CN106574896A - 气体混合物的组分的浓度的测量装置和测量方法 - Google Patents

气体混合物的组分的浓度的测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置，包括：腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；光源，所述光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光具有从230nm到320nm的波长；光传感器，所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过气体混合物的一部分。处理器被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。光源可以包括一个或多个LED，每个LED具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的线宽。该装置可以用于确定呼出气中的丙酮浓度，该丙酮浓度可以指示糖尿病或其他健康状况。

Description

气体混合物的组分的浓度的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于分析气体混合物的装置，特别是用于分析呼出气中组分的装置。更具体地，本发明涉及用于测量呼吸中用于糖尿病诊断/管理或监测脂肪燃烧的丙酮浓度的系统和方法。
背景技术
使用呼吸分析进行医学诊断是强烈的研究工作的主题。除了在分子水平检测致病性变化的能力之外，测量的非侵入和实时性质是该方法的主要优点。
人呼吸中特异性生物标志物的浓度可以与特定疾病的症状相关。例如，已知呼出气中的高浓度的丙酮是糖尿病和脂肪燃烧的生物标志物。非糖尿病患者的呼吸通常含有约0.5ppm的丙酮。已经显示在1型和2型糖尿病患者中存在约0.8-4.0ppm的升高的平均呼气丙酮浓度。已经提出了呼吸中丙酮浓度和血糖水平之间的一些相关性。
糖尿病是全世界公共卫生中最具挑战性的问题之一。它是一种慢性疾病，其影响身体使用作为能量来源的糖的能力，因此血液中形成高血糖水平。糖尿病患者不产生胰岛素(胰岛素缺乏：1型)或胰岛素的产生不足/有效(胰岛素抵抗：2型)。作为胰岛素抵抗或缺乏的结果，人体不能使用作为能量来源的糖，因此身体倾向于分解脂肪和蛋白质的储存。这种替代燃料源最终导致血液中酮浓度升高，包括升高的丙酮浓度。人的呼出气中的丙酮浓度与其血液中的丙酮浓度单调相关。
由于目前没有治愈方法，所以这种状况需要终身管理。在1型糖尿病的情况下，这包括通过频繁的胰岛素注射或通过胰岛素泵连续输注胰岛素将血糖水平保持在安全水平内。对于2型糖尿病，如果需要，通过药物，饮食和运动或胰岛素注射的组合来控制血糖水平。
此外，当血液中存在非常高水平的丙酮时，可以发展称为糖尿病酮症酸中毒(DKA)的危及生命的病症。如果不治疗这种情况，可导致糖尿病昏迷甚至死亡。糖尿病酮症酸中毒占1型糖尿病患者所有糖尿病相关住院的约50％。
为了管理血糖水平和预防DKA，需要糖尿病患者频繁(通常每天4至10次)测量其血糖，在某些情况下测量其血酮水平。这是使用通过痛苦和麻烦的过程获得的小血液样品完成的，该过程需要患者在每次需要测试时刺破他们的手指。
类似的程序可用于诊断和筛选。在初步诊断中，可以测试尿样品中酮和/或葡萄糖的存在。尽管该测试的特异性高，但是其具有非常低的灵敏度并且通常不方便。
总之，目前的糖尿病诊断和管理方法/程序通常具有低灵敏度，不方便，对患者是痛苦的，并且耗时和费钱。因此，全世界广泛的努力致力于找到用于糖尿病诊断和管理的有效的非侵入性方法。
测量人的呼出气中的丙酮浓度可以用作糖尿病诊断和糖尿病管理的手段。然而，由于需要测量人类呼吸中的小丙酮浓度(通常在0.1-10ppm的范围内)和在人类呼吸中存在数百种不同的挥发性有机化合物(VOC)，目前在市场上没有用于糖尿病的便携式可靠丙酮呼吸分析仪。
对于非糖尿病人，升高的呼吸丙酮主要是由于脂肪燃烧，因为碳水化合物的摄入不足以满足身体的代谢需要[O.B.Crofford等人，Acetone in breath and blood，TransAm Clin Climatol Assoc,1977；88：128-139]。因此，如果患者试图减肥，这是成功的非常有用的指标，并且可以用于鼓励患者。
使用与检测方法结合的气相色谱，例如火焰离子化，离子迁移谱仪和质谱仪进行常规呼吸分析。这些方法需要庞大且昂贵的设备以及熟练的操作者，因此不适合于实时现场护理测试。
最近，腔衰荡光谱法使用具有紫外(UV)或近红外(NIR)波长的光，而用于测量呼出气中丙酮的浓度[Wang等人，US20040137637A1(2004年7月15日公开)；Wang等人，Measurement Science and Technology 19 105604(2008年8月27日公开)]。这种技术需要使用昂贵的组件的激光器，特别是在UV和NIR频率下。
Graham等人，WO2011117572A1(2009年9月29日公开)教导了使用宽带NIR光源用于使用谐振光腔的呼吸丙酮检测。该设计根据呼吸的吸收光谱的测量(即，呼吸中的吸收对波长的依赖性)，在丙酮显示出特征吸收的NIR波长处确定呼出气中的丙酮浓度。选择宽带NIR光源，其在比丙酮的特定吸收带的波长范围明显地更宽的波长范围上发射光。然后使用昂贵的组件例如可调谐滤光器，光谱仪或光栅测量吸收光谱。不幸的是，许多其他呼吸成分-例如VOC或水蒸气-显示出对红外光的强吸收，这使得在这些波长下的测量变得困难并且易于吸收干扰。
尽管金属氧化物半导体传感器可以用于丙酮检测，但是它们具有难以理解的检测机制以及低灵敏度。更重要的是，它们遭受来自空气和呼吸中存在的其它挥发性有机化合物的吸收干扰，使得它们在特异性方面差[Kanan等人，Sensors 2009,9,8158-8196，2009年10月16日公开]。
其它呼吸丙酮检测方法包括Massick，US7790467B1(2010年9月7日授权)，其描述了基于使用发射红外光的二极管激光器来检测丙酮和卤化氢之间的反应副产物的间接方法。Goldstein等人，US6479019B1(2002年11月12日授权)描述了化学光学传感器，其中光吸收或透射是与目标气体分子例如丙酮或其它化学物质的反应的函数。这些方法是复杂的，具有低检测限值，或具有低特异性。
许多上述呼吸分析方法的一个重要问题是在环境空气或呼吸中存在的其它VOC的干扰。这种干扰影响呼吸分析仪的灵敏度和特异性。
另一相关现有技术是专利申请Harely，US20100061885A1(2010年3月11日公开)，其讨论了使用包括LED的UV光源来确定臭氧浓度的仪器。
引用文献
专利文献
专利文献1：US20040137637A1，Wang等人，2004年7月15日公开
专利文献2：WO2011117572A1，Graham等人，2009年9月29日公开
专利文献3：US7790467B1，Massick，2010年9月7日授权
专利文献4：US6479019B1，Goldstein等人，2002年11月12日授权
专利文献5：US20100061885A1，Harely，2010年3月11日公开
[非专利文献]
非专利文献1：O.B.Crofford等人，Acetone in breath and blood，Trans AmClin Climatol Assoc.1977；88：128-139
非专利文献2：Wang等人，Measurement Science and Technology 19 105604(2008年8月27日公开)
非专利文献3：Kanan等人，Sensors 2009,9,8158-8196，2009年10月16日公开
发明内容
本发明的一个方面是一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置。在示例性实施例中，测量装置包括腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和处理器，所述处理器构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。
本发明的另一方面是测量气体混合物的组分的浓度的第一方法。在示例性实施例中，第一方法包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和基于所述第一比率和所述第二比率计算所述测量气体混合物的组分的浓度。
本发明的另一方面是测量气体混合物的组分的浓度的第二方法。在示例性实施例中，第二方法包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自第一光源和第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述第一光源和所述第二光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；用至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第一比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与所述由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第二比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述第一光源和所述第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；利用所述至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测到的来自所述第一光源的光的功率的第三比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的第四比率；和基于第一，第二，第三和第四比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
本发明的另一方面是进行呼吸分析以确定用于医学诊断的丙酮浓度的方法。在示例性实施例中，呼吸分析的方法包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；将呼出气引入所述腔室中；将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述呼出气；使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的呼出气的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和基于所述第一比率和所述第二比率计算所述呼出气中的丙酮的浓度。
为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以实施本发明的原理的各种方式中的几种。从结合附图考虑的本发明的以下详细描述中，本发明的其它目的，优点和新颖特征将变得显而易见。此外，本领域技术人员将理解，在不脱离如权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改，添加和替代。
技术问题
考虑到常规糖尿病诊断和管理方法的缺点以及现有技术的呼吸丙酮传感器的限制和问题，本领域需要一种便宜，便携和用户友好的设备，其可以通过例如呼吸中的丙酮检测等的非侵入性操作提供糖尿病的准确诊断。此外，本领域需要这种丙酮呼吸分析仪克服灵敏度和与其它VOC的干扰的限制。
问题的解决方案
本发明包括以高精度和低成本测量气体混合物中包括丙酮的分子浓度的设备和方法。该装置适于确定呼出气中丙酮的浓度，并且可用于糖尿病诊断，酮症酸中毒诊断，脂肪燃烧监测和体重减轻管理。
在本发明的一个方面中，使用一个或多个简单的光电检测器，而不需要光谱仪检测器，由具有从230nm至320nm的波长的一个或多个固态深UV光源(例如LED)发射的光在气体中的吸收强度确定腔室中的气体混合物中的丙酮浓度。
在本发明的一个方面中，该设备包括一个或多个LED，该LED的中心发射波长在270-320nm范围内，优选在285-320nm范围内；从而即使存在其它气体也提供非常好的精度；特别是存在于呼出气和/或环境空气中的例如二氧化碳和氧气的气体，例如二氧化碳和氧气的气体否则会降低基于深UV光的吸收的丙酮测量的准确度。
在本发明的另一方面中，所述设备包括具有在240-270nm范围内的第一中心发射波长的一个或多个LED，以及具有在270-300nm范围内的第二中心发射波长的一个或多个LED。在本发明的另一方面中，所述设备包括具有在240-270nm范围内的第一中心发射波长的一个或多个LED，以及具有在270-290nm范围内的第二中心发射波长的一个或多个LED，以及具有在290-310nm范围内的第三中心发射波长的一个或多个LED。在本发明的另一方面中，所述装置包括具有在200-240nm范围内的第一中心发射波长的一个或多个LED，以及具有在240-270nm范围内的第二中心发射波长的一个或多个LED，以及具有在270-300nm范围内的第三中心发射波长的一个或多个LED。使用两个或三个中心发射波长提供了非常好的丙酮浓度测量精度，即使诸如臭氧或二氧化硫的气体存在于呼出气和/或环境空气中，诸如臭氧或二氧化硫的气体否则会降低基于深UV光的吸收的丙酮测量的准确性。
发明的有益效果
本发明提供了许多现有技术没有提出的优点。特别地，本发明使用来自包括固态UV光源(例如LED)的简单设备的光吸收而不需要光谱仪来准确测量丙酮浓度。本发明的几个方面首次提供即使存在例如氧，二氧化碳，二氧化硫和臭氧等的干扰分子也提供可靠的丙酮浓度测量的设备和操作方法。常规构造使用具有266nm波长的窄带发射的复合激光源。该现有技术没有认识或解决与来自上述列出的所有这些气体分子的干扰相关的问题。特别地，常规装置不使用具有合适的第一，第二或第三中心发射波长的一个或多个LED以获得可靠的结果。
附图说明
在附图中，类似的附图标记表示类似的部件或特征。
图1说明测量气体混合物中丙酮浓度的设备。
图2是丙酮吸收曲线图。
图3是臭氧吸收曲线图。
图4是二氧化硫吸收曲线图。
图5是测量气体混合物中丙酮浓度的设备的示意图。
图6是显示在两个波长上使用吸收的丙酮测量中的百万分比浓度(ppm)水平误差的等值线图。
图7是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图8是说明使用根据本发明的设备确定呼出气中的丙酮浓度的方法的流程图。
图9是在本发明的示例中用于使用第一光源和第二光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图10是说明使用根据本发明的设备确定呼出气中的丙酮浓度的方法的流程图。
图11是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图12是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图13是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图14是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图15是阀的示意图。
图16是具有移动部件的阀的示意图。
图17是氧气和二氧化碳的吸收曲线图。
图18是根据本发明的实施例的设备的输出的示例。
图19是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图20是在本发明的示例中用于使用光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图21是在本发明的示例中用于使用第一光源、第二光源、第三光源测量气体混合物中的丙酮浓度的设备的示意图。
图22是示例性第一、第二和第三光源的光谱的图。
图23根据本发明的实施例的设备的输出的示例。
图24是使用根据本发明实施例的设备的丙酮浓度测量结果的示例。
具体实施方式
本发明提供以高精度和低成本检测和/或测量气体混合物中包括丙酮的分子浓度的设备和方法。在本发明的一个方面，由从一个或多个UV光源(例如发光二极管(LED))发射的光的吸收强度确定丙酮的浓度。
气体混合物中的光吸收通常取决于气体混合物对光的吸收系数和光传播通过气体的路径长度。当具有波长λ和初始强度I0的光传播通过具有波长相关的吸收系数α(λ)的气体混合物时，通过Beer-Lambert定律，光的强度I1取决于通过气体的光程长度L：
波长相关的吸收系数α(λ)取决于气体混合物中的气体分子的浓度和气体分子的吸收截面。对于包含浓度为n的一种类型的气体分子的气体，其中气体分子的波长相关的吸收截面为σ(λ)，吸收系数为：
α(λ)＝σ(λ)n.....................(2)
因此，通过测量光强度I0和I1，可以确定气体的浓度n，假设气体分子的吸收截面和通过气体的光的路径长度是已知的。吸收截面可以容易地从公开的数据库获得，并且路径长度或有效路径长度是可以测量的装置的性质。
对于包含多于一种类型的气体分子的气体混合物，气体混合物的吸收系数可以从与每种类型的气体分子相关的吸收系数的和确定。例如，如果气体混合物包含N个不同类型的分子，每个分子具有吸收截面σi(λ)和浓度ni，则吸收系数为：
α(λ)＝∑i＝1到Nσi(λ)ni…………………(3)
生产使用光的吸收强度来确定气体混合物中的第一气体的浓度的精确传感器的重大挑战是除了第一气体之外的气体可以有助于光的吸收。这个问题被称为“交叉敏感性”或“干扰”。这个问题的现有技术的解决方案是测量和分析具有高光谱分辨率的气体混合物的吸收光谱。吸收光谱是气体混合物对光的吸收对于光的波长的依赖性的测量。第一气体的吸收光谱的一个或多个特定特征可以在气体混合物的吸收光谱中被识别，并且由此可以确定第一气体的浓度而没有气体混合物中的其他(未知的)气体的明显的交叉敏感性。该方法的特征在于，在吸收光谱中测量和分析的波长的范围比由第一气体的吸收光谱中的一个或多个特征跨越的波长范围更宽。这需要复杂的光学设计和组件，例如宽带光源和具有高光谱分辨率的光谱仪。
本发明使用深紫外光的吸收提供了气体混合物中丙酮浓度的精确测量，而不需要复杂的光学设计和组件。在本发明的一个方面中，由光源例如LED发射的深UV光的吸收强度可用于确定气体混合物中的丙酮的浓度，而不需要光谱仪。因此，本发明的一个方面是用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置。在示例性实施例中，测量装置包括用于容纳气体混合物的腔室；将光发射到腔室中的光源，所发射的光具有从230nm到320nm的波长；以及光传感器，其检测来自光源的光的已经传播通过气体混合物的一部分。处理器被构造为基于由光传感器检测到的从光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。光源可以包括一个或多个发光二极管(LED)，每个发光二极管具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的光发射的线宽。该装置可以用于确定呼出气中的丙酮浓度，该丙酮浓度可以指示糖尿病或其他健康状况。
参照图1，本发明包括:容纳待分析气体混合物的腔室1；包括一个或多个深UV发光装置的光源2，所有这些装置都发射中心波长大约为λ的光；以及包括一个或多个光敏装置的光电检测器3，该光敏装置可以用于在光已经传播通过气体混合物之后测量从光源2发射的深UV光的功率。光源2优选地包括固态深UV发光装置，例如LED。光电检测器3优选地包括固态光敏装置，例如光电二极管。
丙酮的吸收截面谱图如图2所示。丙酮在从约230nm至320nm的宽的波长范围内最强烈地吸收深UV光，在约275nm处具有峰值。本发明的特征在于，由光源2发射的光的光谱线宽可以窄于其中丙酮强烈吸收深UV光的波长范围，并且取消对于光谱仪或其它复杂的波长测量装置的需求。
例如，光源2可以发射线宽小于或等于50nm的光。光的光谱线宽是存在于光中的波长范围的量度。在本公开中，光谱线宽被定义为光的光谱的半峰全宽(FWHM)。例如，光谱线宽等于已经使用常规最小二乘误差方法拟合到光谱的高斯函数的FWHM。在这种情况下，光(λ)的中心波长可以被定义为所述高斯函数的中心波长。
本发明的一个方面是在设备的设计和/或操作方法中考虑了气体混合物中的除了丙酮之外的气体对深UV光的吸收，使得丙酮浓度测量是准确和可靠的。在第一示例中，气体混合物是呼出气，从而可以确定呼出气中的丙酮浓度。为了在这种情况下实现准确和可靠的传感器设计，本发明人已经发现，考虑在传感器的设计和/或操作方法中考虑由二氧化碳(CO2)和氧气(O2)对深UV光的吸收是非常重要的。二氧化碳和氧气的近似吸收截面图示于图17中。在科学文献中报道，对于240nm至300nm的波长范围，氧的吸收截面存在显著变化。本发明人已经发现，图17中绘出的氧的吸收截面可以用于提供本发明的优点。然而，也可以使用其它吸收截面值。二氧化碳和氧在从240nm至300nm的波长处都弱吸收。然而，这两种气体可以以相对高浓度(例如高达30％)存在于气体混合物中，因此在一些情况下应考虑气体对UV光的总吸收，以实现准确且可靠的传感器设计。
为了实现精确的传感器，还必须考虑到减少入射在光电检测器3上的光强度的其它原因。这些其它损失包括气体分子对光的散射和光学部件(例如光学窗)对光的反射，吸收和散射。
本发明克服了这些挑战并且能够基于图1所示的核心传感器结构通过现在描述的具体过程精确测量呼出气中的丙酮浓度。
在本说明书中，进行以下数学近似以简化数学计算：
如果不同气体的吸收系数低，但不一定在本发明的实施中使用，则该近似是适当的。
根据等式1-4，入射在光电检测器3(I1)上的光的光功率除以入射在第一窗(I0)上的光的光功率的比率由下式给出：
在该等式中，明确地考虑了由于氧气，二氧化碳和丙酮而引起的呼出气中的深UV光的吸收，并且ε表示所有其他损失。这些附加的损失包括气体分子对光的散射，光学部件对光的反射、吸收和散射以及光电检测器的收集立体角。nCO2，nO2和nAc分别是呼出气中的二氧化碳，氧气和丙酮的浓度。
包括在等式5中的许多参数-特别是nCO2，nO2，nAc和ε-通常是未知的。为了从的测量值中确定丙酮浓度nAc，可以通过将参考气体引入腔室1中来进行附加的参考测量。参考气体可以是诸如氮气的纯气体或诸如环境空气的气体混合物。
对于参考气体：
其中，如在等式5中的一样，n'CO2，n'O2和n'Ac分别是参考气体中二氧化碳，氧气和丙酮的浓度，ε'表示所有其他损失。
腔室1中的参考气体可以处于大约等于大气压力(1atm)的压力，或者参考气体可以处于较高或较低的压力。例如，腔室1中的参考气体可以处于10-5atm和100atm之间的压力。使用环境空气作为参考气体是传感器使用简单并且具有低操作成本的显著优点。在低于大气压力的压力下使用参考气体可能有利于提高传感器的精度，因为参考气体中的吸收减少(与大气压力下的参考气体相比)，因此可以高精度地确定ε'而与参考气体的组成无关。
在优选情况下，参考气体中的丙酮浓度为零(或可忽略地小)，因此等式6可以重写为：
如果使用环境空气作为参考气体，那么通常假定n'Ac为零或可忽略地小。
根据等式5和7，对于呼出气中的丙酮浓度，我们得到以下表达式：
其中，ΔO2＝n'O2-nO2和ΔCO2＝n'CO2-nCO2分别表示呼出气和参考气体之间的氧气和二氧化碳的浓度差。
本发明人已经确定，在许多情况下，假设ε＝ε'是合适的。该假设是有效的，因为呼出气和参考气体中的散射-例如由于罗利散射-非常相似。在其他情况下，可以确定用于呼出气的ε和一般类型的参考气体的ε'之间的已知关系。
环境空气通常包括约78％的氮气，21％的氧气和0.04％的二氧化碳。然而，这些气体的浓度可以在地理位置，当地环境和高度之间变化。例如，由人所占据的建筑物内的环境空气中的二氧化碳的浓度可以高于外部的二氧化碳的浓度。
人的呼出气通常包括约78％的氮气，16％的氧气和5％的二氧化碳。然而，这些气体的浓度可以根据吸入空气(即环境)中的气体的浓度而变化，并且根据他们的健康和运动状态在个体(例如单个人)之间改变。
基于上面针对环境空气和呼出气描述的典型浓度，可以计算ΔO2和ΔCO2的典型值：
和
其中NA是阿伏伽德罗数，Vm是用于相关温度和压力的气体(例如理想气体)的摩尔体积。使用这些值和等式8，可以从的测量值，并且或者假设ε＝ε'或考虑ε和ε'之间的已知关系，确定呼出气中的丙酮的浓度。
在本发明的一个方面，根据诸如关于本地环境(例如，地理位置，海拔，农村或城市，室内或室外)的数据和关于呼出气正被分析的个体的数据(例如性别，年龄，健康，运动状态，呼吸性能)的输入来识别ΔO2或ΔCO2的合适值。在本发明的另一方面，使用ΔO2或ΔCO2的典型值(例如如上所述)，而不需要关于本地环境或其呼吸正被分析的个体的信息。
在本发明的另一方面，可以使用一个或多个传感器来测量呼出气和参考气体中的氧气和二氧化碳的至少一种的浓度，以提供合适的ΔO2和/或ΔCO2值。
使用等式8需要知道对于由光源2发射的光的丙酮吸收截面(σAc(λ)，二氧化碳吸收截面(σCO2(λ))和氧吸收截面(σO2(λ)。图2描述了用于丙酮的合适值，并且图17描述了用于氧和二氧化碳的合适值，但也可以使用其它值。因此，可以根据由光源2发射的光的波长的知识来识别σAc(λ)，σCO2(λ)和σO2(λ)的合适值。
光源2可以包括激光器，例如激光二极管或包括光学泵浦激光晶体并且可以由激光二极管光学泵浦的激光器。激光器可以直接发射具有大约λ的中心波长的光。替代地，由激光器发射的光可经历频率转换过程以产生具有大约λ的中心波长的光。例如，由激光器发射的光可以传播通过如下的部件，该部分通过诸如二次谐波生成等的过程使光的频率加倍。在光源2包括激光器的情况下，由光源发射的光的光谱线宽可以小于2nm并且可以小于1nm。
光源2可以包括发射中心波长大约为λ的光的宽带发光二极管(LED)。在这种情况下，光的光谱线宽可以是从5nm到40nm。
光源2可以包括磷光体材料，其将具有第一波长的光转换成具有大约λ的中心波长的光。例如，光源2可以包括激光器或LED以产生具有第一波长的光。具有第一波长的光然后可以照射磷光体材料，使得具有第一波长的光被磷光体材料吸收，并且具有大约λ的中心波长的光由磷光体材料发射。
在优选的情况下，由光源2发射的具有大约λ的中心波长的光具有小于或等于50nm的光谱线宽。在更优选的情况下，光谱线宽小于或等于50nm并且大于或等于5nm。在又一更优选的情况下，光谱线宽小于或等于30nm并且大于或等于5nm。在又一更优选的情况下，光谱线宽约为10nm。
使用具有在上述示例中描述的光谱线宽的光是有利的，因为这提供了低成本和具有高性能的装置，其原因将在下面解释。光谱线宽应当优选小于或等于50nm，以使用简化的检测系统提供靶分子(例如本实施例中的丙酮)的浓度的高度特异性测量。当由光源2发射的光的光谱线宽小于或等于50nm时，所述光的线宽类似于或低于丙酮等的目标分子强烈吸收的波长范围(例如，如下的波长范围，分子在该波长范围中吸收光，吸收程度为分子在230-320nm波长范围内的最大吸收的至少10％)。因此，由光源2发射的光的大部分波长可被诸如丙酮的目标分子吸收。这意味着，与由光源2发射的光的线宽明显大于诸如丙酮的目标分子强烈吸收的波长范围的情况相比，检测系统(例如光电检测器3)需要更低的灵敏度。此外，当由光源2发射的光的光谱线宽小于或等于50nm时，通过光源的中心波长的仔细选择，可以将来自诸如丙酮的目标分子的吸收与气体混合物中的其他分子的吸收区分开。这使得传感器不需要光谱仪。
使用光谱线宽大于或等于5nm的光是有利的，因为然后传感器精度可能不会由于光的中心波长的变化而强烈地减小。由于环境温度的变化，由于光源2的老化，由于诸如施加到光源2的电压或电注入电流的操作条件的变化，或由于其他原因，可以改变由光源2发射的光的中心波长。如果由光源2发射的光的光谱线宽非常小(例如小于1nm)，则中心波长的小变化可导致气体混合物中的分子的吸收的显著变化。如果分子的吸收光谱包括“窄”特征，在该“窄”特性中，吸收因为波长的小变化而显著变化，则尤其如此。例如，氧的吸收光谱包括“窄”特征，即所谓的“赫兹堡线”(这些在图17中不可见，因为该光谱沿波长轴线相对粗略地取样)。如果由光源2发射的光具有大于或等于5nm的光谱线宽，则与如果光谱线宽非常小(例如小于1nm)的情况相比，中心波长的变化对吸收的影响小得多。因此，使得由光源2发射的光的中心波长的变化而引起的丙酮浓度测量的不准确性较小。
使用光谱线宽大于或等于5nm的光的另一个优点是传感器可以不被气体混合物的环境温度的变化强烈地减小。环境温度的变化可以改变存在于气体混合物中的分子的吸收光谱。具体地，如上所述的吸收光谱中“窄”特征的波长可以改变。如果由光源2发射的光具有大于或等于5nm的线宽，则吸收更少受到存在于气体混合物中的分子的吸收光谱的变化的影响。因此，由于气体混合物的环境温度的变化而导致的丙酮浓度测量的不准确性变小。
光源2中的深UV发光装置的优选选择是LED。通常，深UV LED不发射单个波长，而是实际上发射具有在5nm至30nm范围内的线宽的光。LED的发射光谱可以由函数χ(λ)定义。有时，χ(λ)可以通过高斯变分很好地近似。本发明的特征在于，光电检测器3测量由光源2发射的在230-320nm范围内的一个或多个波长在传播通过腔室1之后的总功率。因此，优选地，考虑光源2的波长扩展来计算等式8中使用的各个吸收截面值。例如，如果光电检测器3测量波长λmin和λmax之间的功率：
上述方法提供了使用简单的装置测定呼出气中的丙酮浓度的良好的一般方法。然而，在一些假定参数中存在不确定性。具体地，等式8需要ΔO2和ΔCO2的估计值。如上所述，可以测量或假设良好的典型估计值-例如对于呼出的呼吸和环境空气-但是这些估计值有时在某种程度上是错误的。ΔO2和ΔCO2的实际值和假定值之间的偏差可能导致nAc的较不精确的确定。
本发明的一个方面是提供一种确定丙酮浓度的鲁棒方法，尽管存在这些不确定性。从图2的研究可知，使用波长接近275nm的深UV光是明显有利的，在该275nm的波长下由丙酮引起的吸收最强。原则上，最强的吸收能够检测较小的丙酮浓度，本领域技术人员自然更喜欢中心波长为约275nm的深UV LED。然而，通过ΔO2和ΔCO2对丙酮浓度测量的精度的不确定性的结果的详细分析，本发明人已经确定，使用明显长于275nm的中心波长以在实际应用中提供具有高精度的传感器是显著的优点。具体地，强烈优选地，光源2的中心波长是至少285nm，并且优选的中心波长在从290nm到300nm的范围内。使用这些较长的波长提供了在操作环境中丙酮浓度的更准确的测量，即使吸收截面是适用于使用275nm中心波长的值的大约一半。
如上所述的本发明提供了对以低成本和高精度测量气体混合物(例如呼出气体)中的丙酮的需要的优异解决方案。它特别适合于在参考气体和呼出气中的臭氧浓度(O3)可忽略地低(<0.001ppm)的情况下的测量。然而，本发明人已经确定，如果臭氧存在于参考气体或呼出气中，则可以降低上述根据本发明的丙酮浓度测量的准确度(例如图1)。臭氧的吸收截面光谱绘制在图3中。臭氧吸收具有从210nm到320nm的波长的深UV光，对于约255nm的波长具有峰值吸收。环境空气中的臭氧浓度强烈依赖于局部环境，但通常为～0.08ppm。0.08ppm的臭氧吸收275nm波长的光比1ppm的丙酮强10倍。
克服这个问题的一种方法是使用臭氧过滤器，以便从参考气体和/或呼出气中除去臭氧。臭氧过滤器的示例是碘化钾灯。使用诸如碘化钾灯的臭氧过滤器的缺点是它们可能是无效的，并且在饱和后需要更换。此外，这种过滤器还可能影响呼吸中的丙酮，并且因此可能导致不准确的测量。
本发明的一个方面是在可能存在臭氧时提高丙酮测量的精度，而不需要臭氧过滤器。在该改进的第一方面，光源2的中心波长应在300nm至320nm的范围内。例如，光源2应该包括中心波长在300-320nm范围内的一个或多个深UV LED。该波长范围是优选的，因为臭氧对300-320nm波长光的吸收比对275nm波长光的吸收非常明显地低，并且丙酮对于300-320nm波长的光的吸收截面除以臭氧对于300-320nm波长的光的吸收截面的比率明显高于对于275nm波长的光的吸收截面的比率(如上所述，275nm波长将是基于丙酮吸收光谱的分析的波长的自然选择)。
本发明的另一方面是通过使用发射具有不同中心波长的深UV光的两个不同光源来进一步提高丙酮测量的精度。这提供了针对参考气体的浓度的不确定性的进一步鲁棒性，特别是在臭氧可能以未知浓度存在的情况下。
在下文中，我们以示例的方式描述了解决来自臭氧的吸收干扰的替代方法。然而，该方法可以概括为解决来自任何潜在气体混合物或参考气体组分的任何干扰。
图5示出了本发明的该方面的核心元件。第一光源4包括一个或多个深UV光发射装置，这些装置都发射具有大约第一中心波长λ1的光。第二光源5包括一个或多个深UV发光装置，这些装置都发射具有大约第二中心波长λ2的光。腔室1包含气体或气体混合物，并且一个或多个光电检测器3测量从第一光源4和/或第二光源5发射的深UV光在光已经传播通过腔室1中的气体或气体混合物之后的功率。单个光电检测器可以用于测量从第一光源4或第二光源5发射的深UV光的功率。替代地，可以使用不同的光电检测器来测量从第一光源4和第二光源5发射的深UV光的功率。
根据如上所述的类似的数学推导，可以在第一波长和第二波长处使用等式10
从的测量值中得出呼出气中的丙酮浓度nAc。
其中，x’和y’分别是
并且x和y分别是
ΔO3与上述ΔO2类似地定义为参考气体和呼出气中的臭氧浓度之间的差。ΔO3是未知参数，其也可以使用等式10计算。
等式10提供了以高精度确定呼出气中的丙酮浓度的一般解决方案，即使臭氧可能以未知浓度存在于参考气体或呼出气中。第一和第二中心波长在230nm至320nm的范围内。
本发明的另一方面是选择第一和第二中心波长以获得最高可能精度的丙酮测量。图6中的等值线图显示了λ1和λ2的多种组合的丙酮浓度的误差(以ppm为单位)。该等值线图针对0.5ppm的标称(实际)丙酮浓度确定，并且考虑与环境空气参考气体的x和y的测量相关的仪器噪声，并假定ΔO2和ΔCO2在与宽范围的环境气体和呼出气条件一致的范围内变化。
图6中的等值线图示出了对于大约255nm的第一中心波长和大约290nm的第二中心波长获得丙酮浓度测量中的最低不确定性。最高精度的区域被标记为6，并且对应于在从240nm到270nm的范围内的第一中心波长和在从270nm到300nm的范围内的第二中心波长。
在本发明的另一方面中，在气体混合物或参考气体中的二氧化硫(SO2)的浓度不可忽略地小的情况下，可以进一步改善丙酮浓度测量的精度。本发明人已经发现，例如由城市污染引起的SO2的存在可导致根据到目前为止描述的本发明的丙酮浓度测量的精度降低。SO2的吸收光谱绘制在图4中。在这种情况下，可以优选包括如下的光源，该光源除了包括到目前为止描述的第一和第二波长之外，还具有第三中心波长。特别地，可以使用在240nm至270nm范围内的第一中心波长，在270nm至290nm范围内的第二中心波长和在290nm至310nm范围内的第三中心波长获得可靠的丙酮浓度测量值。
替代地，可以使用在200nm至240nm(例如约219nm)范围内的第一中心波长，在240nm至270nm范围内的第二中心波长和在270nm至300nm范围内的第三中心波长可以获得更加高的精度。在这种情况下，由于二氧化硫在200nm至240nm波长中的“窄”吸收特征，具有第一中心波长的光具有小于1nm的线宽可能是有利的。例如，具有第一中心波长的光可以由激光源发射，优选地包括诸如二次谐波生成的频率转换过程。
上述技术可以扩展到可以存在于气体混合物或参考气体中的其它分子。此外，可以使用三个以上的深UV波长以便解决干扰问题，并且通过如上所述的误差分析，还可以确定使用的最合适的波长以便使丙酮测量的误差最小化。
本发明还可用于测量气体混合物中丙酮以外的分子的浓度。例如，本发明可以应用于测量气体混合物中的一种或多种酮分子(丙酮是酮的示例)的总浓度，或者实际上测量任何挥发性有机化合物(VOC)分子的浓度。本发明可以应用于除呼出气体之外的任何气体混合物。
此外，尽管本发明主要在其中气体混合物是呼出气的传感器的背景下引入，但是传感器可以应用于其它应用。例如，传感器可以用于检测例如发生在食品上的酸化(例如氧化酸化)。氧化酸化由于氧气与食品成分(例如脂肪和油)的反应而发生，导致包括酮和醛的分子的形成。根据本发明的传感器可以应用于在食品周围的气体混合物中检测这些分子的装置中，从而检测酸化。
本发明提供了许多现有技术的传统构造中无法达到的优点。特别地，本发明使用来自包括固态UV光源(例如LED)的简单设备的光吸收而不需要光谱仪来准确测量丙酮浓度。本发明的几个方面首次提供即使存在例如氧，二氧化碳，二氧化硫和臭氧等的干扰分子也提供可靠的丙酮浓度测量的设备和操作方法。现有技术中的使用UV源的常规丙酮传感器使用具有266nm波长的窄带(线宽小于1nm)发射的复合激光源。该构造没有解决与来自上述列出的所有这些气体分子的干扰相关的问题。特别地，常规构造不使用具有合适的第一，第二或第三中心发射波长的一个或多个LED以获得可靠的结果。
示例1(单波长传感器)
图7示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第一示例。设备10包括腔室1，入口阀11，出口阀12，第一窗13，第二窗14，光源2和第一光电检测器15。入口阀11可以打开以允许气体流入腔室1中并且可以被关闭以密封腔室。出口阀12可以打开以从腔室排出气体，以允许气体流出腔室，并且阀12可以关闭以密封腔室。入口阀11和出口阀12优选地是“不透光的”，使得当阀关闭时环境光不会进入腔室1。环境光是不由光源2发射的任何光。例如，环境光可能是由于使用设备的位置中的阳光或人工照明而引起的。可使用微型泵，注射器或另一种方法将气体吸入或排出腔室。腔室中的气体的压力可以由可选的压力释放阀16控制。腔室中的气体的压力可以与大气压力相同或相似。
第一窗13将来自光源的光传输到腔室中，并且第二窗14将来自腔室的光传输到光传感器。第一窗13和第二窗14优选都对光源2发射的光具有高透明度(例如，大于50％)。用于窗的合适材料包括UV熔融石英，石英，PMMA，PTFE，氟化乙烯丙烯和其它含氟聚合物，但许多其它材料也是合适的。第一和第二窗的任一个或两个表面可以包括涂层，该涂层减少由光源2发射的光从所述一个或多个表面的反射。
光源2发射具有从230nm到320nm的一个或多个波长的光。光源2可以发射具有单个波长的光或者具有围绕中心波长的波长范围的光。光源2可以包括一个或多个诸如LED的固态光源。光源2可以发射具有从5nm至30nm或约10nm的线宽的光。对于该示例，光源2是包含AlyGa1-yN材料(其中0≤y≤1)并且发射具有约285nm的中心波长的光的LED。替代地，LED可以是AlyInxGa1-x-yN材料，其中0≤x≤1和0≤y≤1，并且x+y小于约1。由光源2发射的光17可以使用可选的第一透镜18聚焦或准直。可选的第一透镜18可以附接到光源2的封装。可选的分束器19可以将光2的一些(例如，在5％和50％之间)反射到可选的第二光电检测器20。第二光电检测器20可以用于确定由光源2发射的功率。特别地，第二光电检测器20可以用于识别I0的任何相对值(入射在第一窗13上的光17的功率)。
第一光电检测器和第二光电检测器可以包括光电二极管。例如，光电检测器可以包括硅基光电二极管或基于AlyGa1-yN的光电二极管(其中0≤y≤1)或AlyInxGa1-x-yN材料，其中0≤x≤1和0≤y≤1，x+y小于约1。第一和第二光电检测器检测光17的具有一个波长或多个波长的光。滤光器可以包括在光电二极管上，使得入射在滤光器上的具有比λc长的波长的光的一些或全部不到达光电二极管。λc可以在300nm至450nm的范围内。替代地，可以选择光电二极管使得其对波长长于λc的光具有非常低的灵敏度。这些可选测量中的任一个针对于具有长于λc的波长的任何环境光的效果提供了装置的更大的鲁棒性。
光17传播通过第一窗13，然后通过占据腔室的气体或气体混合物21，然后通过第二窗14，最后朝向第一光电检测器15。可选的第二透镜22可以位于第二窗14和第一光电检测器15之间以将光17聚焦到第一光电检测器15。
光17传播通过占据腔室1的气体或气体混合物21的距离为L。L可以是任何值，但优选在1cm和200cm之间。在本例中L≈20cm。
第一光电检测器15用于确定占据腔室1的气体或气体混合物21的I1。入射在第一窗13上的光17的功率(I0)可以从光源2的已知特性(例如，提供给光源2的电流与I0之间的已知关系)确定。替代地，可以从位于光源2附近的可选的集成光电检测器23确定I0。替代地，如果包括可选的第二光电检测器20，则入射在所述光电检测器上的光的功率可以用于确定与I0成比例的值。因此，可以确定比率I1/I0或与该比率成比例的值。
设备10可用于执行测量气体混合物的组分的浓度的方法。在示例性实施例中，该方法可以包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和基于所述第一比率和所述第二比率计算所述测量气体混合物的组分的浓度。
例如，设备10可以用于在以下示例性过程中测量呼出气中的丙酮的浓度，该过程在图8的流程图中示出。
1.参考气体通过入口阀11进入腔室1。参考气体可以是环境空气。
2.光源2被接通从而以脉冲或连续模式发射光17。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
3.呼出气通过入口阀11进入腔室1，参考气体通过出口阀12离开腔室。人可以直接呼气到设备中，使得呼出气体进入腔室1，或者人可以呼气进入单独的容器中，然后来自所述容器的气体混合物可以被转移到腔室1中。
4.光源2被接通从而以脉冲或连续模式发射光17。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
5.诸如等式8中的示例的算法现在可以利用和的测量值来确定呼出气中的丙酮的浓度。该算法可以将用于参考气体和/或呼出气体的以下任一项作为可选的输入：温度；压力；二氧化碳传感器输出；氧传感器输出。此外，算法可以采用以下任一项作为可选的输入：光源2的波长；用户的特点；环境特性。
如上所述，该示例性方法在图8中示出(可选步骤显示在括号中)。8。在本示例中，基于等式8的算法使用如下的参数：
ε＝ε′；L＝20cm； 和σAc＝4.4×10-20cm2.
该算法可以使用微处理器24来实现，微处理器24使用和的输入并由此提供呼出气中的丙酮浓度的测量值。微处理器24还可以控制设备中的其他部件，例如适当地接通光源2。因此，微处理器可以电连接到光源和光传感器，更具体地，电连接到光传感器的光电检测器。以这种方式，微处理器可以控制光源的输出，接收来自光传感器和光电检测器的感测信号，并且使用由这种连接接收的信息，执行必要的分析以确定气体混合物的组分的浓度。
测量结果可以经由显示器(例如，LCD显示器)显示给用户，或者无线传输到诸如手机，平板计算机或个人计算机等的便携式设备。
测量结果还可以添加关于呼出气被分析的人的测量结果的重要性的推荐。例如，根据呼出气中的丙酮浓度，测量结果可以伴有诊断指示或建议。在糖尿病应用中，可以使用例如：“无酮症酸中毒”，“轻度酮症酸中毒”，“严重酮症酸中毒”的指示或建议。在体重管理应用中，可以使用诸如“低脂燃烧率”，“中脂肪燃烧率”和“高脂肪燃烧率”的指示或建议。微处理器24可以是呼吸分析仪或可拆卸单元(例如具有适当软件和电子接口的手提电脑)的集成部分。
设备10提供了一种测量呼出气中的丙酮浓度的方法，该设备与现有技术中描述的设备相比具有显著的优点。
图7中还示出了设备的进一步可选的改进。这些改进包括位于例如腔室1内的温度传感器25和压力传感器26，以提供压力和温度测量。来自温度和/或压力传感器的输出可以进一步用于该算法中，从而例如通过根据腔室中的气体的温度和压力，调节假设的吸收截面值(σO2，σCO2，σAc)和通过使用预定数据库，来提高丙酮测量结果的精度。此外，压力传感器26还可以用于通过控制入口阀11和出口阀12来调节腔室1内的空气和呼出气压力。
图18示出了第一示例中描述的设备的输出的示例。在该示例中，该设备包括LED，该LED发射具有大约283nm的中心波长和大约12nm的光谱FWHM的光。图18中的曲线示出了传感器在一段时间内的状态：最初将参考气体(氮气)引入到腔室中(在图18中标记为“参考”)，然后将在氮气中包括丙酮的气体混合物引入室中(标记为“混合物”)；然后重复该过程以测试设备的再现性。通过使用参考测量，对于两种气体混合物，以高精度获得气体混合物中的丙酮浓度，从而证明使用根据本发明的第一示例的设备在感测气体混合物中的丙酮的浓度的效果。
示例2 双波长传感器
图9中示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第二示例。第二示例具有与第一示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第一示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。设备39包括腔室1，入口阀11，出口阀12，第一窗13，第二窗14，第一光源4，第二光源5和第一光电检测器15。
第一光源4发射具有230nm至320nm的一个波长或多个波长的光。第二光源5发射具有不同于由第一光源发射的光的一个波长或多个波长的且从230nm至320nm的一个波长或多个波长的光。
第一和第二光源可以发射具有单一波长的光或者具有围绕中心波长的波长范围的光。第一和第二光源可以发射具有从5nm到30nm的线宽的光。第一和第二光源可以包括一个或多个LED。对于该示例，第一和第二光源各自包括一个包含AlyGa1-yN材料(其中0≤y≤1)的LED。对于该示例，第一光源包含发射具有约255nm的中心波长(λ1)的光的LED，并且第二光源包含发射具有约290nm的中心波长(λ2)的光的LED。
第一光源发射第一光40，第二光源发射第二光41。第一光40传播通过第一窗13，然后通过占据腔室1的气体或气体混合物21，然后通过第二窗14并最终朝向第一光电检测器15。第二光41也传播通过第一窗13，然后通过占据腔室1的气体或气体混合物21，然后通过第二窗14，最后朝向第一光电检测器15。可选的第二透镜22可以位于第二窗14和第一光电检测器15之间，以将第一光40和第二光41分别朝向第一光电检测器15聚焦。
第一光源4可以使用与使用光源2的第一示例中描述的过程类似的过程(参考等式10-14)用于确定和第二光源5可以使用与使用光源2的第一示例中描述的过程类似的过程用于确定和
在优选示例中，第一光源4和第二光源5在不同时间操作，以使用光电检测器中的单个光电二极管来获得两个单独的测量值。替代示例使用分离的光电二极管来测量来自第一光源4和第二光源5的光。在这种情况下，第一和第二光源可以同时操作。
设备39可以用于执行测量气体混合物的组分的浓度的另一种方法。在示例性实施例中，该方法可以包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自第一光源和第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述第一光源和所述第二光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；用至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第一比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第二比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述第一光源和所述第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；利用所述至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测到的来自所述第一光源的光的功率的第三比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的第四比率；和基于第一，第二，第三和第四比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
例如，设备39可以用于按照以下示例性程序测量呼出气中的丙酮的浓度，该程序在图10的流程图中示出：
1.参考气体通过入口阀11进入腔室1。参考气体可以是环境空气。
2.第一光源4被接通从而以脉冲或连续模式发射第一光40。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
3.第二光源5被接通从而以脉冲或连续模式发射第二光41。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
4.呼出气通过入口阀11进入腔室1，参考气体通过出口阀12离开腔室。人可以直接呼气到设备中，使得呼出气体进入腔室1，或者人可以呼气进入单独的容器中，然后来自所述容器的气体混合物可以被转移到腔室1中。
5.第一光源4被接通从而以脉冲或连续模式发射第一光41。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
6.第二光源5被接通从而以脉冲或连续模式发射第二光41。比率或与该比率成比例的值可以使用第一光电检测器以及可选地还使用第二光电检测器来确定。
7.诸如等式10-14中的示例的算法现在可以利用 和的测量值来确定呼出气中的丙酮的浓度。该算法可以将用于参考气体和/或呼出气体的以下任一项作为可选的输入：温度；压力；二氧化碳传感器输出；氧传感器输出。此外，算法可以采用以下任一项作为可选的输入：第一光源4和第二光源5的波长；用户的特点；环境特性。
如上所述，该示例性过程在图10中示出(可选步骤显示在括号中)。在本示例中，基于等式10-14的算法使用以下参数：
L＝20cm； andσAc＝4.4×10-20cm2.
示例2中的设备优于示例1中所述的设备的优点是，当存在臭氧时，测量的丙酮浓度更准确。
示例3 窗是可更换的
在第三示例中，第一窗13和第二窗14中的至少一个可以从设备移除并在设备的常规使用期间被更换。如果在窗上形成导致UV光的显著吸收的污染，则更换窗是有利的。在一个实施方式中，包括第一窗13和第二窗14的一次性模块可以从设备移除并更换。
示例4 LED和光电检测器在内部(无窗)
图11示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第四示例。第四示例具有与第一示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第一示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。
第四示例的区别特征在于，光源2和第一光电检测器15位于腔室1内部。如果光源2位于腔室1内部，则在第一示例中使用的第一窗13不再需要。如果光电检测器15位于腔室1内部，则不再需要在第一示例中使用的第二窗14。第四示例的优点在于，在设备中需要更少的部件，因此降低了成本。
示例5 使用荧光的传感器
测量呼出气中丙酮浓度的设备的第五示例如图12所示。第五示例具有与第一示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第一示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。
第五示例的区别特征在于，在装置中包括第三光电检测器47。第三光电检测器47对具有300nm-400nm范围内的波长的光敏感，并且对光源2发射的光具有非常小或零的灵敏度。第三光电检测器可以包括一个或多个光学滤波器，所述光学滤波器完全或基本上衰减由光源2发射的光。第三光电检测器的目的是测量由来自气体混合物的吸收由光源发射的光的组分的荧光(例如来自其他混合物中的丙酮分子或来自其它分子的荧光)而引起的光的强度。来自气体混合物中的丙酮分子或其它分子的荧光由光源2发射的光激发。第三光电检测器47可包括精确选择待测量的荧光范围的一个或多个光学滤波器。荧光光强度与气体混合物中的丙酮分子或另一分子的浓度成正比，并且可用于进一步提高测量精度。诸如在该示例中描述的荧光检测可以进一步与包括发射不同中心波长的至少两个不同光源的设计组合。在这种情况下，至少两个不同的中心波长可以激发来自气体中的不同分子的荧光，并且该方法可以用于进一步提高传感器的精度以确定丙酮的浓度。
示例6 具有多通道单元的传感器
图13示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第六示例。第六示例具有与第一示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第一示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。
第六示例的区别特征在于，通过使用一个或多个反射镜结构49以偏转腔室1内的光的方向而增加吸收路径长度L，提高了设备对丙酮的灵敏度。有许多方法可以用于增加吸收路径长度L。在图13中示意性地示出了一个示例，其中高反射率反射镜49放置在腔室1内部以折叠光的路径，使得光的路径长度显著大于光源2和第一光电检测器15之间的距离。反射镜49可以具有对光源2发射的光的反射率为至少80％；优选地，反射率为至少90％，最优选地，反射率为至少99％。当光的路径长度较长时，设备测量小浓度丙酮的灵敏度增加。因此，该第六示例的优点在于，设备测量丙酮浓度的灵敏度增加，但是设备的整体尺寸没有显著增加。
示例7 具有谐振腔的传感器
图14示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第七示例。第七示例具有与第一示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第一示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。
与第一示例相比，第七示例的区别特征在于，第一窗13由第一腔镜55代替，并且第二窗14由第二腔镜56代替。第一和第二腔镜形成用于由光源2发射的光的光腔。这种类型的布置被称为腔增强吸收(CEA)。
第一和第二腔镜的形状可以选择成为第一光源发射的光提供稳定的光腔。第一和第二腔镜可以是平面的或可以具有诸如凹形的弯曲形状。第一和第二腔镜可以具有不同的形状。
在该示例中，第一和第二腔镜是平-凹形状。镜面是每个腔镜的凹侧，并且这形成用于腔室1的内壁；所述平面形成外壁。每个透镜的凹面的曲率半径为大约50cm，并且凹面镜之间的距离为大约25cm。第一和第二腔镜对由光源2发射的光的反射率可以是至少90％，并且在优选示例中可以是大约99％。
可选的透镜57位于光源2和第一腔镜55之间，以使由光源2发射的光束成形，使得在第一和第二腔镜之间的腔内的光的宽带谐振是强的。
由光源2发射的光通过第一腔镜55耦合到腔中，并且可以在第一腔镜和第二腔镜之间传播多次，由此为保持在腔室中的气体内的光提供长的有效路径长度。在腔中循环的光的一部分通过第二腔镜56耦合出腔，并在第一光电检测器处被检测。
由第一光电检测器检测的光可以具有通过腔室中的气体的有效路径长度，该有效路径长度比第一和第二腔镜之间的距离高许多倍。例如，并且根据腔镜的形状，腔镜的反射率和可选透镜57的作用，有效路径长度可以高于10倍，高于100倍或高于1000倍。
示例8 具有加热元件的传感器(去除水分)
在设备的第八示例中，包括加热元件，以便加热气体样本(参考气体或呼出气)和/或将与气体样本接触的表面加热到比环境温度高的温度或比参考气体或呼出气的温度高的温度。图19中示出了一个示例。该设备类似于第一示例。加热元件65可以位于设备的部件附近，或附接到设备的表面，或嵌入设备的部件内。加热元件65可以用于加热设备的部件。例如，加热元件65可以附接到窗13、14中的一个或两个的表面(如图19中的示例所示)，并且用于加热窗。该设备还可以包括加热元件66，其用于加热腔室1内的气体。
加热元件可以是电的(例如，电阻加热器)或光学的(例如红外光源)。在一个示例中，一个或多个电阻加热器可以附接到第一窗和第二窗中的一个或每个的表面。在另一示例中，一个或多个电阻加热器可以嵌入在第一窗和第二窗中的一个或每个内。
第八示例的优点在于，加热功能可以防止水分在与气体样本接触的表面(例如第一和第二窗)上冷凝。
示例9 带有不透光阀的传感器
在该设备的第九示例中，入口阀11和出口阀12中的至少一个是不透光阀，该不透光阀被设计成即使当阀打开以使气体能够流过它们时也防止环境光传播到腔室1中。示例性的不透光阀在图15中示出。合适的阀包括具有内壁61的通道60，该内壁61对于具有从300nm到700nm的波长的至少一些光具有低反射率(例如，小于10％，优选小于1％)。气体通过通道从入口62流到出口63，然后流向腔室1。优选地，入口62和出口63之间的具有从300nm到700nm的波长的光的透射小于1％，最优选地小于0.01％。
在一个示例中，通道60在通道的开始和结束之间改变方向至少360°，优选地至少720°。图15示出了用于阀的合适设计的示例，其中通道跟随或具有这种类型的“猪尾”螺旋形状。
在另一个示例中，如图16所示，通道60可以包括移动部件64，其使气体能够在入口62和出口63之间流动，但是减少入口62和出口63之间的具有从300nm到700nm的波长的至少一些光的透射。
第九实施例的优点在于，腔室中的环境光水平也非常低，使得可以在气体流入腔室中时测量UV光的吸收，并且不必关闭入口阀或出口阀以获得UV光的吸收的测量值。
示例10 带有颗粒过滤器的传感器
在第十示例中，靠近入口阀11包括灰尘或颗粒过滤器67，以便从气体中清除可能污染腔室和光学器件并可能导致对测量的干扰的灰尘和颗粒。过滤器还可以用于从气体/呼出气中去除水分。过滤器也可以用于降低一种或多种气体的浓度。该示例的图示在图20中示出，其中过滤器67在气体通过入口阀11被引入到腔室1中之前作用在气体上。
虽然已经参考在电磁谱的UV部分中吸收的呼吸成分描述了本发明和示例1-10，但是本发明不限于此，并且本发明可以应用于在电磁谱的其他区域中吸收的感兴趣的其他呼吸成分，假设合适的LED光源的电磁光谱存在于光谱的该区域中。此外，本发明不限于仅在呼出气中测量丙酮；本发明也可用于测量其它应用中的丙酮浓度。
示例11—3波长传感器
图21示出了测量呼出气中的丙酮浓度的设备的第十一示例。第十一示例具有与第二示例相同的许多特征。这些共同特征使用与第二示例相同的数字标记来标记，并且将不再详细描述。设备39包括腔室1，入口阀11，出口阀12，第一窗13，第二窗14，第一光源4，第二光源5，第三光源68，反射镜69，第一光电检测器15和第二光电检测器20。
第一，第二和第三光源4、5、68分别发射具有从230nm到320nm的一个或多个波长的光。第一，第二和第三光源可以发射具有单一波长的光或具有围绕中心波长的波长范围的光。第一，第二和第三光源可以发射具有从5nm到30nm的线宽的光。由第二光源发射的光的中心波长不同于由第一光源发射的中心波长。由第三光源发射的光的中心波长不同于由第一和第二光源发射的中心波长。
第一，第二和第三光源可以包括一个或多个LED。优选地，第一光源的中心波长为大约240nm至大约270nm，第二光源的中心波长为大约270nm至大约290nm，并且第三光源的中心波长为大约290nm至约310nm。
对于该示例，第一，第二和第三光源分别包括一个包含AlyGa1-yN材料(其中0≤y≤1)的LED。对于该示例，第一光源包含发射具有约265nm的中心波长(λ1)的光的LED，并且第二光源包含发射具有约285nm的中心波长(λ2)的光的LED，并且第三光源包含发射具有约300nm的中心波长(λ3)的光的LED。
第一光源发射第一光40，第二光源发射第二光41，并且第三光源发射第三光70。光40、41和70的光谱在图22中绘出。分束器19将光40、41、70的一部分朝向第二光电检测器20反射。在该示例中，分束器将大约50％的入射光朝向第二光电检测器20反射。
第一，第二和第三光40、41、70分别传播通过第一窗13，然后通过占据腔室1的气体或气体混合物21，然后通过第二窗14，并且入射在反射镜69上。反射镜将光40、41、70反射回通过第二窗14，穿过占据腔室1的气体或气体混合物21，并且穿过第一窗13。然后将光导向第一光电检测器15。在该示例中，第一和第二光电检测器15和20包括硅光电二极管。
反射镜69可以具有平面反射表面或者可以具有非平面反射表面。在该示例中，反射镜是具有200mm的焦距和对于光40、41和70的大约90％的反射率的球面凹面镜。第一窗和第二窗之间的距离可以是任何值；在该示例中，该距离为大约300mm。因此，光40、41或70传播通过气体或气体混合物21的大约2×300mm＝600mm的总距离。
第一光源4可以用于确定和第二光源5可以用于确定和并且第三光源68可以用于确定和
在优选示例中，第一，第二和第三光源4、5和68在不同时间(例如，一个接一个)操作以使用光电检测器中的单个光电二极管来获得三个独立的测量。
图23示出了根据本示例的设备的输出的示例。该图显示了用于参考气体(氮气)和三种不同的测试样品气体(在氮气中含有(1±0.1)ppm丙酮，在氮气中含有(2±0.1)ppm丙酮和在氮气中含有(3±0.1)ppm丙酮)的的测量值，该测量使用中心波长大约为285nm的第二光源。图中的指向测得的数据的每个平台区段的标记显示了被引入到腔室中的测试样品气体的浓度；参考氮标记为“0ppm”；左侧垂直轴表示(任意单位)的测量值，右侧垂直轴表示从测得的确定的丙酮浓度(测得的丙酮浓度)。从图23的数据可以看出，该设备表现了对于丙酮浓度测量的优于±0.2ppm的精度和分辨率。这证明了本发明的各方面的显著优点，特别是使用简单，稳健和低成本设计(例如固态LED光源和硅光电二极管检测器)测量以明显好于1ppm的精度和分辨率来测量丙酮浓度的能力。
设备39可以用于执行测量气体混合物的组分的浓度的另一种方法。在示例性实施例中，该方法可以包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自第一光源，第二光源和第三光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从第一，第二和第三光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；使用至少一个光传感器检测来自第一，第二和第三光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分；确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第一比率，确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光功率的第二比率，并且确定从所述第三光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第三光源的光的功率的第三比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自第一，第二和第三光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；使用所述至少一个光传感器检测来自第一，第二和第三光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第四比率，确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第五比率，并且确定从所述第三光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第三光源的光的功率的第六比率；和基于第一，第二，第三，第四，第五和第六比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
使用包括约16％O2，4％CO2，78％N2(即代表呼出的人类呼吸的气体)并且包含(1.0±0.5)ppm或(5.0±0.5)ppm的已知浓度的丙酮的合成呼吸混合物来测试该装置。包括约21％O2，0.04％CO2和78％N2的合成空气混合物用作参考气体。
对于包括(1.0±0.5)ppm丙酮的合成呼出气，从设备39获得以下结果：
对于包括(5.0±0.5)ppm丙酮的合成呼出气，从设备39获得以下结果：
这些测量值得出计算的丙酮浓度，该计算的丙酮浓度与图24中已知的实际丙酮浓度进行比较。测得的浓度与已知的实际丙酮浓度(理想性能，其中测得的浓度等于实际浓度，由曲线中的直线表示)非常一致。这表明当表示人类呼吸(对于“呼吸”分析物)和空气(对于参考气体)的CO2和O2作为干扰气体存在时根据当前示例的传感器的精度。
因此，本发明的一个方面是用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置。在示例性实施例中，所述测量装置包括：腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和处理器，所述处理器被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述至少一个光源包括具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的光发射的线宽的发光二极管(LED)。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述至少一个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源包括具有从240nm到270nm的光发射的中心波长的LED，所述第二光源包括具有从270nm到300nm的光发射的中心波长的LED；以及其中所述第一和第二光源的LED分别具有小于50nm的光发射的线宽。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述至少一个光源包括AlyInxGa1-x-yN材料的LED，其中0≤x≤1且0≤y≤1。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一窗和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二窗，并且所述第一窗和所述第二窗包括可移除的用于更换的一次性窗模块。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一腔镜和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二腔镜，所述第一和第二腔镜形成光腔，以增加从光源发射的光的路径长度。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述至少一个光传感器还包括光电检测器，以用于检测由来自所述气体混合物的吸收从所述光源发射的光的组分的荧光而引起的光。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述腔室包括反射镜结构，所述反射镜结构反射所述腔室内的光以增加从所述光源发射的光的路径长度。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述腔室包括用于加热所述腔室的表面的加热元件。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述腔室包括用于将气体引入所述腔室的入口阀和用于从所述腔室排出气体的出口阀，其中所述入口阀和出口阀是不透光阀。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述处理器被构造成确定所述气体混合物中的一种或多种酮的总浓度。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述气体混合物是呼出气，并且所述处理器被构造成确定所述呼出气中的一种或多种酮的总浓度。
在测量装置的一个示例性实施例中，所述一种或多种酮包括丙酮。
本发明的另一方面是测量气体混合物的组分的浓度的第一方法。在示例性实施例中，第一方法包括如下的步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和基于所述第一比率和所述第二比率计算所述测量气体混合物的组分的浓度。
本发明的另一方面是测量气体混合物的组分的浓度的第二方法。在示例性实施例中，第二方法包括如下的步骤：将参考气体引入腔室中；将来自第一光源和第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述第一光源和所述第二光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；使用至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第一比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第二比率；将测量气体混合物引入所述腔室中；将来自所述第一光源和所述第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；利用所述至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测到的来自所述第一光源的光的功率的第三比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的第四比率；和基于第一，第二，第三和第四比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
在此方法的示例性实施例中，所述参考气体是空气。
在此方法的示例性实施例中，所述测量气体混合物是呼出气，并且所述测量气体混合物的浓度被测定的组分是酮。
在此方法的示例性实施例中，所述酮浓度的确定还基于所述气体混合物或参考气体中的一种或多种其它气体组分的浓度，并且其中所述一种或多种其它气体组分的浓度通过传感器测量值，用户特性或环境特性中的至少一个确定。
在此方法的示例性实施例中，该方法还包括如下的步骤：使用酮浓度用于糖尿病诊断，酮症酸中毒的诊断，脂肪燃烧测量或体重减轻管理中的至少一种。
在此方法的示例性实施例中，该方法还包括输出对用户动作的推荐的步骤。
本发明的另一方面是进行呼吸分析以确定用于医学诊断的丙酮浓度的方法。在示例性实施例中，呼吸分析的方法包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；将呼出气引入所述腔室中；将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述呼出气；使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的呼出气的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和基于所述第一比率和所述第二比率计算所述呼出气中的丙酮的浓度。
在呼吸分析的方法的示例性实施例中，所述丙酮浓度的确定还基于所述气体混合物或参考气体中的一种或多种其它气体组分的浓度，并且其中所述一种或多种其它气体组分的浓度通过传感器测量值，用户特性或环境特性中的至少一个确定。
在呼吸分析的方法的示例性实施例中，所述参考气体是空气。
在呼吸分析的方法的示例性实施例中，该方法还包括如下的步骤：使用丙酮浓度用于糖尿病诊断，酮症酸中毒的诊断，脂肪燃烧测量或体重减轻管理中的至少一种。
在呼吸分析的方法的示例性实施例中，该方法还包括输出对用户动作的推荐的步骤。
在本发明的另一方面中，包括AlyInxGa1-x-yN材料的LED包括在一个或多个光源中。
在本发明的另一方面中，光电二极管-例如包括AlyInxGa1-x-yN材料的光电二极管-用作光电检测器。
本发明还包括使用该装置测定气体混合物-例如呼出气-中的丙酮浓度的方法。该方法可以包括使用环境空气进行的参考测量。该方法还可以包括温度，压力，氧浓度和二氧化碳浓度的测量。该方法还可以包括用户特性和环境特性的输入。
在本发明的另一方面中，光电检测器检测来自丙酮的荧光(波长从300nm到400nm)，以提高装置的精度。
在本发明的另一方面中，多通道单元用于增加呼吸分析仪的腔室内的UV光所行进的光程长度。
在本发明的另一方面中，使用高反射率镜来创建光腔，以显著地增加呼吸分析仪的腔室内的UV光所行进的光程长度。
在本发明的另一个实施例中，包括可以是光学或电气的加热元件，以加热气体样品(空气或呼出气)或与气体样品接触的(空气或呼吸)表面。
在另一个实施例中，使用不透光的外壳来防止杂散光与腔室内的气体或光电检测器相互作用。特别地，提供了不透光阀，其使得气体能够流动，但基本上阻挡具有从300nm到700nm的波长的环境光进入腔室。
在另一个实施例中，使用颗粒/灰尘过滤器在进入腔室之前清洁气体。过滤器也可用于从气体中除去水分。
在另一个实施例中，该设备用于检测和/或测量呼出气中的酮(例如丙酮)的浓度，用于诊断糖尿病，诊断酮症酸中毒或监测脂肪燃烧。
在另一个实施例中，该设备用于检测在食品酸化期间散发出的分子。
尽管已经参考某个实施例或多个实施例示出和描述了本发明，但是在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员可以想到等同的替换和修改。特别是关于由上述元件(部件，组件，装置，组合物等)执行的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于(除非另有说明)如下的任何元件，该元件即使在结构上不等同于执行本发明的本文中的一个或多个示例性实施例中的功能的所公开的结构，也可以执行所描述的元件的指定功能(即，功能上等同)。另外，虽然上文已经关于仅几个实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以按照需要与其他实施例的一个或多个其他特征和用于任何给定或特定应用的优点组合。
工业可用性
本发明可用于以下应用：
·糖尿病诊断和筛查
·健康/饮食支持，重量监视器
·预防酮症酸中毒
·胰岛素管理
·血糖监测与管理
附图标记说明：
1：腔室
2：光源
3：光电检测器
4：第一光源
5：第二光源
6：优选测量区域的示例
10：测量丙酮浓度的设备(第一示例)
11：入口阀
12：出口阀
13：第一窗
14：第二窗
15：第一光电检测器
16：泄压阀
17：由光源2发射的光
18：第一透镜
19：分束器
20：第二光电检测器
21：占据腔室1的气体
22：第二透镜
23：光电检测器
24：微处理器
25：温度传感器
26：压力传感器
39：测量丙酮浓度的设备(第二示例)
40：由光源4发射的光
41：由光源5发射的光
45：测量丙酮浓度的设备(第四示例)
46：测定丙酮浓度的设备(第五示例)
47：第三光电检测器
48：测量丙酮浓度的设备(第六示例)
49：反射镜
55：第一腔镜
56：第二腔镜
57：透镜
60：通道
61：通道的内壁
62：通道入口
63：通道出口
64：通道中的移动部件
65：加热元件
66：加热元件
67：过滤器
68：第三光源
69：反射镜
70：由光源68发射的光

Claims (22)

1.一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置，包括：
腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；
至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；
至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和
处理器，所述处理器被连接到所述光源和所述光传感器并且被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的光发射的线宽的发光二极管(LED)。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源包括具有从240nm到270nm的光发射的中心波长的LED，所述第二光源包括具有从270nm到300nm的光发射的中心波长的LED；以及
其中所述第一和第二光源的LED分别具有小于50nm的光发射的线宽。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括AlyInxGa1-x-yN材料的LED，其中0≤x≤1且0≤y≤1。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的测量装置，其中所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一窗和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二窗，并且所述第一窗和所述第二窗包括可移除的用于更换的一次性窗模块。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的测量装置，其中所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一腔镜和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二腔镜，所述第一和第二腔镜形成光腔，以增加从光源发射的光的路径长度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光传感器还包括连接到所述处理器的光电检测器，以用于检测由来自所述气体混合物的吸收从所述光源发射的光的组分的荧光而引起的光。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括反射镜结构，所述反射镜结构反射所述腔室内的光以增加从所述光源发射的光的路径长度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括用于加热所述腔室的表面的加热元件。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括用于将气体引入所述腔室的入口阀和用于从所述腔室排出气体的出口阀，其中所述入口阀和出口阀是不透光阀。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的测量装置，其中所述处理器被构造成确定所述气体混合物中的一种或多种酮的总浓度。
12.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述气体混合物是呼出气，并且所述处理器被构造成确定所述呼出气中的一种或多种酮的总浓度。
13.如权利要求11所述的测量装置，其中所述一种或多种酮包括丙酮。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括：第一光源，所述第一光源包括具有从240nm到270nm的光发射的中心波长的LED；第二光源，所述第二光源包括具有从270nm到290nm的光发射的中心波长的LED；以及第三光源，所述第三光源包括具有从290nm到310nm的光发射的中心波长的LED，
其中所述第一和第二光源的LED分别具有小于30nm的光发射的线宽。
15.一种测量气体混合物的组分的浓度的方法，包括以下步骤：
将参考气体引入腔室中；
将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；
使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第一比率；
将测量气体混合物引入所述腔室中；
将来自所述光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；
使用所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的光的功率的第二比率；和
基于所述第一比率和所述第二比率计算所述测量气体混合物的组分的浓度。
16.一种测量气体混合物的组分的浓度的方法，包括以下步骤：
将参考气体引入腔室中；
将来自第一光源和第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述第一光源和所述第二光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；
使用至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，
确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第一比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第二比率；
将测量气体混合物引入所述腔室中；
将来自所述第一光源和所述第二光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；
利用所述至少一个光传感器检测来自所述第一光源和所述第二光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；
确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测到的来自所述第一光源的光的功率的第三比率，以及确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的第四比率；和
基于第一、第二、第三和第四比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
17.一种测量气体混合物的组分的浓度的方法，包括以下步骤：
将参考气体引入腔室中；
将来自第一光源，第二光源和第三光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从第一，第二和第三光源发射的光各自包括从230nm到320nm的波长；
用至少一个光传感器检测来自第一，第二和第三光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分；
确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的比率，确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光功率的第二比率，并且确定从所述第三光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第三光源的光的功率的第三比率；
将测量气体混合物引入所述腔室中；
将来自第一，第二和第三光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述测量气体混合物；
使用所述至少一个光传感器检测来自第一，第二和第三光源的光的已经传播通过所述腔室中的测量气体混合物的一部分；
确定从所述第一光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第一光源的光的功率的第四比率，确定从所述第二光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第二光源的光的功率的第五比率，并且确定从所述第三光源发射的光的功率与由所述光传感器检测的来自所述第三光源的光的功率的第六比率；和
基于第一，第二，第三，第四，第五和第六比率计算所述气体混合物的组分的浓度。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述参考气体是空气。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中所述测量气体混合物是呼出气，并且所述测量气体混合物的浓度被测定的组分是酮。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述酮浓度的确定还基于所述气体混合物或参考气体中的一种或多种其它气体组分的浓度，并且其中所述一种或多种其它气体组分的浓度通过传感器测量值、用户特性或环境特性中的至少一个确定。
21.根据权利要求19-20中任一项所述的方法，还包括如下的步骤：
使用酮浓度用于糖尿病诊断、酮症酸中毒的诊断以及脂肪燃烧测量或体重减轻管理中的至少一种。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括输出对用户动作的推荐的步骤。
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