[发明专利]基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统及方法，检测系统包括：激光发射装置，发射激光光束；气室，设有激光耦合端口；透镜，设于激光耦合端口内；至少两个反射镜，间隔放置于气室内；脱水装置，与气室连通；探测装置，检测气室出射光线的光谱信号并转换为电流信号；信号处理模块，将探测装置输出的电流信号转换为电压信号并进行调制输出复合光谱；主控制器，与信号处理模块连接，内设：计算模块，根据已知浓度VOCs光谱和复合光谱利用CLS模型反演计算VOCs浓度；分析模块，根据VOCs浓度和复合光谱通过分析模型分析得到单一标志物浓度。本发明能够准确检测呼吸气体中特异性好的大分子标志物，检测灵敏度和可靠性高。

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，涉及呼吸气体的光谱检测技术，具体地说，涉及一种基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统及方法。

背景技术

人体呼出气中包含着大量人体新陈代谢产物，呼出物的种类和浓度的变化能反映人体的健康状态，可以用于重大疾病的诊断。我们可以通过对人体呼出气体中某些特殊的标志物进行浓度检测，进而分析人体的健康问题。呼吸气体中某些标志物浓度升高可能是由于身体患有炎症组织的氧化活性增强，也可能是由于机体与炎症组织相互作用引起的氧化应激引起的，而在体内形成的醛被醛脱氢酶(简称：ALDH)氧化产生羧酸。

GC-MS的研究发现，几十种生物标志物多是大分子的醛、酮、烷烃、苯系物的几类化合物。比如，结直肠癌患者呼出的环己酮和十二烷浓度比健康人高；乳腺癌患者呼出的羰基硫化物和乙烷浓度升高；呼出的癸烷和苯乙烯可用作肝癌患者的筛选试验；C₁-C₁₀的直链醛基化合物是一类典型的肺癌生物标志物，在早期肺癌患者的呼出气中，它的含量明显较高。所以进行人体呼出气体中大类标志物的检测可以有效判断人体的健康情况。

1971年，诺贝尔化学奖得主Linus Pauling等研究者在人体的呼出气中发现200多种可挥发性有机物(简称：VOCs)，开启了通过人体呼出气中特异性VOCs来诊断相关疾病的研究。目前在执法、医疗等领域常用的呼出气检测手段有酒精检测、幽门螺旋杆菌检测诊断等。与血液和尿液分析相比，呼出气分析被认为是既方便又安全的方式，而与传统诊断技术如组织切片、血检、尿检、CT等相比，呼出气分析又具有无创、采样方便、操作简单、依从性好以及能够即时检测等优点，操作简单不受检测者经验的影响。

在呼吸气体的检测技术手段中，其中最常用的分析方法是质谱法(如气相色谱质谱法，GC-MS)。然而基于GC-MS的仪器仅限于实验室设置，不允许即时采样(即直接呼入仪器)，通常使用内置系统反馈控制呼吸气袋的气流，分析时间相对较长(约数十分钟)，因此不适合快速的现场测量。

质子转移反应质谱(简称：PTR-MS)技术是一种快速、无损、高灵敏质谱检测技术，可对痕量挥发性有机物进行实时、在线定量检测，应用于环境科学、食品科学、生理和医学等领域。但PTR-MS技术的一个主要缺点是难以鉴别特定物质。由于PTR-MS依赖于化合物的分子量来与VOCs相互关联，但许多物质可能有相似的分子量。

电子鼻作为一种新型的气体传感技术，体积较小，便于携带，成本低，易使用，可以实时分析样本，它的传感器对于某类物质而不是某种特定成分反应，在癌症诊断的研究中发挥了重要作用。但其仍面临许多挑战，当电子鼻传感器同时暴露在各种不同的气体化合物中时，很难检测到整个较大的混合物中特定成分的浓度。还有电子鼻的校准问题，当大多数传感器暴露于不同浓度的化合物混合物中时，无法确定如何针对它们可能面临的任何化合物组合适当的校准传感器。