CN104251841A - 基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪，包括多波长激光输出系统、压力控制样本腔系统、光学腔镜、腔镜寿命延长系统、数据采集与处理系统、进样系统和仪器控制系统；本发明通过高精度的检测方法，本发明可实现人体呼吸气体中痕量VOCs的检测和定量，基于压控腔的CRDS可以实现生物标志物的光谱特性分离，从而提高分析的分辨率和特异性，解决电子鼻所存在的特异性问题。

Description

基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，特别是涉及一种基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪。 

背景技术

健康是人全面发展的基础，关系到千家万户的幸福。随着近年来空气质量问题日益凸显，其对人体健康的持续影响得到了全世界的重视。2013年12月19日The Lancet杂志发表了空气污染与欧洲人群死亡率相关性的文章，显示空气中PM2.5浓度增加10μg/m3，会使各种原因导致的死亡率增加6％，心肺死亡率增加9％。在中国，城市空气污染每年约可导致2500万劳动者伤残，其所带来的健康危害占总疾病负担的31％。而作为人类最重要的生命活动之一，呼吸既包括人体与外界的气体交换，又包含气体在体内运输交换，因此呼吸气体所包含的信息与人体代谢、疾病及环境有着密切的关系，相关的研究不但科学意义突出，也对全民健康和社会和谐发展有着重要社会意义。 

有关病理学调查和研究表明，当人体的脏器或组织损伤或病变之后，其功能上的变化会相应地引起相应代谢产物的改变，这些代谢产物进入到血液中就会引起某些代谢产物含量的相对增高，通过检测代谢产物的浓度就可以诊断出脏器的损伤程度。因此，通过分析血液中某些特定成分诊断疾病已经成为现代医学诊断的一种常规手段。而血液中的代谢产物能够通过气血屏障进入肺部，进而引起呼出气组分的改变，使得排出体外的某些特定气体浓度升高，因而可以作为一些疾病的生物标志物。 

在1971年，两届诺贝尔奖获得者Linus Pauling利用气相色谱法(GC)发现了呼吸气中含有250多种特征物质，开创了现代呼吸气体分析这一崭新的研究领域。它是一个涉及医学、化学、物理及统计学等的研究领域。随着现代分析技术和生物医学。的不断发展，特别是激光光谱技术、电化传感技术和分子 生物学的发展，呼吸气体分析的研究已成为一门快速发展的新学科[12]。随后的研究发现，呼出气体是一种复杂的混合气体，每个人的呼出气体中包含2000多种低浓度的VOCs。正常人的呼出气体除包含H₂O、CO₂、O₂.等含量相对很高的大气小分子外，大部分痕量气体和挥发性有机物质(如氨气、丙酮、丙醇及烃类等)等含量在ppm(10^-6)或ppb(10^-9)量级，有的甚至低至ppt量级(10^-12)。表1中某些低含量的气体和挥发性有机已经被确认为与疾病,或人体代谢异常,或外部的环境的影响相关，即成为呼吸生物标记(Breath Biomarker)。 

人体呼吸气体中含有上千种VOCs，浓度低，气体成分复杂，除了稳定的分子还有自由基。测量某一个呼吸气体成份的绝对浓度对测量技术的灵敏度、选择性以及时间响应都具有很高的要求。目前用于呼吸气体分析方法主要是基于MS技术、电子鼻和激光光谱方法。GC-MS是痕量气体分析的一个通用技术，具有高灵敏度和高选择性，并能够同时有选择性的测量多种化合物。采用GC-MS技术进行痕量气体分析，需要先对气体样品进行低温富集(或其他的富集方法)，采用GC技术进行分离，再通过MS进行探测，对单个样品的测量通常需要1个小时左右。要想得到该样品的绝对浓度，还需要进行定标(外标法、内标法或归一化法)。样品的采集与低温富集处理过程会带来分析误差。因此，GC-MS的方法虽然具有高灵敏性和高选择性，但是无法满足实时在线、无须样品前处理的呼吸气体分析要求。目前，也还有其他基于质谱技术的方法用于气体分析，如质子传输反应质谱(PTR-MS)和选择性离子飞行管质谱(SIFT-MS)，但是这些技术尚在研究中。另一种呼吸分析方法是电子传感器，其优点是体积小，成本低，但此种方法灵敏度较低，而且需要频繁的校准，容易发生基线漂移和假报警。在化学背景复杂的情况下，选择性不好。电子鼻和新型纳米材料结合可能会解决这些问题，但是目前尚在研究中。总之，目前的基于MS的分析技术和电子传感技术均不能用于呼吸气体的实时在线高灵敏性和高选择性分析。因此需要研发新的仪器装备以满足需求。 

目前呼吸气体分析的研究领域的发展主要存在两个问题： 

(1)对目前已经确定的呼吸生物标记物，与人本身的状态缺乏定量相关性； 

(2)人体呼吸气体中含有上千种VOCs，目前只发现了30多种呼吸生物标记物，还大量的VOCs作为呼吸生物标记物有待研究，建立与疾病、代谢异常和环境影响等方面的联系。 

解决这两大挑战在于两个重要的科学手段：(1)对已确认的呼吸生物标记物，获取大量的呼吸气体数据，寻找其与与人体异常(疾病、健康、外部环境影响)诊断参数的定量相关性；(2)需要更新更先进的呼吸气体分析方法和仪器设备，对选取的特定人群进行有效(“有效”是指实时、在线、低成本、高灵敏度、高选择性、高精度的大量数据获取)的呼吸气体分析，进而发现新的呼吸生物标记物。正因为如此，各国研究人员都在寻求各种手段，解决呼吸气体分析中的这两大重要科学问题。如果研发一套高灵敏、高精度、实时在线的呼吸气体分析系统，实现呼吸气体样本的快速有效分析，对已有的呼吸生物标记物与人体疾病和代谢的相关研究，同时研究未确定大量的VOCs，建立与疾病、代谢异常和环境影响等方面的联系，进而开展人体疾病机理、环境医学和生物医学的研究以及健康大数据平台的建立具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中GC-MS与电子鼻所存在的缺陷，而提供一种具有高精度、响应实时、体积小以及无需复杂前处理的基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪。 

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪，其特征在于包括： 

(1)多波长激光输出系统 

该子系统由一系列的全固态小体积的准单模激光器作为光源，可以同时工作，输出多个波长(263nm、266nm、355nm)的激光，这是增强指纹光谱的选择 性的关键核心技术； 

(2)压力控制样本腔系统 

样本腔系统采用自动控制系统实现压力自主调节和稳压，这是进一步增强指纹光谱的选择性和测量的高精度和重复性的关键。样本腔系统通过特氟龙材质的管道分别连接进样系统、真空泵以及压力计，通过电磁阀控制气路通断，从而稳定控制腔内压力； 

(3)光学腔镜 

采用金属垫圈固定高反射镜，将消除系统腔镜的微小位移可能导致衰荡信号畸变；高反射镜两面分别采用球状垫片和波纹垫片夹持镀膜高反镜，在球状垫片上再加一层环状垫片用于腔体密封，同时腔体最外侧加载一块带有光学窗口的不锈钢块密封，并采用M6螺柱锁紧。由于金属的刚性与密封性，此结构可应用于海洋、航空等振动环境中工作，因而在呼吸分析过程中具有非常可靠的稳定性。另外，样本腔的内表面采用特殊的化学镀膜技术，可有效防止呼吸气体或者大气中的VOCs或其他分子残留，可保证腔体的长期稳定运行。 

(4)腔镜寿命延长系统 

1)高纯氮气或干燥空气由靠近腔镜的进气口进入样本腔，在腔镜表面附近产生气流冲刷作用，通过真空泵将腔内气体不断抽出。气体进入腔体的流速由减压阀控制。 

2)与此同时，附着在腔体两端的环状加热片对腔体镜端(小面积处)进行加热，促进腔镜表面附着沉积的VOCs分子的挥发，最终被冲刷气流带出腔体。控制系统将保证加热温度不超过60℃。此功能装置无需经常开启，仅在仪器长期运行时需要进行延长使用寿命的保养。 

(5)数据采集与处理系统 

强度为I₀的脉冲激光入射到一个由一对高反射率镜片组成的光学谐振腔中，其中谐振腔腔长为d，镜片反射率为R₁＝R₂＝R(99.9％以上)，那么镜子的透射率T＝1-R<<1(镜片的散射、衍射损耗忽略不计)。这样光脉冲会在两个镜面之间来回反射，每次往返后由M₂输出至光电倍增管(PMT)。整个谐振腔的损耗与镜子 的发射率和腔内的样品吸收有关，其光强随时间的变化可表示为： 

I＝I₀e^t/τ         (1) 

式(1)中的衰减的时间常数τ可表示为： 

$\mathrm{\&tau;}=\frac{d}{c(1-R+\mathrm{\&sigma;}\left(v\right)\mathrm{nd})}---\left(2\right)$

其中c为光速，σ(ν)为与激光波长相关的吸收截面，即分子的特征指纹，n为待测样品的浓度。当腔内样品对激光无吸收作用或不在吸收峰时，式(2)可表示为： 

${\mathrm{\&tau;}}_0=\frac{d}{c(1-R)}---\left(3\right)$

上述两式可得样品吸收率： 

以266nm波长为例，我们将健康人群呼出气体的吸光度定义为： 

$A_{\mathrm{HP}}=\frac{d}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{HP}}}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0})$

式(8) 

同样的，糖尿病人的相应的参数定义为： 

$A_D=\frac{d}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_D}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0})$

式(9) 

其测量时，呼吸气体均充满整个衰荡腔中。二者相减即为： 

$\mathrm{\&Delta;A}=A_D-{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{HP}}={\mathrm{\&sigma;}}_{266}\mathrm{nd}$

式(10) 

(6)进样系统 

GC-MS等传统的呼吸分析方法需要复杂的样品准备及前处理步骤，因此本发明采用直接进样方式，以避免复杂的样品处理所带来的误差。针对不同的采样情况，实施在线式测量与离线式测量； 

在线式进样装置是指受试者直接将呼吸呼入样本缓冲腔内，然后通过电磁阀控制样本进入样本腔。中间无需任何样品准备与前处理装置； 

离线式进样装置是将人体呼吸样本收集到呼吸采样袋之中，然后在3h之内引入样本腔进行测量； 

(7)仪器控制系统 

包括多波长激光控制系统、压控腔控制系统、数据采集和数据处理系统四部分。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

(1)通过高精度的检测方法，本发明可实现人体呼吸气体中痕量VOCs的检测和定量 

(2)基于压控腔的CRDS可以实现生物标志物的光谱特性分离，从而提高分析的分辨率和特异性，解决电子鼻所存在的特异性问题。 

(3)通过接近实时的分析方式，本发明可以实现大量临床数据的收集，从而进行广泛的临床病例测量，为寻找已知呼吸生物标志物与疾病之间的关系提供依据 

(4)通过多波长CRDS技术，不仅可以实现多种VOCs的同时检测，也可以提高同一种VOCs检测的特异性和精度。此外，还能通过多波长对未知的生物标记物进行探索研究。 

附图说明

图1所示为基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪装置示意图。 

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

实施例： 

呼吸测量过程： 

(1)采集呼吸气体 

对于离线式测量方式，呼吸样本通过呼吸采样袋进行采集。采集量约为1L左右，受试者深吸一口气之后，将肺部气体通过一次性吹嘴呼入采样袋。然后关闭采样袋出口阀门，将其储存在便携式保温箱内，防止温度过高或过低，避免强光照射。保存一段时间后，在合适的时间，取出采样袋进行测量。一般储存时间不超过6h，以防止呼吸样本在由于化学反应或其他因素而导致VOCs浓度降低。 

对于在线式测量方式，受试者通过一次向吹嘴，将肺部气体呼入呼吸样本缓冲腔内，然后通过自动控制的电磁阀立刻将呼吸样本引入样本腔进行测量。 

(2)进样测量 

测量原理基于背景扣除法。要测量呼吸样本中某一VOC的含量，须用空气作为背景，因此，在测量开始前要测出空气的实际吸收。也即将空气引入样本腔，测量衰荡时间。测量3次后取平均值，计算出空气的吸收，作为背景。然后进行样本测量。每次测量呼吸样本后，要利用真空泵将样本抽出样本腔，为防止残留，还需使用高纯氮气或干燥空气进行清洗。 

(3)数据处理过程 

根据CRDS基本原理，计算出各次测量的样本吸收之后，需采用背景扣除法，得出被测VOC的实际吸收。然后根据测量时的压强与分子吸收截面确定被测VOC浓度。 

如图1所示为基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪装置示意图，包括： 

(1)多波长激光输出系统 

该子系统由一系列的全固态小体积的准单模激光器作为光源，可以同时工作，输出多个波长(263nm、266nm、355nm)的激光，这是增强指纹光谱的选择性的关键核心技术； 

(2)压力控制样本腔系统 

样本腔系统采用自动控制系统实现压力自主调节和稳压，这是进一步增强指纹光谱的选择性和测量的高精度和重复性的关键。样本腔系统通过特氟龙材质的管道分别连接进样系统、真空泵以及压力计，通过电磁阀控制气路通断，从而稳定控制腔内压力； 

(3)光学腔镜 

采用金属垫圈固定高反射镜，将消除系统腔镜的微小位移可能导致衰荡信号畸变；高反射镜两面分别采用球状垫片和波纹垫片夹持镀膜高反镜，在球状垫片上再加一层环状垫片用于腔体密封，同时腔体最外侧加载一块带有光学窗口的不锈钢块密封，并采用M6螺柱锁紧。由于金属的刚性与密封性，此结构可应用于海洋、航空等振动环境中工作，因而在呼吸分析过程中具有非常可靠的稳定性。另外，样本腔的内表面采用特殊的化学镀膜技术，可有效防止呼吸气体或者大气中的VOCs或其他分子残留，可保证腔体的长期稳定运行。 

(4)腔镜寿命延长系统 

1)高纯氮气或干燥空气由靠近腔镜的进气口进入样本腔，在腔镜表面附近产生气流冲刷作用，通过真空泵将腔内气体不断抽出。气体进入腔体的流速由减压阀控制。 

2)与此同时，附着在腔体两端的环状加热片对腔体镜端(小面积处)进行加热，促进腔镜表面附着沉积的VOCs分子的挥发，最终被冲刷气流带出腔体。控制系统将保证加热温度不超过60℃。此功能装置无需经常开启，仅在仪器长期运行时需要进行延长使用寿命的保养。 

(5)数据采集与处理系统 

强度为I₀的脉冲激光入射到一个由一对高反射率镜片组成的光学谐振腔中，其中谐振腔腔长为d，镜片反射率为R₁＝R₂＝R(99.9％以上)，那么镜子的透射率T＝1-R<<1(镜片的散射、衍射损耗忽略不计)。这样光脉冲会在两个镜面之间来回反射，每次往返后由M₂输出至光电倍增管(PMT)。整个谐振腔的损耗与镜子的发射率和腔内的样品吸收有关，其光强随时间的变化可表示为： 

I＝I₀e^t/τ         (1) 

式(1)中的衰减的时间常数τ可表示为： 

$\mathrm{\&tau;}=\frac{d}{c(1-R+\mathrm{\&sigma;}\left(v\right)\mathrm{nd})}---\left(2\right)$

其中c为光速，σ(ν)为与激光波长相关的吸收截面，即分子的特征指纹，n为待测样品的浓度。当腔内样品对激光无吸收作用或不在吸收峰时，式(2)可表示为： 

${\mathrm{\&tau;}}_0=\frac{d}{c(1-R)}---\left(3\right)$

上述两式可得样品吸收率： 

以266nm波长为例，我们将健康人群呼出气体的吸光度定义为： 

$A_{\mathrm{HP}}=\frac{d}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{HP}}}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0})$

式(8) 

同样的，糖尿病人的相应的参数定义为： 

$A_D=\frac{d}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_D}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0})$

式(9) 

其测量时，呼吸气体均充满整个衰荡腔中。二者相减即为： 

$\mathrm{\&Delta;A}=A_D-{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{HP}}={\mathrm{\&sigma;}}_{266}\mathrm{nd}$

式(10) 

(6)进样系统 

GC-MS等传统的呼吸分析方法需要复杂的样品准备及前处理步骤，因此本发明采用直接进样方式，以避免复杂的样品处理所带来的误差。针对不同的采样情况，实施在线式测量与离线式测量； 

在线式进样装置是指受试者直接将呼吸呼入样本缓冲腔内，然后通过电磁 阀控制样本进入样本腔。中间无需任何样品准备与前处理装置； 

离线式进样装置是将人体呼吸样本收集到呼吸采样袋之中，然后在3h之内引入样本腔进行测量； 

(7)仪器控制系统 

包括多波长激光控制系统、压控腔控制系统、数据采集和数据处理系统四部分； 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪，其特征在于包括：多波长激光输出系统、压力控制样本腔系统、光学腔镜、腔镜寿命延长系统、数据采集与处理系统、进样系统和仪器控制系统。