基于Phyphox的血紅蛋白濃度測量

陳奧運(yùn) 部德才 繆御全

摘?要：本文提出了一種運(yùn)用手機(jī)APP“Phyphox”中原始傳感器中的光傳感器以及APP“RGB調(diào)色板”，測定血液樣本中血紅蛋白濃度的實(shí)驗(yàn)方法。以疊氮高鐵法使被測物形成紅褐色復(fù)合物，在朗伯比爾定律基礎(chǔ)上利用Phyphox接受的原始數(shù)據(jù)推算并準(zhǔn)確測定血紅蛋白濃度。該方法簡易快速、便利靈活地運(yùn)用于不定向采供血、常規(guī)保健等，同時(shí)優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新方式，促進(jìn)學(xué)生自我探討。

關(guān)鍵詞：Phyphox;智能手機(jī);朗伯比爾定律;血紅蛋白

1?緒論

血氧含量作為一大生命體征，血紅蛋白是準(zhǔn)確檢測氧合作用的關(guān)鍵。血紅蛋白測定是臨床上運(yùn)用最普遍、最必備的項(xiàng)目，也是檢查貧血的辦法之一。傳統(tǒng)移動(dòng)采供血機(jī)構(gòu)均采用硫酸銅滴定法研究血紅蛋白含量測定[13]，有較大的自我籌備誤差和易受環(huán)境溫度的影響。本文通過基于Phyphox平臺(tái)設(shè)計(jì)的簡便血紅蛋白檢測實(shí)驗(yàn)方法，可以很好地解決多數(shù)化驗(yàn)的費(fèi)時(shí)和大型生化分析儀的費(fèi)力問題。同時(shí)，對(duì)于血袋等不易接觸取樣的情況也有所幫助。在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出多種簡便檢測血液中不同物質(zhì)含量的實(shí)驗(yàn)方法，也可在其他吸收光或與光作用的地方發(fā)揮作用[4]。

2?實(shí)驗(yàn)原理

（1）疊氮高鐵法提取血紅蛋白原理如圖1所示，疊氮高鐵法使血液中血紅蛋白與疊氮高鐵試劑反應(yīng)生成的紅褐色復(fù)合物，去氧膽酸鈉溶解并分散紅血球細(xì)胞膜致使血紅蛋白被釋放出來，氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白中的二價(jià)鐵離子則被亞硝酸鈉氧化成三價(jià)鐵離子，即高鐵血紅蛋白，高鐵血紅蛋白和疊氮化鈉形成有顏色（紅褐色）的復(fù)合物。

（2）在互補(bǔ)色原理的基礎(chǔ)上得知紅褐色高鐵血紅蛋白疊氮化鈉復(fù)合物的互補(bǔ)色是黃綠色[5]，根據(jù)朗伯比爾定律，該紅褐色復(fù)合物濃度與其互補(bǔ)單色光的吸收程度成一定的比例關(guān)系：

A=lg（I/I0）=K×C×d（1）

（1）式中，A是吸光度，I是透光度，I0是入射光強(qiáng)度，K是摩爾吸收系數(shù)，C是溶液濃度，d是透射溶液寬度[6]，如圖2物理模型所示，利用RGB軟件經(jīng)過設(shè)置后發(fā)出的較為精純的單色光垂直照射該溶液之后再用Phyphox軟件接收到的透射光強(qiáng)度數(shù)據(jù)并反算出吸光度，以準(zhǔn)確地測定出血液中血紅蛋白的濃度。

3?血紅蛋白測量裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)利用兩部手機(jī)、長方體硬紙盒、長方體硬塑料盒等易獲取的裝置，實(shí)驗(yàn)過程中將其中一部作為光傳感器的手機(jī)豎直橫立在硬紙盒一側(cè)，將另一部作為黃綠色光源的手機(jī)豎直橫立在硬紙盒另一側(cè)，且均相對(duì)比色皿平行固定，使得手機(jī)的光線感應(yīng)孔、比色皿和黃綠色光源形成通路。封閉的硬紙盒提供黑暗密閉環(huán)境，避免其他光線干擾，實(shí)物裝置如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)裝置制作簡單方便，實(shí)現(xiàn)了裝置的綠色化、小型化和生活化。

4?血紅蛋白的測量

4.1?標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

取已配制好的血液樣本儲(chǔ)備液配制成如圖4的標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測溶液（120mg/ml）。

4.2?數(shù)據(jù)處理

疊氮高鐵血紅蛋白溶液的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示（經(jīng)過多次測量取平均，入射光強(qiáng)度I0=211.0Lx），根據(jù)朗伯比爾定律算出各溶液對(duì)應(yīng)的吸光度A。

由圖5中的數(shù)據(jù)可知，疊氮高鐵血紅蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液的測試值在67～167mg/ml范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系，樣品數(shù)n=9，兩者的擬合相關(guān)性因子R達(dá)到0.99419，非常接近于1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很理想。

函數(shù)表達(dá)為C=190.48A+2.21，取待測溶液（120.0mg/ml）并測得透射光強(qiáng)為48.2Lx，計(jì)算得吸光度A為0.6428，代入上述方程解得C為124.65mg/ml，與待測溶液的實(shí)際濃度120.0mg/ml相比，有3.9%相對(duì)誤差，在本次實(shí)驗(yàn)中是較為理想的結(jié)果。

4.3?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的合理性、真實(shí)性和準(zhǔn)確度，筆者及工作人員在醫(yī)院獲取不同性別的志愿者的血樣，將其分成容量均等的兩份，將其中一份即刻進(jìn)行血紅蛋白濃度的檢測，另一份同時(shí)在醫(yī)院進(jìn)行化驗(yàn)。將志愿者的血樣進(jìn)行單次測量，并將本實(shí)驗(yàn)的血紅蛋白測定系統(tǒng)的測量值與醫(yī)院測得的真實(shí)值比較。例如：取未知濃度血樣測得透射光強(qiáng)為38.2Lx，計(jì)算得吸光度A為0.7428，代入上述方程解得C為143.69mg/ml，與醫(yī)院化驗(yàn)結(jié)果中的血紅蛋白實(shí)際濃度150.0mg/ml相比，有42%相對(duì)誤差，在本次實(shí)驗(yàn)中是較為理想的結(jié)果。

該驗(yàn)證在極大程度上可以反映血紅蛋白濃度的測量情況，實(shí)驗(yàn)裝置具有較高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。然而，仍然存在測量誤差，由于測量條件的限制、驗(yàn)證組的血液樣本較少、環(huán)境因素等會(huì)在一定程度上影響檢測結(jié)果，降低測量值與真實(shí)值之間的相關(guān)性。

5?結(jié)語

通過Phyphox物理實(shí)驗(yàn)軟件導(dǎo)出不同濃度下血紅蛋白溶液的透光度數(shù)據(jù)，使用Origin軟件對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析出血紅蛋白溶液對(duì)單色光的透光關(guān)系，運(yùn)用朗伯比爾定律得出擬合回歸方程表達(dá)式并進(jìn)行分析，再與已知的溶質(zhì)吸收光譜關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，較準(zhǔn)確地測定了血紅蛋白濃度。通過本實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行拓展，能夠方便地測量多種溶液中物質(zhì)的濃度，提高實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理的可用性。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)利用智能手機(jī)，激發(fā)大學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣和動(dòng)機(jī)，對(duì)發(fā)展大學(xué)生科學(xué)探究能力具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃博，姚玉峰，姜瑞舉.血紅蛋白濃度的光學(xué)測量方法與裝置[J].光學(xué)精密工程，2009，17（12）：28932898.

[2]楊婭，屠一鋒.可見分光光度法快速檢測碳氧血紅蛋白飽和度[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2008（06）：2425+34.

[3]李曉燕，張?jiān)?，劉志昌，劉?一種高靈敏度測定血紅蛋白的熒光分析法[J].分析化學(xué)，2005（01）：5456.

[4]韓廣，劉蓉，徐可欣.近紅外無創(chuàng)血糖檢測中基于差動(dòng)式浮動(dòng)基準(zhǔn)測量的有效信號(hào)提取[J].光譜學(xué)與光譜分析，2018，38（05）：15991604.

[5]GB/T?97212006.化學(xué)試劑分子吸收分光光度法通則（紫外和可見光部分）[S].

[6]霍瑞崗.朗伯——比爾定律在化學(xué)分析中的應(yīng)用及局限性[J].學(xué)周刊，2013（33）：1415.

基金項(xiàng)目：2020年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202011258035）;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（20180201?9023）;大連大學(xué)2018年教學(xué)改革項(xiàng)目（2018073）

作者簡介：陳奧運(yùn)（1999—?），男，安徽淮南人，本科，大連大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。

*通訊作者：部德才（1972—?），男，黑龍江寧安人，碩士，副教授，研究方向：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。