李芷竹 陳超 馬遠(yuǎn)貞 戶婷亞 張曉紅 楊丹

摘? 要：人體的健康狀況可以通過血液中某些物質(zhì)的濃度直接體現(xiàn)，為了進(jìn)行快速、高效、精準(zhǔn)的血液檢測，人們不斷探究新的檢測方法及醫(yī)療儀器設(shè)備。酒駕醉駕違法犯罪行為危害人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，為實(shí)現(xiàn)有效防治，各類檢測技術(shù)與裝置不斷被研發(fā)。本文基于物理光學(xué)中最小偏向角法，利用乙醇溶液模擬人體醉酒血液狀態(tài)，自制模擬血液三棱鏡測量不同濃度下的最小偏向角，通過折射率的計(jì)算以及數(shù)據(jù)擬合分析找出經(jīng)驗(yàn)方程，得到一種通過可視化角度測量便可測定未知血液濃度的有效方法，為血液中物質(zhì)含量或濃度的檢測提供新思路。

關(guān)鍵詞：最小偏向角法? 模擬血液? 濃度? 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

健康一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而血液中某些物質(zhì)的濃度往往可以直接、真實(shí)、有效地反映人體的當(dāng)前狀況，例如血液中葡萄糖的含量可以作為糖尿病的診斷依據(jù);血液中某種藥物的濃度可以作為療效的評(píng)價(jià)參考;血液中酒精的含量還可以作為酒駕醉駕違法行為的判定標(biāo)準(zhǔn)等等[1-3]。對(duì)此，科研人員也展開了一系列的研究工作。Lulu Dai等人[4]通過對(duì)貴州省燃煤砷中毒地區(qū)的631名25歲以上且具有15年以上本地居住史的調(diào)查者進(jìn)行病例對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)長期燃煤砷暴露與2型糖尿病之間存在一定聯(lián)系，當(dāng)血液中砷濃度超過3.69μg/L時(shí)，2型糖尿病的患病風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，二者存在非線性關(guān)系;雖然血砷濃度低于3.69μg/L時(shí)相對(duì)安全，但若吸煙也會(huì)增大患病風(fēng)險(xiǎn)，特別是在具有15年以上吸煙史的調(diào)查者中，這種患病幾率顯著增加，這為研究砷暴露與糖尿病之間的聯(lián)系提供了流行病學(xué)依據(jù)。胡楠等人[5]利用高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法，對(duì)進(jìn)行大劑量甲氨蝶呤化療的血液惡性腫瘤患者進(jìn)行了血液監(jiān)測，檢測其血清中甲氨蝶呤及主要代謝產(chǎn)物7-羥基甲氨蝶呤的濃度，發(fā)現(xiàn)患者在甲氨蝶呤給藥劑量大約為1.9g/m2的情況下，連續(xù)靜脈滴注24h后，體內(nèi)主要代謝產(chǎn)物7-羥基甲氨蝶呤的濃度要高于甲氨蝶呤數(shù)倍，表明7-羥基甲氨蝶呤的濃度與大劑量甲氨蝶呤化療治療具有相關(guān)性，對(duì)于7-羥基甲氨蝶呤濃度的檢測具有十分重要的臨床意義。汪軍等人[6]研究了微量注射重組人促紅細(xì)胞生成素對(duì)血液興奮劑檢測運(yùn)動(dòng)員生物護(hù)照的影響，通過對(duì)14名健康男性青年受試者進(jìn)行為期7周的微量重組人促紅細(xì)胞生成素皮下注射，對(duì)比注射等量生理鹽水的安慰劑組，發(fā)現(xiàn)注射重組人促紅細(xì)胞生成素后的受試者靜脈血液總量和濃度參數(shù)顯著增加，使得運(yùn)動(dòng)員生物護(hù)照檢測結(jié)果為陽性，其中血液總量指標(biāo)血紅蛋白總量更為敏感，而血液濃度指標(biāo)可能受到血漿量影響而直到最后一次注射后3周左右都維持在較高水平，這為進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員生物護(hù)照血液興奮劑檢測提供了實(shí)踐依據(jù)。

對(duì)于血液中物質(zhì)濃度（或含量）的檢測往往依托于精準(zhǔn)的檢測技術(shù)和先進(jìn)的醫(yī)療儀器設(shè)備，因此高靈敏度、快速的檢測方法與裝置一直也是人們研究的熱點(diǎn)[7-9]。周閏等人[10]采用以QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）前處理方法為基礎(chǔ)的氣相色譜-質(zhì)譜方法，對(duì)60位普通人血液樣本中的30種有機(jī)氯農(nóng)藥和菊酯類農(nóng)藥進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)有12種農(nóng)藥被檢出，其中傳統(tǒng)的有機(jī)氯農(nóng)藥和廣泛應(yīng)用的氯氰菊酯等菊酯類農(nóng)藥檢出率大于50%，說明該方法靈敏、簡便、穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)血液中農(nóng)藥的快速檢測，為農(nóng)藥中毒和農(nóng)藥殘留檢測提供了技術(shù)支持。趙鵬等人[11]以分光光度法為基礎(chǔ)結(jié)合偶聯(lián)終點(diǎn)比色法，建立了一種可以定量檢測全血或血液制品中游離血紅蛋白濃度的方法，并應(yīng)用于Wistar大鼠的失血性休克動(dòng)物模型中，測量復(fù)蘇前后血液樣本中游離血紅蛋白濃度并進(jìn)行血?dú)夥治?，發(fā)現(xiàn)輸入不同濃度的游離血紅蛋白血液1h后體內(nèi)pH值得以糾正，且游離血紅蛋白濃度與pH值呈線性相關(guān)，這種檢測血液中游離血紅蛋白濃度的裝置和方法適用于院前大量輸血治療時(shí)全血和血液制品的快速質(zhì)量評(píng)估。閆文強(qiáng)等人[12]為了進(jìn)一步明確更適于臨床檢驗(yàn)的人體血液中鉛濃度的有效方法，對(duì)衛(wèi)生部2006年《血鉛臨床檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的石墨爐原子吸收光譜法和微分電位溶出法兩種基本方法進(jìn)行了比較，在隨機(jī)抽取了10名兒童的微量元素檢測樣本后，每份分10次分別采用以上兩種方法進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)兩種方法檢測結(jié)果具有很好的一致性和可靠性，再綜合考慮二者的測試成本及操作性，微分電位溶出法則體現(xiàn)出微偏差、低成本、易操作等優(yōu)勢，更適于臨床檢測，這為臨床上血鉛檢測方法選擇提供了參考依據(jù)。

基于市場經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國汽車總量逐年增加，據(jù)公安部數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年6月，全國機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.6億輛，其中汽車保有量達(dá)為2.7億輛，占機(jī)動(dòng)車總量的75%。與此同時(shí)，全國機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)量也逐年增加，已達(dá)到4.4億，其中汽車駕駛?cè)藬?shù)量為4億，占駕駛?cè)丝倲?shù)量的90.9%。在如此龐大的機(jī)動(dòng)車和駕駛員數(shù)量之下，酒駕醉駕違法犯罪行為的出現(xiàn)也相對(duì)增多，僅今年“五一”小長假5d時(shí)間，全國共查處酒駕醉駕違法犯罪行為3.3萬余起，嚴(yán)重危害了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，針對(duì)此類違法行為我國已進(jìn)一步加大整治力度，加強(qiáng)監(jiān)管，相關(guān)法律法規(guī)逐步完善。同時(shí)科學(xué)技術(shù)方面，各種防酒駕裝置與酒精檢測方法也不斷被研發(fā)[13-15]，如羅春林等人[16]設(shè)計(jì)了一種集合酒精檢測、屏幕顯示、語音提醒、禁止啟動(dòng)等功能于一體的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)，并利用三次樣條插值算法對(duì)系統(tǒng)中的MQ-3酒精氣體傳感器進(jìn)行了修正，在提高系統(tǒng)酒駕識(shí)別準(zhǔn)確性的同時(shí)從源頭上杜絕酒駕。本文從物理學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，基于最小偏向角原理，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，探究一種測定血液中酒精濃度的新方法，為血液中物質(zhì)含量或濃度的檢測提供新思路，為檢測儀器的研發(fā)與制備提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1? 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

最小偏向角法[17]是物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的一種用來確定棱柱形實(shí)心透明介質(zhì)折射率的有效方法，如圖1所示。已知透明實(shí)心三棱鏡的主截面，頂角為，當(dāng)單色平行光束Ⅰ入射三棱鏡一側(cè)面時(shí)，會(huì)連續(xù)發(fā)生兩次折射，光線Ⅱ從另一側(cè)面出射，與入射光線Ⅰ之間的夾角即為偏向角。由主截面上幾何關(guān)系，以及，可得。若入射光線Ⅰ方向保持不變，將棱鏡繞垂直于主截面的軸線開始旋轉(zhuǎn)，則偏向角將隨之變化;由折射定律的微分形式可以推導(dǎo)出，當(dāng)時(shí)偏向角即達(dá)最小值，此時(shí)有，同時(shí)可知。因此，若已知固體三棱鏡的頂角為，測量出其最小偏向角，即可推算出該固體透明材料的折射率，計(jì)算式為。

本文在此最小偏向角原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種溶液三棱鏡，并應(yīng)用于模擬血液酒精濃度的測量之中。首先，通過精密光學(xué)加工制作薄壁空心三棱鏡槽，壁厚小于5 mm，以減小光線在鏡壁內(nèi)折射產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)頂角為60°。其次，利用純水和無水乙醇配制不同濃度的乙醇溶液（10%～50%），以定性模擬不同人體醉酒血液狀態(tài)，并將其置于薄壁空心三棱鏡槽中形成模擬血液棱鏡。最后，利用JJY型分光計(jì)測量模擬血液棱鏡在不同濃度c下的最小偏向角，并通過阿貝折射儀測定折射率n進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量找出二者關(guān)系。

2? 數(shù)據(jù)測量與討論

將配制好的乙醇溶液倒入空心三棱鏡槽中形成模擬血液棱鏡，并轉(zhuǎn)移至已調(diào)節(jié)好的JJY型分光計(jì)載物臺(tái)中央。實(shí)驗(yàn)采用汞燈作為光源，選取綠色譜線作為目標(biāo)譜線入射模擬血液棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡位置觀察出射光線。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，視野中目標(biāo)譜線會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)至某一位置時(shí)目標(biāo)譜線反向而動(dòng)，該位置即最小偏向角位。記錄載物臺(tái)左右游標(biāo)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出最小偏向角，實(shí)驗(yàn)中均進(jìn)行3次以上測量取平均值，并計(jì)算不確定度后數(shù)據(jù)列入表1。分別配制濃度為10%～50%的乙醇溶液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，由表1可以看出，隨著模擬血液中酒精濃度c的升高，最小偏向角角度隨之增大，且多次測量的不確定度μ較小，說明該檢測方法測量的穩(wěn)定性高、重復(fù)性好。

為驗(yàn)證該測量方法的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)還利用最小偏向角原理進(jìn)一步計(jì)算出不同濃度下的模擬血液折射率n，并與阿貝折射儀直接測量的折射率數(shù)值 進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯觯煌瑵舛认禄谧钚∑蚪欠ㄓ?jì)算所得的模擬血液折射率n，與阿貝折射儀直接測量的折射率 近似相等，誤差u相對(duì)較小，且均隨模擬血液濃度c的增加而增大，說明通過此方法測量溶液棱鏡的最小偏向角亦可準(zhǔn)確反映模擬血液濃度的信息。

為進(jìn)一步定量確定模擬血液中酒精濃度與最小偏向角之間的關(guān)系，將表1中最小偏向角換算成角度（°）單位，與濃度c的數(shù)據(jù)繪制成圖，并利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖2所示。從圖中可以看出，模擬血液濃度c與最小偏向角之間近似呈線性關(guān)系（R2=0.99785），且在測量濃度區(qū)間10%-50%內(nèi)滿足線性方程。為了驗(yàn)證此經(jīng)驗(yàn)方程的準(zhǔn)確性，選取已知折射率的純水作為參考對(duì)象，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，即當(dāng)模擬血液中酒精濃度c降至0時(shí)，系統(tǒng)研究對(duì)象變?yōu)榧兯藭r(shí)由擬合方程可得最小偏向角為23.6688°，再進(jìn)一步由最小偏向角法求得對(duì)應(yīng)折射率n為1.33396，這與純水折射率的理論數(shù)值1.333近似，相對(duì)誤差僅為0.072%，再次證明此模擬血液濃度測量方法的精準(zhǔn)性。

3? 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，人們對(duì)自身健康的關(guān)注度以及對(duì)生活品質(zhì)的要求日益提高。血液信息作為人體健康的信號(hào)燈一直被科研領(lǐng)域所關(guān)注，各種檢測方法及儀器裝置也不斷被研發(fā)?；谘褐形镔|(zhì)濃度的測量及方法探究的研究熱點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)今酒駕醉駕的社會(huì)問題，本文利用乙醇溶液定性模擬人體醉酒血液狀態(tài)，從最小偏向角法出發(fā)制備了模擬血液三棱鏡，通過測量不同酒精濃度下的最小偏向角，并輔助阿貝折射儀驗(yàn)證，得到了最小偏向角與模擬血液濃度間的擬合方程，確定二者關(guān)系的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了未知濃度的可視化測量。這為血液中物質(zhì)含量或濃度的檢測提供了新思路，為檢測儀器的研發(fā)與制備提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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