便携式呼气挥发性有机化合物分析仪和对应元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测和量化呼气中的挥发性有机化合物(VOC)的便携式(更优选手持式)分析仪设备，并且涉及一种使用这样的设备检测和量化呼气中VOC的方法。具体是能够检测和量化呼气中的诸如丙酮的酮类。
【背景技术】
[0002]长期以来，人们一直认为丙酮在呼出气体中的水平(是血酮的标记物)能够用作I型糖尿病中的血糖水平变化的可能的标记物。呼气的丙酮水平还对饮食和锻炼敏感，并且因此监控它们能够有助于评定饮食和锻炼的状况。
[0003]I型糖尿病患者必须一天检查几次地持续测量他们的血糖水平。还推荐的是，感觉不适的糖尿病患者或处于糖尿病发作时的糖尿病患者还测量他们的血酮，以防止糖尿病性酮症酸中毒(DKA)——这对青少年患者尤其重要。目前，测量血糖水平的最常见的方式涉及手指采血(finger lancing)和血液测试，并且能够通过血液和尿的测试来测量酮。但是，用于监控血糖水平的非侵入式方法和测试血酮的更便捷途径会是非常有用的。尽管对呼气的丙酮的测量似乎提供了这种可能性，但是目前测量呼气的丙酮的方法依赖于质谱分析、光学技术或燃料电池法，所有这些方法各自都有实践困难。例如，尽管质谱分析技术是准确的，但是需要使用大型且昂贵的质谱分析仪，因此不适于广泛应用。已经基于吸收光谱学提出了测量呼气的丙酮的低成本技术，但是这些设备太庞大而不能在手持式紧凑装置中实现。它们还存在选择性问题。例如，C Wang和A Mbi的文章“A New AcetoneDetect1n Device Using Cavity Ringdown Spectroscopy at266 nm:Evaluat1n of theInstrument Performance Using Acetone Sample Solut1ns，，(Measurement Science andTechnology，2007年7月17日)验证了使用光腔衰荡光谱测量丙酮的可能性，但是没有生产紧凑装置，并且没有对呼气进行操作(而是使用了在去离子水中的丙酮样品进行了测试)。后续的文章测量了间接来自袋中的呼气样品(Wang等IEEE SENSORS JOURNAL第10卷，第 I 期，第 54-63 页 DO1:10.1109/JSEN.2009.2035730，于 2010 年 I 月出版)。更紧凑的方法，诸如化学转化后进行荧光光谱分析，化学转化后进行多通道吸收光谱分析，燃料电池法或纤维基光谱分析，都存在校准问题或缺乏敏感性。
[0004]因此，尽管已经认识到需要紧凑的呼气VOC分析仪，但是目前提出的技术都还没有实现一种紧凑的呼气VOC分析仪。
【发明内容】
[0005]因此，本发明提供了一种用于检测和量化呼气中的挥发性有机化合物(VOC)的紧凑的便携式分析仪设备，其中，呼气中的VOC被吸附在预浓缩器中的吸附材料内，并且随后被释放到紧凑的光学光谱室中。然后，使用发射光谱分析、荧光光谱分析、阻抗谱分析或吸收光谱分析进行光谱测量。
[0006]预浓缩器的使用意味着，能够减小光学池的体积，并且VOC浓度升高，同时去除了干扰种类(诸如水)。因此，光谱池的体积比收集的呼气的体积小很多。这使得设备能够足够紧凑，从而能被手持，同时实现了所需的ppm以下水平的敏感性。具体地，能够使呼气的丙酮，例如来自几百立方厘米的呼气(约为适度深呼气的30%)的丙酮，有效捕捉在吸附材料中，并且释放到具有最多几个立方厘米体积的短光学吸收池中。这获得了一百到几百倍的体积浓缩放大，从而导致对光学池的敏感度要求不是很严格。
[0007]更具体地，本发明提供了一种用于检测和量化呼气中的挥发性有机化合物的便携式分析仪设备，包括:
[0008]样品入口，用于接收呼出气样品；
[0009]预浓缩器，所述预浓缩器经连接以接收来自所述样品入口的呼气样品，并浓缩挥发性有机化合物以形成浓缩的样品；
[0010]光谱测量池，所述光谱测量池经连接以接收来自所述预浓缩器的浓缩的样品，并且对其进行光谱分析以检测和量化其中的挥发性有机化合物；
[0011]气体处理系统，用于将来自所述样品入口的样品运输至所述预浓缩器，并且将浓缩的样品从所述预浓缩器运输至所述光谱测量池和从所述光谱测量池运输至出口 ；以及
[0012]控制系统，用于控制所述气体处理系统、所述预浓缩器和所述光谱测量池，并且所述控制系统具有输出光谱分析结果的输出端。
[0013]预浓缩器优选包括可逆性捕获VOC的化学选择性(优选疏水性)物质。一种合适类型的材料是颗粒或珠子形式的多孔聚合物吸附剂，典型地为用作气相色谱柱填充物的材料，诸如帕拉派克Q (Porapak Q)。疏水性物质的使用意味着，水(是呼气中问题很多的干扰物)不易于被吸收，从而克服了对呼气进行光谱分析的一个主要问题。VOC分析物可以是酮，诸如丙酮。
[0014]优选地，将化学选择性物质保持在金属泡沫内以有助于热控制并且增加表面面积。金属泡沫可以是，例如，具有开放的孔结构的多孔镍泡沫类型。可以选择优先吸附目标分析物的疏水性物质。
[0015]优选地，预浓缩器包含加热器，例如薄膜加热器，以便在呼气穿过预浓缩器时能够将预浓缩器保持在略高于环境的温度，例如在30°C至40°C之间，或者更高的温度，例如在100°C 至 130°C 之间。
[0016]气体处理系统可以包含干燥空气净化装置，以使用干燥空气净化预浓缩器，以从样品中进一步去除水。干燥空气净化装置可以使用分子筛或冷凝器来干燥空气。可选择地或者此外，呼气样品可以穿过化学阱，或冷凝器以在样品传递至预浓缩器之前从呼气中冷却出水。
[0017]样品入口可以适于允许受试者直接呼气到其中一一例如通过包含吹嘴(mouthpiece)，该吹嘴优选是可拆卸的或与面具可连接的，这在提供特别简单且紧凑的设备中是有利的，即易于使用且减小污染的可能性。可选择地，入口能够适于接收来自含有呼出气的接收器中的样品一一例如受试者已经向其中呼气的接收器，然后该接收器与入口连接。
[0018]在受试者直接向设备中呼气的情况中，气体处理系统优选包含流量传感器和控制器，以选择呼出到样品入口中的呼气流的期望部分。这使设备能够选择呼气的特定部分，例如来自呼气的呼气末段的两百或三百立方厘米。例如，流量传感器能够是差压传感器，该差压传感器还能够适于记录呼出气的总体积。如果需要，还能够将二氧化碳传感器并入到设备中，以有助于进行呼气分配。
[0019]优选地，气体处理系统进一步包括颗粒过滤器，该颗粒过滤器用于在浓缩的样品被传递至光谱测量池之前过滤该浓缩的样品，以维持池的清洁并且阻止微粒物质进入光学池、干扰测量。
[0020]优选地，光谱测量池是进行腔增强吸收光谱(CEAS)的光学腔。CEAS池可以类似于圆柱体，两端具有高反射镜，并且具有用于引入和清除气体样品单元的输入端口和输出端口。对准CEAS池的镜子以形成稳定的光学腔。光源，可以是光纤耦合的，诸如二极管激光器，用于照亮CEAS池的输入端，并且可以使用光电二极管检测CEAS池的光传输，其中。池的长度应当与手持式装置相称，并且对丙酮具有不差于10ppm的内敏感性。池的体积优选小于10cm3，更优选小于2cm3。
[0021]优选地，分析仪设备是手持式设备一一预浓缩器和光谱法的使用允许这样的微型化。
[0022]本发明的另一方面提供了一种使用根据前述权利要求中任一项所述的分析仪检测和量化呼气中的挥发性有机化合物的方法，该方法包括以下步骤:
[0023]将呼出气导向预浓缩器，同时将预浓缩器加热至第一温度；
[0024]使用干燥空气净化所述预浓缩器；
[0025]密封所述预浓缩器，并且将所述预浓缩器加热至比所述第一温度高的第二温度以释放挥发性有机化合物；
[0026]将释放的所述挥发性有机化合物传递至光谱测量池，并且在所述光谱测量池进行光谱分析，以检测和量化所述挥发性有机化合物；以及
[0027]净化所述预浓缩器，同时将所述预浓缩器加热至升高的温度以去除任何残留的挥发性有机化合物。
[0028]优选地，在样品被分析之前和/或之后，控制气体处理系统以使环境空气进入光谱测量池中，以便能够进行背景测量，以便量化样品中的VOC。
[0029]优选地，所述方法包含以下步骤:在分析浓缩的样品之前，控制气体处理系统，以选择直接呼出到入口中的部分呼气并将该部分呼气导向预浓缩器。
[0030]还可使用由所述分析仪进行的呼气丙酮测量，估计受试者的血糖水平，并且优选地，通过将受试者的血糖水平的当前测量结果(例如通过传统的血液样品和血糖仪方法获得)输入到分析仪中对该估计进行校正。
【附图说明】
[0031]本发明将通过参考附图，以实例的方式作进一步的描述，其中:
[0032]图1是根据本发明的一个实施方式的手持式呼气VOC分析仪的示意图；
[0033]图2是在本发明的一个实施方式中，使用图1的分析仪进行分析的方法的时序示意图；
[0034]图3是根据本发明的一个实施方式的光谱测量池的示意图；以及
[0035]图4是本发明的一个实施方式的性能与质谱分析进行对比的曲线图。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，根据本发明的一个实施方式的手持式呼气VOC分析仪100包括样品入口 10，吹嘴或面具能够附接至样品入口 10以允许受试者呼气到装置中。分析仪100包括用于运输样品以及环境空气通过分析仪的气体处理系统，该气体处理系统包括若干阀12、气体管道13、泵6和流量传感器3。通过控制系统200控制分析仪100的各主要组件和阀
12ο
[0037]在例示的实施方式中，气体处理系统包括作为流量传感器3的差压传感器，以测量呼出的呼气的体积。该量稍后用于标准化的目的并且用于选择将被传递至预浓缩器2的呼出气部分。预浓缩器2含有保持在金属(例如镍)泡沫中的诸如Porapak Q(例如0.6克)的疏水性吸附材料，并且还并入了薄膜加热器7。该加热器可以是电阻式加热器或珀尔帖(Pel