远程且实时地量化样品中金属的生物可及性的便携式模块化胃肠模拟器系统及方法技术方案

公开了轻型便携式模块化胃肠(GI)模拟器系统，以及用于远程且实时地量化受污染的土壤样品，特别是尾矿土壤中的可能的生物可及且对健康有害的金属的量的方法，其中金属和准金属选自：Fe、Pb、Zn、Cu、Ni、As和Cd。所述系统包括：预混合或前胃模块；混合或者胃和GI模拟模块，所述混合或者胃和GI模拟模块包括专门设计的生物反应器和搅拌器；以及底部再循环模块，其中所提及的第一模块具有温度和搅拌速度的传感器，并将数据传输到数据中心，所述数据中心将所述数据与预设值一起存储并对其进行比较，从而产生响应信号并激活控制器，所述控制器作用于调节装置直至达到预设值。用于调节装置直至达到预设值。用于调节装置直至达到预设值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】远程且实时地量化样品中金属的生物可及性的便携式模块化胃肠模拟器系统及方法


[0001]本专利技术涉及轻型便携式模块化胃肠模拟器系统，以及用于实时远程量化受污染的土壤样品(优选尾矿土壤)中存在的金属和准金属的浓度或量的方法，所述金属和准金属在人消化的常规条件下可能对人体可及(生物可及性)并对人健康造成风险，其中这样的金属和准金属选自：铁(Fe)、铅(Pb)、锌(Zn)和铜(Cu)、镍(Ni)；砷(As)和镉(Cd)，所述系统包括：上部预混合模块或前胃准备、中间混合或者胃肠或胃模拟模块、以及再循环或下部模块。本专利技术的系统的前两个模块具有pH、温度和搅拌速率传感器，所述传感器将信息传输到数据库中心，其中该信息与预设的pH、温度和搅拌速率值一起被存储，并将输入信息与存储的信息进行比较，并产生输出信号或响应，从而允许至少一个或更多个pH、温度、速率控制装置手动或自动调节采样容器内部的pH和温度以及搅拌装置的搅拌速率以实现预设值，从而实现超过50％、优选90％的混合物均匀度百分比。任选地，本专利技术的模块化系统包括当样品与S和G混合或者当样品与S、G、B和D混合时发出视觉信号、声音信号或两者从而向使用者警告达到在中间模块中实现超过50％、优选90％的混合物均匀度的已花费的时间的装置。当土壤样品与S和G混合时，足以在中间模块中实现50％均匀度的时间为半小时，而当土壤样品与S和G混合时，在同一模块中实现90％均匀度的时间为约1小时。当土壤样品与S、G、B和D混合时，足以在中间模块中实现90％均匀度的时间为两小时，而当土壤样品与S、G、B和D混合时，在同一模块中实现90％均匀度的时间为约4小时。包括搅拌装置的胃肠或胃模拟器模块(中间模块)的生物反应器设计是自己的设计。

技术介绍

[0002]目前，为了支持保护环境或人类健康的战略决策，在环境或采矿行业中越来越需要以低成本方法监测变量，包括可靠、实时和在线发布结果，以忠实执行现行法规。
[0003]近年来变得越来越重要的变量之一为生物可及性，因为其允许以低成本量化土壤基质中存在的可被人体吸收的污染物，并因此保护暴露于其中的个人的人类健康。然而，该变量可以通过数种方法量化，其中最显著的是生理学方法：PBET(Physiologically Based Extraction Test，基于生理学的提取测试)和UBM(Unified BARGE Methodology，Barge，统一的BARGE方法学，Barge)，其避免动物或人试验(考虑到该设计是动物和科学团体非常重视的)，并且目前在诸如加拿大、西班牙、美国和英国的国家水平实验室实施以进行多项土壤研究。
[0004]基于生理学的方法使用合成流体代替人肠液和胃液，另外的变量例如温度、pH、固液相比、消化过程的时间和运动。依次应用消化过程的数个步骤的代表性流体以模拟胃肠道的步骤。
[0005]与PBET(“基于生理学的提取测试”)方法相反，UBM方法是按照国际标准ISO 17924中描述的程序进行的，这意味着其结果与通过遵循相同标准的其他实验室获得的结果相当。对于UBM方法(“Unified BARGE Methodology”)的应用，其通过参考材料BGS 102的证明
消化过程的胃肠和胃阶段中生物可及的金属和准金属的含量的分析来验证。在国际层面，加拿大和英国由于拥有诸如位于曼彻斯特的“EnviroLabs”实验室、位于康塞特的“Derwentside Environmental Testing Services Limited，DET”S实验室、位于剑桥的Chemtest Ltd(https://www.chemtest.com)实验室的实验室，按照ISO17.924标准应用UBM方法，允许通过该方法在国家层面获得的结果在国际层面可追溯。在这种背景下，英国地质调查局(British Geological Survey，https://www.bgs.ac.uk/)脱颖而出，其为领导全球地质和地球科学研究并以对政府有益的公共科学为中心的全球组织，其研究包括环境和地球过程。他们在其实验室中制造参考土壤，并且是世界上唯一销售具有经认证的生物可及性的参考土壤的一个，允许将UBM方法应用于实验室验证，该参考材料被命名为BGS 102。
[0006]同样面临该问题的是广为人知的土壤修复和植物修复的选择，但它们由于高成本以及经受必须遵守的严格环境法规而存在问题，因此在某些机会下它们变得相当困难，因为其技术必须对处于研究的生态系统使用自己的修复。目前的解决方案并没有深入解决该问题，被评论是因为该技术不能将待有效修复的区域与可能不进行有效修复的其他区域识别开。在这个问题上，所使用的有机修复或植物不区分哪些元素对人类更加有毒或无毒，仅吸收有营养的那些，然后可能应用于整个区域，涵盖广泛的延伸，使得这些技术极其昂贵。
[0007]另一方面，由于重金属例如砷、镉和铅等对人类及其环境利益的明显不利影响而在国家和国际层面对其进行适当监管，因此现行的国际环境监管框架阻止将受污染的样品从没有经认证的分析实验室的国家运送到拥有经认证的分析实验室的国家，在所述拥有经认证的分析实验室的国家进行能够确定所述重金属的生物可及性的土壤研究。
[0008]这种对人类健康具有影响的土壤污染环境问题进一步具有严重的社会影响，因为土壤污染引起的社会环境冲突可能可以证明，在环境方面显示出团体的赋权和监督作用是无可争辩的。
[0009]另一方面，在国际市场上存在可获得的人工胃，特别是由英国Martin Wickham，del Norwich Institute for Food Research制造并获得专利的DGM“Dynamic Gastric Model，动态胃模型”，其允许进行生物可及性评估，但其是为模拟受污染的食物摄入而专门设计的，因此，其为复杂设计，由于能够模拟被重金属污染的食团的破坏而成本非常高，那么该模型和其他模型不是环境工业的可及的解决方案，因为研究中的问题超出了范围。
[0010]关于专利文件，可以提及CN1719250A(Ecological Environmental Res.CT)，其涉及多通道模拟器胃肠系统，所述多通道模拟器胃肠系统处理土壤样品，需要制备人工消化液并以多通道添加到样品中，并且需要特定的时间和反应条件；然后过滤提取物并确定水性样品中的重金属污染物含量，并关注对人类健康的风险。
[0011]CN108535046A(宁波市鄞州区达之丰工业产品设计有限公司)涉及用于分析具有有机污染物的样品的设备，所述设备包括具有腔和带有两个旋转轴的圆柱形旋转体的物体，以及多个反应室中的卸料盘(slay out tray)。
[0012]CN101968480B(漳州师范学院)涉及刺激和检测药中可被人体吸收的微量元素含量的方法，其中按照药物剂型的方案在不同消化阶段添加仿生消化液(模拟唾液、胃液、十二指肠液和胆汁)，并获得完整消化液，并通过具有单层的水脂体分布系统模拟微量元素在胃和肠中的分布和吸收状况，提供了评估被身体吸收的微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种轻型便携式胃肠模块化系统，用于在人消化条件下远程且实时地量化受污染的土壤样品中的金属的生物可及性或量/浓度，金属和准金属选自锌(Zn)、铅(Pb)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、砷(As)和镉(Cd)，所述受污染的土壤样品涵盖尾料或采矿残余物样品，所述系统包括：a)至少一个上部预混合或前胃模块，所述至少一个上部预混合或前胃模块使待分析的混合物均匀化并调节待分析的混合物的温度，并且包含选自唾液(S)、胃液(G)、胆汁(B)和十二指肠液(D)的胃液和酶液，以及这样的土壤样品，所述至少一个上部预混合或前胃模块包括：a.1)接收这样的流体S和流体G以及这样的土壤样品的至少一个第一混合接收装置，其中这样的第一混合接收装置是惰性材料的，包括不锈钢或玻璃，a.2)位于这样的至少第一样品接受器介质中的至少一个第一搅拌装置、至少第一搅拌速率传感器、至少第一搅拌速率调节装置和至少第一搅拌速率控制装置，所述至少一个第一搅拌装置、至少第一搅拌速率传感器、至少第一搅拌速率调节装置和至少第一搅拌速率控制装置允许保持这样的第一搅拌介质的搅拌速率以实现90％湿度，a.3)位于这样的至少一个第一混合接收器装置中的至少一个第一温度传感器、至少第一温度调节装置和至少第一温度控制装置，所述至少一个第一温度传感器、至少第一温度调节装置和至少第一温度控制装置允许将这样的至少第一混合接收装置内部的温度保持在35℃至39℃的范围，a.4)位于这样的至少一个第一样品接收装置中的至少一个第一pH传感器装置、至少一个pH调节装置和至少一个第一pH控制装置，所述至少一个第一pH传感器装置、至少一个pH调节装置和至少一个第一pH控制装置允许：a.4.1)当这样的第一容器最初接收这样的单独的流体S时，将pH值调节为6.0至7.0的范围；或者a.4.2)当这样的第一容器最初接收这样的单独的流体G时，将pH值调节为1.0至1.2的范围；a.4.3)当这样的第一容器接收这样的土壤混合物加流体S和流体G时，将pH值调节为1.15至1.25的范围，优选调节pH值为1.2，a.5)至少一个第二混合物接收，所述至少一个第二混合物接收接收这样的流体B和流体D并且与这样的至少一个第一混合接收装置并行运行，并且其中这样的第一混合接收装置是惰性材料的，包括不锈钢或玻璃；a.6)位于这样的至少一个第二样品接收装置中的至少一个第二pH传感器装置、至少第二pH调节器装置和至少第二pH控制装置，所述至少一个第二pH传感器装置、至少第二pH调节器装置和至少第二pH控制装置允许：a.6.1)当这样的第一容器最初单独接收这样的流体B时，将pH值调节为7.8至8.2的范围；或者a.6.2)当这样的第一容器最初单独接收这样的流体D时，将pH值调节为7.2至7.6的范围a.7)位于这样的至少第二样品接收装置中的至少一个第二温度传感器、至少第二温度
调节器装置和至少第二温度控制装置，所述至少一个第二温度传感器、至少第二温度调节器装置和至少第二温度控制装置允许将这样的至少一个第二混合接收装置内部的温度保持在35℃至39℃的范围，a.8)位于这样的至少一个第二样品接收装置中的至少一个第二搅拌装置、至少一个第二搅拌速率传感器、至少一个第二搅拌速率调节器装置和至少一个第二搅拌速率控制装置，所述至少一个第二搅拌装置、至少一个第二搅拌速率传感器、至少一个第二搅拌速率调节器装置和至少一个第二搅拌速率控制装置允许保持这样的搅拌速率装置的搅拌速率以实现90％的均匀度，以及a.9)至少一个显示屏幕界面，所述至少一个显示屏幕界面显示这样的至少一个第一和第二温度传感器、这样的至少一个第一和第二pH传感器装置、以及这样的至少一个第一和第二搅拌速率传感器的信息，以及其中这样的至少一个第一和第二温度控制装置允许在第一和第二温度调节装置中手动或自动致动，以将这样的至少一个第一和第二混合物接收装置内部的温度保持在37℃，其中这样的至少一个第一和第二搅拌装置选自至少一个磁力搅拌装置，其中这样的至少一个第一和第二温度调节装置选自具有异步致动的至少两个热风扇；以及b)至少中间混合模块或者胃和胃肠模块，所述至少中间混合模块或者胃和胃肠模块包括：b.1)至少一个生物反应器，优选不锈钢，所述至少一个生物反应器接收这样的土壤混合物加流体G或者土壤样品加流体S加流体G加流体B加流体D的混合物，b.2)位于这样的至少一个生物反应器中的至少一个第三搅拌装置，所述至少一个第三搅拌装置选自允许360
°
旋转的“翻转”型搅拌器，包括至少一个第三搅拌速率传感器、至少一个第三搅拌速率调节器装置和至少一个第三步进式搅拌速率控制装置，允许保持这样的至少第三搅拌装置的搅拌速率以允许实现超过50％的均匀度；以及至少一个第三温度传感器、至少一个第三温度调节装置和至少一个第三温度控制装置，b.3)用于这样的至少一个第三搅拌装置的各旋转轴的至少一个第一支撑基底装置和安装在横向支撑承载装置上方的至少一个齿轮装置，允许减少与这样的至少一个生物反应器的内壁的摩擦，实现机械平衡，提供支撑，具有低运动阻力并使这样的至少一个生物反应器移动；以及用于这样的第三搅拌装置的至少一个第三转速传感器装置、用于这样的至少一个第三搅拌装置的至少一个第三转速调节器装置和用于这样的至少一个第三搅拌装置的至少一个第三转速控制装置b.4)位于这样的至少一个生物反应器中的至少一个第三温度传感器、至少一个第三温度调节装置和至少一个温度控制装置，所述至少一个第三温度传感器、至少一个第三温度调节装置和至少一个温度控制装置允许将这样的至少一个生物反应器内部的温度保持在35℃至39℃的范围，b.5)至少一个第一pH传感器介质、至少一个第一pH调节器装置和至少一个pH控制装置，所述至少一个第一pH传感器介质、至少一个第一pH调节器装置和至少一个pH控制装置允许将包含在这样的至少一个生物反应器内部的混合物进行pH调节至以下中的任一项：b.5.1)pH值范围为1.15至1.25，如果进入这样的生物反应器的混合物对应于这样的土
壤混合物加流体S加流体G的混合物；以及pH值范围为5.8至6.8，如果进入这样的生物反应器的混合物对应于这样的土壤样品加流体S加流体G加流体B加流体D的这样的混合物，b.5.2)pH值等于或低于1.5，如果离开这样的生物反应器的混合物对应于这样的土壤样品加流体S加流体G的这样的混合物；以及pH值范围为5至8，如果离开这样的生物反应器的混合物对应于土壤样品加流体S加流体G加流体B加流体D的这样的混合物，b.6)至少一个离心装置，所述至少一个离心装置允许对包含在这样的至少一个生物反应器中的具有这样的流体S、流体B、流体G和流体D的混合物进行离心，b.7)至少一个量化金属或准金属的设备，所述金属或准金属选自铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)和铁(Fe)、镍(Ni)；砷(As)和镉(Cd)，优选地，所述设备选自以下中的一者：光度计、热反应器、微波或Parr泵、或者选自X射线或XRF荧光枪的移动量化装置、或者选自等离子质谱(ICP)或原子吸收的重金属量化装置；其中这样的第三温度调节装置选自至少一个风扇和至少一个电阻的组合；其中这样的至少第三温度传感器装置测量这样的至少一个生物反应器内部和附近的温度，其中这样的至少一个生物反应器中的这样的第三搅拌速率调节装置选自步进电机，c)至少下部再循环模块，所述至少下部再循环模块包括：c.1)至少一个第三接收装置，所述至少一个第三接收装置用于通过排空或重力排放接收从混合或中间模块得到的生化提取物，c.2)至少一个叶轮装置，所述至少一个叶轮装置包括允许将生化提取物再循环到预混合或上部模块的蠕动装置，以及d)至少一个监测和数据处理装置，所述至少一个监测和数据处理装置用于这样的至少一个第一和第二搅拌装置的每一者中的搅拌速率；用于这样的至少一个第一、第二和第三接收装置以及生物反应器的每一者中的温度；以及用于这样的至少一个第一、第二和第三接收装置以及生物反应器的每一者中的pH，所述至少一个监测和数据处理装置包括：至少一个数据中心，所述至少一个数据中心远程接收来自这样的预混合模块和中间模块的这样的至少一个第一、第二和第三搅拌速率传感器装置、温度传感器装置和pH传感器装置的每一者的这样的搅拌速率、温度和pH数据，其中这样的至少一个数据存储中心包括从这样的至少一个第一、第二和第三速率搅拌传感器装置、温度传感器装置和pH传感器装置接收数据的至少一个数据库；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器处理这样的数据，并且在将接收到的这样的数据与存储的、参考的和预设的数据进行比较之后，响应于这样的至少一个第一、第二和第三搅拌速率控制装...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛丽亚，
申请(专利权)人：大都会科技大学，
类型：发明
国别省市：