CN112557642A - 一种检测呼出气甲烷的气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）、催化燃烧结构（3）和恒温结构（4）组成。气敏元件（1）为气敏半导体型元件；过滤结构（2）、气敏元件（1）与催化燃烧结构（3）依次贯通连接，且催化燃烧结构（3）的出气口与过滤结构（2）的进气口或出气口相接，形成循环气路；过滤结构（2）能过滤在气敏元件（1）上有响应的物质，但不过滤甲烷气体；过滤结构由载体材料、催化剂或吸附剂组成；催化燃烧结构（3）能充分燃烧甲烷气体；恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。
Description
技术领域
本发明涉及呼气检测领域。
背景技术
研究表明，人体的产甲烷菌及其产生的甲烷呼出气的浓度可用来检测肠道疾病，包括肠胃微生态的失衡，炎症性肠病与结直肠癌等。实验室分析仪器的研究表明，甲烷呼出气正常浓度范围为1-10ppm, 低于1ppm，则被认为缺乏产甲烷菌或不产甲烷气，高于10ppm,则被诊断为产甲烷菌过度繁殖或生长，可能导致便秘、炎症性肠病或甚至结直肠癌（详见2017年《胃肠道疾病呼气氢和甲烷试验的北美共识》）。然而，目前能够满足甲烷呼气测试能够达到ppm的测量下限与精度要求的技术主要是特制的气相色谱等实验室分析技术，包括美国商业化的Quintron分析仪器。这些设备的操作维护复杂、费时、昂贵，难以用于临床常规检测，因此临床上一直希望开发操作使用便捷、经济可靠的呼出气甲烷传感器技术。
目前市场上的甲烷气体传感器主要包括三种类型。一种是金属氧化物的半导体传感器。该类型是广谱式气体传感器，对氢、甲烷、VOC等气体均比较敏感，对甲烷检测不具特异性，且检测的下限与精度均高于1000ppm，主要用于燃气泄漏监测报警。。另外两类是催化燃烧和非分散红外光学（NDIR）传感器，对甲烷的检测有特异性，主要用于煤矿瓦斯检测报警，检测的下限与精度通常是1%或10000ppm。显然，这三类气体传感器均远不能满足人体呼出气甲烷检测的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测呼出气甲烷的气体传感器，应用于呼出气甲烷的临床常规检测，以克服现有仪器和技术的缺陷。
本发明提供了一种检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）和恒温结构（4）组成，其特征在于：所述气敏元件（1）为金属氧化物气敏元件；所述过滤结构（2）与气敏元件（1）依次贯通连接；所述过滤结构（2）能过滤在气敏元件（1）上有响应的物质（如氢气、醇类酮类等VOC），但不过滤甲烷气体；所述恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。所述气敏元件为金属氧化物气敏元件，选择性较差，对于呼气中的氢气、甲烷、醇类酮类等VOC成分都有响应，其中，呼气中的氢气是主要的干扰物，因此，无法直接应用于ppm级的呼出气甲烷的检测。因而，需要在呼气进入气敏元件前对呼气进行过滤，将呼气中的干扰成分氢气、醇类酮类等VOC成分去除，同时不能去除甲烷气体，也不能产生在金属氧化物气敏元件上有响应的其它成分。
本发明实现方式是在气敏元件前设置过滤结构，过滤结构至少包含滤氢层，还可以包含滤VOC层、滤水层。过滤结构中的滤氢层、滤VOC层或滤水层可以是混合的，也可以是层层组装的。
一种检测呼出气甲烷的气体传感器的过滤结构至少包含滤氢层。滤氢层的过滤材质由载体材料和催化剂或吸附剂组成，其中催化剂位于载体材料的表面上并且具有将氢气催化氧化合成水的能力，但不能催化甲烷气体；其中吸附剂位于载体材料的表面上并且具有吸附氢气的能力，但不具有吸附甲烷气体的能力。
市面上有应用于各种场合的蓄电池电源室(如潜水艇舱，水电站，火电站，计算机房，微波站，通信机房，汽车轮渡，煤矿等)的氢气消除的消氢催化剂，目的是有效地控制环境中的氢气浓度在爆炸极限以下。市面上的消氢催化剂是针对较高浓度的氢气（>2%），而呼气中氢浓度一般不超过200ppm，至少相差一百倍。较高浓度的氢气被催化能够产生足够的热量将反应产生的水分带走，但如果氢气浓度较低，反应产生的水分无法被气流带走，催化剂表面很快积累较多的水分，将催化活性位点盖住，导致消氢催化剂很快失效。如果对消氢催化剂进行疏水处理，又会带来新的干扰成分，因而消氢催化剂无法直接应用于呼气样本中氢气的过滤。经过我们的长期试验摸索发现，对滤氢层进行加热恒温后，可以有效提升催化效率和稳定性。因而在过滤结构上增加恒温结构，对包含滤氢层的过滤结构进行加热恒温。进入气敏元件的气体的温度与湿度变化，会造成气敏元件电阻的变化，进而造成灵敏度的变化，因而我们需要补偿这种变化或者降低这种变化。对于温度的影响，本发明实现方式是气敏元件（1）内置于恒温结构（4）中，消除温度对甲烷检测的影响。恒温结构同时对气敏元件和过滤结构进行恒温，保证过滤层的过滤效率的同时保证气敏元件的信号稳定，综合考虑滤氢层的过滤效率和气敏元件的耐热性，优选的恒温温度为60-120℃。
市面上应用的氢气吸附剂主要是储氢材料，吸氢原理是某些过渡金属、合金和金属间化合物，由于特殊的晶体结构，使氢原子容易进入其晶格间隙中形成金属氢化物，因此储氢量很大，可贮存比其本身体积大1000～1300倍的氢，当加热时氢就能从金属中释放出来。已实用和研究发展中的贮氢材料主要有：镁系贮氢合金、钛系贮氢合金、锆系贮氢合金和铁系贮氢合金。经过我们的长期试验摸索发现，稀土系贮氢合金中的镧镍合金，其吸氢性好，容易活化，放氢温度低，在50-100℃下有较好的放氢速率。恒温结构分为两个部分，一部分对气敏元件进行恒温，保证气敏元件的信号稳定；一部分对滤氢层进行温度控制，测量分析时不加热，在测量间歇加热放氢。在测量间歇恒温结构可以单独控制气体过滤结构升温至50-100℃，同时吹扫过滤材料，帮助脱附再生。
一种检测呼出气甲烷的气体传感器的过滤结构还可以包含滤VOC层。滤VOC层的过滤材质为活性炭、分子筛或沸石，可以吸附过滤呼气中的醇类酮类等VOC成分。我们经过大量试验摸索，优选采用改性后的NaY分子筛，对醇类酮类的吸附效率可达99%。
一种检测呼出气甲烷的气体传感器的过滤结构还可以包含滤水层，滤水层的过滤材质为分子筛或硅胶，优选4A分子筛，可以进一步过滤呼气中的湿气，消除湿度对甲烷检测的影响。
因此，本发明的一种检测呼出气甲烷的气体传感器不需要做温湿度的补偿校准，避免了传感器之间不一致，校准公式不适用时造成的测试结果偏差。另外，恒温结构还可以实现过滤层的脱附再生，保持过滤层的过滤效率。
但是，过滤结构的设置，增加了气体扩散的难度，使响应时间变长。本发明实现方式是在过滤结构和气敏元件之间还设置有置换腔室（5），该腔室至少有一个出气口。呼气样本经过过滤结构过滤之后进入置换腔室，然后再扩散进入气敏元件，有效避免多层的过滤结构影响气流扩散造成甲烷气体响应时间的延长，大大提升检测效率。
所述气敏半导体元件的催化材料以金属氧化物为主，若为掺杂了CuO的半导体型气敏元件，对甲烷气体的灵敏度较大，有利于提高检测精度，但对二氧化碳气体有响应。人呼出气中含有大量的二氧化碳，而二氧化碳不能通过上述过滤结构除去，对呼出气甲烷的检测造成影响，易出现假阳性的现象。本发明实现方式的实现方式是在气敏元件（1）后设置催化燃烧结构（3）。所述催化燃烧结构（3）的出气口与过滤结构（2）的进气口或出气口相接，形成循环气路；所述催化燃烧结构（3）能充分燃烧甲烷气体，不能被燃烧的二氧化碳气体通过循环气路再次在气敏元件（1）上响应，两次的响应值相扣减就能得到ppm级的呼出气CH4的准确浓度。
本发明的一种检测呼出气甲烷的气体传感器的应用可以带来以下有益效果：
1、解决现有金属氧化物气敏检测技术存在的选择性差和易受环境温湿度影响的问题，大大提升的气敏半导体检测技术的检测精度，可以准确检出ppm级的呼出气甲烷的浓度，检测下限低至1ppm。
2、提升了呼出气甲烷的检测效率，不需要预先色谱分离就可以准确检测呼气甲烷浓度。
3、降低了呼出气甲烷的检测成本，采用本发明改进后的金属氧化物气敏检测技术，较现有实验室技术设备具有较低的成本，操作维护也更加简单，有利于推广和普及。
附图说明
图1为一种检测呼出气甲烷的气体传感器的结构示意图1。
图2为一种检测呼出气甲烷的气体传感器的过滤结构示意图。
图3为一种检测呼出气甲烷的气体传感器的结构示意图2。
图4为一种检测呼出气甲烷的气体传感器的结构示意图3。
图5为一种检测呼出气甲烷的气体传感器的结构示意图4。
具体实施方式
具体实施例一：
本实施例利用图1所示装置示意图组装一个检测呼出气甲烷的气体传感器，包含气敏元件（1）、过滤结构（2）和恒温结构（4），过滤结构（2）与气敏元件（1）依次贯通连接，恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。
本实施例采用的气敏元件（1）为利用200810242877.6《金属氧化物/碳纳米管气体传感器》中提出的方法制备的。
本实施例采用的过滤结构（2）包含了滤氢层（21），滤VOC层（22）、滤水层（23）。3层过滤层，如图2所示是层层组装的。滤氢层（21）的填料为消氢催化剂，粒径为1.5mm的灰黑色颗粒，由载体材料和负载于载体材料的表面上并且具有将氢气催化氧化合成水的能力的催化剂组成，能催化氢气但不能催化甲烷气体；滤VOC层（22）的过滤材质采用改性后的NaY分子筛，粒径为2mm的白色颗粒，对醇类酮类的吸附效率可达99%；滤水层的过滤材质优选4A分子筛，粒径为1.8mm的白色颗粒；每层过滤层通过过滤膜相隔开。
本实施例采用的恒温结构（4）中，同时对气敏元件和过滤结构进行恒温，保证过滤层的过滤效率的同时保证气敏元件的信号稳定，消除温度对甲烷检测的影响。恒温结构优选的恒温温度为80℃。
以下为使用本实施例装置对甲烷、氢气、乙醇等标准气的测试结果，以及在不同温湿度环境下的甲烷标准气测试结果。
以上结果表明本实施例的一个检测呼出气甲烷的气体传感器解决了现有技术存在的选择性差和易受环境温湿度影响的问题，可以准确检出ppm级的呼出气甲烷的浓度，检测下限低至1ppm。
具体实施例二：
本实施例利用图3所示装置示意图组装一个检测呼出气甲烷的气体传感器，包含气敏元件（1）、过滤结构（2）、恒温结构（4）和置换腔室（5）。本实施例是实施例一的基础上，在过滤结构（2）和气敏元件（1）之间增加一个置换腔室。本实施例的腔室有一个出气口，呼气样本经过过滤结构过滤之后进入置换腔室，然后再扩散进入气敏元件，有效避免多层的过滤结构影响气流扩散造成甲烷气体信号响应时间的延长，可以进一步提升检测效率。
具体实施例三：
本实施例利用图4所示装置示意图组装一个检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）、催化燃烧结构（3）和恒温结构（4）组成。过滤结构（2）、气敏元件（1）与催化燃烧结构（3）依次贯通连接，且催化燃烧结构（3）的出气口与过滤结构（2）的进气口相接，形成循环气路。恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。
本实施例的气敏元件（1）为气敏半导体型元件，其催化材料以金属氧化物为主，掺杂了CuO，对甲烷气体的响应灵敏度较大，对VOC的选择性也较好，有利于提高检测精度，但对二氧化碳气体有响应。
本实施例的过滤结构（2）只有一层滤氢层（21），填料为镧镍合金氢气吸附剂，粒径为1mm的灰色颗粒，由载体材料和负载于载体材料的表面上镧镍合金组成，能吸收氢气且不影响甲烷气体浓度，吸氢性好，容易活化，放氢温度低，在90℃下有较好的放氢速度。
本实施例的恒温结构分为两个部分，一部分对气敏元件进行恒温，保证气敏元件的信号稳定；一部分对滤氢层进行温度控制，测量分析时不加热，在测量间歇加热放氢。在测量间歇恒温结构可以单独控制气体过滤装置升温至90℃，同时吹扫过滤材料，帮助脱附再生。
本实施例的所述催化燃烧结构（3）可充分燃烧甲烷气体，不能被燃烧的二氧化碳气体通过循环气路再次在气敏元件（1）上响应，两次的响应值相扣减就能得到ppm级的呼出气甲烷的准确浓度。
以下为使用本实施例装置对甲烷、氢气、乙醇等标准气的测试结果，以及在不同温湿度环境下的甲烷标准气测试结果。
以上结果表明本实施例的一个检测呼出气甲烷的气体传感器解决了现有技术存在的选择性差和易受环境温湿度影响的问题，大大提升了气敏半导体检测技术的检测精度，可以准确检出ppm级的呼出气甲烷的浓度，检测下限低至1ppm。
具体实施例四：
本实施例利用图5所示装置示意图组装一个检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）、催化燃烧结构（3）和恒温结构（4）组成。本实施例是实施例三的基础上，将催化燃烧结构（3）的出气口与过滤结构（2）的出气口相接，形成循环气路。
呼气样本经过催化燃烧结构充分燃烧去除甲烷气体，不能被燃烧的二氧化碳气体通过循环气路再次直接进入气敏元件上响应，两次的响应值相扣减就能得到ppm级的呼出气甲烷的准确浓度。
本发明不限于显示和描述的实施例，但是任何变化和改进都在所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）和恒温结构（4）组成，其特征在于：所述气敏元件（1）为金属氧化物气敏元件；所述过滤结构（2）与气敏元件（1）依次贯通连接；所述过滤结构（2）能过滤在气敏元件（1）上有响应的物质，但不过滤甲烷气体；所述恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。
2.权利要求1所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述过滤结构包含滤氢层、滤VOC层、滤水层中的一层或多层，所述过滤结构至少包含一层滤氢层，各滤层的连接方式为层层组装或混合滤料组装。
3.权利要求2所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述滤氢层的过滤材质由载体材料和催化剂或吸附剂组成，其中催化剂位于载体材料的表面上并且具有将氢气催化氧化合成水的能力，但不能催化甲烷气体；其中吸附剂位于载体材料的表面上并且具有吸附氢气的能力，但不具有吸附甲烷气体的能力。
4.权利要求2所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述滤VOC层的过滤材质为活性炭、分子筛或沸石，优选采用改性后的NaY分子筛。
5.权利要求2所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述滤水层的过滤材质为分子筛或硅胶，优选4A分子筛。
6.权利要求1所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述过滤结构和气敏元件之间还设置有置换腔室（5），该腔室至少有一个出气口。
7.一种检测呼出气甲烷的气体传感器，由气敏元件（1）、过滤结构（2）、催化燃烧结构（3）和恒温结构（4）组成，其特征在于：所述气敏元件（1）为气敏半导体元件；所述过滤结构（2）、气敏元件（1）与催化燃烧结构（3）依次贯通连接，且催化燃烧结构（3）的出气口与过滤结构（2）的进气口或出气口相接，形成循环气路；所述过滤结构（2）能过滤在气敏元件（1）上有响应的物质，但不过滤甲烷气体；所述催化燃烧结构（3）能充分燃烧甲烷气体；所述恒温结构（4）对气敏元件（1）和过滤结构（2）进行升温或恒温，保证过滤结构（2）的过滤效率和气敏元件（1）的信号稳定。
8.权利要求7所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述过滤结构包含滤氢层、滤VOC层、滤水层中的一层或多层，所述过滤结构至少包含一层滤氢层，各滤层的连接方式为层层组装或混合滤料组装。
9.权利要求8所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述滤氢层的过滤材质由载体材料和催化剂或吸附剂组成，其中催化剂位于载体材料的表面上并且具有将氢气催化氧化合成水的能力，但不能催化甲烷气体；其中吸附剂位于载体材料的表面上并且具有吸附氢气的能力，但不具有吸附甲烷气体的能力；所述滤VOC层的过滤材质为活性炭、分子筛或沸石，优选采用改性后的NaY分子筛；所述滤水层的过滤材质为分子筛或硅胶，优选4A分子筛。
10.权利要求7所述的一种检测呼出气甲烷的气体传感器，所述过滤结构和气敏元件之间还设置有置换腔室（5），该腔室至少有一个出气口。
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| CN113567612A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-29 | 上海神开石油科技有限公司 | 一种基于催化燃烧原理的气测录井全烃检测方法和装置 |
| CN115950922A (zh) * | 2023-01-17 | 2023-04-11 | 湖南元芯传感科技有限责任公司 | 有源过滤器、半导体气体传感器及有源过滤器的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101368921A (zh) * | 2008-09-08 | 2009-02-18 | 无锡尚沃生物科技有限公司 | 高灵敏度与高选择性气体传感器 |
| CN102109487A (zh) * | 2009-12-28 | 2011-06-29 | 华瑞科学仪器(上海)有限公司 | 超低浓度气体传感器 |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| CN102109487A (zh) * | 2009-12-28 | 2011-06-29 | 华瑞科学仪器(上海)有限公司 | 超低浓度气体传感器 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113567612A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-29 | 上海神开石油科技有限公司 | 一种基于催化燃烧原理的气测录井全烃检测方法和装置 |
| CN115950922A (zh) * | 2023-01-17 | 2023-04-11 | 湖南元芯传感科技有限责任公司 | 有源过滤器、半导体气体传感器及有源过滤器的制备方法 |
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