基于Phyphox的血红蛋白浓度测量

陈奥运 部德才 缪御全

摘 要：本文提出了一种运用手机APP“Phyphox”中原始传感器中的光传感器以及APP“RGB调色板”，测定血液样本中血红蛋白浓度的实验方法。以叠氮高铁法使被测物形成红褐色复合物，在朗伯比尔定律基础上利用Phyphox接受的原始数据推算并准确测定血红蛋白浓度。该方法简易快速、便利灵活地运用于不定向采供血、常规保健等，同时优化大学物理教学创新方式，促进学生自我探讨。

关键词：Phyphox;智能手机;朗伯比尔定律;血红蛋白

1 绪论

血氧含量作为一大生命体征，血红蛋白是准确检测氧合作用的关键。血红蛋白测定是临床上运用最普遍、最必备的项目，也是检查贫血的办法之一。传统移动采供血机构均采用硫酸铜滴定法研究血红蛋白含量测定[13]，有较大的自我筹备误差和易受环境温度的影响。本文通过基于Phyphox平台设计的简便血红蛋白检测实验方法，可以很好地解决多数化验的费时和大型生化分析仪的费力问题。同时，对于血袋等不易接触取样的情况也有所帮助。在该实验基础上，设计出多种简便检测血液中不同物质含量的实验方法，也可在其他吸收光或与光作用的地方发挥作用[4]。

2 实验原理

（1）叠氮高铁法提取血红蛋白原理如图1所示，叠氮高铁法使血液中血红蛋白与叠氮高铁试剂反应生成的红褐色复合物，去氧胆酸钠溶解并分散红血球细胞膜致使血红蛋白被释放出来，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白中的二价铁离子则被亚硝酸钠氧化成三价铁离子，即高铁血红蛋白，高铁血红蛋白和叠氮化钠形成有颜色（红褐色）的复合物。

（2）在互补色原理的基础上得知红褐色高铁血红蛋白叠氮化钠复合物的互补色是黄绿色[5]，根据朗伯比尔定律，该红褐色复合物浓度与其互补单色光的吸收程度成一定的比例关系：

A=lg（I/I0）=K×C×d（1）

（1）式中，A是吸光度，I是透光度，I0是入射光强度，K是摩尔吸收系数，C是溶液浓度，d是透射溶液宽度[6]，如图2物理模型所示，利用RGB软件经过设置后发出的较为精纯的单色光垂直照射该溶液之后再用Phyphox软件接收到的透射光强度数据并反算出吸光度，以准确地测定出血液中血红蛋白的浓度。

3 血红蛋白测量装置设计

本实验利用两部手机、长方体硬纸盒、长方体硬塑料盒等易获取的装置，实验过程中将其中一部作为光传感器的手机竖直横立在硬纸盒一侧，将另一部作为黄绿色光源的手机竖直横立在硬纸盒另一侧，且均相对比色皿平行固定，使得手机的光线感应孔、比色皿和黄绿色光源形成通路。封闭的硬纸盒提供黑暗密闭环境，避免其他光线干扰，实物装置如图3所示。该实验装置制作简单方便，实现了装置的绿色化、小型化和生活化。

4 血红蛋白的测量

4.1 标准溶液的配置

取已配制好的血液样本储备液配制成如图4的标准溶液和待测溶液（120mg/ml）。

4.2 数据处理

叠氮高铁血红蛋白溶液的实验数据如下表所示（经过多次测量取平均，入射光强度I0=211.0Lx），根据朗伯比尔定律算出各溶液对應的吸光度A。

由图5中的数据可知，叠氮高铁血红蛋白标准溶液的测试值在67～167mg/ml范围内有很好的线性关系，样品数n=9，两者的拟合相关性因子R达到0.99419，非常接近于1，实验结果很理想。

函数表达为C=190.48A+2.21，取待测溶液（120.0mg/ml）并测得透射光强为48.2Lx，计算得吸光度A为0.6428，代入上述方程解得C为124.65mg/ml，与待测溶液的实际浓度120.0mg/ml相比，有3.9%相对误差，在本次实验中是较为理想的结果。

4.3 实验验证

为验证实验装置的合理性、真实性和准确度，笔者及工作人员在医院获取不同性别的志愿者的血样，将其分成容量均等的两份，将其中一份即刻进行血红蛋白浓度的检测，另一份同时在医院进行化验。将志愿者的血样进行单次测量，并将本实验的血红蛋白测定系统的测量值与医院测得的真实值比较。例如：取未知浓度血样测得透射光强为38.2Lx，计算得吸光度A为0.7428，代入上述方程解得C为143.69mg/ml，与医院化验结果中的血红蛋白实际浓度150.0mg/ml相比，有42%相对误差，在本次实验中是较为理想的结果。

该验证在极大程度上可以反映血红蛋白浓度的测量情况，实验装置具有较高的真实性和准确性。然而，仍然存在测量误差，由于测量条件的限制、验证组的血液样本较少、环境因素等会在一定程度上影响检测结果，降低测量值与真实值之间的相关性。

5 结语

通过Phyphox物理实验软件导出不同浓度下血红蛋白溶液的透光度数据，使用Origin软件对导出的数据进行处理，分析出血红蛋白溶液对单色光的透光关系，运用朗伯比尔定律得出拟合回归方程表达式并进行分析，再与已知的溶质吸收光谱关系进行对比，较准确地测定了血红蛋白浓度。通过本实验方案进行拓展，能够方便地测量多种溶液中物质的浓度，提高实验装置和实验原理的可用性。同时本实验利用智能手机，激发大学生做实验的兴趣和动机，对发展大学生科学探究能力具有重要作用。

参考文献：

[1]黄博，姚玉峰，姜瑞举.血红蛋白浓度的光学测量方法与装置[J].光学精密工程，2009，17（12）：28932898.

[2]杨娅，屠一锋.可见分光光度法快速检测碳氧血红蛋白饱和度[J].现代科学仪器，2008（06）：2425+34.

[3]李晓燕，张元勤，刘志昌，刘凡.一种高灵敏度测定血红蛋白的荧光分析法[J].分析化学，2005（01）：5456.

[4]韩广，刘蓉，徐可欣.近红外无创血糖检测中基于差动式浮动基准测量的有效信号提取[J].光谱学与光谱分析，2018，38（05）：15991604.

[5]GB/T 97212006.化学试剂分子吸收分光光度法通则（紫外和可见光部分）[S].

[6]霍瑞岗.朗伯——比尔定律在化学分析中的应用及局限性[J].学周刊，2013（33）：1415.

基金项目：2020年辽宁省大学生创新创业训练计划项目（S202011258035）;教育部产学合作协同育人项目（20180201 9023）;大连大学2018年教学改革项目（2018073）

作者简介：陈奥运（1999— ），男，安徽淮南人，本科，大连大学光电信息科学与工程专业。

*通讯作者：部德才（1972— ），男，黑龙江宁安人，硕士，副教授，研究方向：物理实验教学。