[發(fā)明專利]基于光腔衰蕩光譜的多樣本呼吸分析儀

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410310975.4
• 申請日: 2014-07-01
• 公開（公告）號: CN104251841A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王儲記;李迎新;孫美秀;姜琛昱;王振南;龔志勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N35/00
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 閆俊芬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光腔衰蕩光譜的多樣本呼吸分析儀。?

背景技術(shù)

健康是人全面發(fā)展的基礎(chǔ)，關(guān)系到千家萬戶的幸福。隨著近年來空氣質(zhì)量問題日益凸顯，其對人體健康的持續(xù)影響得到了全世界的重視。2013年12月19日The?Lancet雜志發(fā)表了空氣污染與歐洲人群死亡率相關(guān)性的文章，顯示空氣中PM2.5濃度增加10μg/m3，會使各種原因?qū)е碌乃劳雎试黾?％，心肺死亡率增加9％。在中國，城市空氣污染每年約可導(dǎo)致2500萬勞動者傷殘，其所帶來的健康危害占總疾病負擔(dān)的31％。而作為人類最重要的生命活動之一，呼吸既包括人體與外界的氣體交換，又包含氣體在體內(nèi)運輸交換，因此呼吸氣體所包含的信息與人體代謝、疾病及環(huán)境有著密切的關(guān)系，相關(guān)的研究不但科學(xué)意義突出，也對全民健康和社會和諧發(fā)展有著重要社會意義。?

有關(guān)病理學(xué)調(diào)查和研究表明，當(dāng)人體的臟器或組織損傷或病變之后，其功能上的變化會相應(yīng)地引起相應(yīng)代謝產(chǎn)物的改變，這些代謝產(chǎn)物進入到血液中就會引起某些代謝產(chǎn)物含量的相對增高，通過檢測代謝產(chǎn)物的濃度就可以診斷出臟器的損傷程度。因此，通過分析血液中某些特定成分診斷疾病已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的一種常規(guī)手段。而血液中的代謝產(chǎn)物能夠通過氣血屏障進入肺部，進而引起呼出氣組分的改變，使得排出體外的某些特定氣體濃度升高，因而可以作為一些疾病的生物標志物。?

在1971年，兩屆諾貝爾獎獲得者Linus?Pauling利用氣相色譜法(GC)發(fā)現(xiàn)了呼吸氣中含有250多種特征物質(zhì)，開創(chuàng)了現(xiàn)代呼吸氣體分析這一嶄新的研究領(lǐng)域。它是一個涉及醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理及統(tǒng)計學(xué)等的研究領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代分析技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)。的不斷發(fā)展，特別是激光光譜技術(shù)、電化傳感技術(shù)和分子?生物學(xué)的發(fā)展，呼吸氣體分析的研究已成為一門快速發(fā)展的新學(xué)科[12]。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，呼出氣體是一種復(fù)雜的混合氣體，每個人的呼出氣體中包含2000多種低濃度的VOCs。正常人的呼出氣體除包含H₂O、CO₂、O₂.等含量相對很高的大氣小分子外，大部分痕量氣體和揮發(fā)性有機物質(zhì)(如氨氣、丙酮、丙醇及烴類等)等含量在ppm(10^-6)或ppb(10^-9)量級，有的甚至低至ppt量級(10^-12)。表1中某些低含量的氣體和揮發(fā)性有機已經(jīng)被確認為與疾病,或人體代謝異常,或外部的環(huán)境的影響相關(guān)，即成為呼吸生物標記(Breath?Biomarker)。?

人體呼吸氣體中含有上千種VOCs，濃度低，氣體成分復(fù)雜，除了穩(wěn)定的分子還有自由基。測量某一個呼吸氣體成份的絕對濃度對測量技術(shù)的靈敏度、選擇性以及時間響應(yīng)都具有很高的要求。目前用于呼吸氣體分析方法主要是基于MS技術(shù)、電子鼻和激光光譜方法。GC-MS是痕量氣體分析的一個通用技術(shù)，具有高靈敏度和高選擇性，并能夠同時有選擇性的測量多種化合物。采用GC-MS技術(shù)進行痕量氣體分析，需要先對氣體樣品進行低溫富集(或其他的富集方法)，采用GC技術(shù)進行分離，再通過MS進行探測，對單個樣品的測量通常需要1個小時左右。要想得到該樣品的絕對濃度，還需要進行定標(外標法、內(nèi)標法或歸一化法)。樣品的采集與低溫富集處理過程會帶來分析誤差。因此，GC-MS的方法雖然具有高靈敏性和高選擇性，但是無法滿足實時在線、無須樣品前處理的呼吸氣體分析要求。目前，也還有其他基于質(zhì)譜技術(shù)的方法用于氣體分析，如質(zhì)子傳輸反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)和選擇性離子飛行管質(zhì)譜(SIFT-MS)，但是這些技術(shù)尚在研究中。另一種呼吸分析方法是電子傳感器，其優(yōu)點是體積小，成本低，但此種方法靈敏度較低，而且需要頻繁的校準，容易發(fā)生基線漂移和假報警。在化學(xué)背景復(fù)雜的情況下，選擇性不好。電子鼻和新型納米材料結(jié)合可能會解決這些問題，但是目前尚在研究中。總之，目前的基于MS的分析技術(shù)和電子傳感技術(shù)均不能用于呼吸氣體的實時在線高靈敏性和高選擇性分析。因此需要研發(fā)新的儀器裝備以滿足需求。?

目前呼吸氣體分析的研究領(lǐng)域的發(fā)展主要存在兩個問題：?

(1)對目前已經(jīng)確定的呼吸生物標記物，與人本身的狀態(tài)缺乏定量相關(guān)性；?

(2)人體呼吸氣體中含有上千種VOCs，目前只發(fā)現(xiàn)了30多種呼吸生物標記物，還大量的VOCs作為呼吸生物標記物有待研究，建立與疾病、代謝異常和環(huán)境影響等方面的聯(lián)系。?