本申請要求于2014年7月21日提交的名稱為“COMPOSITIONS FOR DIRECT BREATH SAMPLING(用于直接呼吸采樣的組合物)”的美國臨時專利申請?zhí)?2/026,739的權(quán)益，其內(nèi)容以其全部通過引用并入本文。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及：尤其是用于直接呼吸采樣的設(shè)備和方法。

發(fā)明背景

呼吸分析方法是以收集和分析來自人和/或動物受試者的呼吸樣本為基礎(chǔ)。目前，用于呼吸分析采樣的方法可以分為兩個主要選擇：i)直接吸入到采樣裝置中，和ii)使用采樣袋或罐間接采樣。為了避免樣品的稀釋或損失，直接呼吸采樣是多次優(yōu)選的。然而，由于分析系統(tǒng)的高成本，直接呼吸采樣并非總是可行的。因此，需要非原位(ex-situ)采樣，其中將樣品收集并任選地送至相關(guān)數(shù)據(jù)中心，而不稀釋或失去呼吸化合物。

為了使這種采樣有效，需要一個小的、易于使用、便宜且長期的存儲的解決方案。采樣袋易于使用，但存儲時間有限并且由于袋中的冷凝而存在大量的數(shù)據(jù)丟失。罐在存儲樣品方面非常有效，但是非常昂貴且需要大存儲空間和大型物流。

使用填充有吸附劑材料(一種或多種)的管是一個強有力的解決方案，因為管是相對小且易于使用的選擇。目前，根據(jù)所使用的系統(tǒng)，以不同尺寸制造吸附劑管。根據(jù)感興趣的目標化學物質(zhì)(例如，揮發(fā)性有機化合物)，可以使吸附劑管堆滿不同的吸附劑材料(例如， TA、Carboxen等)。通常，吸附劑材料被堆疊在一個、兩個或三個床中，并在每個吸附劑材料的末端上由玻璃棉或玻璃料保持，從而使材料保持在合適的位置。吸附劑量/重量可以根據(jù)所使用的材料和使用目的而改變。該重量與可被吸收的化學物質(zhì)的量成比例，即，吸附劑材料越多，吸附空間越大。吸附劑管緊密塞滿吸附劑材料，因而通常與活性采樣一起使用，即使用泵或類似物來實現(xiàn)感興趣的氣體/樣品通過管的流動。不同的管適用于在幾分鐘至幾小時的時間量程里幾毫升和多達幾十升的氣體體積。因此，關(guān)于呼吸采樣，方案涉及兩步采樣：1)呼吸進入袋或罐/支持器，2)將來自收集裝置(例如，袋)的呼吸主動泵送至吸附劑管?？朔搩刹匠绦虻臉O好的解決方案是允許直接將呼吸采樣到吸附劑管中。然而，管中的吸附劑材料的剛性堆疊(rigid stacking)產(chǎn)生相當高的阻力，從而防止直接吹入管中。

目前，還沒有直接采樣進入吸附劑管。很少有允許將呼吸采樣到這種吸附劑管中的系統(tǒng)，但是它們具有一些缺點。當前使用吸附劑管的采樣系統(tǒng)，例如Menssana研究公司的BCA系統(tǒng)和Ar2i公司的EXP'AIR系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都相當昂貴(幾萬美元)，并且是需要工作臺空間和電力供應的大系統(tǒng)。

BCA系統(tǒng)是一種長的不銹鋼(SS)管(約90cm長)，具有連接至SS管末端上的吸附劑管的外部泵。使用接口管從一端接受來自受試者的呼吸，并使用外部泵系統(tǒng)將采樣管裝填在另一端。

EXP'AIR系統(tǒng)是大箱子(80-90cm長、40cm寬)，其中泵與一系列管連接并且與吸附劑管并聯(lián)。除了其大尺寸和耗電之外，將呼吸收集到吸附劑管的特定管道在樣品中引起大的背景噪音，使得該系統(tǒng)對于呼吸分析無效。

Bio-VOC呼吸采樣器為一次性設(shè)備，首先用于收集100ml呼氣末端(end-tidal)空氣樣品，然后將其轉(zhuǎn)移至吸附劑管。該系統(tǒng)需要兩步(到腔室，然后從腔室到管)，并經(jīng)受大量冷凝因而損失VOC。

需要一種小的、易于使用、便宜且長期的采樣解決方案來實現(xiàn)直接呼吸采樣過程。

相關(guān)技術(shù)的前述實例和與其相關(guān)的限制旨在是說明性而非排他的。在閱讀說明書并且研究附圖之后，相關(guān)技術(shù)的其它限制對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。

發(fā)明概述

在一些實施方式中，本發(fā)明提供了適用于直接呼吸采樣的玻璃棉和吸附劑材料的組合物。在另外的實施方式中，提供了包括所述組合物的裝置、其制備方法和對包含感興趣的分子如揮發(fā)性有機化合物(VOC)的呼吸進行采樣的方法。

一方面，本發(fā)明提供了包括主體的裝置，所述主體包括入口、出口和在入口和出口之間的腔，所述腔包括玻璃棉基體和分布在整個玻璃棉基體中的吸附劑材料。

在一些實施方式中，所述玻璃棉的重量為10至150毫克(mg)。在一些實施方式中，吸附劑材料的重量為10至500mg。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1.5:1。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:5。在另一個實施方式中，該裝置包括玻璃棉和吸附劑材料的基本上均勻的基體。

在一些實施方式中，吸附劑材料選自： XAD、-2、HMP、碳納米管、玻璃珠、聚合物、分子篩、活性炭、椰子炭(Coconut charcoal)、陶瓷、氧化鋁、二氧化硅、硅膠、分子篩碳、分子篩沸石、硅沸石及其組合。

在一些實施方式中，玻璃棉包括硼硅酸鹽玻璃棉、石英玻璃棉和玻璃纖維中的至少一種。

在另一個實施方式中，裝置的主體限定入口和出口之間的導管。在一些實施方式中，主體被配置為用于使VOC通過其中流動。在一些實施方式中，主體是熱分解管。在一些實施方式中，主體的入口和出口分別是采樣入口和采樣出口。在另一個實施方式中，采樣入口被配置成可操作地連接至噴嘴。

在另一個實施方式中，裝置進一步包括流量計(如內(nèi)置流量計)。

另一方面，本發(fā)明提供了對有需要的受試者的呼吸樣品中的化合物進行采樣的方法，所述方法包括：提供本文所述的裝置；和呼氣進入該裝置。

在另一個實施方式中，化合物是VOC。

在另一個實施方式中，呼氣具有在1毫升/分鐘-500毫升/分鐘范圍內(nèi)的體積流率。

在另一個實施方式中，受試者是哺乳動物。

另一方面，本發(fā)明提供了包括玻璃棉基體和吸附劑材料的組合物，其用于對受試者呼吸樣品中的化合物進行采樣。

本發(fā)明的另外的實施方式和全面適用范圍將從下文給出的詳細描述而變得顯而易見。然而，應當理解的是，雖然指出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是該詳細描述和具體實例僅以說明的方式給出，因為在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種改變和修改從該詳細描述將對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見。

附圖簡述

在參考圖中示出了示例性實施方式。圖中所示的部件和特征的尺寸通常是為了方便和清楚呈現(xiàn)而選擇的，并不一定是按比例示出。圖在下面列出。

圖1A是根據(jù)實施方式的裝置的主體的橫斷面圖；

圖1B是根據(jù)實施方式的圖1A裝置的示例性實施的橫斷面圖。

發(fā)明詳述

在一些實施方式中，本發(fā)明提供了玻璃棉和吸附劑材料的組合物以及包括該組合物的設(shè)備/裝置。在一些實施方式中，組合物和設(shè)備/裝置可用于直接呼吸采樣。本發(fā)明的另外實施方式涉及包括呼吸采樣設(shè)備/裝置的套件、其制備方法和用于呼吸采樣的方法。

本發(fā)明部分基于發(fā)現(xiàn)玻璃棉不僅可以用作保持吸附劑材料的端塞(end plug)，而且用于形成在其中結(jié)合吸附劑材料的基體。如本文所舉例的，與吸收劑材料結(jié)合的玻璃棉基體能夠直接采樣受試者的呼吸。

在一些實施方式中，吸附劑材料和玻璃棉的組合物或基體具有低阻力(例如，與常用的采樣設(shè)備/裝置或吸附劑管相比)，從而允許呼吸揮發(fā)性有機化合物(VOC)的直接采樣。在一些實施方式中，低阻力是低于30毫米汞柱(mmHg)、低于20mmHg、低于15mmHg、低于10mmHg。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在一些實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料的組合物形成基本上均勻的基體。在一些實施方式中，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法將吸附劑摻入玻璃棉基體中。

在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-5:1，或者是這些示例性比之間的任何比。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-4:1。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-3:1。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-2.5:1。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-2:1。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1.5:1。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:5，或者是這些示例性比之間的任何比。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:4。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:3.5。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:2。在另一個實施方式中，玻璃棉和吸附劑材料之間的比為1:1-1:1.5。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在一些實施方式中，玻璃棉基體的重量為至多500毫克(mg)、至多400mg、至多300mg、至多200mg、至多175mg、至多150mg、至多140mg、至多130mg、至多120mg、至多110mg、至多100mg、至多90mg、至多80mg、至多70mg、至多60mg、至多50mg、至多40mg或至多50mg。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。在一些實施方式中，玻璃棉的重量為至少10mg、至少20mg、至少30mg、至少40、至少50mg、至少60mg、至少70、至少80mg、至少90mg、至少100mg、至少110mg、至少120mg、至少130、至少140或至少150mg。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在一些實施方式中，吸附劑材料的重量為至多500mg、至多400mg、至多300mg、至多200mg、至多175mg、至多150mg、至多140mg、至多130mg、至多120mg、至多110mg、至多100mg、至多90、至多80mg、至多70mg、至多60mg、至多50mg、至多40mg、至多30mg、至多20mg或至多10mg。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。在一些實施方式中，吸附劑材料的重量為至少10mg、至少20mg、至少30mg、至少40mg、至少45mg、至少50mg、至少60mg、至少70mg、至少80mg、至少90mg、至少100mg、至少110mg、至少120mg、至少130mg、至少140mg、至少150mg、至少175mg、至少200mg、至少300mg、至少400mg或至少500mg。每種可能性表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在一些實施方式中，吸附劑材料是多孔材料(例如，聚(2,6-二苯基-對亞苯基氧化物)。在另一個實施方式中，基體的目標孔隙率大于0.70、大于0.80、大于0.85或大于0.90。在另一個實施方式中，基體的目標密度小于0.5克/立方厘米(gram/cc)、小于0.4gram/cc或小于0.3gram/cc。每種可能性或這些值之間的任何值表示本發(fā)明的單獨實施方式。

在一些實施方式中，吸附劑材料是非多孔材料(例如，石墨化炭黑(GCB)吸附劑)。在某些實施方式中，在本文所述的吸附劑裝置中使用的一種或多種吸附劑材料類型可以基于或包括石墨化炭黑(GCB)、碳分子篩或其組合。在一些實施例中，吸附劑材料可以是基于不同強度的石墨化炭黑、石墨、碳分子篩、聚合物樹脂、氧化物、熔融二氧化硅珠、玻璃、石英、木炭、多孔聚合物、amisorbs或其他材料的混合物。在某些實施方式中，吸附劑裝置中的不同吸附劑材料可具有不同的化學組成，例如，每個可包括或者是不同的炭黑。在一些實施例中，吸附劑材料可以是衍生化形式，如衍生化炭黑。

在一些實施例中，吸附劑材料可以是石墨化炭黑如，例如，Carbotrap^TMB吸附劑或Carbopack^TMB吸附劑、Carbotrap^TMZ吸附劑或Carbopack^TMZ吸附劑、Carbotrap^TMC吸附劑或Carbopack^TMC吸附劑、Carbotrap^TMX吸附劑或Carbopack^TMX吸附劑、Carbotrap^TMY吸附劑或Carbopack^TMY吸附劑、Carbotrap^TMF吸附劑或Carbopack^TMF吸附劑，它們中的任何一種或多種可以以其商業(yè)形式使用(可從Supelco或Sigma-Aldrich商業(yè)上獲得)，或者可以根據(jù)已知方案進行石墨化。在其它實例中，吸附劑材料可以是碳分子篩，如Carboxen^TM1000吸附劑、Carboxen^TM1003吸附劑或Carboxen^TM-1016吸附劑，它們中的任何一種或多種可以以其商業(yè)形式使用(可從Supelco或Sigma-Aldrich商業(yè)上獲得)或可根據(jù)已知方案進行優(yōu)化。

吸附劑材料的另外非限制性實例包括(2,6-二亞苯基氧化聚合物)、 XAD、-2、HMP、碳納米管、玻璃珠、聚合物、分子篩、活性炭、椰子炭、陶瓷、氧化鋁、二氧化硅、硅膠、分子篩碳、分子篩沸石、硅沸石及其組合。

如本文所使用的硅膠是指二氧化硅的無定形形式，其是以硬的不規(guī)則顆?；蛑榈男问胶铣芍苽涞?。聯(lián)鎖腔的微孔結(jié)構(gòu)提供了非常高的表面積(每克800平方米)。這種獨特的結(jié)構(gòu)使得硅膠成為大容量干燥劑。水分子由于其與周圍空氣相比的低蒸氣壓而粘附到硅膠的表面。當達到壓力平衡時，吸附停止。因此，周圍空氣的濕度越高，在達到平衡之前吸附的水量越大。硅膠作為干燥物質(zhì)是有利的，因為干燥過程不需要任何化學反應，并且其不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物或副作用。

如本文所使用的活性炭是指通過將木炭加工成及其多孔碳物質(zhì)而形成的吸附劑。由于其高程度的微孔性，活性炭具有適用于化學反應的非常大的表面積?？梢詢H從高表面積獲得充分活化，盡管進一步的化學處理通常會增強材料的吸附性能。

如本文所使用的干燥劑分子篩是指合成的高度多孔結(jié)晶金屬鋁硅酸鹽。它們通過許多精確直徑(即和)的內(nèi)腔進行分類。只有在待吸附的分子具有比腔開口小的直徑時，吸附才發(fā)生。

吸附劑材料的具體類型和含量可以根據(jù)待吸附的具體VOC以及流速、流量和濃度水平而選擇。

在使用多種吸附劑材料的一些實施方式中，可以以比第二吸附劑材料多的量包括第一吸附劑材料。例如，在樣品疑似具有高濃度的特定分析物的情況下，有效吸附和解吸該分析物的吸附劑材料可以以更多的量/體積存在，以提供給該分析物增加的負載。在某些實施例中，吸附劑材料可以各自以基本上相同的重量比(如1:1)存在。在其它實施例中，不同的吸附劑材料可以獨立地以3:1、2.5:1、2:1、1.5:1、1.1:1、0.9:1、0.8:1、0.7:1、0.6:1、0.5:1、0.4:1、0.3:1、0.2:1、0.1:1范圍內(nèi)的重量比，或者這些說明性比之間的任何比存在。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易選擇吸附劑材料的另外合適的量。

在某些實例中，吸附劑的網(wǎng)孔尺寸或范圍可以根據(jù)所選擇的具體材料而變化。在一些實例中，網(wǎng)孔尺寸的范圍可以為20至約100，更具體為約20-80、30-70或40-60。在其它實例中，根據(jù)吸附劑裝置中使用的材料，網(wǎng)孔尺寸范圍可以為約20-40、40-60、60-80或80-100。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易選擇其它合適的網(wǎng)孔尺寸。

在一些實施方式中，玻璃棉包括硼硅酸鹽玻璃棉、石英玻璃棉和玻璃纖維中的至少一種。

在一些實施方式中，裝置沒有玻璃棉端塞。在一些實施方式中，裝置還可包括玻璃棉作為保持玻璃棉-吸收劑材料組合物的端塞。在該實施方式中，端塞玻璃棉基本上不會提高組合物的阻力(例如，裝置仍可用于直接呼吸采樣)。如本文所使用的“基本上不提高組合物阻力的端塞玻璃棉”是寬度為約3至5mm、孔隙率大于0.90并且總密度范圍為0.10至0.90grams/cc的玻璃棉。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，使用本文所述的組合物導致在原始呼吸樣品中發(fā)現(xiàn)的VOC的最小損失或稀釋。在一些實施方式中，使用本發(fā)明的組合物損失(如未吸附)小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％的VOC

在一些實施方式中，本發(fā)明提供了一種包括主體的裝置，所述主體包括入口、出口和在入口和出口之間的腔，所述腔包括玻璃棉和至少一種吸附劑材料的組合物。在另一個實施方式中，裝置的主體限定在入口和出口之間的導管。在一些實施方式中，主體被配置為用于使VOC通過其中流動并收集(即，采樣)VOC。在一些實施方式中，主體是吸附劑管。在一些實施方式中，吸附劑管可以由本領(lǐng)域已知的任何合適的一種或多種材料制成。在一些實施方式中，吸附劑管由玻璃制成。在一些實施方式中，主體的入口和出口分別是采樣入口和采樣出口。在另一個實施方式中，采樣入口被配置成可操作地連接至噴嘴和/或接口管。

在一些實施方式中，直接呼吸到包含組合物的裝置中包括通過可操作地連接至本文所述裝置的接口管或噴嘴來呼吸。在另一個實施方式中，使用管道連接器(包括但不限于活接頭管件(Union Connector Tube Fitting)、1/4"螺母、可更換的1/4"PTFE套接管、端口接頭)可以將接口管連接到管狀設(shè)備。

在另外的實施方式中，裝置或包括該裝置的系統(tǒng)進一步包括呼吸流量計。

通常，正常呼吸包括肺泡呼吸和氣道呼吸。肺泡呼吸在本領(lǐng)域中已知作為這樣的呼吸部分，其在肺的肺泡(“氣囊”)中開始，通過吸入而被吸到肺泡用于與毛細血管血液進行氣體交換。氣道呼吸(也稱為“無效空間”呼吸)是這樣的呼吸部分，其在支氣管、氣管、咽、口和鼻腔中開始，并且包括沒有到達肺泡并因此未參與體內(nèi)任何氣體交換的給定吸入中的空氣。為了有效采樣，呼吸采樣裝置可以通過僅收集肺泡呼吸組分而不是無效空間來控制呼吸采樣。

在一些實施方式中，裝置或包括該裝置的系統(tǒng)進一步包括無效空間袋。無效空間袋可以由本領(lǐng)域已知的任何合適材料制成。

在另一個實施方式中，裝置或系統(tǒng)不需要電力或泵送單元。

根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，所述低阻力還適用于對特別低的體積流量進行采樣。在一些實施方式中，可以通過呼出空氣產(chǎn)生低體積流量用于采樣。在一些實施方式中，低體積流量包括小于1毫升/分鐘的速率。在一些實施方式中，低體積流量包括1毫升/分鐘至500毫升/分鐘范圍的速率。在一些實施方式中，本發(fā)明還允許低能力(low-potency)采樣，包括但不限于嬰兒、兒童和老年受試者、患有呼吸道疾病或病癥(例如，呼吸困難)的受試者以及動物。

在一些實施方式中，本發(fā)明還提供了對有需要的受試者的呼吸樣品中的化合物進行采樣的方法，所述方法包括：提供包括主體的裝置，所述主體包括入口、出口和在入口和出口之間的腔，所述腔包括玻璃棉基體和分布在整個玻璃棉基體中的吸附劑材料；和呼氣進入所述裝置。

在一些實施方式中，本發(fā)明的呼吸采樣方法用于或者包括將樣品轉(zhuǎn)移到分析或基于傳感器的分析系統(tǒng)的步驟。本發(fā)明的方法的非限制性用途包括臨床、工業(yè)和安全用途。

現(xiàn)在參考圖1A，其示出了裝置100的橫斷面圖。裝置100包括具有入口104和出口106的管(如熱分解管)102，其有助于氣體/樣品通過管102流動。管102內(nèi)包括玻璃棉基體108和分布在整個玻璃棉基體中的吸附劑材料110。

現(xiàn)在參考圖1B，其示出了可用于呼吸采樣的裝置100的示例性實施的橫斷面圖。管102經(jīng)由連接器114連接到接口管112。任選地，接口管112可包括過濾器112a，以防止細菌和/或病毒通過管102進入。在非限制性實例中，連接器114由不銹鋼(SS)制成。任選地，無效空間袋116經(jīng)由位于接口管112和連接器114之間的T-閥118連接。

如在本文中和在所附的權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”、“所述(the)”包括復數(shù)指代，除非上下文另有明確指出。因此，例如，提及“有機涂層”包括多個這樣的有機涂層和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的等同物，等等。應當注意，術(shù)語“和”或術(shù)語“或”通常包括“和/或”的意思，除非上下文另有明確指出。

對本發(fā)明的各種實施方式的描述是為了說明目的而給出的，而并不是窮盡的或者限于所公開的實施方式。在不違背所述實施方式的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是顯而易見的。選擇本文所使用的術(shù)語是為了最好地解釋實施方式的原理、實際應用或?qū)κ袌鲋邪l(fā)現(xiàn)的技術(shù)的技術(shù)改進，或者使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解本文所公開的實施方式。