WO2020022930A1 - Method for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person and device for the implementation thereof - Google Patents

Method for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person and device for the implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
WO2020022930A1
WO2020022930A1 PCT/RU2019/000142 RU2019000142W WO2020022930A1 WO 2020022930 A1 WO2020022930 A1 WO 2020022930A1 RU 2019000142 W RU2019000142 W RU 2019000142W WO 2020022930 A1 WO2020022930 A1 WO 2020022930A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
acetone
person
emission spectrum
air
air exhaled
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000142
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Максим Андреевич ДВЕДЕНИДОВ
Сергей Никитич АТУТОВ
Original Assignee
Максим Андреевич ДВЕДЕНИДОВ
Сергей Никитич АТУТОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Максим Андреевич ДВЕДЕНИДОВ, Сергей Никитич АТУТОВ filed Critical Максим Андреевич ДВЕДЕНИДОВ
Publication of WO2020022930A1 publication Critical patent/WO2020022930A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the technical solution relates to the field of research and analysis of gaseous biological materials, in particular products of human respiration and can be used in medicine, namely in medical diagnostics, as well as in everyday life of a person in real time.
  • the proposed technical solution can be used for monitoring, analysis and rapid diagnosis, for example, diabetes mellitus, in terms of content and quantitative concentration, including trace amounts of acetone in the air exhaled by a person from the respiratory tract.
  • the use of the claimed technical solution provides the ability to control the glucose content in the blood of a person with diabetes by non-invasive, accurate and sensitive measurement of the concentration of acetone vapor in the exhaled air of a person in real time.
  • diabetes is a disease characterized by absolute or relative insulin deficiency, a complex metabolic disorder and an increased or decreased level of glucose in the blood.
  • glucose ceases to be an available source of energy, therefore, as an alternative source of energy in the patient's body, the production of so-called ketones begins.
  • ketones e.g. acetone
  • Diabetes is the most common cause of a pathological increase in acetone production by a sick person. This is due to insufficient insulin in the blood of a person. The body of a sick person can get rid of acetone through the lungs of a person, which gives the sick person's breath a sweetish smell of rotten fruit.
  • All developed methods basically, can be divided into two groups.
  • the first of them includes methods based on the difference in the ratio of mass to charge of ions of detected substances (for example, acetone) or the difference in their diffusion properties.
  • the second uses the difference between the absorption spectra or emission spectra of the detected substances (for example, acetone) from the air spectra.
  • the first group of methods includes: Mass spectrometry (AT Lebedev. Mass spectrometry in organic chemistry. BINOM, 2003), Gas chromatography (Berezkin V.G. Gas-liquid-solid-phase chromatography. M .: Chemistry, 1986, 1 12 s), Mass spectrometry combined with gas chromatographic separation (Mamyrin B. A., Time-of-flight mass spectrometry (concepts , achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206 (3), 251-266.).
  • emission spectroscopy of visible light radiation of a direct current discharge in exhaled air.
  • the advantage of emission spectroscopy over other methods listed above is that it does not require the use of ultra-high vacuum and cryogenic temperatures.
  • emission spectroscopy in the visible wavelength range, is insensitive to the presence of water vapor in the expired air of the patient due to the absence of strong water lines in this range and has high spectral selectivity, limited only by broadening of the emission lines due to the Doppler effect. Since the measurements of impurities in air are carried out using emission radiation, it becomes unnecessary to use multi-pass absorption cells of the probe laser radiation.
  • the high selectivity of this method is combined with a wide spectral range of the detected spectra, which cover almost all biomarkers of interest for medical applications.
  • the registration of the emission spectrum of biomarker impurities in air occurs almost against a “zero light background”, in contrast to the registration of the absorption spectrum of biomarkers, which is performed under conditions of strong illumination of the photodetector by test laser radiation.
  • This allows us to achieve a greater signal-to-noise ratio in the case of using the emission spectroscopy method, compared with the case of absorption spectroscopy of probe laser radiation.
  • the appearance on the market of optical spectrographs with small dimensions, for example, with the dimensions of a matchbox makes it possible to create compact and simple emission spectroscopic instruments suitable for widespread use.
  • a technical solution is known, which is a method and device for non-invasive monitoring of diabetes by measuring the concentration of acetone in exhaled air (Patent US7417730 B2, "Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics", IPC G01J3 / 30, G01 N21 / 73, published 04.10 .2007),
  • the technical solution contains a sampling line with a carrier gas source, a discharge cell, a power source for initiating and maintaining the discharge, a spectrograph and operates as follows: the air exhaled by the patient into the sampling line is mixed with the carrier gas.
  • a carrier gas ultra-pure argon or helium at atmospheric pressure is used.
  • the gas mixture is pumped through the discharge cell with a carrier gas flow rate of the order of 1 liter per minute.
  • a DC corona discharge is supported in the cell.
  • the emission spectrum of the discharge using a lens or optical fiber is fed to a spectrograph, a signal from which analyzes the emission spectrum of a sample of exhaled air of the patient.
  • the emission spectrum of acetone was found to be several peaks with a central peak of about 516.5 nanometers. This peak was used as an indicator by which acetone was detected and measured in the exhaled breath of the patient.
  • the device was calibrated using a carrier gas mixture and acetone vapor, which gave an acetone concentration of 25 ppm. Calibration with lower concentrations was carried out using specialized precision controllers. A linear dependence of the readings of this device on the concentration of acetone was found.
  • a disadvantage of the known technical solution is the use of a discharge at atmospheric pressure, which is characterized by extreme instability of combustion. This leads to large fluctuations in the intensity of emission radiation, this, in turn, increases the noise in the measuring signal, which sharply reduces the accuracy of measuring the concentration of acetone and the sensitivity of the technical solution.
  • a technical solution is known, which is a method and apparatus for determining and precision measuring the alcohol content in respiration human (Patent US3830630 A "Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis", IPC G01 N 27/16; G01N 33/497, published 08/20/1974), selected as a prototype.
  • Patent US3830630 A Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis", IPC G01 N 27/16; G01N 33/497, published 08/20/1974
  • a sufficiently high measurement accuracy in the proposed technical solution is achieved by parallel detection and measurement of CO2 concentration and normalization of the amplitude of the emission spectrum of alcohol proportional to the concentration of alcohol on a signal proportional to CO2 concentration. Since the signal from CO2 is also proportional to the intensity of human respiration, the authors of this patent have demonstrated that the proposed normalization significantly improves the accuracy and reproducibility of measuring the concentration of alcohol in human respiration.
  • a technical solution is known, which is a method and a device for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient (Patent RU 2597943, “A method for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient and a device for its implementation”, IPC G01 N21 / 73, G01 N33 / 497 , published on September 20, 2016), selected as a prototype and is based on measuring the level of acetone from the emission lines of acetone under reduced pressure of a patient’s exhaled breath sample.
  • the device consists of a discharge tube with a discharge in the patient’s exhaled air pumped through the tube in combination with a spectrometer of the visible wavelength range and with the possibility of interpretation and interpretation of emission spectra.
  • This technical solution measures the concentration of acetone, which is accompanied by a normalization of the amplitude of the emission lines of acetone to the concentration of water vapor, determined by the parameters of the glow discharge.
  • the fact is that the amplitude of the emission lines of acetone, by which the concentration of acetone is measured, strongly depends on the force with which the test person breathes into the device: stronger breathing can produce a larger amplitude of the emission lines of acetone, while the real concentration of acetone in human breathing at this is a constant.
  • the authors were tasked with developing a method for controlling the concentration of acetone in the air exhaled by a person, suitable for non-invasive, widespread and daily use in outpatient or home conditions in real time and a device for its implementation.
  • the problem is solved in that in the method of controlling the concentration of acetone in the air exhaled by a person, including the use of a housing, a DC power supply, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line equipped with an adjustable valve, an analysis and processing unit, taking air exhaled by a person, followed by its supply to the sampling line, the regulation of the flow of air exhaled by a person through the sampling line is carried out by means of an adjustable valve, initiating a discharge in the discharge cell, lowering the pressure of air exhaled by a person in the discharge cell by means of a pump, recording the emission spectrum, normalizing the emission spectrum of a sample of air exhaled by a person, in addition, they use an alternating current power source that performs additional excitation of smoldering discharge in discharge cell, and normalization of the intensity of the emission spectrum of acetone in air exhaled by a person is carried out by separating the emission lines of nitrogen to divide this intensity of the emission spectrum by the total intensity of all emission lines of
  • the method is implemented using a device for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person, comprising a housing, a direct current power source, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line, a pump for pumping, designed to lower the pressure of the exhaled air of a person in the discharge cell, while the sampling line the sample is equipped with an adjustable valve, the analysis and processing unit normalizes the intensity of the emission spectrum of the sample of the exhaled air of a person at the same time, it is additionally equipped with a source of an AC power supply unit performing additional excitation of a glow discharge in the discharge cell, and the analysis and processing unit normalizes the intensity of the emission spectrum of acetone in the exhaled air of a person by separating the emission lines of nitrogen to divide this emission spectrum intensity by the total intensity of all nitrogen emission lines in visible area of the emission spectrum, comparison of background and critical values of the emission spectrum index acetone, the determination of control values for the concentration of acetone in the exhaled air of a person,
  • the technical effect of the proposed technical solution is to reduce the noise of a glow discharge plasma, which leads to a decrease in noise in the electronic signal from the fluorescence of acetone vapor, which, in turn, leads to an increase in the accuracy of measuring the concentration of acetone by at least 30 and to an increase in the sensitivity of the device 10 - 15 times in measuring the concentration of small impurities of acetone in the air exhaled by humans, as well as in simplifying the design and expanding the range of devices for this purpose.
  • the inventive method for controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person is implemented using a device that is illustrated in the flowchart shown in FIG.
  • 1 is a pump for pumping
  • 2 is a discharge cell
  • 3 is an adjustable valve 4 is a sampling line
  • 5 is a DC power supply
  • 6 is a spectrometer
  • 7 is an analysis and processing unit
  • 8 is a capacitor
  • 9 is an AC power source current.
  • Figure 2 shows a typical emission spectrum of acetone.
  • Figure 3 shows the emission spectrum of nitrogen.
  • Figure 4 presents the image of the portion of the discharge cell upon excitation of a glow discharge using direct current.
  • Figure 5 presents a recording of glow discharge noise using about DC
  • Figure 6 shows the recording of glow discharge noise using a combination of direct and alternating currents.
  • the inventive method of controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person based on the use of a device for monitoring, including small impurities of acetone in air exhaled by a person works as follows.
  • the device is equipped with a pump 1, which is designed to lower the pressure of the exhaled air of a person in the discharge cell 2, and a sampling line 4 of the exhaled air of a person, which is equipped with an adjustable valve 3.
  • the exhaled air of a person is taken, followed by its supply to the sampling line 4 , then using the adjustable valve 3, regulate the flow of air exhaled by a person through a sampling line 4 of the air exhaled by a person.
  • the air exhaled by a person enters the discharge cell 2, in which during operation a reduced air pressure is maintained at a level of 10-100 Torr using the pump 1.
  • a glow discharge is initiated using a constant power source current 5.
  • the parameters of the glow discharge are not directly related to the concentration of water vapor in the air exhaled by a person; these parameters sometimes experience significant and uncontrolled amplitude fluctuations due to the appearance and disappearance of striations in the glow discharge, and this often leads to malfunctions of the measurement process and to a limitation in the accuracy of measurements of the concentration of acetone in human respiration.
  • the intensity of a glow discharge uses a combination of direct and alternating currents, by adding alternating current to the direct current.
  • an AC power source 9 is connected to the discharge cell 2 through two isolation capacitors 8, as shown in FIG. 1.
  • the magnitude of the direct current varies in the range from 5 to 20 mA, and the magnitude of the amplitude of the alternating current (with a frequency of 100 kHz up to 1 MHz) not more than 1 mA.
  • the emitting radiation of a glow discharge is sent to a spectrometer 6, the signal from which is recorded and processed by an analysis and processing unit 7, which extracts the emission lines of nitrogen and normalizes the intensity of the emission spectrum to the concentration of water vapor in the air exhaled by a person by recording the intensity all nitrogen lines in the visible region of the emission spectrum.
  • a spectrometer for example, an optical fiber with high photometric sensitivity in the visible spectral range.
  • the entrance slit of the spectrograph with a width of 50 ⁇ m and a diffraction grating with 600 lines per 1 mm provide a spectral resolution of 1.2 nm.
  • FIG. Figure 2 shows a typical emission spectrum of acetone obtained in a glow discharge of laboratory air with the addition of acetone. This emission spectrum was obtained at an acetone concentration of 30 ppm. Acetone in the emission spectrum is presented in the form of 14 peaks of various amplitudes located in the wavelength range from 480 to 580 nanometers. Bright lines with wavelengths of 656 nm and 486 nm correspond to the hydrogen lines of H a and H p of the Balmer series. The main reason that the prototype used only pure noble gases as carrier gases was the fear that acetone would decompose in an air discharge as a result of the oxidation of acetone by atmospheric oxygen.
  • FIG. Figure 3 shows the emission spectrum of nitrogen obtained in a glow discharge of laboratory air without the addition of acetone. The total intensity of all nitrogen lines was used to normalize the emission spectrum of acetone.
  • FIG. Figure 4 shows an image of a portion of a discharge cell upon excitation of a glow discharge using only direct current.
  • the strata are clearly visible in the photo, the random and random appearance of which in the glow discharge significantly increases the noise level in the acetone fluorescence signal and, accordingly, reduces the measurement accuracy due to stochastic and episodic disturbances during the measurement process.
  • FIG. Figure 5 shows the recording of glow discharge noise using only direct current, (the record was obtained at a direct current of 10 mA). Noise in the signal is recorded by an oscilloscope operating on alternating current.
  • FIG. Figure 6 shows a recording of glow discharge noise using a combination of direct and alternating currents. This record was obtained at a direct current of 10 mA with the addition of alternating current with an amplitude of 1 mA with a frequency of 100 kilohertz). Glow discharge noise was detected by an alternating current oscilloscope.
  • the decrease in the amplitude of the glow discharge noise was 10 times.
  • Such a decrease in the noise of a glow discharge when using a combined excitation of a glow discharge, will increase the accuracy of measuring the concentration of acetone and glucose concentration in the blood by at least 30 times in comparison with the excitation of a glow discharge by direct current, and also to increasing the sensitivity of the device 10-15 times in measuring the concentration of small impurities of acetone in the exhaled air of a person,
  • An advantage of the claimed technical solution can be used for the detection and monitoring of various small impurities in ambient air. These include impurities of explosive and narcotic substances, mercury, dioxin, impurities of methane, xenon, nitric oxide and others.

Abstract

The invention relates to diagnosing the presence of acetone in air exhaled by a person. The present method includes entraining air and subsequently feeding same into a sample line, regulating the leakage of air through the sample line using an adjustable valve, initiating a discharge in a discharge cell, lowering the pressure of the air in the discharge cell using an injection pump, recording an emission spectrum, and normalizing the emission spectrum of the air sample. In addition, the glow discharge in the discharge cell is additionally excited. The intensity of the emission spectrum of acetone in the air is normalized by isolating nitrogen emission lines in order to divide the intensity of the emission spectrum by the total intensity of all of the nitrogen emission lines in the visible range of the emission spectrum. A comparison is made of baseline values and critical values of an index of the acetone emission spectrum, monitored values of a concentration index for acetone in the air are established, and the monitored values for the concentration of acetone in the air are displayed. The result is a reduction in glow discharge plasma noise, a reduction in noise in the electrical signal from the fluorescence of acetone vapour, a 30-fold increase in accuracy when measuring acetone concentrations, and a 10-15-fold increase in equipment sensitivity.

Description

Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и устройство для его реализации  A method for controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person, and a device for its implementation
Техническое решение относится к области исследования и анализа газообразных биологических материалов, в частности продуктов дыхания человека и может быть использовано в медицине, а именно в медицинскЬй диагностике, а так же в повседневной бытовой жизни человека в режиме реального времени. Предложенное техническое решение, может быть использовано для контроля, анализа и экспресс-диагностики, например, сахарного диабета, по содержанию и количественной концентрации, в том числе, микропримесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком из дыхательных путей. Использование заявляемого технического решения обеспечивает возможность контроля содержания глюкозы в крови больного диабетом человека посредством неинвазивного, точного и чувствительного измерения концентрации паров ацетона в выдыхаемом воздухе человека в режиме реального времени. The technical solution relates to the field of research and analysis of gaseous biological materials, in particular products of human respiration and can be used in medicine, namely in medical diagnostics, as well as in everyday life of a person in real time. The proposed technical solution can be used for monitoring, analysis and rapid diagnosis, for example, diabetes mellitus, in terms of content and quantitative concentration, including trace amounts of acetone in the air exhaled by a person from the respiratory tract. The use of the claimed technical solution provides the ability to control the glucose content in the blood of a person with diabetes by non-invasive, accurate and sensitive measurement of the concentration of acetone vapor in the exhaled air of a person in real time.
С медицинской точки зрения диабет является заболеванием, которое характеризуется абсолютной или относительной недостаточностью инсулина, сложным нарушением метаболизма и повышенным либо пониженным уровнем содержания глюкозы в крови. При дефиците инсулина глюкоза перестает быть доступным источником энергии, поэтому в качестве альтернативного источника энергии в организме больного начинается производство, так называемых, кетонов. Как хорошо известно, кетоны (например, ацетон) всегда присутствуют в крови. Заболевание диабетом является наиболее распространенной причиной патологического повышения производства ацетона организмом больного человека. Это происходит из-за недостаточного количества инсулина в крови человека. Организм больного человека может избавиться от ацетона через легкие человека, что придает дыханию больного человека сладковатый запах подгнивших фруктов. Большое количество ацетона, которое содержится в дыхании, означает, что клетки организма человека либо не имеют достаточно инсулина, либо они не могут использовать инсулин надлежащим образом. Повышенный уровень глюкозы в крови человека, как правило, приводит к тяжелым медицинским осложнениям, таким как: слепота, почечная недостаточность, а также к болезни сердца, к гангрене, ампутации конечностей и к преждевременной смерти. From a medical point of view, diabetes is a disease characterized by absolute or relative insulin deficiency, a complex metabolic disorder and an increased or decreased level of glucose in the blood. With insulin deficiency, glucose ceases to be an available source of energy, therefore, as an alternative source of energy in the patient's body, the production of so-called ketones begins. As is well known, ketones (e.g. acetone) are always present in the blood. Diabetes is the most common cause of a pathological increase in acetone production by a sick person. This is due to insufficient insulin in the blood of a person. The body of a sick person can get rid of acetone through the lungs of a person, which gives the sick person's breath a sweetish smell of rotten fruit. A large amount of acetone, which is contained in the breath, means that the cells of the human body either do not have enough insulin, or they cannot use insulin properly. Elevated glucose in the blood of a person, as a rule, leads to serious medical complications, such as: blindness, renal failure, as well as heart disease, gangrene, amputation of limbs and premature death.
Имеющиеся в настоящее время методы ежедневного контроля уровня глюкозы в крови человека для проведения инсулиновой терапии, как правило, дороги, неудобны и достаточно болезненны. Обычно это делается путем прокалывания пальца человека и помещением капли крови на тест-полоски с нанесенными на них химических веществ чувствительных к глюкозе. Для того, чтобы строго контролировать уровень глюкозы в крови и эффективно смягчать возможные осложнения посредством инсулиновой терапии, для больных сахарным диабетом рекомендуется производить 4-7 тестов в день. Но из-за травматического повреждения покровов кожи человека и высокого риска инфицированности их при использовании тест-полосок, этот тип мониторинга уровня глюкозы в крови приходится проводить с частотой не более чем два раза в день. Кроме того, физические страдания приводят к частым уклонениям больных от этой жизненно важной процедуры. Особенно проблематично частое проведение этой манипуляции у больных детей, оказывающее на них тяжелое психологическое и физическое давление. Отметим, также довольно низкую точность измерения уровня глюкозы в крови в домашних условиях, которая согласно стандарту ISO 15197 для доступных глюкометров не превышает ±20% указанную в системе мониторинга глюкозы в крови (Freckmann G., Baumstark А., Jendrike N., Zschornack E., Kocher S., Tshiananga J., Heister F., Haug C. System Accuracy Evaluation of 27 Blood Glucose Monitoring Systems According to DIN EN ISO 15197 // Diabetes Technology & Therapeutics. 2010. 12, Is. 3. P. 221-231).  Currently available methods of daily monitoring of glucose levels in human blood for insulin therapy are usually expensive, uncomfortable and quite painful. This is usually done by piercing a person’s finger and placing a drop of blood on test strips with glucose sensitive chemicals applied to them. In order to strictly control the level of glucose in the blood and effectively mitigate possible complications through insulin therapy, for patients with diabetes mellitus, it is recommended to perform 4-7 tests per day. But because of the traumatic damage to the integument of human skin and the high risk of their infection when using test strips, this type of monitoring of blood glucose levels has to be carried out with a frequency of no more than twice a day. In addition, physical suffering leads to frequent evasion of patients from this vital procedure. Particularly problematic is the frequent conduct of this manipulation in sick children, which exerts severe psychological and physical pressure on them. Note also the rather low accuracy of measuring blood glucose at home, which according to the ISO 15197 standard for available glucometers does not exceed ± 20% specified in the blood glucose monitoring system (Freckmann G., Baumstark A., Jendrike N., Zschornack E ., Kocher S., Tshiananga J., Heister F., Haug C. System Accuracy Evaluation of 27 Blood Glucose Monitoring Systems According to DIN EN ISO 15197 // Diabetes Technology & Therapeutics. 2010.12, Is. 3. P. 221 -231).
Известны технические решения, представленные в различных неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом посредством измерения концентрации ацетона, который содержится в дыхании больного человека.  Known technical solutions presented in various non-invasive methods for controlling the level of glucose in the blood of patients with diabetes by measuring the concentration of acetone, which is contained in the breath of a sick person.
Все разработанные методы, в основном, можно разделить на две группы. К первой из них можно отнести методы, основанные на отличие отношения массы к заряду ионов детектируемых веществ (например, ацетона) или отличие их диффузионных свойств. Во второй используется отличие спектров поглощения или эмиссионных спектров детектируемых веществ (например, ацетона) от спектров воздуха.  All developed methods, basically, can be divided into two groups. The first of them includes methods based on the difference in the ratio of mass to charge of ions of detected substances (for example, acetone) or the difference in their diffusion properties. The second uses the difference between the absorption spectra or emission spectra of the detected substances (for example, acetone) from the air spectra.
Первая группа методов включает в себя: Масс спектрометрию (Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. БИНОМ, 2003), Газовую хроматографию (Березкин В. Г. Газо-жидко-твердофазная хроматография. М.: Химия, 1986, 1 12 с), Масс-спектрометрия, совмещенная с газохроматографическим разделением (Mamyrin В. A., Time-of-flight mass spectrometry (concepts, achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001 , 206(3), 251-266.). The first group of methods includes: Mass spectrometry (AT Lebedev. Mass spectrometry in organic chemistry. BINOM, 2003), Gas chromatography (Berezkin V.G. Gas-liquid-solid-phase chromatography. M .: Chemistry, 1986, 1 12 s), Mass spectrometry combined with gas chromatographic separation (Mamyrin B. A., Time-of-flight mass spectrometry (concepts , achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206 (3), 251-266.).
Недостатком этих технических решений является непригодность для широкого ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени. Эти технические решения требуют использования сложного и громоздкого оборудования с применением сверхвысокого вакуума, больших объемов сверхчистых газов-носителей в сменяемых баллонах высокого давления; они сложны в реализации и требуют обслуживание квалифицированных операторов. Кроме того измерения занимают много времени на сбор образцов дыхания, на их транспортировку, хранение и на подготовку к анализу. Кроме того, следовые количества ацетона, которые присутствуют в дыхании пациента в присутствии большого количества паров воды, легко могут быть потеряны во время этих сложных процедур, поскольку ацетон является летучим и химически активный материалом, и он смешивается с водой практических в любых соотношениях. Поскольку эти перечисленные методы слишком сложны, трудозатратны по силам и во временном отрезке - они могут быть реализованы в только специализированных лабораториях и не подходят для ежедневного применения в амбулаторных или домашних условиях.  The disadvantage of these technical solutions is the unsuitability for wide daily use on an outpatient basis or at home in real time. These technical solutions require the use of complex and bulky equipment using ultra-high vacuum, large volumes of ultra-pure carrier gases in replaceable high-pressure cylinders; they are difficult to implement and require the maintenance of qualified operators. In addition, measurements take a lot of time to collect breath samples, transport them, store them, and prepare for analysis. In addition, trace amounts of acetone that are present in the patient’s breathing in the presence of a large amount of water vapor can easily be lost during these complex procedures, since acetone is a volatile and chemically active material, and it mixes with water in almost any ratio. Since these methods are too complicated, time-consuming and time-consuming, they can only be implemented in specialized laboratories and are not suitable for daily use on an outpatient or home basis.
Известны технические решения, отнесенные ко второй группе неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом по дыханию пациента с использованием спектров поглощения или эмиссионных спектров ацетона, например: Спектроскопия комбинационного рассеяния: (Kharintsev S.S., Hoffmann G.G., Loos J., De With G., Dorozhkin P.S., Salakhov M. Kh., Subwavelengthresolution near-field Raman spectroscopy // Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2007, 105(5), 909-915); Фотоакустическая спектроскопия: (Zheng J., Tang Zh., He Y., Guo L. Sensitive detection of weak absorption signals in photoacoustic spectroscopy by using derivative spectroscopy and wavelet transform // Journal of Applied Physics, 2008, 103(9), 093116-(1-4)); Диодно-лазерная спектроскопия поглощения: (Yan W.-B., Trace gas analysis by diode laser cavity ring- down spectroscopy // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE, 2002, 4648, 156-164). Недостатком известных технических решений является низкая точность и чувствительность измерений. А так же использования дорогих лазерных источников света, состоящих из лазеров накачки или перестраиваемых в широком спектральном диапазоне диодных лазеров и громоздких многопроходных ячеек поглощения. Зачастую, эти методы требуют использование криогенных температур, необходимых для функционирования источников излучения или детекторов. В случае использования спектроскопии поглощения, большое количество паров воды в дыхании пациента оказывает негативное влияние на чувствительность и точность измерений, поскольку пропускание многопроходных ячеек поглощения резко снижается вследствие конденсации паров на оптических окнах. Использование нагреваемых ячеек неудобно в практике и требует большого расхода электроэнергии. Кроме того, большое количество линий воды в регистрируемых спектрах представляют серьезную проблему для их расшифровки и интерпретации. Known technical solutions assigned to the second group of non-invasive methods for monitoring glucose in the blood of patients with diabetes by breathing a patient using absorption spectra or emission spectra of acetone, for example: Raman spectroscopy: (Kharintsev SS, Hoffmann GG, Loos J., De With G ., Dorozhkin PS, Salakhov M. Kh., Subwavelengthresolution near-field Raman spectroscopy // Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2007, 105 (5), 909-915); Photoacoustic spectroscopy: (Zheng J., Tang Zh., He Y., Guo L. Sensitive detection of weak absorption signals in photoacoustic spectroscopy by using derivative spectroscopy and wavelet transform // Journal of Applied Physics, 2008, 103 (9), 093116 - (1-4)); Diode-laser absorption spectroscopy: (Yan W.-B., Trace gas analysis by diode laser cavity ring-down spectroscopy // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE, 2002, 4648, 156-164). A disadvantage of the known technical solutions is the low accuracy and sensitivity of the measurements. As well as the use of expensive laser light sources, consisting of pump lasers or tunable in a wide spectral range of diode lasers and bulky multipass absorption cells. Often, these methods require the use of cryogenic temperatures necessary for the functioning of radiation sources or detectors. In the case of absorption spectroscopy, a large amount of water vapor in the patient’s breathing negatively affects the sensitivity and accuracy of measurements, since the transmission of multipass absorption cells is sharply reduced due to vapor condensation on the optical windows. The use of heated cells is inconvenient in practice and requires a large consumption of electricity. In addition, a large number of water lines in the recorded spectra present a serious problem for their interpretation and interpretation.
К настоящему времени наибольший интерес вызывает эмиссионная спектроскопия видимого светового излучения разряда постоянного тока в выдыхаемом воздухе. Преимущество эмиссионной спектроскопии по сравнению с другими выше перечисленными методами заключаются в том, что не требуется применения сверхвысокого вакуума и криогенных температур. К тому же эмиссионная спектроскопия, в видимом диапазоне длин волн, малочувствительна к наличию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента в силу отсутствия сильных линий воды в этом диапазоне и имеет высокую спектральную селективность, ограниченную лишь уширением эмиссионных линий вследствие доплер-эффекта. Поскольку измерения примесей в воздухе производятся с использованием эмиссионного излучения, становится не нужным использование многопроходных ячеек поглощения пробного лазерного излучения. Кроме того, высокая селективность этого метода сочетается с широким спектральным диапазоном детектируемых спектров, которые охватывают практически все биомаркеры, интересные для медицинских приложений. Регистрация эмиссионного спектра примеси биомаркеров в воздухе происходит практически на «нулевом световом фоне» в отличие от регистрации спектра поглощения биомаркеров, которое производится в условиях сильной засветки фотоприемника пробным лазерным излучением. Это позволяет достичь, большего соотношения сигнал/шум в случае использования метода эмиссионной спектроскопии, по сравнению со случаем спектроскопии поглощения пробного лазерного излучения. Появление на рынке оптических спектрографов с малоразмерными габаритами, например, с размерами спичечного коробка, делает возможным создание компактных и простых эмиссионно-спектроскопических приборов пригодных для широкого использования. To date, the greatest interest is emission spectroscopy of visible light radiation of a direct current discharge in exhaled air. The advantage of emission spectroscopy over other methods listed above is that it does not require the use of ultra-high vacuum and cryogenic temperatures. In addition, emission spectroscopy, in the visible wavelength range, is insensitive to the presence of water vapor in the expired air of the patient due to the absence of strong water lines in this range and has high spectral selectivity, limited only by broadening of the emission lines due to the Doppler effect. Since the measurements of impurities in air are carried out using emission radiation, it becomes unnecessary to use multi-pass absorption cells of the probe laser radiation. In addition, the high selectivity of this method is combined with a wide spectral range of the detected spectra, which cover almost all biomarkers of interest for medical applications. The registration of the emission spectrum of biomarker impurities in air occurs almost against a “zero light background”, in contrast to the registration of the absorption spectrum of biomarkers, which is performed under conditions of strong illumination of the photodetector by test laser radiation. This allows us to achieve a greater signal-to-noise ratio in the case of using the emission spectroscopy method, compared with the case of absorption spectroscopy of probe laser radiation. The appearance on the market of optical spectrographs with small dimensions, for example, with the dimensions of a matchbox, makes it possible to create compact and simple emission spectroscopic instruments suitable for widespread use.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для неинвазивного мониторинга диабета посредством измерения концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе (Патент US7417730 В2, «Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics», МПК G01J3/30, G01 N21/73, опубликован 04.10.2007), Техническое решение содержит линию отбора проб с источником несущего газа, разрядную ячейку, источник питания для инициирования и поддержания разряда, спектрограф и работает следующим образом: выдохнутый пациентом воздух в линию отбора проб смешивается с несущим газом. В качестве несущего газа используется сверхчистый аргон или гелий при атмосферном давлении. Затем смесь газов прокачивается через разрядную ячейку с расходом несущего газа порядка 1 литра в минуту. В ячейке поддерживается коронный разряд постоянного тока. Эмиссионный спектр разряда с помощью линзы или оптического волокна подается на спектрограф, сигнал с которого анализирует эмиссионный спектр пробы выдыхаемого воздуха пациента. Было обнаружено, что эмиссионный спектр ацетона представляет собой несколько пиков с центральным пиком около 516,5 нанометров. Этот пик был использован в качестве индикатора, по которому обнаруживался и измерялся ацетон в выдыхаемом воздухе пациента. Устройство было откалибровано с использованием смеси несущего газа и с добавлением паров ацетона, которое давало концентрацию ацетона 25 частей на миллион. Калибровку с более низкими концентрациями осуществлялась с помощью специализированных прецизионных контролеров. Была обнаружена линейная зависимость показания этого устройства от концентрации ацетона.  A technical solution is known, which is a method and device for non-invasive monitoring of diabetes by measuring the concentration of acetone in exhaled air (Patent US7417730 B2, "Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics", IPC G01J3 / 30, G01 N21 / 73, published 04.10 .2007), The technical solution contains a sampling line with a carrier gas source, a discharge cell, a power source for initiating and maintaining the discharge, a spectrograph and operates as follows: the air exhaled by the patient into the sampling line is mixed with the carrier gas. As a carrier gas, ultra-pure argon or helium at atmospheric pressure is used. Then the gas mixture is pumped through the discharge cell with a carrier gas flow rate of the order of 1 liter per minute. A DC corona discharge is supported in the cell. The emission spectrum of the discharge using a lens or optical fiber is fed to a spectrograph, a signal from which analyzes the emission spectrum of a sample of exhaled air of the patient. The emission spectrum of acetone was found to be several peaks with a central peak of about 516.5 nanometers. This peak was used as an indicator by which acetone was detected and measured in the exhaled breath of the patient. The device was calibrated using a carrier gas mixture and acetone vapor, which gave an acetone concentration of 25 ppm. Calibration with lower concentrations was carried out using specialized precision controllers. A linear dependence of the readings of this device on the concentration of acetone was found.
Недостатком известного технического решения является применение разряда при атмосферном давлении, который характеризуется крайней нестабильностью горения. Это ведет к большим флуктуациям интенсивности эмиссионного излучения, это, в свою очередь, повышает шумы в измерительном сигнале, что резко снижает точность измерения концентрации ацетона и чувствительность технического решения.  A disadvantage of the known technical solution is the use of a discharge at atmospheric pressure, which is characterized by extreme instability of combustion. This leads to large fluctuations in the intensity of emission radiation, this, in turn, increases the noise in the measuring signal, which sharply reduces the accuracy of measuring the concentration of acetone and the sensitivity of the technical solution.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для определения и прецизионного измерения содержания алкоголя в дыхании человека (Патент US3830630 A «Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis», МПК G01 N 27/16; G01N 33/497, опубликован 20.08.1974), выбранное в качестве прототипа. Достаточно высокая точность измерения в предложенном техническом решении достигается параллельным детектированием и измерением концентрации С02 и нормировкой амплитуды эмиссионного спектра алкоголя пропорционального концентрации алкоголя, на сигнал, пропорционального концентрации С02. Поскольку сигнал от С02 так же пропорционален интенсивности дыхания человека, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка существенно повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации алкоголя в дыхании человека. A technical solution is known, which is a method and apparatus for determining and precision measuring the alcohol content in respiration human (Patent US3830630 A "Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis", IPC G01 N 27/16; G01N 33/497, published 08/20/1974), selected as a prototype. A sufficiently high measurement accuracy in the proposed technical solution is achieved by parallel detection and measurement of CO2 concentration and normalization of the amplitude of the emission spectrum of alcohol proportional to the concentration of alcohol on a signal proportional to CO2 concentration. Since the signal from CO2 is also proportional to the intensity of human respiration, the authors of this patent have demonstrated that the proposed normalization significantly improves the accuracy and reproducibility of measuring the concentration of alcohol in human respiration.
Недостатком этого технического решения является необходимость в использовании дополнительного спектрального прибора для параллельного детектирования и измерения концентрации С02, что приводит к удорожанию прибора, существенно усложняет конструкцию прибора и увеличивает его габариты. Кроме того, использование коронного разряда повышает уровень шумов разряда и поэтому существенно снижает чувствительность и точность проводимых измерений.  The disadvantage of this technical solution is the need to use an additional spectral device for parallel detection and measurement of CO2 concentration, which leads to an increase in the cost of the device, significantly complicates the design of the device and increases its dimensions. In addition, the use of corona discharge increases the level of discharge noise and therefore significantly reduces the sensitivity and accuracy of measurements.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента (Патент RU 2597943, «Способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента и устройство для его реализации», МПК G01 N21/73, G01 N33/497, опубликовано 20.09.2016), выбранное в качестве прототипа и основано на измерении уровня содержания ацетона по эмиссионным линиям ацетона при пониженном давлении пробы выдыхаемого воздуха пациента. Устройство состоит из разрядной трубки с разрядом в прокачиваемом через трубку выдыхаемого воздуха пациента в сочетании со спектрометром видимого диапазона волн и с возможностью расшифровки и интерпретации эмиссионных спектров. В этом техническом решении осуществляется измерение концентрации ацетона, которая сопровождается нормировкой амплитуды эмиссионных линий ацетона на концентрацию паров воды, определенную по параметрам тлеющего разряда. Дело в том, что амплитуда эмиссионных линий ацетона, по которой измеряется концентрация ацетона, сильно зависит от силы, с которой испытуемый дышит в прибор: более сильное дыхание может производить большую амплитуду эмиссионных линий ацетона, в то время как реальная концентрация ацетона в дыхании человека при этом является константой. Поскольку сигнал от паров воды так же пропорционален интенсивности дыхания, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации ацетона в дыхании человека. Недостатком этого технического решения является определение концентрации паров воды по параметрам тлеющего разряда - величины тока или напряжения горения разряда. Дело в том, что эти параметры - как то величина тока и напряжения горения разряда не связаны в прямую с концентрацией паров воды в выдыхаемом воздухе пациента; эти параметры иногда испытывают значительные и неконтролируемые амплитудные колебания вследствие случайного появления и исчезновения страт в разряде и это зачастую приводит к хаотичному колебанию амплитуды измеряемого сигнала флуоресценции и, как следствие, к сбоям процесса измерения и к ограничению точности измерений концентрации ацетона. (Юрий Петрович Райзер. Физика газового разряда. Изд. 2-ое, доп. и перераб. М.: Наука, 1992 год, 536 стр.). A technical solution is known, which is a method and a device for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient (Patent RU 2597943, “A method for monitoring small impurities of acetone in the expired air of a patient and a device for its implementation”, IPC G01 N21 / 73, G01 N33 / 497 , published on September 20, 2016), selected as a prototype and is based on measuring the level of acetone from the emission lines of acetone under reduced pressure of a patient’s exhaled breath sample. The device consists of a discharge tube with a discharge in the patient’s exhaled air pumped through the tube in combination with a spectrometer of the visible wavelength range and with the possibility of interpretation and interpretation of emission spectra. This technical solution measures the concentration of acetone, which is accompanied by a normalization of the amplitude of the emission lines of acetone to the concentration of water vapor, determined by the parameters of the glow discharge. The fact is that the amplitude of the emission lines of acetone, by which the concentration of acetone is measured, strongly depends on the force with which the test person breathes into the device: stronger breathing can produce a larger amplitude of the emission lines of acetone, while the real concentration of acetone in human breathing at this is a constant. Since the signal from water vapor is also proportional to the intensity of respiration, the authors of this patent have demonstrated that the proposed normalization improves the accuracy and reproducibility of measuring the concentration of acetone in human respiration. The disadvantage of this technical solution is to determine the concentration of water vapor according to the parameters of the glow discharge - the magnitude of the current or voltage of the discharge. The fact is that these parameters - such as the magnitude of the current and the burning voltage of the discharge are not directly related to the concentration of water vapor in the exhaled air of the patient; these parameters sometimes experience significant and uncontrolled amplitude fluctuations due to the random appearance and disappearance of striations in the discharge, and this often leads to chaotic fluctuations in the amplitude of the measured fluorescence signal and, as a consequence, to malfunctions of the measurement process and to limited accuracy of measurements of acetone concentration. (Yuri Petrovich Reiser. Physics of gas discharge. Ed. 2nd, additional and revised. M.: Nauka, 1992, 536 pp.).
Недостатком этого технического решения является стохастические и эпизодические нарушения в измерениях и ограничения в точности измерений концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека.  The disadvantage of this technical solution is stochastic and episodic violations in the measurements and limitations in the accuracy of measuring the concentration of acetone in the exhaled air of a person.
Перед авторами ставилась задача разработать способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, пригодного для неинвазивного, широкого и ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени и устройство для его реализации.  The authors were tasked with developing a method for controlling the concentration of acetone in the air exhaled by a person, suitable for non-invasive, widespread and daily use in outpatient or home conditions in real time and a device for its implementation.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, включающий использование корпуса, источника питания постоянного тока, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы оснащённой регулируемым клапаном, блока анализа и обработки, осуществление забора воздуха, выдыхаемого человеком, с последующей подачей его в линию отборы пробы, осуществление регулирования натекания воздуха, выдыхаемого человеком, через линию отбора пробы производят посредством регулируемого клапана, инициирование разряда в разрядной ячейке, понижение давления воздуха, выдыхаемого человека, в разрядной ячейке посредством насоса прокачки, регистрацию эмиссионного спектра, осуществление нормировки эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человека, при этом, дополнительно используют источник питания переменного тока, который выполняют осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком осуществляют выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком. The problem is solved in that in the method of controlling the concentration of acetone in the air exhaled by a person, including the use of a housing, a DC power supply, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line equipped with an adjustable valve, an analysis and processing unit, taking air exhaled by a person, followed by its supply to the sampling line, the regulation of the flow of air exhaled by a person through the sampling line is carried out by means of an adjustable valve, initiating a discharge in the discharge cell, lowering the pressure of air exhaled by a person in the discharge cell by means of a pump, recording the emission spectrum, normalizing the emission spectrum of a sample of air exhaled by a person, in addition, they use an alternating current power source that performs additional excitation of smoldering discharge in discharge cell, and normalization of the intensity of the emission spectrum of acetone in air exhaled by a person is carried out by separating the emission lines of nitrogen to divide this intensity of the emission spectrum by the total intensity of all emission lines of nitrogen in the visible region of the emission spectrum, compare the values of the background and critical values of the indicator of the emission spectrum of acetone , determine the control value of the concentration of acetone in the air exhaled by man, and produce a visa tion of the control values of acetone concentrations in air exhaled by a person.
Способ реализуется с помощью устройства для контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, содержащее корпус, источник питания постоянного тока, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, насос прокачки, выполненный для понижения давления выдыхаемого воздуха человека в разрядной ячейке, при этом линия отборы пробы оснащена регулируемым клапаном, блок анализа и обработки осуществляющий нормировку интенсивности эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха человека при этом, оно дополнительно оснащено источником питания переменного тока, выполненного осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а блок анализа и обработки выполнен осуществляющим нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в выдыхаемом воздухе человека выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определение контрольных значений показателя концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека, и визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека.  The method is implemented using a device for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person, comprising a housing, a direct current power source, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line, a pump for pumping, designed to lower the pressure of the exhaled air of a person in the discharge cell, while the sampling line the sample is equipped with an adjustable valve, the analysis and processing unit normalizes the intensity of the emission spectrum of the sample of the exhaled air of a person at the same time, it is additionally equipped with a source of an AC power supply unit performing additional excitation of a glow discharge in the discharge cell, and the analysis and processing unit normalizes the intensity of the emission spectrum of acetone in the exhaled air of a person by separating the emission lines of nitrogen to divide this emission spectrum intensity by the total intensity of all nitrogen emission lines in visible area of the emission spectrum, comparison of background and critical values of the emission spectrum index acetone, the determination of control values for the concentration of acetone in the exhaled air of a person, and the visualization of control values of the concentration of acetone in the exhaled air of a person.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в понижении шумов плазмы тлеющего разряда, что приводит к понижении шумов в электронном сигнале от флуоресценции паров ацетона что, в свою очередь, приводит к повышению точности измерения концентрации ацетона не менее чем в 30 и к увеличению чувствительности прибора 10 - 15 раз в измерении концентрации малых примесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, а также, в упрощении конструкции и, расширении ассортимента устройств данного назначения. Заявляемый способ контроля концентрации ацетона в воздухе выдыхаемом человеком реализуется с помощью устройства, которое поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1 , где 1 - насос прокачки, 2 - разрядная ячейка, 3 - регулируемый клапан 4 - линия отбора пробы, 5 - источник питания постоянного тока, 6 - спектрометр, 7 - блок анализа и обработки, 8 - конденсатор, 9 - источник питания переменного тока. The technical effect of the proposed technical solution is to reduce the noise of a glow discharge plasma, which leads to a decrease in noise in the electronic signal from the fluorescence of acetone vapor, which, in turn, leads to an increase in the accuracy of measuring the concentration of acetone by at least 30 and to an increase in the sensitivity of the device 10 - 15 times in measuring the concentration of small impurities of acetone in the air exhaled by humans, as well as in simplifying the design and expanding the range of devices for this purpose. The inventive method for controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person is implemented using a device that is illustrated in the flowchart shown in FIG. 1, where 1 is a pump for pumping, 2 is a discharge cell, 3 is an adjustable valve 4 is a sampling line, 5 is a DC power supply, 6 is a spectrometer, 7 is an analysis and processing unit, 8 is a capacitor, 9 is an AC power source current.
На фиг .2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона.  Figure 2 shows a typical emission spectrum of acetone.
На фиг.З представлен эмиссионный спектр азота.  Figure 3 shows the emission spectrum of nitrogen.
На фиг.4 представлено изображение участка разрядной ячейки при возбуждении тлеющего разряда при помощи постоянного тока.  Figure 4 presents the image of the portion of the discharge cell upon excitation of a glow discharge using direct current.
На фиг.5 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием о постоянного тока  Figure 5 presents a recording of glow discharge noise using about DC
На фиг.6 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием комбинации постоянного и переменного токов.  Figure 6 shows the recording of glow discharge noise using a combination of direct and alternating currents.
Заявляемый способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком основанный на использовании устройства для контроля, в том числе, малых примесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, работает следующим образом. Устройство оснащают насосом прокачки 1 , который выполнен для понижения давления выдыхаемого воздуха человека в разрядной ячейке 2, и линией отбора пробы 4 выдыхаемого воздуха человека, которую оснащают регулируемым клапаном 3. Первоначально, осуществляется забор выдыхаемого воздуха человека с последующей подачей его в линию отбора пробы 4, затем с помощью регулируемого клапана 3, осуществляют регулирование натекания воздуха, выдыхаемого человеком через линию отбора пробы 4 воздуха, выдыхаемого человеком. Далее, воздух, выдыхаемый человеком, поступает в разрядную ячейку 2, в которой во время работы поддерживается пониженное давление воздуха на уровне 10-100 Торр с помощью насоса прокачки 1. При достижении рабочего давления в разрядной ячейке 2 инициируют тлеющий разряд с использованием источника питания постоянного тока 5. Параметры тлеющего разряда не связаны на прямую с концентрацией паров воды в воздухе, выдыхаемом человеком; эти параметры иногда испытывают значительные и неконтролируемые амплитудные колебания вследствие появления и исчезновения страт в тлеющием разряде и это зачастую приводит к сбоям процесса измерения и к ограничению точности измерений концентрации ацетона в дыхании человека. Для подавления страт и шумов интенсивности тлеющего разряда используется комбинация постоянного и переменного токов, путём добавления к постоянному току переменный ток. Для этого к разрядной ячейке 2 через два разделительных конденсатора 8 подсоединяется, как показано на фиг.1 , источник питания переменного тока 9. Величина постоянного тока варьируется в диапазоне от 5 до 20 мА, а величина по амплитуде переменного тока (с частотой от 100 кГц до 1 мГц) не более 1 мА. Далее, через оптоволоконный кабель, эмиссионное излучение тлеющего разряда направляется в спектрометр 6, сигнал с которого регистрируется и обрабатывается блоком анализа и обработки 7, который осуществляет выделение эмиссионных линий азота и нормировку интенсивности эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в воздухе, выдыхаемом человеком посредством регистрации интенсивности всех линий азота в видимой области эмиссионного спектра. Далее производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе выдыхаемом человеком. Для осуществления заявляемого способа используется спектрометр, например, оптоволоконный с высокой фотометрической чувствительностью в видимом спектральном диапазоне. Входная щель спектрографа с шириной 50 мкм и дифракционная решетка с 600 штрихами на 1 мм обеспечивают спектральное разрешение равное 1 ,2 нм. The inventive method of controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person based on the use of a device for monitoring, including small impurities of acetone in air exhaled by a person, works as follows. The device is equipped with a pump 1, which is designed to lower the pressure of the exhaled air of a person in the discharge cell 2, and a sampling line 4 of the exhaled air of a person, which is equipped with an adjustable valve 3. Initially, the exhaled air of a person is taken, followed by its supply to the sampling line 4 , then using the adjustable valve 3, regulate the flow of air exhaled by a person through a sampling line 4 of the air exhaled by a person. Further, the air exhaled by a person enters the discharge cell 2, in which during operation a reduced air pressure is maintained at a level of 10-100 Torr using the pump 1. When the operating pressure in the discharge cell 2 is reached, a glow discharge is initiated using a constant power source current 5. The parameters of the glow discharge are not directly related to the concentration of water vapor in the air exhaled by a person; these parameters sometimes experience significant and uncontrolled amplitude fluctuations due to the appearance and disappearance of striations in the glow discharge, and this often leads to malfunctions of the measurement process and to a limitation in the accuracy of measurements of the concentration of acetone in human respiration. To suppress strata and noise The intensity of a glow discharge uses a combination of direct and alternating currents, by adding alternating current to the direct current. For this, an AC power source 9 is connected to the discharge cell 2 through two isolation capacitors 8, as shown in FIG. 1. The magnitude of the direct current varies in the range from 5 to 20 mA, and the magnitude of the amplitude of the alternating current (with a frequency of 100 kHz up to 1 MHz) not more than 1 mA. Then, through a fiber optic cable, the emitting radiation of a glow discharge is sent to a spectrometer 6, the signal from which is recorded and processed by an analysis and processing unit 7, which extracts the emission lines of nitrogen and normalizes the intensity of the emission spectrum to the concentration of water vapor in the air exhaled by a person by recording the intensity all nitrogen lines in the visible region of the emission spectrum. Next, the values of the background and critical values of the indicator of the emission spectrum of acetone are compared, the control values of the indicator of the concentration of acetone in the air exhaled by the person are determined, and the control values of the concentration of acetone in the air exhaled by the person are visualized. To implement the proposed method, a spectrometer is used, for example, an optical fiber with high photometric sensitivity in the visible spectral range. The entrance slit of the spectrograph with a width of 50 μm and a diffraction grating with 600 lines per 1 mm provide a spectral resolution of 1.2 nm.
На Фиг. 2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха при добавлении в него ацетона. Этот эмиссионный спектр получен при концентрации ацетона равной 30 ppm. Ацетон в эмиссионном спектре представлен в виде 14 пиков различных амплитуд расположенных в интервале длин волн от 480 до 580 нанометров. Яркие линии с длинами волн 656 нм и 486 нм отвечают линиям водорода На и Нр серии Бальмера. Главная причина, по которой в прототипе использовались только чистые благородные газы в качестве несущих газов, было опасение, что ацетон будет разлагаться в воздушном разряде, в результате окисления ацетона кислородом воздуха. Были проведены эксперименты по регистрации эмиссионного спектра ацетона в отсутствии кислорода посредством использовании чистого азота и аргона в качестве газа носителя. Полученные эмиссионные спектры ацетона были неотличимы от эмиссионных спектров, зарегистрированных в воздушном разряде. Этот результат исключает гипотетическую возможность искажения эмиссионного спектра ацетона вследствие его окисления кислородом воздуха в тлеющем разряде. In FIG. Figure 2 shows a typical emission spectrum of acetone obtained in a glow discharge of laboratory air with the addition of acetone. This emission spectrum was obtained at an acetone concentration of 30 ppm. Acetone in the emission spectrum is presented in the form of 14 peaks of various amplitudes located in the wavelength range from 480 to 580 nanometers. Bright lines with wavelengths of 656 nm and 486 nm correspond to the hydrogen lines of H a and H p of the Balmer series. The main reason that the prototype used only pure noble gases as carrier gases was the fear that acetone would decompose in an air discharge as a result of the oxidation of acetone by atmospheric oxygen. Experiments were conducted to record the emission spectrum of acetone in the absence of oxygen by using pure nitrogen and argon as the carrier gas. The obtained emission spectra of acetone were indistinguishable from the emission spectra recorded in the air discharge. This result excludes the hypothetical possibility of distortion of the emission spectrum of acetone due to its oxidation by atmospheric oxygen in a glow discharge.
Для нормировки полезного сигнала использовалось уменьшение суммарной интенсивности всех линий флуоресценции азота, которая снижалась вследствие уменьшения температуры и подвижности электронов разряда из-за их столкновений с молекулами воды. Спектр азота может быть зарегистрирован используемым спектрографом вначале измерения интенсивности спектра ацетона, поэтому в предлагаемом способе нет необходимости использования дополнительных спектрографов или фотоприемников.  To normalize the useful signal, we used a decrease in the total intensity of all lines of nitrogen fluorescence, which decreased due to a decrease in the temperature and mobility of the discharge electrons due to their collisions with water molecules. The nitrogen spectrum can be recorded by the used spectrograph at the beginning of measuring the intensity of the acetone spectrum, therefore, in the proposed method there is no need to use additional spectrographs or photodetectors.
На Фиг. 3 представлен эмиссионный спектр азота, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха без добавления в него ацетона. Суммарная интенсивность всех линий азота использовалась для нормировки эмиссионного спектра ацетона.  In FIG. Figure 3 shows the emission spectrum of nitrogen obtained in a glow discharge of laboratory air without the addition of acetone. The total intensity of all nitrogen lines was used to normalize the emission spectrum of acetone.
На фиг. 4 представлено изображение участка разрядной ячейки при возбуждении тлеющего разряда только при помощи постоянного тока. На фото чётко видны страты, беспорядочное и случайное появление которых в тлеющем разряде, существенно повышают уровень шумов в сигнале флуоресценции ацетона и соответственно снижают точность измерения из-за стохастических и эпизодических нарушениях в процессе измерений.  In FIG. Figure 4 shows an image of a portion of a discharge cell upon excitation of a glow discharge using only direct current. The strata are clearly visible in the photo, the random and random appearance of which in the glow discharge significantly increases the noise level in the acetone fluorescence signal and, accordingly, reduces the measurement accuracy due to stochastic and episodic disturbances during the measurement process.
На фиг. 5 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием только постоянного тока, (запись получена при постоянном токе 10 мА). Шумы в сигнале зарегистрированы осциллографом, работающим на переменном токе.  In FIG. Figure 5 shows the recording of glow discharge noise using only direct current, (the record was obtained at a direct current of 10 mA). Noise in the signal is recorded by an oscilloscope operating on alternating current.
На фиг. 6 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием комбинации постоянного и переменного токов, Эта запись получена при постоянном токе 10 мА с добавлением переменном токе с амплитудой 1 мА с частотой 100 килогерц). Шумы тлеющего разряда зарегистрированы осциллографом, работающим на переменном токе. Хорошо видно уменьшение амплитуды шумов тлеющего разряда в случае использования комбинированного возбуждения постоянным и переменным токами по сравнению с возбуждением тлеющего разряда только постоянным током. Уменьшение амплитуды шумов тлеющего разряда (как видно из рисунков) составила величину 10 раз. Такое уменьшение шумов тлеющего разряда, при использовании комбинированного возбуждения тлеющего разряда, позволило повысит точность измерения концентрации ацетона и концентрации глюкозы в крови не менее чем в 30 раз по сравнению с возбуждением тлеющего разряда постоянным током, а также к увеличению чувствительности прибора в 10 - 15 раз в измерении концентрации малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе человека, In FIG. Figure 6 shows a recording of glow discharge noise using a combination of direct and alternating currents. This record was obtained at a direct current of 10 mA with the addition of alternating current with an amplitude of 1 mA with a frequency of 100 kilohertz). Glow discharge noise was detected by an alternating current oscilloscope. One can clearly see the decrease in the amplitude of the glow discharge noise in the case of using combined excitation with direct and alternating currents as compared to the excitation of a glow discharge with direct current only. The decrease in the amplitude of the glow discharge noise (as can be seen from the figures) was 10 times. Such a decrease in the noise of a glow discharge, when using a combined excitation of a glow discharge, will increase the accuracy of measuring the concentration of acetone and glucose concentration in the blood by at least 30 times in comparison with the excitation of a glow discharge by direct current, and also to increasing the sensitivity of the device 10-15 times in measuring the concentration of small impurities of acetone in the exhaled air of a person,
Преимуществом заявляемого техническое решение может быть использовано для детектирования и мониторинга различных малых примесей в окружающем воздухе. К ним относятся примеси паров взрывчатых и наркотических веществ, ртути, диоксина, примеси метана, ксенона, окиси азота и прочее.  An advantage of the claimed technical solution can be used for the detection and monitoring of various small impurities in ambient air. These include impurities of explosive and narcotic substances, mercury, dioxin, impurities of methane, xenon, nitric oxide and others.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, включающий использование корпуса, источника питания постоянного тока, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы оснащённой регулируемым клапаном, блока анализа и обработки, осуществление забора воздуха, выдыхаемого человеком, с последующей подачей его в линию отборы пробы, осуществление регулирования натекания воздуха, выдыхаемого человеком, через линию отбора пробы производят посредством регулируемого клапана, инициирование разряда в разрядной ячейке, понижение давления воздуха, выдыхаемого человеком, в разрядной ячейке посредством насоса прокачки, регистрацию эмиссионного спектра, осуществление нормировки эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человеком, отличающийся тем, что при этом, дополнительно используют источник питания переменного тока, который выполняют осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, осуществляют выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком.  1. A method for controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person, including the use of a housing, a direct current power source, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line equipped with an adjustable valve, an analysis and processing unit, taking air exhaled by a person, and then feeding it to the sampling line, the regulation of the flow of air exhaled by a person through the sampling line is carried out by means of an adjustable valve, the discharge is initiated in the discharge cell, lowering the pressure of air exhaled by a person in the discharge cell by means of a pump for pumping, registration of the emission spectrum, normalization of the emission spectrum of a sample of air exhaled by a person, characterized in that, in addition, an alternating current power source is used, which perform additional excitation of a glow discharge in discharge cell, and normalization of the intensity of the emission spectrum of acetone in air exhaled by a person is carried out by the selection of emission lines a To divide this intensity of the emission spectrum by the total intensity of all nitrogen emission lines in the visible region of the emission spectrum, compare the background and critical values of the emission spectrum of acetone, determine the control values of the concentration of acetone in the air exhaled by a person, and visualize the control values of concentration acetone in the air exhaled by a person.
2. Устройство для контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, содержащее корпус, источник питания постоянного тока, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, насос прокачки, выполненный для понижения давления воздуха, выдыхаемого человеком в разрядной ячейке, при этом линия отборы пробы оснащёна регулируемым клапаном, блок анализа и обработки осуществляющий нормировку интенсивности эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человеком, отличающийся тем, что при этом, оно дополнительно оснащено источником питания переменного тока, выполненного осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а блок анализа и обработки выполнен осуществляющим нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определение контрольных значений показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком. 2. A device for controlling the concentration of acetone in air exhaled by a person, comprising a housing, a DC power supply, a spectrometer, a discharge cell, a sampling line, a pump for pumping, designed to lower the pressure of air exhaled by a person in the discharge cell, while the sampling line equipped with an adjustable valve, the analysis and processing unit normalizes the intensity of the emission spectrum of a sample of air exhaled by a person, characterized in that it is additionally equipped with a source m of AC power, performed by performing additional excitation of a glow discharge in the discharge cell, and the analysis and processing unit is implemented by normalizing the intensity emission spectrum of acetone in air exhaled by a person, separation of nitrogen emission lines to divide this emission spectrum intensity by the total intensity of all nitrogen emission lines in the visible region of the emission spectrum, comparison of background and critical values of the emission spectrum of acetone, determination of control values of the concentration of acetone in air exhaled by a person and visualization of control values of acetone concentration in air exhaled by a person com
PCT/RU2019/000142 2018-07-26 2019-03-04 Method for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person and device for the implementation thereof WO2020022930A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127599A RU2697809C1 (en) 2018-07-26 2018-07-26 Method of controlling concentration of acetone in air exhaled by a human, and a device for realizing it
RU2018127599 2018-07-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020022930A1 true WO2020022930A1 (en) 2020-01-30

Family

ID=67640566

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000142 WO2020022930A1 (en) 2018-07-26 2019-03-04 Method for monitoring the concentration of acetone in air exhaled by a person and device for the implementation thereof

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2697809C1 (en)
WO (1) WO2020022930A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3830630A (en) * 1972-06-21 1974-08-20 Triangle Environment Corp Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis
US20070229818A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-04 Yixiang Duan Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics
RU2368904C2 (en) * 2006-09-28 2009-09-27 Открытое Акционерное Общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ОАО "ПО ЭХЗ") Diabetes mellitus express-diagnostic method
RU2597943C1 (en) * 2015-07-15 2016-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3830630A (en) * 1972-06-21 1974-08-20 Triangle Environment Corp Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis
US20070229818A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-04 Yixiang Duan Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics
RU2368904C2 (en) * 2006-09-28 2009-09-27 Открытое Акционерное Общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ОАО "ПО ЭХЗ") Diabetes mellitus express-diagnostic method
RU2597943C1 (en) * 2015-07-15 2016-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2697809C1 (en) 2019-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7192782B2 (en) Method and apparatus for determining marker gas concentration in exhaled breath using an internal calibrating gas
Lewicki et al. Real time ammonia detection in exhaled human breath using a distributed feedback quantum cascade laser based sensor
US20070081162A1 (en) Method And Apparatus For Determining Marker Gas Concentration Using An Internal Calibrating Gas
US7300408B2 (en) Spectroscopic breath analysis
Wang et al. An acetone breath analyzer using cavity ringdown spectroscopy: an initial test with human subjects under various situations
JP2017528704A (en) Apparatus and method for measuring the concentration of components in a gas mixture
US20220287588A1 (en) Universal portable breath content alayzer
JP3181863U (en) Raman analyzer
US11221295B2 (en) Gas phase fluorescence analysis
Zhou et al. Pressure optimization of an EC-QCL based cavity ring-down spectroscopy instrument for exhaled NO detection
Mürtz Breath diagnostics using laser spectroscopy
Popa et al. The level of ethylene biomarker in the renal failure of elderly patients analyzed by photoacoustic spectroscopy
US8237927B1 (en) Multi-color cavity ringdown based detection method and apparatus
CN114235742B (en) Breathing gas-based large-class marker composite spectrum detection system and method
Guimarães et al. Near Infrared Raman Spectroscopy (NIRS): A technique for doping control
Li et al. WMS based dual-range real-time trace sensor for ethane detection in exhaled breath
CN112255192B (en) Multi-component trace breathing gas cooperative measurement method based on spectral inversion
WO2014132077A1 (en) Apparatus and method of breath volatile organic compound analysis and calibration method
RU2697809C1 (en) Method of controlling concentration of acetone in air exhaled by a human, and a device for realizing it
RU2597943C1 (en) Method of monitoring acetone low impurities in the expired air and device for its implementation
Mürtz et al. Online monitoring of exhaled breath using mid-infrared laser spectroscopy
Namjou et al. Breath-analysis using mid-infrared tunable laser spectroscopy
Tuzson et al. Human breath acetone analysis by mid-IR laser spectroscopy: development and application
JPH10142153A (en) Method and instrument for optical measurement of component in exhalation
Mitscherling et al. Non-invasive and isotope-selective laser-induced fluorescence spectroscopy of nitric oxide in exhaled air

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19840563

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC - FORM 1205A (04.08.2021)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19840563

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1