新型空间滤波便携式吸收光谱仪在生物分子分析中的应用与性能评估

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Biomolecule analysis using portable absorption spectrophotometer with novel spatial filter

本研究针对传统吸收光谱仪因杂散光导致测量误差的问题，开发了一种集成新型空间滤波结构的便携式吸收光谱仪。通过引入锥形光导结构有效抑制杂散光干扰，实现了对氨基酸、葡萄糖、蛋白质等生物分子的高精度定量分析（R2>0.99）。实际样本测试表明，其检测精度与商用光谱仪相当，为现场快速检测提供了可靠工具。

　　

在生命科学和临床诊断领域，生物分子（如蛋白质、葡萄糖、氨基酸等）的精准定量对疾病诊断和治疗监测具有重要意义。虽然比色分析法因其操作简便、快速高效而被广泛应用，但传统吸收光谱仪存在一个致命弱点：杂散光干扰。这些非直接入射的反射光或散射光会严重影响测量精度，而现有解决方案（如双单色仪系统）往往导致设备体积庞大、成本高昂，难以满足现场快速检测的需求。

为突破这一技术瓶颈，熊本大学研究团队创新性地将锥形针孔结构（空间滤波）应用于光谱仪设计，研制出仅80×80×40毫米的便携式设备。该设备采用白色LED光源和三通道颜色传感器（BH1745NUC），通过独特的样品架设计减少反射面接触，并结合10毫米长的锥形空间滤波器（入口直径1.2毫米/出口直径1毫米），使斜入射光在锥形结构内经多次反射衰减，仅允许垂直光线通过，从而将信噪比提升至新高度。

关键技术方法包括：1）锥形空间滤波器的光学设计验证（入射角0-30°测试）2）亚甲基蓝溶液校准曲线建立（0.234-60μM）3）标准生物分子检测（L-谷氨酸的茚三酮法、葡萄糖的WST法、牛血清蛋白的布拉德福德法）4）实际样本验证（人血清总蛋白和免疫细胞肿瘤坏死因子-α的ELISA检测）。

3.1 空间滤波器的光吸收特性

实验数据显示，当入射角超过5°时，锥形结构的透光率急剧下降，10°以上接近归零，显著优于平行光导结构。五次重复测量的标准偏差<0.0061，证实其杂散光抑制效果具有高度可重复性。

3.2 溶液浓度评估

亚甲基蓝溶液检测显示校准曲线决定系数达0.992，在0.003-1.839吸光度范围内保持线性。60μM浓度下标准偏差稍大（0.0035），提示高浓度检测存在动态范围限制，但仍在可接受范围。

3.3 氨基酸分析

L-谷氨酸（18.8-300μg/mL）校准曲线R²=0.9937，检测限达0.96μg/mL。该结果满足神经科学和食品工业对谷氨酸快速检测的需求。

3.4 葡萄糖分析

WST法检测葡萄糖（10-160μM）的线性关系优异（R²=0.9953），检测限0.28μM，为糖尿病管理等临床应用提供可能。

3.5 蛋白质分析

牛血清蛋白（31.3-1000μg/mL）的布拉德福德法检测R²=0.9967，检测限7.12μg/mL，证实其在营养评估和疾病监测中的实用性。

3.6 实际样本应用

人血清总蛋白检测结果（12.4g/dL）与商用光谱仪（12.8g/dL）无显著差异（p=0.127）。免疫细胞肿瘤坏死因子-α检测虽存在数值偏差，但趋势一致，设备体积较商用仪器缩小约99%。

该研究通过创新性的空间滤波设计，成功实现了便携式设备与商用光谱仪相当的检测精度。锥形光导结构对斜入射光的高效抑制，结合电池供电的便携特性，使该设备在环境监测、床边检验等现场场景具有广泛应用前景。未来通过优化光源强度和算法校准，有望进一步提升高浓度样本的检测稳定性，推动精准医疗向分布式检测模式发展。