用于分析呼氣中丙酮的方法和設備的制造方法
【專利說明】用于分析呼氣中丙酮的方法和設備 發(fā)明領域
[0001] 本發(fā)明大體上涉及用于分析活體、優(yōu)選地人的呼氣中丙酮的方法、設備和技術。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 酮體包括乙酰乙酸（0 - 丁酮酸、二乙酸）、0 -羥基丁酸和丙酮。對于氣體分析的 用途而言，丙酮由于其相對高的蒸氣壓在這些中最為重要。分析呼氣中丙酮或其它酮體或 酮的優(yōu)點得到了充分認可且已持續(xù)數(shù)十年。例如，在正常未受到應激的生理環(huán)境下，機體主 要代謝碳水化合物。然而，當正常碳水化合物代謝受損時，機體開始代謝脂肪或脂肪酸。在 脂肪代謝期間，酮體（包括丙酮）作為中間代謝物產(chǎn)生且開始累積于體液（諸如血液和尿 液）中。當累積的酮體被運輸?shù)窖褐袝r，它們介入肺的肺泡腔中的氣體交換。丙酮由于 其低分子量和蒸氣壓尤為如此。由于該肺部輸送，丙酮出現(xiàn)在呼氣（包括呼出的呼氣）中， 可在其中對丙酮進行分析。如本文所使用的術語"分析"具有普通但廣泛的意義以包括如 檢測化學組分的存在等事物。其還可包括測量組分的濃度或性質(zhì)或狀態(tài)。
[0004] 分析丙酮且在一些情況下其它酮體或酮的能力在衛(wèi)生保健中至關重要。丙酮或酮 體的累積通常稱為"酮癥"或"酮酸中毒"。這些病況可具有毒性作用且在極端情況下會導 致永久性損傷或死亡。例如，患有糖尿病的患者易感酮酸中毒。
[0005] 在酮酸中毒期間，在體液中（主要在血液中）、尿液中和呼氣中出現(xiàn)酮體水平升 高。確定這些升高的酮體水平的主要測試手段一直是借助血液和/或尿液分析。
[0006] 用于分析血液和尿液中酮體的一種常見的熟知技術是所謂的"Legal測試"，其中 使用適當可溶的硝普鹽與某些酮體反應并相應地對其進行檢測。Swinehart, Coordination Chem. Rev.，2 (4) ,386-403 (1967年12月）通常被引用。其公開了對硝普鈉與丙酮和乙酰乙 酸的反應所進行的工作的概述。他描述了一種反應機理（其中硝普鈉在酸性氫位點反應） 以及硝普鈉的亞硝?；糠值淖饔?。
[0007] 1940年1月9日頒予Fortune的第2, 186, 902號美國專利公開了硝普鹽的使用， 其中所述反應是在氨存在下進行以以開發(fā)和利用基于顏色的檢測特征。第2, 509, 140號美 國專利公開了在尿液中的硝普鹽反應，其中所述反應在脂肪族氨基酸（即，甘氨酸）和堿性 物質(zhì)存在下發(fā)生。2961年6月27日頒予Smeby的第2, 900, 253號美國專利公開了使用經(jīng) 硝普鹽處理的浸桿或拭子來獲得血液或尿液樣品并測試酮體存在的的測試方法。
[0008] 與在血液和尿液中的酮體測試相比，使用呼氣進行酮體分析更加受限。Abbott實 驗室在幾個已授權的專利中公開了使用硝普鹽和伯胺檢測呼氣中丙酮的方法。參見，例如， 第4, 970, 172號、第5, 071，769號和第5, 174, 959號美國專利。如其中所報導，Abbott使 用pH為4. 5的叔胺和pH未經(jīng)任何調(diào)整的伯胺。其中公開的方法方法使用含0. 5%二乙醇 胺的25%二甲亞砜和75%甲醇的展開劑溶液。盡管整體概念據(jù)報導能夠檢測呼氣中的丙 酮，但其制造時間長（4天）、反應時間長（18分鐘）、耗材需量大且內(nèi)部填充的試劑相對昂 貴，并且在較長時間段內(nèi)不夠穩(wěn)定。盡管Abbott公開的裝置據(jù)報導是可操作的，但其在商 業(yè)上不可行。
[0009] 基于硝普鹽的酮體測試遇到的突出問題一般在于硝普鹽的不穩(wěn)定性。例如，如第 2, 990, 253號美國專利中所指出，硝普鈉在含水堿性介質(zhì)中十分不穩(wěn)定。然而不幸的是，實 現(xiàn)酮（在該情況下為乙酰乙酸鈉）與硝普鈉之間的期望反應所需要的介質(zhì)恰好是此種類 型。
[0010] 第2, 990, 253號美國專利中所提出并主張的此不穩(wěn)定性問題的解決方案涉及使 用兩步法準備浸桿測試。第一步驟涉及在酸性含水介質(zhì)中將硝普鹽施加到載體上并干燥。 第二步驟涉及將所述載體浸漬到有機堿（諸如各種胺、氨基醇或其混合物）的非水性溶液 中以達到與酮體的期望反應所需要的堿度。該水溶液包含硝普鈉、甘氨酸、磷酸二氫鈉一水 合物、磷酸氫二鈉和氯化鈉。第二步驟包括在無水乙醇或氯仿中使用仲胺或叔胺或氨基醇 或其混合物。
[0011] 1979年4月3日頒予Magers等人的第4, 147, 514號美國專利建議通過硝普鹽與 至少一種伯胺和金屬鹽組合使用來解決不穩(wěn)定性問題。金屬鹽據(jù)報導在堿性pH范圍內(nèi)穩(wěn) 定溶液中的硝普鹽，允許單浸制造方法，促進酮體電離，從而縮短反應時間并穩(wěn)定所得發(fā)色 復合物。
[0012] 例如，在上述專利中，Abbott指出有色復合物是不穩(wěn)定的，因為硝普鹽在堿性溶液 中快速分解，而且硝普鹽在水分和高pH存在下發(fā)生分解。根據(jù)Abbott，這些限制導致多次 嘗試通過利用與多種緩沖劑、金屬鹽、有機鹽、有機穩(wěn)定劑和聚合物組合的硝普鹽和胺或氨 基酸的混合物來穩(wěn)定有色復合物。Abbott隨后提供了各方努力的概述，如旨在解決這一問 題的各授權專利中所報導。Abbott提出使用與硝普鹽偶聯(lián)的第一固體基質(zhì)材料和與胺共價 結合的第二固體基質(zhì)材料。Abbot還提出了添加鎂鹽或鈣鹽以促進螯合物形成并穩(wěn)定有色 產(chǎn)物并且提高羰基化合物、胺和硝普鹽之間的反應的動力學。
[0013] 盡管作出了這些努力，如上文所述的基于硝普鹽的測試方案的穩(wěn)定性一直持續(xù)存 在并且已限制此類方案用于分析呼氣和其它氣體中的酮體。舉例來說，Abbott顯然從未將 其呼氣丙酮產(chǎn)品研發(fā)推進到商業(yè)成果。 發(fā)明概要
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的各個方面，本發(fā)明提供使用伯胺和硝普鹽檢測或以其它方式分析呼 氣中酮體、尤其丙酮的方法和設備，所述方法和設備提供增強的穩(wěn)定性、增強的響應時間和 /或增強的鉻酸質(zhì)量。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供用于分析呼氣中丙酮的方法。所述方法包括提供一 腔，將布置于第一表面上的伯胺定位于所述腔內(nèi)和將不同于所述第一表面的第二表面上的 硝普鹽定位于所述腔內(nèi)。所述硝普鹽是在酸性環(huán)境中使用包含陰離子交換樹脂的偶聯(lián)劑偶 聯(lián)到所述第二表面，其中所述酸性環(huán)境包括呈其99%純形式時在22°C下蒸氣壓小于約1個 大氣壓的酸。所述第一表面上的所述伯胺和所述第二表面上的所述硝普鹽包括具有參考光 學性質(zhì)的腔內(nèi)容物。所述方法進一步包括使所述呼氣移動到所述腔中，以便其接觸所述伯 胺和所述硝普鹽以引起或促進相對于所述參考光學性質(zhì)的所述腔內(nèi)容物的光學性質(zhì)的變 化。所述方法還包括使用所述光學性質(zhì)的所述變化來分析所述呼氣中丙酮的存在。
[0016] 所述腔優(yōu)選但任選地包括一細長的封閉通道。其優(yōu)選含有呈填充床形式的所述第 一表面上的所述伯胺和所述第二表面上的所述硝普鹽。
[0017] 所述呼氣通常包含水分含量，且所述方法可進一步包括在使所述呼氣接觸所述伯 胺之前預先處理所述呼氣以降低所述水分含量。
[0018] 所述伯胺優(yōu)選地具有小于5的pKb。目前優(yōu)選的伯胺包括氨基硅烷。
[0019] 所述第一表面優(yōu)選包括多個由二氧化硅、石英、氧化鋁、鋁硅酸鹽、硅、銅、氧化錫、 滑石、無機氧化物或其組合組成的珠粒。
[0020] 所述硝普鹽優(yōu)選包括硝普鈉。所述第二表面優(yōu)選包括多個由二氧化硅、石英、氧化 鋁、鋁硅酸鹽、硅、銅、氧化錫、滑石、無機氧化物或其組合組成的珠粒。所述偶聯(lián)劑可包括叔 胺，且優(yōu)選包括二乙基氨基丙基三甲氧基硅烷。所述酸性環(huán)境優(yōu)選包括硫酸，且實質(zhì)上不包 括鹽酸。
[0021] 所述參考光學性質(zhì)優(yōu)選包括參考顏色且所述光學性質(zhì)變化優(yōu)選包括相對于所述 參考顏色的顏色變化。目前優(yōu)選的實施方案和方法中的腔具有線性尺寸，所述參考光學性 質(zhì)優(yōu)選包括所述參考顏色沿所述線性尺寸的參考距離，且所述光學性質(zhì)變化優(yōu)選包括所述 相對于所述參考顏色的顏色變化沿所述線性尺寸的測量距離。所述方法可包括將展開劑溶 液引入到所述腔中以促進所述光學性質(zhì)的所述變化。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供用于分析呼氣中丙酮的方法。此方法包括提供一 腔，將布置于第一表面上的伯胺定位于所述腔內(nèi)和將不同于所述第一表面的第二中性表面 上的硝普鹽定位于所述腔內(nèi)。所述硝普鹽處于干燥狀態(tài)。所述第一表面上的所述伯胺和所 述第二表面上的所述硝普鹽包括具有參考光學性質(zhì)的腔內(nèi)容物。所述方法還包括使所述呼 氣移動到所述腔中，以便其接觸所述伯胺和所述硝普鹽以引起或促進相對于所述參考光學 性質(zhì)所述腔內(nèi)容物的光學性質(zhì)的變化，以及使用所述光學性質(zhì)的所述變化來分析所述呼氣 中丙酮的存在。
[0023] 前述優(yōu)選特征也適用于本方法。
[0024] 所述第二中性表面上的所述硝普鹽可不使用偶聯(lián)劑附接至所述第二表面。它可被 吸附或干燥到所述第二中性表面上，或以其它方式而不經(jīng)化學鍵布置于其上。
[0025] 所述第二表面上的所述硝普鹽優(yōu)選最初與所述第一表面上的所述伯胺分開以流 體方式定位，且所述方法包括使所述呼氣與所述伯胺順序地反應以得到反應產(chǎn)物，且然后 使所述硝普鹽與所述反應產(chǎn)物接觸。所述方法還可包括將展開劑溶液引入到所述腔中以促 進所述光學性質(zhì)的所述變化。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供用于分析呼氣中丙酮的方法，其中所述方法包括 提供一腔以及將布置于第一表面上的伯胺定位于所述腔內(nèi)。所述第一表面上的所述伯胺包 含具有參考光學性質(zhì)的腔內(nèi)容物。所述方法還包括以最初與所述第一表面上的所述伯胺分 開的硝普鹽溶液來提供硝普鹽，其中相對于所述腔中所述硝普鹽與所述伯胺的反應性選擇 所述硝普鹽溶液與所述第一表面上的所述伯胺分開時的條件以穩(wěn)定所述硝普鹽。所述方法 進一步包括使所述呼氣移動到所述腔中，以便其接觸所述伯胺以產(chǎn)生伯胺反應產(chǎn)物，以及 使所述硝普鹽溶液進入所述腔中并使所述硝普鹽與所述丙酮和所述伯胺反應產(chǎn)物中的至 少一者反應，以引起或促進相對于所述參考光學性質(zhì)所述腔內(nèi)容物的光學性質(zhì)的變化，以 及使用所述光學性質(zhì)的所述變化來分析所述呼氣中丙酮的存在。
[0027] 上文中所指出的本發(fā)明的任選但優(yōu)選方面也可適用于本發(fā)明此方面。所述以最初 與所述第一表面上的所述伯胺分開的硝普鹽溶液來提供硝普鹽還優(yōu)選地包括防止光接觸 所述硝普鹽溶液，并且還可包括充分限制光接觸所述硝普鹽溶液以便不削弱所述硝普鹽與 所述丙酮和所述伯胺反應產(chǎn)物中的至少一者反應的效果以及所述引起或促進相對于所述 參考光學性質(zhì)的所述腔內(nèi)容物的所述光學性質(zhì)變化。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供用于分析呼氣中丙酮的方法。所述方法包括制備 上面布置伯胺和硝普鹽的表面。所述制備包括將所述伯胺和所述硝普鹽布置于酸性環(huán)境 中。所述方法還包括將上面布置所述伯胺和所述硝普鹽的所述表面定位于腔內(nèi)。包括所述 伯胺和所述硝普鹽的所述表面包括參考光學性質(zhì)。所述表面優(yōu)選是與溶液貼近接觸。所述 方法進一步包括使所述呼氣移動到所述腔中，以便其接觸所述伯胺和所述硝普鹽以引起或 促進相對于所述參考光學性質(zhì)的所述表面的光學性質(zhì)的變化。所述方法進一步包括使用所 述光學性質(zhì)的所述變化來分析所述呼氣中丙酮的存在。
[0029] 再者，上文指出的任選但優(yōu)選特征也可適用于本發(fā)明此方面。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明此方面的酸性環(huán)境優(yōu)選具有在0和6之間的pH，且更優(yōu)選具有在0. 5 和2之間的pH。
[0031] 所述方法還可包括將所述表面暴露于第二溶