冷凝收集非侵入式测定人体呼出气中糖类的分析装置及方法

1.本发明属于离子色谱领域，具体地说，是一种冷凝收集非侵入式测定人体呼出气中糖类的分析装置及方法。


背景技术：

2.糖尿病是一种由胰岛素分泌不足或胰岛素作用缺陷引起高血糖的严重代谢疾病。根据世界卫生组织的数据，有3.03亿人(约占世界人口的5％)患有糖尿病。糖尿病因其严重的并发症而被预测为第七大死因，如心血管疾病、失明、截肢风险、肾衰竭等。糖尿病分为1型(胰岛素依赖型/青少年型糖尿病)和2型(非胰岛素依赖型/成人型糖尿病)两种类型。此外，约有8410万人患有前驱糖尿病，如果治疗不及时将来可能会引发2型糖尿病。检测血糖水平在临床上对糖尿病的管理尤为重要。根据美国糖尿病协会规定，糖尿病患者每天至少测量三次手指点刺血来监测血糖水平。然而，目前血糖监测手段通常是一种侵入性技术，这将会引起疼痛和痛苦，尤其是对低年龄段的人群。因此，开发一种无创血糖监测技术就显得尤为重要，这可能会鼓励他们更定期地检测血糖水平以改善血糖控制。
3.葡萄糖通过血液可以被动扩散到其它不太复杂的生理液中，如间质液、汗液、眼泪和呼吸液等。由于毛细血管和呼吸液之间的高浓度梯度，使得血浆被认为可以与呼吸液进行快速而稳定的葡萄糖转换。因此，通过监测呼出气冷凝物(ebc)中葡萄糖浓度来评估血糖水平是一种非常具有潜力的方法，这方面的研究也仍处于早期阶段。近年来，糖类检测手段主要包括高效液相色谱、离子交换色谱、脉冲安培检测器和飞行时间质谱等。这些系统都能够实现高精度的准确测量。基于呼出液冷凝设备与检测设备联用实现无创性监测血糖水平的方式势必会在未来的医学领域中发挥重要作用。本项发明搭建呼出气冷凝设备联用离子色谱实现呼出气冷凝液中葡萄糖的监测，优化了采集过程，开发了一种无创检测人体呼出气中糖类的分析方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是创建利用冷凝法采集人体呼出气冷凝液并与离子色谱联用测定其中糖含量的采集分析方法。本发明采用搭建自制呼出气冷凝设备联用离子色谱的方式进行无创性血糖监测。首先，通过制冷器件对人体呼出气进行冷凝，然后将采到的样本再通过离子色谱-脉冲安培仪器进行葡萄糖含量检测，一种冷凝收集非侵入式测定人体呼出气中糖类的分析装置及方法。
5.本发明是采用以下技术方案来实现的：
6.本发明公开了一种冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液中糖类的分析装置，其特征在于，包括呼出气冷凝收集装置和色谱分析装置，冷凝收集装置包括吹气口、吹气口通过管道与单向阀和流量计相连、单向阀和流量计通过管道与置于冷凝装置中的冷阱相连，冷阱内设有冷凝收集管，通过构建呼出气冷凝收集装置，以直接冷凝呼出气的方法收集得到样品，不需要前期准备吸收液等繁琐步骤，样品通过联用离子色谱快速准确地检测与分析。
冷凝收集管位于冷阱内，主要用于样品的冷凝收集。
7.作为进一步地改进，本发明所述的冷凝收集装置还包括控制面板、控制面板分别与冷凝装置与流量计相连。在控制面板上设定气体的收集体积、冷凝温度，并且在控制面板上可观测吹气时的实时流量。
8.作为进一步地改进，本发明所述的冷阱的冷阱壁为铝材，冷凝收集管包括管体和设于管体口的上盖，上盖和管体通过可拆卸式结构相连，上盖上开设有用于插入管道的入气口，及与空气连通的出气口，通入上盖的入气口的管道连至管体内。
9.作为进一步地改进，本发明所述的可拆卸式结构为上盖与管体之间为螺纹连接结构，上盖的材质是玻璃，管体的材质为塑料，上盖上，与管体之间的接口处为磨砂玻璃。取样品时可以拆卸冷凝收集管上盖，方便取出内置的塑料材质的一次性收集管，收集管每次采样都要进行更换。磨砂玻璃可以保持更好的气密性。
10.作为进一步地改进，本发明所述的管体为一次性收集管，吹气口上安装有塑料材质的一次性咬嘴。每次采样都要进行更换，防止样品相互污染。
11.作为进一步地改进，本发明所述的冷凝装置为半导体冷凝器，其中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-20～20℃。
12.作为进一步地改进，本发明所述的色谱分析装置主要包括泵、与泵连接的淋洗液发生器、及与淋洗液发生器连接的保护柱、离子色谱柱以及电化学检测器，所有数据均上传到色谱工作站。保护柱用于保护分析柱，分析柱用于分析样品的各种离子。电化学检测器主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站用于信号的显示与数据的保存与分析。
13.作为进一步地改进，本发明所述的泵为dionex ics-3000dp型泵，淋洗液发生器为dionex ics-3000eg型，电化学检测器为dionex ics-5000ec型。
14.作为进一步地改进，本发明所述的dionex ics-3000dp型泵可以控制液体流速，在0.1～3ml/min之间，根据不同的保护柱的分析柱有着不同的适应压力，压力范围在0～3000mpa；dionex ics-3000eg型淋洗液发生器的淋洗液用koh，其设定的浓度范围在0～50mmol。
15.本发明还公开了一种任意一项冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液中糖类的分析装置的分析方法，包括如下步骤：
16.1)将一次性冷凝收集管放于冷阱中，在吹气口安装一次性咬嘴；
17.2)采样前在控制面板将冷凝温度设置为-20-0℃，使半导体制冷装置开始制冷，并将冷阱内部温度平衡到该温度；
18.3)在控制面板上设置所需的采样体积后，咬住咬嘴吹气口，向单向阀和流量计中吹气，采样过程中要尽量保持匀速吹气，吹气过程中在控制面板上可观测吹气时的实时流量；
19.4)采样完毕后，拆下冷凝管的上盖，将一次性收集管从冷阱中取出，放入-15℃～-80℃的冰箱中保存等待检测；
20.5)根据检测目标，设定好离子色谱的分析条件：保护柱和分析柱的选择及柱温、泵的流速、淋洗液发生器的淋洗液浓度以及电化学检测器的条件，等待离子色谱平衡；
21.6)用一次性注射器取出一次性收集管中的呼出气冷凝液，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样器中，进样完成后电化学检测器开始进行检测分析；
22.7)分析结束后，到色谱工作站上查看结果并导出数据。
23.本发明的优点如下：
24.1.与传统的肺部內液采样方法(支气管镜检查或活检)不同，本项目利用呼出气冷凝液收集器采集人体呼出气冷凝液并与离子色谱联用检测样品中的糖。传统的采样方法是侵入性或半侵入性的(如鼻拭子、痰诱导)，而该项目的采样方法简单、可重复，并且副作用小，受试者不会产生任何明显不适或风险。
25.2.本发明采用将冷凝收集法和离子色谱法组合使用的采集分析方法，监测不同个体呼出物冷凝液中的糖。离子色谱法作为一种新兴的色谱监测方法，可以同时分离与测定多种物质，具有对离子态物质选择性高，准确度与灵敏度高与操作方便的特点。对于检测分析ebc中的糖类，相较于其他方法而言，是一种更为灵敏，准确的方法。
26.3.呼出气冷凝液的采集装置体积小质量轻，方便工作人员携带外出采样。同时该采样器可记录采集体积，利用采集体积与离子色谱检测出的冷凝液糖浓度计算呼出气而非冷凝液中的糖浓度，排除了冷凝效率的影响。
27.4.可拆卸式的冷凝管方便收集到的样品的取出，内部的一次性收集管方便每次采样的样品能够相互独立存放，相比传统方法，取样方便简洁。
附图说明
28.图1是冷凝收集装置以及色谱分析装置结构示意图；
29.图2冷阱内部截面结构示意图；
30.图3是实施例1中健康人体空腹状态收集的呼出气冷凝液离子色谱图；(1:葡萄糖)图4是实施例2中健康人体饭后1h收集的呼出气冷凝液离子色谱图；(1:葡萄糖；2:蔗糖；3:果糖)
31.图中，1是吹气口，2是单向阀和流量计，3是控制面板，4是冷阱，5是半导体制冷装置，6是淋洗液发生器，7是泵，8是进样器，9是保护柱，10是离子色谱柱，11是电化学检测器，12是色谱工作站，13是上盖，14是管体，15是呼出气冷凝液。
具体实施方式
32.下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
33.本发明公开了一种冷凝收集非侵入式测定人体呼出气中糖类的分析装置及方法，主要分为冷凝收集装置和色谱分析装置两个部分；
34.图1是冷凝收集装置以及色谱分析装置结构示意图；冷凝收集装置包括吹气口1、与吹气口1通过管道相连的单向阀和流量计2，与单向阀和流量计2相连的冷阱4、单向阀和流量计2通过管道与置于半导体制冷装置5中的冷阱4相连，冷阱4内设有冷凝收集管，冷凝收集装置还包括控制面板3、控制面板3分别与半导体制冷装置5与流量计相连。其内部结构如图2，图2冷阱内部截面结构示意图；冷阱4的冷阱壁16为铝材，冷凝收集管包括管体14和设于管体14口的上盖13，上盖13和管体14通过可拆卸式结构相连，上盖13上开设有用于插入管道的入气口，及与空气连通的出气口，通入上盖13的入气口的管道连至管体14内。可拆卸式结构为上盖13与管体14之间为螺纹连接结构，上盖13的材质是玻璃，管体14的材质为塑料，上盖14上，与管体14之间的接口处为磨砂玻璃。管体14为一次性收集管，吹气口1上安
装有塑料材质的一次性咬嘴。半导体冷凝器中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-20～20℃。冷凝收集得到的呼出气冷凝液15。
35.通过进样器8注射进色谱分析装置进行分析，色谱分析装置主要包括淋洗液发生器6、泵7、进样器8、保护柱9、分析柱10以及电化学检测器11，所有数据均上传到色谱工作站12。保护柱9用于保护分析柱，分析柱10用于分析样品的各种离子。电化学检测器11主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站12用于信号的显示与数据的保存与分析。
36.色谱分析装置的泵7为dionex ics-3000dp型泵，淋洗液发生器6为dionex ics-3000eg型，检测器11为dionex ics-5000ec型。
37.dionex ics-3000dp型泵7可以控制液体流速，在0.1～3ml/min之间，根据不同的保护柱9的分析柱10有着不同的适应压力，压力范围在0～3000mpa；dionex ics-3000eg型淋洗液发生器6的淋洗液用koh，其设定的浓度范围在0～50mmol。
38.本发明还公开了一种冷凝法采集与测定人体呼出气中糖类的分析装置的分析方法，包括如下步骤：
39.1)将一次性冷凝收集管14放于冷阱4中，在吹气口1安装一次性咬嘴；
40.2)采样前在控制面板3将冷凝温度设置为-20-0℃，使半导体制冷装置5开始制冷，并将冷阱4内部温度平衡到该温度；
41.3)在控制面板上设置所需的采样体积后，咬住咬嘴吹气口1，向单向阀和流量计2中吹气，采样过程中要尽量保持匀速吹气，吹气过程中在控制面板3上可观测吹气时的实时流量；
42.4)采样完毕后，拆下冷凝管的上盖13，将一次性收集管14从冷阱4中取出，放入-15℃～-80℃的冰箱中保存等待检测；
43.5)根据检测目标，设定好离子色谱的分析条件：保护柱9和分析柱10的选择及柱温、泵7的流速、淋洗液发生器6的淋洗液浓度以及电化学检测器11的条件，等待离子色谱平衡；
44.6)用一次性注射器取出一次性收集管14中的呼出气冷凝液15，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样器8中，进样完成后电化学检测器11开始进行检测分析；
45.7)分析结束后，到色谱工作站12上查看结果并导出数据。
46.实施例1：图3是健康人体空腹状态收集的呼出气冷凝液离子色谱图，空腹状态时，呼出气冷凝液中仅含有葡萄糖。呼出气冷凝液的采集与测定条件如下：
47.采集条件：采集温度-15℃，采集流量15l/min，采集体积100l
48.色谱测定条件：dionexcarbopac pa10(4
×
250mm)离子色谱柱作为分析柱，流动相为18mmol/l氢氧化钠溶液，清洗液为100mmol/l氢氧化钠溶液，流速1ml/min。au电极脉冲安培检测，糖类分析四重脉冲波形：
[0049][0050]
参比电极为ag/agcl电极。进样体积100μl，柱温30℃。
[0051]
实施例2：图4是健康人体饭后1h收集的呼出气冷凝液离子色谱图，饭后1h状态下，呼出气冷凝液含有葡萄糖、蔗糖及果糖。呼出气冷凝液的采集与测定条件如下：
[0052]
采集条件：采集温度-15℃，采集流量15l/min，采集体积100l
[0053]
色谱测定条件：dionexcarbopac pa10(4
×
250mm)离子色谱柱作为分析柱，流动相为18mmol/l氢氧化钠溶液，清洗液为100mmol/l氢氧化钠溶液，流速1ml/min。au电极脉冲安培检测，糖类分析四重脉冲波形：
[0054][0055]
参比电极为ag/agcl电极。进样体积100μl，柱温30℃。
[0056]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。