基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法与流程

本发明涉及一种微区拉曼检测方法，尤其涉及一种基于液芯波导激光拉曼光谱的微区检测方法，适用于空间站微重力环境下对航天员尿液的日常监测，属于光电检测领域。

背景技术：

载人航天是指人类驾驶航天器在太空从事各种科学、试验、研究等往返地球的飞行活动。航天员工作的区域主要有载人飞船、空间站、外星球营地等。其中空间站是最常见也是较长期的工作场所。在空间站中，航天员处在长期微重力的环境，其身体的情况需要随时进行监测，以便发现其潜在的健康影响及问题。

航天器中航天员的健康监测可以选取很多测试样品。其中，对航天员尿液的监测至关重要也较易获取，监测的物质包括肌酐、蛋白、尿素等。例如尿液中的肌酐是肌肉在人体内代谢的产物，主要由肾小球滤过排出体外。每20g肌肉代谢可产生1mg肌酐，在肉类食物摄入量稳定时，身体的肌肉代谢又没有大的变化，肌酐的生成就会比较恒定。尿素氮与肌酐同时增高，说明肾脏出现了严重损害。

目前，尿液检测仪器在检测尿中不同的物质时须采用不同的原理，包括ph值、比密法、酸碱指标剂、酶法等，还需大量的试剂等支撑，无法满足航天员自己操作检测的需要。为此，需要找到适合航天员快速高效便捷的检测方法并设计相对应的检测设备，以满足航天员健康实时诊断的需求。

激光拉曼光谱方法是检测高分子的一种便捷可行方法，但因为尿液中的肌酐、蛋白、尿素等的含量较低，拉曼信号很弱，因此如果将拉曼光谱法用于航天员尿液监测，需解决其信号微弱的问题，此外，还需要考虑微重力、进样、残液回收、紧凑、耐用等方面的航天方面的需求。

技术实现要素：

针对以上的需求，本发明的目的在于提供一种基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法，可满足微重力、紧凑、耐用等方面的航天环境要求下，尿液中的肌酐、蛋白、尿素等微量物质的拉曼信号检出，从而实现对航天员反映健康情况的部分生理指标的实时诊断。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法是在基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测系统上实现的，该系统主要由主控制器、收集子系统、光谱子系统和进样子系统组成；

其中，光谱子系统负责激光发射及拉曼信号接收，它由液芯波导管、窗口玻片、显微物镜、二向色镜、干涉滤光片、扩束镜、拉曼激光器、瑞利滤光片、光纤耦合镜、接收光纤、拉曼光谱仪、全反镜及封口组成；液芯波导管的一端贴合窗口玻片，另一端贴合全反镜，全反镜由封口加强固定；

进样子系统用于将测试液体样(注：航天员尿液)送入光谱子系统中进行分析；进样子系统由联接软管、进液器、电动活塞、步机电机、入流管、进液口和密封盖组成；测试液体样通过进液口导入进液器，导入完成后盖好密封盖；入流管与液芯波导管连通，联接软管将入流管与进液器相连；步机电机可带动电动活塞在进液器中平移，将测试液体样通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管；

收集子系统用于在空间站微重力环境下收集测试液体样，防止污染环境；收集子系统由直流电源、电阴极、球形罩、出流管、电阳极与废液箱组成；出流管与液芯波导管连通；球形罩内壁有电阴极，废液箱入口为电阳极；直流电源的正负极分别与电阳极电阴极连接，维持电阳极与电阴极之间的电场；液芯波导管中的测试液体样通过出流管，沿喷射轴线喷射至电阴极，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极，进入废液箱；

拉曼激光器可沿光学主轴由右向左发射一定波长λ的连续激光束，经扩束镜扩束(注：得到的激光束直径与显微物镜的入瞳匹配)后，再经干涉滤光片后获得窄频拉曼激光束，接着穿过二向色镜，经显微物镜并通过窗口玻片后，可聚焦至液芯波导管中测试液体样(注：航天员尿液)，聚焦点处激发的拉曼前向散射信号沿液芯轴线(注：液芯轴线与光学主轴完全重合)向左传输，并不断与测试液体样中的分子碰撞，从而得到积累和加强，当传输到全反镜后，经反射沿液芯轴线向右传输，再次不断与测试液体样中的分子碰撞，拉曼散射信号得到进一步加强，依次穿过窗口玻片与显微物镜后，经二向色镜反射后，沿接收光轴传输，经瑞利滤光片滤去波长为λ的泵浦光后的拉曼散射光经光纤耦合镜聚焦进入接收光纤，传入拉曼光谱仪进行分析；

主控制器用于启动及关闭直流电源、拉曼激光器以及拉曼光谱仪，并用于给步机电机发送控制指令，还用于设置拉曼光谱仪工作参数，且接收拉曼光谱仪的光谱数据进行分析；

本发明提出的基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法包括以下步骤：

(1)测试液体持续进样

将测试液体样(注：航天员尿液)通过进液口导入进液器，导入完成后盖好密封盖；主控制器发出指令启动直流电源、然后给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向右平移，将测试液体样通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管；该进样过程持续进行，贯穿整个测试过程，直至测试结束；

(2)动态液芯波导拉曼测试

当测试液体样充满整个液芯波导管时，主控制器发出指令启动拉曼激光器及拉曼光谱仪，设置拉曼光谱仪工作参数；拉曼激光器由右向左发射一定波长λ的连续激光束，经扩束镜扩束再经干涉滤光片后获得窄频拉曼激光束，接着穿过二向色镜，经显微物镜并通过窗口玻片后，聚焦至液芯波导管中测试液体样(注：航天员尿液)，聚焦点处激发的拉曼前向散射信号沿液芯轴线向左传输，并不断与测试液体样中的分子碰撞，从而得到积累和加强，当传输到全反镜后，经反射沿液芯轴线向右传输，再次不断与测试液体样中的分子碰撞，拉曼散射信号得到进一步加强，依次穿过窗口玻片与显微物镜后，经二向色镜反射后，沿接收光轴传输，经瑞利滤光片滤去波长为λ的泵浦光后的拉曼散射光经光纤耦合镜聚焦进入接收光纤，传入拉曼光谱仪，拉曼光谱仪将拉曼光谱数据实时传送给主控制器，随着进样的不断进行，主控制器不断将动态液芯波导拉曼光谱数据采集存储；

(3)废液实时收集

在测试的过程中，进样在不断进行；液芯波导管中的测试液体样通过出流管，沿喷射轴线喷射至电阴极，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极，进入废液箱；

(4)测试结束及数据后处理

当电动活塞在进液器中平移到右边底部时，整个进液器中已无测试液体样，此时测试结束；主控制器发出指令关闭拉曼激光器、拉曼光谱仪；主控制器将获得的多组动态液芯波导拉曼光谱数据进行统计累加及平均处理，得到反映航天员健康情况的，与其尿液中的肌酐、蛋白、尿素的含量相关的拉曼光谱信号，并将这个信号数据与健康指标相对照，从而完成健康评估；

(5)残留废液后处理

主控制器给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向左平移，直至到进液器最左边位置；打开密封盖，通过进液口导入干净水进进液器，导入完成后盖好密封盖；主控制器给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向右平移，将干净水通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管，同时将液芯波导管中残留废液压入收集子系统被收集，直至电动活塞在进液器中平移到右边底部结束，此时液芯波导管只有干净水存在，主控制器发出指令，断开直流电源。

本发明的有益效果是，采用基于运动液芯波导拉曼光谱的检测方法，可实现对微弱拉曼信号的增强以及较大量样本的统计测量，使得对航天员尿液的成分检测更可靠；在废液收集中采用直流电场方法，满足微重力环境下的要求；在测试最后，采用净水进行液芯的清洁，满足环保卫生的要求。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——直流电源；2——电阴极；3——球形罩；4——喷射轴线；5——出流管；6——液芯波导管；7——液芯轴线；8——入流管；9——窗口玻片；10——显微物镜；11——光学主轴；12——二向色镜；13——干涉滤光片；14——扩束镜；15——拉曼激光器；16——瑞利滤光片；17——光纤耦合镜；18——接收光纤；19——拉曼光谱仪；20——联接软管；21——进液器；22——测试液体样；23——电动活塞；24——步机电机；25——主控制器；26——全反镜；27——封口；28——电阳极；29——废液箱；30——收集子系统；31——光谱子系统；32——进样子系统；33——接收光轴；34——进液口；35——密封盖。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法是在基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测系统上实现的，该系统主要由主控制器25、收集子系统30、光谱子系统31和进样子系统32组成；

其中，光谱子系统31负责激光发射及拉曼信号接收，它由液芯波导管6、窗口玻片9、显微物镜10、二向色镜12、干涉滤光片13、扩束镜14、拉曼激光器15、瑞利滤光片16、光纤耦合镜17、接收光纤18、拉曼光谱仪19、全反镜26及封口27组成；液芯波导管6的一端贴合窗口玻片9，另一端贴合全反镜26，全反镜26由封口27加强固定；

进样子系统32用于将测试液体样22(注：航天员尿液)送入光谱子系统31中进行分析；进样子系统32由联接软管20、进液器21、电动活塞23、步机电机24、入流管8、进液口34和密封盖35组成；测试液体样22通过进液口34导入进液器21，导入完成后盖好密封盖35；入流管8与液芯波导管6连通，联接软管20将入流管8与进液器21相连；步机电机24可带动电动活塞23在进液器21中平移，将测试液体样22通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6；

收集子系统30用于在空间站微重力环境下收集测试液体样22，防止污染环境；收集子系统30由直流电源1、电阴极2、球形罩3、出流管5、电阳极28与废液箱29组成；出流管5与液芯波导管6连通；球形罩3内壁有电阴极2，废液箱29入口为电阳极28；直流电源1的正负极分别与电阳极28电阴极2连接，维持电阳极28与电阴极2之间的电场；液芯波导管6中的测试液体样22通过出流管5，沿喷射轴线4喷射至电阴极2，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极28，进入废液箱29；

拉曼激光器15可沿光学主轴11由右向左发射一定波长λ的连续激光束，经扩束镜14扩束(注：得到的激光束直径与显微物镜10的入瞳匹配)后，再经干涉滤光片13后获得窄频拉曼激光束，接着穿过二向色镜12，经显微物镜10并通过窗口玻片9后，可聚焦至液芯波导管6中测试液体样22(注：航天员尿液)，聚焦点处激发的拉曼前向散射信号沿液芯轴线7(注：液芯轴线7与光学主轴11完全重合)向左传输，并不断与测试液体样22中的分子碰撞，从而得到积累和加强，当传输到全反镜26后，经反射沿液芯轴线7向右传输，再次不断与测试液体样22中的分子碰撞，拉曼散射信号得到进一步加强，依次穿过窗口玻片9与显微物镜10后，经二向色镜12反射后，沿接收光轴33传输，经瑞利滤光片16滤去波长为λ的泵浦光后的拉曼散射光经光纤耦合镜17聚焦进入接收光纤18，传入拉曼光谱仪19进行分析；

主控制器25用于启动及关闭直流电源1、拉曼激光器15以及拉曼光谱仪19，并用于给步机电机24发送控制指令，还用于设置拉曼光谱仪19工作参数，且接收拉曼光谱仪19的光谱数据进行分析；

本发明提出的基于液芯波导拉曼光谱的航天员尿液检测方法包括以下步骤：

(1)测试液体持续进样

将测试液体样22(注：航天员尿液)通过进液口34导入进液器21，导入完成后盖好密封盖35；主控制器25发出指令启动直流电源1、然后给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向右平移，将测试液体样22通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6；该进样过程持续进行，贯穿整个测试过程，直至测试结束；

(2)动态液芯波导拉曼测试

当测试液体样22充满整个液芯波导管6时，主控制器25发出指令启动拉曼激光器15及拉曼光谱仪19，设置拉曼光谱仪19工作参数；拉曼激光器15由右向左发射一定波长λ的连续激光束，经扩束镜14扩束再经干涉滤光片13后获得窄频拉曼激光束，接着穿过二向色镜12，经显微物镜10并通过窗口玻片9后，聚焦至液芯波导管6中测试液体样22(注：航天员尿液)，聚焦点处激发的拉曼前向散射信号沿液芯轴线7向左传输，并不断与测试液体样22中的分子碰撞，从而得到积累和加强，当传输到全反镜26后，经反射沿液芯轴线7向右传输，再次不断与测试液体样22中的分子碰撞，拉曼散射信号得到进一步加强，依次穿过窗口玻片9与显微物镜10后，经二向色镜12反射后，沿接收光轴33传输，经瑞利滤光片16滤去波长为λ的泵浦光后的拉曼散射光经光纤耦合镜17聚焦进入接收光纤18，传入拉曼光谱仪19，拉曼光谱仪19将拉曼光谱数据实时传送给主控制器25，随着进样的不断进行，主控制器25不断将动态液芯波导拉曼光谱数据采集存储；

(3)废液实时收集

在测试的过程中，进样在不断进行；液芯波导管6中的测试液体样22通过出流管5，沿喷射轴线4喷射至电阴极2，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极28，进入废液箱29；

(4)测试结束及数据后处理

当电动活塞23在进液器21中平移到右边底部时，整个进液器21中已无测试液体样22，此时测试结束；主控制器25发出指令关闭拉曼激光器15、拉曼光谱仪19；主控制器25将获得的多组动态液芯波导拉曼光谱数据进行统计累加及平均处理，得到反映航天员健康情况的，与其尿液中的肌酐、蛋白、尿素的含量相关的拉曼光谱信号，并将这个信号数据与健康指标相对照，从而完成健康评估；

(5)残留废液后处理

主控制器25给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向左平移，直至到进液器21最左边位置；打开密封盖35，通过进液口34导入干净水进进液器21，导入完成后盖好密封盖35；主控制器25给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向右平移，将干净水通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6，同时将液芯波导管6中残留废液压入收集子系统30被收集，直至电动活塞23在进液器21中平移到右边底部结束，此时液芯波导管6只有干净水存在，主控制器25发出指令，断开直流电源1。