[发明专利]一种铵离子浓度检测系统、方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于传感及离子浓度检测技术领域，具体涉及一种铵离子浓度检测系统，还涉及利用该系统进行铵离子浓度检测的方法，以及该检测系统在透析领域中的应用。

背景技术

透析是已经丧失大部分或全部肾功能患者的肾脏替代疗法，主要利用腹膜或透析器将体内血液中的毒素扩散到外部透析液中，并排出过量体液，维护体内电解质平衡。传统的透析机体积庞大,能耗高，透析液一次性的与血液交换，因而透析过程中需要连续的清洁水源，一次治疗需要耗水60～200L左右，治疗的便利性差。利用吸附剂对透析液再生，循环使用，不需要外加水源，可以极大地减小透析机的尺寸，有利于透析机向便携式或可穿戴式方向发展。

在透析过程中，透析液从血液中交换出大量的有毒物质，包括尿素、肌酐、尿酸及有害的蛋白分子。透析液的再生过程，就是利用吸附剂移除这些有毒物质并调节各种离子浓度的过程。吸附剂主要由脲酶、磷酸锆、氧化锆离子交换树脂及活性炭组成。活性炭可以吸附大多数的有害物质，而尿素需要先通过脲酶分解为碳酸氨，再通过磷酸锆阳离子交换树脂进行清除，有害的阴离子则可以通过氧化锆进行清除。当透析液流过磷酸锆离子交换树脂时，透析液含有的各种阳离子都会被磷酸锆吸附，交换出钠和氢离子，再生的透析液中主要含有Na⁺和H⁺两种阳离子，这为随后调配透析液的离子浓度到生理范围提供了基础。磷酸锆吸附柱具有优异的离子交换能力和较大的交换容量，但是一旦离子交换容量被突破后或者离子交换柱工作不正常时，NH₄⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺就会从吸附柱中流出，引起血液中各种阳离子离子浓度超过正常的生理范围，危害病人的健康，引发重大的医疗风险。因而透析液再生系统中需要安装离子传感器，实时监测透析液中的离子浓度。由于铵离子在人体的允许浓度小于70uM,远低于K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺离子的生理浓度，因而在透析液再生系统中，通常通过监测再生透析液中的铵离子浓度，检验吸附柱是否正常工作或耗尽。

基于透析液再循环技术，已有多家公司公开了可应用于便携式或穿戴式透析的方案，比如美敦力公司(WO2013019994)，贝克斯特公司(WO2013109922)，弗雷塞尼斯(CN200980143456)，雷纳尔公司(US0144660)，淡马锡公司(WO2009157877)等。在这些公开的方案中，在线监测透析液中铵离子浓度是必不可少的部分。然而，在这些方案中，缺乏明确的铵离子传感器实施方式。

在早期的透析液再生系统中，铵离子浓度通过手动的方式，利用试纸进行监测，基于试纸颜色的变化，对照标准色图后确定铵离子浓度。该方法不仅操作复杂，还需要在开放的体系中进行，难以避免环境中的微生物造成污染。同时，人眼对颜色微小的变化并不敏感，难以给出正确的判断。后来，美国专利US2003/0113931公开了将显色指示剂涂在憎水膜上，安置在透析液管路中，基于铵离子浓度变化进行显色，采用光学检测器根据颜色的变化采集信号，处理后得到铵离子浓度。该方法中采用的显色指示剂有可能进入透析液中造成污染。监测信号受透析液中的pH值影响较大，需要调节pH值，且光学信号监测和处理系统复杂。利用气液分离膜，将氨气从透析液中分出来，再与显色剂反应，通过收集光学信号的强度，监测铵离子浓度的变化是研究比较多的方案，如US2007/0161113，WO2007/082565和WO2013070172。然而，透析液中含有大量的有机化合物(氨基酸、多肽、蛋白质、糖等)，极大的限制了气液分离膜的使用寿命；同时在生理条件下，透析液中氨气含量大约是氨/铵总含量的1％，因而仅有极微量地氨气能透过气液分离膜进入检测器中，对检测灵敏度和最低检测限要求非常高。为了达到最低检测限，透析液中必需含有足够高的铵离子，通常超过生理允许的浓度范围。该类铵离子的检测装置系统复杂，数据处理和信号检测的电子部分相当庞大，为了提高灵敏度有时还需加装载气装置，不便于应用在携式或穿戴式透析器上。

通过电导率或pH值变化检测离子浓度是一种成熟的方法，仪器结构简单，体积小，易于操作。然而，透析液中含有大量的电解质，对铵离子检测存在强的干扰，很难直接检测铵离子浓度。美敦力公司(WO2013019994)公开了通过检测吸附柱前后电导率的变化，推测吸附柱清除尿素的量和吸附柱离子交换能力是否耗尽的方案，然而该方案并不能指示铵离子流出的浓度是否超过最大限度，也不能准确判定吸附柱是否工作正常，不能作为铵离子检测装置。