CN102565183A - 光致电离检测器及其关联的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为“光致电离检测器及其关联的方法”。提供一种光致电离检测器(PID)，用于选择性地确定呼吸样本中存在的多种合成物或气体。该P ID包括基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极以及至少一个放大电路；以及紫外(UV)电离源，以将UV光束传送到气体电离室中。还提供一种包括该PID的系统。还提供一种使用PID检测呼吸中的多种合成物或气体的响应模式的方法。

Description

光致电离检测器及其关联的方法
技术领域
本发明涉及挥发性气体检测器和用于检测呼吸中的挥发性气体成分的方法，并且更具体来说涉及光致电离检测器和用于使用光致电离检测器检测呼吸中的挥发性气体成分的方法。
背景技术
人呼吸中存在的挥发性气体成分可以揭示此人的健康状况。例如，患有糖尿病、肾功能衰竭、或高胆固醇的患者可以在他们的呼吸中分别含有高浓度的丙酮、氨或异戊二烯。反应氧物质(reactiveoxygen species)将多不饱和脂肪酸氧化，从而排放脂质自由基(lipidbased free radical)并最终在呼吸中作为氧化应激的标记排放挥发性烷烃和甲基化烷烃。因此，呼吸分析是一种筛查患者的途径，用于通过可靠、无创、无痛和低成本的方法来进行某些疾病的早期检测。通过多种方法或诸如电化学传感器、光致电离传感器和半导体传感器的传感器技术能够确定可用作特定疾病的生物标记的化合物的类型和浓度，多种方法例如气相色谱分析、激光光谱测定、离子淌度光谱测定。呼吸分析中的最新发展是使用光致电离检测器(PID)来筛查患有某些疾病的患者。
典型的PID包括具有高能光子的电离源、电离室和离子检测器。该PID能够检测挥发性有机气体。在PID中，将高能光子导向电离室以用于与气体分子撞击，其中如果光子的能量大于分子的电离势，则这些光子将气体分子电离。这些电离的分子可作为离子和电子通过电方式被检测到。
虽然可以使用基于PID的传感器来将响应信号与电离中的变化相关，但是此类响应信号可能受到其他干扰信号有害影响，从而产生信号假象。这些信号假象还可能包含非期望的信号响应，例如由诸如水、乙醇或一氧化碳的一个或多个干扰分子生成的响应。这些分子本文中称为干扰物质，具有高电离势，并且能够阻挡或吸收UV光子，这降低了检测器的灵敏度。现有技术的PID中的问题在于随样本及内部电极和外部电极释放的金属原子引入的杂质，这些杂质可能沉积在UV灯的光学窗口上从而形成覆盖层并降低发自该灯的UV光的强度。此覆盖层降低PID的灵敏度，并且需要使用已知浓度的可检测气体的样本来重新校准PID。常规PID还由于金属电极的原因而受到不稳定的基线电流的影响，这些金属电极暴露于高能光子下并释放自由电子，即使在不存在可电离气体时仍可能产生基线电流。需要利用参考来频繁地校准PID，以便重新构建正确的基线电流。
因此，期望有一种PID传感器，能够高选择性和高效率地检测呼吸中的化学成分。期望该PID是具能量效率的，能够针对便携式应用进行微型化，无需频繁地校准，并且对于周围的挥发性气体的浓度变化具有快速的响应。
发明内容
本发明涉及PID，以及能够感测呼吸样本中存在的挥发性气体的相关传感器系统和用于制作和使用这些传感器的方法。使用这些PID或传感器系统解决了与高选择性和效率相关的问题。
在一个实施例中，一种光致电离检测器(PID)，包括基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极和至少一个放大电路；以及紫外(UV)电离源，其将UV光束传送到该气体电离室中。
在另一个实施例中，一种光致电离检测器(PID)，包括基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极和加热元件；紫外(UV)电离源，其将UV光束传送到气体电离室中；温度传感器；以及与基片操作关联的温度反馈控制电路。
在另一个实施例中，一种用于测量气体混合物中的合成物的系统，包括光致电离检测器(PID)、光致电离检测器(PID)和压力传感器，其中该PID包括至少一个紫外(UV)电离源和基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极和至少一个放大电路。
在本发明的方法的一个示例中，通过光致电离检测器(PID)测量呼吸样本中的合成物的方法包括：将呼吸样本引入到光致电离检测器中，将紫外(UV)光束传送通过呼吸样本；电离呼吸样本；以及检测呼吸样本中合成物的量。
附图说明
当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，其中：
图1是本发明的光致电离检测器(PID)的非限制性实施例的顶视图的示意图，该光致电离检测器(PID)包括集成电路放大器。
图2是本发明的PID的非限制性实施例的顶视图的示意图，该PID包括集成的加热器和温度传感器。
图3A至3F是具有逐层布置的基片的截面图的示意图。
图4A是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括具有孔的第一层、第二层和第三层。图4B是包括具有孔的第四层的相同PID基片设计的顶视图的示意图。
图5A是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括具有槽口的第一层、第二层和第三层。图5B是包括具有槽口的第四层的相同PID基片设计的顶视图。
图6A至图6D是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，这些PID基片设计包括分别具有孔的第一层、第二层、第三层和第四层。
图7A是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括具有层叠在一起的离子感测电极的第一层、第二层和第三层。图7B是包括具有层叠在一起的离子感测电极的第四层的相同PID基片设计的顶视图的示意图。
图8A至图8D是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括具有孔的第一层、第二层、第三层和第四层，并且包括起条栅电极(fence electrode)的作用的加热器。
图9A至图9D是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括具有槽口的第一层、第二层、第三层和第四层，并且包括起条栅电极的作用的加热器。
图10A至图10D是PID基片设计的一个示例的顶视图的示意图，该PID基片设计包括在更长的集成电路板上具有槽口的第一层、第二层、第三层和第四层，并且在第二层处包括加热器。
图11是本发明的PID的校准图形。
图12是测量在进食之前从三个不同受检者收集的呼吸样本的多种成分的本发明的PID的信号输出的图形。
当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，其中：
具体实施方式
该PID的一个或多个实施例调适成检测呼吸中存在的挥发性气体或合成物的光致电离。在一些实施例中，可以在系统中使用该PID。
在这些实施例的一个或多个实施例中，该PID包括基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极以及至少一个放大电路；以及UV电离源，其将UV光束传送到气体电离室中。
该基片还包括加热元件。该加热元件稳定PID的温度并防止PID中的凝结。该加热元件可以是薄膜加热器、加热板、固态加热器、灯丝加热器、加热带或具有加热元件的任何加热器。一般地，加热元件保持PID电离室的近似恒定的温度并防止来自进入气体的水凝结。在正常操作中，加热元件将电离室加热到约300℃，但是高于进入PID的气体的温度的任何温度(例如，40至50℃)都足够防止凝结。在没有加热元件的情况下，当PID比环境空气冷时，水汽可能凝结在光学窗口和电极上。光学窗口上的凝结阻挡UV光，电极上的凝结导致电极之间的泄漏电流。加热元件将电离室中的光学窗口和电极加热以防止凝结。此外，加热元件和温度传感器能够通过温度反馈控制回路将PID保持在最优操作温度或恒定的操作温度处并消除因温度变化导致PID的基线波动或零信号。在一个实施例中，将加热元件和离子感测电极集成到基片。
该基片还包括温度传感器。该温度传感器在感测PID中温度改变中是有用的。该基片还包括温度反馈控制电路。该温度传感器、温度反馈控制电路和加热元件可以操作关联的方式存在，以便当PID的温度不同于期望的操作温度时，基于温度传感器的输出和温度设置点生成误差信号。该温度反馈控制电路基于误差信号来激活或关闭加热元件，以将PID的温度保持于预设的温度点。
在另一个实施例中，PID包括基片，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极以及加热元件；以及UV电离源，其将UV光束传送到气体电离室中；温度传感器；以及与该基片操作关联的温度反馈控制电路。在本实施例中，该PID还可以包括放大电路。
可以将一对电极设在基片上并且可以将其耦合到气体电离室。在一个实施例中，可以将一对电极设在放大电路上并且可以将其耦合到气体电离室。电极的非限制性示例可以包括交指型电极、离子感测电极、光电发射电极或放电电极。在一些实施例中，可以存在两对电极。在这两对电极中，一对可以用于测量电离的分子，而另一对可以用于监视光电发射电流。离子检测器的电极可以具有多种形状。电极配置的非限制性示例可以包括交指型电极、组合的电极、分离的电极、平行板电极、单层电极和多层电极。该多层电极可以包括交替的导电层和介电层。在多层电极的一些实施例中，该电极由多个导电层制成，或该电极由多个介电层制成。该基片还可以包括包括介于一对离子感测电极之间的一个或多个电极以消除基片电流干扰。在一对离子感测电极之间使用的此电极本文中也称为条栅电极。该条栅电极防止两个离子感测电极之间的离子渗漏。
两个电极之间的泄漏电流导致的干扰称为“基片电流干扰”。在高电压中，电流从电极的表面或边缘泄漏。将两个导体设在绝缘基片上以形成离子感测电极。在感测操作期间，在测量气体样本的离子电流的两个电极(本文中用作离子电流测量电极)之间施加偏置电压。但是，泄漏电流可能流经绝缘基片的表面。该泄漏电流导致对离子电流的干扰。减少泄漏电流的一种方法是在这两个离子感测电极之间使用第三电极。通过将第三电极接地或连接到特定的电压源，泄漏电流可以经由第三电极流到地线或流到特定电压源，而非到达两个测量电极。
这些离子感测电极吸引UV光子撞击可电离的气体分子时形成的正离子。静电计与离子感测电极操作关联地存在。该离子感测电极测量离子电流，并且静电计将离子电流转换成电压，该电压与离子浓度成正比。离子的浓度提供气体样本中存在的化合物的当量值的测量。UV光子撞击光电发射电极，这可能释放电子，但是这些电子通常被吸引回光电发射电极，并不会贡献离子感测电极之间的基线电流。该光电发射电极测量电子数，其指示UV灯的状况。
该基片由一个或多个导电层、介电层或导电层与介电层的组合制成。该基片由金属、陶瓷、玻璃、聚合物或其组合制成。在一个实施例中，该基片由选自如下集合的半导体材料制成：硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化铝、磷化铝、氮化硼、磷化硼及其组合。该基片可以是例如，陶瓷基片、印刷电路板或硅基片。基于陶瓷的多层基片可以由低温共烧陶瓷技术来形成。在一个实施例中，该基片是印刷电路板。在基片的上表面上进行导电层沉积和图案化可形成离子感测电极。该加热元件可以存在于基片的上表面上或基片的下表面上。在一个实施例中，基片的导电层可以起加热元件的作用。
该基片可以是单层或多层的。该多层基片可以包括交替的导电层和介电(或不导电)层。在多层基片的一些实施例中，其包括多个导电层或多个介电层。该多层基片可以包括第一层、第二层、第三层和第四层。在非限制性实施例中，该基片可以包括多于四个的层。在一个实施例中，该基片的第一层可以包括至少一对离子感测电极、放大电路和至少一个电离室。该基片的第二层可以包括连接到UV灯的一对电极，以及连接到基片固定UV灯的灯座。在另一个实施例中，该基片的第一层还可以包括基片上的加热元件。该基片的第一层可以包括基片上的温度传感器。在一些其他实施例中，该基片的第二层可以包括基片上的加热元件和温度传感器。该多层基片可以具有两个或两个以上导电层之间的一个或多个间隙或沟道。该电离室可以在基片上的两个介电层之间的一个或多个间隙或沟道中形成。
该基片包括一排孔或开槽。这些孔或开槽提供开放空间以将分子电离，并且配置为气体电离室。这些孔或开槽还起多种层之间的连接针的作用。这些开槽在形状上主要是矩形。在一些实施例中，该基片可以包括多个层，其中最上层和最下层具有孔或槽口。在这些实施例中，中间层具有空隙空间，这形成用于气体电离的电离室。气体通过这些孔或槽口到达这些空隙空间，而UV光束沿着垂直方向通过气体，这导致气体分子的电离。该气体电离室可以包括离子感测电极以确定离子电流。该气体电离室还包括扩散器以调整流入气体电离室的受控气流。
该UV电离源是紫外灯(UV灯)或发光二极管(LED)。在一个实施例中，该UV电离源直接固定在灯驱动器板上。该UV电离源以约100nm至210nm的频率范围传送UV光。当外部电场激发UV灯时，产生UV辐射，其中该UV辐射可以采用UV光束的方式。将UV光束引导到与气体流的路径垂直的气体电离室。在一些实施例中，将该UV电离源直接固定于基片。在一些实施例中，可以使用多个UV灯来提供针对呼吸样本中存在的多种合成物的选择性。呼吸中的不同合成物具有变化的PID电势，因此使用低能UV灯和/或使用不同UV灯的组合提供固有的选择性。该UV电离源能够选择性地提供多于一种能级的UV光。该UV电离源选自8.4eV、9.6eV、9.8eV、10eV、10.2eV、10.6eV或11.6eV的UV灯或多于一个的前文的UV灯的组合。不同的气体具有不同的发射波长，因此，具有不同的电离能。用于UV灯的典型惰性气体是氪、氙和氩。例如，氪具有范围从约10至10.6eV的电离能，氙具有范围从约8.4至9.6eV的电离能以及氩具有11.7eV的电离能。
用于PID的常规气体放电UV灯是包含两个板的密封玻璃封罩。经由从板延伸出玻璃封罩的引线施加到板的高电压促成气体中的辉光放电过程，其在封罩中被捕获。辉光放电过程生成UV光子，UV光子经光学窗口离开封罩并照射PID的电离室。
该UV电离源将电离室中的气体电离，并通过离子感测电极测量离子及生成响应信号。该响应信号可以是由于离子感测电极上的离子浓度的变化而生成，并且该响应信号对于控制而言是可检测的。多种合成物的电离的程度相对于电离能而言是不同的，并且合成物的电离生成离子，这产生表示不同合成物的响应信号。
PID还包括直流(DC)电压源。该DC电压源对离子感测电极生成高电压。离子感测电极连接到高电压DC源，高电压DC源提供10-200V的DC电压。
典型的PID感测离子，并生成皮安至微安量级的信号输出。为了实现对此小电流的精确测量，使用电流放大器将该信号放大成足够大的电压信号，此电压信号可以被记录。该PID包括至少一个放大电路，该至少一个放大电路将离子感测电极生成的响应信号放大以形成放大的信号。将放大的信号传送到处理器，其中该处理器可以与该PID操作关联地存在。该至少一个放大电路选自跨阻抗(transimpedance)放大电路或电流至电流放大电路。跨阻抗放大器将电流转换成电压并放大此信号。制作跨阻抗放大器的一种方式是使用具有电阻反馈的高增益运算放大器。这些反馈电阻器确定此跨阻抗增益。如Vb1的偏置电压作用于运算放大器的正极端，并确定基线输出电压。在高灵敏度应用中，可以添加防护环(guard ring)以减少杂散泄漏电流破坏进入放大器的信号。
该基片可以具有滤波电路。该滤波电路可以减少测量噪声。该噪声可能是因基片电流干扰、温度变化、湿度干扰、电磁干扰、电容耦合、电感耦合或其他电化干扰而随该信号生成。为了减少基片电流干扰，将一对电极的一个电极附接到地或电压源，其中该电极消除泄漏电流。温度的变化可能生成温度引起的噪声，可以使用温度反馈控制电路来将其消除。使用加热元件，可以消除湿度引起的噪声。该加热元件保持PID的内部温度并减少凝结。将PID封装在金属屏蔽体内可以消除电磁干扰。使用放大器来将电容耦合或电感耦合生成的噪声减到最小。将放大器布置在离子感测电极的紧靠附近可以减少电化学干扰或其他干扰。当测量sub ppb至ppm范围中的低浓度目标分子时，离子电流是非常小的。任何测量噪声或干扰都可能影响如此小的电流的测量。减少噪声或干扰的一种方法是在离子感测电极的紧靠附近具有放大电路，这将耦合噪声和干扰减少到最小。显著的噪声减少可以生成突出且清晰的信号，这可以提供精确地测量多种合成物的电离的分子。
该PID检测气体混合物中存在的化合物、挥发性气体、或挥发性有机合成物(VOC)。例如，PID检测呼吸样本中存在的化合物、挥发性气体、或挥发性有机合成物(VOC)。该PID配置成检测脂肪烃、芳烃、乙醛、酮、或乙醇。该PID配置成检测丙酮、异戊二烯、氨、乙醇、甲醇、乙烷、戊烷、或苯。在特定实施例中，该PID配置成检测丙酮。为了使用PID选择性地检测呼吸中的合成物，可以使用不同的UV灯的组合，同时减去或补偿其他合成物的干扰的贡献。该取样方法可以实现成使得仅某些化合物被收集并引入到PID检测器以防止干扰。该取样方法可以是基于膜的、基于预浓缩器阱的、或其他类型的分离方法，例如气相色谱分析、或气体过滤器，但是一些类型的半分离方法也可能是有用的。对于基于预浓缩器阱的方法的示例，能够由Carbotrap X捕获丙酮，但是此材料将不会捕获更大的分子。不同的方案可以是，感兴趣的分析物可以不停留地流经选择的预集中器阱，同时大多数其他干扰物被捕获。例如，丙酮将通过Carbotrap Y和Carbotrap B，这能够捕获具有从C5-C20的碳链长度的宽范围的VOC。
一种用于测量气体混合物中合成物的系统包括PID和压力传感器。该系统还包括配置成产生指示气体混合物中该合成物的量的传感器响应模式的处理器。该PID包括基片，以及UV电离源，UV电离源将UV光束传送到气体电离室中。该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极以及至少一个放大电路。在备选实施例中，用于测量气体混合物中合成物的系统包括PID、压力传感器和处理器，其中该PID包括基片。该基片包括将UV光束传送到气体电离室中的UV电离源、温度传感器和与该基片操作关联的温度反馈控制电路。在本实施例中，该基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极以及至少一个加热元件。
使用具有0-30英寸水柱范围的压力测量的绝对压力传感器来测量呼吸样本的压力。压力传感器的使用确保经过PID检测的呼吸样本具有压力恒定的适合吹气模式。恒定的压力是在测量期间生成精确的数据所期望的。使用具有0-1英寸水柱的差分压力传感器来基于PID中两个位置处的差分压力测量来测量呼吸样本的流速。流测量的目的是确保向PID提供足够容积的呼吸以便获得精确测量。通常，仅呼气末的呼吸包含正确的离子浓度，可以通过监视某个容积的呼吸样本通过之后的呼吸样本的流速和PID信号来捕获正确的离子浓度。视用户的年龄、身体状况和其他相关参数而定，呼吸样本的初始死容积(deadvolume)可能不同。该系统还包括调整气体混合物流的扩散器。该扩散器耦合到气体电离室。至少一对离子感测电极是丙酮感测电极。该系统还包括气体流速传感器。该气体流速传感器配置成在气体通过气体电离室时检测气体的流速。
该系统还包括CO2传感器。CO2测量是呼吸分析的重要方面。CO2浓度水平确定系统中的多种参数。例如，CO2浓度确定用户呼吸是否可能达到系统的呼气末。呼吸末呼吸的预期CO2浓度在5％左右。因此，CO2传感器可以确保精确的呼气末测量。使用CO2传感器的第二个目的在于提供规格化的参数以比较不同受检者之间的测得数据。多个受检者(个体的人)有不同的新陈代谢率和呼吸通气率，这导致呼吸中不同的VOC浓度。因此，难以比较绝对VOC浓度数据。但是，如果通过呼吸CO2浓度将该浓度规格化，则可以在呼吸分析应用的大型数据库中建立比较。
该系统还包括控制器，该控制器与PID操作关联地存在。该控制器主要调整温度反馈控制单元，并根据PID的温度调整加热元件。该控制器还通过使用加热元件来减少湿度和凝结以控制该系统。
一种通过PID测量呼吸样本中合成物的方法包括收集呼吸样本；将呼吸样本引入到PID中，并将UV光束传送通过呼吸样本，将呼吸样本电离并检测呼吸样本中合成物的量。该方法还生成传感器响应模式。该传感器响应模式量化呼吸样本中存在的每种化合物的量。该方法还包括使用用于保持PID内的温度的加热元件来加热光致电离检测器。该方法还包括由PID中存在的温度传感器来测量PID的温度。该方法还使用温度传感器和加热元件来控制温度反馈控制机构。
现在参考图1和图2，其中图示PID传感器1的两个不同实施例。PID传感器1采用集成的基片结构10，该集成的基片结构10包括电离室4、PID的离子感测电极6和加热元件8。在一个实施例中，基片10由陶瓷制成，具有至少0.1mm的厚度。该PID包括紫外(UV)电离源2，其将UV光束传送到气体电离室中。在图1的实施例中，该PID包括放大器或放大电路12。在图2的实施例中，该PID包括温度传感器14和温度反馈控制单元16。
图3A至3F图示基片10的逐层布置的截面图。基片的示例包括四个导电层和三个不导电层。该第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层分别表示为L1、L2、L3和L4。这4个导电层通过3个不导电层进行电绝缘。在图3A中，L1和L3包括离子感测电极6，其中存在包括条栅电极20的插入层L2。条栅电极20防止离子感测电极之间的电流泄漏。L4包括加热元件或加热器8。在图3B中，L1和L3是离子感测电极6，其中存在作为条栅电极20的插入层L2。L4包括温度传感器22。在图3C中，L1和L2包括UV监视器18，L3和L4包括离子感测电极6，以及L4还包括温度传感器22。在图3D中，L1包括UV监视器18，L2和L4包括离子感测电极6，其中插入层L3包括加热元件8。在图3E中，L1包括UV监视器18，L2包括加热元件8，L3包括离子感测电极6和L4包括温度传感器22。图3F是一个检测器设计的截面图，其中使用第一导电层L1作为温度传感器22，使用第二层L2和第三层L3作为离子检测器6，以及使用第四层L4作为加热元件8。
图4A和4B是PID 1的顶视图，PID 1具有含孔的基片。该PID包括集成电路板28。基片10的这些层通过孔24彼此互连，如图4A和图4B所示。该孔的尺寸在约0.1至1mm的范围内。两个孔的任何一个孔的边缘之间的距离是0.1至0.5mm。在特定实施例中，两个孔的任何一个孔的边缘之间的距离是0.3mm。每个层包括一个或多个连接针26。图4A示出三个层L1、L2和L3，其中加热元件或加热器存在于所有三个层L1、L2、L3上，并且这些加热元件经孔串联连接。该加热元件具有长蛇管设计，其长度可以为约1m。图4B示出层L4，其包括加热元件8和温度反馈控制电路16。
图5A和5B是PID 1的顶视图，该PID 1具有含槽口的基片。在一个示例中，这些槽在形状上为矩形。该PID包括集成电路板28。该基片的这些层通过槽口30彼此互连，如图5A和图5B所示。在一个示例中，槽的每个都具有8mm的长度。在特定实施例中，槽的边缘与集成电路板的边缘之间的距离约为2mm。每个层包括一个或多个连接针26。该PID包括集成电路板28，集成电路板28具有16mm的长度和12mm的宽度。图5A示出三个层L1、L2和L3，其中加热元件或加热器存在于所有三个层L1、L2、L3上，并且这些加热元件通过层互连来串联连接。图5B示出层L4，其包括加热元件8和温度反馈控制电路16。
图6A至图6D是PID 1的顶视图，其包括含孔的集成电路板28。该基片的层通过孔24彼此互连。每个层包括一个或多个连接针26。图6A、图6B、图6C和图6D分别图示四个不同层L1、L2、L3和L4，其中加热元件或加热器存在于所有四个层上，并且这些加热元件通过层互连而串联连接。图6D示出层L4，其还包括温度反馈控制电路16。也存在含槽口的相似设计。
图7A和图7B是PID 1的顶视图，其包括含孔的集成电路板28。图7A示出三个层L1、L2和L3，其中加热元件或加热器存在于所有三个层L1、L2、L3中，并且这些加热元件通过层互连来串联连接。该加热元件具有长蛇管设计，其长度可以为约1m。图7B示出层L4，其包括加热元件8和温度反馈控制电路16。也存在含槽口的相似设计。
图8A至图8D是PID 1的顶视图，其包括含孔的集成电路板28。图8A、图8B、图8C和图8D分别图示四个不同层L1、L2、L3和L4，其中加热元件或加热器存在于所有四个层上，并且这些加热元件通过层互连而串联连接。在L1、L2、L3和L4中，加热元件还作为条栅电极。在层L3中，该加热元件具有长蛇管设计，其长度可以为约1m。图8D示出层L4，其还包括温度反馈控制电路16。图8A中的电极是直线式电极。也存在含槽口的相似设计，如图9A至图9D所示。图10A至图10D中图示PID的另一组示例，这些PID具有集成电路板的多种设计。图10A至10D的设计与上文提到的设计相同，但是集成电路板28比先前的电路板长。该集成电路板的长度约为38mm，宽度约为12mm。
示例
利用一对离子感测电极执行电离电流的测量，如图5所示。由跨阻抗放大器将离子电流转换成电压。使用labview软件分析收集的信号。进行人呼吸测试以评估PID的功能性。在呼吸样本测试期间，通过直接连接到气体管线的细菌过滤器咬嘴(Vacumed MQ303)从人收集样本。水凝结可能由呼吸中存在的水汽所导致。为了避免水凝结，由集成的芯片上加热器将该PID传感器芯片加热到约80℃。
示例1
在人的呼吸中，呼吸期间的气体流速或压力因不同的人而有所不同。分离的测试已显示，2～15L/分钟范围的呼吸流速的变化是可能的。流速的改变影响PID传感器的基线信号(没有丙酮时的背景信号)，从而导致离子测量的不精确。测试已指示，当气体流速在从1至20L/分钟变化时，PID的基线电压可能改变～70mv。基线改变的原因可能部分是由于进入的气体直接冲击在灯和传感器电极上，这导致多种影响，例如电离区中的温度、流速、相对位置和湿度的突变，这些影响的其中之一或其组合可能导致传感器基线电压的变化。为了消除此问题，在刚好在PID传感器之前的气体室中设计并实施气体扩散器片。“I”形扩散器将进入的气体分成两个侧流，并阻挡气体流对传感器电极的直接冲击。测试显示此方法能够在1至20L/分钟的流速范围下将基线电压变化减少到约6mV。
为了进行校准，以含不同丙酮浓度的干丙酮-氮气气体混合物通过该PID传感器检测。图11示出PID传感器的校准数据，以及信号峰值图示不同丙酮浓度下传感器的输出电压，其中使用10eV UV灯。34、36、38和40分别是0.1ppm、0.5ppm、1ppm和2ppm丙酮浓度的信号峰值。
示例2
在脂肪代谢中，乙酰乙酸的脱羧生成丙酮，丙酮是人呼吸中最富含的内源性合成物。健康受检者的丙酮量在约0.2-10ppm的范围内，在患有失控糖尿病的患者体内丙酮含量更高。通过在一天内两个不同时间从三个不同人类个体收集样本执行了测试。通过直接连接气体管线的包含细菌过滤器(Vacuumed MQ303)的咬嘴从每个人类个体收集两个呼吸样本。将该PID传感器预热到79℃来防止来自人呼吸的水凝结。在午饭前约1小时收集一个样本，以及在午饭后约1小时收集另一个样本。图12和表1示出如该PID检测到的呼吸丙酮的传感器响应模式(输出电压)。比较午饭前(图12)和午饭后(未示出数据)获得的信号，如表1所示，在午饭后呼吸丙酮浓度下降约20％，其中以伏特为单位的传感器输出(图12的绘图)表示呼吸样本中存在的以ppm为单位的丙酮的量。此结果与餐后减少的脂肪代谢的普遍认识一致，其中丙酮的量在典型的呼吸丙酮范围内。每个信号峰值的延迟下降(拖尾)可能是由于气体管线中的缓慢离开的残余气体，在本测试的台式装置中其为大约5英尺(4mm I.D.，～19mL容积)。因此，该PID能够量化呼吸样本的不同气体混合物中存在的多种合成物的量。
表1
比较而言，用作控件的两个可购得的PID传感器(例如传感器1和2)显示对应于人呼吸测试的不同失效程度(未示出数据)。传感器1的响应模式(或信号)无法随时间返回基线，其数据在从相同人类个体连续收集的两个不同样本之间不一致。传感器2显示当提供呼吸样本时从基线稍微下降，而非正信号峰值(未示出数据)。因为传感器1和2在现有技术的干气体测试中较好发挥功能，所以认为这些传感器对于人呼吸样本的失效是由于人呼吸的高湿度所致，在室温下这种高湿度可能凝结并在传感器的电极之间形成导电路径。因此，公开的PID能够在可接受的误差极限内量化多种气体的量。
示例3
测试了适于PID的多种呼吸采样方法。在实验中，测试了三种采样方法，如通过细菌过滤器咬嘴(Vacumed MQ303)直接吹气、存储在5L采样袋(SKC)中的预采样的呼吸以及存储在0.25L GaSampler袋(Quintron)中的预采样的呼吸。
与其他两种采样方法比较，5L采样袋显示最一致的结果。由于大容积，5L袋在一段时间上向PID提供稳定的气体流以建立稳定的信号输出。在直接吹气和采用0.25L袋的方法中，停止气体流(停止吹气或袋空)时见到传感器信号下降。据认为当使用袋收集呼吸样本时，水蒸气往往凝结在袋壁上，这减少了进入PID传感器室中的水凝结，因此减少了水离子干扰。这可以解释5L和0.25L袋装样本的情况中，信号振幅较小。0.25L样本具有最小的信号振幅。这主要是由于测试装置的死容积所致。还可注意到，呼吸测试信号和基线小于测试数据。这是因为使用较低的UV灯驱动电压(4V下移到3.5V)来延长UV灯的使用寿命。较低的驱动电压降低从灯发射的UV强度，这将PID传感器灵敏度从40mV/ppm改变为10mv/ppm。
虽然本文仅图示并描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和更改。因此，要明白，所附权利要求应涵盖落在本发明范围内的所有此类修改和更改。
元件表
1.PID传感器
2.UV灯
4.电离室-孔/槽
6.离子感测电极
8.加热器
10.基片
12.放大器
14.温度传感器
16.温度反馈控制电路
18.UV监视器
20.条栅
22.温度传感器
24.孔
26.连接针
28.集成电路板
30.槽
34.用于0.1ppm丙酮信号的峰值
36.用于0.5ppm丙酮信号的峰值
38.用于1ppm丙酮信号的峰值
40.用于2ppm丙酮信号的峰值
42.来自受检者1的、午饭前人呼吸样本中丙酮的峰值
44.来自受检者2的、午饭前人呼吸样本中丙酮的峰值
46.来自受检者3的、午饭前人呼吸样本中丙酮的峰值

Claims (10)

1.一种光致电离检测器(PID)，包括：
基片，其包括：
气体电离室，
至少一对离子感测电极，
和至少一个放大电路；以及
至少一个紫外(UV)电离源，以将UV光束传送到所述基片中的所述气体电离室中。
2.根据权利要求1所述的光致电离检测器，其中，所述基片还包括加热元件。
3.根据权利要求1所述的光致电离检测器，其中，所述基片还包括温度传感器。
4.根据权利要求1所述的光致电离检测器，其中，所述基片还包括温度反馈控制电路。
5.根据权利要求1所述的光致电离检测器，其中，所述至少一个放大电路和所述至少一对离子感测电极并入电防护环以减少泄漏电流信号。
6.一种光致电离检测器(PID)，包括：
基片，其包括：
气体电离室，
至少一对离子感测电极，
以及加热元件；
紫外(UV)电离源，以将UV光束传送到所述气体电离室中。
7.根据权利要求6所述的光致电离检测器，还包括温度传感器和与所述基片操作关联的温度反馈控制电路。
8.根据权利要求6所述的光致电离检测器，配置成检测丙酮。
9.一种用于测量气体混合物中合成物的系统，包括：
光致电离检测器(PID)和压力传感器，
其中所述PID包括至少一个紫外(UV)电离源和基片，所述基片包括气体电离室、至少一对离子感测电极、和至少一个放大电路。
10.一种通过光致电离检测器(PID)测量呼吸样本中合成物的方法，包括：
将所述呼吸样本引入到所述光致电离检测器中，
将紫外(UV)光束传送通过所述呼吸样本；
电离所述呼吸样本；以及
检测所述呼吸样本中所述合成物的量。
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