CN101208600A

CN101208600A - 分析生物尿液中微量有机物质的系统与方法

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Publication number: CN101208600A
Application number: CNA2005800502562A
Authority: CN
Inventors: 张安之
Original assignee: Blincofa Biomedical Tech Corp
Current assignee: Blincofa Biomedical Tech Corp
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2008-06-25
Also published as: WO2007006180A1; US20090152131A1; US8092669B2

Abstract

一种分析尿液中微量有机物质的系统，包括极谱仪、石墨电极、金属电极和信息分析装置。该信息分析装置包括存有判断标准模块的存储器、对比模块及显示器。该系统用于检测尿液，并将由极谱仪产生的极谱图储存到存储器中，利用对比模块将图形数据与标准模块进行比较，得出尿液中所含有机物质的成分和数量，并显示结果。

Description

技术领域

本发明涉及一种分析生物尿液中微量有机物质的系统，特别是涉及一种有关于使用固态电极的极谱仪 (Polarography)技术，对尿液中的有机化合物进行种类和浓度的测量，本发明所揭示的方法可以提供生物体的生理上的信息，以供作进一步的分析与判断用途。背景技术

生物体的代谢反应，不论是饮食、生病、用药、脏器的生理病变等等，都会表现于生物体尿液中微量有机物质的种类和含量的变化上面。以人类为例，例如怀孕与否、是否有吸毒、类固醇的服用、爱滋病的感染等等，都有相关的尿液检测技术和产品。而不单单是人类和动物，如兽医或是畜牧，都会应用到尿液检测的技术。因此可知，尿液中微量有机物质的检测，为一种诊断生物体生理况状上重要的技术。在尿液检测技术的开发上，主要的困难点在于如何在成分复杂的尿液检体中，检测某几种微量的、特定的有机物质。在各种检测技术中，电化分析中的极谱仪 (Polarography)检测法，为一种在特殊条件下，对待测物质的溶液进行电解，并对所得到的电流一电压曲线进行分析的方法。其理论基础在于对待测物质的电解物质，进行电观测，并依照对电的依赖性，判断该受测物的性质和数量。极谱仪包含有两个电极：参考电极和工作电极。测试时，需将受试物置于电解液中，接上该电极进行电解后，以收集电解质作为判断的依据。

极谱仪不仅可以分析周期表中的元素，也可以分析大部分的有机物质。例如，单醣、开放而非环状的酮或酴类、一些纯氨基酸，例如：半胱氨酸（CYSTEINES组氨酸（HISTIDINE)、天门冬氨酸（ASPARTIC ACID ) , 精氨酸（ARGININE )、天冬酰胺（ ASPARAGINE )、蛋氨酸 (METHIONINE)等等。此方法同时可以定性和定量，并在同一实验中测出不同的物质，具有高度的感度和精确性。和其它方法相比较，则具有较快速的特点，且结果较为客观，可自动获得信息，也可测微量溶液和生物的体液，而这一些检测的结果，便可以提供信息给实验者来对受检测的生物体的生理状况进行判断。

传统式极谱仪（classical polarography)的构造，如图 1所示，在电解池 03中装有待测溶液，其中浸入滴汞电极 01和甘汞电极 02。此时，甘汞电极 02为阳极 (参考电极），滴汞电极 01则为阴极 (工作电极)。滴汞电极是由蓄汞槽 011通过橡皮管 012与毛细管 013相连接而组成的。通过调节蓄汞槽的高度可调节汞滴下落的速度，一般为每 10秒 2〜3滴。 '

电解时，加一电位差于该两个电极上，并以电压计 04指示其数值，电流计 05记录相应的电流值。然而，汞有很多的缺点，如危险性高，特别是使用于实验或临床上，极不适用。汞造成很多急慢性疾病，因此汞的工乍地点，必需隔离，也必需有特别的设备，否则会产生危险，且汞的蒸气在不通风的工作场所，也将造成大问题。在工业上，当电压超过 0. 3伏特时也无法使用，因为此时将会发生汞阳离性的溶解，当电解速度增加时，汞从毛细管中流出，示波器上所显示的半波电位在示波器的进程中，半波电位产生，并且在时间轴的变换中，电脉冲已经达到另一滴汞，汞液滴的伸展常常不允许在需要的电场进行分析，也无法从示波器中显示出来。在其它同样的条件之下，汞液滴的间隔，将随着所失电位的大小而定，如此一来，在副电压扩大得大于电微管极大值，极谱仪就产生扩散电流的下降，装置电流常是阻碍的因素，汞液滴无法跟得上电极的反应，换言之，检测的速度是受限的。另外，在高温时汞很快的蒸发，蒸发的汞也会带走部分的待测物质，这对于微量物质的捡测上，会造成检测结果不精确的问题。

除了因使用汞电极而产生的问题，传统式极谱仪仍有其它缺点，那就是在结果分析上，检测者需读取电流计、电压计所显示的数值或指针作为判断。此缺点在于：第一，精确度的不足，以电流计、电压计所显示的指针或波形来进行辨别，这基本上仍是一种 "目测"的方法，较小的波形与指针变化将无法被检测者所辨别。第二，因为波形的观察准确度，与观察者的经验有关，所以需要较长的时间来培训操作人员。第三，不同的检测者对相同的波形的解释，可能会出现些微的差异，检测的结果无法客观化。

总合上述，我们可知在传统技术中，采用汞作为电极的极谱仪，在大量临床应用上所具有的一些问题，还有显示检测结果的显示器，例如示波器，在检测结果的判断和分析上，仍存在有不够精确，以及需要较长时间来培训操作人员的问题，尚未可称为可大量应用于临床上。因此，如何解决汞电极的问题与提升 "分析检测结果"的能力，便是我们所需面对与克服的问题。发明内容

本发明的目的，在于提出一种分析尿液中微量有机物质的检测系统，该检测系统为一种使用固态电极极谱仪 (polarography) ,或结合该固态电极极谱仪和计算机信息科技的系统，特别是结合固态电极极谱仪和计算机信息科技的系统，能够通过对比 "所测得的极谱图"和 "判断标准数据"，自动的分析出检测的结果。

本发明的另一目的，在于提出一种分析尿液中微量有机物质浓度的检测系统，利用极谱仪，具有至少一个连接端；石墨电极，透过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为工作电极；及金属电极，通过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为参考电极，利用本系统可以检测尿液中微量有机物质如：单醣、开放而非环状的酮或酴类、一些纯氨基酸的浓度等。

固态电极极谱仪的检测系统，该极谱仪使用除气填充工艺加工的石墨电极作为工作电极，在使用该检测系统时必需要经过下面几个步骤： 1.收集生物的尿液作为捡体，该生物体可以是人类或是家畜；

2.利用该固态电极极谱来检测该尿液，并得到极谱图；

3.检测人员依其知识和经验，由该极谱图上的电压一电流波形，得知受测生物尿液中微量有机物质的种类和浓度；

4.由该 "尿液中微量有机物质的种类和浓度"来判断该生物的生理状态。

由于极谱图的波形，不外乎是一种随时间变化的电压一电流信号，完全可以利用电子信息科技来将之读取、记忆并储存于计算机系统中，因此，将该固态电极的极谱仪，与计算机系统相连接，通过如 RS232, USB…这一类的通讯接口，将极谱图的波形数值传送至该计算机系统内并储存于存储器中，而后，利用对比模块，将该极谱图与 "判断标准数据"做比较，该判断标准数据是一种能据以判断该极谱图所对应的生理状况的数字或图形。如此，便可以利用电子信息科技，来自动分析检测结果，以此来辅助，或是取代原先的判断方法。附图说明

图 1为公知的极谱仪。

图 2为应用于本发明的分析尿液中微量有机物质的系统的示意图。图 3为应用于本发明的自动分析尿液中微量有机物质的系统的

图 4为应用于本发明的自动分析尿液中微量有机物质的系统的对比流程图。

主要部分代表标记说明

〔公知〕

01：滴汞电极

011：蓄汞槽

012：橡皮管 013：毛细管 02：甘汞电极

03：电解池 04：电压计 05：电流计 06：极谱仪

07：金属电极 (参考电极） 08：石墨电极 (工作电极）〔本发明〕

10：极谱仪 31：尿液检体 40：信息分析装置

50：波形存取模块

60：存储器

70：对比模块

80：判断标准模块

90：对比结果

100：显示器

步骤 110: 采集尿液检体的步骤

步骤 120: 将尿液检体置入极谱仪的参考电极与工作电极以产生电压一电流信号的步骤

步骤 130: 将电压一电流信号传至计算机装置以产生极谱图 a 的步骤

步骤 140: 将极谱图 α记录至记忆装置内的步骤

步骤.15Q: 以对比模块并依判断标准来分析极谱图 α的生理状况的步骤

步骤 160: 于显示器上显示比较后的结果的步骤具体实施方式

<实施例一，分析尿液中微量有机物质的系统 >

如图 2所示，该图为分析尿液中微量有机物质的系统的示意图，其中包含极谱仪 06 (将图 1中的极谱仪原有的电压、电流计、电压计等等组件与电路整合于一个机壳中），其阳极通过导线，连接有金属电极 07 (参考电极），该极谱仪 06的阴极，则连接有石墨电极 08 (工作电极）。利用本系统可以捡测尿液中微量有机物质如单醣、开放而非环状的酮或酸类、一些纯氨基酸例如：半胱氨酸（CYSTEINE)、组氨酸（HISTIDINE)、天门冬氨酸（ASPARTIC ACID).精氨酸（ ARGININE)、天冬酰胺（ASPARAGINE)、蛋氨酸（METHIONINE) 等的浓度，同时为利于判读，极谱仪 06进一步可以包含连接输出装置如：一般的打印机或显示器等。

该石墨电极 08的制造方法，经过. "除气填充工艺"的加工，该除气填充工艺包含有-

1、除气工艺：利用真空系统将该石墨电极结构中的空气分子除去；

2、填充工艺：将填充物，填入该石墨电极结构的空隙中。此"除气填充工艺"的目的，是除去石墨电极结构中的空隙里的空气，以减少这一些会干扰电解反应的分子，另一目的是抽去这些存在于石墨电极空隙中的空气分子，也有利于填充物去填满该石墨电极结构上的空隙，使空气不致于再度进入这些空隙中。

<实施例二，自动分析尿液中微量有机物质的系统>

请参见图 3，该图为自动分析尿液中微量有机物质的系统。其中，极谱仪 10，其连接有经加工后的石墨电极 (工作电极) 08。该石墨电极 08的主材料为石墨，其它亦可为玻璃石墨、石碳膏，以及光谱碳等。该石墨电极 08的外缘，涂布有一层填充物，于本实施例中，该填充物为石蜡，其它的等同物如：蜡、胶水、松脂等。

金属电极 (参考电极) 07 的材料，本实施例中采用铝，其它等同物如：金、白金、银、钛、钼、钒、钨、硬铝…。该金属电极 07被制造成杯状，其内装有尿液检体 31。该石墨电极 08则浸入该尿液检体 31中（但不与该金属电极 07接触）。

该极谱仪 10，与信息分析装置 40相连接，该信息分析装置 40 中，包含有波形存取模块 50，该波形存取模块 50可以随时间的变化，读取该极谱仪 10上的电压一电流值 (即极谱图），并将所得的极谱图，储存于存储器 60中。

对比模块 70，连接于该存储器 60，可以读取该存储器 60中所储存的极谱图，而和判断标准模块 80中的数字或图形来做对比，以得到对比结果 90，并输出该对比结果 90于显示器 100，该显示器 100 可以是计算机屏幕、打印机，或是有线、无线网络系统，如此便可以把结果输出于远距的另一端点。

该判断标准模块 80, 是一种能据以判断该极谱图所对应的生理状况的分析标准，其来源是通过检测生理状况已知的受测人，而得到的极谱图。其取得的步骤如下所示：

1.找一群已确定其生理状况的受测人若干，例如已知其感染有特定的病毒、或是服用有特定的药物…； 2.依标准的医学临床实验的方法，收集该受测人的尿液，并以该固态电极的极谱仪检测之；

3.将所得的极谱图储存于该信息分析装置 40中，并分别记录各极谱图所对应的生理状况，以成为 "极谱图一生

. 理状况数据库"，作为该判断标准模块 80。

本实施例中更具体的实施方式，首先，由该波形存取模块 50，于每 0. 001秒读取一次该极谱仪 10所测得的极谱图，一共读取 5秒，总共 5000个电压一电流值。该 5000个数据，即为尿液检体 31的极谱图波形数据，为描述上的便利起见，我们简称之为极谱图 α。

该判断标准模块 80中，记录有各种生理状况的极谱图 Ν张。对比模块 70，其功能用于比较该极谱图 α 和 "判断标准模块 80中的波形数据"，简单的说就像是 "查阅索引"。请参考图 4，为本发明实施例的对比流程图，首先采集尿液检体 31 (步骤 110)，并将该尿液检体 31置入至该极谱仪 06的参考电极 07与工作电极 08浸入于该尿液检体 31中，而产生电压一电流信号 (步骤 120)，该电压一电流信号通过极谱仪 10传送至计算机装置，产生极谱图 α (步骤 130)，并将该极谱图 α记录至记忆装置内（步骤 140) , 以对比模块 70依判断标准模块 80，来分析该极谱图 α辨别受检生物的生理状况 (步骤 150)，假设该极谱图 α ,被该对比模块 70判断为与该判断标准模块 80中的第 X个波形数据相似，而该第 X个波形数据，来自于具有某特定异常生理状况的生物体的尿液检体，如此，则代表该尿液检体 31的提供者 Ρ (受测者 Ρ)，亦应有同样于该异常生物体的生理状况，最后于显示器显示比较后的结果 (步骤 160) 。

该对比模块 70具体的比较方法，于本实施例中，其程序为：

1.由存储器 60中，读取该极谱图 α；

2.将该极谱图 α的 5000.个数据，与该判断标准模块 80中的第 1张极谱图的 5000数据分别相减，并分别取绝对值。如，取该极谱图 α的第 1个数据，与该判断标准模块 80中的第 1张极谱图的第 1个电压值相减后，取得第 1 个绝对值，如此重复至做完 5000个电压值数据的相减和，和取得 5000个绝对值；

3.将该 5000个绝对值相加，记为第 1个差异值；

4.重复第 2、第 3步骤，直至比较完该判断标准模块 80中全部的极谱图。此时，若该判断标准模块 80中有 1000 张极谱图，就有 1000个差异值数据，各自对应于该判断标准模块 80中的 1000张极谱图；

5.将各个差异值，依大小排序；

6.取差异值最小的 10个，并将其所对应于该判断标准模块 80中的极谱图，连同所对应的生理状况，传送至对比结果 90;

7.显示该对比结果 90。

本实施例中，该信息分析装置 40中的各种模块，可以为硬件也可以为软件，这点对信息领域的人士而言，都是用熟悉的技术便可实现的。

对比模块 70的对比方法，于本实施例中采用绝对值相加的方法。然而，在数学运算上，判断差异大小的方式并非仅此一种，例如将相减的差值取平方数后再相加的方法，亦为所属技术领域的技术人员所熟知，应视为本发明的等同范围。

判断标准模块 80中的数据，亦可以是各种生理状况的极谱图的特征，而非全图，对比模块 70在进行对比时，便可针对这一部分的特征来进行，以更精确地进行分析。

另外，运用本发明，还可以利用网络信息技术作大规模及区域性的生物体测量与信息统计工作，以了解与分析群体生物体的异常生理状况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实施范围。所属技术领域的技术人员应明白各种不同的实施例与变化得在不脱离本发明的总的思想与范围下施行，本发明的范围乃由权利要求所限定，与本发明的权利要求意义相等及在权利要求范围之内所做的各种修改均被视为包含于本发明的权利要求内。

Claims

权利要求

1. 一种分析尿液中微量有机物质的系统，其特征是至少包含：极谱仪，具有至少一个电路连接端；

石墨电极,通过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为工作电极; 金属电极,通过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为参考电极; 及

信息分析装置，连接于该极谱仪的一电路连接端，用以输出自动分析的信息结果。

2..根据权利要求 1所述的分析尿液中微量有机物质的系统，其特征是该信息分析装置进一步包含有 - 波形存取模块，连接于该极谱仪的输出端，可读取储存该极谱仪所测得的极谱图 α ;

存储器，连接于该波形存取模块，可储存该极谱图 α；判断标准模块，存有可据以判断该极谱图 α所对应的生理状况的标准；

对比模块，连接于该存储器和该判断标准模块，可以读取该存储器和该判断标准模块中的数据，以进行对比，并输出对比结果；及 . 显示器，可以显示该对比结果。
3.根据权利要求 1所述的分析尿液中微量有机物质的系统，其特征是该石墨电极的材料是选用自一般石墨、玻璃石墨、石碳膏及光谱碳。
4. 根据权利要求 1所述的分析尿液中微量有机物质的系统，其特征是该金属电极的材料是选用自铝、金、白金、银、钛、钼、钒、钨、硬铝及合金。
5.根据权利要求 2所述的分析尿液中微量有机物质的系统，其特征是该判断标准模块中的数据，为由已知生理状况的受测者的极谱图数据所建立。
6. 一种分析检测尿液中微量有机物质的方法，其特征是使用改进的极谱仪与相对的数据分析技术，其分析步骤包含：

釆集尿液检体；

将该尿液检体加入至该极谱仪的参考电极及将该极谱仪的工作电极浸入于该尿液检体中，使得工作电极与该参考电极之间产生电压一电流信号；

将该电压一电流信号通过极谱仪传送至计算机装置，产生极谱图 α；

将该极谱图 α记录至记忆装置内；

以对比模块，依判断标准，来分析该极谱图 α辨别受检生物的生理状况；及

于显示器显示比较后的结果。
7.根据权利要求 6所述的分析检测尿液中微量有机物质的方法, 其特征是该以对比模块，依判断标准，来分析该极谱图 α辨别受检生物的生理状况的步骤进一步包含：

由该存储器中，读取由该波形存取模块所记录的该极谱图 α _; 将该极谱图 α，与该判断标准模块中的数据分别比较，以得出差异值；及

取至少一个，差异值最小的波形数据，作为比较的结果。
8. 根据权利要求 6所述的分析检测尿液中微量有机物质的方法，其特征是该以对比模块，依判断标准，来分析该极谱图 α辨别受检生物的生理状况的步骤进一步包含：

该对比模块读取该记忆装置中的极谱图 α，并与判断标准模块中的多张极谱图分别相减并取差异的绝对值；及

选出差异最小的一个，作为对比的结果。
9. 一种分析尿液中微量有机物质系统的检测装置，其特征是至少包含：

极谱仪，具有至少一个连接端；

石墨电极，通过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为工作电极；及

金属电极，通过导线连接于该极谱仪的一连接端，作为参考电极。
10.根据权利要求 9所述的分析尿液中微量有机物质系统的检测装置，其特征是该极谱仪进一步包含连接有输出装置。