人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术公开了一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法、系统及应用，包括载气吹扫、气体采样、进样分离、气体检测和测试清洗过程。通过六通阀分别连通载气瓶、微型色谱柱、传感器、样品袋、定量环、隔膜泵和单片机，构成载气吹扫通路、采集通路、进样分离通路和测试清洗通路，通过进样单元采集样品气体，气体流路单元运输样品，分离单元混合样品分离；传感单元检测由色谱柱分离的单一气体；将得到的色谱峰谱图进行特征提取，可在15min内进行实现人体呼吸中相应VOCs标志气体的识别和疾病初级筛查，检测误差精确在10％以内。误差精确在10％以内。误差精确在10％以内。

【技术实现步骤摘要】
人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法、系统及应用


[0001]本专利技术涉及一种人类慢性疾病的呼吸检测领域，特别是一种对人体呼气VOCs相关疾病标志气体的分析装置及检测方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]近年来，人类慢性病已成为世界范围内的一个主要健康问题，在未来十年中，慢性病似乎会更频繁地复发和流行。早期识别各种慢性病不仅有助于患者的治疗，而且还可以防止在人群中传播。因此，需要一种有效的动态诊断方法来预防和控制慢性病。随着生活水平的日益提高，人们越来越重视重大疾病的早期诊断与监测。而呼吸气体成分分析法作为一种无损检测方法具有非常明显的优势，它不但安全无痛、成本低廉、操作简单、检测高效，而且可以进行大范围推广，对重大疾病的早期诊断具有重要意义。研究表明，有250多种挥发性有机化合物(VOCs)与人类呼出气的功能障碍或代谢异常有关，它们可以作为生物标记物来诊断相关的慢性病。例如，戊烷是脂质代谢的副产品，呼出气中异戊二烯浓度过高可能是胆固醇异常产生导致慢性肝病高风险的证据。
[0003]气相色谱
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质谱分析技术(GC
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MS)是一种非常精细的呼气分析检测的有效方法，已在临床试验中用于诊断不同的疾病。然而，GC
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MS在广泛人群中的应用存在很多限制，因为其设备昂贵且笨重，分析时间消耗大，并且需要专业处理。同时，呼出气中的挥发性有机物浓度非常低，对于不同的慢性病，其浓度范围从ppt到ppm不等。为实现肝病，肺病症等慢性疾病的大规模健康筛查、早期诊断及人体体征监测，需要研究基于超低限、高灵敏度、高精度现场气体快速检测技术的装备。基于微型气相色谱技术，沿时间轴将人体呼出的多组分混合气体快速分离出具有生理意义的特征标记气体，并通过高灵敏检测器获得各具体成分及其浓度信息，实现重大疾病的早期诊断。大规模的早期筛查可以极大提高疾病的治愈率并降低医疗费用。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高精度，低功耗，快速检测，便携性的呼气分析的需求的用于多疾病呼吸标志VOCs的快速检测系统及其检测方法。通过微机电系统(MEMS)工艺完成微型色谱柱加工，基于六通气体流动原理完成分析平台，设计对应的硬件电路与软件算法，配为以模糊PID控制算法对微型色谱进行温度控制，采用金属氧化物半导体传感实现后端快速检测同时降低使用成本；以微型色谱柱的体征检测的标志物浓度与相关疾病的对应关系，实现人体慢性疾病的大规模健康筛查、早期诊断及人体体征监测。
[0005]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0006]本专利技术一方面，提供了一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，包括：
[0007]载气吹扫：将六通阀分别连通载气瓶、样品袋、微型色谱柱、传感器和单片机构成检测系统；洁净空气经六通阀直接流入微型色谱柱，经传感器并排出，六通阀保持常闭状
态，对检测系统清洁吹扫；
[0008]气体采样：保持洁净空气的吹扫状态，六通阀维持常闭状态，样品气体流经六通阀内部到定量环，从接有隔膜泵的六通阀口排出；
[0009]进样分离：六通阀切换至常开状态，载气瓶中的洁净空气从六通阀阀门流入后，带动定量环中的样品气体流入微型色谱柱的芯片进行气体分离；
[0010]气体检测：分离后的气体按照与固定相作用的时间长短依次流经传感器，传感器将接收到的模拟电信号传递给单片机，并在显示器上实时绘制色谱峰谱；
[0011]测试清洗：待定量环中样品完全进入色谱柱，六通阀切换至常闭状态，洁净空气再次经六通阀直接进入色谱柱及探测器并排出，完成洁净空气对检测系统的清洗。
[0012]上述方案中，载气瓶用于装在洁净空气作为气体流路的动力源，稳压阀则用于控制气体流路的压强以控制流速，输入压力为0
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0.1MPa。
[0013]上述方案中，样品袋选用特氟龙气体采样袋，样品袋内衬聚氟乙烯薄膜，存放低浓度挥发性有机物VOCs气体。
[0014]上述方案中，定量环采用0.1mL
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1mL的不锈钢定量环。
[0015]上述方案中，六通阀选用两位电磁六通阀，其断/通电状态分别对应两种不同的工作阀位：断电状态下阀门a和阀门f连通，阀门b和阀门c连通，阀门d和阀门e连通；通电状态下阀门a和阀门b连通，阀门c和阀门d连通，阀门e和阀门f连通。
[0016]其中，载气瓶、稳压阀连通六通阀阀门a、f至微型色谱柱、传感器，构成载气吹扫通路；
[0017]样品袋经六通阀阀门c、b至连通定量环
‑
六通阀阀门e、d至隔膜泵，构成样品气体的采集通路；
[0018]载气瓶、稳压阀连通六通阀阀门a、b至定量环
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六通阀阀门e、f至微型色谱柱、传感器，样品袋连通六通阀阀门c、d至隔膜泵，构成进样分离通路；
[0019]载气瓶、稳压阀连通六通阀阀门a、b至定量环
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六通阀阀门e、f至微型色谱柱、传感器，构成测试清洗通路。
[0020]上述方案中，样品袋中的气体为混合气体，包括戊烷、丙酮、甲苯、辛烷和癸烷，每个组分浓度均为16ppm。
[0021]上述方案中，微型色谱柱的中芯片采用MEMS工艺在硅片上制备成硅基半填充柱，硅基半填充柱内色谱柱微流道长度为3米，并排列有直径为80微米的微柱，微柱流道内构筑有厚度为200纳米的介孔二氧化硅微球支撑层和150纳米的离子液体固定相；在微型色谱芯片背部集成铂测温电极和对称加热电极；通过玻璃胶将毛细管连接在微型气相色谱柱两端口，实现气体流路的进出，进行气体分离。
[0022]本专利技术另一方面，提供了一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测系统，包括：
[0023]进样单元，包括样品袋、定量环和隔膜泵，用于样品气体的采集；
[0024]气体流路单元，包括载气瓶、稳压阀和六通阀，用于样品在分析设备中的运输；
[0025]分离单元，包括微型色谱柱，用于混合样品的分离；
[0026]传感单元，包括传感器，用于检测由色谱柱分离出来的单一气体；
[0027]控制单元，包括单片机和显示器，用于实现气体流路切换、色谱芯片温度功能并采集传感单元的模拟信号传入显示器；
[0028]六通阀分别连通连接载气瓶的稳压阀、连接传感器的微型色谱柱、样品袋、定量环、隔膜泵和单片机；隔膜泵、微型色谱柱、传感器和显示器分别连接单片机。
[0029]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
[0030]人体呼吸样本被采集于样品袋中，通过六通阀位的切换，洁净空气将推入样品气体进入微型色谱柱的芯片，混合气体通过色谱柱表面固定相的作用下分离为各个单一组分，并由后端的传感器进行检测，通过将得到的色谱峰谱图进行相应的特征提取，可实现人体呼吸中相应VOCs标志气体的识别，最后与相应的病理学模型对照，可进行相应的疾病评估，完成初步筛查。
[0031]本专利技术由于采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，包括：载气吹扫：将六通阀分别连通载气瓶、样品袋、微型色谱柱、传感器和单片机构成检测系统；洁净空气经六通阀直接流入微型色谱柱，经传感器并排出，六通阀保持常闭状态，对检测系统清洁吹扫；气体采样：保持洁净空气的吹扫状态，六通阀维持常闭状态，样品气体流经六通阀内部到定量环，从接有隔膜泵的六通阀口排出；进样分离：六通阀切换至常开状态，载气瓶中的洁净空气从六通阀阀门流入后，带动定量环中的样品气体流入微型色谱柱的芯片进行气体分离；气体检测：分离后的气体按照与固定相作用的时间长短依次流经传感器，传感器将接收到的模拟电信号传递给单片机，并在显示器上实时绘制色谱峰谱；测试清洗：待定量环中样品完全进入微型色谱柱，六通阀切换至常闭状态，洁净空气再次经六通阀直接进入微型色谱柱及探测器并排出，完成洁净空气对检测系统的清洗。2.根据权利要求1所述的一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，载气瓶用于装载洁净空气作为气体流路的动力源，稳压阀用于控制气体流路的压强以控制流速，输入压力为0
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0.1MPa。3.根据权利要求1所述的一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，样品袋选用特氟龙气体采样袋，样品袋内衬聚氟乙烯薄膜，存放低浓度挥发性有机物VOCs气体。4.根据权利要求1所述的一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，定量环采用0.1mL
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1mL的不锈钢定量环。5.根据权利要求1所述的一种人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，六通阀选用两位电磁六通阀，其断通电状态分别对应两种不同的工作阀位：断电状态下阀门a和阀门f连通，阀门b和阀门c连通，阀门d和阀门e连通；通电状态下阀门a和阀门b连通，阀门c和阀门d连通，阀门e和阀门f连通。6.根据权利要求5所述的人体呼吸标志VOCs气体的分离检测方法，其特征在于，载气瓶、稳压阀连通六通阀阀门a、f至微型色谱柱、传感器，构成载气吹扫通路；样品袋经六通阀阀门c、b至连通定量环
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴欣雨，李长青，吴昌龙，田汨龙，段滨，王大祚，石路嘉，王海容，王久洪，
申请(专利权)人：上海礽芯生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：