[发明专利]用于测量呼气分析物的系统

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于测量呼气中的分析物，优选人呼气中的内源性分析物的系统、设备和方法。

背景技术

存在很多情况，其中希望感测气体中分析物的存在和/或量或浓度。如本文所用的术语“分析物”广泛地用于意指寻求使用根据本发明的不同方面的设备和方法感测的化学组分或成分。分析物可为或者可包括元素、化合物或其它分子、离子或分子片段、或者在流体中可能含有的其它物质。在一些情况、实施方案和方法中，可存在多于一种分析物并且目标在于感测多种分析物。如本文所用的术语“流体”广泛地用于包括当由外力作用时能够流动并且其形状发生改变的物质。它包括液体和气体，不仅为纯净形式，而且在异质状态下时也是如此，例如浆液、悬浮液、胶体分散体、气溶胶等。牛顿流体最适合应用于本发明，但是一定程度的非牛顿行为可以是能接受的，这取决于特定的应用，并且这并非意图限制。如本文所用的术语“气体”也广泛地使用并且根据其一般含义，不仅包括纯气相而且还包括蒸气、非液体流体相、气态胶体悬浮液、夹带或悬浮于气体或蒸气中的固相微粒物质或者液相微滴等。如本文所用的术语“感测”和“感测的”广泛地用于意指检测一种或多种分析物的存在或者测量一种或多种分析物的量或浓度。

在很多情况下，需要或希望对领域内的分析物进行分析或者以其它方式进行此类评估而不要求昂贵而笨重的支撑装备(如医院、实验室或测试设施中可用的装备)。在一些情况下通常希望用大致上装备齐全的设备，优选便携式的并且通常优选易于使用的设备进行此分析。在一些情况下，也需要或希望能够实时或者近乎实时地感测流体流中的分析物。此外并且一般来说，非常希望能准确而可靠地完成此类感测。

呼气的背景基质对感测系统提出多种挑战，它们需要复杂的处理步骤并且进一步使得系统整合成适合由非专业最终使用者便携式使用的形状因素成为不可能。例如，呼气包含高水平的湿度和水分，这可能干扰感测器或者在便携式设备内引起冷凝，以及其它问题。而且，在从使用者体内收集呼气时呼气的流速或压力通常变化相当显著。已知流速变化影响，通常显著地影响化学感测器的反应。呼气，确切地说在直接从使用者收集时，通常为核心体温或者接近核心体温，这可能明显不同于周围温度。另外，体温可能在不同使用者之间不同或者甚至对于单个使用者，在不同的日子也不同。因此设计呼气分析器不是简单的任务，使得人们试图设计便携并且领域适用的设备在一定程度上更加困难。

值得注意的是，测量呼气中的内源性分析物存在不同挑战并且需要与测量外源性分析物不同的技术和设备。内源性分析物为由身体(排除胃肠道内腔)产生的那些分析物，而外源性分析物为由于外部影响或者由于使用者消耗而存在于呼气中的那些分析物。然而，很多分析物为内源地产生的并且也可为外源地引入的。例如，氨通过氨基酸代谢而內源地产生，但是也可以从环境如含有氨的家居清洗用品中外源地引入。术语“内源的”根据其在本领域内的一般含义使用。内源性分析物在人体、其组织或器官(通常排除胃肠道内腔)内通过天然或非天然方式产生。

测量呼气中的内源性分析物存在多种显著的挑战。内源性分析物在呼气中通常具有显著较低的浓度，通常约为百万分之几(ppm)、十亿分之几(ppb)或更小。另外，内源性分析物的测量需要在背景气体的复合基质中辨别分析物。不是典型地大气气体组成(例如，主要为氮气)，而是呼出气具有高湿度含量和较大二氧化碳浓度。这导致化学敏感性、选择性和稳定性方面的独特挑战。例如，有助于呼气氨测量的化学物质优选在3％至6％水蒸气和3％至5％二氧化碳存在下敏感度达到50ppb。

由于在甚至检测内源性呼气分析物中的历史难题，没有广泛地研究其它挑战。此类挑战的实例包括：(a)使分析物与健康或疾病病况相关联、(b)测量给出人呼气特征例如流速和呼气压的这些分析物、(c)敏感性和选择性地测量这些分析物、以及(d)在可于医疗环境或家庭环境中实施的便携式、成本有效的封装中进行所有这些操作。

比色设备为一种用于测量涉及呼气分析物的反应的方法。内源性呼气分析的比色方法在历史上受到漫长反应时间和昂贵部件的困扰。通常，此类分析必须在实验室中进行。因此，存在对一种呼气分析器的需要，所述呼气分析器可准确而快速地测量以相对较低浓度存在的内源性呼气组分如丙酮，除便宜且可由非专业人员使用之外，也不用长时间等待结果。如果呼气分析器能够测量多种分析物，则也为优选的。

发明内容