一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型揭示了一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置,所述装置由呼出气体样品室、气体传感器、多个气体过滤器、微型气泵、阀门及管路构成的循环分析气路，利用所述装置进行分析测量时让同一呼出气体样本每次循环流经其中一个过滤器与同一个气体传感器，最后联立求解多次循环气体检测器的测定结果，确定多种呼出气体的浓度。
【专利说明】
-种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置
技术领域
[0001] 本发明设及多种呼出气体浓度进行分析测定的装置。
【背景技术】
[0002] 人体呼出气中含有的内源性N0、C0与也S是国际公认的Ξ大气体信号分子，参与并 指示调节几乎所有的生理与病理过程。越来越多的研究证明，同时测定运些气体信号分子 的浓度变化，可W在分子水平上深入了解许多疾病及并发症的起因和发展进程，开发更为 先进的呼出气分子诊断技术。
[0003] 运些呼出气分子通常在ppb的浓度水平，检测要求1000倍高于市面上大多数气体 传感器与分析仪器ppm的检测能力。满足ppb浓度检测要求的药监许可产品极其有限，主要 包括瑞典Aerocrine公司呼出气NO测定的化学发光分析仪(NI0X)与电化学传感器(MIN0)， 美国化pnia公司呼出气C0测定的电化学传感器，中国尚沃医疗电子公司呼出气NO与C0测定 的纳库仑传感器分析仪。目前，尚未见到可同时测定ppb浓度的呼出气N0、C0与H2S测定的产 品及专利技术，包括传感器及分析仪器。基于传感器阵列的工业与环境气体检测仪可同时 测定运些气体分子，但最多只能测试卵m的浓度水平，不能满足呼出气ppb浓度的测定要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是开发一种利用一个气体传感器测定多种呼出气体ppb浓度水平的 装置，主要用于ppb浓度的呼出气N0、C0与肥S测定。
[0005] 所述装置由样品室（301)、毛细管路、Naf ion管（501)、过滤器1(401)、过滤器2 (402)、过滤器3(403)、气体传感器(601)、累 1(201)、累 2(202)及阀口 1(101)、阀口 2(102)、 阀口3(104)、阀口4(105)、阀口5(106)组成，其特征在于：
[0006] 所述阀口（ 101 )、样品室(301 )、阀口（ 102 )及累(201)通过管路串联连接；
[0007] 所述累（202)、阀口（104)、化f ion管（501)、气体传感器(601)及过滤材料(402)及 阀口依次连接后并联在气室（301)两端组成循环气路；通过阀口（104)、阀口（105)、阀口 (106)控制气体在不同时段测量时使待测气体先经过特定的过滤器(401)或过滤器(403)过 滤其中的部分或全部气体成分后再通入所述传感器进行测量；
[000引所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流；
[0009] 利用所述装置进行分析测量时将待测气体分别经过不同的过滤器后再通过所述 气体传感器进行测量，根据多次测量结果间的关联关系，通过联立方程求解所述气体中的 NO、也S及C0浓度。
[0010] 其中所述气体传感器，包括电化学气体传感器、半导体气体传感器、催化燃烧式气 体传感器与其它类型的气体传感器，其特征是所述的气体传感器对待测的呼出气体组分具 有线性的响应。
[0011] 所述气体过滤材料为特定的过滤材料，其特征为:所述特定过滤器可全部或部分 过滤NO、也S，C0，且所述气体通过所述过滤材料后浓度变化率是一定的，而不过滤所述待测 气体中的其它气体组分。
[0012]为了减少混合气中除NO、此S、C0外其它气体成分对测量结果产生的干扰，选择所 述过滤器中至少包括一种材料可完全过滤NO、出S、C0,而不过滤所述混合气体中的其它组 分。
[OOU]为了能够选择性地测量混合气中NO、此S、C0成分，选择所述过滤材料中至少包括 一种材料可至少完全过滤NO、出S、C0中的一种成分，而不过滤所述混合气体中的其它组 分。或者选择所述过滤材料中至少包括一种材料可部分过滤NO、此S、C0,且所述气体通过 所述过滤材料后浓度变化率是一定的，而不过滤所述混合气体中的其它组分。
[0014] 实现本发明装置进行呼气测量除了利用一个传感器可进行ppb级浓度范围的多气 体测量外，它的另外一个优点是所述测量过程是在短时间内完成的，期间环境溫湿度的变 化较小，运些环境因素及混合气中其它气体组分对传感器基线的影响得到了有效的扣除， 提高了测量准确性与可靠性。
[0015] W下通过实施例对所述方法进行具体说明及验证。
【附图说明】
[0016] 图1.实施例一气路示意图。
[0017]图2.实施例一气体响应曲线。
[001引图3.呼气分析仪对25~20化pb出S的响应曲线。
[0019]图4.呼气分析仪响应与出S浓度间的关系（O-lOOppb)。
[0020] 图5.呼气分析仪响应与出S浓度间的关系（0-15(K)ppb)。
[0021] 图6.呼气分析仪对NO的响应(0~10(K)ppb)。
[0022] 图7.呼气分析仪对NO响应的线性关系(0~10(K)ppb)。
[0023] 图8.出S，NO混合气测量曲线。
[0024] 图9.混合气测量NO浓度与配气浓度间关系。
[0025] 图10.混合气测量出S浓度与配气浓度间关系。
[0026] 图11.呼气分析仪口抽气测试曲线（采集速率185mL/min)。
[0027] 图12.实施例二气路示意图。
【具体实施方式】
[0028] -个气体传感器在测定一种气体时，难免受到空气或呼气中其它气体的干扰。运 种干扰通常在ppb的浓度水平，对卵m浓度的工业与环境气体测定可W忽略，但对ppb浓度的 呼气测定则影响显著。解决运些问题通常的做法是：（1)改进现有的或开发新的气敏或催化 元件，提高传感器的灵敏性与选择性或抗干扰能力与(2)开发新的过滤或分离材料，测试前 去除干扰气体。运些方法虽然对呼出气NO测定或NO与C0的测定已经成功，例如尚沃的纳库 仑呼气分析仪，但对N0、H2S与C0的同时测定却存在很大的难度，尤其是很难寻找或开发一 种仅对肥S气体响应的传感器或过滤掉所有干扰肥S测定的气体过滤材料，与NO及C0传感器 构成一个阵列进行Ξ种气体的同时测定。
[0029] 例如，经过电极及结构改进的Ξ电极电化学气体传感器可W测定ppb浓度的H2S， 但呼气中其它组分也会有ppb量级的干扰，一个例子如表1所示。
[0030] 表一.呼气组成对电化学肥S气体传感器的干扰水平。_^
'[0031]如果采用过滤材料去除干扰气体，通常会同时去除多种要测的气体，一个例子如 .表 2 所示。_^
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[0032] 为采用解决目前技术的缺陷，本发明提出了一个利用一种气体传感器测量多种呼 出气浓度的方法与装置用于测量呼出气中出S、N0、C0的浓度。该方法简述如下：
[0033] 1)将待测气体通入所述的气体传感器进行测量，此时传感器响应方程为：
[0034] Ii =Kh2sCh2s + KnoCno + KcoCco+ Ib (1)
[00对其中：Ii为传感器对待测气体中所有活性成分的响应电流，Kh2s、KnckKco分别为传 感器对出S、NO及C0响应的灵敏度，Ch2s、Cno及Cco分别为待测气体中出S、NO及C0的浓度，Ib 为传感器零点电流。
[0036] 2)将待测气体经过填充化財才料的过滤器后，再通入所述传感器进行测量，此时传 感器响应为：
[0037] I2=Kh2sCih2s + KnoCino + KccCico + Ib (2a)
[o03引 其中；
[0039] CiH2S为气体经过化0过滤器后出S浓度
[0040] 打N日为气体经过化0过滤器后NO浓度 [0041 ]打G日为气体经过化0过滤器后C0浓度
[0042]由于ZnO过滤器部分过滤NO及此S，基本不过滤C0,因而有Cico = Cco,公式（2a)可 写成：
[004；3] I2=Kh2sCih2s + KnoCino + KcoCco + Ib (2b)
[0044] 3)将待测气体经过填充KMn化材料的过滤器后，再通入所述气体传感器进行测量， 此时传感器响应为：
[0045] I3=Kh2sC2H2s + Κνο〇2νο + KcoC2co + Ib (3a)
[0046] 其中；
[0047] C2H2S为气体经过KMn〇4过滤器后肥S浓度
[004引 C2N日为气体经过KMn04过滤器后NO浓度
[0049] C2G日为气体经过KMn〇4过滤器后C0浓度
[(K)加]由于KMn〇4材料将出S、N0过滤干净而不过滤C0，因而(3a)可写成：
[0051] 13= 0 + 0 + KcoCco + Ib (3b)
[0052] 4)将待测气体经过填充KMn化及Pt/Ab化材料的过滤器后，再通入所述传感器进 行测量，此时传感器响应为
[005；3] I4=Kh2sC3H2s + KnoCsno + KcoCsco + Ib (4a)
[0054]其中；
[00对 C3H2S为气体经过KMn04、Pt/Al203过滤器后出S浓度
[0056] C3N日为气体经过KMn〇4、Pt/Al2〇3过滤器后NO浓度
[0057] C3G日为气体经过KMn〇4、Pt/Al2〇3过滤器后C0浓度
[0化引 由于KMn04、Pt/Al203将出S、N0、C0过滤干净，因而(4a)可写成：
[0化9] 14= 0 + 0 + 0 + Ib (4b)
[0060] 由（l)-(2b)得：
[0061] I 广 l2 = Kh2s(Ch2s-C'h2s)+ Kno(Cno-C'no) (5)
[0062] 由（l)-(3b)得：
[0063] I 广 l3 =Kh2sCh2s + KnoCno (6)
[0064] 由（3b)-(4b)得：
[00化]1厂。=KcoCco (7)
[0066] 如果选择的气体过滤器可全部或部分过滤NO、此S，且所述气体通过所述过滤器后 浓度变化率是一定的，有：
[0067] Ph2s=ih2s/ Ch2s (8)
[006引 Pno=Cino/Cno (9)
[0069] 则可通过联立方程(4)~口)求出待测气体中的NO、肥S浓度：
[0070] Ch2s= ((I广I2)-(1-Pno)(I 广I3))/(Kh2s(Pn〇-Ph2s)) (10)
[007。Cno =(1 广l3- Kh2sCh2s)/Kno (11)
[0072] Cco =( (l3-^) /Kco (12)
[007引其中Kh2s、Κνο、Kro、扣2S、Pn日等测量参数可通过标准气测量获得。
[0074] 由上述分析可见，只要通过合理的气路设计，通过组合不同的过滤器进行对所述 气体进行多次测量分析，可利用一个气体传感器实现NO、出S及C0的联合检测。
[0075] 当待测气体中含有C0、出等组分而不需要测量其具体浓度时，上述测量装置及测 量过程可简化，只需进行步骤1~3的操作即可，所述测量方法除了能克服C0、出的干扰外， 它的另外一个优点是:步骤^~3是在短时间内完成的，期间环境溫湿度的变化较小，运些环 境因素及混合气中其它气体组分对传感器基线的影响得到了有效的扣除。
[0076] W下通过具体实施例对所述装置的应用加 W说明。
[0077] 实施例一
[0078] 本实施例解决的问题为呼气中的NO及出S的联合测定。
[0079] 根据前述设计思路，组装如图1所示气路(呼气分析仪），该气路由样品室(301)、毛 细管路、化f ion管（501)、过滤器(401、402)、气体传感器(601)、累（201、202)及阀口（101、 102、103)组成，其特征在于：
[0080] 所述阀口（ 101 )、样品室(301 )、阀口（ 102)及累(201)通过管路串联连接；
[0081 ] 所述累（202)、Ξ通阀（103)、化f ion管（501)、气体传感器(601)及过滤器(402)及 阀口依次连接后并联在气室(301)两端组成循环气路；
[0082] 所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流；
[0083] 所述Ξ通阀（103)两个出口，一个通过管路直接连化fion管巧01)，一个通过过滤 器(401)连接Naf ion管；
[0084] 然后按如下步骤进行测量分析：
[0085] i)采样:打开阀口 101、阀Π 102及采样累201，气体经阀口 101、气室301、阀口 102、 采样累201排空，采样完成后关闭采样累201及阀口 101、阀口 102,此时100ml待测气体被收 集到气室301中（采样流量lOml/s)
[00化]ii)测量过程：
[0087] 第一次测量(对应于图2中A段曲线）：
[0088] 打开分析累202,气体经气室301、Ξ通阀103、化f ion管501、气体传感器601、过滤 器402(填充KMn化过滤材料）回到气室301中，此时气体流量约Iml/s，用时50秒，在此条件 下所述气体中的NO、此S、C0及其它活性组分在所述传感器上都有响应，传感器响应电流满 足方程(1)。（此时分析的气体为气室中前段50ml的气体）。
[0089] 第二次测量(对应于图2中B段曲线）：
[0090] 在第一次测量进行50秒后，切换Ξ通阀状态，使气体经气室301、气室301、Ξ通阀 103、过滤器401(填充化0过滤材料）、化fion管501、气体传感器601、过滤器402(ΚΜη04过滤 材料）回到气室301中，此时气体流量约Iml/s，用时约50秒，在此条件下，所述气体中的此S 被过滤器401过滤掉，NO被部分过滤，传感器响应电流满足方程(2b)(此时分析的气体为 气室中后段50ml的气体。
[0091] 第Ξ次测量(对应于图2中C段曲线）
[0092] 在完成第二次测量后，继续测量60秒，此时气体经气室301、气室301、Ξ通阀103、 过滤器401 (填充化0过滤材料）、化f ion管501、气体传感器601、过滤器402(填充ΚΜη化过滤 材料）回到气室301中，在此条件下，所述气体中的此S，NO均被完全过滤掉，传感器的响 应电流满足方程(3b )。
[0093] 运样通过上述气路及测量步骤设计完成了所述方法的Ii、l2、l3的测量，图2为上述 巧慢过程所获得的响应曲线，曲线上3个平台电流分别对应所述的11、12、13。然后可根据所 述公式（10)、（ 11)计算混合气中出S、NO浓度。
[0094] 计算公式（10)、（11)牵设到两个参数?側、？1125、及传感器对^)、肥5响应的灵敏度 Kn〇、Kh2S可通过标准气测量来确定。
[0095] W下通过标准此S、NO气，此S及NO的混合气，C0、此干扰气及口腔气测量等来验证 本发明所述方法的可行性。
[0096] 图3是所述分析装置对不同浓度此S气体的响应曲线。前50秒，响应电流平台对应 的是此S气体在传感器上的稳态响应电流；时间50-100秒内的曲线对应的是气体通过ZnO 过滤器后的响应电流，此时此S被完全反应，所W50秒末端的电流值近似于零点值(Ph2s接近 0，公式(8)基本成立）。
[0097] 利用所述呼气分析装置分别对0-1500ppb浓度范围和0-10化pb浓度范围的H2S气 体进行测量，结果显示所述分析仪对H2S气体具有良好的线性响应(见图4和图5)。
[0098] 图6是所述呼气分析仪对0-1000 ppb NO气体的响应曲线，由图可见ZnO过滤器部 分过滤了NO气体，而KMn04过滤器可完全过滤NO。将（I广12)及（I2-I3)分别对NO浓度作图， 由它们间的线性关系可见：在所述测量条件下化ο过滤器对不同浓度NO的过滤效果是一致 的（见表3，即口^=(12-13)/(1广13)=0.85)，公式（9)成立。
[0099] 表 3
[0100] 图8是所述呼气分析仪对N0,此S混合气体的响应曲线，测量结果见表4及图9、图 10，由结果可见本发明所述方法及装置可同时进行NO及H2S的测量，其浓度测量的准确性 能满足呼气检测的基本要求。
[0101] 表4
[0102]
[0103] 表5是利用所述分析方法对呼出气中可能存在的几种干扰气体进行测量的结果， 由表可见:利用本发明所述方法及装置进行测量在实现NO、也S的联合检测同时，可有效克 服传感器选择性较差的问题，将C〇2、CO、也的降低到了 5ppbW下。满足呼气也S、N0联合测量 的要求。
[0104] 表5测量方法的选择性
[0105]
[0106] 图11是利用所述呼气分析仪进行口呼气气体采样分析的测试曲线，测量结果见表 6。具体采样分析方法如下：口腔闭合3分钟后，用累将口腔中的气体W3ml/s(185ml/min) 的速度抽入采样气袋中（收集300~500ml气体，测量2次），然后利用所述呼气分析仪对其进 行分析测量。
[0107] 由测量结果看:在该测量条件小口抽气分析NO浓度为53+/-3 ppb,此S浓度范围 为31+/- 9ppb，处于合理范围。
[0108] 表6 口腔中的肥S及NO浓度
[0109]
[0110] 实施例二
[0111] 本实施例装置可用于呼气NO、出S及C0的联合测定。
[0112] 所述装置气路结构如图12所示，该气路由样品室（301)、毛细管路、Naf ion管 (501)、过滤器(401、402、403)、气体传感器(601)、累(201、202)及阀口（101、102、104、105、 106)组成，其特征在于：
[0113] 所述阀口（ 101 )、样品室(301 )、阀口（ 102 )及累(201)通过管路串联连接；
[0114] 所述累（202)、Ξ通阀（103)、化f ion管（501)、气体传感器(601)及过滤器(402)及 阀口依次连接后并联在气室(301)两端组成循环气路；
[0115] 通过阀口（104)、阀口（105)、阀口（106)控制气体在不同时段测量时先经过特定的 过滤器过滤其中的部分或全部气体成分后再通入所述传感器进行测量；
[0116] 所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流；
[0117] i)采样：
[0118] 打开阀口 101、阀口 102及采样累201，气体经阀口 101、气室301、阀口 102、采样累 201排空，采样完成后关闭采样累201及阀口 101、阀口 102,此时100ml待测气体被收集到气 室301中（采样流量lOml/s)
[0119] ii)测量；
[0120] 第一次测量：
[0121 ] 打开分析累202，气体经气室301、阀口 104、化f ion管501、气体传感器601、过滤器 402(填充KMn化过滤材料）回到气室301中，此时气体流量约Iml/s,用时50秒，在此条件下 所述气体中的NO、此S、C0及其它活性组分在所述传感器上都有响应，传感器响应电流满足 方程(1)(此时分析的气体为气室中前段50ml的气体）。
[0122] 第二次测量：
[0123] 在第一次测量进行50秒后，关闭阀口 104,打开阀口 105,使气体经气室301、气室 301、阀口 105、过滤器401(填充ZnO过滤材料）、化f ion管501、气体传感器601、过滤器402 (KMn04过滤材料）回到气室301中，此时气体流量约Iml/s，用时约50秒，在此条件下，所述 气体中的出S被过滤器其401过滤掉，NO被部分过滤，传感器响应电流满足方程(2b)(此时 分析的气体为气室中后段50ml的气体）。
[0124] 第Ξ次测量：
[0125] 在完成第二次测量后，继续测量50秒，此时气体经气室301、气室301、阀口 105、过 滤器401(填充化0过滤材料）、化fion管501、气体传感器601、过滤器402(填充KMn化过滤材 料）回到气室301中，在此条件下，所述气体中的此S，NO均被完全过滤掉，传感器的响应 电流满足方程(3b)。
[0126] 第四次测量：
[0127] 在完成第Ξ次测量后，关闭阀口 105，打开阀口 106继续测量50秒，此时气体经气室 301、气室301、阀口 106、过滤器403(填充Pt/Al2〇3过滤材料）、化fion管501、气体传感器601 、过滤器402(填充KMn化过滤材料）回到气室301中，在此条件下，所述气体中的此S、N0、C0 均被完全过滤掉，传感器的响应电流满足方程(4b)。
[0128] 运样通过上述气路及测量步骤设计完成了所述方法的11、12、13、14的测量，建立 联立方程(1)、（2b)、（3b)、（4b),根据方程组求解所得公式（10)、（11)、（12)计算混合气 中出S、NO及C0的浓度。
[0129] 计算公式（10)、（11)、（12)牵设到两个参数Pno、扣2S、及传感器对NO、此S、C0响应的 灵敏度Knq、Kh2s、Kg网通过标准气测量来确定。
[0130] 表7为利用所述分析装置进行口呼气测量的结果，具体呼气采样分析方法为：W 50ml/s的呼气流速(每次测量前用清水漱口）将呼出气体收集到一气袋中（收集300ml~500 命令），然后利用所述呼气分析仪对所收集的气体进行进行分析测量(每袋气测两次）。
[0131] 由测量结果看:在该测量条件小口抽气分析NO浓度为53+/-3 ppb,此S浓度范围 为31+/- 9卵b，C0浓度范围为3.0+/-0.9 ppm,处于合理范围。
[0132] 表7. 口呼NO、肥S及C0的浓度测量
[0133]
[0134] 实际上，根据本发明所掲示的解决问题的思路，本领域的专业人员可W选择不同 的过滤材料来构建气路并设计合适的分析测量时序来实现对混合气中不同组分的同时测 量。
【主权项】
1. 一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置，所述装置由样品室(301)、 毛细管路、Nafion管（501)、过滤器1(401)、过滤器2(402)、过滤器3(403)、气体传感器 (601)、栗1(201 )、栗2(202)及阀门 1(101)、阀门2(102)、阀门3(104)阀门4(105)、阀门5 (106)组成，其特征在于： 所述阀门1(101)、样品室(301)、阀门2(102)及栗1(201)通过管路串联连接； 所述栗2(202)、阀门3(104)、Naf ion管（501)、气体传感器(601)及过滤器2(402)及阀门 依次连接后并联在样品室（301)两端组成循环气路;通过阀门3(104)、阀门4(105)、阀门5 (106)控制气体在不同时段测量时使待测气体先经过特定的过滤器1(401)或过滤器3(403) 过滤其中的部分或全部气体成分后再通入所述传感器进行测量； 所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流； 所述气体传感器的特征为:所述气体传感器对待测的呼出气体组分具有线性的响应， 所述的气体传感器包括电化学气体传感器、半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器。2. 如权利要求1所述一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置，其中所 述过滤器为特定的过滤器，其特征为:所述过滤器可全部或部分过滤NO、H2S，CO，且所述气 体通过所述过滤器后浓度变化率是一定的，而不过滤混合气体中的其它气体组分。3. 如权利要求2所述一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置中所述气 体过滤器，其特征为:所述气体过滤器中至少包括一种材料可部分过滤NO、H 2S、CO，且所述 气体通过过滤材料后浓度变化率是一定的，而不过滤所述混合气体中的其它组分。4. 如权利要求2所述一种利用一个气体传感器测量多种呼出气体浓度的装置中所述过 滤器，其特征为所述过滤器中至少包括一种过滤器可完全过滤如、!1 25、0)，而不过滤混合 气体中的其它组分。
【文档编号】G01N27/26GK205484344SQ201521126311
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】谢雷, 韩杰
【申请人】无锡市尚沃医疗电子股份有限公司