CN100431641C - 利用反向离子电渗检测血液中尿素水平的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及与反向离子电渗的新应用相关的装置。具体地说，本发明的装置利用直流恒电源和最适条件由预先测定的接触面积来单独确定或推测人血液中的尿素水平，该装置包括：置于前臂的皮肤表面上的阳极；装有等渗的盐溶液和阴极的容器，阴极插入所述容器中；电源，该电源与阳极和阴极相连以在阳极和阴极之间形成电路，借此，使尿素分子由血液迁移进入所述容器中，这种迁移比被动扩散的通量大得多且速度快得多，其特征在于，由含有尿素酶的所述溶液的pH变化来确定尿素含量水平，以此推测血液中的尿素水平。尿素水平的检测和确定对肾功能不全的患者、新生儿、孕妇以及流行病学筛查都是非常重要的。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用反向离子电渗检测人体血液中尿素水平的方法和一种使用该方法的尿素检测装置——尿素计，具体地说，通过含有尿素酶的溶液的pH变化来测定尿素的含量以推测血液中的尿素水平。
尿素水平的检测和确定对肾功能不全的患者、新生儿、孕妇以及流行病学筛查都是非常重要的。
背景技术
已经进行了检测和确定人体血液中尿素水平的各种尝试，其中包括基于生物学的方法和人体血液采样。
这些传统上使用的方法提供一些比较好的人体血液中尿素水平检测结果。然而就如本领域普通技术人员所承认的那样，由于这些已使用的方法涉及生物样品或血样的采集以及随后对样品进行分析以确定血液中尿素水平，所以这些操作中存在包括微生物污染、栓塞及导致患者疼痛在内的一些缺点。
所述操作的风险并不仅仅限于前述操作的风险，这是因为采集血样对糖尿病、血友病患者或一些凝血障碍患者，尤其是对血友病患者特别重要。
考虑到感染的风险及从新生儿和婴儿中进行所述血样采集的困难性，在新生儿和婴儿中实施的所述操作具有更多的缺点。
在尿毒症的流行病学筛查中，存在混淆血样/注射器而导致更为严重的感染污染的可能性。
对于孕妇而言，目前的操作显然存在另一个缺点，因为从患者身上采集血样本身也造成额外的不适和麻烦。
为了实施随后的透析而频繁地采集血样，尿毒症患者的身心受到不良的影响。
本发明涉及反向离子电渗。所述方法曾用于例如专利申请WO03000340中，该专利申请公开了一种无创确定生物体系中两种物质的相对水平的方法，该方法包括以下步骤：通过反向离子电渗从所述生物体系中提取带电荷和不带电荷的物质。
WO 03000340仅公开了反向离子电渗在生物体系方面的应用，但没有教导或提出用于检测和确定人体血液中尿素水平的任何方法。
WO 03010538公开了一种通过增加反向离子电渗流而例如透过皮肤无创提取带电荷和不带电荷的永久分子的方法及装置。
因此，WO 03010538没有提供有关检测和确定人体血液中尿素水平的方法的任何启示。
从所附参考文献列表报道的不同应用中，已知离子电渗的用途是使一些化合物透过人体皮肤或增强其渗透性。然而，反向离子电渗是用以从血液中提取葡萄糖进而检测血糖水平。
发明内容
本发明的目的是安全且无任何污染风险地检测和确定人体血液中的尿素水平。
本发明的另一目的是无痛检测和确定人体血液中的尿素水平。
本发明进一步的目的是监测人体血液中的尿素水平。
一方面，本发明涉及一种与反向离子电渗的新应用相关的装置，该装置利用直流恒电源和最适条件由预先测定的接触面积来单独确定或推测人血液中的尿素水平，该装置包括：置于前臂的皮肤7表面上的阳极6；装有等渗的盐溶液和阴极4的容器，阴极4插入所述容器中；电源1，该电源1与阳极6和阴极4相连以在阳极6和阴极4之间形成电路，借此，使尿素分子由血液迁移进入所述容器中，这种迁移比被动扩散的通量大得多且速度快得多，其特征在于，由含有尿素酶的所述溶液的pH变化来确定尿素含量水平，以此推测血液中的尿素水平。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，使用含有采集介质的凝胶替代所述溶液。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，设置由软件控制的微型计算机来确定血液中的尿素水平。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，阳极6、装有溶液5和阴极4的容器3、以及电源1装配于手表式装置内。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，所述的手表式装置还包括防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的膜。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，所述的手表式装置还包括防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的血液透析膜。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置还包括用于执行以下步骤的部件：测定所述皮肤的电特性变化以确定尿素水平。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置还包括用于执行以下步骤的部件：测定所述容器中溶液的电特性变化以确定尿素水平。
另一方面，本发明涉及一种与反向离子电渗的新应用相关的装置，其利用直流恒电源和最适条件由预先测定的接触面积来单独确定或推测人体血液中的尿素水平，其特征在于，该装置被设计为手表式结构并包括：阳极；与皮肤表面接触的溶液，该溶液含有氯化钠和尿素酶；装有溶液的容器；防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的透析膜；位于皮肤另一侧的阴极；检测含有尿素酶的所述溶液中的pH变化的pH测量装置；电池，该电池与所述阳极和阴极相连以向所述阳极和阴极提供直流电，以此使尿素分子由血液迁移进入所述容器中，这种迁移比被动扩散的通量大得多且速度快得多；和由软件控制的微型计算机，该微型计算机用于根据所测定的pH的变化，确定血液中的尿素水平。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，使用含有采集介质的凝胶替代所述溶液。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，所述阴极安装在所述被设计为手表式结构的装置的表带上。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，所述微型计算机根据所述皮肤的电特性变化确定尿素水平。
在本发明的一个实施方案中，所述与反向离子电渗的新应用相关的装置的特征在于，所述微型计算机根据所述容器中溶液的电特性变化确定尿素水平。
采用本发明，不需要采集患者的血样或其他生物样品，就能够在非常短的时间内得知血液中的尿素水平。
在离子电渗过程中，利用电流(产生电势梯度)，根据所施加的电流和电荷可将离子(带净电荷以及部分带电的分子或原子)运送到膜的另一侧，而且这可由离子电渗控制。在膜的两侧设置电极或类似器械，并根据需要施用合适的电流或电势(直流电或交流电；方波、正弦波或三角形波；或甚至不同频率和/或持续时间)。
溶液中的离子根据其所带电荷进行迁移，而且它们的运动与电流相对应。比如，阳离子向阴极侧迁移，反之亦然。带电离子按照电流迁移时，也带动不带电荷的分子伴随它们一起迁移。这样，由膜一侧迁移到其另一侧的这种移动引起一种流动，从而产生了湍流(这就是所谓的电渗流)。因此，由于不带电的微粒(原子/分子)被带进这种涡流或流动中，因而也能够穿过膜，其通过的速度比被动扩散快得多。
附图说明
图1显示尿素分子的结构；
图2显示尿素分子的迁移情况；
图3显示本发明中与反向离子电渗的新应用相关的装置；
图4显示本发明的反向离子电渗获得的结果与血液中尿素水平之间的相关性；
图5显示患者血液中的尿素水平与本发明实验中获取的pH值之间的相关性。
具体实施方式
尿素分子结构如图1所示，虽然已知它是不带电荷的分子，但是在该分子上存在一些局部电荷。如图2所示，根据已进行过的实验，由于尿素分子上存在局部正电荷，因此当其出现在阳极侧时，发现它的转运速度比被动扩散高。也存在电渗流部分地影响这种迁移的可能性。然而，在迁移过程中，如果溶液中存在其他如钾和钠之类的带电小离子时，迁移速率降低；但是此时的这种迁移仍然比被动扩散的通量大得多且速度更快。
以人皮肤7作为所述膜重复了这些实验，并获得了同样的结果。所以，由于尿素分子部分带正电荷(+)，故可应用“反向离子电渗”。为此，可在前臂皮肤7表面上直接放置阳极6，即正电极6，并在邻近该阳极的地方将阴极4(即负电极4)插入装有等渗的盐溶液5的容器3中。当用电源1产生电流时，尿素分子即从血液迁移到处于外界的容器3中(图3)。其迁移量与所施用的电流和所用面积成正比。
在进行实验时，将10ml等渗的盐溶液放入容器3中，容器的面积为12.5cm2；由安培计2测得，供应的电流为1000μA(微安培)，施用时间为5分钟。停止供电后确定溶液中的尿素值。根据上述对反向离子电渗方法的说明，对志愿者实施了这些实验；取出积聚了尿素的容器3中的溶液5并确定该溶液中尿素的量。
该溶液中的尿素水平在生物化学实验室用尿素酶法分析。在该分析过程中，加入反应试剂后在波长305nm(纳米)处测量紫外吸光度；将测量的吸光度值代入换算公式进行计算，所确定的尿素水平的单位为“mg/dl(毫克每分升)”。将用反向离子电渗获得的结果与血液中尿素水平进行比较(在电流、面积和时间间隔等其它条件保持恒定时)，发现两种方法具有明确的相关性(图4)。
在该系统中，根据尿素酶引起的pH值的变化测算进入溶液5的尿素的量。尿素酶是尿素的特异性酶；当它遇到尿素时产生NH3，从而升高溶液的pH值。这与尿素的量直接相关。在5ml通过反向离子电渗过程获得的溶液(含有经患者皮肤渗析出的尿素)中加入1ml的含有1％尿素酶的等渗盐溶液。反应10分钟后，测量这一新混合溶液的pH值。图5显示了患者的血液中尿素水平和我们实验中获取的pH值之间的相关性。在该实验中，阴阳电极组成分别为氯化银(AgCl)和银(Ag)；这些电极不引起pH值的任何变化，而且也可使用例如铜(cupper)、钒(wanadium)、钢和金等其他电极。
替代性地，溶液中尿素水平的测定可通过用分光光度法测定该尿素水平或通过测定皮肤电特性的变化来进行，以替代上面提到的测定pH值变化的方法。
利用一种装置实施本发明范畴内的所述方法，该装置是一种类似手表的装置，或可称之为尿素计(尿素表)。该尿素表包括阳极6和含有NaCl(氯化钠)和尿素酶的溶液，该溶液装在与皮肤7表面接触的表壳箱3内。该表还包括防止溶液发生任何泄漏并可让尿素迁移穿过的透析膜(这个膜可以是血液透析膜)；皮肤7的另一侧具有阴极4，该阴极可安装在表带上。必须存在pH测量仪和提供电流的电池。
在另一个实施方案中，可利用含有采集介质(collection medium)的凝胶替代上面提及的溶液。还有能够测量血液中尿素水平和预标定pH值的微型计算机/微型处理器及软件，其可用于显示血液中的尿素水平。
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Claims (13)
1、一种与反向离子电渗的新应用相关的装置，该装置利用直流恒电源和最适条件由预先测定的接触面积来单独确定或推测人血液中的尿素水平，该装置包括：置于前臂的皮肤(7)表面上的阳极(6)；装有等渗的盐溶液和阴极(4)的容器，阴极(4)插入所述容器中；电源(1)，该电源(1)与阳极(6)和阴极(4)相连以在阳极(6)和阴极(4)之间形成电路，借此，使尿素分子由血液迁移进入所述容器中，这种迁移比被动扩散的通量大得多且速度快得多，其特征在于，由含有尿素酶的所述溶液的pH变化来确定尿素含量水平，以此推测血液中的尿素水平。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，使用含有采集介质的凝胶替代所述溶液。
3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，设置由软件控制的微型计算机来确定血液中的尿素水平。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，阳极(6)、装有溶液(5)和阴极(4)的容器(3)、以及电源(1)装配于手表式装置内。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的手表式装置还包括防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的膜。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的手表式装置还包括防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的血液透析膜。
7、如权利要求1所述的装置，其还包括用于执行以下步骤的部件：测定所述皮肤的电特性变化以确定尿素水平。
8、如权利要求1所述的装置，其还包括用于执行以下步骤的部件：测定所述容器中溶液的电特性变化以确定尿素水平。
9、一种与反向离子电渗的新应用相关的装置，其利用直流恒电源和最适条件由预先测定的接触面积来单独确定或推测人体血液中的尿素水平，其特征在于，该装置被设计为手表式结构并包括：阳极；与皮肤表面接触的溶液，该溶液含有氯化钠和尿素酶；装有溶液的容器；防止溶液发生任何泄漏和允许尿素迁移穿过的透析膜；位于皮肤另一侧的阴极；检测含有尿素酶的所述溶液中的pH变化的pH测量装置；电池，该电池与所述阳极和阴极相连以向所述所述阳极和阴极提供直流电，以此使尿素分子由血液迁移进入所述容器中，这种迁移比被动扩散的通量大得多且速度快得多；和由软件控制的微型计算机，该微型计算机用于根据所测定的pH的变化，确定血液中的尿素水平。
10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，使用含有采集介质的凝胶替代所述溶液。
11、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阴极安装在所述被设计为手表式结构的装置的表带上。
12、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微型计算机根据所述皮肤的电特性变化确定尿素水平。
13、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微型计算机根据所述容器中溶液的电特性变化确定尿素水平。
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