CN106442955B - 智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置 - Google Patents

智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及呼气分子诊断系统的检测装置。智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置包括反应池、生物传感器和用于光谱分析的光路结构，生物传感器包括能够与人体呼出的生物标志物反应并将生物标志物吸收的反应体，反应池内设置有反应腔，生物传感器的反应体被封装在反应腔内，反应池和生物传感器位于所述光路结构的光束传播路径中，光路结构能够产生光束射入反应腔内并经过生物传感器，生物传感器能够将光束多次反射使光束多次穿过反应体后射出反应池，光路结构能够通过射出反应池的光束获得反应体的吸收光谱。本发明有效增加了光束被反应体吸收的路径长度，光束能够充分被吸收，能够快速、准确地检测出人体呼出气体的生物标志物的含量。

Description

智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置
技术领域
本发明属于呼气分子诊断领域，具体涉及检测人体呼出的生物标志物的呼气分子诊断系统的检测装置。
背景技术
正常人体呼出的气体中,除了氮、氧和二氧化碳之外,还包含着其他许多种化合物,通过检测这些化合物的含量即可诊断疾病。
瑞士苏黎世联邦理工学院近日公布的一项研究成果表明，每个人在呼吸时呼出的化合物和人类的指纹一样独一无二，医生甚至可以根据这些化合物来诊断疾病。同时，由于呼气测试法还能获得与尿液检查以及血液检查相近的结果，因此未来不但可以用来诊断疾病，还可能会用于运动员兴奋剂检测。该项研究成果已经发表在国际权威生物学类学术杂志《PLoS ONE》上。
在欧美国家，呼气分子诊断已成为呼吸系统及消化系统的金标技术，并用于心肺、肠胃、肾肝、糖尿病及癌症等疾病的医学研究与临床检验，被期望用于常见病、多发病、慢性病、流行病与职业病的基层筛查及家庭自检。
由于人体呼出气体中的生物标志物浓度极低，以ppb即10亿分之几为单位计，精确测定其浓度非常困难。
当前呼吸分析仪器仍主要依赖于大且昂贵的仪器，例如气相色谱仪(GC)及质谱仪(MS)，使得这些仪器不能广泛地应用。
还有的呼吸分析仪器是以电化学检测原理制成的检测装置，虽然体积小、但无法实现连续动态监测生物标志物、检测费用高、特异性差等局限性，不能充分满足临床需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够快速准确检测生物标志物含量的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，用于检测人体呼出气体中的生物标志物的含量。所述智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置包括反应池、生物传感器和用于光谱分析的光路结构，所述生物传感器包括能够与生物标志物反应并将生物标志物吸收的反应体，所述反应池内设置有反应腔，所述反应腔能够连通外部的人体呼出气体气源，所述生物传感器装设在反应腔处且反应体被封装在反应腔内，所述反应池和生物传感器位于所述光路结构的光束传播路径中，所述光路结构能够产生光束射入反应腔内并经过生物传感器，所述生物传感器能够将光束多次反射使光束多次穿过反应体后射出反应池，所述光路结构能够通过射出反应池的光束获得反应体的吸收光谱。
具体的，所述生物传感器还包括基体，所述反应体固定安装在基体上，所述反应腔在反应池形成有与外部连通的入口，所述反应体自入口处伸入反应腔内，所述基体封盖在反应池的入口上将反应体封闭在反应腔内。
具体的，所述反应体呈片状结构，所述反应体有且仅有一片，所述反应体的厚度小于等于1mm。
优选的，所述基体朝向所述反应腔的端面上覆盖有反射膜，所述反应体贴附在反射膜上，所述光路结构射入反应腔的光束能够穿过反应体后经反射膜反射再次穿过反应体。
进一步的，所述反应池为能够供光束穿过的透明体，所述反应腔的内壁为弧面，所述反应池还具有与反应腔内壁匹配的外端面，所述外端面呈外凸的弧面，所述光路结构射出的光束能够依次经所述反应池的外端面和反应腔的内壁入射在反应腔内的反应体上，所述反应池能够将经过反应体后射出反应腔的光束引导进入所述光路结构中继续传播。
再进一步的，所述反应池为同心球罩，所述反应腔的内壁和所述外端面为同心的球面，所述球面的球心位于反射膜上。
具体的，所述光路结构包括能够产生光束的光源、第一准直透镜、第一聚焦透镜、第二准直透镜、反射镜、第二聚焦透镜、狭缝、第三准直透镜、光栅、第三聚焦透镜和光电探测器，所述光源产生的光束依次经第一准直透镜和第一聚焦透镜射入反应池内，自反应池的出射的光束依次经第二准直透镜、反射镜和第二聚焦透镜聚焦在狭缝处，自狭缝出射的光束经第三准直透镜到达光栅处，所述光束在光栅处衍射并经第三聚焦透镜成像在光电探测器上获得反应体的吸收光谱。
具体的，所述第一准直透镜的光轴、第一聚焦透镜的光轴重合且两者的光轴通过反应池的球面的球心。
具体的，所述第二准直透镜的光轴通过反应池的球面的球心。
优选的，所述反应体包括载体和细胞色素C，所述载体为气溶胶，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的反应体。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置采用生物传感器的反应体与人体呼出的气体中的生物标志物反应并通过能够对反应体进行光谱分析的光路结构检测吸收生物标志物后的反应体，生物传感器反射使光束多次通过反应体，有效增加了光束被反应体吸收的路径长度，光束能够充分被吸收。本发明能够快速、准确地检测出人体呼出气体的生物标志物的含量，精度高，灵敏度高，可靠性好。
附图说明
图1为本发明智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置的光路结构示意图；
图2为生物传感器的结构示意图；
图3为反应池的结构示意图；
其中：1、光源；2、第一准直透镜；3、第一聚焦透镜；4、第二准直透镜；5、反射镜；6、第二聚焦透镜；7、狭缝；8、第三准直透镜；9、光栅；10、第三聚焦透镜；11、光电探测器；100、反应池；101、反应腔；102、内壁；103、外端面；200、生物传感器；201、反应体；202、基体；203、反射膜。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，用于检测人体呼出气体中的生物标志物的含量。智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置包括反应池100、生物传感器200和用于光谱分析的光路结构。所述反应池100和生物传感器200位于所述光路结构的光束传播路径上。
本文中所述的生物标志物是指人体呼出气体中的化合物，临床上普遍公认并用于诊断疾病的标志物。比如一氧化氮、一氧化碳、氢气、甲烷、氨气、醛和硫化物等人体呼出的化合物或呼气分子。
所述生物传感器200包括能够与生物标志物反应并将生物标志物吸收的反应体201和基体202。所述基体202上镀有能够全反射的反射膜203。所述反应体201呈片状结构，所述反应体201有且仅有一片，所述反应体201的厚度小于等于1mm。所述反应体201贴附在反射膜203上。本实施例的反应体201包括载体和细胞色素C。所述载体为气溶胶，气溶胶通过溶胶凝胶法制成，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的反应体201。为了控制反应体201的厚度，通过开模形成容纳反应体201的容腔模具。在容腔内让气溶胶和细胞色素C定型，这样，反应体201的厚度控制在1mm以下。
所述反应池100为能够供光束穿过的透明体，所述反应池100内设置有反应腔101，所述反应腔101能够连通外部的人体呼出气体气源，即反应池100能够将外部采集的人体呼出气体的样本导入反应腔101中。所述反应腔101在反应池100形成有与外部连通的入口。所述反应腔101的内壁102为弧面，所述反应池100还具有与反应腔101内壁102匹配的外端面103，所述外端面103呈外凸的弧面。在本实施例中，所述反应池100为同心球罩，所述反应腔101的内壁102和所述外端面103为同心的球面，所述球面的球心位于反射膜203上。
所述生物传感器200装设在反应腔101处且反应体201被封装在反应腔101内。具体地说，所述反应体201自入口处伸入反应腔101内，所述基体202封盖在反应池100的入口上将反应体201封闭在反应腔101内。这样，基体202上覆盖有反射膜203的端面朝向反应腔101。这样，人体呼出气体中的生物标志物能够充分与反应体中的细胞色素C反应将生物标志物吸收在反应体内。
所述光路结构包括能够产生光束的光源1、第一准直透镜2、第一聚焦透镜3、第二准直透镜4、反射镜5、第二聚焦透镜6、狭缝7、第三准直透镜8、光栅9、第三聚焦透镜10和光电探测器11。所述第一准直透镜2的光轴、第一聚焦透镜3的光轴重合且两者的光轴通过反应池100的球面的球心。所述第二准直透镜4的光轴通过反应池100的球面的球心。
所述光源1产生的复色光的光束依次经第一准直透镜2分成多束平行光，再经第一聚焦透镜3聚焦后自反应池100的外端面103射入反应池100内，光束经反应池100的内壁102穿入反应腔101内。光束在反应腔101内穿透反应体201并聚焦在反射膜203上，并经反射膜203反射再次穿过反应体201射在反应腔101的内壁102上。光束接着沿内壁102和外端面103射出反应池100。自反应池100出射的光束依次经第二准直透镜4分成平行光，经反射镜5反射，经第二聚焦透镜6聚焦在狭缝7处。自狭缝7出射的光束经第三准直透镜8到达光栅9处。所述光束在光栅9处衍射并经第三聚焦透镜10成像在光电探测器11上获得生物传感器200的反应体201的吸收光谱。
通过比较未吸收生物标志物之前的反应体201的光谱和吸收生物标志物后的反应体201的吸收光谱，能够获得人体呼出气体中的生物标志物的含量。准确度、精度均非常高，灵敏度和可靠性也非常好。
生物传感器中反应体201的片状结构使反应体201的厚度薄，能够快速与生物标志物反应，提高检测的速度。同时光的吸收系数与光经过的反应体的厚度相关，光经过的厚度越厚越能保证光被吸收的充分性，所以通过在基体202上镀设反射膜203，有效将光束引导多次穿过反应体201，增加了反应体201吸收光束的路径长度，在将反应体201厚度控制得比较薄的基础上还能够保证光经过的反应体201的吸收光束的路径长度，大大提高了检测的灵敏度和可靠性。实际上，生物传感器200和反应池100还能够根据需要设置多个具有反射膜203的端面，增加光束穿过反应体201的次数，进而在控制反应体201的厚度的基础上，根据需要增加反应体201吸收光束的路径长度，保证检测的灵敏度和可靠性。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (7)

1.智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，用于检测人体呼出气体中的生物标志物的含量，其特征在于：包括反应池（100）、生物传感器（200）和用于光谱分析的光路结构，所述生物传感器（200）包括能够与生物标志物反应并将生物标志物吸收的反应体（201），所述生物传感器（200）还包括基体（202），所述反应体（201）固定安装在基体（202）上，所述反应体（201）呈片状结构；
所述反应池（100）内设置有反应腔（101），所述反应腔（101）能够连通外部的人体呼出气体气源，所述反应腔（101）在反应池（100）形成有与外部连通的入口，所述反应体（201）自入口处伸入反应腔（101）内，所述基体（202）封盖在反应池（100）的入口上将反应体（201）封闭在反应腔（101）内；所述基体（202）朝向所述反应腔（101）的端面上覆盖有反射膜（203），所述反应体（201）贴附在反射膜（203）上，所述光路结构射入反应腔（101）的光束能够穿过反应体（201）后经反射膜（203）反射再次穿过反应体（201）；
所述生物传感器（200）装设在反应腔（101）处且反应体（201）被封装在反应腔（101）内，所述反应池（100）和生物传感器（200）位于所述光路结构的光束传播路径中，所述光路结构能够产生光束射入反应腔（101）内并经过生物传感器（200），所述生物传感器（200）能够将光束反射使光束多次穿过反应体（201）后射出反应池（100），所述光路结构能够通过射出反应池（100）的光束获得反应体（201）的吸收光谱。
2.根据权利要求1所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述反应池（100）为能够供光束穿过的透明体，所述反应腔（101）的内壁（102）为弧面，所述反应池（100）还具有与反应腔（101）内壁（102）匹配的外端面（103），所述外端面（103）呈外凸的弧面，所述光路结构射出的光束能够依次经所述反应池（100）的外端面（103）和反应腔（101）的内壁（102）入射在反应腔（101）内的反应体（201）上，所述反应池（100）能够将经过反应体（201）后射出反应腔（101）的光束引导进入所述光路结构中继续传播。
3.根据权利要求2所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述反应池（100）为同心球罩，所述反应腔（101）的内壁（102）和所述外端面（103）为同心的球面，所述球面的球心位于反射膜（203）上。
4.根据权利要求3所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述光路结构包括能够产生光束的光源（1）、第一准直透镜（2）、第一聚焦透镜（3）、第二准直透镜（4）、反射镜（5）、第二聚焦透镜（6）、狭缝（7）、第三准直透镜（8）、光栅（9）、第三聚焦透镜（10）和光电探测器（11），所述光源（1）产生的光束依次经第一准直透镜（2）和第一聚焦透镜（3）射入反应池（100）内，自反应池（100）的出射的光束依次经第二准直透镜（4）、反射镜（5）和第二聚焦透镜（6）聚焦在狭缝（7）处，自狭缝（7）出射的光束经第三准直透镜（8）到达光栅（9）处，所述光束在光栅（9）处衍射并经第三聚焦透镜（10）成像在光电探测器（11）上获得反应体（201）的吸收光谱。
5.根据权利要求4所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述第一准直透镜（2）的光轴、第一聚焦透镜（3）的光轴重合且两者的光轴通过反应池（100）的球面的球心。
6.根据权利要求4所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述第二准直透镜（4）的光轴通过反应池（100）的球面的球心。
7.根据权利要求1所述的智能呼气分子诊断系统的反射式光学检测装置，其特征在于：所述反应体（201）包括载体和细胞色素C，所述载体为气溶胶，所述细胞色素C分布在气溶胶内形成纳米结构的反应体（201）。
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