远程且实时地量化样品中金属的生物可及性的便携式模块化胃肠模拟器系统及方法

本发明涉及轻型便携式模块化胃肠模拟器系统，以及用于实时远程量化受污染的土壤样品(优选尾矿土壤)中存在的金属和准金属的浓度或量的方法，所述金属和准金属在人消化的常规条件下可能对人体可及(生物可及性)并对人健康造成风险，其中这样的金属和准金属选自：铁(fe)、铅(pb)、锌(zn)和铜(cu)、镍(ni)；砷(as)和镉(cd)，所述系统包括：上部预混合模块或前胃准备、中间混合或者胃肠或胃模拟模块、以及再循环或下部模块。本发明的系统的前两个模块具有ph、温度和搅拌速率传感器，所述传感器将信息传输到数据库中心，其中该信息与预设的ph、温度和搅拌速率值一起被存储，并将输入信息与存储的信息进行比较，并产生输出信号或响应，从而允许至少一个或更多个ph、温度、速率控制装置手动或自动调节采样容器内部的ph和温度以及搅拌装置的搅拌速率以实现预设值，从而实现超过50％、优选90％的混合物均匀度百分比。任选地，本发明的模块化系统包括当样品与s和g混合或者当样品与s、g、b和d混合时发出视觉信号、声音信号或两者从而向使用者警告达到在中间模块中实现超过50％、优选90％的混合物均匀度的已花费的时间的装置。当土壤样品与s和g混合时，足以在中间模块中实现50％均匀度的时间为半小时，而当土壤样品与s和g混合时，在同一模块中实现90％均匀度的时间为约1小时。当土壤样品与s、g、b和d混合时，足以在中间模块中实现90％均匀度的时间为两小时，而当土壤样品与s、g、b和d混合时，在同一模块中实现90％均匀度的时间为约4小时。包括搅拌装置的胃肠或胃模拟器模块(中间模块)的生物反应器设计是自己的设计。

背景技术：

1、目前，为了支持保护环境或人类健康的战略决策，在环境或采矿行业中越来越需要以低成本方法监测变量，包括可靠、实时和在线发布结果，以忠实执行现行法规。

2、近年来变得越来越重要的变量之一为生物可及性，因为其允许以低成本量化土壤基质中存在的可被人体吸收的污染物，并因此保护暴露于其中的个人的人类健康。然而，该变量可以通过数种方法量化，其中最显著的是生理学方法：pbet(physiologically basedextraction test，基于生理学的提取测试)和ubm(unified barge methodology，barge，统一的barge方法学，barge)，其避免动物或人试验(考虑到该设计是动物和科学团体非常重视的)，并且目前在诸如加拿大、西班牙、美国和英国的国家水平实验室实施以进行多项土壤研究。

3、基于生理学的方法使用合成流体代替人肠液和胃液，另外的变量例如温度、ph、固液相比、消化过程的时间和运动。依次应用消化过程的数个步骤的代表性流体以模拟胃肠道的步骤。

4、与pbet(“基于生理学的提取测试”)方法相反，ubm方法是按照国际标准iso 17924中描述的程序进行的，这意味着其结果与通过遵循相同标准的其他实验室获得的结果相当。对于ubm方法(“unified barge methodology”)的应用，其通过参考材料bgs 102的证明消化过程的胃肠和胃阶段中生物可及的金属和准金属的含量的分析来验证。在国际层面，加拿大和英国由于拥有诸如位于曼彻斯特的“envirolabs”实验室、位于康塞特的“derwentside environmental testing services limited，det”s实验室、位于剑桥的chemtest ltd(https://www.chemtest.com)实验室的实验室，按照iso17.924标准应用ubm方法，允许通过该方法在国家层面获得的结果在国际层面可追溯。在这种背景下，英国地质调查局(british geological survey，https://www.bgs.ac.uk/)脱颖而出，其为领导全球地质和地球科学研究并以对政府有益的公共科学为中心的全球组织，其研究包括环境和地球过程。他们在其实验室中制造参考土壤，并且是世界上唯一销售具有经认证的生物可及性的参考土壤的一个，允许将ubm方法应用于实验室验证，该参考材料被命名为bgs 102。

5、同样面临该问题的是广为人知的土壤修复和植物修复的选择，但它们由于高成本以及经受必须遵守的严格环境法规而存在问题，因此在某些机会下它们变得相当困难，因为其技术必须对处于研究的生态系统使用自己的修复。目前的解决方案并没有深入解决该问题，被评论是因为该技术不能将待有效修复的区域与可能不进行有效修复的其他区域识别开。在这个问题上，所使用的有机修复或植物不区分哪些元素对人类更加有毒或无毒，仅吸收有营养的那些，然后可能应用于整个区域，涵盖广泛的延伸，使得这些技术极其昂贵。

6、另一方面，由于重金属例如砷、镉和铅等对人类及其环境利益的明显不利影响而在国家和国际层面对其进行适当监管，因此现行的国际环境监管框架阻止将受污染的样品从没有经认证的分析实验室的国家运送到拥有经认证的分析实验室的国家，在所述拥有经认证的分析实验室的国家进行能够确定所述重金属的生物可及性的土壤研究。

7、这种对人类健康具有影响的土壤污染环境问题进一步具有严重的社会影响，因为土壤污染引起的社会环境冲突可能可以证明，在环境方面显示出团体的赋权和监督作用是无可争辩的。

8、另一方面，在国际市场上存在可获得的人工胃，特别是由英国martin wickham，del norwich institute for food research制造并获得专利的dgm“dynamic gastricmodel，动态胃模型”，其允许进行生物可及性评估，但其是为模拟受污染的食物摄入而专门设计的，因此，其为复杂设计，由于能够模拟被重金属污染的食团的破坏而成本非常高，那么该模型和其他模型不是环境工业的可及的解决方案，因为研究中的问题超出了范围。

9、关于专利文件，可以提及cn1719250a(ecological environmental res.ct)，其涉及多通道模拟器胃肠系统，所述多通道模拟器胃肠系统处理土壤样品，需要制备人工消化液并以多通道添加到样品中，并且需要特定的时间和反应条件；然后过滤提取物并确定水性样品中的重金属污染物含量，并关注对人类健康的风险。

10、cn108535046a(宁波市鄞州区达之丰工业产品设计有限公司)涉及用于分析具有有机污染物的样品的设备，所述设备包括具有腔和带有两个旋转轴的圆柱形旋转体的物体，以及多个反应室中的卸料盘(slay out tray)。

11、cn101968480b(漳州师范学院)涉及刺激和检测药中可被人体吸收的微量元素含量的方法，其中按照药物剂型的方案在不同消化阶段添加仿生消化液(模拟唾液、胃液、十二指肠液和胆汁)，并获得完整消化液，并通过具有单层的水脂体分布系统模拟微量元素在胃和肠中的分布和吸收状况，提供了评估被身体吸收的微量元素复合物的有效剂量的新方法。

12、cn101726436a(浙江大学)涉及用于提取模拟的人体胃液以吸收粉末或土壤重金属的方法，所述方法包括对样品进行干燥和细研磨，并添加乙酸溶液以制备样品悬浮液，将其移入水浴中，使用盐酸将ph调节为5.9至6.1、3.9至4.1、以及1.9至2.1，并在每次ph调节之后通过加热和机械冲击进行保存；提取和过滤以具有透明液体并检测其中的重金属含量。该方法模拟了人体内的主要生化反应以及粉末或土壤消化动态，并且可以为评估人类健康的风险提供支持。

13、kr101300445b(shong dong hyung)涉及自主连续运行“间歇”反应器，在重金属分析期间和土壤应当被预处理之前在气体中进行。所述间歇是更有效且结构更稳定的集成模型。

14、cn106841460a(合肥智慧龙机械设计有限公司)涉及通过排列面板、固定板和“驱动器”排列来进行检测和分析的装置。

15、cn104851346(济南大学)涉及动物消化管的体外模块式模拟器系统及相关方法，所述系统包括至少动物消化管的体外模拟单元，通过多路完成肠模拟；针对相对独立的任务的具体功能模块；提供多位置安装的框架，其中模块和re-cake可拆卸，包括传感器和移动组件或两者。每个功能模块具有控制芯片，并且与计算机相连。框架配备有有源usb集线器。该usb负责功能模块中的单芯片微机，并向上部和下部计算机供电和指示相互转移。多个功能模块集成在框架中，节省实验室空间，并且模块可以快速更换。

16、cn1013439476b(beijing munincipal res int environment prot)涉及通过模拟人消耗特性来检测重金属有效性的装置和方法，所述方法包括以下步骤：1)对土壤样品进行预处理，2)配置人工模拟胃液和肠液并加热，3)将预处理的土壤样品和人工模拟胃液添加到提取瓶中以同时调节ph，4)连续倾倒振动，5)在胃步骤中用icp-ms膜过滤之后，6)在补充新鲜胃液之后，添加人工模拟肠液，调节ph并固定到提取室中，7)倾倒振动；8)过滤结束之后，更换膜并通过icp-ms分析人体肠步骤中的重金属。可以同时分析12个样品，测试量巨大，可以广泛应用于污染场地的受重金属污染的土壤。

17、cn109975524a(江苏省)涉及重金属生物利用度测试装置和模拟人消化特性的方法。测试装置包括模拟胃消化反应的容器；进给胃消化反应的模块，所述进给胃消化反应的模块连接至模拟胃消化反应的容器，并用于补充所需的液体和气体，以在容器中模拟人胃消化，从而模拟人胃液分泌和厌氧消化环境；搅拌模块，所述搅拌模块位于模拟胃消化反应的容器的底部，并用于搅拌进入容器的液体，以该方式模拟人胃蠕动；温度控制模块，所述温度控制模块连接至模拟胃消化反应的容器，并用于控制进入容器的液体的温度，从而模拟人体环境；监测模块，所述监测模块位于模拟反应的容器内，并用于监测进入容器的液体的温度和ph值；以及捕获消化反应的模块，所述捕获消化反应的模块与模拟胃消化反应的容器相通，并用于模拟胃排空和捕获容器中捕获的液体。

18、wo2006052742a(smithkline beecham corp)涉及分析药物产品和类型的活性剂释放的设备和方法，更准确地，模拟胃肠道状况(gi)，包括施加到剂型的力。

19、总之，目前土壤样品的金属生物利用度是通过实验室环境中的几个独立过程并且以手动方式计算的，这使得过程如此缓慢，长达8小时，并且至少7个步骤中的每一个都易于出错，使用资源和大型实验室设备，不允许并行测量并且需要专门负责整个操作的专家。本发明的轻型便携式胃肠模拟器模块允许以自动化方式实时且原位了解土壤样品中的重金属和准金属的生物可及浓度，如有需要，最大限度地减少专家干预、风险和连锁错误，并根据单个专家允许非同步地并行测量。本发明的轻型便携式胃肠模拟器系统允许成本转移以及采样过程节省，并支持实时和短时的战略决策，这与在实验室级别使用许多仪器和设备进行，延迟数月出结果的所有目前可用的系统都不同。

20、因此，面对如上所述社会-经济和环境问题，本发明提出了低成本、轻型便携式胃肠模拟器系统，所述系统远程且实时地量化土壤(例如采矿土壤，包括尾料)样品中存在的重金属的生物可及性，以对受污染的土壤进行研究，从而获得可靠结果。然后，将ubm方法集成到单个技术设备中，以在线且实时地量化造成健康损害的重金属的生物可及性，以促进属于采矿或环境行业等的公司的战略决策制定，以确保在暴露于这些可能受污染的土壤(例如邻近人群暴露于尾料或受污染的住宅用地)时保护人类健康，并忠实地遵守现行法规。

21、本发明的轻型便携式胃肠模拟器模块化系统实现了ubm(unified bargemethodology)方法并且能够远程且实时地量化土壤样品(包括尾料)中的金属和准金属的生物可及性，所述金属和准金属选自fe、zn、cu和pb。证明了还允许识别其中应严格应用土壤修复技术并且其中高的金属或准金属含量对人类造成损害的区域，并因此，这样的修复技术的应用将变得更加有效且更便宜。

技术实现思路