CN103168233A

CN103168233A - 同时检测人体呼出气体中EBCs和VOCs的一体化分析装置

Info

Publication number: CN103168233A
Application number: CN201080067946XA
Authority: CN
Inventors: 王平; 王镝; 王乐; 於锦; 余凯; 王怡珊; 王林; 赵聪
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN103168233B; WO2012071716A1; US20130253360A1; US9408556B2

Abstract

本发明公开了一种同时检测人体呼出气体中EBCs和VOCs的一体化分析装置，它包括：检测物采集分离富集模块、EBCs检测模块和组合式VOCs检测模块；所述检测物采集分离富集模块通过进样注射泵与EBCs检测模块相连，检测物采集分离富集模块通过毛细管分离柱与组合式VOCs检测模块相连；本发明实现人体呼出气体中EBCs和VOCs的同时采集、分离及富集，收集的呼出气体冷凝物EBCs采用LAPS对其中的重金属离子、细胞因子等物质进行测定，经过富集的VOCs可以通过组合式VOCs检测模块实现高灵敏度的定量检测，组合式VOCs检测模块中分离式出口加热块的设计可方便更换加热棒和铂电阻。

Description

说明书同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置技术领域

本发明涉及一种同时检测人体呼出气体冷凝物（Exhaled Breath Condensates, EBCs )及呼出气体中挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs ) 的一体化分析装置，特别涉及一种采用光寻址电位传感器（Light Addressable Potentiometric Sensors, LAPS ) 检测 EBCs、可实现人体呼出气体中 EBCs和 VOCs同时采集、分离和富集，以及采用组合式结构的 VOCs检测模块的一体化分析装置。

背景技术

近年来，国内外对人体呼出气体有了广泛的研究，主要集中在呼出气体中的 EBCs和 VOCs与人体疾病的关系。

要研究呼出气体中的 EBCs 和 VOCs, 首先要收集这两个研究对象。收集 EBCs的装置，国内外有相关的研究，目前已有部分市场化的仪器装置，其原理都是先让呼吸气体通过冷凝管，然后将液态的 EBCs收集起来。它们中有些因冷凝管为一次性使用而使检测成本增加，有些又因制冷设备体积较大，而使得在应用中的灵活性不足。

目前人体呼出气体 VOCs收集装置都还没有统一的标准，但也有一些相关的研究。美国 Michael Phillips研发的 VOCs采气装置时通过一次性吹嘴先将呼出气体吹入气体容器的一端，在容器的另一端连有吸附管，通过泵的另一端将容器中的气体通过吸附管抽出，这样呼出气体中的 VOCs就被吸附管捕获。这个装置较为自动化，但没有考虑容器及其他连接件对 VOCs 的吸附，也没有考虑每次采样时吸附管的吸附温度。

此外，目前国际上已有的装置都是只收集 EBCs或只收集 VOCs, 国际上还没有能同时收集 EBCs和 VOCs的装置，也未曾有关于将两套采集方法集成到同一台仪器并作后续分析检测的研究报道。

EBCs 是将呼出气被引入冷却系统，依靠低温将水蒸气冷凝成液体。其中包含由肺部和呼吸道带出的水蒸气，腺苷，过氧化氢，离子，一氧化氮，前列腺素类，蛋白质和核酸等。 EBCs由于其具有收集简单、无创伤、患者易于接受等特点，可能会成为找到肺癌早期诊断、筛查高危人群等的一种新的途径。而目前常用的检测手段为一般的免疫学方法，检测速度较慢，过程复杂，灵敏度不高。声表面波（Surface Acoustic Wave )气体传感器已广泛应用于气体检测，由于其特性受许多环境因素如气流、温度等的影响，且灵敏区域面积很小，化学物质难以全部吸附到传感器表面，所以其高灵敏度的特性不能完全表现出来，如不严格控制 SAW气体传感器的工作环境条件，则不能达到在人体呼吸气体中快速检测低痕量浓度的化学物质的目标。传统毛细管出口加热块中直接插入的加热棒及铂电阻在使用过后加热膨胀，被加热块卡死，难以更换。

发明内容

本发明的目的在于针对现有国际上该研究方法和装置的不足，提供一种同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置；

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，它包括：检测物采集分离富集模块、 EBCs 检测模块和组合式 VOCs检测模块；所述检测物采集分离富集模块通过进样注射泵与 EBCs检测模块相连，检测物采集分离富集模块通过毛细管分离柱与组合式 VOCs检测模块相连。其中，所述 EBCs检测模块包括：人体呼出气体冷凝液入口、清洗液入口、第一三通阀、重金属离子的复合 LAPS传感器、第一工作电极、信号发生电路控制光源、参考电极、第二三通阀、尿素入口、检测电极、 CEA-LAPS传感器、第二工作电极、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA检测腔；人体呼出气体冷凝液入口、清洗液入口和 Cr³⁺离子检测腔通过第一三通阀相连，尿素入口、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA检测腔通过第二三通阀相连，参考电极从 Cr³⁺离子检测腔的顶部插入，重金属离子的复合 LAPS传感器和第一工作电极固定在 Cr³⁺ 离子检测腔底部，第一工作电极和重金属离子的复合 LAPS传感器的底部相接，检测电极从 CEA检测腔的顶部插入， CEA-LAPS传感器和第二工作电极固定在 CEA检测腔的底部，第二工作电极和 CEA-LAPS传感器的底部相接。 CEA检测腔上部开有 CEA抗体 -脲酶复合液入口和废液出口。一个信号发生电路控制光源置于 Cr³⁺离子检测腔下方重金属离子的复合 LAPS传感器相应的位置，另一个信号发生电路控制光源置于 CEA检测腔下方 CEA-LAPS传感器相应的位置。

进一步地，所述 CEA-LAPS传感器通过化学气相沉积和光刻技术在 Si片基底上依次沉积 Si0₂层和 Si₃N₄膜，在 Si₃N₄膜表面通过化学涂敷方法形成纳米层和生物素层构成。

本发明相对于现有技术，具有以下技术效果：

1、本发明提供的人体呼出气体中 EBCs及 VOCs同时检测方法及一体化分析装置，实现人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的同时采集、分离及富集，收集的呼出气体冷凝物 EBCs采用 LAPS对其中的重金属离子、细胞因子等物质进行测定，经过富集的 VOCs可以通过组合式 VOCs检测模块实现高灵敏度的定量检测。

2、 EBCs检测模块由和二个测试腔和其中的二个 LAPS传感器组成，分别实现 EBCs中的 Cr³⁺和 CEA的同时检测。在第一个测试腔中是表面修饰重金属离子（如 Cr³⁺ )敏感材料的 LAPS传感器，实现对 Cr³⁺的检测；在第二个测试腔中是依次用纳米材料，生物素-亲和素， CEA抗体修饰的 LAPS免疫传感器，其中 CEA抗体与目标抗原 CEA, 加入的 CEA抗体-脲酶复合物与形成双抗体夹心结构，通过脲酶分解尿素改变 H⁺的浓度，实现 CEA浓度的检测。在二个 LAPS传感器背面采用二种不同频率的光源分别激发 Cr³⁺和 CEA 的传感单元，从而实现同一检测模块的两个传感器对呼出气体冷凝物中 Cr³⁺ 和 CEA的同时检测。

3、检测物采集、分离和富集模块集成了 EBCs收集与呼吸气体中 VOCs富集的气路构造，并针对后续的检测手段，实现采样与进样过程的自动化；该方法以新型的制冷措施，在保证呼吸气体冷凝物收集效率的同时，实现收集、清洗过程的自动化，并有效减小冷凝系统的重量和体积；该方法保证在富集 VOCs 时，呼吸气体在管路中的残留较少，并有效去除医学上的无效解剖腔气体。

4、 VOCs检测模块中采用了组合式气体检测头结构，其中扣合式气室实现毛细管出口与气体传感器敏感区的精确对准，保证了样本中的 VOCs高效率的被气体传感器吸附。气室的设计使传感器工作在相对密闭的环境中，减小了环境气流对气体传感器的影响，气室四周还设有观察窗，以便观察传感器的工作状况。在传感器下面置有半导体制冷片，可精确控制传感器的工作温度，减小传感器温度特性对 VOCs检测的影响。检测头中的分离式出口加热块的设计可方便更换加热棒和铂电阻。

附图说明

图 1是人体呼出气体中 EBCs及 VOCs检测一体化装置的系统结构框图；图 2是检测物采集分离富集模块收集特定部分呼吸气体的工作过程；图 3是检测物采集分离富集模块收集 EBCs并富集呼吸气体中 VOCs的工作过程；

图 4是检测物采集分离富集模块中气体缓存腔的结构剖面图；

图 5是检测物采集分离富集模块中 VOCs富集装置的结构剖面图；图 6是检测物采集分离富集模块中冷凝模块的结构剖面图；

图 7是组合式 VOCs检测模块结构示意图；图 8是分离式出口加热块结构示意图；

图 9是扣合式气室结构示意图；

图 10是 EBCs检测模块结构示意图；

图 11是 CEA检测腔结构示意图；

图中，一次性吹嘴 1、唾液收集器 2、吸气单向阀 3、呼气单向阀 4、第一三通电磁阀 5、第二三通电磁阀 6、活性炭过滤器 7、进气单向阀 8、气体缓存腔 9、第三三通电磁阀 10、气体出口 11、吸附管 12、微型真空泵 13、气体质量流量计 14、直线步进电机 15、活塞 16、冷凝管清洗液储存器 17、蠕动泵 18、冷凝模块 19、冷凝物收集器 20、加热棒 21、加热块 22、导管 23、铝块 24、制冷片 25、气体入口 26，洗涤液入口 27、冷凝管 28、冰晶制冷盒 29、冷凝物出口 30、出口加热块 31、气体喷嘴 32、传感器气室上盖 33、散热片 34、毛细管引出导管 35、第一悬挂固定穿孔 36、第一加热块合并螺丝穿孔 37、第二加热块合并螺丝穿孔 38、第一加热块销子穿孔 39、第二加热块销子穿孔 40、弧形毛细管引导槽 41、第三加热块销子穿孔 42、第二悬挂固定穿孔 43、第四加热块销子穿孔 44、加热棒插槽 45、铂电阻插槽 46、第一插入螺孔 47、第二插入螺孔 48、气室固定孔 49、气室顶孔 50、第一气室闭合孔 51、观察孔 52、制冷片槽 53、制冷片导线槽 54、气室嵌入槽 55、第二气室闭合孔 56、人体呼出气体冷凝液入口 57、清洗液入口 58、第一三通阔 59、重金属离子的复合 LAPS传感器 60、第一工作电极 61、信号发生电路控制光源 62、参考电极 63、第二三通阀 64、尿素入口 65、 CEA抗体-脲酶复合物入口 66、检测电极 67、 CEA-LAPS传感器 68、第二工作电极 69、废液出口 70、偏置电压 71、 Si片基底 72、 Si0₂层 73、 Si₃N₄层 74、纳米层 75、生物素层 76、 CEA抗原 77、 CEA抗体 -脲酶 78、 CEA 抗体-亲和素 79。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图 1所示，本发明同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置包括：检测物采集分离富集模块、 EBCs检测模块和组合式 VOCs检测模块。其中，检测物采集分离富集模块通过进样注射泵与 EBCs检测模块相连，检测物采集分离富集模块通过毛细管分离柱与组合式 VOCs检测模块相连。

人将呼吸气体样本吹入检测物采集分离富集模块，滤除唾液后在两套管路里收集 EBCs和富集 VOCs。收集的 EBCs经进样注射泵进入 EBCs检测模块，直接测量 EBCs中 Cr³⁺离子以及 CEA的浓度。富集后的 VOCs在毛细管分离柱中分离，进入带有工作条件严格控制的气体传感器的组合式 VOCs检测模块，实现高灵敏度的检测。

如图 2、 3所示，检测物采集分离富集模块包括：吹嘴 1、唾液收集器 2、吸气单向阀 3、呼气单向阀 4、第一三通电磁阀 5、第二三通电磁阔 6、活性炭过滤器 7、进气单向阀 8、气体缓存腔 9、第三三通电磁阀 10、气体出口 11、吸附管 12、微型真空泵 13、气体质量流量计 14、直线步进电机 15、活塞 16、冷凝管清洗液储存器 17、蠕动泵 18、冷凝模块 19、冷凝物收集器 20。

其中，吹嘴 1依次通过吸气单向阀 3和呼气单向阀 4与第一三通电磁阀 5 相连，唾液收集器 2连接在吹嘴 1与吸气单向阔 3之间，第一三通电磁阀 5的两个出口分别与第二三通电磁阀 6和气体质量流量计 14相连，进气单向阀 8又依次通过活性炭过滤器 7、第二三通电磁阀 6和气体缓存腔 9与第三三通电磁阀 10相连，第三三通电磁阀 10的两个出口又分别连接气体出口 11和吸附管 12至微型真空泵 13，气体质量流量计 14与冷凝模块 19连接，以上所有连接均为气体管路连接。冷凝管清洗液储存器 17依次通过蠕动泵 18和冷凝模块 19与冷凝物收集器 20以液体管路相连接。直线步进电机 15与活塞 16相连，驱动活塞 16 进入冷凝模块 19。

图 2示出了检测物采集分离富集模块收集特定部分呼吸气体的工作过程：本工作过程涉及到的检测物采集分离富集模块的部件包括一次性吹嘴 1、唾液收集器 2、吸气单向阔 3、呼气单向阔 4、第一三通电磁阀 5、第二三通电磁阀 6、活性炭过滤器 7、进气单向阀 8、气体缓存腔 9、第三三通电磁阀 10、气体出口 11、吸附管 12、微型真空泵 13。第一三通电磁阀 5连通呼气单向阀 4与第二三通电磁阀 6，第二三通电磁阀 6连通第一三通电磁阀 5与气体缓存腔 9，第三三通电磁阀 10连通气体缓存腔 9与气体出口 11。气体缓存腔 9将根据需要被加热棒（如图 4所示）加热至 100〜150°C，同时位于 VOCs吸附管 12两侧的制冷片（如图 5所示）将吸附管 12恒温至 20°C，确保吸附材料在当前温度下对 VOCs具有较大的突破体积（Breakthrough Volume)值；当气体缓存腔 9内的温度到达设定值，受试者深吸一口气，通过一次性吹嘴 1 向收集装置呼气，此时呼出气体将经过以下通道：一次性吹嘴 1→呼气单向阀 4→第一三通电磁阀 5→ 第二三通电磁阀 6—气体缓存腔 9→第三三通电磁阀 10—气体出口 11，气体缓存腔 9将把呼出气体中最后的 350mL保留在其细长的不锈钢导管 23中。

图 3示出了检测物采集分离富集模块收集 EBCs并富集呼吸气体中 VOCs 的工作过程：

本工作过程涉及到的检测物采集分离富集模块的部件包括一次性吹嘴 1、唾液收集器 2、吸气单向阀 3、呼气单向阀 4、第一三通电磁阀 5、第二三通电磁阀 6、活性炭过滤器 7、进气单向阔 8、气体缓存腔 9、第三三通电磁阔 10、气体出口 11、吸附管 12、微型真空泵 13、气体质量流量计 14、直线步进电机 15、活塞 16、冷凝管清洗液储存器 17、蠕动泵 18、冷凝模块 19、冷凝物收集器 20。第一三通电磁阀 5连接呼气单向阀 4与气体质量流量计 14，第二三通电磁阀 6 连接活性炭过滤器 7与气体缓存腔 9，第三三通电磁阀 10连接气体缓存腔 9与吸附管 12。当吸附管 12温度降至设定值时，微型真空泵 13按设定的抽速启动，此时载气（洁净空气）将经过以下通道：进气单向阀 8→活性炭过滤器 7→第二三通电磁阀 6→气体缓存腔 9→第三三通电磁阔 10→吸附管 12—真空泵 13，这样存留于气体缓存腔 9内的 350mL呼吸气体将随载气流逐渐通过吸附管 12的富集材料，并在较低温度的条件下被吸附材料吸附并浓縮。至此，在吸附管 12内富集的是受试者呼出气体中去掉无效解剖腔之后的 VOCs气体分子，将该吸附管 12置于 20CTC的环境中，使 VOCs分子从富集材料上脱附出来，进入后续的分离与检测模块。

与 VOCs 富集同步的是受试者呼入更多的气体，此时呼吸气体经过以下通道：一次性吹嘴 1→呼气单向阀 4→第一三通电磁阀 5→气体质量流量计 14→冷凝模块 19。微控制器将首先读取来自套在冷凝管 28外围的冰晶制冷盒 29 (如图 6所示）温度值，为保证系统采集凝聚物样本工作的效率与可重复性，冷凝温度一般建议为 -5°C〜- 10°C _; 接着，微控制器读取来自气体质量流量计 14的流量值，得到呼入冷凝管气体的总体积，当达到设定需要的呼入气体总体积值时，直线歩进电机 15将启动，并驱动活塞 16，使凝集在冷凝管壁上的小液滴进入冷凝物收集器 20内，供后续检测模块取样与分析。完成一例样本的冷凝与收集之后，蠕动泵 18启动，将清洗液泵入冷凝管 28，并在活塞 16的来回滑动之后，完成清洗工作。

以上两个步骤交替进行，以提高呼吸气体采集仪的收集效率。

如图 4所示，气体缓存腔 9包括加热棒 21、加热块 22、导管 23，加热棒 21和导管 23均置于加热块 22中。气体缓存腔 9的工作原理：工作时，加热棒 21将热量传播至整个铝制的加热块 22，以确保置于加热块 22中不锈钢制导管 23的温度在 100〜150°C，从而减少缓存于导管 23中的 350ml呼吸气体在内壁上的冷凝损失。

如图 5所示，检测物采集分离富集模块还包括铝块 24和制冷片 25，辅助吸附管 12完成 VOCs富集工作。铝块 24紧贴在吸附管 12外周，铝块 24的外侧又固定了半导体制冷片 25。这一部分结构的工作原理：在 VOCs富集开始时，半导体制冷片 25将控制铝块 24的温度维持在 20 °C，从而使得吸附管 12的温度也维持在 20°C，增加吸附管 12对呼吸气体中 VOCs的吸附量，又保证了吸附管 12富集过程的可重复性。

如图 6所示，冷凝模块 19包括活塞 16、气体入口 26，清洗液入口 27、冷凝管 28、冰晶制冷盒 29、冷凝物出口 30。气体入口 26、清洗液入口 27、冷凝物出口 30与冷凝管 28一体形成，活塞 16插入冷凝管 28内，冰晶制冷盒 29紧贴在冷凝管 28外侧。冷凝模块 19的工作原理：在 EBCs收集开始时，冰晶制冷盒 29内的冰晶将冷凝管 28的温度降至 -5°C〜- 10°C，呼吸气体从气体入口 26进入冷凝管 28内，受到冷凝，在管壁上形成微小的液滴，活塞 16在外部推杆的驱动下，沿着冷凝管 28管壁来回滑动 3〜5次，原先冷凝在管壁上的微小液滴在冷凝物出口 30处凝聚成较大的液滴，并被图 3中的冷凝物收集器 20所收集。每一次 EBCs收集结束，冷凝管清洗液将从清洗液入口 27进入到冷凝管 28中，活塞 16再次来回滑动，清洗掉残留在冷凝管 28管壁上的残留物，为下一次 EBCs 收集做好准备。

如图 7所示，组合式 VOCs检测模块包括：出口加热块 31、气体喷嘴 32、传感器气室上盖 33、散热片 34、毛细管引出导管 35。气体喷嘴 32和毛细管引出导管 35分别于出口加热块 31通过螺紋直接相连，传感器气室上盖 33与散热片 34扣合，传感器气室上盖 33与出口加热块 31相连，气体喷嘴 32伸入传感器气室上盖 33。

毛细管引出导管 35将毛细管分离柱引出并连接到出口加热快 31上以保证毛细管中的 VOCs保持高温状态，传感器气室上盖 33与出口加热块 31通过气室固定孔 49固定，传感器气室上盖 33与散热片 34通过第一气室闭合孔 51、第二气室闭合孔 56连接并构成封闭气室，保证传感器工作在气流稳定的环境中。毛细管分离柱从出口加热块 31中弧形毛细管引导槽 41出来后，进入气体喷嘴 32, 通过气体喷嘴 32与气室中的传感器相对位置的固定实现精确对准。

图 8所示为出口加热块 31的结构，采用分离结构，包括第一悬挂固定穿孔 36、第一加热块合并螺丝穿孔 37、第二加热块合并螺丝穿孔 38、第一加热块销子穿孔 39、第二加热块销子穿孔 40、弧形毛细管引导槽 41、第三加热块销子穿孔 42、第二悬挂固定穿孔 43、第四加热块销子穿孔 44、加热棒插槽 45、铂电阻插槽 46、第一插入螺孔 47、第二插入螺孔 48。分离式出口加热块由两块相同的结构拼接而成，图 8所示为其中一块。两个加热块通过在四个加热块销子穿孔 39、 40、 42、 44中加入销子固定相对位置，再在加热块合并螺丝穿孔 37、 38 中拧入螺丝使两块合为一个整体。两个悬挂固定穿孔 36、 43固定出口加热块在仪器中的位置。两个插入螺孔 47、 48连接加热块、毛细管引出导管 35和气体喷嘴 32。弧形毛细管引导槽 41将毛细管分离柱引入垂直方向的气体喷嘴中 32。

加热棒插槽 45、铂电阻插槽 46中分别插入加热棒和铂电阻，实现出口温度的测量与控制。在加热棒和铂电阻需要更换时，如已膨胀被夹紧，可方便地将两个加热块分开后将其插槽中取出。

如图 9所示，由传感器气室上盖 33、散热片 34组成的气室，包括：气室固定孔 49、气室顶孔 50、第一气室闭合孔 51、观察孔 52、制冷片槽 53、制冷片导线槽 54、气室嵌入槽 55、第二气室闭合孔 56。四个中心对称的气室固定孔 49，固定传感器气室上盖 33与出口加热块 31的相对位置，传感器气室上盖 33 扣入气室嵌入槽 55中，通过气室闭合孔实现气室 51、 56与散热片 34的固定，气体喷嘴由气体喷嘴 32出口进入气室，使毛细管分离柱对准传感器的敏感区。

在制冷片槽 53中放入半导体制冷片控制传感器的工作温度，导线从制冷片导线槽 54中引出到外部电路。制冷片控温时产生的热量通过散热片 34传导到外部环境中。气室四周留有观察孔 52，以便观察传感器及电路的工作状态。传感器产生的频率信号通过信号接口引到外部记频电路中进行测量。

EBCs检测模块结构如图 10所示，包括：人体呼出气体冷凝液入口 57、清洗液入口 58、第一三通阔 59、重金属离子的复合 LAPS传感器 60、第一工作电极 61、信号发生电路控制光源 62、参考电极 63、第二三通阀 64、尿素入口 65、 CEA抗体-脲酶复合物入口 66、检测电极 67、 CEA-LAPS传感器 68、第二工作电极 69、废液出口 70、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA检测腔。

其中，人体呼出气体冷凝液入口 57、清洗液入口 58和 Cr³⁺离子检测腔通过第一三通阔 59相连，尿素入口 65、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA检测腔通过第二三通阀 64相连，参考电极 63从 Cr³⁺离子检测腔的顶部插入，重金属离子的复合 LAPS传感器 60和第一工作电极 61固定在 Cr³⁺离子检测腔底部，第一工作电极 61和重金属离子的复合 LAPS传感器 60的底部相接，检测电极 67从 CEA检测腔的顶部插入， CEA-LAPS传感器 68和第二工作电极 69固定在 CEA检测腔的底部，第二工作电极 69和 CEA-LAPS传感器 68的底部相接。 CEA检测腔上部开有 CEA抗体-脲酶复合液入口 66和废液出口 70。一个信号发生电路控制光源 62置于 Cr³⁺离子检测腔下方重金属离子的复合 LAPS传感器 60相应的位置，另一个信号发生电路控制光源 62置于 CEA检测腔下方 CEA-LAPS传感器 68相应的位置。

具体工作过程如下：重金属离子的复合 LAPS传感器 60是表面采用脉冲激光沉积（Pulse Laser Deposition, PLD) 制备对重金属离子（Cr³⁺) 的敏感材料； CEA-LAPS传感器采用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD)制备对

H+的敏感材料，再进行进一步的免疫修饰。

人体呼出气体冷凝液通过人体呼出气体冷凝液入口 57进入 EBC检测模块，此时，重金属离子的复合 LAPS传感器 60工作，检测得到冷凝液中 Cr³⁺离子的含量。然后第二三通阀 64打开，冷凝液进入 CEA检测腔。此时， CEA抗体-脲酶 78复合物经 CEA抗体-脲酶复合物入口 66流入，与冷凝液中的 CEA抗原 77 结合，并与 CEA抗体-亲和素 79形成夹心结构，附着于 CEA-LAPS传感器 68 上。然后清洗液入口 58进入腔体，清洗游离复合物。然后，尿素通过尿素入口 65进入 CEA检测腔内，并与传感器上的复合物结构中的脲酶反应，引起 pH的改变，该 pH的改变与冷凝液中的 CEA抗原 77量有关。之后， CEA-LAPS传感器 68检测到 pH的改变，并最终得到冷凝液中 CEA抗原的量。

如图 11所示， CEA-LAPS传感器 68由 Si片基底 72、 Si0₂层 73、 Si₃N₄膜 74、纳米层 75以及生物素层 76组成。通过化学气相沉积和光刻技术在 Si片基底 72上依次沉积 Si0₂层 73和 Si₃N₄膜 74，在 Si₃N₄膜 74表面通过化学涂敷方法形成纳米层 75和生物素层 76。检测电极 67和第二工作电极 69均与偏置电压 71相连。

具体工作过程如下：在 CEA-LAPS传感器 68表面有纳米层 75及生物素层 76，此时，冷凝液进入该 CEA检测腔，冷凝液中的 CEA抗原 77通过共价键与生物素层 76相连，附着于 CEA-LAPS传感器 68的表面。然后， CEA抗体 -亲和素 79及 CEA抗体 -脲酶 78进入 CEA检测腔，并与 CEA抗原 77相连，形成如图所示的夹心结构。然后，清洗液将多余的 CEA抗体 -脲酶 78清洗掉，在该 CEA 检测腔中 CEA-LAPS传感器 68上只剩下 CEA抗原 77、CEA抗体 -脲酶 78、CEA 抗体-亲和素 79组成的夹心结构。然后尿素进入该 CEA检测腔，并与夹心结构上的脲酶反应，产生 pH的变化，该 pH的变化与冷凝液中的 CEA抗原 77的量有关。 CEA-LAPS传感器 68通过检测 pH的变化从而得到冷凝液中 CEA抗原 77的量。

Claims

权利要求书

1、一种同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，它包括：检测物采集分离富集模块、 EBCs检测模块和组合式 VOCs检测模块；所述检测物采集分离富集模块通过进样注射泵与 EBCs检测模块相连，检测物采集分离富集模块通过毛细管分离柱与组合式 VOCs检测模块相连；其中，所述 EBCs检测模块包括：人体呼出气体冷凝液入口（57)、清洗液入口（58)、第一三通阀（59)、重金属离子的复合 LAPS传感器（60)、第一工作电极（61)、信号发生电路控制光源（62)、参考电极（63)、第二三通阀（64)、尿素入口（65)、检测电极（67)、 CEA-LAPS传感器（68)、第二工作电极（69)、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA检测腔；人体呼出气体冷凝液入口（57)、清洗液入口（58) 和 Cr³⁺ 离子检测腔通过第一三通阔 (59)相连，尿素入口（65)、 Cr³⁺离子检测腔和 CEA 检测腔通过第二三通阀（64) 相连，参考电极（63) 从 Cr³⁺离子检测腔的顶部插入，重金属离子的复合 LAPS传感器（60)和第一工作电极（61)固定在 Cr³⁺ 离子检测腔底部，第一工作电极（61) 和重金属离子的复合 LAPS传感器（60) 的底部相接，检测电极（67)从 CEA检测腔的顶部插入， CEA-LAPS传感器（68) 和第二工作电极（69) 固定在 CEA 检测腔的底部，第二工作电极（69) 和 CEA-LAPS传感器（68) 的底部相接； CEA检测腔上部开有 CEA抗体-脲酶复合液入口（66) 和废液出口（70); —个信号发生电路控制光源（62) 置于 Cr³⁺ 离子检测腔下方重金属离子的复合 LAPS传感器（60) 相应的位置，另一个信号发生电路控制光源（62)置于 CEA检测腔下方 CEA-LAPS传感器（68)相应的位置。
2、根据权利要求 1所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述 CEA-LAPS传感器（68)通过化学气相沉积和光刻技术在 Si片基底 (72) 上依次沉积 Si02层 (73) 和 Si3N4膜 (74)，并在 Si3N4 膜（74) 表面通过化学涂敷方法形成纳米层（75) 和生物素层（76) 构成。
3、根据权利要求 1所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述检测物采集分离富集模块包括：吹嘴（1)、唾液收集器（2)、吸气单向阀（3)、呼气单向阀（4)、第一三通电磁阀（5)、第二三通电磁阀（6)、活性炭过滤器（7)、进气单向阀（8)、气体缓存腔（9)、第三三通电磁阀（10)、气体出口（11)、吸附管（12)、微型真空泵（13)、气体质量流量计（14)、直线步进电机（15)、活塞（16)、冷凝管清洗液储存器（17)、蠕动泵（18)、冷凝模块（19)、冷凝物收集器（20); 其中，所述吹嘴（1) 依次通过吸气单向阔（3)和呼气单向阔（4) 与第一三通电磁阔（5) 相连，唾液收集器（2) 连接在吹嘴（1) 与吸气单向阀（3) 之间，第一三通电磁阀（5) 的两个出口分别与第二三通电磁阀（6) 和气体质量流量计（14) 相连，进气单向阀（8) 又依次通过活性炭过滤器（7)、第二三通电磁阀（6) 和气体缓存腔 (9) 与第三三通电磁阔（10)相连，第三三通电磁阀（10) 的两个出口又分别连接气体出口（11)和吸附管（12)至微型真空泵（13)，气体质量流量计（14) 与冷凝模块（19) 连接，以上所有连接均为气体管路连接；冷凝管清洗液储存器 17依次通过蠕动泵（18) 和冷凝模块（19) 与冷凝物收集器（20) 以液体管路相连接；直线步进电机（15) 与活塞（16) 相连，驱动活塞（16) 进入冷凝模块（19)。
4、根据权利要求 3所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述气体缓存腔（9) 包括加热棒（21)、加热块（22) 和导管（23)，加热棒 (21) 和导管 (23) 均置于加热块 (22) 中。
5、根据权利要求 3所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述冷凝模块（19) 包括活塞（16)、气体入口（26)，清洗液入口（27)、冷凝管（28)、冰晶制冷盒（29) 和冷凝物出口（30); 所述气体入口（26)、清洗液入口（27)、冷凝物出口（30) 与冷凝管（28) —体形成，活塞（16) 插入冷凝管（28) 内，冰晶制冷盒（29) 紧贴在冷凝管（28) 外侧。
6、根据权利要求 3所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述检测物采集分离富集模块还包括铝块（24) 和制冷片（25)，所述铝块（24) 紧贴在吸附管（12) 外周，铝块（24) 的外侧又固定了半导体制冷片 25。
7、根据权利要求 1所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述组合式 VOCs检测模块包括：出口加热块（31)、气体喷嘴（32)、传感器气室上盖（33)、散热片（34) 和毛细管引出导管（35); 所述气体喷嘴（32) 和毛细管引出导管（35) 分别与出口加热块（31) 通过螺紋直接相连，传感器气室上盖（33)与散热片（34)扣合，传感器气室上盖（33) 与出口加热块（31)相连，气体喷嘴（32)伸入传感器气室上盖（33)。
8、根据权利要求（7) 所述同时检测人体呼出气体中 EBCs和 VOCs的一体化分析装置，其特征在于，所述出口加热块（31)包括弧形毛细管引导槽（41)、加热棒插槽 (45)、铂电阻插槽（46)、第一插入螺孔 (47)、第二插入螺孔（48)、加热棒和铂电阻，弧形毛细管引导槽（41) 两端分别与第一插入螺孔（47) 和第二插入螺孔（48) 相连，加热棒和铂电阻分别插入加热棒插槽（45)、铂电阻插槽（46)。