CN113189023A - 适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法和系统，方法包括：按照设置的抽真空处理方式对测量气室进行抽真空处理，使测量气室内的压力达到设置的进样前的压力阈值，所述抽真空处理方式包括对所述测量气室直接抽真空处理和对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理；按照设置的进样次数进行一次进样或者多次进样，本发明通过抽真空进样方式使测量气室原有气体去除到一个可控限值以下，使测量气室残留气体的影响降低到一个可控范围内，从而克服了呼气样本量少而无法完全置换测量气室原有气体的困难，并克服测量气室需要较长时间清洗的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及呼气样本量少、所需分析的痕量成分浓度较低且对测量精度、测量时间要求较高的气体分析方法，尤其涉及一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法和系统。
背景技术
古代就有呼气试验诊断疾病，现代随着检测技术的不断提高，通过检测呼气诊断疾病越来越受人们的重视，现在临床上有多种呼气诊断仪器，例如检测红细胞寿命的红细胞寿命呼气试验仪、检测幽门螺杆菌的HP测试仪等等。测量呼气痕量成份常用的方法有气相色谱法、电化学方法、光谱法等，其中气相色谱法需要的样品量少，测量精度高，但气相色谱仪器操作、维护复杂，价格昂贵，不适合在临床上推广使用；电化学方法测量精度低，稳定性差，且使用寿命短，因此也不适合在临床上广泛使用；光谱法的测量仪器精度高，可靠性高，成本低，结构和装配工艺简单，因此非常适合气体的分析，但是光谱法测量痕量气体，特别是精度要求很高的气体浓度测量需要大量的呼气样本去充满测量气室，而呼气试验的特点就是样本量有限，因此呼气样本量少而无法完全充满测量气室是光谱法测量呼气样本的一大难题。
申请号为201310138453.6的发明专利公开了一种测量气体浓度差的方法及非色散红外光谱仪的进样装置，该发明采用“少量、多次、间歇”的进样方式，克服了要将测量气室内气体完全置换成待测呼气所需样品量大的问题，达到了测量精度高、所需样品量少的有益效果，但是该发明由于采用开放式的气室且采用气缸进气的方式，测量时间较长，不能达到样本的快速测量；使用激光光源在同一气室内测量二个或多个呼气成分时，为了避免吸收峰的叠加，需要对测量气室进行减压处理，但由于该发明的气室是开放式的，不能对气室内部气压进行降压处理，因此限制了激光光源在该发明中的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不能既适合于激光光源的测量装置又适合于普通光源的测量装置、所需时间较长的缺陷，提供一种既适合于激光光源又适合于普通光源的测量装置，且测量时间能大大缩短的适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法和系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法，所述方法包括以下步骤：
按照设置的抽真空处理方式对测量气室进行抽真空处理，使测量气室内的压力达到设置的进样前的压力阈值，其中：所述进样前的压力阈值小于大气压力，所述抽真空处理方式包括对所述测量气室直接抽真空处理和对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理；
按照设置的进样次数进行一次进样或者多次进样，其中：每一次进样均是依靠抽真空形成的测量气室的内外压力差，使连接在测量气室的进气口端的待测样本自动进入测试气室。
优选地，所述的对所述测量气室直接抽真空处理，包括：执行一次抽真空排气步骤；所述的对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理，包括：反复地执行一次所述抽真空排气步骤后再执行一次清洗步骤，直至所述清洗步骤的执行次数达到设置的清洗次数；再执行一次所述抽真空排气步骤；
其中，所述抽真空排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到清洗前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀，其中，所述清洗前的压力阈值小于或等于大气压力；
其中，所述清洗步骤包括：打开所述进气电磁阀，使连接在测量气室的进气口端的清洗气自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到清洗后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀。
优选地，所述的一次进样，包括：执行一次进气步骤；所述的多次进样，包括：执行一次所述进气步骤；反复地执行一次样本排气步骤后再执行一次所述进气步骤，直至所述进气步骤达到设置的进气次数；
其中，所述进气步骤包括：打开所述进气电磁阀，使待测样本自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到进样后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀；
其中，所述样本排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到进样前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀。
优选地，所述方法还包括：在所述一次进样或者多次进样执行完成之后，执行如下的测量气室降压处理步骤：打开出气电磁阀，气压控制单元运行，当压力传感器感应到测量气室内的压力达到测试压力阈值时，主控单元控制出气电磁阀关闭和气压控制单元停止运行。
优选地，进样前的压力阈值与清洗前的压力阈值，可以是相同的或不同的；进样后的压力阈值与清洗后的压力阈值，可以是相同的或不同的；不同次样本排气步骤结束时所对应的进样前的压力阈值，可以是相同或不同。
优选地，所述待测样本包括呼气样本和环境本底气样本，所述清洗气为经过处理后的空气或待测样本气。
本发明另一方面还构造了一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的系统，可实现如前所述方法，所述系统包括：测量气室、主控单元、含有进气电磁阀的与测量气室连通的进气口、含有出气电磁阀的与测量气室连通的出气口、与测量气室具有气路连通的气压控制单元、与测量气室具有光路连通的光源、与测量气室具有光路连通且与主控单元具有电性连接的光电探测器和与测量气室具有气路连通的压力传感器。
优选地，所述主控单元用于设置抽真空处理方式、设置进样次数、设置清洗前的压力阈值、设置清洗后的压力阈值、设置进样前的压力阈值、设置进样后的压力阈值、控制电磁阀的开、关和测量信号的分析处理。
优选地，所述光源包括各种激光光源和普通非激光光源。
优选地，所述气压控制单元包括气泵或气缸或其它能对测量气室进行增压或减压的压力控制处理设备或器件。
本发明的适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法和系统，具有以下有益效果：本发明通过抽真空进样方式使测量气室原有气体去除到一个可控限值以下，使测量气室残留气体的影响降低到一个可控范围内，从而克服了呼气样本量少而无法完全置换测量气室原有气体的困难，并克服测量气室需要较长时间清洗的缺点，本发明的方法适用于待测气体样本量有限的呼气试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法的流程图；
图2是本发明适用于光谱法测量呼气痕量成份的系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文中所提到的“多次”包括两次以及两次以上。
参考图1，本发明的适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法包括以下步骤：
S101：按照设置的抽真空处理方式对测量气室进行抽真空处理，使测量气室内的压力达到设置的进样前的压力阈值；
其中，所述进样前的压力阈值小于大气压力。
其中，所述抽真空处理方式包括对所述测量气室直接抽真空处理和对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理，具体来说：
1)所述的对所述测量气室直接抽真空处理，包括：执行一次抽真空排气步骤。所述抽真空排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到清洗前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀，其中，所述清洗前的压力阈值小于或等于大气压力；
2)所述的对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理，包括：反复地执行一次所述抽真空排气步骤后再执行一次清洗步骤，直至所述清洗步骤的执行次数达到设置的清洗次数；再执行一次所述抽真空排气步骤；
所述抽真空排气步骤参考上面的1)部分。所述清洗步骤包括：打开所述进气电磁阀，使连接在测量气室的进气口端的清洗气自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到清洗后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀。
显然，在执行清洗步骤之前，要先将清洗气连接到测量气室的进气口。
S102：按照设置的进样次数进行一次进样或者多次进样，其中：每一次进样均是依靠抽真空形成的测量气室的内外压力差，使连接在测量气室的进气口端的待测样本自动进入测试气室，具体来说：
1)所述的一次进样，包括：执行一次进气步骤。
其中，所述进气步骤包括：打开所述进气电磁阀，使待测样本自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到进样后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀；
显然，在执行进气步骤之前，要先将待测样本连接到测量气室的进气口。
2)所述的多次进样，包括：执行一次所述进气步骤；反复地执行一次样本排气步骤后再执行一次所述进气步骤，直至所述进气步骤达到设置的进气次数；
其中，所述样本排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到进样前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀。
需要说明的是，本发明中进样前的压力阈值与清洗前的压力阈值，可以是相同的或不同的，进样后的压力阈值与清洗后的压力阈值，可以是相同的或不同的，不同次样本排气步骤结束时所对应的进样前的压力阈值，可以是相同或不同。
优选地4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述一次进样或者多次进样执行完成之后，执行如下的测量气室降压处理步骤：打开出气电磁阀，气压控制单元运行，当压力传感器感应到测量气室内的压力达到测试压力阈值时，主控单元控制出气电磁阀关闭和气压控制单元停止运行，其中，测试压力阈值小于所述进样后的压力阈值。例如，进样后的压力阈值为大气压力时，为了消除干扰气体吸收峰的叠加，设置测试压力阈值为大气压力的10％。
其中，所述待测样本包括呼气样本和环境本底气样本，所述清洗气为经过处理后的空气或待测样本气。
下面以四个具体的实施方式来说明本方法实施例。
1)实施方式一
以测量气室直接抽真空处理、根据压力差原理多次进样为例，设待测气体中痕量成份A的浓度为X，测量气室中原痕量成份A浓度为Y，进样3次，进样前的压力阈值为大气压力的k％，进样后的压力阈值为大气压力，则抽真空后和每次进样后，测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度分别为：
第一次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p1＝k％Y (1)
第一次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p2＝k％Y+(1-k％)X (2)
第二次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p3＝[k％Y+(1-k％)X]k％ (3)
第二次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p4＝[k％Y+(1-k％)X]k％+(1-k％)X (4)
第三次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p5＝[[k％Y+(1-k％)X]k％+(1-k％)X]k％ (5)
第三次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p6＝[[k％Y+(1-k％)X]k％+(1-k％)X]k％+(1-k％)X (6)
由公式(1)-(6)可以看出，经过三次进样后，测量气室中原痕量成份A对待测气体的测量影响已经很小了。
2)实施方式二
以待测气体中痕量成份A的浓度为1ppm，测量气室中原痕量成份A浓度为10ppm，进样1次，进样前的压力阈值为大气压力的1％，进样后的压力阈值为大气压力为例具体例子进行说明，则抽真空后和每次进样后，测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度分别为：
第一次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p1＝1％×10 (7)
第一次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
从以上具体数值例可以看出，通过一次进样后，测量气室原痕量成份A对待测气体的测量影响只有0.09ppm，是待测气体中痕量成份A的浓度的9％。
3)实施方式三
以待测气体中痕量成份A的浓度为1ppm，测量气室中原痕量成份A浓度为10ppm，进样2次，进样前的压力阈值为大气压力的1％，进样后的压力阈值为大气压力为例进行说明，则抽真空后和每次进样后，测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度分别为：
第一次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p1＝1％×10 (9)
第一次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p2＝1％×10+(1-1％)×1 (10)
第二次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p3＝[1％×10+(1-1％)×1]×1％ (11)
第二次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
从以上具体数值例可以看出，通过二次进样后，测量气室原痕量成份A对待测气体的测量影响只有0.0009ppm，是待测气体中痕量成份A的浓度的0.09％(万分之九)，因此测量气室中原痕量成份A对待测气体的测量影响是很小了。
4)实施方式四
以待测气体中痕量成份A的浓度为1ppm，测量气室中原痕量成份A浓度为10ppm，进样3次，进样前的压力阈值为大气压力的1％，进样后的压力阈值为大气压力为例进行说明，则抽真空后和每次进样后，测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度分别为：
第一次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p1＝1％×10 (13)
第一次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p2＝1％×10+(1-1％)×1 (14)
第二次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p3＝[1％×10+(1-1％)×1]×1％ (15)
第二次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p4＝[1％×10+(1-1％)×1]×1％+(1-1％)×1 (16)
第三次抽真空后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
p5＝[[1％×10+(1-1％)×1]×1％+(1-1％)×1]×1％ (17)
第三次进样后测量气室内待测气体中痕量成份A的浓度：
从以上具体数值例可以看出，通过三次进样后，测量气室原痕量成份A对待测气体的测量影响只有0.000009ppm，是待测气体中痕量成份A的浓度的0.0009％(百万分之九)，因此测量气室中原痕量成份A对待测气体的测量影响是非常小了。
如图2所示，本发明的系统，用于实现上述的方法，所述系统包括：测量气室1、主控单元2、含有进气电磁阀的与测量气室1连通的进气口3、含有出气电磁阀的与测量气室1连通的出气口4、与测量气室1具有气路连通的气压控制单元5、与测量气室1具有光路连通的光源6、与测量气室1具有光路连通且与主控单元2具有电性连接的光电探测器7和与测量气室1具有气路连通的压力传感器8。
主控单元2，用于设置抽真空处理方式、设置进样次数、设置清洗前的压力阈值、设置清洗后的压力阈值、设置进样前的压力阈值、设置进样后的压力阈值、控制电磁阀的开、关和测量信号的分析处理。
光源6，包含量子级联激光等各种激光光源和普通非激光光源。
气压控制单元5，包括气泵或气缸或其它能对测量气室进行增压或减压的压力控制处理设备或器件。
下面以用本发明的方法测量呼气样本中的CO浓度为例，对该方法的应用进行介绍。本例中采用激光光源，对测量气室直接抽真空，进样三次，进样前的压力阈值为大气压力的1％，进样后的压力阈值为大气压力，进气口3的进气电磁阀和出气口4的出气电磁阀处于常闭状态，为了消除干扰气体吸收峰的叠加，设置测试压力阈值为大气压力的10％。
1)收集受试者的呼气样本，在如图2所示的进气口3处连接呼气样本，打开上述系统，进入测量主界面；
2)对测量气室进行直接抽真空处理：出气口4的电磁阀打开，气压控制单元5运行，当压力传感器8感应到测量气室1内的压力达到大气压力的1％时，主控单元2控制出气口4的电磁阀关闭和控制气压控制单元5停止运行；
3)第一次进样：进气口3的电磁阀打开，当压力传感器8感应到测量气室内压力达到大气压力时，主控单元2控制进气口3的电磁阀关闭；
4)第一次进样之后的抽真空处理：出气口4的电磁阀打开，气压控制单元5运行，当压力传感器8感应到测量气室1内的压力达到大气压力的1％时，主控单元2控制出气口4的电磁阀关闭和控制气压控制单元5停止运行；
5)第二次进样：进气口3的电磁阀打开，当压力传感器8感应到测量气室内压力达到大气压力时，主控单元2控制进气口3的电磁阀关闭；
6)第二次进样之后的抽真空处理：出气口4的电磁阀打开，气压控制单元5运行，当压力传感器8感应到测量气室1内的压力达到大气压力的1％时，主控单元2控制出气口4的电磁阀关闭和控制气压控制单元5停止运行；
7)第三次进样：进气口3的电磁阀打开，当压力传感器8感应到测量气室内压力达到大气压力时，主控单元2控制进气口3的电磁阀关闭；
8)测量气室降压处理：出气口4的电磁阀打开，气压控制单元5运行，当压力传感器8感应到测量气室1内的压力达到大气压力的10％时，主控单元2控制出气口4的电磁阀关闭合气压控制单元5停止运行；
9)开始测量，光电探测器7将测量信号传输给主控单元2，主控单元2分析处理后输出测试结果。
综上所述，本发明的方法和系统，具有以下有益效果：本发明通过抽真空进样使测量气室内原有气体去除到一个可控限值以下，使测量气室残留气体的影响降低到一个可控范围内，解决了呼气样本量少而无法完全充满测量气室的困难，极大的提高了测量精度和缩短了测量时间，达到了测量精度高、所需样品量少的有益效果，且该适用于光谱法测量呼气痕量成份的系统维修简单、成本较低、适用于在临床上推广使用。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
按照设置的抽真空处理方式对测量气室进行抽真空处理，使测量气室内的压力达到设置的进样前的压力阈值，其中：所述进样前的压力阈值小于大气压力，所述抽真空处理方式包括对所述测量气室直接抽真空处理和对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理；
按照设置的进样次数进行一次进样或者多次进样，其中：每一次进样均是依靠抽真空形成的测量气室的内外压力差，使连接在测量气室的进气口端的待测样本自动进入测试气室。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述的对所述测量气室直接抽真空处理，包括：执行一次抽真空排气步骤；
所述的对所述测量气室进行一次或多次清洗后再抽真空处理，包括：反复地执行一次所述抽真空排气步骤后再执行一次清洗步骤，直至所述清洗步骤的执行次数达到设置的清洗次数；再执行一次所述抽真空排气步骤；
其中，所述抽真空排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到清洗前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀，其中，所述清洗前的压力阈值小于或等于大气压力；
其中，所述清洗步骤包括：打开所述进气电磁阀，使连接在测量气室的进气口端的清洗气自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到清洗后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述的一次进样，包括：执行一次进气步骤；
所述的多次进样，包括：执行一次所述进气步骤；反复地执行一次样本排气步骤后再执行一次所述进气步骤，直至所述进气步骤达到设置的进气次数；
其中，所述进气步骤包括：打开所述进气电磁阀，使待测样本自动进入所述测量气室，当所述测量气室的压力达到进样后的压力阈值时，关闭所述进气电磁阀；
其中，所述样本排气步骤包括：启动与所述测量气室具有气路连通的气压控制单元，关闭进气电磁阀，打开出气电磁阀，当所述测量气室的压力达到进样前的压力阈值时关闭所述出气电磁阀。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述一次进样或者多次进样执行完成之后，执行如下的测量气室降压处理步骤：打开出气电磁阀，气压控制单元运行，当压力传感器感应到测量气室内的压力达到测试压力阈值时，主控单元控制出气电磁阀关闭和气压控制单元停止运行。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
进样前的压力阈值与清洗前的压力阈值，可以是相同的或不同的；
进样后的压力阈值与清洗后的压力阈值，可以是相同的或不同的；
不同次样本排气步骤结束时所对应的进样前的压力阈值，可以是相同或不同。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述待测样本包括呼气样本和环境本底气样本，所述清洗气为经过处理后的空气或待测样本气。
7.一种适用于光谱法测量呼气痕量成份的系统，其特征在于，可实现如权利要求1-6任一项所述方法，所述系统包括：测量气室、主控单元、含有进气电磁阀的与测量气室连通的进气口、含有出气电磁阀的与测量气室连通的出气口、与测量气室具有气路连通的气压控制单元、与测量气室具有光路连通的光源、与测量气室具有光路连通且与主控单元具有电性连接的光电探测器和与测量气室具有气路连通的压力传感器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主控单元用于设置抽真空处理方式、设置进样次数、设置清洗前的压力阈值、设置清洗后的压力阈值、设置进样前的压力阈值、设置进样后的压力阈值、控制电磁阀的开、关和测量信号的分析处理。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源包括各种激光光源和普通非激光光源。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述气压控制单元包括气泵或气缸或其它能对测量气室进行增压或减压的压力控制处理设备或器件。
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