CN104515727A

CN104515727A - 一种呼吸气体分析装置

Info

Publication number: CN104515727A
Application number: CN201410563108.1A
Authority: CN
Inventors: 姜琛昱; 张运海
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-04-15

Abstract

本发明公开了一种呼吸气体分析装置，包括：激光器、飞行管、光电探测器、压电同步触发器、进气口、抽真空泵和控制器；其中，飞行管内依次间隔设置有第一环形电极、第二环形电极和第三环形电极，所述第一环形电极与所述第二环形电极之间的区域为反向电场区，所述第二环形电极与所述第三环形电极之间的区域为正向电场区。本发明采用激光电离飞行时间质谱的方法对样品进行实时在线分析，分析时间短，可检测的分子量大，分析灵敏度高，检测结果重现性好，测试性能稳定；装置结构简单，生产成本低廉，对检测患者无任何创伤，利于大规模推广应用。

Description

一种呼吸气体分析装置

技术领域

本发明涉及医学检测分析领域，特别涉及一种可用于临床的呼吸气体分析装置。

背景技术

目前，通过分析血液中某些特定成分诊断疾病已经成为现代医学诊断的一种常规手段。而血液中的代谢产物通过气血屏障进入肺部，进而引起呼出气组分的改变，使得排出体外的某些特定气体浓度升高，因而与血液分析相比，呼吸气体分析有着功能上的相似性，又兼具无创性。而实现呼吸气体分析的关键在于，如何实现呼吸气体中低痕量气体的检测。

在现有技术中，用于呼吸气体分析的装置多采用GC-MS(气相-质谱连用)方法，该方法是先采用GC技术实现样品分离与收集，再用MS技术进行定性或定量分析，但这种方法耗时长，无法实现在线分析。此外，有少数的气体分析装置采用传感器技术，但这种技术也极易产生极限漂移，精确度受到影响，导致测试系统不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对病人进行实时、无创采样分析，检测快速、稳定、准确的呼吸气体分析装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种呼出气体分析装置，包括：

激光器，其在水平方向上发射预定波长的激光；

电离罐，其具有中空结构且内部具有供正电荷进行加速的正向电场区，所述电离罐接收待检测的呼出气体，所述激光器发射出来的激光射入该电离罐，以激发所述待检测的呼出气体中的待测定气体粒子发生电离；

检测器，其检测发生电离的带正电荷的待测定气体粒子的运动轨迹和数量，并结合正向电场区的强度，确定呼出气体中的待测定气体粒子成分和数量。

优选的是，所述的呼出气体分析装置，包括：

所述激光器具有波长调节装置，其调节所述激光器发出与所述待检测的呼出气体中待测定气体粒子的电离特性相匹配的预定波长的激光。

优选的是，所述的呼出气体分析装置，包括：

所述电离罐包括：飞行管，其为一水平横置的四周密闭的圆柱形管道；透光片，其设置在所述飞行管正对所述激光器的一端，供激光射入；电极，其设置在所述飞行管的内部，将所述飞行管的内部从靠近所述透光片的一侧至所述飞行管的另一侧依次被分隔成第一无电场飞行区、正向电场区和第二无电场飞行区，其中，所述飞行管的第一无电场飞行区处设置有待检测的呼出气体的进气口；

所述检测器包括：光电探测器，其设置在所述飞行管远离所述激光器的一端，以接收发生电离的带正电荷的气体粒子；控制器，其与所述光电探测器通讯连接，根据所述光电探测器接收到的气体粒子的位置确定运动轨迹，并最终确定气体的成分和数量。

优选的是，所述的呼出气体分析装置，还包括：

抽真空泵，其与所述飞行管联通，控制器控制所述抽真空泵在待检测的呼出气体进入飞行管前，对飞行管执行抽真空操作。

优选的是，所述的呼出气体分析装置，所述电极包括依次间隔设置的第一环形电极、第二环形电极和第三环形电极，所述透光片与所述第一环形电极之间的区域为所述第一无电场飞行区，所述第一环形电极与所述第二环形电极之间的区域为供正电荷进行减速的反向电场区，所述第二环形电极与所述第三环形电极之间的区域为所述正向电场区，所述第三环形电极与所述光电探测器之间的区域为所述第二无电场飞行区；

其中，所述反向电场区的强度为根据待测定气体粒子的分子性质，使得该待测定气体粒子在激光电离激发下产生的带正电荷的粒子的速度在反向电场区的减速作用下，越过反向电场区时，速度为0。

优选的是，所述的呼出气体分析装置，还包括：

压电同步触发器，其设置在所述飞行管的第一无电场飞行区，并与所述激光器通讯连接，所述压电同步触发器通过感应第一无电场飞行区的压力值，判定待检测的呼出气体是否存在，若存在，则触发所述激光器的开启；所不存在，则使所述激光器处于关闭状态。

优选的是，所述的呼吸气体分析装置，所述光电探测器为微通道板光电探测器。

优选的是，所述的呼吸气体分析装置，所述待测气体为人或动物在呼吸过程中的呼出气体。

优选的是，所述的呼吸气体分析装置，所述所述待测定气体粒子为丙酮、一氧化氮或环烃。

优选的是，所述的呼吸气体分析装置，通过抽真空泵将飞行管抽至真空度≤10^-2Pa，且所述压电同步触发器感应到第一无电场飞行区的压力变化值超过200Pa时，判定待测定气体粒子存在。

本发明的有益效果是：1)采用激光电离飞行时间质谱的方法对样品进行实时在线分析，分析时间短，可检测的分子量大，分析灵敏度高，检测结果重现性好，测试性能稳定；2)装置结构简单，生产成本低廉，对检测患者无任何创伤，利于大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的呼吸气体分析装置的侧面剖视图。

图2为本发明所述的呼吸气体分析装置中飞行管的侧面剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在现代医学疾病诊断中认为，丙酮是诊断糖尿病的分子标识物，一氧化氮是诊断支气管疾病的分子标识物，环烃是诊断癌症的分子标识物。当患者患有这几种疾病后，其呼吸气体中相应分子标识物的含量会显著升高，即假设一个糖尿病患者所呼出的气体中丙酮的含量会大大高于正常人，根据这一特征，可以开发设计一款针对这些特殊分子标识物进行定性和定量检测的装置，进而达到快速、无痛、无创诊断的目的。

本案提出一种呼吸气体分析装置，作为可以实现其预期效果的最精简的结构，它可包括：激光器、电离罐和检测器，其中，激光器在水平方向上发射预定波长的激光；电离罐具有中空结构且内部具有供正电荷进行加速的正向电场区，电离罐能够接收待检测的呼出气体，激光射入该电离罐，以激发待检测的呼出气体中的待测定气体粒子发生电离；检测器可检测发生电离的带正电荷的待测定气体粒子的运动轨迹和数量，并结合正向电场区的强度，确定呼出气体中的待测定气体粒子成分和数量。

作为该装置一个较优选的结构，其还包括一个控制电离罐真空度的抽真空泵；电离罐包括飞行管、透光片和多个电极，电极将飞行管划分为多个无电场飞行区和一个正向电场区；检测器包括光电探测器和控制器。作为该装置更优选的结构还包括一个具有感测压力变化的控制激光器开启的压电同步触发器，飞行管内还包含一个反向电场区。

图1和图2为该装置最优选的结构示意图，如图中所示，该最优选结构具体包括：激光器1、压电同步触发器2、进气口3、抽真空泵4、第一环形电极51、第二环形电极52、第三环形电极53、第一无电场飞行区54、反向电场区55、正向电场区56、第二无电场飞行区、光电探测器6、控制器7和飞行管8。

激光器1具有波长调节装置，其调节激光器1发出与待检测的呼出气体中待测定气体粒子的电离特性相匹配的预定波长的激光，在本案中，针对人或动物所呼出气体中的待测定气体粒子的电离特性，激光的波长优选在近红外区，更优选的是激光的波长为600～1200nm，最优选的是激光的波长为800～1200nm。

飞行管8是一个横置的四周密闭的圆柱形管道，它在正对激光器1的一端设置有用于透射激光的透光片，在远离激光器1的一端设置有光电探测器6，该光电探测器6优选为可记录粒子飞行轨迹的微通道板光电探测器。飞行管8内从靠近透光片的一侧依次间隔设置有第一环形电极51、第二环形电极52和第三环形电极53，透光片与第一环形电极51之间的区域为第一无电场飞行区54，第一环形电极51与第二环形电极52之间的区域为反向电场区55，第二环形电极52与第三环形电极53之间的区域为正向电场区56，第三环形电极53与光电探测器6之间的区域为第二无电场飞行区57。

压电同步触发器2设置在飞行管8的第一无电场飞行区54，并与激光器1电连接，压电同步触发器2通过感应飞行管8内的气压变化后，触发激光器1的开启，使激光进入到飞行管8内，与待检测的呼出气体中待测气体粒子发生作用，待检测的呼出气体优选为人或动物的呼出气体。

进气口3连接于飞行管8的第一无电场飞行区54，用于将呼出气体导入飞行管8内。

抽真空泵4与飞行管8相连，用于控制飞行管8内的真空度。

控制器7与光电探测器6相连，用于记录和分析光电探测器6的数据。

该呼吸气体分析装置可检测人或动物呼出气体中的如丙酮、一氧化氮、环烃等特定物质的含量，它的使用方法如下：

步骤1)调节激光器1的波长，以保证某个特定物质如丙酮，可被激发定向电离；随后根据这个特定物质的质量和在被激光激发后所带电荷数来设定第一环形电极51、第二环形电极52和第三环形电极53的电压数值，以保证待测气体粒子受激发后在飞经反向电场区55，到达第二环形电极52时速度为零；并且经正向电场区56加速后，有足够的能量到达光电探测器6。

步骤2)通过抽真空泵4将飞行管抽至真空度≤10^-2Pa，并将待检测的呼出气体从进气口3导入到飞行管8内的第一无电场飞行区54；

步骤3)压电同步触发器2感应到飞行管8内气压变化值超过200Pa时，触发激光器1启动，使激光进入飞行管8内，激发待检测的呼出气体中的待测气体粒子；

步骤4)在电场作用下，不同质荷比的带正电荷的待测气体粒子将以不同的时间飞经正向电场区56和第二无电场飞行区57到达光电探测器6；

步骤5)控制器7记录所有待测气体粒子到达光电探测器6的响应时间和强度，从而将待测气体粒子和其他干扰型的被激发物质区分开，同时根据光电探测器6记录的强度，可对待测气体粒子进行定量分析。本案优选的微通道板光电探测器可根据受激发物质的抛物线状的飞行轨迹在径直方向的距离来计算出待测气体粒子的飞行时间。

医生可通过与分子标识物在人体内的正常含量比较，进而对疾病病情实现无创检测和分析判断。

呼吸气体分析装置的工作原理如下：

呼吸气体进入已经抽至真空度为10^-2Pa的飞行管8中第一无电场飞行区54后，激光与呼出气体中的特有粒子发生作用，通过调节激光的波长或频率，使激光与气体中的粒子实现定向电离，比如：丙酮(C₃H₆O)定向电离为C₃H₅O⁺，NO电离为NO⁺。通过调节反向电压值，使这些粒子经过反向电场区55后，速度先变为0，以便于对粒子的飞行时间进行计算和测定，然后在正向电场区56的加速电场作用下，其动能为：

Eq = \frac{1}{2} {mv}^{2} - - - (1)

其中，E为正向电场区电场强度，v为粒子所获得的速度，m为粒子的质量，q为粒子的电荷数。

在长为L的第二无电场飞行区57中，加速电压恒定的情况下，粒子经正向电场加速后到达无电场区域后作匀速运动，根据v＝L/t，该粒子到达光电探测器的时间为

t = \sqrt{\frac{m}{2 Eq}} L - - - (2)

其中，L为第二无电场飞行区的长度。

(2)式可以写为

\frac{m}{q} = \frac{{2 Et}^{2}}{L^{2}} - - - (3)

由此可以得出，粒子的质荷比只与时间相关，即只需测量粒子到达光电探测器所用的时间就可以区分气体中的所含有的各类物质，而根据粒子的强度大小可定量测定该粒子数量。

本案的呼吸气体分析装置可用于实现血糖、呼吸器官疾病及肺癌的无创检测，但本装置不仅仅局限于这几种疾病的检测，只要某个疾病含有分子标识物，且该分子标识物可被激光激发，发生定向电离，那么本装置皆可适用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种呼出气体分析装置，其特征在于，包括：

激光器，其在水平方向上发射预定波长的激光；

2.如权利要求1所述的呼出气体分析装置，其特征在于，包括：

3.如权利要求2所述的呼出气体分析装置，其特征在于，包括：

4.如权利要求3所述的呼出气体分析装置，其特征在于，还包括：

5.如权利要求4所述的呼出气体分析装置，其特征在于，所述电极包括依次间隔设置的第一环形电极、第二环形电极和第三环形电极，所述透光片与所述第一环形电极之间的区域为所述第一无电场飞行区，所述第一环形电极与所述第二环形电极之间的区域为供正电荷进行减速的反向电场区，所述第二环形电极与所述第三环形电极之间的区域为所述正向电场区，所述第三环形电极与所述光电探测器之间的区域为所述第二无电场飞行区；

6.如权利要求5所述的呼出气体分析装置，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的呼吸气体分析装置，其特征在于，所述光电探测器为微通道板光电探测器。

8.根据权利要求7所述的呼吸气体分析装置，其特征在于，所述待测气体为人或动物在呼吸过程中的呼出气体。

9.根据权利要求8所述的呼吸气体分析装置，其特征在于，所述所述待测定气体粒子为丙酮、一氧化氮或环烃。

10.根据权利要求9所述的呼吸气体分析装置，其特征在于，通过抽真空泵将飞行管抽至真空度≤10^-2Pa，且所述压电同步触发器感应到第一无电场飞行区的压力变化值超过200Pa时，判定待测定气体粒子存在。