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CN116297795A - 一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法 - Google Patents

一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法 Download PDF

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CN116297795A CN202111490775.8A CN202111490775A CN116297795A CN 116297795 A CN116297795 A CN 116297795A CN 202111490775 A CN202111490775 A CN 202111490775A CN 116297795 A CN116297795 A CN 116297795A
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李海洋
王露
徐一仟
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Abstract

本发明为一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法，本发明通过无创非侵入的呼出气分析检测，首先将患者的呼出末端气采集到气袋中，并对其进行抽样半导体制冷在线除湿检测，实现其高选择性灵敏检测，响应时间在80ms，定量范围30ppbv‑325ppbv，检测限2.6ppbv，相比于常规的采血检测糖尿病血糖水平的高低，该分析方法具有无创、灵敏度高、检测速度快，不需要任何样品前处理等。呼出气丙酮作为糖尿病患者的特异性标志物和表征指标，糖尿病患者的呼出气丙酮浓度明显高于正常人呼出气丙酮浓度，该分析检测方法对于糖尿病患者的早期诊断以及血糖浓度的评价具有重要的临床科学研究参考价值。

Description

一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法
技术领域
本发明属于分析化学仪器检测领域，具体涉及一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法。
背景技术
糖尿病是一种慢性疾病，在发病初期不易被确诊，直到引起并发症之后才会被发现，后期很难医治。通过血糖试纸检测血糖，需要刺破手指、耳垂等部位，将血液附于试纸上，观察试纸的颜色变化并与标准颜色进行比较，来粗略估计血糖值。
呼出气中有上千种组分，丙酮作为呼出气中主要的挥发性有机化合物，在糖尿病诊断中扮演着极其重要的角色。丙酮作为一种生物标记物，可以通过测定呼出气，汗液或尿液中丙酮的含量进行糖尿病诊断。研究表明，糖尿病患者因其体内胰岛素机制的先天缺陷或缺失，在体内葡萄糖存储不足的情况下，需要肝脏代谢脂肪酸以作为额外的能量补充，在这个过程中就会产生丙酮等酮类化合物，而产生的丙酮会随着血液循环经由肺、尿液或汗液排出体外。并且呼出气丙酮含量与糖尿病患者的血糖含量成正相关，为通过检测呼出气丙酮诊断糖尿病提供了可能。
目前呼出气丙酮的检测方法有气相色谱、光度法、传感器及其他方法等，其中色谱法及色谱-质谱联用技术在丙酮检测中的应用最广泛，但存在费用较高、体积大、需要专门的技术人员操作等缺点，光度法操作步骤简单，但是稳定性及重现性较差，传感器法虽然具有微型化，响应时间短等优点，但是定量不准确等。
黄洪湖等人发明的一种用于糖尿病早期诊断的纳米传感器及其制备方法(专利号ZL 200310108212.3)，由Ag+ZSM-5的敏感膜，与压电式谐振质量传感器QCM结合构成。通过传感器对糖尿病症的表征指标丙酮气体响应，检测人体呼出气中丙酮分子的浓度，作为糖尿病情诊断的辅助手段和早期病况自诊系统的参考。但是传感器存在响应时间长，灵敏度低，定量准确性差等的缺点。
孙延娥等人发明的基于丙酮传感器的血糖检测仪及其检测方法(专利号CN201810507071.9)，包括传感阵列检测单元，检测用户口中呼出气体的丙酮浓度，并将检测到的丙酮气体浓度的数据转换为电信号传输至信号采集处理电路，传感阵列检测单元中设置具有ZnFe2O4与MoS2相掺杂的敏感薄膜的丙酮传感器，信号采集处理电路，用于对传感阵列检测单元输出的电信号进行滤波、放大处理，单片机微处理单元用于确定用户的血糖含量。该检测仪和检测方法主要介绍了信号处理的算法，并没有呼出气丙酮的检测谱图和定量检测浓度等，也没有实际应用的案例检测结果。
孙京喜等人发明的一种内分泌科用糖尿病快速检测装置(专利号CN201910233369.X)，包括尿液分析仪、丙酮检测仪和血糖检测仪，可以对患者的尿液和呼出气气体中的丙酮浓度含量以及患者的血糖进行检测，通过显示屏看检测的数据，但是并没有介绍呼出气丙酮的具体分析检测方法和诊断的结果等，在临床的实际应用价值还有待考证。
针对上述分析检测方法存在的各种问题，本发明采用直接光电离离子迁移谱对丙酮进行检测，并将其应用于人体呼出气中丙酮含量的检测，对正常人和糖尿病患者的呼出气丙酮浓度进行比对，发现糖尿病患者的呼出气丙酮明显高于正常人呼出气丙酮浓度，该发明技术及分析方法为实现对糖尿病人进行非侵入、无创的诊断及病情监控提供可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：呼出末端气丙酮浓度监测与糖尿病患者诊断的问题，解决了呼出气中高的湿度(100％RH)和呼出气中其它组分对呼出气中痕量低浓度ppbv丙酮的影响，并实现了呼出末端气丙酮样品的采集与半导体在线制冷除湿检测，分析检测时间只有80ms，检测限达到2.6ppbv，呼出末端气丙酮的浓度更能反映人肺泡血液交换的丙酮浓度，并建立一种通过检测呼出末端气丙酮浓度来作为糖尿病患者早期床前诊断的分析方法，具有无创、非侵入性，快速出检测结果，免于糖尿病患者通过采血检测的困难，易于临床大面积推广。
具体内容包括：
一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法，其特征在于：首先将人的呼出末端气即肺泡气(先尽力吸气并平和呼气后，再用最大力量呼出的气体)样品采集于泰德拉气袋中，采集到采样袋中的呼出气样品通过采样泵以及在线半导体制冷除湿后进入仪器内进行检测；在离子迁移谱中呼出气丙酮经真空紫外灯进行光电离，光电离后产生丙酮 (Ac2)的产物离子峰Ac2H+，该产物离子在迁移管内正高压模式下迁移到达法拉第盘，检测得到其信号强度；由该峰强度计算出呼出末端气丙酮的浓度。
呼出末端气样品采集于泰德拉气袋中，采用的装置由一次性吹气嘴、玻璃的呼吸管、呼出气的指示灯以及气体流量传感器、一个三通两位电磁阀以及玻璃出气管组成，玻璃吹气管和泰德拉采样气袋密封相连，每次呼气前手动轻按一下呼气指示灯，对采样装置进行启动，当该灯呈红色左右闪动时，表明可以吹气；随后被采样者用一次性吹气嘴，当呼出气体由吹气嘴经过呼吸管上设置的气体流量传感器时，其流速被实时跟踪，当吹气的流速大于设定的阈值时，传感器的信号传递给电磁阀，电磁阀切换气路，被采样者呼出的小于流速设置值的前端气体被排出，呼出末端的气体被采集到泰德拉气袋中，采样气袋逐渐变大并经1次或多次吹气后充满。
光电离离子迁移谱，工作在正离子检测模式，迁移管温度设置在20-150℃，环间电压设置在200-350V，泰德拉采样气袋中的呼出末端气样品经离子迁移谱的采样泵采样，流量计控制采样的流速，以恒定的流速(20-200ml/min)经半导体制冷在线除湿后，由迁移管的后端进气口进入到离子迁移管内，在迁移管整个迁移区内和反应区内分布，并在电离区内被光电离电离成样品分子的产物离子，呼出气丙酮的产物离子在迁移区内电场作用下到达检测器，电流信号转化成电压信号，检测得到呼出气丙酮的信号强度，将呼出气丙酮的信号强度代入呼出气丙酮的定量方程，得到呼出气丙酮的浓度；定量曲线是采用不同已知丙酮浓度呼出气样品检测的丙酮离子峰的信号强度而拟合绘制的定量曲线，获得的定量方程y＝a*exp(-C/b)+y0，其中a＝-949，y0＝656，b＝65。
呼出末端气样品分别在室温(26℃)下和半导体在线制冷除湿的温度(-20℃到-50℃)下进行检测。
所述人为正常健康人和糖尿病患者。
本发明采用直接光电离的单光子离子迁移谱在线检测技术，对人呼出气中的丙酮具有非常高的灵敏度和特异性信号响应，可以实时得到呼出气丙酮浓度。本发明通过无创非侵入的呼出气分析检测，通过糖尿病患者呼出气中特异性的标志物丙酮来进行快速的临床诊断，首先将患者的呼出气采集到气袋中，并对其抽样进行检测，实现其高选择性灵敏度检测，响应时间在80ms，定量范围100ppbv-325ppbv，相比于常规的采血检测糖尿病血糖水平的高低，该分析方法具有无创、灵敏度高、检测速度快，不需要任何样品前处理等，并且对于糖尿病人诊断具有非常强的特异性，不需要采血检测，非常适用于糖尿病的床前诊断。呼出气丙酮作为糖尿病患者的特异性标志物和表征指标，糖尿病患者的呼出气丙酮浓度明显高于正常人呼出气丙酮浓度，该分析检测方法对于糖尿病患者的早期诊断以及血糖浓度的评价具有重要的临床科学研究参考价值。
附图说明
图1是一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析析方法结构示意图，其中1为一次性吹气嘴，2为呼出气流速指示灯，3为呼出气的流速传感器，4为呼出气的吹气管，5为二通三位电磁阀，6为一次性的泰德拉采样气袋，7为半导体制冷在线除湿装置，8为光电离正离子迁移谱，9为质量流量计，10为气体采样泵。
图2是不同迁移管温度下呼出末端气丙酮浓度的离子迁移谱图
图3是呼出末端气丙酮浓度的定量曲线
图4是正常人呼出末端气丙酮常温和经半导体制冷除湿后的离子迁移谱图
图5是糖尿病患者呼出末端气丙酮常温和经半导体制冷除湿后的离子迁移谱图
具体实施方式
实施例1
一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法，首先将人的呼出气样品采集于泰德拉气袋中，采集到采样袋中的呼出气样品通过采样泵进入仪器内进行检测；
如图1所示，呼出末端气样品采集于泰德拉气袋中采用的装置由一次性吹嘴、玻璃的呼吸管、呼出气的指示灯以及气体流量传感器、1个二通三位电磁阀以及玻璃出气管组成，玻璃出气管和泰德拉采样气袋密封相连，每次呼气前手动轻按一下呼气指示灯，对采样装置就行启动，当该灯呈红色左右闪动时，表明可以吹气；随后采样者用一次性吹气嘴，当呼出气体由吹气嘴经过呼吸管上设置的流量传感器时，其流速被实时跟踪，当吹气的流速大于设定的阈值时，传感器的信号传递给电磁阀，电磁阀切换气路，受试者呼出的小于流速设置值的前端气体被排出，呼出平台期的末端气体被采集到泰德拉气袋中，采样气袋逐渐变大并经多次吹气后充满。在离子迁移谱中呼出气丙酮经真空紫外灯进行光电离，光电离后产生丙酮(Ac2)的产物离子峰(Ac2H+)，该产物离子在迁移管内正高压模式下迁移到法拉第盘，检测得到其信号强度；由该强度计算出呼出气丙酮的浓度。
实施例2
采用的装置和过程同实施例1，与其不同之处在于：采用单光子光电离直接检测在线检测呼出末端气丙酮，分析响应时间在80ms，受试者通过呼出末端气采集装置以恒定的吹气流速5L/min呼气，并将呼出末端气部分的样品采集到泰德拉气袋中，待后续仪器进行采样半导体在线制冷除湿检测。
光电离离子迁移谱，工作在正离子检测模式，迁移管温度设置在50-130℃，环间电压设置在200-350V，泰德拉采样气袋中的呼出气样品经离子迁移谱的采样泵采样，流量计控制采样的流速(20-200ml/min)，以恒定的流速由迁移管的后端进气口进入到离子迁移管内，在迁移管整个迁移区内和反应区内分布，并在电离区内被光电离电离成样品分子的产物离子，呼出末端气丙酮的产物离子在迁移区内电场作用下到达检测器，电流信号转化成电压信号，检测得到呼出末端气丙酮的离子迁移谱图。如图2所示，在不同的迁移管温度50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃和130℃，对呼出末端气丙酮的产物离子峰的迁移时间和信号强度进行了考察，随着迁移管温度的升高，呼出末端气丙酮的产物离子峰逐渐前移，且离子损失减少信号强度逐渐升高。
实施例3
采用的装置和过程同实施例1，与其不同之处在于：一种检测呼出末端气丙酮浓度用于诊断糖尿病的分析方法，配置呼出末端气丙酮母气浓度6.8ppm，在1L～10L mL/min 的流速范围内通过改变稀释气流速得到33-320ppbv的丙酮样品(100％RH)，丙酮通过抽气采样以一定的流速在离子迁移谱的尾端进入到迁移管中进行检测，对不同浓度的呼出末端气丙酮进行检测，得到呼出气丙酮的离子迁移谱图，经过五次进样分析得到信号强度的平均值，建立呼出末端气丙酮信号强度与呼出末端气丙酮浓度的定量方程，采用不同的浓度呼出末端丙酮样品，分别为33.8ppbv、37.6ppbv、42.2ppbv、48.2ppbv、 51.9ppbv、56.2ppbv、61.3ppbv、67.3ppbv、74.7ppbv、83.9ppbv、95.8ppbv、111.5ppbv、 133.3ppbv、144.7ppbv、165.9ppbv、194.3ppbv、219.4ppbv、272ppbv、323.8ppbv，对应呼出末端气样品检测的丙酮离子峰的信号强度分别为88.5mV、108.5mV、165.7mV、 198.5mV、215.5mV、237.1mV、267.3mV、302.6mV、360.4mV、389.3mV、429.8mV、 478.9mV、529.3mV、543.9mV、572.4mV、592.9mV、618.1mV、638.7mV、649.5mV 而绘制标准曲线，将丙酮浓度与检测得到的丙酮平强度进行拟合得到定量方程为y＝ a*exp(-C/b)+y0，其中a＝-949，y0＝656，b＝65，定量范围为30ppbv-325ppbv，检测限 (LOD，S/N＝3)为2.6ppbv，如图3所示。
实施例4
采用的装置和过程同实施例1，与其不同之处在于：一种检测呼出末端气丙酮浓度用于诊断糖尿病的分析方法，迁移管温度设置为100℃，漂气流速为500ml/min。采集正常人呼出末端气样品于泰德拉采样袋中，将呼出末端气气样品未经过半导体制冷除湿和经过半导体制冷除湿后，通过抽气采样以一定的流速在离子迁移谱的尾端进入到迁移管中进行检测，对呼出末端气气丙酮进行检测，得到正常人呼出末端气丙酮的离子迁移谱图，如图4所示，软件自动读取得到呼出末端气丙酮信号强度。将呼出末端气丙酮的信号强度代入呼出末端气丙酮的定量方程，即可得到呼出末端气丙酮的浓度为56ppbv。试验结果证明经过半导体在线制冷除湿之后，呼出末端气丙酮检测的信号强度和灵敏度明显提高2倍以上。
实施例5
采用的装置和过程同实施例1，与其不同之处在于：一种检测呼出末端气丙酮浓度用于诊断糖尿病的分析方法，迁移管温度设置为100℃，漂气流速为500ml/min。采集糖尿病患者呼出气末端样品于泰德拉采样袋中，将呼出末端气样品未经过半导体制冷除湿和经过半导体制冷除湿后，通过抽气采样以一定的流速在离子迁移谱的尾端进入到迁移管中进行检测，对呼出末端气丙酮进行检测，得到呼出末端气丙酮的离子迁移谱图，如图 5所示，软件自动读取得到呼出末端气丙酮信号强度。将呼出末端气丙酮的信号强度代入呼出末端气丙酮的定量方程，即可得到呼出末端气丙酮的浓度C为310ppbv。试验结果证明经过半导体在线制冷除湿之后，呼出末端气丙酮检测的信号强度和灵敏度明显提高2-3倍。此外，试验结果发现无论是经过除湿和未除湿之后检测的糖尿病患者的呼出末端气丙酮浓度均高于正常人呼出末端气丙酮浓度，检测呼出末端气丙酮浓度可用于糖尿病患者诊断。

Claims (5)

1.一种检测呼出末端气中丙酮浓度的分析方法，其特征在于：首先将人的呼出末端气即肺泡气(先尽力吸气并平和呼气后，再用最大力量呼出的气体)样品采集于泰德拉气袋中，采集到采样袋中的呼出气样品通过采样泵以及在线半导体制冷除湿后进入仪器内进行检测；在离子迁移谱中呼出气丙酮经真空紫外灯进行光电离，光电离后产生丙酮(Ac2)的产物离子峰Ac2H+，该产物离子在迁移管内正高压模式下迁移到达法拉第盘，检测得到其信号强度；由该峰强度计算出呼出末端气丙酮的浓度。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：呼出末端气样品采集于泰德拉气袋中，采用的装置由一次性吹气嘴、玻璃的呼吸管、呼出气的指示灯以及气体流量传感器、一个三通两位电磁阀以及玻璃出气管组成，玻璃吹气管和泰德拉采样气袋密封相连，每次呼气前手动轻按一下呼气指示灯，对采样装置进行启动，当该灯呈红色左右闪动时，表明可以吹气；随后被采样者用一次性吹气嘴，当呼出气体由吹气嘴经过呼吸管上设置的气体流量传感器时，其流速被实时跟踪，当吹气的流速大于设定的阈值时，传感器的信号传递给电磁阀，电磁阀切换气路，被采样者呼出的小于流速设置值的前端气体被排出，呼出末端的气体被采集到泰德拉气袋中，采样气袋逐渐变大并经1次或多次吹气后充满。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：光电离离子迁移谱，工作在正离子检测模式，迁移管温度设置在20-150℃，环间电压设置在200-350V，泰德拉采样气袋中的呼出末端气样品经离子迁移谱的采样泵采样，流量计控制采样的流速，以恒定的流速(20-200ml/min)经半导体制冷在线除湿后，由迁移管的后端进气口进入到离子迁移管内，在迁移管整个迁移区内和反应区内分布，并在电离区内被光电离电离成样品分子的产物离子，呼出气丙酮的产物离子在迁移区内电场作用下到达检测器，电流信号转化成电压信号，检测得到呼出气丙酮的信号强度，将呼出气丙酮的信号强度代入呼出气丙酮的定量方程，得到呼出气丙酮的浓度；定量曲线是采用不同已知丙酮浓度呼出气样品检测的丙酮离子峰的信号强度而拟合绘制的定量曲线，获得的定量方程y＝a*exp(-C/b)+y0，其中a＝-949，y0＝656，b＝65。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：呼出末端气样品分别在室温(26℃)下和半导体在线制冷除湿的温度(-20℃到-50℃)下进行检测。
5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述人为正常健康人和糖尿病患者。
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