CN102368953A - 具有由气体除湿器和气体转换器构成的组合的气体分析设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过具有至少一个气体传感器(15)的气体传感器单元(13)测量呼出空气中的一氧化氮的装置，该装置具有用于气体转换的装置(11)，其中在用于气体转换的装置的前面连接用于空气除湿的装置(19)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量呼吸气体中氧化氮(NO)的浓度的装置以及一种用于测量NO的浓度的方法。
背景技术
氧化氮(一氧化氮，NO)以很小的数量从呼吸道的细胞连续地释放到呼吸气流中。对于诊断以及最佳地治疗哮喘和其它发炎的呼吸道疾病，NO是一种重要的标志。在发达工业国家中，哮喘对于大约5％的成人和大约20％的儿童属于最常发生的疾病。在诸如哮喘的呼吸道的发炎过程中，在呼出空气中出现80ppb(parts per billion，十亿分率)的增大的NO浓度。即将发生的哮喘病发通过呼出空气的NO含量的上升可以比通过肺功能测试明显更早地识别出来。由此呼出空气中的NO测量是一种用于对哮喘以及其它发炎性呼吸道疾病进行诊断和治疗过程控制的优选方法。
目前在市场上还不能获得具有在ppb范围所要求的灵敏度的有价值的NO传感器。基于“悬浮式栅极EFT”技术的新开发的NO2传感器与上述要求相应。但是必须在这种传感器的前面连接用于将呼吸气体中的NO转换为能被该传感器检测到的NO2的转换模块。这种转换模块在理想情况下应当保持数月或甚至数年、便宜并且以尽可能高和恒定的转换速率将NO转换为NO2。
一氧化氮向二氧化氮的转换根据以下反应等式进行：
一氧化氮向二氧化氮的转换可以在呼吸气体传感器设备中通过用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置进行，例如通过将(呼吸)空气传导经过氧化剂(例如高锰酸钾)或者氧化催化剂。
另一个问题是NO2比NO明显更好地溶于水。因此需要一种方法来尽可能恒定以及可量化测量地保持转换后的NO2在潮湿的呼吸气体中的浓度。由于NO2在水中更高的溶解性，在具有高湿度含量的(呼吸)空气中一部分(转换后的)NO2溶解在水中，可测量的NO2的浓度下降，并且测量到看起来太低的NO含量。
发明内容
为了能够量化地测量NO含量，根据本发明提出一种呼吸气体分析设备，其中，呼吸空气被引导首先通过用于空气除湿的装置以及接着通过用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置。
除了稳定和减小溶解在潮湿空气中的NO2的数量之外，该方法还具有其它优点，即，通过对空气除湿减小气体传感器对空气湿度的可能存在的横向灵敏度，或通过定义的设置将空气湿度设置在定义值。另一方面，由此实现了可选的明显减少能量需求的设备：具有露点典型为35-38℃的呼吸在处于室温的设备中引起湿气的冷凝，该冷凝可能导致测量误差或者当测量室相对于环境很好地封闭时导致测量室被水充满。通常，为了防止这种效果将该测量室加热到呼吸湿度的露点温度以上，该加热带来了典型的若干W的能量需求，以及导致在运行准备好之前的等待时间(加热阶段)。通过气体除湿器可以放弃该加热，并且构造出具有较小的能量需求的小设备。
本发明尤其是涉及一种用于通过具有至少一个气体传感器的气体传感器单元测量呼出空气中的一氧化氮的装置，该装置具有用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置，其中，在用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置的前面连接用于空气除湿的装置。
完全一般性地，本发明涉及一种用于通过具有至少一个气体传感器的气体传感器单元测量呼出空气中的气体分析物的装置，该装置具有用于气体转换的装置，其中，在用于气体转换的装置的前面连接用于空气除湿的装置。
优选的，所述气体分析物是一氧化氮，所述用于气体转换的装置是用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置。
优选地，所述气体传感器是对NO2灵敏的FET传感器。
所述氧化可以通过将(呼吸)空气传导通过氧化剂(例如高锰酸钾)或者氧化催化剂进行。
优选地，设置指示器，该指示器显示吸水程度，或者如果空气在通过用于空气除湿的装置之后的水含量超过临界的阈值则进行显示。
根据一种实施方式，使用化学干燥剂来进行空气除湿。
存在不同类型的干燥剂：
-通过化学反应来干燥＝不可逆
-通过形成晶体水来束缚水
-可逆地在分子筛中吸收
合适的干燥剂尤其是氯化钙、硫酸铜、硅石或沸石、蓝色凝胶、橘色凝胶等等。蓝色凝胶和橘色凝胶同样由硅胶组成，但是包含显示吸水程度的指示器颜料。
根据本发明的一种实施方式，用于空气除湿的装置作为消耗品被设置在单独的单元中，该单独的单元在所述装置消耗时(例如在吸水容量耗尽时)可以被单独更换。
根据本发明的一种实施方式，用于空气除湿的装置是用于空气除湿的电干燥装置，例如电加热装置或电冷凝装置。
根据本发明的一种实施方式，用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置作为消耗品被设置在单独的单元中，该单独的单元在该装置消耗时(例如在氧化容量耗尽时)可以被单独更换。
根据本发明的一种实施方式，用于空气除湿的装置与用于将一氧化氮氧化为二氧化氮的装置一起作为消耗品被设置在单独的单元中。
一种如上所述的单独的单元优选地无需其它工具(例如通过一个或多个简单的插塞连接)而可更换地设置在呼吸分析设备上。
根据本发明的一种实施方式，所述气体传感器单元具有对NO2灵敏的场效应晶体管传感器(FET传感器)。
由于反应焓是负的，因此该反应朝着转换为NO2的方向进行，也就是说，该反应只需要通过一种催化剂来实现。为此要注意即使在呼出的空气中大部分仍然是存在于环境空气中的氧气，因为只有一小部分氧气在呼吸时被消耗掉。
附图说明
下面借助示例并结合附图描述本发明，附图中：
图1示出了本发明装置的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示例性和示意性地示出了具有转换模块11和气体传感器单元13的本发明装置1的实施方式。呼出空气通过引入管道21被引导至单独的单元11中，在该单元11中设置用于氧化一氧化氮的装置17。在该装置17的前面连接用于空气除湿的装置19，例如以化学干燥剂的形式，诸如硅胶、硫酸铜等等。通过管道23在该转换之后将呼出气体引导至气体传感器单元13中，在该气体传感器单元13中设置对NO2灵敏的气体传感器15。
可选地，可以实施为一次性物品(Disposable，用后可丢弃)的单独的单元11或者可在该单独的单元上插入的流通道系统包含单向阀门(例如止回单向阀)(未示出)，从而使用者可以不再吸入一次性呼出到该模块中的空气并且可以再次吸气。
转换模块和/或除湿模块11可以构成为，使得例如颜色转变或其它可察觉的变化显示该模块何时耗尽以及何时必须更换。除了用于观察颜色转变的窗口之外还可以设置比较色标。
此外，该模块可以可选地包含用于再生消耗了的反应化学试剂的装置。从而除湿模块11可以包含诸如加热丝的加热装置，利用该加热丝可以再次烘干所沉积的湿气。在这种情况下，在模块11上以及在分析设备上集成了用于运行再生装置的接触接口。
在另一种实施方式中，转换模块和/或除湿模块11通过可从外部进入的孔道(Schacht)插入到紧靠测量室之前或测量室之中，从而被转换的气体可以时间上接近转换地被测量到，并且通过调节出化学平衡来避免浓度变化。在该实施方式中，转换模块和/或除湿模块11有利地位于流通道系统中的阀门(未示出)之后，从而转换模块在阀门关闭时(例如在测量设备的无源的未使用状态下)不受环境影响。
在此，以在NO转换为NO2之后测量NO2为例描述了所提出的设备和方法，但是一般地气体转换器和气体除湿器的组合也用于其它气体。
通用地，第一级的呼吸通过除湿器引导。该除湿器被构造为，使得该除湿器是针对呼吸而定义和限制的正向阻力，以及保证干燥剂与呼吸空气的高的接触表面。在此，合适的几何特性例如是使用具有蓬松和开孔的颗粒层的腔(Kammer)，该颗粒包含干燥剂，或者是使用具有大量通道的结构(类似于排气催化剂)，其中这些通道的表面具有干燥剂。
合适的干燥剂是如下的物质：其强烈和定义地束缚湿气但是让目标气体不加改变地通过，例如：
具有合适的、内部的、束缚水的多孔结构的物质，诸如硅胶(＝Keiselgel)、沸石，
吸引水的盐和矿物质，诸如氯化钙、皂土、矾土，
形成水的聚合物，诸如经过干燥的聚合葡萄糖、聚硅醚，
形成水的氧化物，诸如P2O5、SO3。
作为气体传感器15例如使用基于晶体管的对NO2灵敏的传感器。在根据逸出功测量原理进行氧化氮检测的情况下，已知许多其中将对气体灵敏的层作为栅极电极的场效应晶体管。该栅极电极可以通过空气隙与该场效应晶体管的所谓通道区域分离开。进行检测的测量信号的原理是栅极和通道区域之间的电位改变(ΔVG)。在德国专利申请Nr.19814857.7以及Nr.19956806.5中，例如描述了实施为CMOS晶体管的气体传感器的混合倒装结构(Flip-Chip-Aufbauten)。此外，气体传感器可以装备两个场效应晶体管，这些场效应晶体管的调节行为通过在通道区域与栅极电极之间近似相同大小的空气隙得到补偿，并且可以单独读取它们的传感器层。在德国专利申请Nr.19956744.1中描述了场效应晶体管的栅极电极与通道区域之间的距离如何通过最精确的距离保持器可再现地显示。另一种构成在于，对气体灵敏的材料以多孔的形式敷设在通道区域或栅极上。
对气体灵敏的、在所谓的SGFET(悬浮式栅极场效应晶体管)中使用的层有利地可以是卟吩颜料，诸如具有中心原子铜或铅的酞氰染料。在传感器温度位于50°与120°之间的情况下，可以证明直到下ppb范围的氧化氮灵敏度。该检测如常见的那样以二氧化氮为目标。
与用于检测氧化氮、尤其是二氧化氮的对气体灵敏的层不同的适用在对气体灵敏的场效应晶体管中的材料，是在80°与150°之间的温度时工作的微晶的金属氧化物。它们尤其可以是SnO2、WO3、In2O3，同样可以考虑由碳酸盐系统构成的盐(如碳酸钡)或聚合物(例如聚硅醚)。
优选地，转换模块尽可能靠近传感器地设置，例如设置在测量室的入口处或者集成在测量室本身内，由此转换后的气体可被尽可能直接地测量。
在本发明的实施方式中，除湿模块和转换器模块一起设置在用后可丢弃装置中，使得除湿模块首先被测量气体通过。
在本发明的替换实施方式中，该用后可丢弃装置模块化构造，使得除湿模块和转换器模块可以分开更换。这在两个模块以不同速度消耗并且因此可以在在明显不同数量的测量周期中使用时是有利的。
在本发明的另一种实施方式中，所述用后可丢弃装置还包含微粒过滤器，用于避免测量设备被细菌污染。合适地，例如是相应的HEPA过滤器(HighEfficiency Particulate Airfilter，高效微粒空气过滤器)。该过滤器应当足够微孔，以便从空气流中滤除细菌或病毒或类似的杂质，但同时提供小的流动阻力。
根据另一种实施方式，具有空气除湿器的转换模块集成在传感器元件本身内(混合的或整体的)。这可以通过多层结构进行(例如除湿层，氧化催化剂层，传感器层)或者通过整体结构实现(传感器表面位于同一个载体上，并且均匀地或异质地与催化活性物质和除湿剂混合)。
此外可以设置加热装置或干燥装置，以再生用于空气除湿的装置。
优选地，加热装置可以设置在转换模块的表面上或者集成在转换模块的材料中，该加热装置又再生出氧化能力和/或用于对模块进行空气除湿的能力。
加热装置可以自动运行，例如通过测量运行小时来控制，或者通过测量经过所述模块的气体流来控制。在另一种实施方式中，气体分析设备以可选择的、用于质量控制或校准的时间间隔被施加具有定义的NO浓度的校准气体。该校准过程还可以用于测量转换模块的效率以及在该效率下降时激活再生。
根据一种实施方式，干燥剂被设计为(材料过量)，使得即使在呼吸的湿度含量波动的情况下(例如由于体温上升)也在此之后达到恒定的呼吸的湿度含量。
还可以使用假设的取决于湿度的传感器。
根据一种实施方式，干燥剂被敷设在一种开孔的基质以用于调节定义的呼吸阻力。替换地，还可以代替地在所述装置中设置开孔的材料或纤维编织层，以便在设备中定义呼吸阻力。
整个系统的主要优点在于，使用一种非侵入式的测量方法。这些测量可以大量重复并且由此还可以特别用于在治疗时、在诊断儿童的哮喘时、在早期识别哮喘时用于过程控制或者用于预防性医疗措施。通过使用不消耗的催化剂，本发明的装置无需维护并且使得可以进行成本低廉的测量。因此，在此所提出的系统也适用于在医院和诊所之外使用。
Claims (10)
1.一种用于通过具有至少一个气体传感器的气体传感器单元测量呼出空气中的至少一种气体分析物的装置，该装置具有用于气体转换的装置，其中，在所述用于气体转换的装置的前面连接用于空气除湿的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，设置指示器，所述指示器显示吸水程度，或者如果空气在通过用于空气除湿的装置之后的水含量超过临界的阈值则进行显示。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还具有化学干燥剂来用于空气除湿。
4.根据权利要求3所述的装置，具有用于再生所述化学干燥剂的装置。
5.根据权利要求1或2所述的装置，还具有电干燥剂来用于空气除湿。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述用于空气除湿的装置和/或所述用于气体转换的装置作为消耗品被设置在单独的单元中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，还具有微粒过滤器。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，还具有单向阀，使得使用者能够不再吸入一次性呼出到所述装置中的空气并且能再次吸气。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述至少一个气体分析物是一氧化氮，所述用于气体转换的装置是用于将一氧化氮转换为二氧化氮的装置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述气体传感器是对NO2灵敏的FET传感器。
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