《Sensing and Bio-Sensing Research》：Biomolecule analysis using portable absorption spectrophotometer with novel spatial filter
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本研究針對傳統吸收光譜儀因雜散光導致測量誤差的問題，開發了一種集成新型空間濾波結構的便攜式吸收光譜儀。通過引入錐形光導結構有效抑制雜散光干擾，實現了對氨基酸、葡萄糖、蛋白質等生物分子的高精度定量分析（R2>0.99）。實際樣本測試表明，其檢測精度與商用光譜儀相當，為現場快速檢測提供了可靠工具。
在生命科學和臨床診斷領域，生物分子（如蛋白質、葡萄糖、氨基酸等）的精準定量對疾病診斷和治療監測具有重要意義。雖然比色分析法因其操作簡便、快速高效而被廣泛應用，但傳統吸收光譜儀存在一個致命弱點：雜散光干擾。這些非直接入射的反射光或散射光會嚴重影響測量精度，而現有解決方案（如雙單色儀系統）往往導致設備體積龐大、成本高昂，難以滿足現場快速檢測的需求。
為突破這一技術瓶頸，熊本大學研究團隊創新性地將錐形針孔結構（空間濾波）應用于光譜儀設計，研制出僅80×80×40毫米的便攜式設備。該設備采用白色LED光源和三通道顏色傳感器（BH1745NUC），通過獨特的樣品架設計減少反射面接觸，并結合10毫米長的錐形空間濾波器（入口直徑1.2毫米/出口直徑1毫米），使斜入射光在錐形結構內經多次反射衰減，僅允許垂直光線通過，從而將信噪比提升至新高度。
關鍵技術方法包括：1）錐形空間濾波器的光學設計驗證（入射角0-30°測試）2）亞甲基藍溶液校準曲線建立（0.234-60μM）3）標準生物分子檢測（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）實際樣本驗證（人血清總蛋白和免疫細胞腫瘤壞死因子-α的ELISA檢測）。
3.1 空間濾波器的光吸收特性
實驗數據顯示，當入射角超過5°時，錐形結構的透光率急劇下降，10°以上接近歸零，顯著優于平行光導結構。五次重復測量的標準偏差<0.0061，證實其雜散光抑制效果具有高度可重復性。
3.2 溶液濃度評估
亞甲基藍溶液檢測顯示校準曲線決定系數達0.992，在0.003-1.839吸光度范圍內保持線性。60μM濃度下標準偏差稍大（0.0035），提示高濃度檢測存在動態范圍限制，但仍在可接受范圍。
3.3 氨基酸分析
L-谷氨酸（18.8-300μg/mL）校準曲線R2=0.9937，檢測限達0.96μg/mL。該結果滿足神經科學和食品工業對谷氨酸快速檢測的需求。
3.4 葡萄糖分析
WST法檢測葡萄糖（10-160μM）的線性關系優異（R2=0.9953），檢測限0.28μM，為糖尿病管理等臨床應用提供可能。
3.5 蛋白質分析
牛血清蛋白（31.3-1000μg/mL）的布拉德福德法檢測R2=0.9967，檢測限7.12μg/mL，證實其在營養評估和疾病監測中的實用性。
3.6 實際樣本應用
人血清總蛋白檢測結果（12.4g/dL）與商用光譜儀（12.8g/dL）無顯著差異（p=0.127）。免疫細胞腫瘤壞死因子-α檢測雖存在數值偏差，但趨勢一致，設備體積較商用儀器縮小約99%。
該研究通過創新性的空間濾波設計，成功實現了便攜式設備與商用光譜儀相當的檢測精度。錐形光導結構對斜入射光的高效抑制，結合電池供電的便攜特性，使該設備在環境監測、床邊檢驗等現場場景具有廣泛應用前景。未來通過優化光源強度和算法校準，有望進一步提升高濃度樣本的檢測穩定性，推動精準醫療向分布式檢測模式發展。
