tier)式加热器，并且后者是优选的，因为它允许主动冷却以在各次使用之间实现较快的周转时间。预浓缩器2优选尽可能的小，以减小加热器的热负载。控制系统200控制气体处理系统以选择特定体积的呼气，从该特定体积的呼气中将俘获呼气V0C，例如来自呼气的呼气末段的200立方厘米，该呼气部分被传递至预浓缩器2，而其它部分被直接输送到分析仪100之外。通过感应气流量，控制系统能够检测到受试者即将终止呼气并停止取样。如在图2的阶段(I)中所示，在取样阶段中，加热器7用于将预浓缩器保持在略微升高的温度下，例如在30°C至40°C之间，或更高的温度，例如约130°C。
[0038]当所需体积的呼气已经被传递至预浓缩器2时，用通过微型隔膜泵6泵入分析仪100中的干燥空气净化预浓缩器2，空气从周围环境中采集，并且在穿过预浓缩器2之前，使用分子筛或冷凝装置I进行干燥。如在图2的阶段(2)所示，该净化过程减小已经被预浓缩器2捕获的残留的水的量，但对被捕捉的VOC的影响很小。
[0039]在另一种实施方式中，残留的水能够通过以下方式直接从呼气中去除:在呼出气到达预浓缩器2之前使该呼出气通过冷凝装置，或者在样品到达光学池5的途中使样品通过冷凝装置或分子筛。
[0040]在净化几秒之后，并且如图2的阶段(3)所示，密封预浓缩器2，并且通过包含在预浓缩器2中的薄膜电阻式加热器7将预浓缩器2加热至更高的温度，例如约90°C。在该温度下，预浓缩器释放被俘获的V0C，然后首先如在图2的阶段(4)所示使用泵6排空光谱池5，然后如阶段(5)所示打开光谱池5到预浓缩器2间的通路以实现样品转移，从而使释放的VOC通过气体处理系统传递至光谱池5进行分析。
[0041 ] 颗粒过滤器4位于光谱池5之前，以维持所述池的清洁，并且阻止微粒物质进入所述池并干扰测量。
[0042]在优选的实施方式中，腔增强吸收光谱用于测量VOC的水平。在丙酮是目标呼气分析物的情况中，可使用激光或LED源在近红外(1.6微米至1.8微米)或UV(230nm至31Onm)光谱区中测量丙酮。例如，能使用在约1669nm?1689nm(例如1671nm)处运行的二极管激光器或在约275nm处运行的LED。对于以近红外波长使用时，使用反射率R>99.95%的高反射镜构建光学池；对于以UV波长的使用，镜子的R>99.6%。
[0043]在该实施方式中，光学池的体积小于10cm3，更优选小于2cm3，例如约1.5cm3，从而使用预浓缩技术提供了 VOC数量密度的体积放大。也就是说，如果200cm3的呼气穿过预浓缩器，并且所有目标分析物都被俘获，然后被释放为例如5cm3的浓缩的样品，则会获得达40的体积驱动的浓度增强因子。从光学腔读取的吸收值相对于体积增强进行标准化。
[0044]图3示意性例示了如在本发明的一个实施方式中使用的光谱池5。光学池50自身由刚性材料(例如铝)圆柱体51形成，圆柱体51经机器加工成各末端具有垂直于池51纵轴的平坦表面的肩部52。腔镜53，具有与镜子的光学轴垂直的互补平坦的外周表面，抵靠在这些肩部上，从而确保池精确地对准并且不需要进行调整。所述池还是坚固的，并能抵抗由设备的便携性所导致的物理震动引起的错位。通过使用ο-环54实现气密密封。
[0045]来自光源55的光束穿过带通滤波器59、透镜56，并且经由转向镜57进入光学腔50?光电二极管58检测离开光学腔50的光。转向镜57可在两个维度上变换方向，以使光束与光学腔对准。优选地，转向镜57具有与腔镜相同的材料。特别当使用紫外线LED时，光源55易于发射一系列的频率。只有在光学腔中经历了多次反射的那些频率到达了光电二极管58才是理想的，否则直接穿过腔镜52传递的光易于对信号起决定性影响。通过使具有与腔镜52相同材料的转向镜57，能透过镜子的光可穿过转向镜57而不进入腔中。也可将带通滤波器(59)设置在光电二极管(58)之前。
[0046]为了量化呼气中的VOC的水平，需要获得环境空气的背景测量。如图2阶段(7)中所示，这样的背景测量优选在样品测量(6)之前和之后进行。因此，对于背景测量，隔膜泵6用于使环境空气穿过分子筛I并且进入CEAS测量的光学池5。
[0047]在腔增强吸收光谱(CEAS)中，依据等式(1。_1)/1 = σ NL/(1-R)，信号(I)和背景
(10)与光谱池中的分析物的绝对浓度N相关，其中，σ是处于所使用的特定波长处的光吸收截面，L是样品存在于其中的腔的物理长度，并且R是镜子的反射率的几何平均值。因此，受试者的呼气中的呼气分析物的数量密度是Ν/Α，其中A是仪器赋予的体积放大因子。简单来讲，并且忽略任何其它损失，放大因子A线性依赖于呼出气体积与池的总体积的比率。由于将CEAS的敏感度与使用预浓缩器将来自较大体积的呼气样品供应至小光学腔产生的体积放大相结合，从而能够在紧凑的手持式装置中实时检测百万分之几以下水平的V0C。丙酮检测可实现的典型的敏感度应在十亿分之100至500之间。
[0048]在监控血糖变化的优选实施方式的情况中，如果需要，中央控制单元还会接收来自诸如手指采血(finger lance)的血糖测量的校正数据，可以定期接收以更新单元的校正(例如一天一次或者两次)，从而允许将呼气丙酮的测量转化成估计的血糖水平。所述装置还可以形成将呼气丙酮和手指采血读数报告给中央远程医疗中心的普通血糖或血酮管理方案的一部分。
[0049]图4是将本发明的一个实施方式的性能与质谱分析仪进行对比的曲线图。图4示出了，如通过本发明的实施方式测量和通过质谱分析仪测量的来自志愿者的呼气样品的呼气丙酮浓度的图，该志愿者已经经历了各种禁食和锻炼。可以看出来，一致性良好，并且性能在从略低于100ppb至约5000ppb的呼气丙酮浓度的范围内保持一致。
【主权项】
1.一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: 样品入口，用于接收呼出气样品； 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出气样品，并浓缩挥发性有机化合物以形成浓缩的样品； 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，并且对该浓缩的样品进行光谱分析以检测和量化其中的挥发性有机化合物； 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的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 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，并且该控制系统具有输出光谱分析结果的输出端。2.根据权利要求1所述的便携式分析仪设备，其中，所述预浓缩器包括用于可逆地捕获所述挥发性有机化合物的化学选择性物质。3.根据权利要求2所述的便携式分析仪设备，其中，所述化学选择性物质由金属泡沫负载。4.根据权利要求1、2或3所述的便携式分析仪设备，其中，所述预浓缩器包括加热器。5.根据前述权利要求中任一项所述的便携式分析仪设备，其中，所述气体处理系统包括干燥空气净化装置，以使用干燥空气净化所述预浓缩器。6.根据权利要求5所述的便携式分析仪设备，其中，所述干燥空气净化装置包括分子筛或冷凝器中的一种，以干燥空气。7.根据前述权利要求中任一项所述的便携式分析仪设备，其中，所述样品入口适于通过受试者呼气到入口中，接收直接来自该受试者的呼出气。8.根据权利要求7所述的便携式分析仪设备，其中，所述气体处理系统包括与所述样品入口相连流量传感器，用以选择呼出到所述样品入口中的呼气流的期望部分。9.根据权利要求1至6中任一项所述的便携式分析仪设备，其中，所述样品入口适于接收来自接收器的呼出气。10.根据前述权利要求中任一项所述的便携式分析仪设备，其中，所述气体处理系统包含颗粒过滤器，用于在所述浓缩的样品被传递至所述光谱测量池之前，过滤所述浓缩的样品O11.根据前述权利要求中任一项所述的便携式分析仪设备，其中，所述光谱测量池是用于进行腔增强吸收光谱的光学腔。12.一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，所述方法包括以下步骤: 将呼出气导向预浓缩器，同时将所述预浓缩器加热至第一温度； 使用干燥空气净化所述预浓缩器； 密封所述预浓缩器，并且将所述预浓缩器加热至比第一温度高的第二温度以释放挥发性有机化合物； 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 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。13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤:在分析浓缩的样品之前和/或之后，控制气体处理系统，以使环境空气能够进入所述光谱测量池中，并且对所述环境空气进行光谱分析。14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包括以下步骤:向控制系统输入受试者的血糖水平的测量值，相对于输入的血糖水平校正所述受试者的呼气中挥发性有机化合物的光谱量化值，从而所述受试者的呼气中的挥发性有机化合物的进一步定量测量值提供所述受试者的血糖水平的估计值。15.根据权利要求12、13或14所述的方法，进一步包括以下步骤:在分析所述浓缩的样品之前，控制所述气体处理系统，以选择直接呼出到入口中的部分呼出气并导向所述预浓缩器。
【专利摘要】本发明记载了一种用于测量诸如丙酮的呼气VOC的紧凑、便携式或手持式装置，该装置并入了流量测量传感器、微型预浓缩器单元和光谱单元，诸如腔增强吸收光谱仪。所述预浓缩器包含负载在金属泡沫上的化学选择性物质以俘获VOC。所述装置适于测量ppm水平以下的诸如丙酮的呼气VOC，并且用于追踪血酮水平。
【IPC分类】A61B5/08, G01N33/497, G01N1/40
【公开号】CN104995511
【申请号】CN201380059522
【发明人】罗伯特·派维罗尔, 格雷厄姆·汉考克, 格朗特·安德鲁·戴德曼·里奇
【申请人】牛津医药有限公司
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】EP2920589A1, US20150289782, WO2014076493A1