一种基于微型气相色谱的癌症检测系统
阅读说明：本技术 一种基于微型气相色谱的癌症检测系统 (Cancer detection system based on miniature gas chromatography ) 是由 孙建海 陈婷婷 马天军 薛宁 蔡浩原 蒋开晟 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于微型气相色谱的癌症检测方法及系统,针对呼吸气体诊断重大疾病的需求,能够实现呼吸气体中所有气体分子的无干扰高灵敏检测,检测精度高。将微型气相色谱与高灵敏广谱型传感器集成,是一种高集成化便携式呼吸气体检测疾病的诊断仪,只需病人的呼吸气体,属于无创检测；采用进样阀结合双色谱柱方法,不仅可以提高处理复杂样品的能力(可分离组分的种类更多,范围更广),采用微型色谱柱的方法来开发癌症的检测,这种方法不仅可以准确检测呼吸气体各组分的精确含量,解决传感器本身抗干扰能力弱的技术瓶颈,而且可以提高检测仪的便携性,适应现场检测要求。(The invention provides a cancer detection method and a cancer detection system based on micro gas chromatography, aiming at the requirement of respiratory gas for diagnosing major diseases, the method and the system can realize the interference-free high-sensitivity detection of all gas molecules in the respiratory gas and have high detection precision. The micro gas chromatography and the high-sensitivity broad-spectrum sensor are integrated, the diagnosis instrument is a high-integration portable breathing gas disease detection diagnosis instrument, only breathing gas of a patient is needed, and the diagnosis instrument belongs to non-invasive detection; the method adopts the combination of the sample injection valve and the double chromatographic columns, not only can improve the capability of processing complex samples (more types of separable components and wider range), but also adopts the method of the micro chromatographic columns to develop the detection of cancers, and the method not only can accurately detect the accurate content of each component of respiratory gas, solves the technical bottleneck that the self anti-interference capability of the sensor is weak, but also can improve the portability of the detector and is suitable for the requirement of on-site detection.)
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于微型气相色谱的癌症检测系统。
背景技术
古代希腊医生已经知道人类呼吸气体的气味可以用于疾病的诊断，糖尿病人的呼吸气味由于含有丙酮，具有恶臭，呼吸气具有尿骚味预示肾脏有毛病。肺脓肿病人的呼吸气具有下水道的气味，这是由于厌氧菌繁殖而形成的气味。而有肝病的病人呼出气体具有臭鱼烂虾气味。由于这些分子源于内源性和外源性物质，详细分析这些物质的组成，可以提供多种体内所发生的生理学过程的特征(即呼吸谱)，以及摄取和吸收物质的途径。如果获取和分析得到的呼吸谱是正确的，由此提供一个当前的健康状态以及将来可能的后果。
可见，人体呼吸气体的测试是一种无损伤检测，可以评估健康状态、检测疾病类型，呼吸气体的检测可以利用简单的分析仪器进行。呼吸气检测相比其他通常医疗检测的最大优点是非侵害性和安全性，由于其在临床诊断和明确的评估方面具有巨大的优势，所以呼吸气检测今天受到极大的重视，成为一些病人每天控制重要指标的必要测试项目(就像测血糖和尿液一样)。
为了提高便携性和普适性，目前国际上大多采用高灵敏传感器集成的方式来实现呼吸气体的检测，但是这种多传感集成的方式，由于传感器不具备高选择性，气体成分的相互干扰是其最大的技术瓶颈，导致检测结果准确度差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于微型气相色谱的癌症检测方法及系统，针对呼吸气体诊断重大疾病的需求，能够实现呼吸气体中所有气体分子的无干扰高灵敏检测，检测精度高。
为实现上述目的，本发明的一种基于微型气相色谱的癌症检测系统，其特征在于，包括废样排空口、第一富集器、第二富集器、第一微型气相色谱柱、第二微型气相色谱柱、第一路载气、第二路载气、检测器、呼吸气体预处理器、第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、进样阀以及采样泵；
其中，进样阀为十通阀，包括10个端口，编号按顺时针排序，2端和3端相通，4端和5端相通，6端和7端相通，8端和9端相通，10端和1端相通；
呼吸气体预处理器的呼吸气体出口与进样阀的1端连接；
采样泵一端与进样阀的2端连接，另一端与废样排空口连接；
第一气体流量控制器与进样阀的9端连接，用于输入第一路载气，第二气体流量控制器与进样阀的5端连接，用于输入第二路载气；
第一富集器两端分别与进样阀的10端及7端连接，第二富集器两端分别与进样阀的3端及6端连接；
第一色谱柱一端与进样阀的8端连接，另一端与检测器入口端连接，第二色谱柱与进样阀的4端连接，另一端与检测器入口端连接；检测器出口端与色谱工作站连接。
其中，包括废样排空口、第一富集器、第二富集器、第一微型气相色谱柱、第二微型气相色谱柱、第一路载气、第二路载气、第一路检测器、第二路检测器、呼吸气体预处理器、第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、进样阀以及采样泵；
其中，进样阀为十通阀，包括10个端口，编号按顺时针排序，2端和3端相通，4端和5端相通，6端和7端相通，8端和9端相通，10端和1端相通；
呼吸气体预处理器的呼吸气体出口与进样阀的1端连接；
采样泵一端与进样阀的2端连接，另一端与废样排空口连接；
第一气体流量控制器与进样阀的9端连接，用于输入第一路载气，第二气体流量控制器与进样阀的5端连接，用于输入第二路载气；
第一富集器两端分别与进样阀的10端及7端连接，第二富集器两端分别与进样阀的3端及6端连接；
第一色谱柱一端与进样阀的8端连接，另一端与第一路检测器入口端连接，第二色谱柱与进样阀的4端连接，另一端与第二路检测器入口端连接；两路检测器的出口端均与色谱工作站连接。
其中，包括废样排空口、第一富集器、第一微型气相色谱柱、第二微型气相色谱柱、第一路载气、第二路载气、检测器、呼吸气体预处理器、第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、进样阀以及采样泵；
其中，呼吸气体预处理器的呼吸气体出口与进样阀的9端连接；
采样泵一端与进样阀的10端连接，另一端与废样排空口连接；
第一气体流量控制器与进样阀的2端连接，用于输入第一路载气，第二气体流量控制器与进样阀的5端连接，用于输入第二路载气；
第一富集器两端分别与进样阀的1端及8端连接；
第一色谱柱一端与进样阀的7端连接，另一端与检测器入口端连接，第二色谱柱与进样阀的3端连接，另一端与检测器入口端连接；检测器出口端与色谱工作站连接。
其中，包括废样排空口、第一富集器、第一微型气相色谱柱、第二微型气相色谱柱、第一路载气、第二路载气、第一路检测器、第二路检测器、呼吸气体预处理器、第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、进样阀以及采样泵；
其中，呼吸气体预处理器的呼吸气体出口与进样阀的9端连接；
采样泵一端与进样阀的10端连接，另一端与废样排空口连接；
第一气体流量控制器与进样阀的2端连接，用于输入第一路载气，第二气体流量控制器与进样阀的5端连接，用于输入第二路载气；
第一富集器两端分别与进样阀的1端及8端连接；
第一色谱柱一端与进样阀的7端连接，另一端与第一路检测器入口端连接，第二色谱柱与进样阀的3端连接，另一端与第二路检测器入口端连接；检测器出口端与色谱工作站连接。
其中，包括呼吸气体预处理器腔体、干燥剂、Nafion管以及过滤膜；其中，呼吸气体预处理器腔体两侧设有进样入口以及呼吸气体出口，过滤膜、Nafion管以及干燥剂沿气体进入方向依次设置在腔体内。
其中，所述检测器光离子化检测器、声表面波检测器、MEMS气体传感器及离子迁移谱传感器中的一种或几种组合。
其中，第一路载气和第二路载气从一个输入口输入分两路得到。
其中，第一路载气和第二路载气分别从各自路对应输入口输入得到。
有益效果：
本发明系统将微型气相色谱与高灵敏广谱型传感器集成，是一种高集成化便携式呼吸气体检测疾病的诊断仪，只需病人的呼吸气体，属于无创检测；采用进样阀结合双色谱柱方法，不仅可以提高处理复杂样品的能力(可分离组分的种类更多，范围更广)，采用微型色谱柱的方法来开发癌症的检测，这种方法不仅可以准确检测呼吸气体各组分的精确含量，解决传感器本身抗干扰能力弱的技术瓶颈，而且可以提高检测仪的便携性，适应现场检测要求。可以实现呼吸气体中所有气体分子的无干扰高灵敏检测，检测精度高，而且可提高复杂样品的分析速度。
本发明采用微型富集技术，可以提高呼吸气体各组分的瞬态浓度，提高检测仪的灵敏度。
本发明系统适用范围广，通过更换微型气相色谱的固定相材料，可以实现多种重大疾病的诊断，如肺癌、糖尿病、肾病和肝代谢疾病等。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明呼吸气体预处理器示意图。
图3为本发明中微型气相色谱柱5和微型气相色谱柱6各自独立连接一传感器时整体结构示意图。
图4为本发明为提高分析速度时的一种连接示意图。
其中，1—进样入口，2—废样排空口，3—第一富集器，4—第二富集器，5—第一微型气相色谱柱，6—第二微型气相色谱柱，7—第一路载气，8—第二路载气，9—检测器，10—色谱图，11—呼吸气体预处理器，12—第一气体流量控制器，13—第二气体流量控制器，14-进样阀，15-采样泵；16-干燥剂，17-Nafion管，18—第一路载气检测器，19—第一路载气色谱图，20-过滤膜，21-呼吸气体出口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例整体结构如图1所示，包括废样排空口2、第一富集器3、第二富集器4、第一微型气相色谱柱5、第二微型气相色谱柱6、第一路载气7、第二路载气8、检测器9、呼吸气体预处理器11、第一气体流量控制器12、第二气体流量控制器13、进样阀14以及采样泵15。其中进样阀14为十通阀，包括10个端口，编号按顺时针排序，2端和3端相通，4端和5端相通，6端和7端相通，8端和9端相通，10端和1端相通。
其中，呼吸气体预处理器11的作用是除去呼吸气体中的水份及食物残渣，其结构如图2所示，包括呼吸气体预处理器腔体、干燥剂16、Nafion管17以及过滤膜20；其中，呼吸气体预处理器腔体两侧设有进样入口1以及呼吸气体出口21，过滤膜20、Nafion管17以及干燥剂16沿气体进入方向依次设置在腔体内；工作原理具体为：呼吸气体自进样入口1进入呼吸气体预处理器腔体，首先呼吸气体中的粉尘、实物残渣及部分水汽被过滤膜20过滤，然后进入Nafion管17，Nafion管17对水汽具有强吸附作用并且渗出管外，水汽经Nafion管吸附后，立即被Nafion管渗出管外且被管外的干燥剂16吸收掉，从而除掉了呼吸气体中的水汽，再经呼吸气体出口21进入进样阀14。
呼吸气体预处理器11的呼吸气体出口21与进样阀14的1端连接；
采样泵15一端与进样阀14的2端连接，另一端与废样排空口2连接；
第一气体流量控制器12与进样阀14的9端连接，用于输入第一路载气7，第二气体流量控制器13与进样阀14的5端连接，用于输入第二路载气8；
第一富集器3两端分别与进样阀14的10端及7端连接，第二富集器4两端分别与进样阀14的3端及6端连接；
第一色谱柱5一端与进样阀14的8端连接，另一端与检测器9入口端连接，第二色谱柱6与进样阀14的4端连接，另一端与检测器9入口端连接。检测器9出口端与色谱工作站连接，色谱工作站接收检测器信号，并输出色谱图10。
本发明工作过程具体如下：
呼吸气体进样状态：如图1所示，呼吸气体自样品入口1经呼吸气体预处理器11处理后，经进样阀14的1、10端进入第一定富集器富集3，再经进样阀14的7、6端进入第二富集器4，然后经进样阀14的3、2端，呼吸气体中的各组分被第一富集器3和第二富集器4中的富集材料充分吸附后达到饱和，剩余的呼吸气体组分则从废样排空口2排出，在第一富集器3和第二富集器4储存了足量的样品。此时的第一路载气7经进样阀14的9、8端，流经第一微型色谱柱5进入检测器9，第二路载气8经进样阀14的5、4端，流经第二微型色谱柱6进入检测器9，由于这两路都不含有样品，因此检测器9无输出信号。
呼吸气体分析状态：进样后，加热第一富集器3和第二富集器4。被吸附在富集材料中的气体组分脱附，与此同时，切换进样阀14，系统处于分析状态。此时第一路载气7经进样阀14的9、10端，将第一富集器3中的样品经进样阀14的7、8端推进第一微型色谱柱5，待呼吸气体充分分离后进入检测器9；同时，第二路载气8经进样阀14的5、6端，将第二富集器4中的样品，经经进样阀14的3、4端，推进第二微型色谱柱6并进入检测器9。由于第一微型色谱柱5填充的固定相材料及其长度与第二微型色谱柱6不同，使两者分离样品后的各组分进入检测器9，而不会出现组分重叠现象，若有组分重叠现象，则可以通过调节第一微型色谱柱5或第二微型色谱柱6的长度。这样，就得到了呼吸气体的全谱图，然后通过分析各组分的保留时间及峰面积，就可以分析出其组分类别及含量。
所述第一富集器与第二富集器是对呼吸气体进行富集，其原理是在富集器中填充富集材料，进样过程中，富集材料可以大量吸附目标气体，等到分析状态时，再加热释放被吸附的气体，从而提高了目标气体组分的瞬态浓度；
所述第一富集器与第二富集器内的富集材料是根据分析目标气体来选择，其中，第一富集器中的富集材料要以第一微型色谱柱分离的目标气体来选择，同样，第二富集器中的富集材料要以第二微型色谱柱分离的目标气体来选择。
为了不受分离后各组分再次叠加混合的风险，可以将第一微型气相色谱柱5和第二微型气相色谱柱6各自独立连接检测器，这种结构下整个系统图如图3所示。其中，第一色谱柱5一端与进样阀14的8端连接，另一端与第一路载气检测器18入口端连接，第二色谱柱6与进样阀14的4端连接，另一端与第二路检测器9入口端连接。两路检测器的出口端均与色谱工作站连接，色谱工作站接收检测器信号，并输出两路色谱图。
具体地，采用进样阀结合双色谱柱方法，利用不同色谱柱可分离不同气体分子的特点，提高了样品的分析速度，此外，两种不同色谱柱，其分离组分的能力也大幅提高，从而提高了复杂样品处理能力。
所述的微型气相色谱柱，其单位长度柱效高且样品容量大，可以以较短的长度实现较复杂样品的分离；采样两种不同色谱柱，其优势是可将第一微型气相色谱柱5不能分离或者分离速度较慢的组分，再采用对这些组分能分离且分离速度快的第二微型气相色谱柱6(填充不同固定相，且柱温可能会高于第一色谱柱的柱温)来分离，这样就解决了对呼吸气体所有成分的分离，提高了分析速度。
另外，为了提高分析速度，亦可以采用如图4所示的连接，无需第二富集器4；包括废样排空口、第一富集器、第一微型气相色谱柱、第二微型气相色谱柱、第一路载气、第二路载气、检测器、呼吸气体预处理器、第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、进样阀以及采样泵；
呼吸气体预处理器11的呼吸气体出口21与进样阀14的9端连接；
采样泵15一端与进样阀14的10端连接，另一端与废样排空口2连接；
第一气体流量控制器12与进样阀14的2端连接，用于输入第一路载气7，第二气体流量控制器13与进样阀14的5端连接，用于输入第二路载气8；
第一富集器3两端分别与进样阀14的1端及8端连接；
第一色谱柱5一端与进样阀14的7端连接，另一端与检测器9入口端连接，第二色谱柱6与进样阀14的3端连接，另一端与检测器9入口端连接。检测器9出口端与色谱工作站连接，色谱工作站接收检测器信号，并输出色谱图10。
其工作过程具体如下：
(1)呼吸气体取样时，自进样阀14的9→8端进入定量管中，多余的样品，自1→10端后排空，此时载气自进样阀14的2→3端并经第二色谱柱6进入检测器并输出基准信号；(2)切换进样阀14进入分析状态，载气自进样阀14的2→1端，推动定量管中的样品，自8→7端进入第一色谱柱5进行分离，分离速度快的一类气体率先由4→3进入第二色谱柱6，而分离速度慢的另一类气体还在第一色谱柱5中，等欲分析的轻质气体(较快的部分)全部进入第二色谱柱6后，切换进样阀14；(3)这时第一路载气7经2→3端推动待分析的轻质气体在第二色谱柱6中分析，并将分离后的组分输入检测器，输出各成分的含量，而第二路载气8则经5→4端将第一色谱柱5中没有出完的成分继续分离，分离后由7→6端再次进入检测器并输出信号，极大提高了检测速度。
其中，所述检测器可采用单一传感器，亦可采用多种传感器组合，可以是光离子化检测器(PID)、声表面波检测器(SAW)、MEMS气体传感器及离子迁移谱(IMS)传感器，以高灵敏感测组分为选择依据。
进一步地，第一路载气和第二路载气可以从一个输入口输入分两路得到，也可以分别从各自路对应输入口输入得到。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。
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