1、生物医学光学 5（1 ） ，5-16（2000 年 1 月）光学血糖检测生物体液：概述罗杰 J. McNichols*杰拉德属科特“生物医学工程计划得克萨斯州 AM 大学学院站，得克萨斯州 77843-3120抽象的。最近在光电子技术进步尝试 LED 在光学葡萄糖传感利益回潮和走向光学葡萄糖的发展实际进展传感器。这种传感器有可能显着提高估计有 16 万在这个国家的糖尿病患者的生活质量使日常血糖测量更方便。目前 100 多个小企业和大学合作开发无创或微创血糖检测技术，光学方法在这些努力中发挥很大的作用。本文评论许多光学葡萄糖传感的最新进展，包括光吸收光谱仪，旋光法，拉曼光谱，和荧光的葡萄糖感应。
2、此外检讨校准和数据处理方法有用的光学技术。2000 光光学仪器工程师协会S1083-3668（00 ）01401-5 。关键词：葡萄糖的检测，旋光拉曼光谱，红外吸收，荧光纸 JBO-90007，1999 年 1 月 25 日，8 月 3 日收到修改稿，1999 年出版，1999 年 11 月 16 日接受。1 引言它已成为绝大多数明确的，频繁的监测严格控制血糖水平是必要的，有效的管理糖尿病和减 少患有这种疾病的并发症。 1,2 疼痛和与目前的“手指沾”的方法，为相关的麻烦血糖降低患者依从性和故障控制血糖水平的监测结果。因此，发展一个方便的无创性血糖显示器有潜力显著减少与糖尿病相关的病态性和死亡
3、率。 3-9这种传感器的发展也将允许自动细胞培过程的闭环控制，这可能导致更有效率和可重复性的细胞和组织的生长，10,11 这种传感器将上线的过程控制在农业产业化。 12,13近日，重新产生了兴趣，有的显著对非侵入性光学葡萄糖传感的研究进展来的部分原因，以前所未有的可用性新技术。光通信的扩散系统推动了光电子产业生产便宜可靠的光源，探测器，和成像系统，和强大的计算机的可用性能极其复杂和强大的数据分析应用技术。光血糖测量技术特别有吸引力有以下几个原因：他们利用非电离辐射，询问样品，他们不一般需要消耗试剂，和他们快。在这篇文章中，理论思考和四个光学葡萄糖传感舞台最近的进展，我们会检讨包括：近红外和红外
4、光谱，拉曼光谱，旋光度，和荧光光谱。虽然光学方法葡萄糖传感有吸引力，他们往往缺乏敏感性和/或特异性的困扰，因为在光学测量的变化取决于诸多因素除了血糖浓度的变化。隔离这些变化由于葡萄糖单独，并用它们来预测血糖浓度本身是一个重大的挑战，所有光学葡萄糖传感方法，并在一定程度上依赖于解决所谓“校准问题。为此，本文还将讨论校正光学血糖测量和先进的数学技术已在受雇攻击这一关。最后，不久的将来，光血糖监测的结论，将会得出。2 糖尿病的审查糖尿病是一种慢性全身性疾病，其中身体或者未能出示，或未能作出回应的葡萄糖监管荷尔蒙胰岛素。胰岛素是为了在需要细胞从血液中的葡萄糖，在糖尿病患者中，在胰岛素信号的缺陷可能会引
5、起在大的波动除非有适当的管理技术的血糖水平受聘。据目前估计有 16 万人在世界各地的美国和 100 万人遭受一种疾病，糖尿病，为目前无药可治存在。 14 受害的人，有什么是约 5被称为型 I 型糖尿病，胰岛素依赖型糖尿病胰岛素依赖型糖尿病或青少年发病型糖尿病。 15 I型糖尿病是一种自身免疫性疾病，在人体自身的防御系统打开反对和破坏组织，特别是生产胰岛素胰腺中的胰岛 B 细胞。结果是一个最终无法产生胰岛素。虽然不是很好理解，它被认为，遗传和病毒因素在这个过程中可能发挥的作用。 15 其余95的糖尿病患者患 II 型糖尿病，非胰岛素依赖型糖尿病非胰岛素依赖型糖尿病！，或成人发病型糖尿病。 II
6、型糖尿病患者产生胰岛素，但由于某种原因，他们的细胞机构不应对得当激素，不采取适当的血糖。这两种类型的 I 和 II 型糖尿病可诊断异常后，富含碳水化合物的膳食，通过测量血糖水平高。与糖尿病相关的辅助主机合谋的疾病之一的并发症在美国的主要杀手。时因糖尿病而急性效应血糖水平太高高血糖！或低血糖！太低。在高血糖，因为身体无法利用葡萄糖作为能量，脂肪或蛋白质代谢为能量。这些物质的代谢酮体生产的结果，这是有毒的足够高的水平，并可能导致酮症酸中毒，昏迷，甚至死亡。在低血糖发作，身体感觉薄弱，因为没有能量来源，休克甚至昏迷和死亡的可能结果。糖尿病慢性并发症是不能很好地理解，但似乎从长期的高血糖相关的干患有该
7、疾病。对循环系统和其血管可造成损害的器官和组织身体。疾病的长期并发症包括孩子滋肾病，心脏病，失明，神经损伤，和坏疽。这些影响不仅限于两种类型 I 或 II 糖尿病，根据国家卫生研究院，相关的健康保健费用，在 1995 年估计的 137亿美元的来源。 14 表 1 总结了这两种类型的 I 和 II 型糖尿病的管理和效果。糖尿病治疗的目标是接近 24 小时一个正常的人血液中的葡萄糖周期。完成这一目标需要经常监测血糖和治疗，血糖水平的集约化经营无论饮食，药物，或注射胰岛素。目前，只监测血糖的方法要求通过“手指沾收购一个小的血液样本。这种方法不方便，混乱，痛苦，并进行了风险感染，因此患者的依从性往往是
8、低，继发性并发症的糖尿病患者往往允许进展。这个问题的一个解决方案是一个发展无创无痛，方便的光学血糖监测这将使血液快速和频繁的措施血糖水平。许多建议的技术依靠秒次级指标，如间质液血糖葡萄糖，或房水的葡萄糖水平。开发这些设备的进一步复杂化，不仅时间滞后，但疾病本身的生理机能。而二级葡萄糖措施，可能会或可能不会很好的相关性血液正常人的血糖水平，他们可能特别糖尿病患者的问题。血糖正常的故障传输机制，并在周边血管的变化有许多次要措施的问题，特别是自渐进性疾病的手段，这种关系可能会随时间的变化。鉴于此，重要的是要确保一种非侵入性的葡萄糖传感器与不正常的生理糖尿病患者，以及在正常工作患者。3 光吸收技术光吸
9、收的葡萄糖定量技术基于光的选择性吸收的分子由 Beer - Lambert 定律描述：在这里，I 0 是入射的光辐射的强度，I是传输强度，E 是摩尔消光系数(mol/L)-1(而且是依赖于波长)，C 是摩尔浓度，L 是厘米光程。测量 光学血糖检测生物体液图 1 对葡萄糖的吸收光谱。 （一）中红外地区从 1600 年到 900 厘米,6.25 至 11 毫米，显示出吸收高峰的任务。 （二）近红外区域，范围从 2.0到 2.5 毫米或 5000 至 4000 厘米。需要注意的是三个吸光度的大小在近红外区域的峰值要小得多。吸光度一般都在报道， 这样，几个物种的吸光度添加剂。光学吸收光谱对葡萄糖的定量
10、有根儿盟友被限制或中红外（MIR）或近红外近红外！光谱区域。图 1 显示的例子中红外和近红外吸收光谱用于水性葡萄糖后水减法。MIR 地区的频谱范围从 2.5 至50mm4000-200cm -1，它是在本地区的吸收乐队由于拉伸和弯曲的基本模式可以看出分子。出于这个原因，在光谱和平号或“手指印”地区是非常有用的光谱鉴定的化合物。然而，数量级由于解决方案的成分，如背景吸收带水严重地限制了可用于路径长度中红外透射光谱，以几百微米或少。在中红外区域透射光谱作为一种手段量化葡萄糖已探索泽勒等。谁采用了中红外分光光度仪和葡萄糖掺杂整个在一个 25 毫米的硒化锌传输细胞的血液来分析几个 8.5 和 9 毫米
11、之间的葡萄糖峰（1175 年至 1110 年 cm-1）16 班达雷等人。调查 MIR 使用传输分光光度法测定磷酸盐缓冲液含有的解决方案以葡萄糖和其他几个干涉元件比较单峰校准，主要成效分量回归分析，偏最小二乘回归锡安分析和人工神经网络。 8,17 衰减到 TAL 反思(ATR)中红外光谱技术在其中一个专门的晶体是用来探测浅面层层样本，也被建议作为手段量化血糖和海泽已被查处等。全血。 18 最后， OPTISCAN，公司报告使用葡萄糖的 MIR 光谱测量 MIR源自己身体的热辐射。 19在和平地区的近红外区域规范频谱，从 700 至 2500 纳米(14000-4000 厘米) ，包含特定的信息
12、很少。吸收峰在这一地区由于谐基本吸收带的泛音振动或组合丰达精神的吸收波段，主要的 C - H 的 O - H 和 N - H 伸缩振动。对于谐波振动，它通常只有第一，第二和第三的色彩是可见，随着递减的吸收峰的幅度大幅泛音为了。如前所述，这些 AB -吸附乐队是广泛的，容易受氢粘接和温度的影响，并展示大量重叠。尽管如此，该地区是有吸引力的定量光谱是因为近红外光谱仪器一应俱全减少吸收幅度允许使用的原因 sonably 大的路径长度。理论的一个很好的回顾和近红外光谱吸收带的分配中可以找到文献。 20 日和 21最近文献。12 日和 22 日。使用非常的无创性定量血糖近红外区域700-1300 纳米！
13、最初所建议罗森塔尔人提出使用通过指尖的近红外透射光谱。 3,23Robinson 等。结合近红外在这部分相同的波长地区的光谱最小二乘PLS！分析，并声称无创血糖通过手指与 20 毫克/升的准确性预测糖尿病患者。 9 最近，Danzer 等。用漫在这一地区的反射光谱和表现出预测误差为 36 毫克/分升。 24 虽然具体的葡萄糖谱峰是难以确定的，在这个地区规范谱，尤其是在生理浓度，但它仍然流行，因为相对便宜的光学探测器和组件的研究人员可能会被使用。在近红外区域位于 2.0 和 2.5mm之间已成为越来越受欢迎的水葡萄糖测量。这个区域包含在一个相对最低水吸收光谱和容易识别的葡萄糖高峰期的信息。该地区
14、已利用 Haaland 等。在试图量化在整个葡萄糖在体外血 25马尔巴赫等。用漫反射人的嘴唇在试图测量谷氨酸的光谱葡萄糖在体内。26 阿诺德等。已经证明，应用傅立叶滤波技术，从本地区的光谱数据的阳离子有效量化水葡萄糖 27-29 和，数字滤波，也可用于纠正近红外光谱温度敏感性。 30 由于这个初始兴趣，几组表现出温和的成功这种量化在各种复杂的体外幻影，包括盛田等人的葡萄糖水溶液浓度的光谱区域。 31 使用的脂肪，蛋白质，和葡萄糖藩汤姆斯，Chung 等。32 他用葡萄糖，谷氨酰胺的混合物，氨，乳酸，谷氨酸模拟细胞培养 ME -直径，Mattu 等。 33 谁用牛幻象解决方案本身血清白蛋白掺杂葡
15、萄糖，麦克沙恩等。 34 谁已经能够量化的葡萄糖，乳酸，和氨获得成纤维细胞文化的细胞培养基。每个这些研究人员利用近红外光谱测量在 2.0-2.5 毫米谱区 PLS 的多变量校正技术在这以后所描述的， 。近红外光谱测量提出的传感网站指尖， 9,23,24 耳垂， 19 舌头， 19唇， 35 和前臂。 19,36近红外光谱仪使用的葡萄糖感应是由没有是指一个简单的问题。葡萄糖的吸收峰大型水相比，幅度相对较小背景光谱往往产量低信号噪声的测量。近红外光谱测量进一步困扰缺乏可重复性。近红外光谱敏感，主机包括温度，P H 和散射的因素。此外，在体内测量可能受到皮肤色素沉着的差异，水化，血流量，头安置和探头
16、的压力。最后，应该指出的是对葡萄糖的近红外光谱非常相似，其他糖 37 包括，尤其是果糖这是经常使用的糖尿病患者的葡萄糖替代。然而，尽管有这些困难，近红外的方法已经证明显著的承诺成为一个可行的无创血糖检测技术。4 旋光葡萄糖极化量化的基础上的旋光色散ORD 现象！即在水溶液中的手性分子的平面旋转线偏振光通过解决方案。这种旋转是由于在折射指数差异 大号和 感谢它们的左和右圆偏振光通过通过溶液中的分子。它发生凭借分子的手性或“霸道” ，我们平均分子具有至少一个中心有关其镜像不能叠加在本身。在这种随机取向的情况下，溶液中的分子会导致在 N 中的大批量差异大号和 N 解决方案，并由此产生的相移左，右，圆
17、极化波之间产生平面偏振光旋转通过该解决方案。旋转的角度取决于线性的手性物种的浓度，路径通过样品，长度和分子不断所谓具体的旋转。净旋转表示为 F 5 一个升 LC wherea 升物种的具体轮换 DM21G/ L!21 在波长l，L 为光程，并在 DMC 是在 G/ L 的浓度在体内的葡萄糖是右旋(旋转右手的方向)并具有具体轮换 152.6 DM21G/L!21 在钠 D 线 589 nm 处。38 图 2 显示葡萄糖的 ORD 曲线在可见的特定图 2 旋光色散（ ORD）的曲线为葡萄糖。具体轮换（g / L） -1DL - 1 显示在纳米比波长。改编从 REF。 39。的旋转与光的波长近红外范
18、围。在生理浓度和路径长度约 1 厘米，由于葡萄糖旋光秩序 5 毫度 。获得这种高精确度的测量技术，一般分为两类：一类利用交叉偏振片通过幅度的变化来衡量的旋转， 39-41 和这些措施的相对相移调制偏振光通过样品。42,43 图 3 说明了每种方法的示意图。图 3了！和 3C!代表旋光光学系统的基础上振幅和相位技术，分别。图 3B!和 3d!个说明导致两极分化和信号强度，包含旋光信息。极化葡萄糖传感方法的优点包括：使用现成的有形来源，随之而来的能力，在水溶液中使用大量的路径长度解决方案，以及所需的光学元件的小型化的前景。由于皮肤组织是高散射一般困扰着高度的去极化和损失中，通过皮肤的非侵入性测量信
19、号与噪声。即使是红灯，散射等，组织 4 毫米的厚度足以造成95去极化。 44 出于这个原因，一个调查建议的眼球前房直接角膜下方的充满液体的空间！适合一见倾心因为散射的极化测量眼是一般非常小，与其他组织相比。图 4 说明了一个普遍提出的光学传感路径。前房充满流体称为房水其中 Pohjola 报告有一个约 70的血液，的年龄依赖性稳态血糖浓度。 45 一时间滞后 3 月等人曾报道分钟之间的血液和房水的葡萄糖浓度。谁执行兔子体内测量。 46,47 最近有人曾建议时间滞后，这实际上可能需要 30 分报告由周等。 48 虽然量化房水的葡萄糖在人类的时间滞后尚未见报道，算法可以弥补的延迟时间，在近实时和预
20、测的血糖水平可能需要开发。图 3 振幅和相位基于旋光测量。 （一）从单色源的振幅进场灯（SRC）是通过通过前一个线性偏光镜（P1） ，偏振调制器（ MOD） ，样本（SAM） ，和第二个线性偏光垂直到第一（P2） ，由探测器（活塞）被记录下来。 （二）产生的极化矢量和观测到的强度是对称时，没有光学活性的样本当前和不对称，如果样品是净旋转光学活性。 （c）在阶段的方法，偏振调制样品和参考光束由分光镜（BS ）的分裂，通过划线的线性偏光器（P2，P3 的） ，和单独的探测器（DET1，Det2）记录。 （四）样品的偏振旋转导致一个由两个探测器记录的信号强度之间的相移。 三月是第一个建议在眼的光学血
21、糖测量，使用开环，振幅光仪。 46 科特“后来发展，以增加极地的噪声信号相位测量光仪他在体外表现出的对称性测量。 42 戈茨使用的幅度为基础的设计和改进后，它实施了闭环反馈控制，从而增加稳定的光学测量 39 并证明几毫度的顺序在体外敏感性。卡梅隆以后适应本系统使用的数字反馈控制为了进一步增加了健壮性和稳定性系统 49 并展示了在水溶液中的细胞培养基中葡萄糖的测量。 50King等。利用一个振幅为基础的方针，在这两个偏振 Goetz 和卡梅伦的系统需要的调制一个单个 Pockel 的细胞所取代。 51在遥感极化葡萄糖的潜在问题眼包括旋光由于角膜，双折射角膜，光学活性的其他混杂因素的存在为抗坏血酸
22、，例如白蛋白，上果糖！在水溶液中的幽默，和扫视运动伪影这可能会引起光程波动。问题角膜旋转和旋转，由于其他混杂因素有关，可能是解决通过多个波自旋光偏振测量长度由于多个品种表现出的线性叠加。 52,53 国王等。证明在体外使用的混杂因素的消除在 594 和 633 两个氦氖激光器的多波长系统纳米， 51 最近科特“等。使用二极管激光器 670 和830 nm 的数字闭环系统。 54 角膜双折射的问题可能是适当的解决使用适当的光学 46 或使用多个波长度。另外，偏振系统设计前道系统充分琼斯或 Mueller 矩阵可用于分离出双折射具体轮换。 55 图 4 在眼睛的前房的光学传感。光线通过眼的前房交互
23、与水幽默。一个普遍提出的光束路径所示。图 5 典型的拉曼光谱水葡萄糖。斯托克斯拉曼光谱显示为振动强度 VS 波数从514 nm 激发波长移位。水的背景被减去。5 拉曼光谱当入射光频率为拉曼光谱观察非弹性散 。 “损失 Stokes 位移！或获得反斯托克斯位移！光子的能量，因此，频率，是由于旋转的转换，并散射分子内的振动能量状态。 “观察变化vi 独立的激励频率 v0 样品的化学结构，并提供特定的信息。由于是独立的拉曼光谱激励频率，激励频率，可以选择，这是适用于一个特定的样本。然而，重要的是要注意，分散，拉曼强度峰一般落在减少频率的功能拉曼光谱作为一种工具被广泛用于学习基本的生物分子重要性 56
24、 并已作为工具彻底检讨癌症的检测。 57 像红外光谱，拉曼光谱表现出高度的特异性条带的依赖浓度。然而，在拉曼的情况下，谐波和结合带弱得多光谱简单，和水的拉曼光谱是相当薄弱，这使得水溶液光谱的可能。另一方面，拉曼信号本身是薄弱的，它仅与最近推出高度敏感的电荷耦合器件 CCD 的！阵列定量生理葡萄糖溶液的拉曼光谱已成为可行的。虽然供应量增加和承受能力的激光光源和检测系统拉曼光谱技术在葡萄糖传感舞台上的重要竞争者，拉曼发展基于葡萄糖传感器也面临着一些大的障碍。主缺点是事实，分散和重吸收的生物组织由于生理检测拉曼位移浓度困难。出于这个原因，几个调查建议前房眼房水作为拉曼光谱遥感网站。 58-61 然而
25、，所需的激光照射的功率不构成安全的关注。此外，背景荧光信号，这往往是大或大于拉曼信号本身，蛋白质在生物媒体的问题目前。 57 激发波长较长的使用环泄这个问题在一定程度上，但力度拉曼信号脱落大大激发波长增加。图 5 显示了拉曼光谱和一些水葡萄糖的峰值 514 nm 的氩离子激光器光分配兴奋拉曼光谱对葡萄糖的定量的例子包括Wang 等人的工作。使用水减法技术提取和量化葡萄糖双重转变 2900 厘米 21 在其他混杂因素的存在， 61 工作 Goetz 等人。适用于含葡萄糖水混合物回归多元 PLS到拉曼光谱其他代谢产物， 62Wickstead等工作。使用镭男子光谱量化葡萄糖水溶液中的幽默样品， 5
26、8Berger 等工作。 63Lambert 等。 64 那些应用 PLS 分析水溶液中含葡萄糖和生物混杂因素。窦等。也有测量水使用一个小巧的葡萄糖系统采用半导体激光器和一个带通过滤器来衡量一个单一的拉曼峰的强度。 65 塔尔等。提出受激拉曼发射使用一个技术，其中第二个“探头”梁分隔频率从主要的兴奋泵束的频率由 Stokes 位移是用来提高一个单一的拉曼共振！检测在眼房水的葡萄糖。 59,66 至于在近红外光谱定量分析的出现和 PLS 的计算辅助功能和强大的预处理方法是增加的拉曼光谱的定量能力。 Berger 等。已经证明，注册成立的纯组分光谱的校正模型是有用的定量拉曼光谱67 斯皮格曼等。已
27、经证明了波长的选择程序的权力水葡萄糖溶液的拉曼光谱。 68图 6 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化。葡萄糖和原子氧的消耗，形成葡萄糖酸和过氧化氢。6 荧光技术一些对葡萄糖的新型荧光技术遥感已提交。这似乎已经证明最有希望的，一般分为两类：葡萄糖氧化酶传感器和亲和力约束力传感器。第一类中的传感器使用 electroenzymatic 由葡萄糖氧化酶(GOX)的葡萄糖氧化！为了生成一个光学检测葡萄糖依赖的信号。葡萄糖和氧的氧化反应，形成葡萄糖酸和过氧化氢是如图 6 所示。光学检测本产品的几种方法反应，因此血糖浓度，驾驶反应已制订。由于氧气消耗在的速度依赖于局部浓度的葡萄糖，这是敏感的地方氧气浓度的荧光团的反应
28、也可以用来量化血糖浓度。对于例如，为了创建一个沙法尔和 Wolfbeis固定在一个发光氧气 optrode 年底 GOX传感器发光依赖葡萄糖浓度。 69 莫雷诺 - 邦迪海滩等。提出了优化 CAL 纤维葡萄糖传感器，通过附加 GOX 的基础上，TRIS1,10 - 菲罗啉的发光动态猝灭的氧传感器，钌二！阳离子通过氧分子。70 最近，Rosenzweig 和科佩尔曼改善这个葡萄糖 optrode 的敏感性使用聚合过程纳入 GOX氧指标，到一个小直径光结束纤维。71GOX 基于传感器的缺点之一是，他们的反应，不仅对血糖浓度，但，以及当地的氧张力而定。 Li 等人。提出双光纤荧光传感器，其中包括氧气
29、感应到一个GOX 为基础的荧光传感器。 72 荧光由氧钌染料淬火是在两个测量化学网站之一，其中包含 GOX，并因此减少淬火，根据血糖浓度。传感网站都贴到成像fiberbundle 年底和 CCD 相机用于同时测量在每个站点上的荧光。 72其他更详细的 GOX 基于荧光传感器有也被提出。例如，Gunsingham 等。所使用的氧化还原调解员四硫富瓦烯(TTF)其氧化形式 TTF+GOX 减少形式可逆反应形成 TTF0。自 TTF+吸收 540-580 纳米范围内，TTF +存在量化手段而且因此GLU 葡萄糖驾驶减少 GOX 生产！是可用的。 73 阿卜杜勒 - 拉蒂夫等。在使用了其中的过氧化氢（
30、H22）生成与葡萄糖 GOX 反应反应之二 (2,4,6 - 三氯) 草酸(TCPO)形成了过氧草酸酯。 74 在这种方法中，过氧草酸酯形成接受荧光基团，这反过来又发出一个特征波长的光子能量转移化学发光。排放的荧光为葡萄糖浓度成正比，可以检测光。 74荧光亲和结合传感器利用竞争力葡萄糖和约束力之间一个适当的标记的荧光复合到一个共同的受体部位。在最初的工作舒尔茨等人。固定刀豆蛋白 A刀豆素！被用作竞争品种的异硫氰酸荧光素受体(FITC 标记) 标记的葡聚糖和葡萄糖。 75,76 葡萄糖浓度的增加，从而取代从刀豆素网站 FITC -葡聚糖增加浓度及荧光强度 FITC -葡聚糖在可见光领域。在最近的
31、工作，这组和其他利用荧光共振能量转移的现象FRET 的！据此接受器在接近一个荧光供体，后者可诱导荧光猝灭。在一个计划，四甲异硫氰酸(TRITC)标添加到刀豆蛋白这会导致淬火结合的 FITC -葡聚糖。增加血糖浓度会导致增加了 FITC -葡聚糖的位移，因此，较高的 FITC 荧光强度。 77 另一种方法是，这些研究人员已经使用rhodaminelabeled 葡聚糖和 FITC 标记的葡聚糖之间的 FRET 绑定多个相同刀豆蛋白受体结合位点的分子由此产生的分子作为量化葡萄糖的手段 FITC 荧光增加的存在所造成葡萄糖。 78Lackowicz 等人。使用相位调制荧光和 FRET 的基础葡聚糖/
32、刀豆蛋白 A 亲和传感器，以增加的绝对荧光测量的可靠性， 79 最近发明了一种类似传感器钌 ConA 和麦芽糖insulinmalachite 绿色MIMG！用作试剂。增加血糖浓度会导致增加两个荧光钌染料的强度和荧光寿命。 80 在一般情况下，荧光传感器提供的优势，可对葡萄糖的高度具体和消除了许多与其他技术的潜在干扰。然而，他们遭受了严重的缺点，在所有情况下，必须引入到源性化学机构或样品。此外，这种化学可能容易通过消费随时间退化，漂白，或变性。7 光学测量的校准在最简单的形式，可以说：光学血糖测量的校准问题给予了许多光学测量和相应的血糖浓度，建立一个模型，这将使血糖浓度预测的基础上对今后发生类
33、似的光学测量的分析。虽然在单因素回归分析，试图为单波长预测的葡萄糖已，16,23 它是公认的，这种方法很少使用有几个不同的组件的复杂生物媒介存在重叠的光谱特征。在这种情况下，采用多元校正方是使用多个每一个特定的血糖浓度测量消除混杂因素的影响。一些这些方法基于最小二乘多元校正问题的解决方案，将在葡萄糖定量的情况下在这里简要地讨论。极好的信息来源多元的制定和应用程序校正光学光谱数据的统计可能发现在麦克卢尔 81 马滕斯和 Ns82海泽和马尔巴赫， 18 伯恩斯和Ciurczak， 22Haaland 和托马斯。 83光谱数据应用多元校正技术，以最简单的方法是所谓的经典最小二乘华彩的K -矩阵方法。
34、在此配方中，观察到的光谱假定要测量反应已知浓度的 OFP 分析物：其中 A 是 A5 的 KC3 米 n 矩阵 M - n 个样本点列谱，C 是 P 3 forp 分析物的浓度 n 矩阵在 n 个样本，K 是米 3 p 矩阵与观察到的吸光度每个分析物浓度的波长。作为一个例子，考虑一个待测的最简单的情况下，两个光谱在两个波长的测量。这个问题可以由下面的等式表示：其中 A 值代表在每个观察到的吸收波长为每个已知的浓度 c 和 k 值未知的模型参数有关吸光度分析物的浓度。在这种情况下，双方后乘由 CT=c1c2T然后后乘 g 由双方逆的 CCT 这是保证非奇异时 C 的列线性无关！产生一个解决方案为
35、 K：对于随后的测量，我们重问题从一个新的频谱计算 C 的一个估计 A 和模型响应矩阵 K.我们可以写在这个简单的例子(用上述同样的过程)在超定的情况下，其中 n P，最小二乘响应矩阵和模型的解决方案是为 K 浓度矩阵 K=ACT(CCT)-1 随后分析;浓度混合物预测为在这种情况下，确切的知识，分析物的浓度校准标准是假设所有的错误是由于测得的响应。在光学光谱生物样品中，这是不是光谱测量以来，特别是有效的，具有很高的信号噪声假设是可能的，但校准样品的分析通常是不切实际的或容易出现重大的错误。布朗等人提出了另一种配方。 84 假设测量变身的反应是准确的，并在发现所有的错误都矩阵校正浓度。这种所谓
36、的逆最小二乘(ILS)或 P-矩阵的的做法是制定：C=PA T,C 和 A 像以前一样，P 是现在的灵敏度矩阵的逆问题。预测模型为随后的观察这种方法在实践中难以落实，但因为空调的解决方案需要一个正交集合校准混合物和光谱的数量的限制它可用于波长。 83,84在试图克服这些限制方法，沃尔德等。建议部分最小二乘的技术(PLS)回归。 85作为一种方法建模复杂的计量经济学数据，已成为 PLS 绝大多数流行的光谱学和化学计量学分析。 PLS 回归主成分回归PCR 技术类似！在这个矩阵分解技术用于模型响应矩阵 A，然而，在薪酬水平，这种分解是一个回归模型结合它试图优化与浓度的相关性矩阵 C.在薪酬水平调查
37、，在观察一个被分解成潜变量或“因素” ，然后使用回归模型的预测。增加数量允许使用的因素更复杂的解决方案的建模与多个不同的元件，而减少多项因素，有助于过滤频谱噪声和防止以上数据拟合。进行这种分析的方法之一是使用一种奇异值分解 SVD 的,这可以说明了如下的单一分析物的方法。第一假设几种解决方案与单一分析物的浓度测量的光谱响应，是在响应矩阵 Aij 的列包含的居住在相应浓度的行向量是在第 i 个波长测量响应，由于分析物浓度Cj。然后，我们要制订一个预测模型，有关C 到 A 矩阵 ATA 是保证满秩，这是用来制定 ILS 进近中的伪逆。然而，一个可能包含大量的噪音，A TA 条件数不好，在 C 的变
38、化可能会描述了几个趋势或因素伊娜。矩阵 A 总是被改写使用奇异值分解： 86其中 U 是一个 mm 米(4 4 在这种情况下) 正交矩阵被称为左奇异值(LSV的)矩阵， V 是一个 n3 N(这种情况下，3 3)正交矩阵称为奇异值(RSV) 矩阵，S 是一个 m3 N 矩阵诊断与关闭对角线元素等于零和 S 矩阵和 其中 PLS 的特点是，从 C 矩阵的信息利用奇异值分解以及与 SVD 的是反复进行的协方差矩阵 CATACT 这样造成的 S 矩阵上三角。在这种情况下，分解代表一个特征值分解位置与浓度矩阵矩阵。在薪酬水平调查的说法，LSV 矩阵 U是“PLS 加载 矩阵，可用于计算“PLS分数”矩
39、阵 T = UA。然后用分数和加载矩阵重建的原 A 矩阵的估计只包含最相关的变异在 C 的变化如果使用完整的 U 和 T 矩阵，重建然而，应该准确的说，在薪酬水平调查，通常只有这些矩阵的前几行是用来和 A 是 A的估计 U 和 T 是用于生产的行的数目这个估计是被称为多项因素，包括在模型。应该指出，行谱，U 的角色和 V 是颠倒的。 PLS 回归系数为模型计算再次使用 U 和 V 的行数是数量包含在模型中的因素。最后，我们来了浓度的估计为：更多的因素纳入重建 A 矩阵更接近，因此可以更好地适合校准数据。另外，减少使用的因素，构建 A 降低噪声的影响，并可能导致更稳定的模式，这是不容易通过校准数
40、据拟合。潜变量的明智选择是关键 PLS 技术和成功的对象几篇文章。68,87-89最近，薪酬水平调查方法已成为特别强大由于其复杂的光谱数据，如乘法标量校正预处理程序相结合(MSC) 90 傅立叶过滤技术， 27-30,33,88,91,92 和时域滤波， 93仅举几例。特别需要注意的过滤器的优化程序取决于发展迭代搜索光谱滤波器的参数优化的 PLS 校正模型结果。 28,93,94虽然利用光谱傅里叶变换滤波和重建麦克卢尔等首次推出。 ，它的使用，主要是旨在减少数据的一种手段。95 迭代的耦合过滤器的优化程序和 PLS 是极其计算密集，仅最近高端的可用性导致这一广为流传使用的计算平台技术。 26,
41、27,28,92-94图 7（a）和 7（b）说明在数据预处理过滤傅立叶功率。图 7（a ）显示水减去几个水的葡萄糖溶液的近红外光谱收集与一个光纤探头。基线的变化和噪音葡萄糖的吸收波段，不可能在识别但浓度最高的光谱。 比较这些图 1（b ）频谱。图 7（b）显示了相同的傅立叶过滤后的光谱。滤波器消除基线提高葡萄糖的具体信息的影响偏移和高频率的噪音。已经提出了光谱预处理的数字滤波器的设计和使用阿诺德和小， 27,28 麦克沙恩，68,88 和其他人。 30-33,94图近红外光谱水的葡萄糖溶液（a）和（二）应用傅立叶过滤后。该过滤器有消除基线的偏移量和高频率的噪音，提高葡萄糖的具体信息的效果。改
42、编自文献 96。另一种流行的光谱校准工具系列所谓的“波长选择”算法。这些技术的目的是减少了光谱测量的数据点的数量较少，其中产量最佳校正模型。换句话说，他们寻求摆脱光谱区域，其中包含有用的定量信息，并拒绝那些不作出重大贡献一个有效的模式。波长选择方法有文献报道，包括模拟退火， 97,98 遗传算法， 99-101和迭代基于响应方差的方法。 88 在图 8中，后者技术的一个例子。显示一个典型的原始频谱，过滤的傅立叶频谱，和血糖浓度预测的最有用的算法（重设置地区）确定的波长。原料输入谱第一傅立叶过滤，以去除噪声和偏移。由此产生的光谱，然后送入一个迭代计划，按顺序选择波长，显示最大的方差和使用在每个
43、PLS 回归模型。预测统计是用来确定点没有其他有用的信息是可用的。图 8 近红外光谱波长选择。经过傅立叶滤波原始的近红外吸收光谱，迭代波长的选择算法决定哪些是最有用的预测的波长。改编自文献 88。重要的是要提到的迭代选择的数字光谱预处理过滤器，波长选择柔齿，PLS 模型本身产生极为密集计算。只有预处理，选择和校准的许多排列的探索最近现成的到来成为可能高端计算能力。8 结论在过去的三十多年中，显著的努力已经花费，朝光学葡萄糖传感器的发展仍然没有实现。这种持续的积极性，面对一个问题却变成了极其复杂的是毫无疑问反映了一个令人难以置信的好处即，这种传感器，它有潜力要快，非消耗品，非侵入性的性质。虽然这
44、种传感器仍是至少几年从实际出发，所取得的进展已取得是非常真实的的。化学计量学方法最初开发的其他应用程序已经成熟从复杂的光谱数据的分析可行的工具生物媒介。这种成熟是由于不仅要继续这些工具的经验，但需要探索其应用的许多可能的排列增加了计算电源的情况下。同时，在其他领域的光学技术的扩散继续导致在仪器的改进，这将最终使光学葡萄糖传感成为可能。一种无创性糖尿病家庭监控的葡萄糖传感器是一个重要的光学葡萄糖传感器的应用，但它很可能即较为简单的问题，对葡萄糖的感应可能会像其他生物基质细胞培养基来承担。我们也期望第一光学葡萄糖糖尿病监测的传感器将作为辅助传感器其可靠性仍然会定期验证由传统血糖检测。然而，由于取得
45、大进展，方法，仪器仪表，要面临的问题的认识，它很可能在未来 20年可能存在一种非侵入性光学葡萄糖传感器。此外，它是合理的预期，超过一个光方法将导致一个成功的传感器。致谢作者要感谢迈克麦克沙恩，克里斯托弗刘易斯，在编写本阿肖克高达他们协助制造脚本，并感谢从金融支持惠特克基金会，美国国家航空航天局，以及国家研究院健康。参考文献1。国立糖尿病，消化道和肾脏疾病。“糖尿病控制和并发症审判，NIH 出版物，19932。 S.布莱克斯利，“医生宣布的方式，以预防糖尿病的效果，”“纽约时报”，纽约，1993 年3。一，阿马托，种族不沾血液监测技术的加快，“Science2586，892-31992 年。4。
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