气体混合物的组分的浓度的测量装置和测量方法制造方法及图纸

一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置，包括：腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；光源，所述光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光具有从230nm到320nm的波长；光传感器，所述光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过气体混合物的一部分。处理器被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。光源可以包括一个或多个LED，每个LED具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的线宽。该装置可以用于确定呼出气中的丙酮浓度，该丙酮浓度可以指示糖尿病或其他健康状况。

Apparatus and method for measuring the concentration of a component of a gas mixture

A measuring device for measuring the concentration of gas mixtures, the composition comprises a chamber, the chamber for containing gas mixtures; the light source, the light source emits light into the cavity, wherein the light is emitted from 230nm to 320nm wavelength; light sensor, the light sensor is detected from the the light has spread through a portion of the gas mixture. The processor is configured to determine the concentration of a gas mixture based on the portion of the light emitted from the light source detected by the optical sensor. The light source may include one or more LED, each of which has a central wavelength of light emission from 270nm to 320nm and a linewidth less than 50nm (LED). The device can be used to determine the concentration of acetone in exhaled breath, which may indicate diabetes or other health conditions.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于分析气体混合物的装置，特别是用于分析呼出气中组分的装置。更具体地，本专利技术涉及用于测量呼吸中用于糖尿病诊断/管理或监测脂肪燃烧的丙酮浓度的系统和方法。
技术介绍
使用呼吸分析进行医学诊断是强烈的研究工作的主题。除了在分子水平检测致病性变化的能力之外，测量的非侵入和实时性质是该方法的主要优点。人呼吸中特异性生物标志物的浓度可以与特定疾病的症状相关。例如，已知呼出气中的高浓度的丙酮是糖尿病和脂肪燃烧的生物标志物。非糖尿病患者的呼吸通常含有约0.5ppm的丙酮。已经显示在1型和2型糖尿病患者中存在约0.8-4.0ppm的升高的平均呼气丙酮浓度。已经提出了呼吸中丙酮浓度和血糖水平之间的一些相关性。糖尿病是全世界公共卫生中最具挑战性的问题之一。它是一种慢性疾病，其影响身体使用作为能量来源的糖的能力，因此血液中形成高血糖水平。糖尿病患者不产生胰岛素(胰岛素缺乏：1型)或胰岛素的产生不足/有效(胰岛素抵抗：2型)。作为胰岛素抵抗或缺乏的结果，人体不能使用作为能量来源的糖，因此身体倾向于分解脂肪和蛋白质的储存。这种替代燃料源最终导致血液中酮浓度升高，包括升高的丙酮浓度。人的呼出气中的丙酮浓度与其血液中的丙酮浓度单调相关。由于目前没有治愈方法，所以这种状况需要终身管理。在1型糖尿病的情况下，这包括通过频繁的胰岛素注射或通过胰岛素泵连续输注胰岛素将血糖水平保持在安全水平内。对于2型糖尿病，如果需要，通过药物，饮食和运动或胰岛素注射的组合来控制血糖水平。此外，当血液中存在非常高水平的丙酮时，可以发展称为糖尿病酮症酸中毒(DKA)的危及生命的病症。如果不治疗这种情况，可导致糖尿病昏迷甚至死亡。糖尿病酮症酸中毒占1型糖尿病患者所有糖尿病相关住院的约50％。为了管理血糖水平和预防DKA，需要糖尿病患者频繁(通常每天4至10次)测量其血糖，在某些情况下测量其血酮水平。这是使用通过痛苦和麻烦的过程获得的小血液样品完成的，该过程需要患者在每次需要测试时刺破他们的手指。类似的程序可用于诊断和筛选。在初步诊断中，可以测试尿样品中酮和/或葡萄糖的存在。尽管该测试的特异性高，但是其具有非常低的灵敏度并且通常不方便。总之，目前的糖尿病诊断和管理方法/程序通常具有低灵敏度，不方便，对患者是痛苦的，并且耗时和费钱。因此，全世界广泛的努力致力于找到用于糖尿病诊断和管理的有效的非侵入性方法。测量人的呼出气中的丙酮浓度可以用作糖尿病诊断和糖尿病管理的手段。然而，由于需要测量人类呼吸中的小丙酮浓度(通常在0.1-10ppm的范围内)和在人类呼吸中存在数百种不同的挥发性有机化合物(VOC)，目前在市场上没有用于糖尿病的便携式可靠丙酮呼吸分析仪。对于非糖尿病人，升高的呼吸丙酮主要是由于脂肪燃烧，因为碳水化合物的摄入不足以满足身体的代谢需要[O.B.Crofford等人，Acetoneinbreathandblood，TransAmClinClimatolAssoc,1977；88：128-139]。因此，如果患者试图减肥，这是成功的非常有用的指标，并且可以用于鼓励患者。使用与检测方法结合的气相色谱，例如火焰离子化，离子迁移谱仪和质谱仪进行常规呼吸分析。这些方法需要庞大且昂贵的设备以及熟练的操作者，因此不适合于实时现场护理测试。最近，腔衰荡光谱法使用具有紫外(UV)或近红外(NIR)波长的光，而用于测量呼出气中丙酮的浓度[Wang等人，US20040137637A1(2004年7月15日公开)；Wang等人，MeasurementScienceandTechnology19105604(2008年8月27日公开)]。这种技术需要使用昂贵的组件的激光器，特别是在UV和NIR频率下。Graham等人，WO2011117572A1(2009年9月29日公开)教导了使用宽带NIR光源用于使用谐振光腔的呼吸丙酮检测。该设计根据呼吸的吸收光谱的测量(即，呼吸中的吸收对波长的依赖性)，在丙酮显示出特征吸收的NIR波长处确定呼出气中的丙酮浓度。选择宽带NIR光源，其在比丙酮的特定吸收带的波长范围明显地更宽的波长范围上发射光。然后使用昂贵的组件例如可调谐滤光器，光谱仪或光栅测量吸收光谱。不幸的是，许多其他呼吸成分-例如VOC或水蒸气-显示出对红外光的强吸收，这使得在这些波长下的测量变得困难并且易于吸收干扰。尽管金属氧化物半导体传感器可以用于丙酮检测，但是它们具有难以理解的检测机制以及低灵敏度。更重要的是，它们遭受来自空气和呼吸中存在的其它挥发性有机化合物的吸收干扰，使得它们在特异性方面差[Kanan等人，Sensors2009,9,8158-8196，2009年10月16日公开]。其它呼吸丙酮检测方法包括Massick，US7790467B1(2010年9月7日授权)，其描述了基于使用发射红外光的二极管激光器来检测丙酮和卤化氢之间的反应副产物的间接方法。Goldstein等人，US6479019B1(2002年11月12日授权)描述了化学光学传感器，其中光吸收或透射是与目标气体分子例如丙酮或其它化学物质的反应的函数。这些方法是复杂的，具有低检测限值，或具有低特异性。许多上述呼吸分析方法的一个重要问题是在环境空气或呼吸中存在的其它VOC的干扰。这种干扰影响呼吸分析仪的灵敏度和特异性。另一相关现有技术是专利申请Harely，US20100061885A1(2010年3月11日公开)，其讨论了使用包括LED的UV光源来确定臭氧浓度的仪器。引用文献专利文献专利文献1：US20040137637A1，Wang等人，2004年7月15日公开专利文献2：WO2011117572A1，Graham等人，2009年9月29日公开专利文献3：US7790467B1，Massick，2010年9月7日授权专利文献4：US6479019B1，Goldstein等人，2002年11月12日授权专利文献5：US20100061885A1，Harely，2010年3月11日公开[非专利文献]非专利文献1：O.B.Crofford等人，Acetoneinbreathandblood，TransAmClinClimatolAssoc.1977；88：128-139非专利文献2：Wang等人，MeasurementScienceandTechnology19105604(2008年8月27日公开)非专利文献3：Kanan等人，Sensors2009,9,8158-8196，2009年10月16日公开
技术实现思路
本专利技术的一个方面是一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置。在示例性实施例中，测量装置包括腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和处理器，所述处理器构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。本专利技术的另一方面是测量气体混合物的组分的浓度的第一方法。在示例性实施例中，第一方法包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置，包括：腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和处理器，所述处理器被连接到所述光源和所述光传感器并且被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.21 US 14/464,9691.一种用于测量气体混合物的组分的浓度的测量装置，包括：腔室，所述腔室用于容纳气体混合物；至少一个光源，所述至少一个光源将光发射到所述腔室中，其中所发射的光包括从230nm到320nm的波长；至少一个光传感器，所述至少一个光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的气体混合物的一部分；和处理器，所述处理器被连接到所述光源和所述光传感器并且被构造为基于由所述光传感器检测到的从所述光源发射的光的所述一部分来确定气体混合物的组分的浓度。2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括具有从270nm到320nm的光发射的中心波长和小于50nm的光发射的线宽的发光二极管(LED)。3.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源包括具有从240nm到270nm的光发射的中心波长的LED，所述第二光源包括具有从270nm到300nm的光发射的中心波长的LED；以及其中所述第一和第二光源的LED分别具有小于50nm的光发射的线宽。4.根据权利要求2-3中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括AlyInxGa1-x-yN材料的LED，其中0≤x≤1且0≤y≤1。5.根据权利要求1-4中任一项所述的测量装置，其中所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一窗和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二窗，并且所述第一窗和所述第二窗包括可移除的用于更换的一次性窗模块。6.根据权利要求1-5中任一项所述的测量装置，其中所述腔室具有用于将来自所述光源的光传输到所述腔室中的第一腔镜和用于将来自所述腔室的光传输到所述光传感器的第二腔镜，所述第一和第二腔镜形成光腔，以增加从光源发射的光的路径长度。7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光传感器还包括连接到所述处理器的光电检测器，以用于检测由来自所述气体混合物的吸收从所述光源发射的光的组分的荧光而引起的光。8.根据权利要求1-7中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括反射镜结构，所述反射镜结构反射所述腔室内的光以增加从所述光源发射的光的路径长度。9.根据权利要求1-8中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括用于加热所述腔室的表面的加热元件。10.根据权利要求1-9中任一项所述的测量装置，其中所述腔室包括用于将气体引入所述腔室的入口阀和用于从所述腔室排出气体的出口阀，其中所述入口阀和出口阀是不透光阀。11.根据权利要求1-10中任一项所述的测量装置，其中所述处理器被构造成确定所述气体混合物中的一种或多种酮的总浓度。12.根据权利要求11所述的测量装置，其中所述气体混合物是呼出气，并且所述处理器被构造成确定所述呼出气中的一种或多种酮的总浓度。13.如权利要求11所述的测量装置，其中所述一种或多种酮包括丙酮。14.根据权利要求1-13中任一项所述的测量装置，其中所述至少一个光源包括：第一光源，所述第一光源包括具有从240nm到270nm的光发射的中心波长的LED；第二光源，所述第二光源包括具有从270nm到290nm的光发射的中心波长的LED；以及第三光源，所述第三光源包括具有从290nm到310nm的光发射的中心波长的LED，其中所述第一和第二光源的LED分别具有小于30nm的光发射的线宽。15.一种测量气体混合物的组分的浓度的方法，包括以下步骤：将参考气体引入腔室中；将来自光源的光发射到所述腔室中以传播通过所述参考气体，其中从所述光源发射的光包括从230nm到320nm的波长；使用光传感器检测来自所述光源的光的已经传播通过所述腔室中的参考气体的一部分，以及确定从所述光源发射的光的功...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨米尔·里阿尼，蒂姆·迈克尔·斯密顿，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP