CN115326986A - 一种测定人体呼出气中有机酸和阴离子的分析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定人体呼出气中有机酸和阴离子的分析装置及方法。本发明采用搭建自制呼出气冷凝设备联用离子色谱的方式对人体呼出气中的有机酸和阴离子进行含量监测。首先通过制冷器件对人体呼出气进行冷凝，然后将采到的样本再通过离子色谱对相关组分进行相关测定以及成分及浓度分析，即呼出气冷凝收集—离子色谱法测定呼出气中的有机酸和阴离子。与传统的人体气道内液的采样方法不同，本项目利用呼气冷凝液收集器采集人体呼出气冷凝液，并与离子色谱联用，采用电导检测器检测样品中的有机酸和阴离子。该项目的采样方法与传统的采样方法相比简单、可重复，并且副作用小，受试者不会产生任何明显不适或风险。
Description
技术领域
本发明属于离子色谱领域，是利用冷凝法采集人体呼出气中的有机酸和阴离子并与离子色谱联用测定总含量的采集分析方法，具体地说，是一种测定人体呼出气中有机酸和阴离子的分析装置及方法。
背景技术
EBC是人体呼吸气中含有的水蒸气和非常小的肺衬里液滴，通常通过冷却或冷凝收集装置进行冷凝。它是分析炎症和氧化应激生物标志物的独特基质，能用于研究不同疾病或暴露于肺部或上呼吸道的早期影响。它包含一些标志性分子，这些分子可以作为指示肺部或全身发生的疾病过程的生物标志物。作为一种非侵入性的、通过极其简易的方式即可获得的诊断样本，呼出气冷凝液(EBC)中某些成分的显著异常，可反映哮喘、慢性阻塞性肺疾病、急性呼吸窘迫综合征、肺间质疾病等肺内及气道内氧化应激、炎症状态的变化及程度。传统的肺部疾病诊断方法(支气管镜检查或活检)是侵入性或半侵入性的(如鼻拭子、痰诱导)，但目前仅用于临床。相比之下，非侵入性方法如收集呼气冷凝液(EBC)并分析不同的生物标志物是简单、可重复的，并且副作用小，受试者不会产生任何明显不适或风险。因此，呼出气在医学诊断和治疗上具有广阔的发展前景。
由于EBC成分复杂，其检测仍处于探索阶段。本项发明采用离子色谱配合呼出气冷凝收集器对人体呼出气冷凝液的有机酸和阴离子进行成分及浓度分析，开发了一种无创检测人体呼出气中有机酸和阴离子的分析方法。
发明内容
本发明的目的是创建利用冷凝法采集人体呼出气冷凝液并与离子色谱联用测定其中有机酸和阴离子含量的采集分析方法，是一种测定人体呼出气中有机酸和阴离子的分析装置及方法，本发明采用搭建自制呼出气冷凝设备联用离子色谱的方式对人体呼出气中的有机酸和阴离子进行含量监测。首先通过制冷器件对人体呼出气进行冷凝，然后将采到的样本再通过离子色谱对相关组分进行相关测定以及成分及浓度分析，即呼出气冷凝收集—离子色谱法测定呼出气中的有机酸和阴离子。
本发明是采用以下技术方案来实现的：
本发明公开了一种冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液中有机酸和阴离子的分析装置，包括呼出气冷凝收集装置和色谱分析装置，冷凝收集装置包括吹气口、吹气口通过管道与单向阀和流量计相连、单向阀和流量计通过管道与置于冷凝装置中的冷阱相连，冷阱内设有冷凝收集管；色谱分析装置主要包括淋洗液贮存罐、与淋洗液贮存罐连接的泵、与泵连接的进样器，与进样器连接的分析离子色谱柱、与离子色谱柱连接的电导检测器，电导检测器包括抑制器、电导池，电导检测器连接的色谱工作站。通过构建呼出气冷凝收集装置，以直接冷凝呼出气的方法收集得到样品，不需要前期准备吸收液等繁琐步骤，样品通过联用离子色谱快速准确地检测与分析。冷凝收集管位于冷阱内，主要用于样品的冷凝收集。
作为进一步地改进，本发明所述的冷凝收集装置还包括控制面板、控制面板分别与冷凝装置与流量计相连。在控制面板上设定气体的收集体积、冷凝温度，并且在控制面板上可观测吹气时的实时流量。
作为进一步地改进，本发明所述的冷阱的冷阱壁为铝材，冷凝收集管包括管体和设于管体口的上盖，上盖和管体通过可拆卸式结构相连，上盖上开设有用于插入管道的入气口，及与空气连通的出气口，通入上盖的入气口的管道连至管体内。
作为进一步地改进，本发明所述的可拆卸式结构为上盖与管体之间为螺纹连接结构，上盖的材质是玻璃，管体的材质为塑料，上盖上，与管体之间的接口处为磨砂玻璃。取样品时可以拆卸冷凝收集管上盖，方便取出内置的塑料材质的一次性收集管，收集管每次采样都要进行更换。
作为进一步地改进，本发明所述的管体为一次性收集管，吹气口上安装有塑料材质的一次性咬嘴。每次采样都要进行更换，防止样品相互污染。
作为进一步地改进，本发明所述的冷凝装置为半导体冷凝器，其中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-20～20℃。
作为进一步地改进，本发明色谱柱使用IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱，抑制器为ICDS-40A电渗析抑制器，所述的抑制器电流为0-180mA，流动相为1.0-2.0mmol/L碳酸钠和2.0-4.0mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵流速为0-1mL/min。。
本发明还公开了一种冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液中有机酸和阴离子的分析装置的分析方法，包括如下步骤：
1)将一次性冷凝收集管放于冷阱中，在吹气口安装一次性咬嘴；
2)采样前在控制面板将冷凝温度设置为-20-0℃，使半导体制冷装置开始制冷，并将冷阱内部温度平衡到该温度；
3)在控制面板上设置所需的采样体积后，咬住咬嘴吹气口，向单向阀和流量计中吹气，采样过程中要尽量保持匀速吹气，吹气过程中在控制面板上可观测吹气时的实时流量；
4)采样完毕后，拆下冷凝管的上盖，将一次性收集管从冷阱中取出，放入-15℃～-80℃的冰箱中保存等待检测；
5)根据检测目标，配置一定浓度的淋洗液并置于淋洗液罐中，设定好离子色谱的分析条件：分析柱的选择、柱温、流速、以及抑制器的电流，等待离子色谱平衡；
6)用一次性注射器取出一次性收集管中的呼出气冷凝液，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样器中，进样完成后开始进行检测分析；
7)分析结束后，到色谱工作站上查看结果并导出数据。
作为进一步地改进，本发明所述的离子色谱的分析条件为：使用HIC-ESP离子色谱仪(日本岛津公司)，分析柱为IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱，抑制器为ICDS-40A电渗析抑制器，抑制器电流为0-180mA，流动相为1.0-2.0mmol/L碳酸钠和2.0-4.0mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵流速为0-1mL/min，柱温为45℃，进样体积为0-100μL。
作为进一步地改进，本发明所述的步骤3)中，设置气体收集体积为50-200L。
本发明的优点如下：
1.与传统的人体气道内液的采样方法不同，本项目利用呼气冷凝液收集器采集人体呼出气冷凝液，并与离子色谱联用，采用电导检测器检测样品中的有机酸和阴离子。该项目的采样方法与传统的采样方法相比简单、可重复，并且副作用小，受试者不会产生任何明显不适或风险。
2.本发明采用将冷凝收集法和离子色谱电导检测分析方法组合使用的采集分析方法，监测不同个体呼出物冷凝液中的有机酸和阴离子。电导检测器是检测溶液中离子的通用检测器，是离子色谱中应用最广的检测器。电导检测器与化学淋洗液抑制结合，对无机与有机离子有非常好的灵敏度与选择性。
3.呼出气冷凝液的采集装置体积小质量轻，方便工作人员携带外出采样。同时该采样器可记录采集体积，利用采集体积与离子色谱检测出的冷凝液有机酸和阴离子浓度计算呼出气而非冷凝液中的有机酸和阴离子浓度，排除了冷凝效率的影响。
4.可拆卸式的冷凝管方便收集到的样品的取出，内部的一次性收集管方便每次采样的样品能够相互独立存放，相比传统方法，取样方便简洁。
5.采用电导检测器同时检测有机酸与阴离子等八种离子，其中很多是目前难以用其他方法测定的离子，尤其是阴离子。具有快速、灵敏、选择性好和同时测定多组分的优点，使得多种离子的测定过程简便快捷。
6.离子色谱中一般不用有机溶剂，有时用少量与水互溶的有机溶剂，而且废液也是清洁的水，减少对工作人员健康的伤害与对环境的污染。
附图说明
图1冷阱内部截面结构示意图；
图2是实施例1中受试者的呼出气冷凝液有机酸和阴离子的色谱图；
图3是本发明的结构示意图。
图中，1是吹气口，2是单向阀和流量计，3是控制面板，4是冷阱，5是半导体制冷装置，6是淋洗液罐，7是泵，8是进样器，9是离子色谱柱，10是抑制器，11是电导池，12是色谱工作站，13是上盖，14是管体，15是呼出气冷凝液。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
本发明的装置主要分为冷凝收集装置和色谱分析装置两个模块。图3是本发明的结构示意图。
冷凝收集装置包括吹气口1、与吹气口1通过管道相连的单向阀和流量计2，与单向阀和流量计2相连的冷阱4、单向阀和流量计2通过管道与置于半导体制冷装置5中的冷阱4相连，冷阱4内设有冷凝收集管，冷凝收集装置还包括控制面板3、控制面板3分别与半导体制冷装置5与流量计相连。其内部结构如图3，图1为冷阱内部截面结构示意图；冷阱4的冷阱壁16为铝材，冷凝收集管包括管体14和设于管体14口的上盖13，上盖13和管体14通过可拆卸式结构相连，上盖13上开设有用于插入管道的入气口，及与空气连通的出气口，通入上盖13的入气口的管道连至管体14内。可拆卸式结构为上盖13与管体14之间为螺纹连接结构，上盖13的材质是玻璃，管体14的材质为塑料，上盖14上，与管体14之间的接口处为磨砂玻璃。管体14为一次性收集管，吹气口1上安装有塑料材质的一次性咬嘴。半导体冷凝器中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-20～20℃。冷凝收集得到的呼出气冷凝液15。
通过进样器8注射进色谱分析装置进行分析，色谱分析装置主要包括淋洗贮存罐6、泵7、进样器8、离子色谱柱9、抑制器10以及电导池11，所有数据均上传到色谱工作站12。通过泵7泵出淋洗贮存罐6的淋洗液到进样器8中，所述的进样器8、离子色谱柱9、抑制器10及电导池11依次相连，抑制器10以及电导池11主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站12用于信号的显示与数据的保存与分析。
抑制器10以及电导池11主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站12用于信号的显示与数据的保存与分析。
离子色谱使用HIC-ESP离子色谱仪(日本岛津公司)，色谱柱9使用IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱，抑制器10为ICDS-40A电渗析抑制器，抑制器电流为150mA。流动相为1.5mmol/L碳酸钠和3mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵7流速为0.8mL/min。
图1是冷阱内部截面结构示意图。冷阱内由冷凝收集管，其上盖13的材质是玻璃，管体14的材质为塑料。上盖为可拆卸式，可拆卸式结构为上盖与管体之间为螺纹连接结构，上盖与管体之间的接口处为磨砂玻璃。取样品时可以拆卸冷凝管上盖13，方便取出内置的塑料材质的一次性收集管14。
一种冷凝法采集与测定人体呼出气中有机酸和阴离子的分析装置的分析方法，包括如下步骤：
1)将一次性冷凝收集管14放于冷阱4中，在冷凝装置的吹气口1安装一次性咬嘴。
2)采样前在控制面板3将冷凝温度设置为-20-0℃，并将冷阱4内部温度平衡到该温度；
3)在控制面板上设置所需的采样体积后，咬住咬嘴吹气口1，向收集装置中吹气，采样过程中要尽量保持匀速吹气；
4)采样完毕后，拆下冷凝管的上盖13，将一次性收集管14从冷阱4中取出，放入-20℃的冰箱中保存等待检测；
5)根据检测目标，配置一定浓度的淋洗液并置于淋洗液罐6中，设定好离子色谱的分析条件：离子色谱柱9的选择、柱温、流速、以及抑制器10的电流，等待离子色谱平衡；
6)用一次性注射器取出取样管中的样品，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样器8中，进样完成后开始进行检测分析；
7)分析结束后，到色谱工作站12上查看结果并导出数据。
实施例1：图2是实施例1中受试者的呼出气冷凝液有机酸和阴离子的色谱图，呼出气冷凝液中含有乳酸根、乙酸根、甲酸根、丙酮酸根、Cl-、NO2-、NO3-、SO4 2-。呼出气冷凝液的采集与测定条件如下：
采集条件：采集温度-15℃，采集流量15L/min，采集体积100L
色谱测定条件：使用IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱作为分析柱，抑制器为ICDS-40A电渗析抑制器，抑制器电流为150mA。流动相为1.5mmol/L碳酸钠和3mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵流速为0.8mL/min，柱温为45℃。进样体积为100μL。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，包括呼出气冷凝收集装置和色谱分析装置，所述的冷凝收集装置包括吹气口(1)、所述的吹气口(1)通过管道与单向阀和流量计(2)相连、所述的单向阀和流量计(2)通过管道与置于冷凝装置中的冷阱(4)相连，所述的冷阱(4)内设有冷凝收集管；所述的色谱分析装置主要包括淋洗液罐(6)、与淋洗液罐(6)连接的泵(7)、与泵(7)连接的进样器(8)，与进样器(8)连接的分析离子色谱柱(9)、与离子色谱柱(9)连接的电导检测器，所述的电导检测器包括抑制器(10)、电导池(11)，电导检测器连接的色谱工作站(12)。
2.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，所述的冷凝收集装置还包括控制面板(3)、所述的控制面板(3)分别与冷凝装置与流量计相连。
3.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，所述冷阱(4)的冷阱(4)壁为铝材，所述的冷凝收集管包括管体(14)和设于管体(14)口的上盖(13)，所述的上盖(13)和管体(14)通过可拆卸式结构相连，所述的上盖(13)上开设有用于插入管道的入气口，及与空气连通的出气口，通入上盖(13)的入气口的管道连至管体(14)内。
4.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，所述的可拆卸式结构为上盖(13)与管体(14)之间为螺纹连接结构，所述的上盖(13)的材质是玻璃，管体(14)的材质为塑料，所述的上盖(13)上，与管体(14)之间的接口处为磨砂玻璃。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，所述的管体(14)为一次性收集管，所述的吹气口(1)上安装有塑料材质的一次性咬嘴。
6.根据权利要求5所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，所述的冷凝装置为半导体冷凝器，其中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-20～20℃。
7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置，其特征在于，本发明所述的色谱柱使用IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱(9)，抑制器(10)为ICDS-40A电渗析抑制器(10)，所述的抑制器(10)电流为0-180mA，流动相为1.0-2.0mmol/L碳酸钠和2.0-4.0mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵(7)流速为0-1mL/min。
8.一种如权利要求1或2或3或4或6所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将一次性冷凝收集管放于冷阱(4)中，在吹气口(1)安装一次性咬嘴；
2)采样前在控制面板(3)将冷凝温度设置为-20-0℃，使半导体制冷装置(5)开始制冷，并将冷阱(4)内部温度平衡到该温度；
3)在控制面板(3)上设置所需的采样体积后，咬住咬嘴吹气口(1)，向单向阀和流量计(2)中吹气，采样过程中要尽量保持匀速吹气，吹气过程中在控制面板(3)上可观测吹气时的实时流量；
4)采样完毕后，拆下冷凝管的上盖(13)，将一次性收集管从冷阱(4)中取出，放入-15℃～-80℃的冰箱中保存等待检测；
5)根据检测目标，配置一定浓度的淋洗液并置于淋洗液罐(6)中，设定好离子色谱的分析条件：分析柱的选择、柱温、流速、以及抑制器(10)的电流，等待离子色谱平衡；
6)用一次性注射器取出一次性收集管中的呼出气冷凝液(15)，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样器(8)中，进样完成后开始进行检测分析；
7)分析结束后，到色谱工作站(12)上查看结果并导出数据。
9.根据权利要求8所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置的分析方法，其特征在于，所述的离子色谱的分析条件为：使用HIC-ESP离子色谱仪(日本岛津公司)，所述的分析柱为IC-SA3(250L*4.0)离子色谱柱(9)，所述的抑制器(10)为ICDS-40A电渗析抑制器(10)，所述的抑制器(10)电流为0-180mA，流动相为1.0-2.0mmol/L碳酸钠和2.0-4.0mmol/L的碳酸氢钠混合溶液，泵(7)流速为0-1mL/min，柱温为45℃，进样体积为0-100μL。
10.根据权利要求8所述的冷凝法采集与测定人体呼出气冷凝液(15)中有机酸和阴离子的分析装置的分析方法，其特征在于，所述的步骤3)中，设置气体收集体积为50-200L。
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