一种肿瘤相关分子的离子计数检测装置及其使用方法与流程

本发明涉及离子检测领域，尤其涉及一种肿瘤相关分子的离子计数检测装置及其使用方法。

背景技术：

在现有技术中，癌症的检查方式包括b超、ct、活检等等，这些检查方式可以检测出疾病的存在，但是也具有一定的危害。b超切面声像能从角度、多方位对病灶进行连续显示观察，有助于了解肿瘤的部位，与周围组织器官的关系，但是其适用范围较少；ct广泛应用于脑、肝、胰等部位的肿瘤检查，可以明确癌病灶侵犯的范围，但是ct设备价格昂贵，而且过度ct会存在诱发恶性肿瘤、白血病等危险；对于穿刺活检，有导致针道种植、癌肿出血的可能。并且上述检测方法对于早期癌症的检测灵敏度不够，因此急需寻找一种简便、高效、创伤小的癌症筛查方法。

动物实验表明，某些癌症能够释放出挥发性气味，虽然人类无法辨识，但动物很有可能作出反应。所谓气味：气味＝气+味。气就是气体，挥发物，它是一种物质，通常是小分子，所以容易变成气体。味是感官感知，相当于传感器，是指分子作用在感官(传感器)表面后产生物理量的改变(物理量可以是电、磁、光、长度或体积、离子流、分子流等等)，产生的信号通过神经传到cpu(大脑)。所以，气味不是指一种物质，而是物质之间相互作用的过程。1989年、2001年著名医学期刊《柳叶刀》(thelancet)杂志就曾分别报告过狗能够辨识黑色毒瘤。2004年《英国医学杂志》(bmj)也曾报道说狗能够区分膀胱癌和非膀胱癌患者的尿液。2006年，有学者发现普遍的家养狗经过训练就能分辨肺癌或乳腺癌与普通样本的气味。2008年，更有学者发现凭借嗅觉，狗能够分辨卵巢癌组织和对照组织。由此可以说明，某些癌症能够释放出挥发性气味，这种挥发性气味就是肿瘤相关气体分子的表现。

技术实现要素：

呼出气体中存在肿瘤相关分子，这已被国外多个实验证明。肿瘤分子由相关肿瘤原子组成。原子可以电离为离子和电子，对这些离子进行计数，就得到了与其相关的计数值。这个计数值(也就是下面肿瘤相关分子的离子计数图中的峰值)，反映了呼出气体中某种肿瘤相关分子的存在和数量。实现了肿瘤相关分子的检测。

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种肿瘤相关分子的离子计数检测装置和气使用方法，通过该检测装置，病人只需要呼出气体，则可快速检测出病人是否患有癌症和其癌症发展进程，检测速度快，并且对于检测者没有任何伤害。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种肿瘤相关分子的离子计数检测装置，该检测装置包括气体样本室、第一电磁阀、电离室、灯丝、第二电磁阀、真空发生器、高压加速极、离子收集极、离子计数器。气体样本室通过第一电磁阀与电离室连接，电离室的左端设置有灯丝，电离室的下端通过第二电磁阀与真空发生器相连，电离室的右端依次设置有高压加速极和离子收集极，离子收集极与离子计数器连接。

气体样本室用于采集测试者呼出的气体，第一电磁阀连通气体样本室和电离室，用于控制气体从气体样本室向电离室的流通。灯丝与高压电场的负极相连，为阴极。高压加速极为网状结构，有利于电子的穿过。离子收集极为石墨烯电极，石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。石墨烯只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，非常适合来做离子收集极。

电离室电路，工频电源经整流滤波变成直流电压，直流电压经主逆变电路变成高频电压，该高频电压送至高压发生器内的高压变压器初级，经高压变压器升压后，将次级所获交流高频电压再经倍压整流变成恒定直流高压，此即为加速极高压。加速极采样信号与设定值进行实时比较，误差信号经脉宽调制后控制逆变桥的导通时间，确保加速极实际值等于设定值。工频电源经整流滤波变成直流电压，经灯丝逆变电路后送灯丝变压器初级，次级输出作为灯丝加热电压。灯丝加热电流调节采用pwm模式。在测量过程中，灯丝电流采样信号与设定值进行实时比较，误差信号经脉宽调制后控制灯丝逆变触发脉冲的宽度，确保实际值等于设定值。调节加速极高压的电压值，采用不同的电压去电离肿瘤分子，计数器对其电离结果进行分析，就完成了肿瘤相关分子的分类检测。对应于不同的电压值的加速极高压，可相应调节灯丝电流，以提高离子计数的效率。

灯丝加热电路的功能就是发射电子,电离室的测量电流与两个因素有关:灯丝电流和加速极电压，因加速极电压改变时，管内加速电场强度变化,加速极收集电子的能力发生相应的变化，从而导致加速极电流变化。灯丝电压变化使灯丝电流变化，直接导致灯丝发射电子的效率。电离室内真空度，保持在10-6毫米汞柱以上，以保证灯丝的正常加热和电子飞向阳极的速度。

电离室的测量电流由高压加速极电流的大小决定，而加速高压加速极电流的大小取决于单位时间内灯丝发射的电子数量，灯丝发射的电子数量又是由灯丝温度决定的，灯丝温度越高，发射的电子数量越多。灯丝温度是由电离室的灯丝加热电压决定的，灯丝加热电压越高，灯丝温度越高。为了保证离子计数测量的精度，在整个测量过程中电离室灯丝和高压加速极电流一直稳定不变。

测量电路采用运算放大器组成的反相放大形式。其同相输入端接地。根据虚地的概念，其反相输入端电位也为零，这样保证了离子收集极的电位为零。“虚地”是深度电压并联负反馈放大器的重要特点，是指集成运放的输入端为虚地点，即u1＝0。离子收集极的输入端接反相放大器的反相输入端u1。根据虚地的概念，离子收集极的电位为零，确保了离子的收集。

肿瘤相关分子的离子计数检测装置的工作过程如下：

1)抽真空，第一电磁阀打开，真空发生器对电离室进行抽真空，直至电离室内真空度达标；

2)灯丝开始预热，产生电子源：打开电离高压，灯丝与高压电场的负极相连，灯丝(热阴极)通电后加热后向电离室内发射电子，形成电子流；

3)加速电子：在高压加速极上加一正电压，该正电压作为加速极高压，正电压吸引并加速由灯丝发射出来的电子。被加速的电子穿过网状结构的高压加速极后，由于离子收集极的电压相对于高压加速为负电压，电子被离子收集极推回，再加速向高压加速极返回；

4)电离气体：电子在往返的运动中增大了与气体分子碰撞的概率，使更多的气体分子电离，变成正离子和二次电子。由于原子核外的各层轨道电子(如k,l,m轨道)都具有各自的特点能级，采用调节高压电场的方法使高速电子与肿瘤相关分子在原子轨道上电子相互作用；使其脱离其轨道，得到了含有代表各层轨道特征能谱的离子；

5)离子计数：正离子被电位最低的离子收集极所吸引；在石墨烯结构的离子收集极上形成感应电压，此感应电压与相应的离子相关；该感应电压传递至离子计数器，离子计数器做出相应判断；完成一次测量。

其中在步骤4)中，当气体样本室得到待测气体样本后，cpu控制第一电磁阀打开，这个开门时间很短(毫秒级)，电离室得到气体后，关闭第一电磁阀；在步骤5)中，电离高压开，离子计数器开始计数，计数结束，在显示器上呈现对应于相关分子的离子计数曲线；真空发生器用来保持电离室的测量条件。

如果呼出气体中含有某个肿瘤相关分子，其含量离子计数图上显示出来。电离高压可以任意调节，在调节电离高压的同时，相应调整灯丝电流。例如，电离高压可从100v-100kv

线性增长，不同的相关分子可以在不同的高压段出现计数峰值。而由于不同的电离高压对应于不同的肿瘤分子，根据施加的电离高压的数值，则可判断出肿瘤分子的种类；而根据；离子计数器的峰值，则可判断出肿瘤分子的浓度；从而判断肿瘤的种类和发展进程。

本发明的有益效果：本发明提供了一种肿瘤相关分子的离子计数检测装置及其使用方法，检测者只要呼出气体，该检测装置就能快速检测出肿瘤的种类和发展进度，相比于其他检测方法，成本低、速度快并且不会对检测者的身体造成任何伤害。并且可以检测出早期的癌症，对国民健康以及癌症治疗事业作出了极大的贡献。

附图说明

图1是肿瘤相关分子的离子计数检测装置的结构示意图；

图2是石墨烯的碳原子六边形晶格示意图；

图3是采用工频电源的离子计数检测装置的电路图；

图4是反相放大器示意图；

图5是肿瘤相关分子的离子计数图；

图中：1-气体样本室；2-第一电磁阀；3-电离室；4-灯丝；5-第二电磁阀；6-真空发生器；7-高压加速极；8-离子收集极；9-离子计数器。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明进行进一步详细的说明。

图1为本发明的肿瘤相关分子的离子计数检测装置的结构示意图，该检测装置包括气体样本室1、第一电磁阀2、电离室3、灯丝4、第二电磁阀5、真空发生器6、高压加速极7、离子收集极8、离子计数器9。气体样本室1通过第一电磁阀2与电离室3连接，电离室的左端设置有灯丝4，电离室的下端通过第二电磁阀5与真空发生器6相连，电离室的右端依次设置有高压加速极7和离子收集极8，离子收集极8与离子计数器9连接。

气体样本室1用于采集测试者呼出的气体，第一电磁阀2连通气体样本室1和电离室3，用于控制气体从气体样本室1向电离室3的流通。灯丝4与高压电场的负极相连，为阴极。高压加速极7为网状结构，有利于电子的穿过。离子收集极8为石墨烯电极，其具体结构如图2所示，石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。石墨烯只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，非常适合来做离子收集极。

图3为采用工频电源的肿瘤相关分子的离子计数检测装置的电路图，工频电源经整流滤波变成直流电压，直流电压经主逆变电路变成高频电压，该高频电压送至高压发生器内的高压变压器初级，经高压变压器升压后，将次级所获交流高频电压再经倍压整流变成恒定直流高压，此即为加速极高压。高压加速极采样信号与设定值进行实时比较，误差信号经脉宽调制后控制逆变桥的导通时间，确保加速极实际值等于设定值。工频电源经整流滤波变成直流电压，经灯丝逆变电路后送灯丝变压器初级，次级输出作为灯丝加热电压。灯丝加热电流调节采用pwm模式。在测量过程中，灯丝电流采样信号与设定值进行实时比较，误差信号经脉宽调制后控制灯丝逆变触发脉冲的宽度，确保实际值等于设定值。调节高压加速极的电压值，采用不同的电压去电离肿瘤分子，计数器对其电离结果进行分析，就完成了肿瘤相关分子的分类检测。

灯丝加热电路的功能就是发射电子,电离室的测量电流与两个因素有关:灯丝电流和加速极电压，因加速极电压改变时，管内加速电场强度变化,加速极收集电子的能力发生相应的变化，从而导致加速极电流变化。灯丝电压变化使灯丝电流变化，直接导致灯丝发射电子的效率。电离室内真空度，保持在10-6毫米汞柱以上，以保证灯丝的正常加热和电子飞向阳极的速度。

电离室的测量电流由高压加速极电流的大小决定，而加速高压加速极电流的大小取决于单位时间内灯丝发射的电子数量，灯丝发射的电子数量又是由灯丝温度决定的，灯丝温度越高，发射的电子数量越多。灯丝温度是由电离室的灯丝加热电压决定的，灯丝加热电压越高，灯丝温度越高。为了保证离子计数测量的精度，在整个测量过程中电离室灯丝和高压加速极电流一直稳定不变。

测量电路采用运算放大器组成的反相放大形式，如图4所示。其同相输入端接地，根据虚地的概念，其反相输入端电位也为零，这样保证了离子收集极的电位为零。“虚地”是深度电压并联负反馈放大器的重要特点，是指集成运放的输入端为虚地点，即u1＝0。离子收集极的输入端接反相放大器的反相输入端u1。根据虚地的概念，离子收集极的电位为零，确保了离子的收集。

肿瘤相关分子的离子计数检测装置的工作过程如下：

1)抽真空，第一电磁阀2打开，真空发生器对电离室进行抽真空，直至电离室内真空度达标；

2)灯丝开始预热，产生电子源：打开电离高压，灯丝与高压电场的负极相连，灯丝4(热阴极)通电后加热后向电离室3内发射电子，形成电子流；

3)加速电子：在高压加速极7上加一正电压，该正电压作为加速极高压，正电压吸引并加速由灯丝4发射出来的电子。被加速的电子穿过网状结构的高压加速极(7)后，由于离子收集极8的电压相对于高压加速极7为负电压，电子被离子收集极8推回，再加速向高压加速极7返回；

4)电离气体：电子在往返的运动中增大了与气体分子碰撞的概率，使更多的气体分子电离，变成正离子和二次电子。由于原子核外的各层轨道电子(如k,l,m轨道)都具有各自的特点能级，采用调节高压电场的方法使高速电子与肿瘤相关分子在原子轨道上电子相互作用；使其脱离其轨道，得到了含有代表各层轨道特征能谱的离子；

5)离子计数：正离子被电位最低的离子收集极所吸引；在石墨烯结构的离子收集极上形成感应电压，此感应电压与相应的离子相关；该感应电压传递至离子计数器，离子计数器做出相应判断；完成一次测量。

其中在步骤4)中，当气体样本室得到待测气体样本后，cpu控制第一电磁阀2打开，这个开门时间很短(毫秒级)，电离室得到气体后，关闭第一电磁阀2；在步骤5)中，电离高压开，离子计数器开始计数，计数结束，在显示器上呈现对应于相关分子的离子计数曲线；真空发生器用来保持电离室的测量条件。

图5为肿瘤相关分子的分类计数图。从图5可以看出，如果呼出气体中含有某个肿瘤相关分子，其含量离子计数图上显示出来。电离高压可以任意调节，在调节电离高压的同时，相应调整灯丝电流。本实施例中，电离高压从100v-100kv线性增长，不同的相关分子可以在不同的高压段出现计数峰值。而由于不同的电离高压对应于不同的肿瘤分子，根据施加的电离高压的数值，则可判断出肿瘤分子的种类；而根据；离子计数器的峰值，则可判断出肿瘤分子的浓度；从而判断肿瘤的种类和发展进程。

以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。