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呼气一氧化氮的检测系统研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第19卷第2期 传感技术学报 v01.19 No.2 2006年4月 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Apr.2006 Study of Detecting System for Expiratory Gas Nitric Oxide HUANG Zhi—wei ,Lf Y —bo。,RONG Shi—quan ,1.The College of Electrical Engineering,Nanhua University,Hengyang Hunan 421001,China|、 \2.The College of medicine,Nanhua tiniversity,Hengyang Hunan 421001,( ina , Abstract:Nitric oxide(NO)containing in hu manis expiratory gas is the important messenger and effector in the organism.In the detecting system for expiratory gas nitric oxide Sensing,computer iS used for data processing,NO nanometer sensor of Vo nanometes tube can directly measure the level of N0 in the expira— tory gas and provide a non-invasive,sensitive and convenience method,in order to surveillant the change of the 1evel of N0 in time. Key words:nitric oxide;biology;nanometer;sensor;computer EEAaC:7230J 呼气一氧化氮的检测系统研究 黄智伟 ,李玉波 ,荣石泉 (1|南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;2.南华大学医学院,湖南衡阳421001) 摘 要:一氧化氮是生物体内重要的信使分子和效应分子。利用氧化钒纳米管一氧化氮气体传感器直接检测呼出气体中的 一氧化氮。采用计算机系统进行数据处理,可以实时监测生物体内一氧化氮的变化水平,提供了一种无创、敏感、方便的检测 方法。 关键词:一氧化氮;生物学;纳米;传感器;计算机 中图分类号:TP2l2.3 文献标识码:A 文章编号:1004一l699(2oo6)O2-o328_o4 一氧化氮(nitric oxide,NO)在生物体内作为 tt),路易斯.伊格纳罗(Louis J Ignarro)和弗里德. 重要的信使分子和效应分子是在上世纪8O年代后 默拉德(Ferid Murad)三位科学家因在一氧化氮及 期被发现和证实的;广泛深入地研究是在上世纪9O 其衍生物的生物学效能及药用价值的研究领域卓有 年代蓬勃发展起来的。权威的美国科学(Science) 成果,而共同荣获1998年度诺贝尔医学生理奖[1矗]。 杂志于1992年命名一氧化氮为年度风云分子。对 一氧化氮是一种自由基性质的气体,极易发生 N0的研究已成为当代生物医学研究的热点和前沿 失去电子或得到电子的反应而显示出极活泼的化学 之一。世界上许多著名的大学都建立了有关N0的 性质。在生物样品中N0的测定是比较困难的,原 研究小组。罗伯特.弗奇戈特(Robert F Furchgo— 因是N0的量很少,通常在nmol数量级。根据N0 收稿日期:2005-07 04 基金项目:湖南省社会发展科技计划项目重大专项(02SSY2O03) 作者简介:黄智伟(1952一),男.副研究员,教授,大学本科,1992年赴美国加州大学进修高技术管理,1999 ̄2000年湖南大学研 究学者,先后在衡阳市无线电厂、衡阳市电子研究所等单位担任副研究员、所长等职,中国电子学会高级会 员,中国电子学会生命电子学分会委员,衡阳市专家委员会委员,衡阳市学科带头人,主要从事计算机遥测 和遥控技术研究,fuzhi619@sina.corn; 李玉波(1963一),男,讲师,硕士研究生,主要从事肿瘤病理研究; 荣石泉(1952一),男,教授,副校长,主要从事内科学研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 黄智伟,李玉波等:呼气一氧化氮的检测系统研究 329 的化学性质和生物效应以及研究者的不同目的,目 前已研究建立了多种NO的测定法,其中有重氮化 反应法、化学发光法、荧光分光光度法、离子色谱法、 电子顺磁共振法、电极法、甲基血红蛋白法、环鸟苷 酸测定法、脑内微透析法等,N0的各种测定方法有 其各自的适用性和优缺点,应根据需要进行选择和 应用。但是,它们都无法满足临床需要_3]。 由于氧化钒具有与N0选择性反应的活性位 点[_4],所研究的基于氧化钒纳米管——氧化氮气体 传感器,可以选择性地精确检测出呼出气体中一氧 化氮的浓度,采用计算机系统进行数据处理,可以实 时监测生物体内一氧化氮的变化水平,为临床诊断 提供了一种无创、敏感、方便的检测方法。 1 系统组成 所研究的呼气一氧化氮的检测系统方框图如图 1所示,系统由气体采集部分、氧化钒纳米管——氧 化氮气体传感器、信号采集与数模转换部分、计算机 系统(包括信号检测处理软件、数据分析诊断软件和 资料数据库等)组成。呼出气体首先经过气体采集部 分进行除湿和除杂,进入装有NO纳米传感器的测量 室完成气一电转换,通过信号采集与数模转换部分将 模拟量转换为数字量,送入计算机系统进行数据分 析。信号采集与数模转换部分采用单片机控制。 图1呼气一氧化氮的检测系统 2 NO气体传感器和气一电转换电路 一氧化氮在丌轨道上有一个未配对的电子,并 且在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千 倍。所研究的一氧化氮纳米传感器如图2所示,采 用氧化钒纳米管作为气敏材料,将氧化钒纳米管直 接喷涂到两端有金属引线的绝缘陶瓷基片上。当氧 化钒纳米管与一氧化氮气体接触时,其电导特性会 发生变化,不同的气体浓度,电导特性函数会发生不 同的变化。纳米管具有中空结构和大的壁表面积, 提供了大量的气体通道,对气体具有很大的吸附能 力,从而极大地提高了灵敏度,大大降低了传感器工 作温度,也缩小了传感器的尺寸。该氧化钒纳米传 感器已申请国家专利,专利申请号200520049758.0。 氧化钒纳米管一氧化氮气体传感器与动态校零型斩 波集成运算放大器ICI 7650构成图3所示的桥式 放大电路嘲,完成气一电转换,达到检测一氧化氮气 体浓度的目的。 图2氧化钒纳米管一氧化氮气体传感器结构示意图 图3 ICL7650桥式放大电路 3信号采集与数模转换电路1-n ] 信号采集与数模转换电路方框图如图4所示, 电路以美国AD公司生产的ADuC812为核心, 数 据 聚 集 系 统 芯 J 图4信号采集与数模转换电路方框图 ADuC812是一个完整的数据采集系统芯片,包括一 个8通道、5 s转换时间、精度自校准、12 bit精度、 逐次逼近的ADC转换器,两个12 bit的数模转换器 (DAC),l0.5 KB的闪存EEPROM,具有16 bk计 数/定时器和32条可编程I/O接口的8051/8052微 维普资讯 http://www.cqvip.com 330 传感技控制器,256 byte的SRAM,看门狗定时器和电源 监控器,一个通用的异步串行收发器(UART),SPI 和I。C总线接口等功能模块。 由ADuC812组成信号采集与数模转换电路主 要包括以下几部分:以ADuC812为核心,外接外部 数据存储器62256,程序存储器2764,RS232串行通 信口扩展芯片ADM202,以及8路ADC输入缓冲 器OP491和2路DAc输出缓冲器OP284。 ADuC812外接有两片地址锁存器74HC573, 其中一片用于锁存低8 bit地址,另一片用于锁存高 8 bit地址。 由一片62256组成的外部数据存储器,容量为 32 KB,其地址范围为000000H ̄007FFFH,即1~ 128页。2764作为外部程序存储器,其地址范围为 00000H-1FFFH。 由两片4运放OP491组成的8路ADC输入缓 冲器,分别连接到ADuC812的8个ADC输入通道 的引脚。为了实现阻抗匹配和滤除高频干扰,每个 运放输出都串接有51 Q电阻和0.01 e.F电容组成 的低通滤波网络。8路ADC输入可以同时进行8 路传感器检测。 由一片4运放OP284组成2路DAC输出缓冲 器,缓冲器连接成跟随器形式,保证了输出放大器的 通带和负载能力。DAC输出用于测量结果的模拟 输出,可连接记录仪。 一片ADM202芯片作为RS232口电平匹配与 驱动,用于与计算机系统的RS232口连接。 ADM202是单5V电源的RS232口驱动器,它的内 部有电源提升电路,可将+5 V提升到+9 V,然后 又产生一个一9 V电压,因此驱动器输入和输出电 平完全与RS232兼容。电路板输入电压为直流+9 V,经7805稳压后输出+5 V电压作为整个电路的 工作电压。 4计算机数据处理系统 计算机数据处理系统由PC机和数据处理软件 组成。数据处理软件包括呼气一氧化氮计算机分析 系统和全自动呼气一氧化氮临床诊断系统(网络版)。 呼气一氧化氮计算机分析系统和全自动呼气一 氧化氮临床诊断系统(网络版)与呼气一氧化氮硬件 系统配合,可以完成一些与一氧化氮有关的疾病临 床诊断与研究,可以应用在临床诊断和疾病研究中。 (1)呼气一氧化氮计算机分析系统 呼气一氧化氮计算机分析系统软件采用Visu— alC++6.0编制,存储容量大约为10.5 MB。安装 术学报 2006生 和运行需要硬件环境:PC机,CPU586,VGA彩显, 16 MB内存以上,硬盘空间15 MB以上;软件环境: Windows98和VisualC++6.0。 呼气一氧化氮计算机分析系统软件由临床诊断 系统、病历管理系统、数据库几部分组成。 临床诊断系统根据计算机全自动呼气一氧化氮 硬件系统检测到的数据,进行自动的分析,可以对一 氧化氮与呼吸系统疾病关系、一氧化氮与心血管疾 病关系、一氧化氮与消化系统疾病关系、一氧化氮与 神经系统疾病关系、一氧化氮与肾脏疾病关系、一氧 化氮与糖尿病关系,给出临床诊断参考意见。 病历管理系统完成对病人的病历管理,为医生 进行疾病诊断提供参考。 数据库完成数据的建立、备份、修改、更新、显示 和打印等管理。 (2)全自动呼气一氧化氮临床诊断系统 全自动呼气一氧化氮临床诊断系统(网络版)采 用Dreamweaver 4.O3网页制作软件制作,存储容量 大约为6.71 MB。安装和运行需要硬件环境;PC 机,CPU586,VGA彩显,16 MB内存以上,硬盘空 间10 MB以上;软件环境:Windows98和Micorsoft Internet Explorer。 全自动呼气一氧化氮临床诊断系统(网络版)由 一氧化氮的生物医学、全自动一氧化氮(N0)临床诊 断系统、一氧化氮(NO)的生物医学资料库、病历管 理系统、远程医疗、常用工具软件几部分组成。 一氧化氮的生物医学部分主要包含有一氧化氮 的基本特征、一氧化氮与疾病的关系、一氧化氮与疾 病的研究背景。 全自动一氧化氮NO临床诊断系统根据计算机 全自动呼气一氧化氮硬件系统检测到的数据,进行 自动的分析,可以对一氧化氮与呼吸系统疾病关系、 一氧化氮与心血管疾病关系、一氧化氮与消化系统 疾病关系、一氧化氮与神经系统疾病关系、一氧化氮 与肾脏疾病关系、一氧化氮与糖尿病关系,给出临床 诊断参考意见。 一氧化氮NO的生物医学资料库搜集了有关大 量的一氧化氮的生物医学资料,通过中文或者英文 关键词可以检索相关的资料。 病历管理系统完成对病人的病历管理,为医生 进行疾病诊断提供参考。 远程医疗系统提供病人远程自我诊断的一种方 法,病人可以利用家庭一氧化氮检测仪进行检测,将 检测数据输入远程医疗系统中,医生可以根据检测 数据提出诊断意见。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 黄智伟,李玉波等:呼气一氧化氮的检测系统研究 331 常用工具软件部分提供给系统使用者一些分 析、计算、系统维护软件。全自动呼气一氧化氮临床 诊断系统(网络版)采用网页结构,便于用户远程使 用,便于升级与修改。 该项目一氧化氮纳米传感器系统为湖南省科技 厅的重大专项课题(项目编号:02SSY1005—1),武汉 理工大学陈文教授为一氧化氮纳米传感器的制作提 供了相关材料,南华大学电气工程学院、医学院、附 医院、附二医院等单位为项目的研究提供大力的 一呼气一氧化氮计算机分析系统和全自动呼气一 氧化氮l临床诊断系统(网络版)已申请计算机软件著 支持,在此一并表示感谢。 作权登记,登记号为2003SR7521和2OO3SR7522。 参考文献: 5 结束语 [1] /httpt|| }、 .nobel。se/medicine/laureates/1998/index[EB/ 所研究的呼气一氧化氮的检测系统,利用一氧 OL].htm1. 化氮纳米传感器,可以直接检测呼出气体中的一氧 [23 /http://www.medSth.corn/winners/1998/about-nitricoxide [EB/OL].htm1. 化氮,采用计算机系统进行数据处理,可以实时监测 [3] 钟慈声,孙安阳.一氧化氮的生物医学[M].上海:上海医科大 生物体内一氧化氮的变化水平,为临床提供了一种 学出版社,1997.2第1版. 无创、敏感、方便的检测方法。呼气一氧化氮计算机 [4] Xilin Yin,Huanmei Han,and Akira Miyamoto.Active aete 分析系统和全自动呼气一氧化氮临床诊断系统(网 and mechanism of the selective catalytic reduction of NO by 络版)与呼气一氧化氮硬件系统配合,可以分析一氧 NH3 over V205:A periodic first—principles study[J].Phys Chem,Chem,2002,2:4243~4248. 化氮与呼吸系统疾病、心血管疾病、消化系统疾病、 Es] 黄智伟.基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分 神经系统疾病、肾脏疾病以及糖尿病的关系,给出临 析I-M].北京:电子工业出版社,2004.7第1版. 床诊断参考意见。 [63 刘书明.数据采集系统芯片ADuCA12原理与应用IM].西安: 需要进一步开展的研究工作是一氧化氮纳米传 西安电子科技大学出版社,2002.2第1版. 感器产业化生产,一氧化氮与呼吸系统等疾病临床 [7] 黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京:电子工业出版社, 诊断关系数据库的完善与建立,临床诊断专家系统 2005.1第1版. 的研究。 … … , ,… ■☆‘ , … ’ (上接第308页) 来测定酶标物和待测物的浓度。实验结果表明,这 ctric Quartz Crystal Microbalance Transduction Methods[J]. 种免疫传感器对IgM的检测范围为0.03 gg/mL to Ana1.Chem.,2000,72:927—935. 7 ttg/mI 。可以满足临床检测的要求,它具有装置 [5]Bardea A,Katz E, IInr L Probing Antigen—Antibody In— tractions on Electrode Supports by the Biocatalyed Preacipita— 简单,测量方便,灵敏度高等特点。 tion of an Insoluble Product:Application of Cyclic Voltamme— 参考文献: try,Faradalc Impedance Spectroscopy and Quartz Crystal Mi crobalance as Transduction Signals[J].Electroanalysis 2000, Eli Sauerbrey G.The Use of Quartz Oscillators for Weighing 12:1097-1106. Thin Layers and for Microweighing[J].J Phys。1959,155: [63 Patolsky F,Zayats M,Katz E,et a1.Precipitation of an In 206 222. soluble Product on Enzyme-Monolayer Electrodes for Bioscn— [23 Hua Wang,Dan Li,Zhaoyang Wu,Guoli Shen and Ruqin Yu. sor Applications:Characterization by Faradaic Impedance A Reusable Piezo-Immunosensor with Amplified Sensitivity Spectroscopy,Cyclic Voltammetry and Microgravimetrie for Ceruloplasmin Based on Plasma Polymerized Film[J].Ta Quartz-Crystal—Microbalance Analysis[J].Anal Chem,1999, Ianta,2004,62(1):199—209. 71:3171—3180. [3] Hua Wang,Yanli I,iu,Yunhui Yang,Ting Deng,Guoli Shen [73 Su X D,Li S F Y.Serological Deterrnination of Hdicobacter and Ruqin Yu.A Protein A Based Orientation-Controlleel Im— lyloei Infection Using Sandwiched and Enzymatically Ampli— mobilization Strategy for Antibodies Using Nanometer-Sized lfed Piezoelectric Biosensor ̄J].Anal Chem Acta,2001,429: Gold Particles and Plasma—Polymerized Film[J].Analytical 27 36. Biochemistry,2004,324(2) 219—226. [8]Suri c R,Mishra G c Activating Piezoelectric Crystal Surface [4] Alfonta I ,Katz B,WⅢner I.Sensing of Acetylcholine by a by Silanization for Microgravimetric Immunobiosensor Appli— Tricomponent-Enzyme Layered Electrode Using Faradaic Im— cation[J].Biosensors and Bioelectronics,1996,11:1199— pedance Spetroseopy.Cyclic Vohammetry,and Microgravim一 1205. 

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