RU2384837C1

RU2384837C1 - Method of simultaneous determination of co and co2 molecules concentration and device for simultaneous determination of co and co2 molecules concentration

Info

Publication number: RU2384837C1
Application number: RU2008145631/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Валерьевич Степанов (RU); Евгений Валерьевич Степанов
Original assignee: Евгений Валерьевич Степанов
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-03-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: inventions refer to laser spectroscopy and spectral analysis, and can be used for simultaneous diagnostics of absolute and relative content of carbon oxides CO and CO₂ in gaseous medium. For simultaneous content analysis of CO and CO₂ molecules there used are CO and CO₂ absorption lines entering the spectral range overlapped with frequency-controlled semiconducting laser, and CO absorption lines from fundamental vibration-rotation band 1-0 or obertone of that fundamental absorption band 2-0 or obertone of that fundamental absorption band 3-0, which do not overlap with absorption lines of water vapours and are located near 4.7 mcm, 2.35 mcm, 1.57 mcm correspondingly, and CO₂absorption lines of bands 20001-01101 or 00021-01101, or 30012-00001, which are located in the same spectral ranges and overlapping with the appropriate CO absorption bands.

EFFECT: invention allows simultaneous determination of CO and CO₂ molecules concentration in gaseous medium.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода CO и CO₂ в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода CO и CO₂, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности для биомедицинской диагностики.The invention relates to the field of laser spectroscopy and spectral analysis, and in particular to the field of application of tunable semiconductor lasers, and can be used for the simultaneous diagnosis of the absolute and relative content of carbon oxides CO and CO ₂ in a gaseous medium, for monitoring the content of carbon oxides CO and CO ₂ , for example, in exhaled air, in the atmosphere, in particular for biomedical diagnostics.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Известны изобретения, направленные на решение задач газового анализа, таких, например, как определение состава выдыхаемого воздуха, которые используют в своей конструкции чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах.Known inventions aimed at solving the problems of gas analysis, such as, for example, determining the composition of exhaled air, which use sensitive elements based on various physical principles in their design.

Известно Устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху [1]. Подход, основанный на применении различных принципов детектирования для разных веществ, используемый в конструкции данного устройства, обуславливает необходимость использования отдельного метрологического и инструментального обеспечения для каждого из применяемых принципов, что значительно усложняет всю систему в целом.A device for the diagnosis of human diseases by exhaled air [1]. The approach based on the application of different detection principles for different substances used in the design of this device necessitates the use of separate metrological and instrumental support for each of the applied principles, which significantly complicates the whole system.

Известен Лазерный газоанализатор [2], содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.Known Laser gas analyzer [2], containing a gas sampling system for analysis, an analytical cell and optically coupled pumped solid-state laser, lenses, mirrors and a spectral filter for generating input and output radiation streams, a spectral device, a radiation receiver, and also a recording system electrically connected to a radiation receiver and a computer for processing and displaying data and controlling a laser analyzer, characterized in that the solid-state laser is used with diode pumping, as a spectrum the filter ceiling elements dual holographic filter used in the spectral instrument is used polychromator with a concave diffraction grating, and a radiation receiver - photodiode line.

Известен Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор [3], содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.Known Interference-proof optoelectronic gas analyzer [3], containing a power supply, a laser, a decoder, an optical cuvette, a spectral element, an optical system, a photodetector, an amplifier, an analog-to-digital converter, a control unit, a digital-to-analog converter, characterized in that to the output of the power supply connected: a laser, a photodetector, an amplifier, and a control unit is connected to the input through a digital-to-analog converter; a spectral element, an optical system, a photodetector, an amplifier, an analog-to-digital converter, a control unit are sequentially connected to the cuvette; The laser, decoder and cuvette are connected by a beam of transmitted light.

Однако вышеперечисленные аналоги, основанные на известных лазерных технологиях и обеспечивающие определенную чувствительность детектирования поглощения оптического излучения, не обеспечивают сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность, селективность и динамический диапазон анализа.However, the above analogs based on well-known laser technologies and providing a certain sensitivity for detecting absorption of optical radiation do not provide the combination of the required analytical characteristics, such as sensitivity, accuracy, selectivity and dynamic range of analysis.

Известно также изобретение «Способ и устройство для измерения концентрации газов» [4], которое относится к области измерительной техники и может быть использовано для обнаружения и количественного анализа веществ. Техническим результатом [4] является повышение точности определения наличия и/или измерения концентрации вещества, а также значительное снижение уровня технических требований к составляющим устройства и соответственно их стоимости. Однако данное изобретение не обеспечивает сочетания таких необходимых характеристик газового анализа среды, как наглядность, точность и селективность, а также одновременность анализа различных веществ.The invention “Method and device for measuring the concentration of gases” [4] is also known, which relates to the field of measuring technology and can be used for detection and quantitative analysis of substances. The technical result [4] is to increase the accuracy of determining the presence and / or measurement of the concentration of a substance, as well as a significant reduction in the level of technical requirements for the components of the device and, accordingly, their cost. However, this invention does not provide a combination of such necessary characteristics of a gas analysis of the medium as visibility, accuracy and selectivity, as well as the simultaneous analysis of various substances.

Известно изобретение [5] «Способ определения концентрации аммиака в смеси газов и устройство для его осуществления», область использования которого: количественная ИК-спектроскопия газовых смесей, а именно определение концентрации аммиака в смеси газов. Сущность способа определения содержания аммиака в газах заключается в том, что на анализируемую газовую смесь и эталонную смесь без аммиака воздействуют попеременно импульсами лазерного излучения с характеристической и нехарактеристической длинами волн в ИК-области спектра, измеряют амплитуды одной из нечетных Фурье-гармоник интенсивностей излучения, прошедшего через оба газа. О концентрации аммиака судят по разности амплитуд нечетных Фурье-гармоник. Для увеличения точности способа измеряют амплитуды четных Фурье-гармоник и нормируют на них соответствующие нечетные Фурье-гармоники. Устройство для реализации способа определения концентрации аммиака содержит импульсный лазер с перестраиваемой в ИК-области спектра длиной волны, по ходу излучения которого расположены два светоделителя, направляющие излучение по трем ветвям. На одной ветви установлена кювета с анализируемой смесью, за которой расположено возвратное зеркало, и детектор, на который попадает прошедшее через кювету излучение. На другой ветви установлена кювета с эталонным газом без аммиака, за кюветой расположен детектор. На третьей ветви установлены кювета с известным содержанием аммиака и детектор. Выходы трех детекторов соединены с тремя идентичными электрическими цепями, предназначенными для выделения амплитуд нечетных и четных Фурье-гармоник интенсивностей прошедшего через кювету излучения. Выходы цепей соединены с блоком управления. Изобретение позволяет измерять содержание аммиака в газовых смесях с высокой чувствительностью и точностью.Known invention [5] "A method for determining the concentration of ammonia in a gas mixture and a device for its implementation", the scope of which is: quantitative IR spectroscopy of gas mixtures, namely the determination of the concentration of ammonia in a gas mixture. The essence of the method for determining the ammonia content in gases is that the analyzed gas mixture and the reference mixture without ammonia are alternately affected by laser pulses with characteristic and non-characteristic wavelengths in the infrared region of the spectrum, the amplitudes of one of the odd Fourier harmonics of the radiation intensities transmitted through both gases. The concentration of ammonia is judged by the difference in amplitudes of the odd Fourier harmonics. To increase the accuracy of the method, the amplitudes of the even Fourier harmonics are measured and the corresponding odd Fourier harmonics are normalized to them. A device for implementing the method for determining the concentration of ammonia contains a pulsed laser with a wavelength tunable in the infrared region of the spectrum, along the radiation of which there are two beamsplitters directing the radiation along three branches. A cuvette with the analyzed mixture, behind which a return mirror is located, and a detector, onto which the radiation transmitted through the cuvette is located, are installed on one branch. A cuvette with a reference gas without ammonia is installed on the other branch, and a detector is located behind the cuvette. A cell with a known ammonia content and a detector are installed on the third branch. The outputs of the three detectors are connected to three identical electrical circuits designed to extract the amplitudes of the odd and even Fourier harmonics of the intensities of the radiation transmitted through the cell. The outputs of the circuits are connected to the control unit. The invention allows to measure the ammonia content in gas mixtures with high sensitivity and accuracy.

Однако, применительно к одновременному анализу нескольких газовых компонент в анализируемой газовой смеси, например, содержания молекул CO и CO₂ в газовой среде, в том числе в выдыхаемом воздухе, все перечисленные изобретения имеют существенные недостатки, затрудняющие решение поставленной задачи одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, способом, который был бы наглядным, точным и селективным, а также мог бы быть реализован в полном объеме в виде надежного и эргономичного устройства.However, in relation to the simultaneous analysis of several gas components in the analyzed gas mixture, for example, the content of CO and CO ₂ molecules in a gaseous medium, including exhaled air, all of these inventions have significant drawbacks that make it difficult to solve the problem of simultaneously determining the content of CO molecules and CO ₂ and analysis of their relative content in a gaseous medium, and in particular in exhaled air, in a way that would be clear, accurate and selective, and could also be fully implemented m volume in the form of a reliable and ergonomic device.

Техническим результатом, на достижение которого направлено одно из представленной группы изобретений, является создание способа, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, который был бы применим для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, который был бы наглядным, точным и селективным, кроме того, техническим результатом, на достижение которого направлено второе изобретение, является создание устройства, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, которое позволяло бы реализовать указанный способ в полном объеме, было бы надежным, эргономичным.The technical result, to which one of the presented group of inventions is directed, is to create a method that allows the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules, which would be applicable for the simultaneous determination of the content of CO and CO ₂ molecules and analysis of their relative content in a gaseous medium, and in particular in exhaled air, which would be visual, accurate and selective, in addition, the technical result to which the second invention is directed is danie device allowing to carry out simultaneous determination of the concentration of molecules of CO and CO _2, which can be applied for simultaneous determination of CO molecules and CO ₂ and analysis of their relative content in a gaseous medium, in particular in the exhaled air, which is allowed to implement the method in full, would be reliable, ergonomic.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат достигается тем, что предложены способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ и устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.The technical result is achieved by the fact that a method for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules and a device for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules are proposed.

1. Способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, включающий измерения резонансного поглощения молекул CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту генерации которого настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂, оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду, прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂, регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂ и их относительное содержание, повышают чувствительность определения абсолютной и относительной концентрации молекул, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул, а также используя многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, при этом для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду.1. A method for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules, including measuring the resonant absorption of CO and CO ₂ molecules by means of a tunable semiconductor laser, the optical frequency of which is tuned to operate in the spectral range in which absorption lines are used to determine the content of CO and CO _2, the optical frequency of the laser used are periodically scanned in the spectral range analyzed by modulating the pumping current value, about the laser radiation OSCAL through the test medium elapsed analyzed medium the laser light detected by the photodetector is recorded laser transmission spectrum media containing absorption lines CO and CO _2, the recorded laser spectrum processed using means of hardware and software, and the calculated spectrum of the absorption coefficient in the lines, in this case, the laser radiation intensity outside the analyzed absorption lines is taken into account, by calculating by the value of the resonance absorption in the lines the concentration of the analyzed CO and CO ₂ molecules and their relative content increase the sensitivity of determining the absolute and relative concentration of molecules by registering the first and / or second derivatives of the transmission spectra of the molecules, as well as using multi-path radiation paths through the analyzed medium, while simultaneously analyzing the content of molecules CO and CO ₂ in the object of spectral analysis use CO absorption lines and CO ₂ absorption lines falling in the spectral region overlapped by the tunable half using a conductor laser, namely, CO absorption lines from the fundamental vibrational-rotational band 1-0 or the overtone of this fundamental absorption band 2-0, or the overtone of this fundamental absorption band 3-0 located near 4.7 μm, not overlapping with the water vapor absorption lines, 2.35 microns, 1.57 microns, respectively, and the CO ₂ absorption bands lines 20001-01101 or 00021-01101 or 30012-00001, respectively located in the same spectral region and overlapping with the respective CO absorption bands, as the object spectrum cial analysis comprising CO and CO _2, gaseous medium is used.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют выдыхаемый воздух.2. The method according to claim 1, characterized in that the exhaled air is used as an object of spectral analysis containing CO and CO ₂ .

3. Устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул CO и CO₂в анализируемой среде, а также их относительного содержания, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.3. A device for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules, made with the possibility of entering the parameters of the laser analytical system and starting the process of laser spectral analysis, as well as with the possibility of choosing the spectral and frequency characteristics of laser radiation, the temperature of the laser used, the scanning parameters of the spectra, their registration, digitization, transmission, buffering, storage, processing of spectral data, including a tunable semi-tunable laser used A water laser, which is capable of generating a monochromatic and in a controlled manner frequency-tunable optical radiation, the wavelength of which lies in the spectral region in which the absorption lines of CO and CO ₂ in the gaseous state are used, which also includes a control system made with the ability to maintain the specified parameters, synchronize the cycles of scanning spectra, register spectra, digitize them, as well as transmit energy, buffering, storing, processing spectral data, issuing measurement results, a thermal stabilization system configured to adjust the laser used to the spectral range in which the analytical absorption lines of CO and CO ₂ lie, and maintain the operating temperature of the laser and its operating temperature with the necessary accuracy wavelengths, a pump and control system for the spectral and power parameters of the radiation used by the laser, configured to generate a current of a certain amplitude and shape, used to pump the specified laser, and to control the spectral and power parameters of the radiation of the used laser by changing the amplitude and time parameters of the pump current, a system for generating the spatial characteristics of the laser beam, configured to collimate the diverging radiation of the used laser into a beam suitable for transmission through the object under study, and focusing on the optical radiation detection system, configured to isolate in the received mode an irradiated laser signal of the radio frequency component containing information about the transmission spectra of the test medium and its conversion into an electric radio frequency signal, a system for preliminary amplification of the detected radio frequency signal, made with the possibility of preliminary amplification of the radio frequency signal detected by the photodetector containing information about the transmission spectra of the studied medium and, if necessary, analog differentiation of the registered signal, digitization system and, reading, accumulating and storing the recorded signal, configured to translate an analog radio frequency signal recorded using a photo detector and containing information about the transmission spectra of the test medium, in digital form, with the ability to read the resulting digital signal and transmit it to the memory of the device intended accumulation and storage of digital information, a system for processing laser transmission spectra, configured to process the received information and calculation spectrum the absorption coefficient in the analyzed lines CO and CO ₂ in the recorded spectral range, the system calculating an absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the assay medium, configured to perform calculation of the concentration of molecules CO and CO ₂ in assay medium, as well as their relative content , a system for outputting the resulting data, configured to output and visualize the obtained data of the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, as well as other intermediate the final results of processing the spectra, reflecting changes in the measured parameters, while the input of the main parameters is possible by means of a control system that is capable of transmitting information to the system of thermal stabilization, pumping and control of the spectral and power parameters of the radiation of the laser used, which is interfaced with the laser used, and also a system for digitizing, reading, accumulating and storing the recorded signal and a system for processing laser transmission spectra, the choice of parameters Topics also possible via the control system with which the conjugate is used a laser, which in turn is coupled to the system heat setting and with the system of spatial characteristics of the laser beam, which are connected in series spectral analysis object containing CO and CO _2, the laser detection system , a system for preliminary amplification of a recorded radio frequency signal, a system for digitizing, reading, accumulating and storing a registered signal, a laser processing system transmission spectra, made with the possibility of simultaneous analysis of the content of CO and CO ₂ molecules in the object of spectral analysis with the possibility of using CO absorption lines and CO ₂ absorption lines falling in the spectral region covered by a tunable semiconductor laser, namely, the possibility of using non-overlapping lines absorption of water vapor from CO absorption lines from the fundamental vibrational-rotational band 1-0 or overtone of this fundamental absorption band 2-0, or this overtone 3-0 fundamental absorption bands located near 4.7 μm, 2.35 μm, 1.57 μm, respectively, and CO ₂ absorption lines of bands 20001-01101 or 00021-01101, or 30012-00001 located respectively in the same spectral regions and overlapping with the corresponding bands CO absorption, using a gaseous medium as the object of spectral analysis containing CO and CO ₂ to perform a subsequent calculation of the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, with the possibility of increasing the sensitivity absolute and relative concentration of molecules, ensuring the registration of the first and / or second derivative of the transmission spectra of the molecules, as well as providing multi-pass schemes for the passage of radiation through the analyzed medium.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂.4. The device according to claim 3, characterized in that it is configured to use exhaled air as an object of spectral analysis containing CO and CO ₂ .

Известно, что молекула CO₂, в силу присущего ей типа симметрии, имеет в инфракрасном диапазоне спектра достаточно большое количество колебательно-вращательных полос, активных в поглощениях. Большая часть из них соответствует возбуждению так называемых составных колебаний молекулы, которые являются суммой нескольких различных ее колебаний в различных сочетаниях, или обертонов основных колебаний. Эти полосы являются существенно более слабыми, чем полосы фундаментального поглощения, однако, в силу многочисленности всевозможных комбинаций колебательного возбуждения молекулы CO₂ при поглощении ИК-излучения, эти слабые колебательно-вращательные полосы CO₂ можно обнаружить практически во всем ИК-диапазоне, от 1 до 16 мкм. В то же время молекула CO имеет всего одну колебательную степень свободы и одну соответствующую ей полосу колебательно-вращательного фундаментального поглощения 1-0, расположенную в среднем ИК-диапазоне вблизи 4.7 мкм. В ближнем ИК-диапазоне расположено лишь несколько существенно более слабых полос поглощения СО 2-0 и 3-0, соответствующих первому и второму обертонам основного перехода.It is known that a CO ₂ molecule, due to its inherent type of symmetry, has a rather large number of vibrational-rotational bands active in absorption in the infrared range of the spectrum. Most of them correspond to the excitation of the so-called compound vibrations of a molecule, which are the sum of several different vibrations in various combinations, or overtones of the main vibrations. These bands are significantly weaker than the fundamental absorption bands, however, due to the many possible combinations of vibrational excitation of the CO ₂ molecule during the absorption of infrared radiation, these weak vibrational-rotational CO ₂ bands can be detected in almost the entire IR range, from 1 to 16 microns. At the same time, the CO molecule has only one vibrational degree of freedom and one corresponding 1–0 vibrational – rotational fundamental absorption band located in the mid-IR range near 4.7 μm. In the near IR range, there are only a few substantially weaker absorption bands of CO 2-0 and 3-0, corresponding to the first and second overtones of the main transition.

В силу распространенности полос поглощения CO₂ по спектру, полосы поглощения CO и CO₂ перекрываются. Причем в известных областях их перекрытия интенсивность резонансного поглощения в линиях СО может на 4-6 порядков превышать поглощение в линиях CO₂.Due to the prevalence of the absorption bands of CO ₂ in the spectrum, the absorption bands of CO and CO ₂ overlap. Moreover, in known areas of their overlap, the intensity of resonant absorption in CO lines can be 4-6 orders of magnitude higher than absorption in CO ₂ lines.

Указанная закономерность использована в предлагаемых изобретениях для одновременного измерения абсолютных и относительных концентраций CO и CO₂ в газовых смесях, где содержание этих веществ также различается на несколько порядков. В частности, такая ситуация реализуется в выдыхаемом воздухе, где содержание эндогенного, то есть образуемого в организме за счет естественного обмена веществ, СО составляет порядка 1×10^-4 об.%, а концентрация выделяемого CO₂ может находиться в диапазоне 3-6 об.%. Различие спектральных свойств CO и CO₂ может быть использовано для их одновременного селективного спектрального анализа в целях биомедицинской диагностики, основанной на определении относительного содержания окислов углерода в выдыхаемом воздухе.The indicated regularity was used in the proposed inventions for simultaneous measurement of the absolute and relative concentrations of CO and CO ₂ in gas mixtures, where the content of these substances also varies by several orders of magnitude. In particular, this situation is realized in exhaled air, where the content of endogenous, that is, formed in the body due to the natural metabolism, CO is about 1 × 10 ^-4 vol.%, And the concentration of CO ₂ emitted can be in the range of 3-6 vol .%. The difference in the spectral properties of CO and CO ₂ can be used for their simultaneous selective spectral analysis for biomedical diagnostics based on the determination of the relative content of carbon oxides in exhaled air.

Предлагаемый способ одновременного определения концентрации молекул CO иThe proposed method for simultaneously determining the concentration of CO molecules and

CO₂ в газообразной среде, в частности в выдыхаемом воздухе, включает измерения резонансного поглощения CO и CO₂ с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера. Оптическую частоту генерации используемого лазера настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂. Оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду. Затем прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂.CO ₂ in a gaseous medium, in particular in exhaled air, includes measurements of the resonant absorption of CO and CO ₂ using a tunable semiconductor laser. The optical generation frequency of the laser used is tuned to operate in the spectral range in which the absorption lines are used to determine the content of CO and CO ₂ molecules. The optical frequency of the laser used is periodically scanned in the analyzed spectral range by modulating the magnitude of the pump current, the laser radiation is passed through the medium under study. Then, the laser radiation transmitted by the analyzed medium is detected using a photodetector, and the laser transmission spectrum of the medium containing the analyzed absorption lines of CO and CO _{2 is} recorded.

Регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, далее расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂, а также относительное их содержание.The registered laser spectrum is processed using hardware-software complex and the absorption coefficient spectrum in the lines is calculated, the laser radiation intensity outside the analyzed absorption lines is taken into account, then the concentration of the analyzed CO and CO ₂ molecules is determined by the value of the resonance absorption in the lines, and also their relative content.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул регистрируют первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул.To increase the sensitivity of determining the absolute and relative concentration of molecules, the first and / or second derivatives of the transmission spectra of the molecules are recorded.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул также используют многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.To increase the sensitivity of determining the absolute and relative concentration of molecules, multi-pass schemes for the passage of radiation through the analyzed medium are also used.

Для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.For the simultaneous analysis of the content of CO and CO ₂ molecules in the object of spectral analysis, CO absorption lines and CO ₂ absorption lines falling in the spectral region covered by a tunable semiconductor laser are used, namely, CO absorption lines from fundamental vibrational rotational band 1-0 or overtone of this fundamental absorption band 2-0, or overtone of this fundamental absorption band 3-0 located near 4.7 microns, 2.35 microns, 1.57 microns respectively Twain and CO ₂ absorption bands lines 20001-01101 or 00021-01101 or 30012-00001, respectively located in the same spectral region and overlapping with the respective CO absorption bands, as the object of spectral analysis comprising CO and CO ₂ gas is used environment, in particular exhaled air.

Объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, может находиться как в открытой атмосфере, так и в герметичном объеме и предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂.The spectral analysis object containing CO and CO ₂ can be located in an open atmosphere or in a sealed volume and is intended to measure its transmission spectra in the used spectral range and determine the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in it.

В предлагаемом способе в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газовую среду, в частности выдыхаемый воздух.In the proposed method, as a spectral analysis object containing CO and CO ₂ , a gas medium, in particular exhaled air, is used.

Для реализации предлагаемого способа предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, принципиальная схема которого представлена на Фиг.1, которое включает следующие основные элементы с указанием номеров позиций на схеме.To implement the proposed method, a device is proposed for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules, a schematic diagram of which is shown in FIG. 1, which includes the following main elements with the position numbers in the diagram.

Используемый лазер - перестраиваемый полупроводниковый лазер - позиция 3 на Фиг.1. Предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящиеся в газообразном состоянии.The laser used is a tunable semiconductor laser — position 3 in FIG. 1. Designed to generate a monochromatic and frequency-tunable optical radiation whose wavelength lies in the spectral region where the absorption lines of CO and CO ₂ used in the analysis are located in a gaseous state.

Система управления - позиция 4 на Фиг.1.The control system is position 4 in figure 1.

Предназначена для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.It is intended to maintain the set parameters of the system, synchronize the cycles of scanning spectra, register spectra and digitize them, as well as transmit, buffer, store and process spectral data and provide measurement results.

Система термостабилизации - позиция 5 на Фиг.1.Thermostabilization system - position 5 in figure 1.

Предназначена для настройки перестраиваемого полупроводникового лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.Designed to tune the tunable semiconductor laser to the spectral range in which the analytical absorption lines of CO and CO ₂ lie, and maintain the laser working temperature and its operating wavelength with the necessary accuracy.

Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера - позиция 6 на Фиг.1.The pump system and control the spectral and power parameters of the radiation of a tunable semiconductor laser - position 6 in figure 1.

Предназначена для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого перестраиваемого полупроводникового лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.Designed to generate a current of a certain amplitude and shape used to pump the specified laser, and to control the spectral and power parameters of the radiation used tunable semiconductor laser by changing the amplitude and time parameters of the pump current.

Система формирования пространственных характеристик лазерного пучка - позиция 7 на Фиг.1.The system for forming the spatial characteristics of the laser beam is position 7 in FIG. 1.

Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого полупроводникового лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.Designed to collimate diverging radiation from a tunable semiconductor laser into a beam suitable for transmission through the object under study and focus on an optical radiation detection device.

Система детектирования лазерного излучения - позиция 9 на Фиг.1.Laser detection system - position 9 in FIG. 1.

Предназначена для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.It is intended for separation in the received modulated laser signal of the radio frequency component containing information about the transmission spectra of the medium under study, and its conversion into an electric radio frequency signal.

Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала - позиция 10 на Фиг.1.System pre-amplification of the recorded RF signal - position 10 in figure 1.

Предназначена для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.It is intended for preliminary amplification of a radio frequency signal recorded using a photodetector, which contains information about the transmission spectra of the medium under study and, if necessary, for analog differentiation of the recorded signal.

Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала - позиция 11 на Фиг.1.The system of digitization, reading, accumulation and preservation of the recorded signal - position 11 in figure 1.

Предназначена для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.Designed to translate an analog radio frequency signal recorded using a photodetector and containing information about the transmission spectra of the test medium into digital form, read the received digital signal and transmit it to the memory of an electronic device designed to store and store digital information.

Система обработки лазерных спектров пропускания - позиция 12 на Фиг.1.The system for processing laser transmission spectra - position 12 in figure 1.

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра.Designed to process the information received and calculate the spectrum of the absorption coefficient in the analytical lines of CO and CO ₂ in the recorded spectrum range.

С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания - позиция 13 на Фиг.1.Using a system for calculating the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, the concentration of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium is calculated, as well as their relative content - position 13 in FIG. 1.

Система вывода результирующих данных - позиция 14 на Фиг.1.The system for outputting the resulting data - position 14 in figure 1.

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.It is intended for output and visualization of the obtained data in the form of a numerical value of the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, as well as other intermediate results of processing the spectra, a curve on the monitor or screen, reflecting changes in the measured values with time, and / or as a file containing a sequence of digital data on the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium and other intermediate results.

Объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂, находящиеся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. Предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ - позиция 8 на Фиг.1.An object of spectral analysis containing CO and CO ₂ molecules located in an open atmosphere or in a sealed volume equipped with radiation input and output devices and an inlet of the analyzed medium. Designed to measure its transmission spectra in the used spectral range and determine in it the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules - position 8 in FIG. 1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ выполнено:The proposed device for the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules is made:

- с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы,- with the ability to enter parameters of the laser analytical system,

- с возможностью запуска процесса лазерного спектрального анализа, что схематично представлено на позиции 1 Фиг.1,- with the ability to start the process of laser spectral analysis, which is schematically represented at position 1 of Figure 1,

а также:as well as:

- с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения,- with the choice of spectral and frequency characteristics of laser radiation,

- с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера,- with the ability to select the temperature regime of the laser used,

- с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных посредством системы управления,- with the ability to select the parameters of the scanning spectra, their registration, digitization, transmission, buffering, storage, processing of spectral data through a control system,

что схематично представлено на позиции 2 Фиг.1.which is schematically represented at position 2 of Figure 1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ включает:The proposed device for the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules includes:

- в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии,- as the laser used, a tunable semiconductor laser, configured to generate a monochromatic and in a controlled manner tunable optical frequency, the wavelength of which lies in the spectral region in which the absorption lines of CO and CO _{2 used} in the gaseous state are located,

- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,- a control system made with the ability to maintain the specified parameters, synchronize the scanning cycles of the spectra, register the spectra, digitize them, and also with the possibility of transmitting, buffering, storing, processing spectral data, issuing measurement results,

- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,- a thermal stabilization system configured to tune the used laser to the spectral range in which the analytical absorption lines of CO and CO ₂ lie, and maintain, with the necessary accuracy, the operating temperature of the used laser and its operating wavelength,

- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,a system for pumping and controlling the spectral and power parameters of the radiation of the laser used, configured to generate a current of a certain amplitude and shape used to pump the specified laser, and controlling the spectral and power parameters of the radiation of the laser used by changing the amplitude and time parameters of the pump current,

- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,- a system for forming the spatial characteristics of the laser beam, configured to collimate the diverging radiation of the used laser into a beam suitable for transmission through the object under study, and focusing on the detection system,

- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал,- a system for detecting optical radiation, made with the possibility of separation in the received modulated laser signal of the radio frequency component containing information about the transmission spectra of the test medium, and its conversion into an electric radio frequency signal,

- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,- a pre-amplification system for the detected radio frequency signal, configured to pre-amplify the radio frequency signal detected by the photodetector, containing information about the transmission spectra of the medium under study and, if necessary, analog differentiation of the recorded signal,

- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,- a system for digitizing, reading, accumulating and storing the recorded signal, made with the possibility of converting an analog radio frequency signal recorded using a photodetector and containing information about the transmission spectra of the test medium, in digital form, with the ability to read the received digital signal and transfer it to the device’s memory, intended for the accumulation and storage of digital information,

- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра,- a system for processing laser transmission spectra, configured to process the received information and calculate the spectrum of the absorption coefficient in the analyzed lines of CO and CO ₂ in the recorded range of the spectrum,

- систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания,- a system for calculating the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium. Using a system for calculating the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, the concentration of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium is calculated, as well as their relative content,

- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров.- a system of outputting the resulting data, configured to output and visualize the obtained data of the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, as well as other intermediate results of processing the spectra, reflecting changes in the measured parameters.

Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.The input of the main parameters is possible by means of a control system that is capable of transmitting information to the thermal stabilization system, pumping and controlling the spectral and power parameters of the radiation of the laser used, which is coupled to the laser used, as well as to the system for digitizing, reading, accumulating and storing the recorded signal and the system processing laser transmission spectra.

Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.The selection of system parameters is also possible through the control system with which the laser used is paired.

Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:The laser used is coupled to a thermal stabilization system and to a system for generating the spatial characteristics of the laser beam, to which are connected in series:

- объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂,- an object of spectral analysis containing molecules of CO and CO ₂ ,

- система детектирования лазерного излучения,- laser radiation detection system,

- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,- system pre-amplification of the recorded radio frequency signal,

- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,- system of digitization, reading, accumulation and storage of the recorded signal,

- система обработки лазерных спектров пропускания.- A system for processing laser transmission spectra.

Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с использованием линий поглощения CO из:The system for processing laser transmission spectra is configured to simultaneously analyze the content of CO and CO ₂ molecules in a spectral analysis object using CO absorption lines from:

- фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0,- fundamental vibrational-rotational band 1-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0,- or overtone of this fundamental absorption band 2-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи:- or overtone of this fundamental absorption band 3-0, located near:

- 4.7 мкм,- 4.7 μm,

- или 2.35 мкм,- or 2.35 μm,

- или 1.57 мкм соответственно,- or 1.57 μm, respectively,

и линий поглощения CO₂ полос:and absorption lines of CO ₂ bands:

- 20001-01101,- 20001-01101,

- или 00021-01101,- or 00021-01101,

- или 30012-00001,- or 30012-00001,

с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, в частности выдыхаемого воздуха, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.with the possibility of using CO absorption lines and CO ₂ absorption lines falling in the spectral region covered by a tunable semiconductor laser, namely, with the possibility of using CO absorption lines that are not overlapping with water vapor absorption lines from a fundamental vibrational-rotational band 1-0 or this fundamental overtone 2-0 absorption bands, or the overtone of this fundamental 3-0 absorption band located near 4.7 μm, 2.35 μm, 1.57 μm, respectively, and CO ₂ absorption lines of bands 20001-01101 or 00021-0 1101, or 30012-00001, located respectively in the same spectral regions and overlapping with the corresponding CO absorption bands, using a gaseous medium, in particular exhaled air, as an object of spectral analysis containing CO and CO ₂ , with the possibility of increasing the sensitivity of determining the absolute and the relative concentration of molecules, ensuring the registration of the first and / or second derivative of the transmission spectra of the molecules, as well as providing multi-pass schemes for the passage of radiation through analysis uemuyu Wednesday.

Пример одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.An example of simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules.

Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого полупроводникового лазера - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и термостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающий элемент. Вблизи комнатных температур в качестве последних может, например, использоваться термоэлектрический холодильник типа Пельте, а при криогенных температурах, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне температур жидкого азота или комнатных температур. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый лазер, генерирующий на длине волны вблизи указанных значений: 4.7 мкм или 2.35 мкм, или 1.57 мкм.Using the control system, the basic system parameters are introduced, such as: laser operating temperature, laser pump current, laser optical frequency modulation mode, detection signal registration and digitization mode, transmission spectrum processing parameters, output mode and visualization of the results obtained. With its help, they also maintain the set system parameters listed above, maintain and synchronize the cycles of spectrum scanning, their registration, digitization, transmission, buffering, storage, processing of spectral data and the issuance of measurement results. The system of thermal stabilization of the operating temperature used in the example of a laser — a tunable semiconductor laser — is a combination of an electronic automatic control system and a thermostat, including temperature sensors, an active heating element, and a cooling element. Near room temperatures, for example, a Pelte type thermoelectric refrigerator can be used as the latter, and at cryogenic temperatures, for example, a system based on an inlet nitrogen cryostat. The thermal stabilization system maintains the temperature of the heat exchanger on which the laser is mounted, near a preset value, which depends on the laser parameters and can lie in the temperature range of liquid nitrogen or room temperatures. The system for pumping and controlling the spectral and power parameters of the radiation of a tunable semiconductor laser is a source of periodically repeating current pulses having a certain repetition frequency, a certain pulse duration, a certain current amplitude. As a laser, a tunable laser is used that generates at a wavelength near the indicated values: 4.7 microns or 2.35 microns, or 1.57 microns.

Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам CO, а другая - молекулам CO₂.The pumping of such a laser by current pulses with certain parameters makes it possible to obtain a frequency tuning during one pulse, which is sufficient for recording two absorption lines in one pulse, one of which belongs to CO molecules, and the other to CO ₂ molecules.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с определенной длиной оптического пути, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂.To form the spatial characteristics of the laser beam, a lens is used that focuses the radiation on the sensitive area of the photodetector. Laser radiation is passed through a multi-path optical cuvette with a certain optical path length, equipped with windows and inlet devices of the analyzed medium, in which there is a spectral analysis object containing CO and CO ₂ .

Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод с определенным диаметром чувствительной площадки и определенным быстродействием. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал, затем осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды посредством токового усилителя, выполненного, например, на основе стандартных дифференциальных усилителей.To detect laser radiation in the ranges indicated in the example, a photodiode with a certain diameter of the sensitive area and a certain speed is used. Using it, laser radiation is recorded, as a result, a radio-frequency component containing information about the transmission spectra of the test medium is extracted from the received modulated laser signal and converted into an electric radio-frequency signal, then a pre-amplification of the radio-frequency signal recorded by the photodetector containing information about the transmission spectra the medium under investigation by means of a current amplifier made, for example, based on standard differential socio amplifiers.

При необходимости одновременно с усилением регистрируемого сигнала производят его аналоговое дифференцирование, далее осуществляют перевод аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывание получаемого цифрового сигнала и передачу его в память программно-аппаратного комплекса, предназначенную для накопления и хранения цифровой информации. Система обработки лазерных спектров пропускания, например компьютерная программа, осуществляет поддержку работы всего программно-аппаратного комплекса. С помощью него осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания - позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания. С помощью системы вывода результирующих данных системы осуществляют вывод и визуализацию поученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде.If necessary, simultaneously with the amplification of the recorded signal, it is made an analog differentiation, then the analog radio frequency signal recorded using a photodetector and containing information about the transmission spectra of the medium under study is converted into digital form, the received digital signal is read out and transferred to the memory of the hardware-software complex, intended for the accumulation and storage of digital information. A system for processing laser transmission spectra, for example, a computer program, supports the operation of the entire software and hardware complex. Using it, mathematical processing of the obtained digital information — transmission spectra — is carried out, which allows one to calculate the spectrum of the absorption coefficient in the analytical lines of CO and CO ₂ in the recorded spectrum range. Using a system for calculating the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, the concentration of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, as well as their relative content, is calculated. Using the system of outputting the resulting data, the system carries out the output and visualization of the obtained data in the form of a numerical value of the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium, a curve on the monitor or screen, reflecting changes in the measured value with time, and / or in the form of a file containing a sequence of digital data on the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the analyzed medium.

В примере для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.In the example, for simultaneous analysis of the content of CO and CO ₂ molecules in the object of spectral analysis, CO absorption lines and CO ₂ absorption lines falling in the spectral region covered by a tunable semiconductor laser are used, namely, CO absorption lines from the fundamental one that do not overlap with water vapor absorption lines vibrational-rotational band 1-0 or overtone of this fundamental absorption band 2-0, or overtone of this fundamental absorption band 3-0 located near 4.7 microns, 2.35 microns, 1.57 microns respectively, and the CO ₂ absorption lines of the bands 20001-01101 or 00021-01101, or 30012-00001 located respectively in the same spectral regions and overlapping with the corresponding CO absorption bands, use gaseous as the object of spectral analysis containing CO and CO ₂ environment, in particular exhaled air.

На Фиг.2 представлен частный случай, описанный в примере, а именно спектральная область вблизи 4.7 мкм, где наблюдается перекрытие фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 CO и составной полосы 20001-01101 CO₂, и спектры коэффициента поглощения CO, CO₂ и H₂O в этой спектральной области.Figure 2 presents a special case described in the example, namely the spectral region near 4.7 μm, where there is overlapping fundamental vibrational-rotational band 1-0 CO and composite band 20001-01101 CO ₂ , and absorption spectra of CO, CO ₂ and H ₂ O in this spectral region.

На Фиг.3 представлен лазерный спектр пропускания выдыхаемого воздуха, содержащего CO и CO₂, вблизи 2112 см^-1, как частный случай, описанный в примере.Figure 3 presents the laser transmission spectrum of the exhaled air containing CO and CO ₂ near 2112 cm ^-1 , as a special case described in the example.

А - спектр пропускания выдыхаемого воздуха, регистрируемый с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера, длина волны излучения 4.7 мкм соответствует частоте излучения 2112 см^-1, указаны линия CO и справа от нее линияA - transmission spectrum of exhaled air recorded using a tunable semiconductor laser, a radiation wavelength of 4.7 μm corresponds to a radiation frequency of 2112 cm ^-1 , the CO line is indicated and the line to the right of it

CO₂, параметры лазерного импульса: длительность импульса, частота повторения, амплитуда тока накачки, длина оптического пути, содержание CO - 3.0 мкг/м³, относительное содержание CO₂ - 3.1%.CO ₂ , laser pulse parameters: pulse duration, repetition frequency, amplitude of the pump current, optical path length, CO content - 3.0 μg / m ³ , relative CO ₂ content - 3.1%.

Б - спектр коэффициента поглощения CO и CO₂, получаемый в результате обработки лазерного спектра пропускания (А) и используемый для вычисления относительного содержания анализируемых веществ.B - spectrum of the absorption coefficient of CO and CO ₂ obtained by processing the laser transmission spectrum (A) and used to calculate the relative content of the analyzed substances.

Для того чтобы повысить чувствительность устройства для определения относительной концентрации молекул CO и CO₂, регистрируют и применяют первую и/или вторую производные спектров пропускания CO и CO₂. Для этого в системе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала используют дифференциальное усиление детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительный фильтр высоких частот, настроенный на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющие получить на выходе блока предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания. При этом искомые концентрации молекул CO и CO₂ пропорциональны размаху резонансных особенностей, образуемых первой или второй производными линий поглощения CO и CO₂, и интенсивностям лазерного излучения на частотах резонансного поглощения в линиях CO и CO₂, которые учитывают при проведении вычислений. В этом случае для расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в исследуемой среде систему обработки лазерных спектров пропускания настраивают на работу со спектрами производных линий поглощения. При низком содержании молекул CO и CO₂ в исследуемой газовой среде результат получается более точным.In order to increase the sensitivity of the device for determining the relative concentration of molecules of CO and CO _2, register and apply the first and / or second derivatives of the spectra transmittance CO and CO _2. To do this, in the pre-amplification system of the recorded RF signal, use the differential amplification of the RF signal detected by the photodetector or an additional high-pass filter tuned to the required radio frequency range, which makes it possible to obtain an analog signal corresponding to the first or second derivatives of the transmission spectrum at the output of the pre-amplification unit of the detected RF signal . In this case, the desired concentrations of CO and CO ₂ molecules are proportional to the range of resonance features formed by the first or second derivatives of the CO and CO ₂ absorption lines and to the laser radiation intensities at the resonance absorption frequencies in the CO and CO ₂ lines, which are taken into account in the calculations. In this case, to calculate the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules in the medium under study, the processing system of laser transmission spectra is set up to work with the spectra of derivatives of absorption lines. With a low content of CO and CO ₂ molecules in the studied gas medium, the result is more accurate.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул CO и CO₂ используют многоходовые оптические схемы пропускания лазерного излучения через анализируемую среду, позволяющие увеличить величину резонансного поглощения в линиях CO и CO₂ при сохранении габаритов оптической кюветы. В этом случае при низком содержании молекул CO и CO₂ в исследуемой среде результат также получается более точным.To increase the sensitivity of determining the absolute and relative concentration of CO and CO ₂ molecules, multi-pass optical transmission schemes for laser radiation through the analyzed medium are used, which allow increasing the resonance absorption in the CO and CO ₂ lines while maintaining the dimensions of the optical cell. In this case, with a low content of CO and CO ₂ molecules in the test medium, the result is also more accurate.

Таким образом, вышеизложенное подтверждает, что достигнут технический результат созданием способа, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, который применим для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе. Способ является наглядным, точным и селективным. Кроме того, предложено устройство, позволяющее осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, которое применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, которое позволяет реализовать указанный способ в полном объеме, является надежным в эксплуатации, эргономичным.Thus, the foregoing confirms that a technical result has been achieved by creating a method that allows the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules, which is applicable for the simultaneous determination of the content of CO and CO ₂ molecules and analysis of their relative content in a gaseous medium, and in particular in expired air . The method is clear, accurate and selective. In addition, a device is proposed that allows the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules, which is applicable for the simultaneous determination of the content of CO and CO ₂ molecules and the analysis of their relative content in a gaseous medium, and in particular in expired air, which makes it possible to implement this method in full, reliable in operation, ergonomic.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY

Способ для определения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ является наглядным, точным и селективным. Устройство, позволяющее осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, позволяет реализовать указанный способ в полном объеме, является надежным в эксплуатации, эргономичным.The method for determining the absolute and relative content of CO and CO ₂ molecules is visual, accurate and selective. A device that allows for the simultaneous determination of the concentration of CO and CO ₂ molecules, is applicable for the simultaneous determination of the content of CO and CO ₂ molecules and analysis of their relative content in a gaseous medium, and in particular in expired air, which makes it possible to implement this method in full, is reliable ergonomic operation.

Предложенные изобретения промышленно применимы в области лазерной спектроскопии и анализа, а именно в области применения полупроводниковых лазеров и могут быть использованы для диагностики и анализа абсолютного и относительного содержания окислов углерода в газообразной среде с помощью перестраиваемых полупроводниковых лазеров, в частности, для определения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, например для целей биомедицинской диагностики.The proposed inventions are industrially applicable in the field of laser spectroscopy and analysis, in particular in the field of semiconductor lasers and can be used to diagnose and analyze the absolute and relative content of carbon oxides in a gaseous medium using tunable semiconductor lasers, in particular, to determine the absolute and relative content molecules of CO and CO ₂ in exhaled air, in the atmosphere, for example, for the purpose of biomedical diagnosis.

Спектр применения указанных изобретений довольно широк: для неинвазивной медицинской диагностики, для контроля и управления процессами в биологических реакторах, для контроля и управления процессами горения в энергетических установках. Описанные способ и устройство, с помощью которого указанный способ может быть реализован, могут также широко применяться в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике, энергетике и других областях народного хозяйства.The range of applications of these inventions is quite wide: for non-invasive medical diagnostics, for monitoring and controlling processes in biological reactors, for monitoring and controlling combustion processes in power plants. The described method and device by which this method can be implemented can also be widely used in biotechnology, medicine, pharmaceuticals, energy and other areas of the national economy.

Источник информацииThe source of information

1. Патент РФ №51849, МПК А61В 5/00 (2006.01), G01N 33/497 (2006.01), опубл. 2006.03.10.1. RF patent No. 51849, IPC АВВ 5/00 (2006.01), G01N 33/497 (2006.01), publ. 2006.03.10.

2. Патент РФ №10462, МПК 6 G01N 21/25, опубл. 1999.07.16.2. RF patent No. 10462, IPC 6 G01N 21/25, publ. 1999.07.16.

3. Патент РФ №75472, МПК G01N 21/63 (2006.01), опубл. 2008.08.10.3. RF patent No. 75472, IPC G01N 21/63 (2006.01), publ. 08/08/10.

4. Патент РФ №2317536, МПК (2006.01) G01N 21/27, опубл. 2008.02.20.4. RF patent No. 2317536, IPC (2006.01) G01N 21/27, publ. 02.02.20.

5. Патент РФ №2068557, МПК 6 G01N 21/39, опубл. 1996.10.27.5. RF patent No. 2068557, IPC 6 G01N 21/39, publ. 1996.10.27.

Claims

1. A method for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules, including measuring the resonant absorption of CO and CO ₂ molecules by means of a tunable semiconductor laser, the optical frequency of which is tuned to operate in the spectral range in which absorption lines are used to determine the content of CO molecules and CO ₂ , the optical frequency of the laser used is periodically scanned in the analyzed spectral range by modulating the magnitude of the pump current, laser radiation e is passed through the test medium, the medium passed through the test medium, the laser radiation is detected using a photodetector, the laser transmission spectrum of the medium containing the analyzed CO and CO ₂ absorption lines is recorded, the recorded laser spectrum is processed using the hardware-software complex, and the absorption coefficient spectrum in the lines is calculated while taking into account the intensity of laser radiation outside the analyzed absorption lines, by calculation by the value of the resonant absorption in the lines determined increase the concentrations of the analyzed CO and CO ₂ molecules and their relative content, increase the sensitivity of determining the absolute and relative concentration of molecules, registering the first and / or second derivatives of the transmission spectra of the molecules, as well as using multi-way radiation transmission through the analyzed medium, while simultaneously analyzing the content molecules of CO and CO ₂ in the object spectral analysis using CO absorption lines and absorption lines of CO ₂ entering the spectral domain overlaps rearrange by a semiconductor laser, namely, CO absorption lines from the fundamental vibrational-rotational band 1-0 or the overtone of this fundamental absorption band 2-0, or the overtone of this fundamental absorption band 3-0 located near 4.7 μm that are not overlapping with the water vapor absorption lines , 2.35 μm, 1.57 μm, respectively, and the absorption lines of CO ₂ bands 20001-01101 or 00021-01101, or 30012-00001, located, respectively, in the same spectral regions and overlapping with the corresponding absorption bands of CO, as A spectral analysis object containing CO and CO ₂ uses a gaseous medium.

2. The method according to claim 1, characterized in that as the object of spectral analysis containing CO and CO ₂ , use exhaled air.

3. A device for simultaneously determining the concentration of CO and CO ₂ molecules, made with the possibility of entering the parameters of the laser analytical system and starting the process of laser spectral analysis, as well as with the possibility of choosing the spectral and frequency characteristics of laser radiation, the temperature of the laser used, the scanning parameters of the spectra, their registration, digitization, transmission, buffering, storage, processing of spectral data, including a tunable half-wave laser as a used laser an ovodnik laser, which is capable of generating a monochromatic and in a controlled manner frequency-tunable optical radiation, the wavelength of which lies in the spectral region in which the absorption lines of CO and CO ₂ located in the gaseous state are located, including also a control system made with the ability to maintain specified parameters, synchronize the cycles of scanning spectra, register spectra, digitize them, and also with the ability to giving, buffering, storing, processing spectral data, issuing measurement results, a thermal stabilization system configured to adjust the laser used to the spectral range in which the analytical absorption lines of CO and CO ₂ lie, and maintain the working temperature of the laser and its operating temperature with the necessary accuracy wavelengths, a pump and control system for the spectral and power parameters of the radiation of the laser used, made with the possibility of generating a current of a certain amplitude and the frame used to pump the specified laser, and control the spectral and power parameters of the radiation of the laser used by changing the amplitude and time parameters of the pump current, a system for generating the spatial characteristics of the laser beam configured to collimate the diverging radiation of the used laser into a beam suitable for transmission through the object under study , and focusing on the optical radiation detection system, configured to be extracted in the received a modulated laser signal of the radio frequency component containing information about the transmission spectra of the test medium and its conversion into an electric radio frequency signal, a pre-amplification system of the detected radio frequency signal, configured to pre-amplify the radio frequency signal recorded by the photodetector, containing information about the transmission spectra of the studied medium and, if necessary, analog differentiation of the recorded signal, digitizing system calibration, reading, accumulation and preservation of the recorded signal, made with the possibility of converting an analog radio frequency signal recorded using a photodetector and containing information about the transmission spectra of the test medium, in digital form, with the ability to read the received digital signal and transfer it to the memory of the device intended for accumulation and storage of digital information, a system for processing laser transmission spectra, configured to process the received information and couple spectral absorption coefficient in the analyzed lines CO and CO ₂ in the recorded spectral range, the system calculating an absolute and relative content of CO molecules and CO ₂ in assay medium, configured to perform calculation of the concentration of CO and CO ₂ molecules in the assay medium, as well as their relative the content of the result data output system configured to output and visualization of the data of the absolute and relative content of CO and _CO2 molecules in the assay medium, as well as each x intermediate results of processing spectra reflecting changes in the measured parameters, while the input of the main parameters is possible through a control system that is capable of transmitting information to the thermal stabilization system, pumping and controlling the spectral and power parameters of the radiation of the laser used, which is coupled to the laser used, and the system of digitization, reading, accumulation and storage of the recorded signal and the processing system of laser transmission spectra, the choice of The system’s dimensions are also possible by means of a control system with which the laser used is paired, which, in turn, is coupled with a thermal stabilization system and with a system for generating spatial characteristics of the laser beam, to which a spectral analysis object containing CO and CO ₂ , a laser detection system, is connected in series radiation, a system for preliminary amplification of a registered RF signal, a system for digitizing, reading, accumulating and storing a registered signal, a system brabotki laser transmission spectra, made with the possibility of simultaneous analysis of CO molecules and CO ₂ in the object spectral analysis with the possibility of absorption lines SB and absorption lines of CO ₂ entering the spectral range overlap the tunable semiconductor laser, namely the possibility of using non-overlapping with absorption lines of water vapor absorption lines of CO from the fundamental vibrational-rotational band 1-0 or overtone of this fundamental absorption band 2-0, or overtone of this fundamental 3-0 absorption band located near 4.7 μm, 2.35 μm, 1.57 μm, respectively, and CO ₂ absorption lines of the bands 20001-01101 or 00021-01101, or 30012-00001 located, respectively, in the same spectral and overlapping areas with the corresponding absorption bands SB, using as an object of spectral analysis comprising CO and CO _2, gaseous medium, to perform the subsequent calculation of the absolute and relative, of molecules of CO and CO ₂ in assay medium, with the possibility of increasing h vstvitelnosti determining the absolute and relative concentrations of the molecules, providing registration of the first and / or second derivative molecules transmittance spectra, as well as providing multipass schemes radiation passing through the medium to be analyzed.

4. The device according to claim 3, characterized in that it is configured to use exhaled air as an object of spectral analysis containing CO and CO ₂ .