專利名稱：光致電離檢測器及其關(guān)聯(lián)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及揮發(fā)性氣體檢測器和用于檢測呼吸中的揮發(fā)性氣體成分的方法，并且更具體來說涉及光致電離檢測器和用于使用光致電離檢測器檢測呼吸中的揮發(fā)性氣體成分的方法。
背景技術(shù)：
人呼吸中存在的揮發(fā)性氣體成分可以揭示此人的健康狀況。例如，患有糖尿病、 腎功能衰竭、或高膽固醇的患者可以在他們的呼吸中分別含有高濃度的丙酮、氨或異戊二烯。反應氧物質(zhì)(reactive oxygen species)將多不飽和脂肪酸氧化，從而排放脂質(zhì)自由基(lipid based free radical)并最終在呼吸中作為氧化應激的標記排放揮發(fā)性烷烴和甲基化烷烴。因此，呼吸分析是一種篩查患者的途徑，用于通過可靠、無創(chuàng)、無痛和低成本的方法來進行某些疾病的早期檢測。通過多種方法或諸如電化學傳感器、光致電離傳感器和半導體傳感器的傳感器技術(shù)能夠確定可用作特定疾病的生物標記的化合物的類型和濃度， 多種方法例如氣相色譜分析、激光光譜測定、離子淌度光譜測定。呼吸分析中的最新發(fā)展是使用光致電離檢測器(PID)來篩查患有某些疾病的患者。典型的PID包括具有高能光子的電離源、電離室和離子檢測器。該PID能夠檢測揮發(fā)性有機氣體。在PID中，將高能光子導向電離室以用于與氣體分子撞擊，其中如果光子的能量大于分子的電離勢，則這些光子將氣體分子電離。這些電離的分子可作為離子和電子通過電方式被檢測到。雖然可以使用基于PID的傳感器來將響應信號與電離中的變化相關(guān)，但是此類響應信號可能受到其他干擾信號有害影響，從而產(chǎn)生信號假象。這些信號假象還可能包含非期望的信號響應，例如由諸如水、乙醇或一氧化碳的一個或多個干擾分子生成的響應。這些分子本文中稱為干擾物質(zhì)，具有高電離勢，并且能夠阻擋或吸收UV光子，這降低了檢測器的靈敏度。現(xiàn)有技術(shù)的PID中的問題在于隨樣本及內(nèi)部電極和外部電極釋放的金屬原子引入的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能沉積在UV燈的光學窗口上從而形成覆蓋層并降低發(fā)自該燈的UV 光的強度。此覆蓋層降低PID的靈敏度，并且需要使用已知濃度的可檢測氣體的樣本來重新校準PID。常規(guī)PID還由于金屬電極的原因而受到不穩(wěn)定的基線電流的影響，這些金屬電極暴露于高能光子下并釋放自由電子，即使在不存在可電離氣體時仍可能產(chǎn)生基線電流。 需要利用參考來頻繁地校準PID，以便重新構(gòu)建正確的基線電流。因此，期望有一種PID傳感器，能夠高選擇性和高效率地檢測呼吸中的化學成分。 期望該PID是具能量效率的，能夠針對便攜式應用進行微型化，無需頻繁地校準，并且對于周圍的揮發(fā)性氣體的濃度變化具有快速的響應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及PID，以及能夠感測呼吸樣本中存在的揮發(fā)性氣體的相關(guān)傳感器系統(tǒng)和用于制作和使用這些傳感器的方法。使用這些PID或傳感器系統(tǒng)解決了與高選擇性和效率相關(guān)的問題。在一個實施例中，一種光致電離檢測器(PID)，包括基片，該基片包括氣體電離室、 至少一對離子感測電極和至少一個放大電路；以及紫外(UV)電離源，其將UV光束傳送到該氣體電離室中。在另一個實施例中，一種光致電離檢測器(PID)，包括基片，該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極和加熱元件；紫外(UV)電離源，其將UV光束傳送到氣體電離室中；溫度傳感器；以及與基片操作關(guān)聯(lián)的溫度反饋控制電路。在另一個實施例中，一種用于測量氣體混合物中的合成物的系統(tǒng)，包括光致電離檢測器(PID)、光致電離檢測器(PID)和壓力傳感器，其中該PID包括至少一個紫外(UV)電離源和基片，該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極和至少一個放大電路。在本發(fā)明的方法的一個示例中，通過光致電離檢測器(PID)測量呼吸樣本中的合成物的方法包括將呼吸樣本引入到光致電離檢測器中，將紫外(UV)光束傳送通過呼吸樣本；電離呼吸樣本；以及檢測呼吸樣本中合成物的量。


當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點，在所有附圖中，相似的符號表示相似部件，其中圖1是本發(fā)明的光致電離檢測器(PID)的非限制性實施例的頂視圖的示意圖，該光致電離檢測器(PID)包括集成電路放大器。圖2是本發(fā)明的PID的非限制性實施例的頂視圖的示意圖，該PID包括集成的加熱器和溫度傳感器。圖3A至3F是具有逐層布置的基片的截面圖的示意圖。圖4A是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括具有孔的第一層、第二層和第三層。圖4B是包括具有孔的第四層的相同PID基片設計的頂視圖的示意圖。圖5A是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括具有槽口的第一層、第二層和第三層。圖5B是包括具有槽口的第四層的相同PID基片設計的頂視圖。圖6A至圖6D是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，這些PID基片設計
包括分別具有孔的第一層、第二層、第三層和第四層。圖7A是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括具有層疊在一起的離子感測電極的第一層、第二層和第三層。圖7B是包括具有層疊在一起的離子感測電極的第四層的相同PID基片設計的頂視圖的示意圖。圖8A至圖8D是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括具有孔的第一層、第二層、第三層和第四層，并且包括起條柵電極(fence electrode)的作用的加熱器。圖9A至圖9D是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括具有槽口的第一層、第二層、第三層和第四層，并且包括起條柵電極的作用的加熱器。圖IOA至圖IOD是PID基片設計的一個示例的頂視圖的示意圖，該PID基片設計包括在更長的集成電路板上具有槽口的第一層、第二層、第三層和第四層，并且在第二層處包括加熱器。圖11是本發(fā)明的PID的校準圖形。圖12是測量在進食之前從三個不同受檢者收集的呼吸樣本的多種成分的本發(fā)明的PID的信號輸出的圖形。當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點，在所有附圖中，相似的符號表示相似部件，其中
具體實施例方式該PID的一個或多個實施例調(diào)適成檢測呼吸中存在的揮發(fā)性氣體或合成物的光致電離。在一些實施例中，可以在系統(tǒng)中使用該PID。在這些實施例的一個或多個實施例中，該PID包括基片，該基片包括氣體電離室、 至少一對離子感測電極以及至少一個放大電路；以及UV電離源，其將UV光束傳送到氣體電
離室中。該基片還包括加熱元件。該加熱元件穩(wěn)定PID的溫度并防止PID中的凝結(jié)。該加熱元件可以是薄膜加熱器、加熱板、固態(tài)加熱器、燈絲加熱器、加熱帶或具有加熱元件的任何加熱器。一般地，加熱元件保持PID電離室的近似恒定的溫度并防止來自進入氣體的水凝結(jié)。在正常操作中，加熱元件將電離室加熱到約300°C，但是高于進入PID的氣體的溫度的任何溫度(例如，40至50°C )都足夠防止凝結(jié)。在沒有加熱元件的情況下，當PID比環(huán)境空氣冷時，水汽可能凝結(jié)在光學窗口和電極上。光學窗口上的凝結(jié)阻擋UV光，電極上的凝結(jié)導致電極之間的泄漏電流。加熱元件將電離室中的光學窗口和電極加熱以防止凝結(jié)。 此外，加熱元件和溫度傳感器能夠通過溫度反饋控制回路將PID保持在最優(yōu)操作溫度或恒定的操作溫度處并消除因溫度變化導致PID的基線波動或零信號。在一個實施例中，將加熱元件和離子感測電極集成到基片。該基片還包括溫度傳感器。該溫度傳感器在感測PID中溫度改變中是有用的。該基片還包括溫度反饋控制電路。該溫度傳感器、溫度反饋控制電路和加熱元件可以操作關(guān)聯(lián)的方式存在，以便當PID的溫度不同于期望的操作溫度時，基于溫度傳感器的輸出和溫度設置點生成誤差信號。該溫度反饋控制電路基于誤差信號來激活或關(guān)閉加熱元件，以將 PID的溫度保持于預設的溫度點。在另一個實施例中，PID包括基片，該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極以及加熱元件；以及UV電離源，其將UV光束傳送到氣體電離室中；溫度傳感器；以及與該基片操作關(guān)聯(lián)的溫度反饋控制電路。在本實施例中，該PID還可以包括放大電路?？梢詫⒁粚﹄姌O設在基片上并且可以將其耦合到氣體電離室。在一個實施例中， 可以將一對電極設在放大電路上并且可以將其耦合到氣體電離室。電極的非限制性示例可以包括交指型電極、離子感測電極、光電發(fā)射電極或放電電極。在一些實施例中，可以存在兩對電極。在這兩對電極中，一對可以用于測量電離的分子，而另一對可以用于監(jiān)視光電發(fā)射電流。離子檢測器的電極可以具有多種形狀。電極配置的非限制性示例可以包括交指型電極、組合的電極、分離的電極、平行板電極、單層電極和多層電極。該多層電極可以包括交替的導電層和介電層。在多層電極的一些實施例中，該電極由多個導電層制成，或該電極由多個介電層制成。該基片還可以包括包括介于一對離子感測電極之間的一個或多個電極以消除基片電流干擾。在一對離子感測電極之間使用的此電極本文中也稱為條柵電極。該條柵電極防止兩個離子感測電極之間的離子滲漏。兩個電極之間的泄漏電流導致的干擾稱為“基片電流干擾”。在高電壓中，電流從電極的表面或邊緣泄漏。將兩個導體設在絕緣基片上以形成離子感測電極。在感測操作期間，在測量氣體樣本的離子電流的兩個電極(本文中用作離子電流測量電極)之間施加偏置電壓。但是，泄漏電流可能流經(jīng)絕緣基片的表面。該泄漏電流導致對離子電流的干擾。減少泄漏電流的一種方法是在這兩個離子感測電極之間使用第三電極。通過將第三電極接地或連接到特定的電壓源，泄漏電流可以經(jīng)由第三電極流到地線或流到特定電壓源，而非到達兩個測量電極。這些離子感測電極吸引UV光子撞擊可電離的氣體分子時形成的正離子。靜電計與離子感測電極操作關(guān)聯(lián)地存在。該離子感測電極測量離子電流，并且靜電計將離子電流轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓與離子濃度成正比。離子的濃度提供氣體樣本中存在的化合物的當量值的測量。UV光子撞擊光電發(fā)射電極，這可能釋放電子，但是這些電子通常被吸引回光電發(fā)射電極，并不會貢獻離子感測電極之間的基線電流。該光電發(fā)射電極測量電子數(shù)，其指示 UV燈的狀況。該基片由一個或多個導電層、介電層或?qū)щ妼优c介電層的組合制成。該基片由金屬、陶瓷、玻璃、聚合物或其組合制成。在一個實施例中，該基片由選自如下集合的半導體材料制成硅、鍺、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、磷化鋁、氮化硼、磷化硼及其組合。該基片可以是例如，陶瓷基片、印刷電路板或硅基片?；谔沾傻亩鄬踊梢杂傻蜏毓矡沾杉夹g(shù)來形成。在一個實施例中，該基片是印刷電路板。在基片的上表面上進行導電層沉積和圖案化可形成離子感測電極。該加熱元件可以存在于基片的上表面上或基片的下表面上。在一個實施例中，基片的導電層可以起加熱元件的作用。該基片可以是單層或多層的。該多層基片可以包括交替的導電層和介電(或不導電)層。在多層基片的一些實施例中，其包括多個導電層或多個介電層。該多層基片可以包括第一層、第二層、第三層和第四層。在非限制性實施例中，該基片可以包括多于四個的層。在一個實施例中，該基片的第一層可以包括至少一對離子感測電極、放大電路和至少一個電離室。該基片的第二層可以包括連接到UV燈的一對電極，以及連接到基片固定UV燈的燈座。在另一個實施例中，該基片的第一層還可以包括基片上的加熱元件。該基片的第一層可以包括基片上的溫度傳感器。在一些其他實施例中，該基片的第二層可以包括基片上的加熱元件和溫度傳感器。該多層基片可以具有兩個或兩個以上導電層之間的一個或多個間隙或溝道。該電離室可以在基片上的兩個介電層之間的一個或多個間隙或溝道中形成。該基片包括一排孔或開槽。這些孔或開槽提供開放空間以將分子電離，并且配置為氣體電離室。這些孔或開槽還起多種層之間的連接針的作用。這些開槽在形狀上主要是矩形。在一些實施例中，該基片可以包括多個層，其中最上層和最下層具有孔或槽口。在這些實施例中，中間層具有空隙空間，這形成用于氣體電離的電離室。氣體通過這些孔或槽口到達這些空隙空間，而UV光束沿著垂直方向通過氣體，這導致氣體分子的電離。該氣體電離室可以包括離子感測電極以確定離子電流。該氣體電離室還包括擴散器以調(diào)整流入氣體電離室的受控氣流。
該UV電離源是紫外燈(UV燈)或發(fā)光二極管(LED)。在一個實施例中，該UV電離源直接固定在燈驅(qū)動器板上。該UV電離源以約IOOnm至210nm的頻率范圍傳送UV光。當外部電場激發(fā)UV燈時，產(chǎn)生UV輻射，其中該UV輻射可以采用UV光束的方式。將UV光束引導到與氣體流的路徑垂直的氣體電離室。在一些實施例中，將該UV電離源直接固定于基片。在一些實施例中，可以使用多個UV燈來提供針對呼吸樣本中存在的多種合成物的選擇性。呼吸中的不同合成物具有變化的PID電勢，因此使用低能UV燈和/或使用不同UV燈的組合提供固有的選擇性。該UV電離源能夠選擇性地提供多于一種能級的UV光。該UV 電離源選自 8. 4eV、9. 6eV、9. 8eV、10eV、10. 2eV、10. 6eV 或 11. 6eV 的 UV 燈或多于一個的前文的UV燈的組合。不同的氣體具有不同的發(fā)射波長，因此，具有不同的電離能。用于UV燈的典型惰性氣體是氪、氙和氬。例如，氪具有范圍從約10至10. 6eV的電離能，氙具有范圍從約8. 4至9. 6eV的電離能以及氬具有11. 7eV的電離能。用于PID的常規(guī)氣體放電UV燈是包含兩個板的密封玻璃封罩。經(jīng)由從板延伸出玻璃封罩的引線施加到板的高電壓促成氣體中的輝光放電過程，其在封罩中被捕獲。輝光放電過程生成UV光子，UV光子經(jīng)光學窗口離開封罩并照射PID的電離室。該UV電離源將電離室中的氣體電離，并通過離子感測電極測量離子及生成響應信號。該響應信號可以是由于離子感測電極上的離子濃度的變化而生成，并且該響應信號對于控制而言是可檢測的。多種合成物的電離的程度相對于電離能而言是不同的，并且合成物的電離生成離子，這產(chǎn)生表示不同合成物的響應信號。PID還包括直流(DC)電壓源。該DC電壓源對離子感測電極生成高電壓。離子感測電極連接到高電壓DC源，高電壓DC源提供10-200V的DC電壓。典型的PID感測離子，并生成皮安至微安量級的信號輸出。為了實現(xiàn)對此小電流的精確測量，使用電流放大器將該信號放大成足夠大的電壓信號，此電壓信號可以被記錄。 該PID包括至少一個放大電路，該至少一個放大電路將離子感測電極生成的響應信號放大以形成放大的信號。將放大的信號傳送到處理器，其中該處理器可以與該PID操作關(guān)聯(lián)地存在。該至少一個放大電路選自跨阻抗(transimpedance)放大電路或電流至電流放大電路?？缱杩狗糯笃鲗㈦娏鬓D(zhuǎn)換成電壓并放大此信號。制作跨阻抗放大器的一種方式是使用具有電阻反饋的高增益運算放大器。這些反饋電阻器確定此跨阻抗增益。如Vbl的偏置電壓作用于運算放大器的正極端，并確定基線輸出電壓。在高靈敏度應用中，可以添加防護環(huán) (guard ring)以減少雜散泄漏電流破壞進入放大器的信號。該基片可以具有濾波電路。該濾波電路可以減少測量噪聲。該噪聲可能是因基片電流干擾、溫度變化、濕度干擾、電磁干擾、電容耦合、電感耦合或其他電化干擾而隨該信號生成。為了減少基片電流干擾，將一對電極的一個電極附接到地或電壓源，其中該電極消除泄漏電流。溫度的變化可能生成溫度引起的噪聲，可以使用溫度反饋控制電路來將其消除。 使用加熱元件，可以消除濕度引起的噪聲。該加熱元件保持PID的內(nèi)部溫度并減少凝結(jié)。 將PID封裝在金屬屏蔽體內(nèi)可以消除電磁干擾。使用放大器來將電容耦合或電感耦合生成的噪聲減到最小。將放大器布置在離子感測電極的緊靠附近可以減少電化學干擾或其他干擾。當測量sub ppb至ppm范圍中的低濃度目標分子時，離子電流是非常小的。任何測量噪聲或干擾都可能影響如此小的電流的測量。減少噪聲或干擾的一種方法是在離子感測電極的緊靠附近具有放大電路，這將耦合噪聲和干擾減少到最小。顯著的噪聲減少可以生成突出且清晰的信號，這可以提供精確地測量多種合成物的電離的分子。該PID檢測氣體混合物中存在的化合物、揮發(fā)性氣體、或揮發(fā)性有機合成物 (VOC)。例如，PID檢測呼吸樣本中存在的化合物、揮發(fā)性氣體、或揮發(fā)性有機合成物(VOC)。 該PID配置成檢測脂肪烴、芳烴、乙醛、酮、或乙醇。該PID配置成檢測丙酮、異戊二烯、氨、 乙醇、甲醇、乙烷、戊烷、或苯。在特定實施例中，該PID配置成檢測丙酮。為了使用PID選擇性地檢測呼吸中的合成物，可以使用不同的UV燈的組合，同時減去或補償其他合成物的干擾的貢獻。該取樣方法可以實現(xiàn)成使得僅某些化合物被收集并弓丨入到PID檢測器以防止干擾。該取樣方法可以是基于膜的、基于預濃縮器阱的、或其他類型的分離方法，例如氣相色譜分析、或氣體過濾器，但是一些類型的半分離方法也可能是有用的。對于基于預濃縮器阱的方法的示例，能夠由Carbotrap X捕獲丙酮，但是此材料將不會捕獲更大的分子。不同的方案可以是，感興趣的分析物可以不停留地流經(jīng)選擇的預集中器阱，同時大多數(shù)其他干擾物被捕獲。例如，丙酮將通過Carbotrap Y和Carbotrap B，這能夠捕獲具有從C5-C20的碳鏈長度的寬范圍的V0C。一種用于測量氣體混合物中合成物的系統(tǒng)包括PID和壓力傳感器。該系統(tǒng)還包括配置成產(chǎn)生指示氣體混合物中該合成物的量的傳感器響應模式的處理器。該PID包括基片，以及UV電離源，UV電離源將UV光束傳送到氣體電離室中。該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極以及至少一個放大電路。在備選實施例中，用于測量氣體混合物中合成物的系統(tǒng)包括PID、壓力傳感器和處理器，其中該PID包括基片。該基片包括將UV光束傳送到氣體電離室中的UV電離源、溫度傳感器和與該基片操作關(guān)聯(lián)的溫度反饋控制電路。在本實施例中，該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極以及至少一個加熱元件。使用具有0-30英寸水柱范圍的壓力測量的絕對壓力傳感器來測量呼吸樣本的壓力。壓力傳感器的使用確保經(jīng)過PID檢測的呼吸樣本具有壓力恒定的適合吹氣模式。恒定的壓力是在測量期間生成精確的數(shù)據(jù)所期望的。使用具有0-1英寸水柱的差分壓力傳感器來基于PID中兩個位置處的差分壓力測量來測量呼吸樣本的流速。流測量的目的是確保向PID提供足夠容積的呼吸以便獲得精確測量。通常，僅呼氣末的呼吸包含正確的離子濃度，可以通過監(jiān)視某個容積的呼吸樣本通過之后的呼吸樣本的流速和PID信號來捕獲正確的離子濃度。視用戶的年齡、身體狀況和其他相關(guān)參數(shù)而定，呼吸樣本的初始死容積(dead volume)可能不同。該系統(tǒng)還包括調(diào)整氣體混合物流的擴散器。該擴散器耦合到氣體電離室。至少一對離子感測電極是丙酮感測電極。該系統(tǒng)還包括氣體流速傳感器。該氣體流速傳感器配置成在氣體通過氣體電離室時檢測氣體的流速。該系統(tǒng)還包括CO2傳感器。CO2測量是呼吸分析的重要方面。CO2濃度水平確定系統(tǒng)中的多種參數(shù)。例如，CO2濃度確定用戶呼吸是否可能達到系統(tǒng)的呼氣末。呼吸末呼吸的預期CO2濃度在5%左右。因此，CO2傳感器可以確保精確的呼氣末測量。使用CO2傳感器的第二個目的在于提供規(guī)格化的參數(shù)以比較不同受檢者之間的測得數(shù)據(jù)。多個受檢者(個體的人)有不同的新陳代謝率和呼吸通氣率，這導致呼吸中不同的VOC濃度。因此，難以比較絕對VOC濃度數(shù)據(jù)。但是，如果通過呼吸(X)2濃度將該濃度規(guī)格化，則可以在呼吸分析應用的大型數(shù)據(jù)庫中建立比較。該系統(tǒng)還包括控制器，該控制器與PID操作關(guān)聯(lián)地存在。該控制器主要調(diào)整溫度反饋控制單元，并根據(jù)PID的溫度調(diào)整加熱元件。該控制器還通過使用加熱元件來減少濕度和凝結(jié)以控制該系統(tǒng)。一種通過PID測量呼吸樣本中合成物的方法包括收集呼吸樣本；將呼吸樣本引入到PID中，并將UV光束傳送通過呼吸樣本，將呼吸樣本電離并檢測呼吸樣本中合成物的量。 該方法還生成傳感器響應模式。該傳感器響應模式量化呼吸樣本中存在的每種化合物的量。該方法還包括使用用于保持PID內(nèi)的溫度的加熱元件來加熱光致電離檢測器。該方法還包括由PID中存在的溫度傳感器來測量PID的溫度。該方法還使用溫度傳感器和加熱元件來控制溫度反饋控制機構(gòu)?，F(xiàn)在參考圖1和圖2，其中圖示PID傳感器1的兩個不同實施例。PID傳感器1采用集成的基片結(jié)構(gòu)10，該集成的基片結(jié)構(gòu)10包括電離室4、PID的離子感測電極6和加熱元件8。在一個實施例中，基片10由陶瓷制成，具有至少0.1mm的厚度。該PID包括紫外 (UV)電離源2，其將UV光束傳送到氣體電離室中。在圖1的實施例中，該PID包括放大器或放大電路12。在圖2的實施例中，該PID包括溫度傳感器14和溫度反饋控制單元16。圖3A至3F圖示基片10的逐層布置的截面圖?；氖纠ㄋ膫€導電層和三個不導電層。該第一導電層、第二導電層、第三導電層和第四導電層分別表示為Li、L2、L3 和L4。這4個導電層通過3個不導電層進行電絕緣。在圖3A中，Ll和L3包括離子感測電極6，其中存在包括條柵電極20的插入層L2。條柵電極20防止離子感測電極之間的電流泄漏。L4包括加熱元件或加熱器8。在圖:3B中，Ll和L3是離子感測電極6，其中存在作為條柵電極20的插入層L2。L4包括溫度傳感器22。在圖3C中，Ll和L2包括UV監(jiān)視器18， L3和L4包括離子感測電極6，以及L4還包括溫度傳感器22。在圖3D中，Ll包括UV監(jiān)視器18，L2和L4包括離子感測電極6，其中插入層L3包括加熱元件8。在圖3E中，Ll包括 UV監(jiān)視器18，L2包括加熱元件8，L3包括離子感測電極6和L4包括溫度傳感器22。圖3F 是一個檢測器設計的截面圖，其中使用第一導電層Ll作為溫度傳感器22，使用第二層L2和第三層L3作為離子檢測器6，以及使用第四層L4作為加熱元件8。圖4A和4B是PID 1的頂視圖，PID 1具有含孔的基片。該PID包括集成電路板 28。基片10的這些層通過孔對彼此互連，如圖4A和圖4B所示。該孔的尺寸在約0. 1至 Imm的范圍內(nèi)。兩個孔的任何一個孔的邊緣之間的距離是0. 1至0. 5mm。在特定實施例中， 兩個孔的任何一個孔的邊緣之間的距離是0.3mm。每個層包括一個或多個連接針沈。圖4A 示出三個層L1、L2和L3，其中加熱元件或加熱器存在于所有三個層L1、L2、L3上，并且這些加熱元件經(jīng)孔串聯(lián)連接。該加熱元件具有長蛇管設計，其長度可以為約lm。圖4B示出層 L4，其包括加熱元件8和溫度反饋控制電路16。圖5A和5B是PID 1的頂視圖，該PID 1具有含槽口的基片。在一個示例中，這些槽在形狀上為矩形。該PID包括集成電路板觀。該基片的這些層通過槽口 30彼此互連，如圖5A和圖5B所示。在一個示例中，槽的每個都具有8mm的長度。在特定實施例中，槽的邊緣與集成電路板的邊緣之間的距離約為2mm。每個層包括一個或多個連接針沈。該PID包括集成電路板觀，集成電路板28具有16mm的長度和12mm的寬度。圖5A示出三個層Li、 L2和L3，其中加熱元件或加熱器存在于所有三個層L1、L2、L3上，并且這些加熱元件通過層互連來串聯(lián)連接。圖5B示出層L4，其包括加熱元件8和溫度反饋控制電路16。圖6A至圖6D是PID 1的頂視圖，其包括含孔的集成電路板觀。該基片的層通過孔M彼此互連。每個層包括一個或多個連接針沈。圖6A、圖6B、圖6C和圖6D分別圖示四個不同層L1、L2、L3和L4，其中加熱元件或加熱器存在于所有四個層上，并且這些加熱元件通過層互連而串聯(lián)連接。圖6D示出層L4，其還包括溫度反饋控制電路16。也存在含槽口的相似設計。圖7A和圖7B是PID 1的頂視圖，其包括含孔的集成電路板觀。圖7A示出三個層 Ll、L2和L3，其中加熱元件或加熱器存在于所有三個層Ll、L2、L3中，并且這些加熱元件通過層互連來串聯(lián)連接。該加熱元件具有長蛇管設計，其長度可以為約lm。圖7B示出層L4， 其包括加熱元件8和溫度反饋控制電路16。也存在含槽口的相似設計。圖8A至圖8D是PID 1的頂視圖，其包括含孔的集成電路板觀。圖8A、圖8B、圖 8C和圖8D分別圖示四個不同層L1、L2、L3和L4，其中加熱元件或加熱器存在于所有四個層上，并且這些加熱元件通過層互連而串聯(lián)連接。在L1、L2、L3和L4中，加熱元件還作為條柵電極。在層L3中，該加熱元件具有長蛇管設計，其長度可以為約lm。圖8D示出層L4，其還包括溫度反饋控制電路16。圖8A中的電極是直線式電極。也存在含槽口的相似設計，如圖9A至圖9D所示。圖IOA至圖IOD中圖示PID的另一組示例，這些PID具有集成電路板的多種設計。圖IOA至IOD的設計與上文提到的設計相同，但是集成電路板觀比先前的電路板長。該集成電路板的長度約為38mm，寬度約為12mm。示例利用一對離子感測電極執(zhí)行電離電流的測量，如圖5所示。由跨阻抗放大器將離子電流轉(zhuǎn)換成電壓。使用Iabview軟件分析收集的信號。進行人呼吸測試以評估PID的功能性。在呼吸樣本測試期間，通過直接連接到氣體管線的細菌過濾器咬嘴(Vacumed MQ303) 從人收集樣本。水凝結(jié)可能由呼吸中存在的水汽所導致。為了避免水凝結(jié)，由集成的芯片上加熱器將該PID傳感器芯片加熱到約80°C。示例 1在人的呼吸中，呼吸期間的氣體流速或壓力因不同的人而有所不同。分離的測試已顯示，2 15L/分鐘范圍的呼吸流速的變化是可能的。流速的改變影響PID傳感器的基線信號(沒有丙酮時的背景信號)，從而導致離子測量的不精確。測試已指示，當氣體流速在從1至20L/分鐘變化時，PID的基線電壓可能改變 70mv?；€改變的原因可能部分是由于進入的氣體直接沖擊在燈和傳感器電極上，這導致多種影響，例如電離區(qū)中的溫度、流速、相對位置和濕度的突變，這些影響的其中之一或其組合可能導致傳感器基線電壓的變化。為了消除此問題，在剛好在PID傳感器之前的氣體室中設計并實施氣體擴散器片?！癐” 形擴散器將進入的氣體分成兩個側(cè)流，并阻擋氣體流對傳感器電極的直接沖擊。測試顯示此方法能夠在1至20L/分鐘的流速范圍下將基線電壓變化減少到約6mV。為了進行校準，以含不同丙酮濃度的干丙酮-氮氣氣體混合物通過該PID傳感器檢測。圖11示出PID傳感器的校準數(shù)據(jù)，以及信號峰值圖示不同丙酮濃度下傳感器的輸出電壓，其中使用IOeV UV燈。34、36、38和40分別是0. lppm、0. 5ppm、Ippm和2ppm丙酮濃度的信號峰值。示例 2在脂肪代謝中，乙酰乙酸的脫羧生成丙酮，丙酮是人呼吸中最富含的內(nèi)源性合成物。健康受檢者的丙酮量在約0. 2-10ppm的范圍內(nèi)，在患有失控糖尿病的患者體內(nèi)丙酮含量更高。通過在一天內(nèi)兩個不同時間從三個不同人類個體收集樣本執(zhí)行了測試。通過直接連接氣體管線的包含細菌過濾器(Vacuumed MQ303)的咬嘴從每個人類個體收集兩個呼吸樣本。將該PID傳感器預熱到79°C來防止來自人呼吸的水凝結(jié)。在午飯前約1小時收集一個樣本，以及在午飯后約1小時收集另一個樣本。圖12和表1示出如該PID檢測到的呼吸丙酮的傳感器響應模式(輸出電壓)。比較午飯前(圖12)和午飯后(未示出數(shù)據(jù))獲得的信號，如表1所示，在午飯后呼吸丙酮濃度下降約20%，其中以伏特為單位的傳感器輸出(圖12的繪圖)表示呼吸樣本中存在的以ppm為單位的丙酮的量。此結(jié)果與餐后減少的脂肪代謝的普遍認識一致，其中丙酮的量在典型的呼吸丙酮范圍內(nèi)。每個信號峰值的延遲下降(拖尾)可能是由于氣體管線中的緩慢離開的殘余氣體，在本測試的臺式裝置中其為大約5英尺(4mm I. D.， 19mL容積)。因此，該PID能夠量化呼吸樣本的不同氣體混合物中存在的多種合成物的量。
表 權(quán)利要求
1.一種光致電離檢測器(PID)，包括 基片，其包括氣體電離室， 至少一對離子感測電極， 和至少一個放大電路；以及至少一個紫外(UV)電離源，以將UV光束傳送到所述基片中的所述氣體電離室中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電離檢測器，其中，所述基片還包括加熱元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電離檢測器，其中，所述基片還包括溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電離檢測器，其中，所述基片還包括溫度反饋控制電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電離檢測器，其中，所述至少一個放大電路和所述至少一對離子感測電極并入電防護環(huán)以減少泄漏電流信號。
6.一種光致電離檢測器(PID)，包括 基片，其包括氣體電離室， 至少一對離子感測電極， 以及加熱元件；紫外(UV)電離源，以將UV光束傳送到所述氣體電離室中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光致電離檢測器，還包括溫度傳感器和與所述基片操作關(guān)聯(lián)的溫度反饋控制電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光致電離檢測器，配置成檢測丙酮。
9.一種用于測量氣體混合物中合成物的系統(tǒng)，包括 光致電離檢測器(PID)和壓力傳感器，其中所述PID包括至少一個紫外(UV)電離源和基片，所述基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極、和至少一個放大電路。
10.一種通過光致電離檢測器(PID)測量呼吸樣本中合成物的方法，包括 將所述呼吸樣本引入到所述光致電離檢測器中，將紫外(UV)光束傳送通過所述呼吸樣本； 電離所述呼吸樣本；以及檢測所述呼吸樣本中所述合成物的量。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為“光致電離檢測器及其關(guān)聯(lián)的方法”。提供一種光致電離檢測器(PID)，用于選擇性地確定呼吸樣本中存在的多種合成物或氣體。該P ID包括基片，該基片包括氣體電離室、至少一對離子感測電極以及至少一個放大電路；以及紫外(UV)電離源，以將UV光束傳送到氣體電離室中。還提供一種包括該PID的系統(tǒng)。還提供一種使用PID檢測呼吸中的多種合成物或氣體的響應模式的方法。
文檔編號G01N27/66GK102565183SQ201110403148
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者M·D·皮伊茨科維斯基, 李波, 王雪峰, 陳楠楠, 陳正博, 陳睿 申請人:通用電氣公司