[发明专利]一种空间站航天员尿液联合光谱检测系统

说明书

本发明公开了一种空间站航天员尿液联合光谱检测系统，该系统适用于空间站微重力环境下对航天员尿液中的肌酐、蛋白、尿素、过渡金属的日常监测，该系统主要由主控制器、收集子系统、LIBS子系统、拉曼光谱子系统和进样子系统组成；本发明的有益效果是，采用基于运动液芯波导联合光谱的检测方法，可同时实现对微弱拉曼信号的增强以及多点多次微区LIBS测量信号的累加，较大量样本的统计测量，使得对航天员尿液的成分检测更可靠；在废液收集中采用直流电场方法，满足微重力环境下的要求；在测试最后，采用净水进行液芯的清洁，满足环保卫生的要求。

技术领域

本发明涉及一种微区检测系统，尤其涉及一种基于液芯波导的联合光谱微区检测系统，适用于空间站微重力环境下对航天员尿液中的日常监测，属于光电检测领域。

背景技术

载人航天是指人类驾驶航天器在太空从事各种科学、试验、研究等往返地球的飞行活动。航天员工作的区域主要有载人飞船、空间站、外星球营地等。其中空间站是最常见也是较长期的工作场所。在空间站中，航天员处在长期微重力的环境，其身体的情况需要随时进行监测，以便发明其潜在的健康影响及问题。

航天器中航天员的健康监测可以选取很多测试样品。其中，对航天员尿液的监测至关重要也较易获取。监测的物质包括肌酐、蛋白、尿素等。例如尿液中的肌酐是肌肉在人体内代谢的产物，主要由肾小球滤过排出体外。每20g肌肉代谢可产生1mg肌酐，在肉类食物摄入量稳定时，身体的肌肉代谢又没有大的变化，肌酐的生成就会比较恒定。尿素氮与肌酐同时增高，说明肾脏出现了严重损害。此外，一些疾病与人的体液中某些过渡金属的浓度有关。比如，如果尿液中铜的含量比较低，则可能患有Wilson病。通过尿液中的铜含量的分析，还可以判断Hodgkin病、白血病及其他许多恶性疾病；尿钠测定可用于确定盐摄入量是否足够，是否有大量盐的损失，还可协助监护低盐饮食及术后电解质的监督，协助判断呕吐、严重腹泻、热衰歇患者的电解质平衡。肾脏是钠盐主要排泄器官，通过测定尿钠可了解肾脏的功能以及病变情况。尿钠增高可能是肾上腺皮质功能不全、肾衰、肾病综合征等；尿钠降低可能上肾上腺皮质功能亢进、慢性肾衰晚期尿量减少或尿闭等。对尿液中过渡金属的检测可以对日常健康进行监控，还可用于判定某些疾病。

目前，尿液检测仪器在检测尿中肌酐、蛋白、尿素等采用不同的原理，包括PH值、比密法、酸碱指标剂、酶法等，还需大量的试剂等支撑，无法满足航天员自己操作检测的需要。目前，尿液中过渡金属的检测常采用原子吸收光谱(AAS)及离子色谱法，AAS方法对铜的检测灵敏度低，体液易堵塞燃烧系统；离子色谱法需复杂的离子色谱交换柱结构，还需加入辅助试剂，装置结构及测试操作复杂，难以满法满足航天员自己操作检测的需要及航天环境的需求。为此，对肌酐、蛋白、尿素以及过渡金属需要找到适合航天员快速高效便捷的检测方法并设计相对应的检测设备，以满足航天员健康实时诊断的需求。

激光拉曼光谱方法是检测尿液中的肌酐、蛋白、尿素等的一种便捷可行方法，但因为尿液中的肌酐、蛋白、尿素等的含量较低，拉曼信号很弱，因此如果将拉曼光谱法用于航天员尿液监测，需解决其信号微弱的问题。激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdownspectroscopy，简称LIBS)方法是检测尿液中过渡金属的一种便捷可行方法，但因为尿液中的金属元素含量较低，单点单次微区LIBS信号很弱，因此需综合多点多次微区LIBS测量信号累加，解决尿液中过渡金属的检出问题。此外，这两种方法还需要考虑微重力、进样、残液回收、紧凑、耐用等方面的航天方面的需求。

发明内容

针对以上的需求，本发明的目的在于提供一种基于液芯波导拉曼及LIBS光谱的航天员尿液中肌酐、蛋白、尿素、过渡金属的检测系统，可满足微重力、紧凑、耐用等方面的航天环境要求下，尿液中肌酐、蛋白、尿素及铜、钠等微量金属的LIBS信号检出，从而实现对航天员反映健康情况的部分生理指标的实时诊断。

本发明是这样来实现的：