CN105891301B - 基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的体系及检测人呼出气中氨气含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的体系及检测人呼出气中氨气含量的方法；该体系包括口服尿素制剂和燃料电池型氨气检测装置；人体服用口服尿素制剂后，将人呼出气引入燃料电池型氨气检测装置，通过检测人呼出气中氨气在燃料电池体系中发生氧化还原反应的电流信号，可快速准确得人呼气中的氨气含量，从而实现灵敏、快速、特异性检测幽门螺杆菌感染程度，与现有诊断方法相比，极大地降低了毒副作用、使用局限性和检测时间。

Description

基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的体系及检测 人呼出气中氨气含量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的体系以及检测人呼出气中氨气含量的方法；具体涉及一种利用人体服用普通尿素冲剂后，人体内幽门螺杆菌产生的尿素酶会将与尿素作用释放氨气的原理，以及利用以燃料电池为原理设计的氨气检测装置，从而通过对人体呼出的氨气含量进行检测，实现对幽门螺旋杆菌感染程度的预测；属于医疗器械技术领域。

背景技术

幽门螺旋杆菌(简称Hp)是一些疾病如胃炎、消化道溃疡、淋巴增生性胃淋巴瘤、萎缩性胃炎等的慢性化因素，而这些疾病正是导致胃癌的最主要因素，有研究表明，幽门螺旋杆菌感染使患胃癌的危险增加了2.7～12倍。幽门螺旋杆菌是唯一一种感染全球半数人口的慢性传染病，在中国，幽门螺旋杆菌的感染率已高达60％，且每年还有千万例新增感染人群。

因此定期对人体内Hp含量进行检测和监控是非常必要且有意义的。现阶段我国检测幽门螺旋杆菌的方法主要有胃镜活检法、快速尿素酶试验、尿素呼气试验、尿氨排出试验、血清学试验以及多聚酶链反应等。但以上方法均有其副作用或局限性，如胃镜活检可给病人带来巨大的不适感受，尿素呼气法对人体有放射性危害，快速尿素酶法不适用于复查等。

因此开发一种新的无副作用、适用范围广、操作简单、结果准确的Hp检测方法是刻不容缓的。本发明旨在解决或缓解前部分问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的第一个目的是提供一种利用普通尿素与人体幽门螺杆菌作用释放氨气的原理以及燃料电池原理，设计出一种能快速、准确检测人呼出气中氨气含量的体系，通过对人呼出气中氨气进行定量检测，实现准确、快速诊断人体幽门螺旋杆菌感染程度。

本发明的另一个目的在于提供一种将无标记尿素呼气实验与燃料电池反应体系相结合来实现对人体呼出气中氨气的定量检测方法，从而实现灵敏、高效地检测人体幽门螺旋杆菌感染程度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的体系，该体系包括口服尿素试剂及燃料电池型氨气检测装置。

优选的方案，燃料电池型氨气检测装置包括进气口、燃料电池系统及出气口。

较优选的方案，燃料电池系统包括分解催化剂、质子交换膜、催化阴极和催化阳极。

较优选的方案，催化阴极和催化阳极分别在质子交换膜两侧。

较优选的方案，分解催化剂靠近催化阳极设置。

进一步优选的方案，催化阴极由氧化镍-氧化银复合物、碳膏、银膏、铂膏、多孔铂中至少一种材料构成。

进一步优选的方案，所述的催化阳极由雷尼镍、镍-氧化镍、铂膏、多孔铂中至少一种材料构成。

进一步优选的方案，分解催化剂由Cr、Mn、Co、Ni、Fe中的一种或几种金属组成的合金构成。

进一步优选的方案，质子交换膜为复合质子交换膜、高温质子交换膜、陶瓷质子交换膜或磺酸膜。

较优选的方案，燃料电池系统包括外电路。所述的外电路系统与催化阴极和催化阳极相连。

优选的方案，进气口包括人呼出气进气口和氧气进气口。

较优选的方案，人呼出气进气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧一端。

较优选的方案，氧气进气口设置在燃料电池系统的催化阴极一端。

较优选的方案，出气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧另一端(与人呼出气进气口相对应的一端)。

优选的方案，口服尿素试剂包含未经过同位素标记的尿素成分。口服尿素试剂可以为尿素颗粒。幽门螺旋杆菌产生的尿素酶可将尿素催化分解成氨气。

优选的方案，所述的体系还包括吹嘴及一个用于显示测试结果的读取器。

优选的方案，所述吹嘴通过进气管与燃料电池型氨气检测装置的人呼气进气口连接。吹嘴主要用于人体鼻孔、口腔呼气。吹嘴由环保材料制成，且为一次性使用。

本发明还提供了一种基于所述的体系检测人呼出气中氨气含量的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将人呼出气通过吹嘴及进气管从人呼出气进气口引入燃料电池系统的分解催化剂区域，人呼出气中的氨气与分解催化剂接触被催化分解生成N₂和H₂；所述H₂在催化阳极解离为H⁺和电子；所述电子流向外电路系统，所述H⁺扩散至催化阴极，所述N₂通过出气口排出燃料电池系统；

(2)将空气从氧气进气口引入燃料电池系统的催化阴极区域，氧气在催化阴极与H⁺发生氧化还原反应生成H₂O；

(3)检测所述氧化还原反应生成的电流，计算人呼气中的氨气含量。

优选的方案，人呼出气包括人体鼻腔呼气和/或口腔呼气。

本发明的用于诊断人体幽门螺旋杆菌感染的体系。该体系主体包括口服尿素制剂、燃料电池型氨气检测装置。口服尿素制剂主要用于作用人体，人体服用后，人体内幽门螺旋杆菌标志物尿素酶分解尿素产生氨气。燃料电池型氨气检测装置主体包括人呼出气进气口和氧气进气口、出气口以及燃料电池系统。燃料电池系统包括分解催化剂、质子交换膜、催化阴极、催化阳极及外电路系统。催化阴极和催化阳极分别设置在质子交换膜两侧；分解催化剂靠近催化阳极设置；人呼出气进气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧一端；氧气进气口设置在燃料电池系统的催化阴极外侧；出气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧另一端(与人呼出气进气口相对应的一端)，外电路系统与催化阴极和催化阳极相连。分解催化剂用于催化人呼出气中的氨气分解；质子交换膜用于给质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从催化阳极到达催化阴极，与外电路系统的电子转移构成回路，向外界提供电流。催化阴极和催化阳极提供氧化还原场所。燃料电池型氨气检测装置还包括吹嘴及进气管。吹嘴为一次性使用材料，其形状可为喇叭状、圆柱体等形状，材质为纸质、塑料等。吹嘴通过进气管与人呼气进气口紧密相连。

本发明的用于诊断人体幽门螺旋杆菌感染的体系的检测原理为：人体服用尿素试剂后，幽门螺旋杆菌产生的尿素酶标志物会将尿素催化分解产生氨气，人呼出气通过吹嘴及进气管将人呼出气导入燃料电池系统，人呼气中的氨气经分解催化剂分解为H₂后，又经催化阳极解离为H⁺和电子，电子和H⁺分别扩散至外电路和催化阴极，随后H⁺与空气中的氧气发生氧化还原反应反应生成H₂O，这个氧化还原反应过程产生了电流，电流的强度与人呼气中的氨气的浓度有关，通过电流强度可计算出氨气的浓度，从而可实现诊断人体幽门螺旋杆菌感染程度的目的。

与现有技术比较，本发明的技术方案带来的有益效果如下：

(1)本发明的体系通过无标记的尿素呼气试验与燃料电池系统相联合，能够直接、快速且准确地测定人呼出气中氨气的含量，从而实现了对幽门螺杆菌感染程度的简单化、快速化和经济化的诊断，无标记的尿素对人体完全，无毒，减少病人痛苦。

(2)本发明的体系及方法通过使用基于燃料电池系统的电化学方法对氨气进行检测，检测速度更快，检测灵敏度更高。

(3)本发明的体系通过直接将人呼出气引导至燃料电池系统，能够通过氨气在燃料电池系统中的氧化还原反应产生的电流快速准确地确定呼出气中氨气的含量，进而实现灵敏、快速、特异性检测幽门螺杆菌感染程度，与现有诊断方法相比，极大地降低了毒副作用、使用局限性和检测时间。

(4)本发明的检测人呼出气中氨气含量的方法可以基于本发明的系统实现，从而可以实现对幽门螺杆菌感染程度的快速、灵敏、特异性检测。

附图说明

【图1】利用时间-电流法测试该方法对1ppm和5ppm的标准氨气的响应情况。

【图2】该方法对人呼出气体的响应情况。

【图3】为该检测体系的结构示意图；

其中，

1为吹嘴，2为人呼出气入口，3为分解催化剂，4为燃料电池系统，5为催化阳极，6为气体出口，7为氧气入口，8为质子交换膜，9为催化阴极，10为外电路。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是对本发明权利要求的保护范围的限制。

实施例1

在恒电位下测试1ppm和5ppm的氨气标准气体对该方法的时间-电流响应。

具体操作如下：

设置电压恒定为0，待稳定扫描一段时间后，分别通入两种浓度的氨气标准气体，测试结果如图1，随着氨气通入系统，电流出现急剧升高。

实施例2

测试人体呼吸样本。

具体操作如下：

1)受试者应空腹或提前三个小时进食。

2)温开水服下一盒无标记的尿素试剂，等待30分钟。

3)收集受试者呼出的气体，同时将气体与进气管相连接，使气体完全通入燃料电池反应体系。

4)用Autolab101电化学工作站的时间-电流方法测试，设其电压为0V。

5)于上述测试体系中，测试的电流信号如图2，结果表明该人体呼出气中氨的浓度是可以通过此方法检测得到的。

综上结果表明，本发明提出的测试体系及方法是通过实际测试的优选组合，能够简单、准确、灵敏地诊断因幽门螺杆菌感染引起的多种疾病。

Claims (6)

1.基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：包括口服尿素试剂及燃料电池型氨气检测装置；

所述的燃料电池型氨气检测装置包括进气口、燃料电池系统及出气口；

所述的燃料电池系统包括分解催化剂、质子交换膜、催化阴极和催化阳极；所述的催化阴极和催化阳极分别设置在质子交换膜两侧；所述的分解催化剂靠近催化阳极设置；

所述的催化阴极由氧化镍-氧化银复合物、碳膏、银膏、铂膏、多孔铂中至少一种材料构成；

所述的催化阳极由雷尼镍、镍-氧化镍、铂膏、多孔铂中至少一种材料构成；

所述的分解催化剂由Cr、Mn、Co、Ni、Fe中的一种或几种金属组成的合金构成；所述的质子交换膜为复合质子交换膜、高温质子交换膜、陶瓷质子交换膜或磺酸膜。

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：所述的燃料电池系统包括外电路系统；所述的外电路系统与催化阴极和催化阳极相连。

3.根据权利要求1所述的基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：所述的进气口包括人呼出气进气口和氧气进气口。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：人呼出气进气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧一端；氧气进气口设置在燃料电池系统的催化阴极外侧；所述的出气口设置在燃料电池系统的催化阳极外侧另一端。

5.根据权利要求1所述的基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：所述的口服尿素试剂包含未经过同位素标记的尿素成分。

6.根据权利要求1所述的基于燃料电池建立的诊断人体幽门螺杆菌感染的检测系统，其特征在于：所述的检测系统还包括吹嘴及一个用于显示测试结果的读取器，所述吹嘴通过进气管与燃料电池型氨气检测装置连接。