基于最小偏向角法的模拟血液浓度测量研究

李芷竹 陈超 马远贞 户婷亚 张晓红 杨丹

摘  要：人体的健康状况可以通过血液中某些物质的浓度直接体现，为了进行快速、高效、精准的血液检测，人们不断探究新的检测方法及医疗仪器设备。酒驾醉驾违法犯罪行为危害人民群众生命财产安全，为实现有效防治，各类检测技术与装置不断被研发。本文基于物理光学中最小偏向角法，利用乙醇溶液模拟人体醉酒血液状态，自制模拟血液三棱镜测量不同浓度下的最小偏向角，通过折射率的计算以及数据拟合分析找出经验方程，得到一种通过可视化角度测量便可测定未知血液浓度的有效方法，为血液中物质含量或浓度的检测提供新思路。

关键词：最小偏向角法  模拟血液  浓度  折射率

Abstract： The concentration of certain substances in the blood could reflect the physical condition directly. To carry out rapid， efficient and accurate blood tests， new test methods and medical equipment are being researched constantly. The illegal and criminal acts of drunk driving endanger the lives and property of the people. In order to achieve effective prevention and control， various detection technologies and devices are constantly being developed. Based on the least deviation angle method in physical optics， ethanol solution was used to simulate a blood alcohol state， and the least deviation angles were measured under different concentrations by the self-processed simulated blood prism. Through the refractive index calculation and data fitting analysis， an effective method to determinate blood concentration was found， which could realize a visual measurement and provide a new idea for blood tests.

Key Words： Least deviation angle method; Simulated blood; Concentration; Refractive index

健康一直是人们关注的焦点，而血液中某些物质的浓度往往可以直接、真实、有效地反映人体的当前状况，例如血液中葡萄糖的含量可以作为糖尿病的诊断依据;血液中某种药物的浓度可以作为疗效的评价参考;血液中酒精的含量还可以作为酒驾醉驾违法行为的判定标准等等[1-3]。对此，科研人员也展开了一系列的研究工作。Lulu Dai等人[4]通过对贵州省燃煤砷中毒地区的631名25岁以上且具有15年以上本地居住史的调查者进行病例对照研究，发现长期燃煤砷暴露与2型糖尿病之间存在一定联系，当血液中砷浓度超过3.69μg/L时，2型糖尿病的患病风险随之增加，二者存在非线性关系;虽然血砷浓度低于3.69μg/L时相对安全，但若吸烟也会增大患病风险，特别是在具有15年以上吸烟史的调查者中，这种患病几率显著增加，这为研究砷暴露与糖尿病之间的联系提供了流行病学依据。胡楠等人[5]利用高效液相色谱串联质谱法，对进行大剂量甲氨蝶呤化疗的血液恶性肿瘤患者进行了血液监测，检测其血清中甲氨蝶呤及主要代谢产物7-羟基甲氨蝶呤的浓度，发现患者在甲氨蝶呤给药剂量大约为1.9g/m2的情况下，连续静脉滴注24h后，体内主要代谢产物7-羟基甲氨蝶呤的浓度要高于甲氨蝶呤数倍，表明7-羟基甲氨蝶呤的浓度与大剂量甲氨蝶呤化疗治疗具有相关性，对于7-羟基甲氨蝶呤浓度的检测具有十分重要的临床意义。汪军等人[6]研究了微量注射重组人促红细胞生成素对血液兴奋剂检测运动员生物护照的影响，通过对14名健康男性青年受试者进行为期7周的微量重组人促红细胞生成素皮下注射，对比注射等量生理盐水的安慰剂组，发现注射重组人促红细胞生成素后的受试者静脉血液总量和浓度参数显著增加，使得运动员生物护照检测结果为阳性，其中血液总量指标血红蛋白总量更为敏感，而血液浓度指标可能受到血浆量影响而直到最后一次注射后3周左右都维持在较高水平，这为进行运动员生物护照血液兴奋剂检测提供了实践依据。

对于血液中物质浓度（或含量）的检测往往依托于精准的检测技术和先进的医疗仪器设备，因此高灵敏度、快速的检测方法与装置一直也是人们研究的热点[7-9]。周闰等人[10]采用以QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）前处理方法为基础的气相色谱-质谱方法，对60位普通人血液样本中的30种有机氯农药和菊酯类农药进行了检测，发现有12种农药被检出，其中传统的有机氯农药和广泛应用的氯氰菊酯等菊酯类农药检出率大于50%，说明该方法灵敏、简便、稳定性高，可实现血液中农药的快速检测，为农药中毒和农药残留检测提供了技术支持。赵鹏等人[11]以分光光度法为基础结合偶联终点比色法，建立了一种可以定量检测全血或血液制品中游离血红蛋白浓度的方法，并应用于Wistar大鼠的失血性休克动物模型中，测量复苏前后血液样本中游离血红蛋白浓度并进行血气分析，发现输入不同浓度的游离血红蛋白血液1h后体内pH值得以纠正，且游离血红蛋白浓度与pH值呈线性相关，这种检测血液中游离血红蛋白浓度的装置和方法适用于院前大量输血治疗时全血和血液制品的快速质量评估。闫文强等人[12]为了进一步明确更适于临床检验的人体血液中铅浓度的有效方法，对卫生部2006年《血鉛临床检验技术规范》中规定的石墨炉原子吸收光谱法和微分电位溶出法两种基本方法进行了比较，在随机抽取了10名儿童的微量元素检测样本后，每份分10次分别采用以上两种方法进行检测，发现两种方法检测结果具有很好的一致性和可靠性，再综合考虑二者的测试成本及操作性，微分电位溶出法则体现出微偏差、低成本、易操作等优势，更适于临床检测，这为临床上血铅检测方法选择提供了参考依据。

基于市场经济的高速发展和人民生活水平的日益提高，我国汽车总量逐年增加，据公安部数据显示，截止到2020年6月，全国机动车保有量已达3.6亿辆，其中汽车保有量达为2.7亿辆，占机动车总量的75%。与此同时，全国机动车驾驶人数量也逐年增加，已达到4.4亿，其中汽车驾驶人数量为4亿，占驾驶人总数量的90.9%。在如此庞大的机动车和驾驶员数量之下，酒驾醉驾违法犯罪行为的出现也相对增多，仅今年“五一”小长假5d时间，全国共查处酒驾醉驾违法犯罪行为3.3万余起，严重危害了人民群众生命财产安全。目前，针对此类违法行为我国已进一步加大整治力度，加强监管，相关法律法规逐步完善。同时科学技术方面，各种防酒驾装置与酒精检测方法也不断被研发[13-15]，如罗春林等人[16]设计了一种集合酒精检测、屏幕显示、语音提醒、禁止启动等功能于一体的智能汽车酒驾测控系统，并利用三次样条插值算法对系统中的MQ-3酒精气体传感器进行了修正，在提高系统酒驾识别准确性的同时从源头上杜绝酒驾。本文从物理学的角度出发进行基础性研究，基于最小偏向角原理，采用实验模拟的方法，探究一种测定血液中酒精浓度的新方法，为血液中物质含量或浓度的检测提供新思路，为检测仪器的研发与制备提供实验基础。

1  实验原理与设计

最小偏向角法[17]是物理光学实验中常用的一种用来确定棱柱形实心透明介质折射率的有效方法，如图1所示。已知透明实心三棱镜的主截面，顶角为，当单色平行光束Ⅰ入射三棱镜一侧面时，会连续发生两次折射，光线Ⅱ从另一侧面出射，与入射光线Ⅰ之间的夹角即为偏向角。由主截面上几何关系，以及，可得。若入射光线Ⅰ方向保持不变，将棱镜绕垂直于主截面的轴线开始旋转，则偏向角将随之变化;由折射定律的微分形式可以推导出，当时偏向角即达最小值，此时有，同时可知。因此，若已知固体三棱镜的顶角为，测量出其最小偏向角，即可推算出该固体透明材料的折射率，计算式为。

本文在此最小偏向角原理的基础上，设计一种溶液三棱镜，并应用于模拟血液酒精浓度的测量之中。首先，通过精密光学加工制作薄壁空心三棱镜槽，壁厚小于5 mm，以减小光线在镜壁内折射产生的影响，设计顶角为60°。其次，利用纯水和无水乙醇配制不同浓度的乙醇溶液（10%～50%），以定性模拟不同人体醉酒血液状态，并将其置于薄壁空心三棱镜槽中形成模拟血液棱镜。最后，利用JJY型分光计测量模拟血液棱镜在不同浓度c下的最小偏向角，并通过阿贝折射仪测定折射率n进行验证，进而拟合实验数据定量找出二者关系。

2  数据测量与讨论

将配制好的乙醇溶液倒入空心三棱镜槽中形成模拟血液棱镜，并转移至已调节好的JJY型分光计载物台中央。实验采用汞灯作为光源，选取绿色谱线作为目标谱线入射模拟血液棱镜，转动目镜位置观察出射光线。缓慢转动载物台，视野中目标谱线会随之转动，直到转动载物台至某一位置时目标谱线反向而动，该位置即最小偏向角位。记录载物台左右游标数据，并计算出最小偏向角，实验中均进行3次以上测量取平均值，并计算不确定度后数据列入表1。分别配制浓度为10%～50%的乙醇溶液重复上述实验，由表1可以看出，随着模拟血液中酒精浓度c的升高，最小偏向角角度随之增大，且多次测量的不确定度μ较小，说明该检测方法测量的稳定性高、重复性好。

为验证该测量方法的准确性，实验还利用最小偏向角原理进一步计算出不同浓度下的模拟血液折射率n，并与阿贝折射仪直接测量的折射率数值 进行比较，数据如表1所示。可以看出，不同浓度下基于最小偏向角法计算所得的模拟血液折射率n，与阿贝折射仪直接测量的折射率 近似相等，誤差u相对较小，且均随模拟血液浓度c的增加而增大，说明通过此方法测量溶液棱镜的最小偏向角亦可准确反映模拟血液浓度的信息。

为进一步定量确定模拟血液中酒精浓度与最小偏向角之间的关系，将表1中最小偏向角换算成角度（°）单位，与浓度c的数据绘制成图，并利用最小二乘法对实验数据进行拟合，如图2所示。从图中可以看出，模拟血液浓度c与最小偏向角之间近似呈线性关系（R2=0.99785），且在测量浓度区间10%-50%内满足线性方程。为了验证此经验方程的准确性，选取已知折射率的纯水作为参考对象，在本实验系统中，即当模拟血液中酒精浓度c降至0时，系统研究对象变为纯水，此时由拟合方程可得最小偏向角为23.6688°，再进一步由最小偏向角法求得对应折射率n为1.33396，这与纯水折射率的理论数值1.333近似，相对误差仅为0.072%，再次证明此模拟血液浓度测量方法的精准性。

3  结语

随着我国经济的日益发展，人们对自身健康的关注度以及对生活品质的要求日益提高。血液信息作为人体健康的信号灯一直被科研领域所关注，各种检测方法及仪器装置也不断被研发。基于血液中物质浓度的测量及方法探究的研究热点，结合当今酒驾醉驾的社会问题，本文利用乙醇溶液定性模拟人体醉酒血液状态，从最小偏向角法出发制备了模拟血液三棱镜，通过测量不同酒精浓度下的最小偏向角，并辅助阿贝折射仪验证，得到了最小偏向角与模拟血液浓度间的拟合方程，确定二者关系的同时实现了未知浓度的可视化测量。这为血液中物质含量或浓度的检测提供了新思路，为检测仪器的研发与制备提供了实验基础。

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