CN110907448A - 一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法 - Google Patents

Abstract

一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，包括：构建传感芯片，构建快速识别肺癌的自校准多参数传感装置；采气；传感识别呼气样本。将气袋连接传感器，使气体与感芯片上方光敏材料发生交叉响应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化，采集标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值，以用于进一步的分析判断。一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，运用双通道结构解决了肺癌快速识别中的现场标定问题，实现自校准功能，排除背景干扰，有效提升检测速度和准确度。

Description

一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法

技术领域

本发明涉及重大疾病无创筛查，具体涉及一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法。

背景技术

肺癌是发病率和致死率最高的癌症，由于肺癌潜伏期无明显症状，且临床常用的影像学、病理学、镜检等诊断方法具有创伤性和价格昂贵等局限，致使目前确诊患者大都处于中晚期且幸存时间短。然而，肺癌早期甚至潜伏期若能被发现，患者通过有意识地改善生活习惯、饮食结构、运动习惯以增强抗癌免疫力，可逆转或阻止癌变的发生。当人体滋生肺癌时，肿瘤细胞会产生某些特殊的化学成分，这些标志性物质会排放到血液中，通过肺部交换，反映为呼气中可测量的高表达组分，可见，通过检测肺癌患者与健康者呼气中具有显著差异的挥发物质的成分及含量，可判断肺癌细胞的代谢情况及发病阶段。因此，研发一种无创、快速且低成本的肺癌筛查方法，可突破肺癌早期诊断及治愈率低的关键瓶颈。博士论文《纳米金-卟啉复合传感阵列芯片的肺癌快速无创筛查方法研究》公开了一种6×6传感阵列芯片实现对肺癌呼气中标志性有机挥发物和临床呼气样本的快速识别检测，但研究多针对肺癌标志物识别检测，涉及临床样本的数量偏少，且采集时临床样本影响因素未考虑周全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，充分考虑肺癌呼气临床样本影响因素，以进一步完善呼气样本采集方法，提高检测准确率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，包括以下步骤：

S1：构建传感芯片

室温下，将PVDF多孔膜裁剪成膜片，放入点样模具并盖上带孔点样模具盖；2)芯片点样：氮气氛围中，用石英毛细管蘸取光敏物质饱和液点于PVDF膜片上，使光敏物质粘附在PVDF膜片上，直至扩散为大小均一的圆点，制备出微阵列芯片；3)芯片储存：氮气吹干的阵列芯片避光保存；

S2：构建快速识别肺癌的自校准多参数传感装置

依次连接采气装置、传感器、数据采集与分析装置，传感器包括上层图像采集装置、中层传感芯片反应装置和下层光源，传感芯片反应装置设有标定气通道和测试气通道，各通道均由缓冲区、微通道反应室和废气处理室构成；

S3：采气

采气时，使待检测人员先深呼吸，然后吐出前端2/3气体，向Tedlar气袋保持缓慢速度吹出肺内气体；

S4：传感识别临床呼气样本

将Tedlar气袋通过管路连接至传感器入口，管路上串联有阀门、泵和流量计，控制泵和流量计使Tedlar气袋中的待测气体恒流流过传感芯片上方并与光敏材料发生交叉响应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化，采集标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值，以用于进一步的分析判断。

进一步的，所述光敏材料包括可提供电子对或金属配位点的含金属离子的响应材料、通过质子酸度或氢键结合作用的含金属离子的卟啉材料和可与局部极性分子发生响应的两性离子溶剂致变色或气致变色染料，所述可提供电子对或金属配位点的含金属离子的响应材料为四苯基金属卟啉，所述通过质子酸度或氢键结合作用的含金属离子的卟啉材料为溴甲酚绿、溴百里酚蓝、甲酚红、亮黄和氯酚红，所述可与局部极性分子发生响应的两性离子溶剂致变色或气致变色染料为尼罗红和分散橙。

进一步的，所述膜片的尺寸大小为19×43mm。

进一步的，所述微阵列为2×5微阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，巧妙的运用双通道结构解决了肺癌快速识别中的现场标定问题，实现自校准功能，排除背景干扰，有效提升检测速度和准确度；采用指纹图谱、PCA分析图、HCA树状图、LDA判别图及ED-T曲线图等多参数，实现对肺癌呼气精准识别判别。本发明的一种检测肺癌的双通道自校准多参数传感装置具有良好的准确度，可用于肺癌疾病广泛筛查及预后监测。

附图说明

图1本发明实施例中的一种检测肺癌的双通道自校准多参数传感装置示意图；

图2本发明实施例中的传感器示意图；

图3本发明实施例中的传感芯片反应装置示意图；

图4本发明实施例中的呼气传感方法原理图；

图5本发明实施例中对氮气、肺癌标志物混合物、健康呼气体及模拟的肺癌呼气检测谱图；

以上图1-3中，1-采气装置，2-传感器，3-数据采集与分析装置，4-CCD图像采集装置，5-传感芯片，6-LED透镜光源，7-缓冲区，8-双通道，9-微通道反应室，10-光敏材料，11-废气处理室。

具体实施方式：

下面参照附图对本发明做进一步描述。

实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

传感芯片构建方法如下：

1)基底膜裁剪：室温下，将PVDF多孔膜裁剪成尺寸大小为19×43mm的膜片，放入点样模具并盖上带孔点样模具盖；

2)芯片点样：氮气氛围中，用石英毛细管(内径d≈0.3mm)蘸取敏感物质饱和液(约0.1uL)点于PVDF膜上，微触技术使敏感物质完美地粘附在PVDF膜上，直至扩散为大小均一的圆点(d≈5mm)，最终制备出2×5微阵列芯片；

3)芯片储存：氮气吹干的阵列芯片避光保存。

肺癌标志物混合物配制与传感方法如下：

1)采用微量注射器抽取六种VOCs饱和蒸汽各10ppb注入充有5L氮气集气袋；

2)连接至传感器入口，在泵和流量计的控制下实现气体恒流(0.2L/min)通过；

3)检测温度设置为299K(26℃)；相对湿度为32％；检测时间设置为6min。

模拟肺癌患者呼气的配制与传感方法如下：

1)采用微量注射器抽取六种VOCs饱和蒸汽注入充有5L健康呼气采样袋；

2)连接至传感器入口，在泵和流量计的控制下实现气体恒流(0.2L/min)通过。

3)检测温度设置为299K(26℃)；相对湿度为32％；检测时间设置为6min。

健康者呼气的采集标准方法如下：

1)年龄在18岁以上，男女不限；

2)采气前一天不能熬夜；

3)空腹约8h后采集气体；

4)采气前6h无剧烈运动；

5)采气前12h不吃辛辣刺激食物(辣椒、葱、姜、蒜等)，不吸烟，不饮用酒、茶、咖啡；

6)采气前在洁净度高的静室中休息15min；

7)采气时先深呼吸，然后吐出前端约1/3气体，向Tedlar气袋保持缓慢速度尽量吹出肺内气体；

8)若连续采气，呼出一袋气体后需休息15min才可再次采气；

9)肺部疾病或服药情况下不采气；

10)采气时记录年龄，性别，吸烟史，肺部病史等情况。

上述采样标准充分考虑到香烟、茶、酒、药物、刺激性食物中含有复杂的化学成分会对传感检测产生干扰，或某些因素如熬夜、剧烈运动等会影响人体正常的生化代谢过程，或遗传病史、外界环境等可能存在的干扰。研究对健康者和肺癌患者的呼出气体采集实施了标准化操作。

如图1所示，用于肺癌广泛筛查的双通道自校准多参数传感装置主要包括：采气装置1、传感器2、数据采集与分析装置3。气采气装置为5L双阀Tedlar气体采样袋，用于采集健康者或肺癌患者的呼出气体，也可以用来配置一定浓度的肺癌标志物标准品。传感器为双通道自校准多参数传感装置主体部分，其上层为CCD图像采集装置、中层为传感芯片反应装置和下层为LED透镜光源，检测气体通过每个传感芯片上方并与光敏材料发生化学反应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化。数据采集与分析装置为装有数据采集与处理程序的高配计算机，通过数据采集程序对标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值进行采集；通过指纹图谱、PCA分析图、HCA树状图、LDA判别图及ED-T曲线图等多参数实现呼气精准识别判别。

如图2所示，作为双通道自校准多参数传感装置主体部分，传感器主要包括：上层为CCD图像采集装置4，用于采集标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值；中层为传感芯片反应装置5，传感芯片上的光敏材料与检测气体接触并发生化学反应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化；下层为LED透镜光源6，提供亮光，确保CCD图像采集装置采集真实的数据。

如图3所示，传感芯片反应装置设有标定气通道和测试气通道8，各通道均由缓冲区7、微通道反应室9和废气处理室11构成，微通道反应室内对称排列有疏水性PVDF多孔膜和气体测量光敏阵列，分别构成标定传感芯片和测量传感芯片，每个传感芯片上固化有相同种类和数量的参与发生检测反应的光敏材料10。

如图4所示，传感方法原理图，采集的临床呼气样本连接至传感器入口，在泵和流量计的控制下实现气体恒流流过传感芯片上方并与光敏材料发生交叉响应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化，采集标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值；综合运用指纹图谱、PCA分析图、HCA树状图、LDA判别图及ED-T曲线图等多参数实现呼气精准识别判别。

如图5所示为对氮气、肺癌标志物混合物(氮气为标定气，10ppb六种肺癌标志物——癸烷、十一烷、苯、1,2,4-三甲苯、己醛、庚醛)、健康呼气体及模拟的肺癌呼气检测(健康呼气为标定气，10ppb六种肺癌标志物——癸烷、十一烷、苯、1,2,4-三甲苯、己醛、庚醛)谱图，差谱图结果显示，健康呼气与模拟的肺癌呼气有显著差异，且模拟的肺癌呼气与肺癌标志物混合物具有一定相似性，表明本研究构建的双通道自校准多参数传感方法具有较好的识别能力；氮气的无响应图谱表明本研究构建的双通道自校准多参数传感方法具有较好的稳定性和抗干扰性。

Claims (4)

1.一种肺癌无创筛查中临床呼气样本标准化采集与传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建传感芯片

1)室温下，将PVDF多孔膜裁剪成膜片，放入点样模具并盖上带孔点样模具盖；2)芯片点样：氮气氛围中，用石英毛细管蘸取光敏物质饱和液点于PVDF膜片上，使光敏物质粘附在PVDF膜片上，直至扩散为大小均一的圆点，制备出微阵列芯片；3)芯片储存：氮气吹干的阵列芯片避光保存；

S2：构建快速识别肺癌的自校准多参数传感装置

依次连接采气装置、传感器、数据采集与分析装置，传感器包括上层图像采集装置、中层传感芯片反应装置和下层光源，传感芯片反应装置设有标定气通道和测试气通道，各通道均由缓冲区、微通道反应室和废气处理室构成；

S3：采气

采气时，使待检测人员先深呼吸，然后吐出前端2/3气体，向Tedlar气袋保持缓慢速度吹出肺内气体；

S4：传感识别呼气样本

将Tedlar气袋通过管路连接至传感器入口，管路上串联有阀门、泵和流量计，控制泵和流量计使Tedlar气袋中的待测气体恒流流过传感芯片上方并与光敏材料发生交叉响应，使光敏材料的颜色和RGB值发生变化，采集标定传感芯片和测量传感芯片反应前后的差谱图像和30维RGB值，以用于进一步的分析判断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光敏材料包括可提供电子对或金属配位点的含金属离子的响应材料、通过质子酸度或氢键结合作用的指示剂材料和可与局部极性分子发生响应的两性离子溶剂致变色或气致变色染料，所述可提供电子对或金属配位点的含金属离子的响应材料为四苯基金属卟啉，所述通过质子酸度或氢键结合作用的指示剂材料为溴甲酚绿、溴百里酚蓝、甲酚红、亮黄和氯酚红，所述可与局部极性分子发生响应的两性离子溶剂致变色或气致变色染料为尼罗红和分散橙。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜片的尺寸大小为19×43mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微阵列为2×5微阵列。

Images