幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法与流程

本技术涉及医疗器械，尤其是涉及幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法。

背景技术：

1、幽门螺杆菌是一种幽门螺杆菌生存于人体胃幽门部位，是最常见的细菌病原体之一，世界范围内人群感染率超过50％。据报道，67％～80％的胃溃疡和95％的十二指肠溃疡的发病与幽门螺旋杆菌感染相关，严重的患者可能会最终导致胃癌的发病，世卫组织已经将幽门螺杆菌(感染)归于一类致癌物清单中，因此幽门螺旋杆菌的检测与防止具有重要的社会价值。

2、碳13尿素呼气试验目前已成为幽门螺旋杆菌检测的“金”标准，具有检测速度快、无污染、患者接受度高、检测结果可靠性高等众多优点。

3、碳13同位素标记的尿素进入人体胃中，被幽门螺旋杆菌分解为氨和碳13二氧化碳，并通过扩散进入血液中，并通过肺排出体外，通过检测人体呼出的二氧化碳中碳13同位素的丰度变化是否超出阈值要求，即可判断是否感染幽门螺旋杆菌。

4、目前，多数采用碳13同位素红外气体分析仪进行检测，碳13同位素红外气体分析仪的组成及原理如下：

5、红外线是波长在0.75～400μm范围内的电磁波；红外线按其波长长度划分：25～400μm为远红外线；2.5～25μm为中红外线；0.75～2.5μm为近红外线。

6、二氧化碳气体能吸收红外线不能区段的能量，吸收峰的波长分别在：2.66μm、2.77μm、4.26μm、14.99μm，其吸收率对应分别为0.54％、0.31％、23.2％、3.1％。峰值为4.26μm的吸收率最高，在二氧化碳浓度较低时，在特性波长(4.26μm)下，被二氧化碳气体吸收的红外线辐射能量与二氧化碳的浓度呈线性关系。

7、结合图1和图2所示，红外线气体分析仪主要由红外光源1’、测量室2’、红外检测器3’组成。对特定波长的红外光具有选择性吸收的性质实现对气体浓度的检测。碳13和碳12的分子量不同，其红外吸收峰存在一定的差异，hitran数据库气体吸收光谱数据表明，碳12在4.26um附近存在较强吸收，碳13在4.37um附近存在吸收峰。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，光的强度的降低与分子的数量成比例，光强度的变化和分子数量的关系服从朗伯-比尔(lambert-beer)吸收定律，气体的浓度就可以确定。

8、具体原理是红外线气体分析仪利用红外线进行气体分析；它基于待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得红外检测器的检测室里的温度升高不同，动片薄膜5’两边所受的压力不同，从而产生一个电容红外检测器的电信号，从而间接测量出待分析组分的浓度。红外线气体分析仪由两个独立的光源分别产生两束红外线该射线束分别经过调制器，成为5hz的射线。根据碳13检测需要，射线通过一滤光镜8’减少背景气体中碳13组分的干扰。红外线通过分别通过一个测量室(具有进气口6’和出气口7’)和一个参比室4’，进一步地为：一个是充满服用碳13胶囊之后的呼出气体的测量室，另一个是充满服用c13胶囊之前的呼出气体的参比室。工作时，当测量室内被测气体浓度变化时，吸收的红外线光量发生相应的变化，测量的结果就会与参比室发生差异。从二室出来的光量差通过电容红外检测器，使红外检测器产生压力差，并变成电容红外检测器的电信号。此信号经信号调节电路放大处理后，送往显示器以及总控的液晶显示器显示。该输出信号的大小与碳12浓度成比例。红外检测器是薄膜微音器(金属材料或者聚偏二氟乙烯(pvdf；polyvinylidene fluoride)的薄膜形态的聚合材料的微音器)。两个检测室中间用一个薄的动片薄膜隔开，在两测压力不同时动片薄膜可以变形产生位移，动片薄膜的一侧放一个固定的圆盘型电极12’。动片薄膜与固定电极构成了一个电容变进器的两极。整个结构保持严格的密封，两接收气室内的气体为动片薄膜隔开，但在结构上安置一个大小为百分之几毫米的小孔，以使两边的气体静态平衡。辐射光束通过参比室、测量室后，进入红外检测器的检测室13’。被检测室里的气体吸收，气体温度升高，气体分子的热运动加强，产生的热膨胀形成的压力增大。当测量室内通入零点气(n2)时，来自两气室的光能平衡，两边的压力相等，动片薄膜维持在平衡位置，红外检测器输出为零。当测量室内通入样气时，测量边进入检测室的光能低于参比边的，使测量边的压力减小，于是动片薄膜发生位移，故改变了两极板间的距离，也改变了电容量c。

9、结合图3所示，对于气体的分析采用的是红外传感器9’的分析方法，并通过信号处理器10’将分析结果显示在显示屏11’上。

10、采用上述两种结构形式的红外线气体分析仪的分析方法，分别测得碳12和碳13的浓度分别为12c，13c，计算同位素比例为r＝c2/c1。因为同位素的比例通常较低，碳13标准品美国南卡罗莱纳州箭石化石(pdb)标准值rst1为：

11、rst1＝13c/12c＝(11237.2±90)×10-6，

12、该值比较小，约为1％，为了表征同位素的变化值，业内采用同位素千分度δ表示，满足如下公式，其中，rsq为测量值同位素含量，rst2为标准品同位素含量；

13、δ‰＝(rsq/rst2-1)×1000‰

14、在幽门螺旋杆菌碳13检测中，阳性门限设定为4‰，即服药后，碳13进入肺循环代谢导致同位素丰度比服用碳13药剂前检测的碳13同位素丰度如果增加超过4‰，即判断为幽门螺旋杆菌阳性。

15、然而，上述结构存在以下缺点：(1)红外传感器预热时间长达4个小时以上才能达到稳定状态，受环境影响较大，需要专职人员校准，使用较为繁琐。(2)碳13和碳12的红外探测器，为独立的检测单元，光源的波动会导致检测结果出现偏差；(3)由于碳13浓度较低，常常会为了提高检测的精度，而增大测量室的长度，然而增加测量室的长度会使得整体体积增大。(4)所用红外光源，为中红外波段，光束的准直、会聚、系统调试困难，信号微弱。

16、因此，亟需一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，在一定程度上以解决现有技术中存在的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法，以在一定程度至少克服上述提到的问题之一。

2、本技术提供了一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；

3、所述碳13二氧化碳浓度检测模块以及所述碳12二氧化碳浓度检测模块输出的信号能够传递至所述信号处理单元，所述信号处理单元根据检测的信号进行数据采集以及数据运算；

4、所述碳13二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳13二氧化碳浓度的且具有4.37um±0.09um范围内光谱分辨的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；所述碳12二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳12二氧化碳浓度的且具有4.26um±0.09um范围内光谱分辨的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；

5、所述红外光源能够向所述气体吸收腔内辐射的红外光且所述红外光至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量；

6、所述气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，所述红外折返传播器件能够对所述红外光进行多次折射以使至少部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。

7、在上述技术方案中，进一步地，所述红外折返传播器件包括平面反射镜；

8、所述平面反射镜至少为多个，且多个所述平面反射镜相互平行排布。

9、在上述技术方案中，进一步地，相邻的所述平面反射镜中的其中一个为入设镜，另一个为反射镜；

10、所述红外光与所述入设镜之间的入射角设置在6°～15°；

11、所述平面反射镜在所述红外光在子午面方向上的反射区域长度在40mm～100mm之间。

12、在上述技术方案中，进一步地，所述气体吸收腔对应所述红外光入设的位置、所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的位置均设置有开孔；

13、所述开孔的位置由包含氟化钙或硒化锌的中红外透过率高的材料密封。

14、在上述技术方案中，进一步地，所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔之间设置有绝缘基座；

15、所述绝缘基座用于绝缘所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔以及用于绝缘所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔。

16、在上述技术方案中，进一步地，所述红外光源还能够发射光谱范围在400nm～750nm区域内的可见光。

17、在上述技术方案中，进一步地，还包括第一凹面反射镜；

18、所述第一凹面反射镜的焦距设置在15mm～60mm之间；

19、4.37um±0.09um范围内的光谱分量经过所述第一凹面反射镜能够汇聚于所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。

20、在上述技术方案中，进一步地，进入用于检测所述碳12二氧化碳浓度红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过样本气体的光程长度设置在15mm～100mm之间；

21、进入用于检测所述碳13二氧化碳浓度红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过所述样本气体的光程长度设置在为200mm～600mm之间。

22、在上述技术方案中，进一步地，所述信号处理单元包括控制模块；

23、所述控制模块能够在测试开启前，发出脉冲开启信号，以控制所述红外光源打开；且所述控制模块能够在测试结束后，发出脉冲关闭信号，以控制所述红外光源关闭。

24、本技术还提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法，包括以下步骤：

25、步骤100：传感器的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器非易失性存储单元中；

26、步骤200：样本气体浓度测试，样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，并将碳12和碳13的浓度分别记为12c，13c；

27、步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，根据如下公式计算碳13同位素的比例r以及碳13同位素的丰度千分度δ：

28、r＝13c/12c；

29、δ‰＝(rsq/rst-1)×1000‰

30、其中，rsq为测量品同位素含量，rst为标准品同位素含量。

31、与现有技术相比，本技术的有益效果为：

32、一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；

33、所述碳13二氧化碳浓度检测模块以及所述碳12二氧化碳浓度检测模块输出的信号能够传递至所述信号处理单元，所述信号处理单元根据检测的信号进行数据采集以及数据运算；

34、所述碳13二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳13二氧化碳浓度的且具有4.37um±0.09um范围内光谱分辨的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；所述碳12二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳12二氧化碳浓度的且具有4.26um±0.09um范围内光谱分辨的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；

35、所述红外光源能够向所述气体吸收腔内辐射的红外光且所述红外光至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量；

36、所述气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，所述红外折返传播器件能够对所述红外光进行多次折射以使至少部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。

37、具体地，本技术提供的一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，采用半导体光源和半导体探测器，并优化了折叠光路设计，使系统在较小的体积范围内实现了较大的吸收光程。采用共光源及共气体吸收腔设计，降低了红外光源扰动差异性对结果的影响，相对于现有技术具有以下优点：(1)采用准直聚焦式的折光腔结构，实现了较小体积的高灵敏度检测；(2)碳12二氧化碳和碳13二氧化碳气体浓度检测模块共用红外光源，和气体谐振腔，消除了光源扰动差异性对检测结果的影响。

38、本技术还提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法，包括以下步骤：

39、步骤100：传感器的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器非易失性存储单元中；

40、步骤200：样本气体浓度测试，样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，并将碳12和碳13的浓度分别记为12c，13c；

41、步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，根据如下公式计算碳13同位素的比例r以及碳13同位素的丰度千分度δ：

42、r＝13c/12c；

43、δ‰＝(rsq/rst-1)×1000‰

44、其中，rsq为测量品同位素含量，rst为标准品同位素含量。

45、具体地，一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法基于幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，因此具有幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统的所有有益效果，在此不做过多阐述。