Two-dimensional correlation spectroscopy

2015-02-14，

2015-06-11

國家自然科學基金項目(81471698, 81401454, 60938002)和國家(863)計劃項目(2012AA022602)資助

于旭耀，1988年生，天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室博士研究生 e-mail: yuxuyao@tju.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: rongliu@tju.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1706-06