CN103149190A - 卫生间智能保健检测系统 - Google Patents
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Abstract
卫生间智能保健检测系统，涉及一种适用于卫生间的检测设备。设红外开关、电化学生物传感器、光纤生物传感系统、气体传感器和电脑；红外开关输出端分别与电化学生物传感器、光纤生物传感系统和气体传感器输入端连接；电化学生物传感器设尿酸传感器和尿胆固醇传感器，尿酸传感器的尿酸信号输出端和尿胆固醇传感器的尿胆固醇信号输出端分别与电脑的输入端口连接，光纤生物传感系统设光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器，光纤生物葡萄糖传感器的尿糖信号输出端和光纤生物尿酸传感器的尿酸信号输出端分别与电脑的输入端口连接；气体传感器的气体浓度信号输出端与电脑的输入端口连接；电脑的输出端口与红外开关连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于卫生间的检测设备，尤其是涉及一种可进行人体尿液中尿糖、尿酸、尿胆固醇以及卫生间氨气浓度等参数快速检测和实时显示的卫生间智能保健检测系统。
背景技术
随着生活节奏的加快，越来越多的人处于亚健康状态。每年数以百万计的人死于可预防的疾病。人体各项生理指标的异常往往是病变的征兆，如较高的尿酸水平常见于痛风和Lsch-Nyhan氏综合症，而脑出血、心功能衰竭等疾病的猝发则伴随着血压异常，尿糖浓度的实时监测对全球1.2亿的糖尿病患者来说至关重要。传统的检测方法需要前往医院使用大型器械设备，而医院检测程序复杂费时，不利于实时在线的预防与监测。而目前家用型检测设备精度低，价格高昂，难以普及。结合多种原理和方法的无创性实验诊断学（Non-invasivediagnostics）对机体体液（血液、尿液、汗液）进行检测，可以不引起机体损伤和疼痛便而得到所需实验结果，适用于人体日常生理指标的自身监测。日本TOTO公司于2011年推出了一款概念型智能马桶，通过尿样检测血糖浓度，同时配有血压计、体温计和嵌入地板的体重计，并通过液晶屏显示上述监测结果。此套系统价格约为4万人民币，难以普及，且功能较为单一。中国专利200620124789.2公开一种带有身体健康检测仪的座便器，其亦能实施进行一般尿液检测，但该专利并未涉及具体检测指标的各个传感器的制备。
市面上用于人体无创尿糖检测的装置很少，联合尿糖、尿酸、尿胆固醇等多项指标且适合家庭和公共场合的经济实用型快速检测和实时显示系统尚未见到。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可进行人体尿液中尿糖、尿酸、尿胆固醇以及卫生间氨气浓度等参数快速检测和实时显示的卫生间智能保健检测系统。
本发明设有红外开关、电化学生物传感器、光纤生物传感系统、气体传感器和电脑；所述红外开关的输出端分别与电化学生物传感器的输入端、光纤生物传感系统的输入端和气体传感器的输入端连接；所述电化学生物传感器设有电化学生物尿酸传感器和电化学生物尿胆固醇传感器，所述电化学生物尿酸传感器的尿酸信号输出端和电化学生物尿胆固醇传感器的尿胆固醇信号输出端分别与电脑的输入端口连接，所述光纤生物传感系统设有光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器，所述光纤生物葡萄糖传感器的尿糖信号输出端和光纤生物尿酸传感器的尿酸信号输出端分别与电脑的输入端口连接；所述气体传感器的气体浓度信号输出端与电脑的输入端口连接；所述电脑的输出端口与红外开关连接。
所述电化学生物尿酸传感器可采用戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器；所述电化学生物尿胆固醇传感器可采用戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。
所述戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器可采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有尿酸酶的0.35%GTA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的尿酸酶，晾干即制得戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器。
所述戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器可采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有胆固醇酶的1%BSA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的胆固醇酶，晾干即制得戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。
光纤生物传感系统采用基于酶化学-荧光猝灭联用原理的光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器。光纤生物葡萄糖传感器可采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，缓慢加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入联吡啶钌的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。光纤生物尿酸传感器可采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，缓慢加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入尿酸酶的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。
本发明搭建的光纤生物传感系统采用光源、光纤、光强检测及光电转换电路板、信号采集卡和计算机，结合不同的光纤生物传感材料元件制成的探头搭建多功能光纤生物传感系统并设计光路及信号转换流路，系统相对误差为0.4%。
本发明搭建的生物传感系统得到的葡萄糖浓度检测的标准公式为：Y=2.711X3-2.234×X2+3.414X-0.066，R2=0.993，测试范围为0～12mM；尿酸浓度检测的标准公式为：Y=13.373X-2.112，R2=0.948，测试范围为0.9～5.5mM；胆固醇检测的标准公式为：Y=0.009X-0.021，R2=0.981。
本发明气体传感器采用以聚吡咯为气敏材料，以多孔SiO2为基底的氨气传感器。当传感器检测到氨气浓度超过4ppm时，启动风扇进行排气，氨气浓度降到4ppm以下，风扇停止工作，此时处于节能模式。
本发明用红外开关控制整个系统的运行，当有人进入卫生间如厕时，系统开始运行，人离开时，系统延时关闭，此模式为节能状态。
本发明结合红外开关和气体传感器，可简单、快捷地在如厕过程中进行人体各项指标的检测分析和健康预警。本发明整合了电流型生物传感器和荧光型光纤生物传感器，通过对生化反应产生的电信号和光信号联合检测分析，得到尿液中的尿糖尿酸及胆固醇的浓度等多项指标；以人体红外开关为总控制，自行搭建了数据处理采集系统并编制软件，将相关数据及相应建议显示于平板电脑上；安装了基于聚吡咯的气体传感器，当卫生间环境中氨气等浓度超过限定范围时自动启动排气风扇。将本发明应用于家庭或公共卫生间，在如厕过程中可实现各项人体指标的检测，跟踪人体日常健康状况，有利于及早发现健康异常；以气体传感器控制排气风扇，可节约用电并延长风扇使用寿命。本发明具备拓展功能，可添加生物传感器，实现对人体其他生化指标的检测。
本发明的技术效果如下：
光纤生物传感器结合光源、光纤、生物敏感元件和光电转换系统等，与传统医疗检测器械相比具有机械化、集成化和商品化的优点。光纤生物传感器小而轻，便于携带；采用的光源及光电转换元件成本低廉，便于推广普及；智能化程度高，便于操作使用。可以实现生物医药领域的连续、原位及在线检测分析。光纤生物传感器的研制和商业化对于健康监测和部分疾病的诊断具有重要的意义。
无创性实验诊断学（Non-invasive diagnostics）是指结合多种原理和方法对机体体液（血液、尿液、汗液）进行检测，可以不引起机体损伤和疼痛便可得到所需实验结果，适用于家庭使用。本发明中尿糖、尿酸、尿胆固醇等多项指标的检测均为无创检测，可实现人体健康状况的日常追踪和异常预警，以及时进行进一步的诊断和治疗。如持续的高尿糖浓度，可能预示着糖尿病、嗜铬细胞瘤、甲状腺机能亢进、肢端肥大症、肾上腺皮质机能亢进和脑肿瘤等疾病。
本发明适合家庭和公共卫生间的智能保健检测，系统传感灵敏精确，本发明从日常医疗保健的需求出发，综合光纤生物传感器和电化学生物传感器等优势，应用于家庭和公共卫生间的快速智能保健检测和显示，结合红外开关和气体传感器，可简单、快捷地在如厕过程中进行人体各项指标的检测分析和健康预警。
本发明中尿糖、尿酸、尿胆固醇等多项指标的检测均为无创检测。
本发明的优势在于检测精度高，重复性好。本发明中电化学生物传感器、光线生物传感器制备材料均为常见药品，制备工艺较为简单，有成本优势。且本发明添加气体传感器，可调控卫生间的气体环境，排除异味，增加如厕的舒适度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成框图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例设有红外开关1、电化学生物传感器2、光纤生物传感系统3、气体传感器4和电脑5。所述红外开关1的输出端分别与电化学生物传感器2的输入端、光纤生物传感系统3的输入端和气体传感器4的输入端连接；所述电化学生物传感器2设有电化学生物尿酸传感器和电化学生物尿胆固醇传感器，所述电化学生物尿酸传感器的尿酸信号输出端和电化学生物尿胆固醇传感器的尿胆固醇信号输出端分别与电脑5的输入端口连接，所述光纤生物传感系统3设有光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器，所述光纤生物葡萄糖传感器的尿糖信号输出端和光纤生物尿酸传感器的尿酸信号输出端分别与电脑5的输入端口连接；所述气体传感器4的气体浓度信号输出端与电脑5的输入端口连接；所述电脑5的输出端口与红外开关1连接。
所述电化学生物尿酸传感器可采用戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器；所述电化学生物尿胆固醇传感器可采用戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。所述戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器可采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有尿酸酶的0.35%GTA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的尿酸酶，晾干即制得戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器。所述戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器可采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有胆固醇酶的1%BSA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的胆固醇酶，晾干即制得戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。
光纤生物传感系统采用基于酶化学-荧光猝灭联用原理的光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器。光纤生物葡萄糖传感器可采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，缓慢加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入联吡啶钌的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。光纤生物尿酸传感器可采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，缓慢加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入尿酸酶的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。
本发明搭建的光纤生物传感系统采用光源、光纤、光强检测及光电转换电路板、信号采集卡和计算机，结合不同的光纤生物传感材料元件制成的探头搭建多功能光纤生物传感系统并设计光路及信号转换流路，系统相对误差为0.4%。
本发明搭建的生物传感系统得到的葡萄糖浓度检测的标准公式为：Y=2.711X3-2.234×X2+3.414X-0.066，R2=0.993，测试范围为0～12mM；尿酸浓度检测的标准公式为：Y=13.373X-2.112，R2=0.948，测试范围为0.9～5.5mM；胆固醇检测的标准公式为：Y=0.009X-0.021，R2=0.981。
本发明气体传感器采用以聚吡咯为气敏材料，以多孔SiO2为基底的氨气传感器。当传感器检测到氨气浓度超过4ppm时，启动风扇进行排气，氨气浓度降到4ppm以下，风扇停止工作，此时处于节能模式。
本发明用红外开关控制整个系统的运行，当有人进入卫生间如厕时（在图1中，表示为P1），红外开关感应、触发运行整个测试系统，随着尿液样品进入反应池，各个传感器运行检测各项健康指标，并经过数据采集系统和分析软件，快速将检测结果显示与平板电脑上。如厕过程中，系统中的气体传感器自动检测卫生间气体氛围，如超出一定范围自动启动风扇，排除异味，增加如厕的舒适度。如厕结束，人离开卫生间时（在图1中，表示为P2），红外开关关闭测试系统，进入休眠状态（在图1中，表示为P3）。启用本发明中的测试软件，采用相应的传感元件并设置相关参数，根据标准公式可以实现对尿糖等参数的检测，并提供相应指标的健康警示建议。其中，医学上通常定义尿糖浓度0.1～0.8mM时为阴性，而市面上的尿糖计和尿糖试纸则通常认为大于5mM时需要引起重视。为了方便日常使用，在参考市面上其它产品的信息后，本发明设置的浓度范围及对应健康提示为：
0～2.5mM（绿色显示灯）:基本检不出尿糖，请继续保持，定期检测；
2.5～5mM（黄色显示灯）:检出少量尿糖，尿糖与食物、运动有密切关系，请继续检测；
大于5mM（红色显示灯）:检出大量尿糖，请在咨询医生的基础上继续检测。
本发明设置的尿酸浓度范围及对应的健康提示为：
0～0.9mM（绿色显示灯）:基本检不出尿酸，请继续保持，定期检测；
0.9～4mM（黄色显示灯）:检出少量尿酸，尿酸与食物、运动有密切关系，请继续检测；
大于4mM（红色显示灯）:检出大量尿酸，请在咨询医生的基础上继续检测。
本发明设置的胆固醇浓度范围及对应的健康提示为：
0～0.3mM（绿色显示灯）:基本检不出胆固醇，请继续保持，定期检测；
大于0.3mM（红色显示灯）:检出胆固醇，请在咨询医生的基础上继续检测。
以下给出具体实施例。
实施例1
采用本发明中戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器对0.2mM尿酸平行测定10次，所得相对标准偏差为0.36%。具体数据如表1。
表1
采用本发明中光纤生物尿酸传感器对0～2.89mM的尿酸浓度范围进行测试，得到现行线性关系为Y=0.421X+0.066，线性相关系数R2=0.987。
实施例2
采用本发明中戊二醛固化胆固醇氧化酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器对0.1mM胆固醇平行测定10次，所得相对标准偏差为2.40%。具体数据如表2。
表2
实施例3
启用本发明系统中的测试软件，采用本发明系统中的光纤生物传感系统进行尿液样本尿糖初步数据的采集和测试，并采用标准尿糖试纸进行比对。测试结果与尿糖试纸显示结果对应。光纤生物传感器能反映不同尿液样本中尿糖水平的差异。具体数据如表3。
表3
实施例4
启用本发明系统中的测试软件，采用本发明系统中的光纤生物传感系统对同一份尿样的尿糖指标进行重复性测试，10次测试得到的平均值为0.78，标准偏差为0.23，标准差系数为29%。光纤生物传感器应用于尿液中尿糖检测时，具有较好的重复性。具体数据如表4。
表4
实施例5
启用本发明系统中的测试软件，采用本发明中的气传感器通过用不同浓度的氨气进行测试，当氨气浓度低于4ppm以下时风扇不会转动；当氨气浓度达到4ppm以上时，风扇开始转动。
表5
具体数据如表5。
Claims (7)
1.卫生间智能保健检测系统，其特征在于设有红外开关、电化学生物传感器、光纤生物传感系统、气体传感器和电脑；所述红外开关的输出端分别与电化学生物传感器的输入端、光纤生物传感系统的输入端和气体传感器的输入端连接；所述电化学生物传感器设有电化学生物尿酸传感器和电化学生物尿胆固醇传感器，所述电化学生物尿酸传感器的尿酸信号输出端和电化学生物尿胆固醇传感器的尿胆固醇信号输出端分别与电脑的输入端口连接，所述光纤生物传感系统设有光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器，所述光纤生物葡萄糖传感器的尿糖信号输出端和光纤生物尿酸传感器的尿酸信号输出端分别与电脑的输入端口连接；所述气体传感器的气体浓度信号输出端与电脑的输入端口连接；所述电脑的输出端口与红外开关连接。
2.如权利要求1所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于所述电化学生物尿酸传感器采用戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器；所述电化学生物尿胆固醇传感器采用戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。
3.如权利要求2所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于所述戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有尿酸酶的0.35%GTA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的尿酸酶，晾干即制得戊二醛固化尿酸酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3尿酸传感器。
4.如权利要求2所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于所述戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器采用以下方法制备：在氧化铝箔表面先磁控溅射一层50nm金，之后将其浸入0.5mol/L含有2mmol/L铂氯酸的硫酸溶液中，待电极表面完全变黑后取出用去离子和乙醇反复淋洗；将含有胆固醇酶的1%BSA的酶液滴加于电极表面，待其自然晾干后，电极用去离子水淋洗，以去除没有固化上的胆固醇酶，晾干即制得戊二醛固化胆固醇酶的Pt纳米绒毛/Au/Al2O3胆固醇传感器。
5.如权利要求1所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于所述光纤生物传感系统采用基于酶化学-荧光猝灭联用原理的光纤生物葡萄糖传感器和光纤生物尿酸传感器。
6.如权利要求5所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于所述光纤生物葡萄糖传感器采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入联吡啶钌的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。
7.如权利要求5所述卫生间智能保健检测系统，其特征在于光纤生物尿酸传感器采用以下方法制备：正硅酸乙酯与蒸馏水以摩尔比1∶4混合，加入pH=2的盐酸作为催化剂，室温下封口搅拌至透明溶胶状，加入尿酸酶的水溶液搅拌均匀后置于4℃下陈化24h形成溶胶混合液，加入质量分数为5%的聚乙烯醇搅拌均匀后在4℃下与葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲液混合搅拌，于凝胶开始前取一定量注入模具中，盖上滤纸静置3h使其凝胶化，注入磷酸盐缓冲液后于4℃下老化5天，使用蒸馏水冲洗掉表面未固化物质及反应生成的醇类，定期更换磷酸盐缓冲液。
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| CN103149190B (zh) | 2015-05-13 |
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