流动性异质材料的中红外光谱分析

本发明涉及一种通过中红外光谱分析（此处定义为利用2.5μm-10 μm之间的光谱区内的波长）定量测定流动性异质材料组分的系统和方法， 具体地涉及测定一种其中悬浮颗粒的液体（最具体地是含脂乳液）的组分 参数。

已知为了测定样品组分，该样品例如是含脂液体样品（具体地是 血液、乳液或乳液产品样品）中的一种或多种脂肪、乳糖、葡萄糖、蛋白 质、尿素和/或掺杂物，或例如是谷粒中的一种或多种蛋白质、水分和/或 淀粉，是通过中红外衰减技术。根据这类技术，该样品要通过在中红外 光谱范围中透射进入该样品辐射来进行调查。然后，对由该样品引起的 正调查的中红外辐射的衰减进行测量。

用于测量的系统或仪器包括多个中红外衰减测量工具以及多个计 算工具，其中中红外衰减测量工具用于测量该样品在多个波段（最通常跨 越一个连续光谱范围）中的红外衰减，而基于该样品的所测量的中红外衰 减值，计算工具被适配成为计算该样品中感兴趣的组分的浓度。该计算 是使用一个校准或预测模型来进行的，通过该模型在感兴趣的组分与测量 的中红外衰减值之间建立了一种关系。

与对例如乳液样品的中红外测量关联的一个问题是，计算的结果 （因为直接分析结果是使用标准化学参考方法获得的结果，所以它通常被 称为间接的或预测的结果）是随该样品中的变化的粒（在此是脂肪球）度 分布而变化的。

这在理论上是可以证明的，如将进行讨论。假设具有8毫米直径 的试管装满含有4%脂肪的原料乳液。对于中红外辐射，一个典型的穿过 该样品的光路是0.05毫米。该试管的有用的（即被照亮的）体积可以估 算为2.5mm³。脂肪含量为按重量计4%，并且典型地，乳液的密度是0.93 g/ml,这导致了0.12mm³左右的存在于该试管中的脂肪的一个体积。

异质（未均质）脂肪球具有直径在4μm和10μm之间的级别。假 定这些粒度分布遵循泊松分布，那么在一个试管中脂肪测定的理论重复性 可以如表1所示计算得出，其中最后一行代表装满对脂肪球的不同大小进 行计算的未均质乳液的试管中脂肪的重复性。

表1

如合理预期，该重复性会随着脂肪球的直径的增长变差。然而， 与观察一个试管里保持静止的未均质乳液的那些相比，这些远远更好，该 试管中典型地会获得高达0.1的绝对重复性。

为了缓解这个问题，用于测量的已知仪器或系统被适配成在它们 的测量室中对均质样品进行测量，并且包含多个内置匀浆器，该匀浆器应 该确保经受测量的不同样品已经受相同均化，使得它们具有相同粒度分 布。可以容易地用实验证明，观察试管中保持静止的未均质乳液的重复 性非常接近上面提到的理论值。在乳液中，例如匀浆器是打算工作来提 供0.2μm和2μm之间的粒度。然而，该仪器的系统的匀浆器要经受机械 磨损，这就意味着他们的均质化效率会随时间降低，由此导致脂肪球粒度 分布的变化，并且因此测量更不准确。

避免需要匀浆器的一个解决方案提供在WO92/17767中。在此它 披露了，应该在1160cm^-1（8.62μm）和1350cm^-1（7.41μm）之间的红外 光谱区中对一个试管内保持静止的异质(未均质的)乳液样品进行中红外衰 减测量。这代表了在该区域中C-O化学键吸收能量，并且发现不受来自 脂肪颗粒的分散所影响。

WO2008/146276描述了一个系统，该系统被配置为在近红外光谱 区中对流动性异质乳液进行衰减测量，并且从该流动性乳液反射的光以及 穿过该流动性乳液透射的光这二者收集测量数据。然而，其他组分（例 如水）对这一近红外区域中的衰减有非常强的影响。

根据本发明的一个方面，提供了一种测定流动性异质样品组分的 方法，包括获得一个材料样品；使该样品流动穿过一个测量区域，例如该 区域可以由透流试管来提供；同时使该测量区域中的该流动性样品与中红 外辐射相互作用；并且随后在至少一个波长区域内，在典型地来自进行了 相互作用的辐射的分光光度分析的一个或多个波段测量中红外衰减值，在 该至少一个波长区域中，感兴趣的组分影响中红外衰减；并且在计算工具 中从所测量的中红外衰减值来计算该样品中感兴趣的组分的指示。

通过对使该样品流动进行测量，可以方便地产生测量的一个有效 的取平均，并且由此可以获得改进的精确度。重复测量多次，因为该样 品按选择的流速流动穿过测量区域，使得：在多次测量期间，至少该测量 区域中该样品的至少一部分与新样品进行了交换，优选地，与每次测量进 行了交换。最优选地，流速按以下方式选择，使得该测量区域中的完整 样品与每次测量都进行了交换。

通常，本领域普通技术人员会接受，与近红外测量相反，因为可 以预期到差的精确度和重复性，要避免对流动性样品进行中红外测量，如 将在以下解释。

与周围液体相比，悬浮液中的颗粒或乳剂中的胶束包含不同的化 学键，并且，这些化学键的每一个振动共振都会引起特定衰减，该特定衰 减例如可以显示为由该干涉仪类型的衰减测量工具所记录的干涉图中的 特定频率。在测量时间期间，如果该颗粒或胶束在该试管中的一个固定 位置，那么跨越未加工的干涉图，对应频率和振幅在是恒定的。

典型地，干涉图乘以一个钟形的切趾函数以便平滑在扫描开始和 结束的间断点。因此，如果该颗粒或胶束在扫描期间正移动穿过试管， 那么生成的干涉图就会受到影响。如果在扫描开始或结束时输送该颗粒， 那么干涉图中对应振幅将由于切趾法而减少。因此，在变迹干涉图进行 傅里叶变换之后，在扫描的开始或结束时输送的颗粒将具有与在扫描中间 输送的颗粒相比更小的吸收峰。

如果在测量期间，该颗粒或胶束正非常快地移动跨越试管，那么 只会记录有限数量的振荡，并且中红外衰减频率（波数）未明确定义。这 在同样限制测量精确度的傅里叶变换后导致吸收峰的显著传播。

自然地，由于流动性液体中具有大量的小颗粒或胶束，所以记录 的干涉图将代表一个平均值，并且将相对不会受到流的影响。然而，由 于与照亮的试管体积相比，大的中等数量的颗粒-就像在未均质乳液中的 脂肪球-上述流速效应将影响记录的干涉图，并且设定测量重复性的极 限。

与光谱的近红外部分（典型地认为是在0.8μm和2.5μm之间的波 长）相比，此处描述的使用傅里叶变换光谱学的光谱的中红外部分的效果 更强烈。第一，由于在中红外范围中的吸收比在近红外范围中的吸收远 远更强，所以在中红外范围测量到远远更小体积的样品，这使得颗粒和胶 束数量的统计波动相对更大。第二，由于通常用DDA（二极管检测器阵列） 光谱仪进行流动性样品的近红外测量，然后，随着时间的变化，DDA将运 行来相等地平均所有的光谱组分（波长），消除上述关于中红外的流速问 题。

在一个实施例中，当用于含脂液体样品（例如乳液或血液）的测 量时，该方法可以在用中红外辐射调查前，额外包括加热样品的步骤。这 减少了悬浮脂肪颗粒凝聚的倾向。

根据本发明的第二方面，提供了一个用于定量测定在异质性可流 动样品中的感兴趣的组分的指示的中红外衰减测量系统，该系统包括：一 个用于插入该异质性可流动材料的样品中的流动导管；连接到该流动导管 上的输送工具，以此产生其中的该样品的一个流；一个中红外衰减测量工 具，该测量工具被适配成用于随着其流动将中红外辐射供应进入该样品并 且用于在其通过该流动性样品后产生代表所供应的中红外辐射的中红外 强度变化的一个信号；以及一个计算工具，该计算工具被连接成用于接收 由该测量工具所产生信号，并且用于取决于所接收的信号和一个预测模型 （例如，由刻度或人工神经网络所提供的模型）来计算该一种或多种感兴 趣的组分的指示，并且通过该预测模型在该流动性异质材料的中红外衰减 值与这种感兴趣的组分之间建立了一种数学关系

现在将参考附图的图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1展示了可运行来进行根据本发明的方法的示例性系统的框 图。

图1中展示了用于定量测定异质液体样品中感兴趣的组分的指示 的中红外衰减测量系统2。该系统包括一个具有一个第一端6并且具有一 个第二端10流动导管4，该第一端用于插入一个样品夹具8中的异质液体 样品内，该第二端用于从系统2中输出该样品，此处可连接至废物。系 统2还包括一个输送工具10，在本实例中，该输送工具是以泵的形式，， 它连接到该流动导管8，并且是可运行的，以产生通过该导管4的一个流。 提供了一个中红外衰减测量工具14作为该系统2的一部分，用于测量中 红外辐射的衰减；随着该样品流动穿过测量区域（此处由透流试管16限 定，该试管被提供为与流动穿过导管4的样品流体连接），中红外辐射已 经与该样品相互作用。

一个合适的中红外衰减测量工具14是一个已知类型的干涉仪，例 如迈克尔森干涉仪。相对于测量区域16（此处由透流试管界定），这一 干涉仪测量工具14是合作地布置的，以便能够检测透射穿过该样品后的 中红外辐射。在使用中，干涉仪产生的干涉图是用傅里叶变换来处理的， 以产生代表由于样品的中红外辐射衰减的波长依赖的强度变化。

通常，测量区域16可以是任何区域，当该区域在使用中，它旨在 通过中红外辐射调查流动性样品。以此方式，至少一部分正在被测量的 样品在任何测量时期被交换。这然后提供了一种改进测量结果精确度和 重复性的有效平均测量。

一个计算工具18，例如包括一个一个整数微处理器，或一个独立 个人计算机，或一个分布式系统，该分布式系统在系统2的远的位置具有 至少一个部件，并且由电信网络进行可运行地连接，该计算工具被连接以 接收代表测量的中红外衰减的信号，例如干涉图及其傅里叶变换，并且被 配置为使用校准或其他预测模型（例如人工神经网络）按已知方式计算一 个指示，例如样品中感兴趣的组分的测定浓度，通过这些模型可以在中红 外衰减值和感兴趣的组分之间建立一种数学关系。

一个加热器单元20可以包括在用于具体测量应用的特定实施例 中，以在使样品流动穿过该测量试管16前加热该样品。该加热器单元可 以例如包括绕在导管4周围的电阻线圈。

在用于异质（未均质的）乳液或乳制品样品的测量的具体系统2 中，多数有用地包括加热器，以将该乳液样品加热至41°C左右。这减少 了乳液中脂肪颗粒凝聚的倾向。当测量其他含脂液体（例如血液）时， 也可以有利地采用加热。

表2中提供了乳液样品中感兴趣的典型组分的测定结果，此处表 示为以下项的百分比：脂肪、蛋白质、乳糖、总固体（TS）和固体，以及 非脂肪（SNF），连同这些测定的绝对精确度A(abs)和相对精确度A(rel)， 连同绝对重复性R(abs)和相对重复性R(rel)。

表2

这些测定是根据本发明的方法，使用关于图1所描述的一个系统 来做出的。

使用了十五个乳液样品，对每个样品都以三个重复做出测量，其 中每次跨相同波长区域平均四十次扫描。为了能够构建一个校正模型， 一些样品按已知量故意添加蛋白质，脂肪，和/或乳糖。“低”栏代表一个 样品中对应组分的最低量，“高”代表最高量，“平均值”代表所有样品的平 均值。通过举例，然后只按已知方式构建使用最多六个因素的一个偏最小 二乘法（PLS）校正模型，用于随后的预测。

通过中红外辐射调查每个样品，并且由傅里叶变换将结果的透射 干涉图处理为谓的“单光束”光谱（即，没有对外部假象（例如源、试管或 检测器诱导的那些）进行校正的强度依赖的波长（或频率））。透射比 是相对于水来计算的，以去除与样品的相互作用无关的假象。

该样品被加热至41°C，并将其以lml/分钟的流速通过试管16。

如可以看见，对于所有组分的绝对精确度A（abs）是0.04左右， 并且绝对重复性R（abs）是0.01左右。当考虑到，如以上所讨论，理论 上预期对一个流动性样品进行的中红外测量要比在一个试管中对静止样 品所做出的那些甚至更差时，这是令人惊讶的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种测定流动性异质样品的组分的方法，包括：获得一个材料样品； 测量该样品的多个中红外衰减值；并且在一个数据处理单元中从所测量的 中红外衰减值中计算出该样品中所感兴趣的组分的一个指示；其特征在 于，该方法进一步包括：使该样品流动；在一测量区域内同时地使中红外 辐射与的该流动性样品进行相互作用；并且随后对穿过该样品透射的进行 了相互作用的辐射的一个或多个波段测量这些中红外衰减值。

2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于，该对一个或多个波段测量 衰减值的步骤包括：对同一个或多个波段进行多次衰减值的测量；并且其 特征在于，该样品进行流动的流速是按以下方式选择的，使得：对于该多 次测量的每一次而言，在该测量区域内该样品的至少一部分进行了交换。

3.如权利要求1或权利要求2所述的一种方法，其特征在于，该样品是一 个液体样品。

4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于，该流动性液体样品是乳 液。

5.根据权利要求4所述的一种方法，其特征在于，该方法包括在进行测量 前将该样品加热的步骤。

6.一个用于定量测定在异质性可流动材料中的一种或多种感兴趣的组分 的指示的中红外衰减测量系统2，该系统2包括：一个流动导管4，该流动 导管具有用于插入该异质可流动材料的一个样品中的一个第一端6；连接 到该流动导管4上的输送工具10，以此产生通过该流动导管4的该样品的一 个流；一个中红外衰减测量工具14，该测量工具被适配成用于将中红外辐 射供应进入该样品并且用于在其通过该样品后产生代表所供应的中红外 辐射的中红外强度变化的一个信号；以及一个计算工具18，该计算工具被 连接用于接收由该测量工具14所产生的信号、并且被配置成用于取决于所 接收的信号来计算该一种或多种感兴趣的组分的这个指示；其特征在于， 该测量工具14与该输送工具10以一种定时的关系来运行以便将该中红外 辐射供应进入一个流动性样品中，并且其特征在于，该计算工具18配备有 一个预测模型，通过该预测模型在该流动性异质材料的中红外衰减值与这 种感兴趣的组分之间建立了一种数学关系，并且该计算工具被配置成用于 同样取决于该预测模型来计算该指示。

7.如权利要求7所述的一个系统，其特征在于，该预测模型建立了在流动 性乳液的多个衰减值之间这种数学关系，并且其特征在于，该系统进一步 包括一个加热器20，该加热器被适配成用于加热该乳液以便提供一个温热 的样品，该测量工具14在这一温热的样品中运行以便供应中红外辐射。