基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统的制作方法

本实用新型属于气体检测领域，涉及一种基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统与方法。

背景技术：

人体呼吸气体中的呼吸丙酮是一种低浓度的VOC气体。该有机气体极易溶于水，且容易与多种有机物相作用，检测困难，检测精度不好控制。研究发现，呼吸丙酮是检测糖尿病的生物标志物。在医学中对糖尿病患者的呼吸丙酮气体进行采样检测能够实时监测病人的病情数据并且可以减少病人的接触创伤。目前已经有多种呼吸丙酮检测的技术。包括气相色谱- 质谱(GC-MS)、质子转移-质谱法(PTR-MS)、离子迁移谱法(IMS)、选择离子流动管质谱技术(SIFT-MS)、电子鼻激光光谱技术。传统气相色谱仪一般由气路系统、进样系统、分离系统、温控系统和检测数据处理系统组成。使用时，将分析样品在进样口中气化后，由载气带入色谱柱，通过对欲检测混合物中组分有不同保留性能的色谱柱，使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分的检测信号。按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。通常采用的检测器有：热导检测器、火焰离子化检测器、氦离子化检测器、超声波检测器、光离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、电化学检测器、质谱检测器等。上述方案中，各组分被分离仍然需要对其组分进行确定，并且，组分及其含量的检测和计算较为复杂。

技术实现要素：

为了解决分离气体能够进入相应的检测通道，各检测通道互不影响且每个通道只通过一种分离气体，防止多种气体在检测阶段按照时间顺序通过共同通道而产生杂质干扰的问题，本实用新型提出如下技术方案：一种基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，包括气相色谱分离柱、两位三通电磁阀、检测通道及传感器，所述的两位三通电磁阀包括第一三通电磁阀、第二三通电磁阀，各电磁阀具有输入阀口及两个输出阀口，所述检测通道包括二氧化碳检测通道、丙酮检测通道和乙醇检测通道，所述传感器包括二氧化碳传感器、丙酮传感器及乙醇传感器，所述气相色谱分离柱的进气端连接进气口，气相色谱分离柱的出气口连接第一三通电磁阀的输入阀口，第一三通电磁阀的输出阀口一连接二氧化碳检测通道，二氧化碳检测通道出气口连接二氧化碳传感器，第一三通电磁阀的输出阀口二连接第二三通电磁阀的输入阀口，第二三通电磁阀的输出阀口一连接丙酮检测通道，丙酮检测通道出气口连接丙酮传感器，第二三通电磁阀的输出阀口二连接乙醇检测通道，乙醇检测通道出气口连接乙醇传感器。

进一步的，所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，还包括单片机，所述的二氧化碳传感器、丙酮传感器及乙醇传感器均连接单片机的一个输入口，所述的单片机的一个输出口连接显示电路，所述的单片机与各三通电磁阀连接，由所述单片机倒计时并在计时截止发出电磁阀的启动控制信号，并由相应的三通电磁阀接收控制信号以开启相应的输出阀口。

进一步的，所述气相色谱分离柱的分离通道为若干首尾弯曲连接的玻璃直管，分离通道长度为2m，内径2mm，柱内固定相涂覆聚乙二醇。

进一步的，所述的传感器包括壳体管及检测电路，检测电路安装在壳体管内，检测电路是同心而逐层覆盖连接的绝缘层、Au电极、气体敏感材料，绝缘层内安装Ni-Cr加热丝，电极宽度0.1mm，壳体管直径1mm。

一种基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测方法，实验测定在一定温度下，呼吸气体由气相色谱分离柱分别分离出二氧化碳、丙酮以及乙醇气体的时间，并以该时间确定各电磁阀在呼吸气体进入气相色谱分离柱后，各输入阀口及输出阀口的开关时间，以使得对应温度下，不同的分离气体被分离，能够由相应的阀门在相应的分离时间打开而将一类气体进入其相应的检测通道，并进入相应的传感器。

进一步的，所述气相色谱分离柱对输入的呼吸气体进行气体分离，获得呼吸气体中的二氧化碳、丙酮和乙醇气体，两位三通电磁阀将分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体在相应的分离时间通过相应的阀门被打开，进入到相应的检测通道内，传感器对分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体进行定量的采集与检测，并将数据传输至单片机，由单片机将采集数据显示。

进一步的，在25℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在300s时已经完全分离，乙醇在630s时已经完全分离，在25℃时第一三通电磁阀的输出阀口一在0-60s开启，输出阀口二在61-630s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-300s时开启，输出阀口二在 301-630s开启；

在40℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在230s时已经完全分离，乙醇在360s 时已经完全分离；在40℃时第一三通电磁阀的输出阀口一在0-60s开启，输出阀口二在 61-360s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-230s时开启，输出阀口二在231-360s开启；

在60℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在150s时已经完全分离，乙醇在240s 时已经完全分离；在60℃时第一三通电磁阀的输出阀口一在0-60s开启，输出阀口二在61-240s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-150s时开启，输出阀口二在151-240s开启；

在80℃时二氧化碳在30s时已经完全分离，丙酮在72s时已经完全分离，乙醇在120s 时已经完全分离；在80℃时第一三通电磁阀一的输出阀口一在0-30s开启，输出阀口二在 31-120s开启，第二三通电磁阀二的输出阀口一在31-72s时开启，输出阀口二在73-120s开启。

进一步的，电磁阀由单片机控制其通断，以控制检测通道的开关，所述的单片机以其定时器功能实现时间计数并在计时时间到达而向电磁阀发出控制信号并驱动电磁阀开关。

有益效果：本实用新型呼吸气体被气相色谱分离柱分离后，以气相色谱分离柱分离出上述三种气体的时间不同，使用两级电磁阀连用，对输出阀口控制而使得不同时间分离的气体能够进入唯一通道，该通道中仅通过该种气体，避免了共同检测通道以时间顺序前后通过，导致检测杂质干扰的现象，且多个检测通道对应多个传感器，传感器能够独立检测，相较于现有的共同检测通道以时间顺序同出不同气体，需要对管路按照出气连接相应的检测，本实用新型无需区分检测组分，独立通道、独立传感器检测，使得系统构管路被直接固定，能够在不同的场合直接对分离气体进行传感器检测，适用于酒驾、医院检测等，且无需人工在检测中对于不同检测传感器进行更换，导致检测波动。

附图说明

图1是基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统的原理框图。

图2是检测通道原理图。

图3是气相色谱分离通道对二氧化碳、丙酮以及乙醇在不同温度下的分离时间。图中： a曲线是25℃时的分离时间，b曲线是40℃时的分离时间，c曲线是60℃时的分离时间，d 曲线是80℃时的分离时间。

图4是在80℃时气相色谱分离通道随着二氧化碳、丙酮以及乙醇浓度升高梯度分离时间的曲线。图中：a曲线是10μl二氧化碳+0.1μl丙酮和乙醇；b曲线是20μl二氧化碳+0.2μl 丙酮和乙醇；c曲线是30μl二氧化碳+0.3μl丙酮和乙醇；d曲线是40μl二氧化碳+0.4μl丙酮和乙醇；e曲线是50μl二氧化碳+0.5μl丙酮和乙醇。

图5是在80℃时气相色谱分离通道在二氧化碳浓度为20μl，丙酮以及乙醇浓度升高梯度分离时间的曲线。图中：a曲线是0.1μl丙酮和乙醇；b曲线是0.2μl丙酮和乙醇；c曲线是0.3μl丙酮和乙醇；d曲线是0.4μl丙酮和乙醇；e曲线是0.5μl丙酮和乙醇。

图6是在60℃时气相色谱分离通道在二氧化碳浓度为20μl，丙酮以及乙醇浓度升高梯度分离时间的曲线。图中：a曲线是0.3μl丙酮和乙醇；b曲线是0.4μl丙酮和乙醇；c曲线是0.5μl丙酮和乙醇。

图7是气相色谱分离柱的剖面图。

图8是传感器的结构示意图。

其中：1.气相色谱分离柱，2.第一三通电磁阀，3.二氧化碳检测通道，4.第二三通电磁阀，5.丙酮检测通道，6.乙醇检测通道，7.二氧化碳传感器，8.丙酮传感器，9.乙醇传感器， 10.单片机，11.气相色谱分离柱的出气口，12.第一三通电磁阀的输出阀口一，13.第一三通电磁阀的输出阀口二，14.第二三通电磁阀的输入阀口，15.第二三通电磁阀的输出阀口一，16. 第二三通电磁阀的输出阀口二。

具体实施方式

实施例1：如图1和2所示，一种基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，包括气相色谱分离柱1、两位三通电磁阀、检测通道及传感器，所述的两位三通电磁阀包括第一三通电磁阀2、第二三通电磁阀4，各电磁阀具有输入阀口及两个输出阀口，所述检测通道包括二氧化碳检测通道3、丙酮检测通道5和乙醇检测通道6，所述传感器包括二氧化碳传感器7、丙酮传感器8及乙醇传感器9，所述气相色谱分离柱1的进气端连接进气口，气相色谱分离柱的出气口11连接第一三通电磁阀2的输入阀口，第一三通电磁阀的输出阀口一12连接二氧化碳检测通道3，二氧化碳检测通道3出气口连接二氧化碳传感器7，第一三通电磁阀的输出阀口二13连接第二三通电磁阀的输入阀口14，第二三通电磁阀的输出阀口一15连接丙酮检测通道5，丙酮检测通道5出气口连接丙酮传感器8，第二三通电磁阀的输出阀口二16连接乙醇检测通道6，乙醇检测通道6出气口连接乙醇传感器9。

由上述，本实用新型是一种对于丙酮及乙醇的共同检测，可以用于医院的丙酮检测，也可以用于酒驾的乙醇检测，且对于酒驾检测中，还能够对于更多司机直接丙酮检测，对于糖尿病的早期发现有着重要的影响，糖尿病患者应避免做职业司机，既不利于糖尿病的控制，也不利于行车安全，因而，对于司机酒驾检测中，能同时对于糖尿病的标志物检测，具有较为重要的预防与提醒意义，呼吸气体被气相色谱分离柱分离后，以气相色谱分离柱分离出上述三种气体的时间不同，使用两级电磁阀连用，对输出阀口控制而使得不同时间分离的气体能够进入唯一通道，该通道中仅通过该种气体，避免了共同检测通道以时间顺序前后通过，导致检测杂质干扰的现象，且多个检测通道对应多个传感器，传感器能够独立检测，相较于现有的共同检测通道以时间顺序同出不同气体，需要对管路按照出气连接相应的检测，本实用新型无需区分检测组分，独立通道、独立传感器检测，使得系统构管路被直接固定，能够在不同的场合直接对分离气体进行传感器检测，适用于酒驾、医院检测等，且无需人工在检测中对于不同检测传感器进行更换，导致检测波动。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，还包括单片机10，所述的二氧化碳传感器7、丙酮传感器8及乙醇传感器9均连接单片机10的一个输入口，所述的单片机10的一个输出口连接显示电路，所述的单片机10与各三通电磁阀连接，由所述单片机10倒计时并在计时截止发出电磁阀的启动控制信号，并由相应的三通电磁阀接收控制信号以开启相应的输出阀口，该手段用于将电磁阀的控制实现于自动控制，从而，检测实现了完全自动化，呼吸气体进入即由单片机启动定时，在不同的定时时间达到发出相应阀门的控制信号，从而，实现了自动的气体通道独立输出。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，所述气相色谱分离柱的分离通道为若干首尾弯曲连接的玻璃直管，分离通道长度为2m，内径2mm，柱内固定相涂覆聚乙二醇。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测系统，所述的传感器包括壳体管及检测电路，检测电路安装在壳体管内，检测电路是同心而逐层覆盖连接的绝缘层、Au电极、气体敏感材料，绝缘层内安装Ni-Cr加热丝，电极宽度0.1mm，壳体管直径1mm。气敏材料：能够根据某种气体浓度变化改变电阻值的敏感材料。上述气体对应的气敏材料属于现有技术，选择为相应检测气体的气敏材料即可，属于本领域的常规技术选择。且能够对上述气体检测的传感器属于现有技术，本实施例提供一种能够加热的传感器，能够使得检测维持于某一温度，提高检测精度。

一种基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测方法，实验测定在一定温度下，呼吸气体由气相色谱分离柱1分别分离出二氧化碳、丙酮以及乙醇气体的时间，并以该时间确定各电磁阀在呼吸气体进入气相色谱分离柱1后，各输入阀口及输出阀口的开关时间，以使得对应温度下，不同的分离气体被分离，能够由相应的阀门在相应的分离时间打开而将一类气体进入其相应的检测通道，并进入相应的传感器。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测方法，所述气相色谱分离柱1对输入的呼吸气体进行气体分离，获得呼吸气体中的二氧化碳、丙酮和乙醇气体，两位三通电磁阀将分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体在相应的分离时间通过相应的阀门被打开，进入到相应的检测通道内，传感器对分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体进行定量的采集与检测，并将数据传输至单片机10，由单片机10将采集数据显示。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测方法，

在25℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在300s时已经完全分离，乙醇在630s 时已经完全分离，在25℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s开启，输出阀口二在61-630s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一15在61-300s时开启，输出阀口二在301-630s 开启；

在40℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在230s时已经完全分离，乙醇在360s 时已经完全分离；在40℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s开启，输出阀口二在 61-360s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一15在61-230s时开启，输出阀口二在231-360s 开启；

在60℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在150s时已经完全分离，乙醇在240s 时已经完全分离；在60℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s开启，输出阀口二在 61-240s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一15在61-150s时开启，输出阀口二在151-240s 开启；

在80℃时二氧化碳在30s时已经完全分离，丙酮在72s时已经完全分离，乙醇在120s 时已经完全分离；在80℃时第一三通电磁阀2一的输出阀口一在0-30s开启，输出阀口二在 31-120s开启，第二三通电磁阀4二的输出阀口一在31-72s时开启，输出阀口二在73-120s 开启。

所述的基于气相色谱的人体丙酮、乙醇的分离及检测方法，电磁阀由单片机10控制其通断，以控制检测通道的开关，所述的单片机10以其定时器功能实现时间计数并在计时时间到达而向电磁阀发出控制信号并驱动电磁阀开关。

实施例2：传统的气相色谱仪具有气源占用空间大、色谱柱体积过长、检测器易损坏以及易污染的缺点，需要载气的保护，并在洁净的环境中工作，这就导致在一些特殊环境和工况条件下不适合使用传统气相色谱仪。但这些技术有些存在检测方法麻烦，不便于的携带的问题。如图1所示，本实施例提供一种基于气相色谱的人体丙酮呼吸仪，包括气相色谱分离柱1、两位三通电磁阀、检测通道、传感器检测及显示电路。所述气相色谱分离柱1用于对输入的混合气体进行气体分离，获得呼吸气体中的二氧化碳、丙酮和乙醇气体；所述两位三通电磁阀是将分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体在相应的分离时间进入到相应的检测通道内；所述传感器检测电路是利用传感器对分离出的二氧化碳、丙酮和乙醇气体进行定量的检测；所述检测电路是利用单片机10将检测出的二氧化碳、丙酮以及乙醇气体的含量在单片机10上显示出来。

所述气相色谱分离柱1为2m长的螺旋形玻璃柱，管内径为2mm，涂覆固定相为聚乙二醇。前端连接进气口，后端连接第一三通电磁阀2。所述两位三通电磁阀为两个两位三通电磁阀。第一三通电磁阀2包括输入阀口、输出阀口一、输出阀口二，输入阀口连接前端的气相色谱分离柱1的出口、输出阀口一连接二氧化碳检测通道3、输出阀口二连接两位三通第二三通电磁阀的输入阀口14；第二三通电磁阀4包括输入阀口、输出阀口一、输出阀口二，输入阀口连接阀一的输出阀口二，输出阀口一连接丙酮检测通道5，输出阀口二连接乙醇检测通道6。所述气体传感器，二氧化碳气体传感器放置在二氧化碳检测通道3内；丙酮气体传感器放置在丙酮检测通道5内；乙醇气体传感器放置在乙醇检测通道6内。所述单片机10，用来显示检测到的二氧化碳、丙酮以及乙醇的含量。

工作过程包括如下阶段：气体分离阶段：将呼吸气体吹入气相色谱分离通道中，利用气相色谱原理，将二氧化碳、丙酮以及乙醇气体进行分离。分时开关阶段：呼吸气体通过气相色谱分离通道在不同的时间分别分离出二氧化碳、丙酮以及乙醇气体。通过两位三通阀的开关，让三种气体进入到相应的检测通道内。两位三通电磁阀通过单片机10进行开关的控制。由图3可知在25℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在300s时已经完全分离，乙醇在630s时已经完全分离；在40℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在230s时已经完全分离，乙醇在360s时已经完全分离；在60℃时二氧化碳在60s时已经完全分离，丙酮在 150s时已经完全分离，乙醇在240s时已经完全分离；在80℃时二氧化碳在30s时已经完全分离，丙酮在72s时已经完全分离，乙醇在120s时已经完全分离。所以在25℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s开启，输出阀口二在61-630s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-300s时开启，输出阀口二在301-630s开启；在40℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s开启，输出阀口二在61-360s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-230s 时开启，输出阀口二在231-360s开启；在60℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-60s 开启，输出阀口二在61-240s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在61-150s时开启，输出阀口二在151-240s开启；在80℃时第一三通电磁阀的输出阀口一12在0-30s开启，输出阀口二在31-120s开启，第二三通电磁阀的输出阀口一在31-72s时开启，输出阀口二在73-120s 开启。电磁阀由单片机10进行控制，通过单片机10对电磁阀的通断，从而控制通道的开关。检测阶段：通过二氧化碳、丙酮以及乙醇三种气体传感器对呼吸气体中的二氧化碳、丙酮以及乙醇进行定量的检测。显示阶段：将气体传感器与单片机10相连接，通过单片机10的显示屏，将二氧化碳、丙酮以及乙醇的含量进行显示。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。