CN117129469A - 一种唾液尿酸即时检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种唾液尿酸即时检测方法和装置，涉及一种光路传递装置，其与智能手机联用，采集唾液尿酸检测试剂中由于颜色、强度、自发光、荧光、颗粒粒径或浊度的改变，或这些改变的组合引起的单模式或多模式光学信号变化图像，通过图像分析定量唾液尿酸的含量。该方法和装置满足光吸收、激光光散射、荧光、自发光检测等需要，可在一定程度上替代分光光度计、荧光分光光度计、化学发光仪及激光散射仪等仪器，用于尿酸或基于这些信号的其他分子的现场即时检测。该方法和装置无创、小巧、便携，与智能手机配合可实现多模式光学信号测定，增大检测的灵敏度和线性范围，将会在现场测定和个人、家庭健康管理中发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明属于光学分析、即时检测等领域，具体涉及一种基于智能手机的唾液尿酸多参数检测装置及方法。
背景技术
人类唾液主要由腮腺、舌下腺、颌下腺，以及其他小唾液腺分泌，唾液具有多种生理功能，包括润滑、保护、缓冲等，还能增强消化、便于吞咽，抗细菌、抗真菌、抗病毒。正常人每日唾液分泌量是1-1.5L，包含99%的水和钠、钾、钙、氯酸盐、碳酸氢盐和磷酸盐等无机盐，以及有机化合物，如尿酸、乳酸盐、激素、多肽和蛋白质。研究发现，血液中的各种蛋白质成分同样存在于唾液中，唾液能反映出血液中各种蛋白质水平的变化，因此就使得通过唾液的检测来进行疾病的诊断成为可能。
随着社会的进步和文化生活水平的提高，人们对医学检查的要求也越来越高，呼唤无创、简便、快速的检测、诊断方法。科学技术的发展为无创检查方法的建立提供了可能，唾液标本受到广大研究者的普遍关注。与血清标本相比，唾液采集安全方便、无创伤、无血源性疾病传播的危险，患者无痛苦，易于接受；与尿液标本相比，唾液具有可实时采样的优点。
尿酸是嘌呤代谢的终产物。在饮食不合理、缺乏运动的人群中，可能出现体内嘌呤代谢紊乱，使原本处于代谢平衡的血液尿酸浓度超过正常范围，形成高尿酸血症。长期血尿酸增高会引发痛风性关节炎、痛风性肾病，给患者的代谢和心脑血管等系统造成损伤。过低的血尿酸水平也会影响机体的健康。因此，血尿酸是临床非常重要的检测项目。但频繁采血会给患者造成极大的心理负担和潜在的针刺感染风险。
研究发现，唾液尿酸和血尿酸水平有很好的相关性，并同时具有采样无创、简单的先天优势，因此唾液尿酸可以代替血尿酸用于疾病监测。目前常用的尿酸检测方法需要昂贵的检测仪器，检测过程复杂、费用高，不适合患病人群达标治疗的要求。
智能手机是家庭普及率相当高的信号采集、分析管理终端。本发明采用自行设计并3D打印的多模式检测装置与智能手机APP联合应用，实现检测设备的家庭化和低成本；通过智能手机强大的拍照、分析计算和管理存储功能，实现对光学信号的采集分析，达到精准定量检测的目的。本发明优化检测试剂和检测流程，使操作更为简便、快捷，在不进行唾液样本前处理的基础上，15min完成唾液尿酸的检测分析。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种唾液尿酸即时检测方法和装置，其特征在于，采用一种光路传递装置，与智能手机联用，采集唾液尿酸检测试剂中单模式或多模式光学信号变化图像，通过图像分析定量唾液尿酸的含量。
所述的光路传递装置由检测试剂杯卡座、4个光学通道和智能手机卡座组成。
所述的检测试剂主要由尿酸酶和金属纳米簇试剂组成；检测的光学信号由检测试剂中尿酸酶与待测样品中尿酸反应所致金属纳米簇的性质变化所产生，包括颜色、强度、自发光、荧光、颗粒粒径、浊度，或这些信号的组合。
所述的检测试剂杯卡座用于放置并固定检测试剂杯；光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，用于辅助拍摄，保证摄像头可以清晰拍摄到来自试剂杯的光学信号；光学通道 、光学通道3、光学通道4分别为激光光源通道、紫外光光源通道和可见光光源通道；各个光学通道都与检测试剂杯联通，或提供光源给检测试剂杯，或传导来自检测试剂杯的光学信号，其中，激光光源通道、紫外光光源通道与光学通道1成9 度夹角，可见光光源通道与光学通道1平行。
所述的金属纳米簇优选金纳米簇（AuNCs）或银纳米簇（AgNCs），制备金属纳米簇的蛋白优选牛血清白蛋白（BSA）或辣根过氧化物酶（HRP）。
所述的检测方法和装置可以以单模式或多模式方式对激光散射信号、荧光信号、光吸收信号、自发光信号的变化作出响应，可在一定程度上替代分光光度计、荧光分光光度计、化学发光仪及激光散射仪等仪器，用于尿酸或基于这些信号的其他分子的现场即时检测。
本发明希望提供任意型号的智能手机适配检测装置，以解决或缓解现有技术中存在的尿酸检测设备空间占用大、专业性要求高、获取信号单一，以及用于唾液样本检测灵敏度不够高、线性范围窄的技术问题，至少提供一种有益的选择。
本发明检测方法涵盖丰富的光学信号，属多参数同时检测。智能手机通过拍照获得检测试剂反应的光学图像，手机APP分析图像的颜色信息，颜色信息包括图像RGB、HSL等数值，这些数值的变化与检测试剂反应的光学信号变化量存在相关关系，通过相关关系的分析达到检测唾液尿酸含量的目的。具有成本低廉、仪器便携、操作简单等优点，对操作环境、人员无特殊要求，可满足即时、现场检测的需求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
光路传递装置的设计加工
通过在线3D设计软件（https://www.tinkercad.com/）进行光路传递装置的设计，以辅助智能手机开展图像采集。光路传递装置由检测试剂杯卡座、4个光学通道和智能手机卡座组成。检测试剂杯卡座用于放置并固定检测试剂杯；光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，用于辅助拍摄，保证摄像头可以清晰拍摄到来自试剂杯的光学信号；光学通道 、光学通道3、光学通道4分别为激光光源通道、紫外光光源通道和可见光光源通道；各个光学通道都与检测试剂杯联通，或提供光源给检测试剂杯，或传导来自检测试剂杯的光学信号，其中，激光光源通道、紫外光光源通道与光学通道1成9 度夹角，可见光光源通道与光学通道1平行。用3D打印机FDM打印出设计好的装置。设计图如图1所示。
实施例2
利用光吸收信号的变化检测尿酸
配制系列浓度的尿酸标准溶液（PB体系）；分别取适量置于检测试剂杯中，与HRP、4-氨基安替比林混匀后37℃孵育5分钟；再加入尿酸酶和N-乙基-N-(2-羟基-3-磺丙基)-3-甲基苯胺，37℃孵育5分钟；将检测试剂杯正确安放在试剂杯卡座上。关闭光路传递装置的光学通道2和3，打开光学通道4的光源，并将光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，调试好手机拍摄参数，获取试剂杯546nm光吸收图像，用颜色分析APP进行分析。
结果如下图2所示，这些光信号的变化与尿酸的浓度呈一定的相关关系。
实施例3
利用激光散射信号的变化检测尿酸
配制系列浓度的尿酸标准溶液（PB体系）；分别取适量置于检测试剂杯中，与10mg/ml尿酸酶于37℃作用10分钟；加入10μL BSA-AuNCs，5分钟后，将检测试剂杯正确安放在试剂杯卡座上。关闭光路传递装置的光学通道 和4，打开光学通道2的光源，并将光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，调试好手机拍摄参数，获取试剂杯在520nm激光激发下的光散射图像，用颜色分析APP进行分析。
结果如下图3所示，这些光信号的变化与尿酸的浓度呈一定的相关关系。
实施例4
利用荧光信号的变化检测尿酸
配制系列浓度的尿酸标准溶液（PB体系）；分别取适量置于检测试剂杯中，与10mg/ml尿酸酶于37℃作用10分钟；加入10μL BSA-AuNCs，5分钟后，将检测试剂杯正确安放在试剂杯卡座上。关闭光路传递装置的光学通道2和4，打开光学通道3的光源，并将光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，调试好手机拍摄参数，获取试剂杯在365nm LED激发下的荧光图像，用颜色分析APP进行分析。
结果如下图4所示。365nm LED激发的荧光图，其通道R值随着尿酸浓度的增大而显著减少，信号变化明显。这是由于表面BSA-NCs解离，颗粒降解，荧光减弱。
实施例5
利用化学发光信号的变化检测尿酸
配制系列浓度的尿酸标准溶液（PB体系）；分别取适量置于检测试剂杯中，与10mg/ml尿酸酶于37℃作用10分钟；加入10μL HRP和鲁米诺，5分钟后，将检测试剂杯正确安放在试剂杯卡座上。关闭光路传递装置的光学通道2、3和4，并将光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，调试好手机拍摄参数，获取试剂杯的化学发光信号图像，用颜色分析APP进行分析。
结果如下图5所示，这些光信号的变化与尿酸的浓度呈一定的相关关系。
实施例6
尿酸的检测及图像分析
配制系列浓度的尿酸标准溶液（PB体系），分别取适量置于检测试剂杯中，与10mg/ml尿酸酶于37℃作用10分钟；加入10μL BSA-AuNCs，5分钟后，将检测试剂杯正确安放在试剂杯卡座上。关闭光路传递装置的光学通道4，先后打开光学通道2和3的光源，并将光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，调试好手机拍摄参数，用光路传递装置辅助完成光学图像的采集。图6 为520nm激光激发的光散射图像，图8 为365nm LED激发的荧光图像，用颜色分析APP进行分析。获得RGB三通道的值和HSV值。做这些值与尿酸浓度的标准曲线，分析其性能。
结果如图7、图9显示，这些光信号的变化与尿酸的浓度呈一定的相关关系。
实施例7
唾液样本采集及唾液尿酸的检测
样本采集前30分钟停止进食，尤其是含糖量和咖啡因含量高的饮食、口香糖，不可吸烟;采集前24小时内不应进行任何牙科治疗，以避免被细菌污染。将用于取唾液的海绵拭子置于舌下1分钟，然后将采集棉棒放入干净的软袋中，用手挤压出澄清、低粘度唾液，而将死亡细胞、糖蛋白和其他亚细胞物质吸附在海绵上去除。唾液样本取出后，用PB稀释10倍，加入不同浓度的尿酸溶液，如实施例 所述进行分析操作。
结果图10，图11显示，这些光信号的变化与唾液尿酸的浓度呈一定的相关关系。
本发明实施例由于采用以上技术方案，具有以下优点：
发明通过设计的光路传递装置和智能手机强大的拍照和分析功能相互配合，从而实现对唾液尿酸检测试剂中单模式或多模式光学信号变化图像的捕获及定量分析，可供分析的光学信号包括颜色、强度、自发光、荧光、颗粒粒径、浊度，或这些信号的组合，可以提高检测的效率及准确性；
发明装置不仅一机多用，而且小巧、便携，不依赖昂贵、大体积的分光光度计、荧光分光光度计、化学发光仪及激光散射仪等仪器，在一定程度上实现了唾液尿酸的低成本家庭检测。通过对唾液样本的实际验证，检测灵敏度16.45μmol/L，检测线性范围16 - 100 μmol/L ，表明本发明能够满足唾液尿酸即时检测的需求；
本发明设计的方法适用于唾液标本的分析，相较血液标本，采集更安全方便、无创伤、无血源性疾病传播的危险，患者无痛苦，易于接受；相较尿液标本，具有可实时采样,心理不反感的优点。将尿酸酶的特异性催化与高灵敏度贵金属纳米簇的荧光特点结合起来，所需唾液样本量少，检测灵敏度高，满足尿酸低浓度检测的要求；
4、本发明设计的方法和装置拥有极高的通用性，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下也能够获知，除了尿酸，其还可用于基于激光光散射信号、荧光信号、光吸收信号、自发光信号的其他分子的检测。
说明书附图
图1 检测装置的设计图
图2 利用光吸收信号的变化检测尿酸
图3 利用激光散射信号的变化检测尿酸
图4 利用荧光信号的变化检测尿酸
图5 利用化学发光信号的变化检测尿酸
图6 尿酸标准溶液520nm激光激发下采集的光散射图像
图7 酸标准溶液520nm激光光散射信号分析
图8 尿酸标准溶液365nm紫外激发下采集的荧光图像
图9 尿酸标准溶液365nm激发荧光信号分析
图10 唾液样本不同浓度365nm激发下采集的图像
图11 唾液尿酸365nm激发荧光信号分析。
Claims (6)
1.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，其特征在于，采用一种光路传递装置，与智能手机联用，采集唾液尿酸检测试剂中单模式或多模式光学信号变化图像，通过图像分析定量唾液尿酸的含量。
2.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，根据权利要求1所述，其特征在于，光路传递装置由检测试剂杯卡座、4个光学通道和智能手机卡座组成。
3.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，根据权利要求1所述，其特征在于，检测试剂主要由尿酸酶和金属纳米簇试剂组成；检测的光学信号由检测试剂中尿酸酶与待测样品中尿酸反应所致金属纳米簇的性质变化所产生，包括颜色、强度、自发光、荧光、颗粒粒径、浊度，或这些信号的组合。
4.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，根据权利要求2所述，其特征在于，检测试剂杯卡座用于放置并固定检测试剂杯；光学通道1与智能手机摄像头装配在一起，用于辅助拍摄，保证摄像头可以清晰拍摄到来自试剂杯的光学信号；光学通道 、光学通道3、光学通道4分别为激光光源通道、紫外光光源通道和可见光光源通道；各个光学通道都与检测试剂杯联通，或提供光源给检测试剂杯，或传导来自检测试剂杯的光学信号，其中，激光光源通道、紫外光光源通道与光学通道1成9 度夹角，可见光光源通道与光学通道1平行。
5.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，根据权利要求3所述，其特征在于，金属纳米簇优选金纳米簇（AuNCs）或银纳米簇（AgNCs），制备金属纳米簇的蛋白优选牛血清白蛋白（BSA）或辣根过氧化物酶（HRP）。
6.一种唾液尿酸即时检测方法和装置，根据权利要求1所述，其特征在于，该检测方法和装置可以以单模式或多模式方式对激光光散射信号、荧光信号、光吸收信号、自发光信号的变化作出响应，可在一定程度上替代分光光度计、荧光分光光度计、化学发光仪及激光散射仪等仪器，用于尿酸或基于这些信号的其他分子的现场即时检测。
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2023
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