[发明专利]一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统及方法

说明书

本发明提供了一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统及方法，所述检测系统包括肺泡气分离系统和气体测量系统；所述肺泡气分离系统包括衰荡腔、脉冲激光器、光电探测器和信号处理和控制系统；所述气体测量系统包括气体测量腔、发射器、探测器、太赫兹透镜和信号处理系统。本发明利用近红外光腔衰荡光谱测量系统，实现死腔气和肺泡气的在线实时分离，肺泡气中内源性VOCs浓度比混合有死腔气的呼出气体样本中的浓度要高出两到三倍，并且肺泡气更能反映人体生理代谢状况，因此排除死腔气或者其他无效气体的干扰，有助于提高特征分子测量精度，大大提升系统检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统及方法。

背景技术

身体或血流的某些代谢物及化学物质在肺泡进行血液循环系统与肺循环系统的交换，导致呼出气体组分及浓度可以反映人体代谢机能及疾病状态，人体呼出气体中的挥发性化学物质（VOCs）的测量作为一种无创检测技术，适合于在健康人群中对先兆病人进行筛查，因此受到了越来越多的重视。通常认为测量的分析物的浓度含量与潜在疾病的程度之间存在关联。例如，呼出气体中的乙醇和丙酮与体内的葡萄糖代谢有关，可反映受测者的血糖水平。然而，呼出气体中特征VOCs浓度一般在ppm量级及以下，气体成分复杂并且有上百种之多，除了稳定的分子还有自由基，同时受环境气体干扰较大，影响了测量精度，目前常用的激光光谱法很难将这些干扰分子区分开来。此外，疾病标志物含量极低，种类多，迫切需要开发高灵敏度、强特异性以及高信噪比的检测方法。

研究表明，疾病相关的VOCs分子和基团具有固定的转动频率，特别是丙酮、乙醛、H₂S等极性分子，在太赫兹波段呈现出鲜明的“指纹”特性，具有较强的吸收。而呼出气体中占较大比例的CO₂等在太赫兹波段没有吸收，大大减少了干扰，避免了红外光谱的谱带重叠问题，使得分子辨识更加容易。但是，单纯采用太赫兹光谱检测仍存在痕量气体分子种类多，浓度低，光谱特征识别较难，检测灵敏度低的缺点。因此，如何提高检测气体中VOCs浓度，排除其他因素干扰，获得标志物的高灵敏度检测成为重点研究方向。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统，以解决现有装置光谱特征识别较难，检测灵敏度低的问题。

本发明的目的之二在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统，包括肺泡气分离系统和气体测量系统；

所述肺泡气分离系统包括：

衰荡腔，为密闭腔体，腔体的两端为高反射率反射镜，在所述腔体上设有供呼出气体进入的吹气口、供死腔气排出的第一出气口、供肺泡气排出的第二出气口以及压力监测口，在所述吹气口、第一出气口和第二出气口处均设有单向阀，在第一出气口和第二出气口处均设有真空泵；

脉冲激光器，用于向衰荡腔发射脉冲激光；

光电探测器，用于检测透过衰荡腔后光信号强度随时间变化的指数衰减曲线；以及

信号处理和控制系统，用于根据衰荡时间同步运算得到气体中二氧化碳浓度随时间变化的波形图，并根据二氧化碳浓度信息控制对应真空泵，将死腔气排出，将肺泡气抽入气体测量系统；

所述气体测量系统包括：

气体测量腔，为密闭腔体，腔体的两端为太赫兹窗，在腔体上设有供肺泡气导入的进气口、用于排出多余气体的排气口以及与气压表相连接的气压检测口，在气体测量腔内置有活性吸附材料，用于吸附待测气体中的挥发性有机物分子；

发射器，用于产生并向气体测量腔发射太赫兹波；

探测器，用于接收穿过气体测量腔的太赫兹波；