CN110487731B - 基于cn自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法，检测过程为：脉冲形式的被测者呼出气体排至检测箱中，经聚焦的激光束烧蚀成等离子体，呼出气体中的CO₂与环境中的N₂结合，生成CN自由基分子，多通道光谱仪收集得到CN自由基分子同位素光谱数据，传输至数据处理计算机中数据处理，得到CN自由基分子谱线的频率位移与谱线强度，进而得到被检测者呼气中碳元素同位素的丰度信息。本发明可避免繁琐的样品预处理，并无需在真空环境下检测，可缩短检测时间，提高检测效率，降低检测装置的成本。此外，CN自由基分子的发射谱线不会受原子谱线干扰，而质谱检测对于质量数相近的物质谱线标定困难，因而本发明的检测精度更高。

Description

基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法

技术领域

本发明属于同位素在线探测领域，涉及碳同位素丰度与分子发射光谱的测量，尤其涉及一种基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法。

背景技术

幽门螺杆菌是世界上人群感染率最高的慢性感染性致病菌之一，它是目前所知能够在人胃中生存的唯一微生物种类。研究表明，幽门螺杆菌感染可引起慢性胃炎、胃和十二指肠溃疡、消化性胃黏膜相关的淋巴样组织淋巴瘤和胃腺癌等多种疾病。因而，及早发现幽门螺杆菌感染者，并通过抗菌素有效杀灭幽门螺杆菌具有重要意义。

对于幽门螺杆菌感染的检测方法有许多种，如活组织镜检、幽门螺杆菌的分离培养、快速尿素酶试验、尿素呼气试验、尿氨排出试验、血清学试验以及多聚酶链反应等。目前，医院采用的主流的检测方法为尿素[¹³C]呼气检测法，其是通过患者口服尿素[¹³C]胶囊，如果在患者胃部中存在幽门螺杆菌，则该种病菌就会分泌尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成二氧化碳随血液进入肺部并通过呼吸排出，随后便可在患者的呼出气中检测到¹³C同位素。该种检测方法安全、准确、方便、无痛苦、无创伤、无交叉感染，被公认为是检测幽门螺杆菌的有效方法之一。

在上述的尿素[¹³C]呼气检测方法中，最为关键的步骤是对碳同位素(¹³C)含量的精准探测。现有的同位素探测手段主要是依靠质谱探测，尽管质谱探测的准确性较高，但其对样品的预处理过程繁琐，患者呼出气需要预先混合载气后再进入质谱检测箱中，同时，质谱探测须在真空中进行，对探测环境要求极高。因而，此种方法对于同位素丰度的分析时间较为漫长。此外，由于质谱探测的设备大多需要由国外进口，价格高昂，导致基于质谱探测的呼气检测方法成本较高。

发明内容

本发明提出一种高效率、低成本，且对检测环境要求较低的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法，实现对幽门螺杆菌的尿素呼气法中，¹³C的快速在线检测。

本发明所采用的技术方案为：

基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置，包括：检测箱、气体导管、时序控制器、多通道光谱仪、数据处理计算机，以及设置在所述检测箱内的脉冲阀门、Nd：YAG脉冲激光器、聚焦透镜和光纤探头；

所述气体导管伸入所述检测箱内，所述脉冲阀门安装在所述气体导管端部，所述气体导管相对的另一端端部设有吹嘴；所述Nd：YAG脉冲激光器发出的激光束被所述聚焦透镜聚焦至所述脉冲阀门出口位置，所述光纤探头对着所述脉冲阀门出口位置；所述时序控制器分别与所述Nd：YAG脉冲激光器和所述多通道光谱仪相连，所述光纤探头与所述多通道光谱仪相连，所述多通道光谱仪与所述数据处理计算机相连。

进一步地，所述时序控制器分别与所述Nd：YAG脉冲激光器和所述多通道光谱仪通过光纤连接，所述光纤探头与所述多通道光谱仪通过光纤连接，所述多通道光谱仪与所述数据处理计算机通过光纤连接，所述检测箱上开有多个供光纤穿过的通孔。

进一步地，所述气体导管上还设有用于吸收被测气体中水分的过滤器。

基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，包括如下步骤：

步骤一、吹嘴接受被检测者服用尿素[¹³C]胶囊后呼出的气体，该气体沿着气体导管经过滤器吸收水分后，在脉冲阀门处以脉冲形式排至检测箱内；

步骤二、排至检测箱内的呼出气体分子被Nd：YAG脉冲激光器发出的、经聚焦透镜聚焦的1064nm激光束烧蚀成等离子体，呼出的气体中的CO₂分子与检测箱内环境中的N₂分子结合，生成CN自由基分子，多通道光谱仪通过光纤探头收集得到CN自由基分子同位素光谱数据，过程中，调节时序控制器，消除光谱数据背景噪声；

步骤三、多通道光谱仪收集的CN自由基分子同位素光谱数据传输至数据处理计算机中进行数据处理，得到同位素光谱中的CN自由基分子光谱的频率位移与谱线强度，进而得到被检测者呼气中碳元素同位素的丰度信息；

CN自由基分子光谱的频率位移Δν公式为：

公式(1)中，μ为CN自由基分子的约合质量数，i表示¹³C及其他碳同位素，ω_e和χ_e均为光谱常数，v为振动量子数，A′表示上能级参数，A″表示下能级参数；

CN自由基分子光谱的谱线强度为CN自由基分子对应的频率谱线积分得到的特征峰面积；

具体包括：

步骤3-1、首先，对CN自由基分子同位素光谱数据依次进行归一化和小波变换降噪处理，接着，在降噪后的光谱中提取B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态跃迁下，¹²CN自由基分子对应的频率谱线和¹³CN自由基分子对应的频率谱线，并分别通过积分得到¹²CN和¹³CN自由基分子频率谱线的特征峰面积，即谱线强度；

步骤3-2、计算¹²CN和¹³CN自由基分子的振动能级信息，由E＝hν，得到特征谱线频率理论值，E为振动能级能量，h为普朗克常数，ν为分子的振动频率；再对已知丰度比的CO₂同位素样品进行实验测量，采集样品CN自由基分子光谱，提取特征谱线频率理论值处谱线强度，并使用最小二乘法确定CN自由基谱线强度与同位素丰度间的定标曲线；

步骤3-3、将步骤3-1中得到的谱线强度代入步骤3-2的定标曲线中进行比对，反演出同位素的丰度，确定¹³C同位素的含量。

进一步地，步骤3-1中，CN自由基采用B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态的跃迁，¹²CN自由基分子对应谱线频率ν₁＝8.3624×10¹⁴Hz，¹³CN自由基分子对应于该跃迁的谱线频率ν₂＝8.3521×10¹⁴Hz。

本发明的有益效果在于：

(1)该发明采用光谱探测取代现有的质谱技术对碳同位素进行快速精准检测，呼出气可直接沿气体导管进入检测箱中进行检测，避免了繁琐的样品预处理步骤，能够大大缩短对于幽门螺杆菌的检测时间，同时也有效地提高检测效率。

(2)该发明是基于CN自由基分子的发射光谱以实现对¹³C同位素丰度的探测，由于激光光谱中绝大部分谱线都为原子谱线，而分子谱线与原子谱线的线形与分布特点差异较大，因而CN自由基分子的发射谱线不会受到干扰，这既避免了质谱技术中对于质量数相近的物质谱线标定的困难，也提高了对于¹³C同位素丰度的探测精度，即幽门螺旋杆菌含量的检测精度。

(3)现有的检测系统采用的质谱技术需要在真空环境下对样品进行检测，而本发明采用的CN自由基同位素光谱技术可以直接在大气环境下进行，大大降低了实验环境要求，也简化了检测流程，便于检测装置的便携性；同时也降低了检测装置的成本，更利于产品的商业化。

附图说明

图1为本发明的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置的结构示意图；

图2为本发明的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法的流程框图；

图3为CN自由基同位素光谱图(¹²CN与¹³CN自由基分子)；

附图标记：1-检测箱，2-吹嘴，3-过滤器，4-气体导管，5-脉冲阀门，6-Nd：YAG脉冲激光器，7-聚焦透镜，8-激光束，9-光纤探头，10-光纤，11-时序控制器，12-多通道光谱仪，13-数据处理计算机。

具体实施方式

本发明主要是通过激光与气体物质作用，产生CN自由基同位素分子发射光谱，并借助测量同位素分子发射光谱的频率位移来实现碳同位素的精准在线探测。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置及方法作进一步说明。

如图1所示的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测装置，包括：检测箱1、气体导管4、脉冲阀门5、Nd：YAG脉冲激光器6、聚焦透镜7、光纤探头9、时序控制器11、多通道光谱仪12和数据处理计算机13。其中，脉冲阀门5、Nd：YAG脉冲激光器6、聚焦透镜7和光纤探头9设置在检测箱1内，时序控制器11、多通道光谱仪12和数据处理计算机13位于检测箱1外部。

气体导管4伸入检测箱1内，脉冲阀门5安装在气体导管4端部，气体导管4相对的另一端端部设有吹嘴2，气体导管4上还设有过滤器3，过滤器3可去除被测气体中的水分，获得更佳的检测效果，本实施例中，过滤器3为除水滤芯。Nd：YAG脉冲激光器6发出的激光束8被聚焦透镜7聚焦至脉冲阀门5出口位置，光纤探头9对着脉冲阀门5出口位置。时序控制器11分别与Nd：YAG脉冲激光器6和多通道光谱仪12通过光纤10连接，光纤探头9与多通道光谱仪12通过光纤10连接，多通道光谱仪12与数据处理计算机13通过光纤10连接，检测箱1上开有多个供光纤10穿过的通孔。

如图2所示，基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，该方法采用上述的检测装置，包括如下步骤：

步骤一、吹嘴2接受被检测者服用尿素[¹³C]胶囊后呼出的气体，该气体沿着气体导管4，经过滤器3吸收水分后，在脉冲阀门5处以脉冲形式排至检测箱1内。

步骤二、排至检测箱1内的呼出气体分子被Nd：YAG脉冲激光器6发出的、经聚焦透镜7聚焦的1064nm激光束8烧蚀成等离子体(激光消融)，在高温等离子体的边缘部分呼出的气体中的多原子分子CO₂(主要包含¹²C和¹³C)与检测箱1内环境中的N₂分子结合，生成CN自由基分子，并辐射出CN自由基分子谱线(高温等离子体的边缘温度低于其中心温度，温度过高CN自由基分子不能存在，只有在温度较低的等离子体的边缘才具备产生CN自由基的温度条件)。多通道光谱仪12通过光纤探头9收集得到CN自由基分子同位素光谱数据，过程中，调节时序控制器11，设置合适的延迟时间以消除光谱数据背景噪声，具体延迟时间调试确定。

步骤三、多通道光谱仪12收集的CN自由基分子同位素光谱数据传输至数据处理计算机13中进行数据处理，得到同位素光谱数据中的CN自由基分子光谱的频率位移与谱线强度，进而得到被检测者呼气中碳元素同位素的丰度信息。

CN自由基分子光谱的频率位移Δν公式为：

公式(1)中，μ为CN自由基分子的约合质量数，i表示¹³C及其他碳同位素，ω_e和χ_e均为光谱常数，v为振动量子数，A′表示上能级参数，A″表示下能级参数；

CN自由基分子光谱的谱线强度为CN自由基分子对应的频率谱线积分得到的特征峰面积。

具体地，步骤三包括：

步骤3-1、首先，对CN自由基分子同位素光谱数据依次进行归一化和小波变换降噪处理，接着，在降噪后的光谱中提取B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态跃迁下，¹²CN自由基分子对应频率谱线和¹³CN自由基分子对应的频率谱线，并分别通过积分得到¹²CN和¹³CN自由基分子频率谱线的特征峰面积，即谱线强度。

本实施例中，CN自由基采用B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态的跃迁，¹²CN自由基分子对应谱线频率v₁＝8.3624×10¹⁴Hz，¹³CN自由基分子对应于该跃迁的谱线频率v₂＝8.3521×10¹⁴Hz，如图3所示，CN自由基分子光谱该种跃迁对应的谱线因不同的碳同位素产生了频率位移，通过频率位移Δν便可分辨碳同位素。

步骤3-2、通过高斯09软件计算得到¹²CN和¹³CN自由基分子的振动能级信息，首先在软件中构建一个¹²CN自由基分子结构，接着选用B3PW91/6-31+G(d)基组对分子结构进行优化并输出优化后的分子结构信息，计算结果表明¹²CN自由基分子的振动频率为2167.96/cm^-1。之后，在软件中构建¹³CN自由基分子结构，采用同样的基组计算得到¹³CN分子振动频率为2122.44/cm^-1，由E＝hν，便可获得¹²CN与¹³CN之间的振动能级差为0.0056eV，其中，E为振动能级能量，h为普朗克常数，ν为分子的振动频率。将¹²CN自由基分子谱线对应的能量减去理论振动能级差，即可得到¹³CN自由基分子特征谱线对应的能量及其频率理论值。再对已知丰度比的CO₂同位素样品进行实验测量，采集其CN自由基分子光谱，提取特征谱线频率理论值处谱线强度，并使用最小二乘法确定CN自由基谱线强度与同位素丰度间的定标曲线。所建立的定标曲线为丰度比与谱线强度信息的关系曲线，即一旦知道谱线强度，便能够知道碳同位素的丰度比。

步骤3-3、将步骤3-1中得到的谱线强度代入步骤3-2的定标曲线中进行比对，反演出同位素的丰度，得到¹³C同位素的含量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，其特征在于，应用于该方法的装置包括：检测箱(1)、气体导管(4)、时序控制器(11)、多通道光谱仪(12)、数据处理计算机(13)，以及设置在检测箱(1)内的脉冲阀门(5)、Nd：YAG脉冲激光器(6)、聚焦透镜(7)和光纤探头(9)；

气体导管(4)伸入检测箱(1)内，脉冲阀门(5)安装在气体导管(4)端部，气体导管(4)相对的另一端端部设有吹嘴(2)；Nd：YAG脉冲激光器(6)发出的激光束(8)被聚焦透镜(7)聚焦至脉冲阀门(5)出口位置，光纤探头(9)对着脉冲阀门(5)出口位置；时序控制器(11)分别与Nd：YAG脉冲激光器(6)和多通道光谱仪(12)相连，光纤探头(9)与多通道光谱仪(12)相连，多通道光谱仪(12)与数据处理计算机(13)相连；

方法包括如下步骤：

步骤一、吹嘴(2)接受被检测者服用尿素[¹³C]胶囊后呼出的气体，该气体沿着气体导管(4)经过滤器(3)吸收水分后，在脉冲阀门(5)处以脉冲形式排至检测箱(1)内；

步骤二、排至检测箱(1)内的呼出气体分子被Nd：YAG脉冲激光器(6)发出的、经聚焦透镜(7)聚焦的1064nm激光束(8)烧蚀成等离子体，呼出的气体中的CO₂分子与检测箱(1)内环境中的N₂分子结合，生成CN自由基分子，多通道光谱仪(12)通过光纤探头(9)收集得到CN自由基分子同位素光谱数据，过程中，调节时序控制器(11)，消除光谱数据背景噪声；

步骤三、多通道光谱仪(12)收集的CN自由基分子同位素光谱数据传输至数据处理计算机(13)中进行数据处理，得到同位素光谱中的CN自由基分子光谱的频率位移与谱线强度，进而得到被检测者呼气中碳元素同位素的丰度信息；

CN自由基分子光谱的频率位移Δν公式为：

公式(1)中，μ为CN自由基分子的约合质量数，i表示¹³C及其他碳同位素，ω_e和χ_e均为光谱常数，v为振动量子数，A′表示上能级参数，A″表示下能级参数；

CN自由基分子光谱的谱线强度为CN自由基分子对应的频率谱线积分得到的特征峰面积；

具体包括：

步骤3-1、首先，对CN自由基分子同位素光谱数据依次进行归一化和小波变换降噪处理，接着，在降噪后的光谱中提取B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态跃迁下，¹²CN自由基分子对应的频率谱线和¹³CN自由基分子对应的频率谱线，并分别通过积分得到¹²CN和¹³CN自由基分子频率谱线的特征峰面积，即谱线强度；

步骤3-2、计算¹²CN和¹³CN自由基分子的振动能级信息，由E＝hν，得到特征谱线频率理论值，E为振动能级能量，h为普朗克常数，ν为分子的振动频率；再对已知丰度比的CO₂同位素样品进行实验测量，采集样品CN自由基分子光谱，提取特征谱线频率理论值处谱线强度，并使用最小二乘法确定CN自由基谱线强度与同位素丰度间的定标曲线；

步骤3-3、将步骤3-1中得到的谱线强度代入步骤3-2的定标曲线中进行比对，反演出同位素的丰度，确定¹³C同位素的含量。

2.根据权利要求1所述的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，其特征在于，时序控制器(11)分别与Nd：YAG脉冲激光器(6)和多通道光谱仪(12)通过光纤(10)连接，光纤探头(9)与多通道光谱仪(12)通过光纤(10)连接，多通道光谱仪(12)与数据处理计算机(13)通过光纤(10)连接，检测箱(1)上开有多个供光纤(10)穿过的通孔。

3.根据权利要求1或2所述的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，其特征在于，气体导管(4)上还设有用于吸收被测气体中水分的过滤器(3)。

4.根据权利要求1所述的基于CN自由基同位素光谱的幽门螺杆菌检测方法，其特征在于，步骤3-1中，CN自由基采用B²∑⁺(v＝0)→X²∑⁺(v＝1)能态的跃迁，¹²CN自由基分子对应谱线频率v₁＝8.3624×10¹⁴Hz，¹³CN自由基分子对应于该跃迁的谱线频率v₂＝8.3521×10¹⁴Hz。