利用一個氣體傳感器測量多種呼出氣體濃度的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多種呼出氣體濃度進行分析測定的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體呼出氣中含有的內(nèi)源性N0、C0與肥S是國際公認的S大氣體信號分子，參與并 指示調(diào)節(jié)幾乎所有的生理與病理過程。越來越多的研究證明，同時測定運些氣體信號分子 的濃度變化，可W在分子水平上深入了解許多疾病及并發(fā)癥的起因和發(fā)展進程，開發(fā)更為 先進的呼出氣分子診斷技術(shù)。
[0003] 運些呼出氣分子通常在PPb的濃度水平，檢測要求1000倍高于市面上大多數(shù)氣體 傳感器與分析儀器ppm的檢測能力。滿足PPb濃度檢測要求的藥監(jiān)許可產(chǎn)品極其有限，主要 包括瑞典Aerocrine公司呼出氣NO測定的化學發(fā)光分析儀(NIOX)與電化學傳感器(MINO)， 美國化pnia公司呼出氣CO測定的電化學傳感器，中國尚沃醫(yī)療電子公司呼出氣NO與CO測定 的納庫侖傳感器分析儀。目前，尚未見到可同時測定PPb濃度的呼出氣N0、C0與H2S測定的產(chǎn) 品及專利技術(shù)，包括傳感器及分析儀器。基于傳感器陣列的工業(yè)與環(huán)境氣體檢測儀可同時 測定運些氣體分子，但最多只能測試卵m的濃度水平，不能滿足呼出氣PPb濃度的測定要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是開發(fā)一種利用一個氣體傳感器測定多種呼出氣體PPb濃度水平的 技術(shù)，主要用于PPb濃度的呼出氣MKCO與H2S測定。一個氣體傳感器在測定一種氣體時，難 免受到空氣或呼氣中其它氣體的干擾。運種干擾通常在PPb的濃度水平，對ppm濃度的工業(yè) 與環(huán)境氣體測定可W忽略，但對PPb濃度的呼氣測定則影響顯著。解決運些問題通常的做法 是：（1)改進現(xiàn)有的或開發(fā)新的氣敏或催化元件，提高傳感器的靈敏性與選擇性或抗干擾能 力與(2)開發(fā)新的過濾或分離材料，測試前去除干擾氣體。運些方法雖然對呼出氣NO測定或 NO與CO的測定已經(jīng)成功，例如尚沃的納庫侖呼氣分析儀，但對MKH2S與CO的同時測定卻存 在很大的難度，尤其是很難尋找或開發(fā)一種僅對H2S氣體響應(yīng)的傳感器或過濾掉所有干擾 肥S測定的氣體過濾材料，與NO及CO傳感器構(gòu)成一個陣列進行S種氣體的同時測定。
[000引例如，經(jīng)過電極及結(jié)構(gòu)改進的S電極電化學氣體傳感器可W測定PPb濃度的H2S， 但呼氣中其它組分也會有PPb量級的干擾。一個例子如表1所示。
[0006] 表一.呼氣組成對電化學肥S氣體傳感器的干擾水平
如果采用過濾材料去除干擾氣體，通常會同時去除多種要測的氣體，一個例子如表2所 /J、- O
[0007] 表二.過濾材料對干擾氣體的去除
為采用解決目前技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出了一個利用一種氣體傳感器測量多種呼出氣 濃度的方法用于測量呼出氣中出S、NO、CO的濃度。該方法簡述如下： 1)將待測氣體通入所述的氣體傳感器進行測量，此時傳感器響應(yīng)方程為： Ii =Kh2sCh2s + KnoCno + KcoCco+ Ib (1) 其中：I功傳感器對待測氣體中所有活性成分的響應(yīng)電流，Kh2s、KnckKco分別為傳感器 對此S、NO及CO響應(yīng)的靈敏度，Ch2s、Cno及Cco分別為待測氣體中此S、NO及CO的濃度，Ib為傳 感器零點電流。
[0008] 2)將待測氣體經(jīng)過填充化財才料的過濾器后，再通入所述傳感器進行測量，此時傳 感器響應(yīng)為： I2=Kh2sCih2s + KnoCino + KcoCico + Ib (2a) 其中： ClH2S為氣體經(jīng)過化0過濾器后出S濃度 CiNO為氣體經(jīng)過化0過濾器后NO濃度 Cico為氣體經(jīng)過化0過濾器后CO濃度 由于化0過濾器部分過濾NO及出S，基本不過濾CO,因而有Cico= Cco,公式(2a)可寫成： I2=Kh2sCih2s + KnoCino + KcoCco + Ib (2b) 3) 將待測氣體經(jīng)過填充KMn〇4材料的過濾器后，再通入所述氣體傳感器進行測量，此時 傳感器響應(yīng)為： I3=Kh2sC2H2S + Kn〇C2NO + Kc〇C2CO + Ib (3a) 其中： C2H2S為氣體經(jīng)過KMn〇4過濾器后H2S濃度 C2N0為氣體經(jīng)過KMn〇4過濾器后NO濃度 C2C0為氣體經(jīng)過KMn〇4過濾器后CO濃度 由于KMn化材料將出S、N0過濾干凈而不過濾CO，因而(3a)可寫成： Is= 0 + 0 + KcoCco + Ib (3b) 4) 將待測氣體經(jīng)過填充KMn化及Pt/Al2化材料的過濾器后，再通入所述傳感器進行測 量，此時傳感器響應(yīng)為 ]；4=Kh2sC3H2s + KnoCsno + KcoCsco + Ib (4a) 其中： C3H2S為氣體經(jīng)過KMn〇4、Pt/Al 2〇3過濾器后出S濃度 C3N0為氣體經(jīng)過KMn〇4、Pt/Al2化過濾器后NO濃度 C3C0為氣體經(jīng)過KMn〇4、Pt/Al2化過濾器后CO濃度 由于KMn化、Pt/Al 2化將出S、NO、CO過濾干凈，因而(4a )可寫成： I4= O + O + O + Ib (4b) 由（l)-(2b)得： I 廣 l2 = Kh2s(Ch2s-C'h2s)+ Kno(Cno-C'no) (5) 由（l)-(3b)得： I 廣 l3 = Kh2sCh2s + KnoCno (6) 由（3b)-(4b)得： l3-^ = KcoCco (7) 如果選擇的氣體過濾器可全部或部分過濾NO、出S，且所述氣體通過所述過濾器后濃度 變化率是一定的，有： Ph2S=1H2s/ Ch2S (8) Pno=Cino/Cno (9) 則可通過聯(lián)立方程(4)~口)求出待測氣體中的NO、肥S濃度： Ch2S= ((I 廣l2)-(l-PN0)(h-l3))/(KH2S(PN0-PH2S)) (10) Cno =(Ii-l3- Kh2sCh2s)/Kno (11) Cco =( (I3-I4) /Kco (12) 其中Kh2s、Kno、Kco、Ph2s、Pn日等測量參數(shù)可通過標準氣測量獲得。
[0009] 由上述分析可見，通過組合不同的過濾器對待側(cè)氣體進行多次測量分析，可利用 一個氣體傳感器實現(xiàn)NO、出S及CO的聯(lián)合檢測。
[0010] 當待測氣體中含有C0、出等組分而不需要測量其具體濃度時，上述測量裝置及測 量過程可簡化，只需進行步驟1~3的操作即可，所述測量方法除了能克服C0、出的干擾外， 它的另外一個優(yōu)點是：由于所述測量過程是在短時間內(nèi)完成的，期間環(huán)境溫濕度的變化較 小，運些環(huán)境因素及混合氣中其它氣體組分對傳感器基線的影響得到了有效的扣除。圖1為 實現(xiàn)本發(fā)明方法的一個裝置氣路示意。
[0011] 綜上所述，本發(fā)明方法的特征為：將一個氣體傳感器、微型氣累、電磁閥與多個氣 體過濾器構(gòu)成一個對呼出氣體進行多次循化測量的氣路分析裝置，每次循環(huán)測量使待測氣 體經(jīng)過其中的一個特定的氣體過濾器，過濾掉其中一種或多種呼出氣體組分，最后根據(jù)多 次循環(huán)測量的結(jié)果，聯(lián)立求解多種呼出氣體濃度。
[0012] 具體的，所述方法應(yīng)選擇合適的氣體傳感器(所述傳感器包括電化學氣體傳感器、 半導體氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器與其它類型的氣體傳感器)及氣體過濾器，使其 具有W下特征： 所述傳感器對所述氣體響應(yīng)滿足線性方程； 待測氣體進行多次測量，每次測量前待測氣體先經(jīng)過特定的氣體過濾器，所述不同氣 體過濾器可全部或部分過濾NO、H2S，CO，且所述氣體通過所述過濾器后濃度變化率是一定 的，而不過濾所述待測氣體中的其它氣體組分； 然后將待測氣體分別經(jīng)過不同的過濾材料后再通過所述氣體傳感器進行測量，根據(jù)多 次測量結(jié)果間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過聯(lián)立方程求解所述氣體中的NO、肥S及CO濃度。
[001引為了減少混合氣中除NO、此S、CO外其它氣體成分對測量結(jié)果產(chǎn)生的干擾，選擇所 述過濾器中至少包括一種材料可完全過濾NO、出S、C0,而不過濾所述混合氣體中的其它組 分。
[0014] 為了能夠選擇性地測量混合氣中NO、出S、C0成分，選擇所述過濾器中至少包括一 種材料可至少完全過濾NO、出S、C0中的一種成分，而不過濾所述混合氣體中的其它組分。
[0015] 或者選擇所述過濾器中至少包括一種過濾器可部分過濾NO、此S、C0,且所述氣體 通過所述過濾器后濃度變化率是一定的，而不過濾所述混合氣體中的其它組分。
[0016] 為了實現(xiàn)上述分析方法，可搭建具如下特征的分析裝置，所述裝置由樣品室 (301 )、毛細管路、化f ion管(501 )、過濾器1 (401 )、過濾器2(402)、過濾器3(403)、氣體傳感 器(601)、累 1(201)、累2(202)及閥口 1(101)、閥口2(102)、閥口3(104)閥口4(105)、閥口5 (106)組成，其特征在于：