Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и устройство для его реализации
Группа изобретений относится к диагностике наличия ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком. Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, включает использование корпуса, источника питания постоянного тока, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы, оснащенной регулируемым клапаном, блока анализа и обработки, осуществление забора воздуха, выдыхаемого человеком, с последующей подачей его в линию отбора пробы, осуществление регулирования натекания воздуха, выдыхаемого человеком, через линию отбора пробы производят посредством регулируемого клапана, инициирование разряда в разрядной ячейке, понижение давления воздуха, выдыхаемого человеком, в разрядной ячейке посредством насоса прокачки, регистрацию эмиссионного спектра, осуществление нормировки эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человеком. При этом дополнительно используют источник питания переменного тока, который выполняют осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, осуществляют выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком. Также раскрывается устройство для контроля концентрации ацетона в воздухе. Группа изобретений обеспечивает понижение шумов плазмы тлеющего разряда, понижение шумов в электронном сигнале от флуоресценции паров ацетона, повышение точности измерения концентрации ацетона не менее чем в 30 и увеличение чувствительности прибора 10-15 раз. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Техническое решение относится к области исследования и анализа газообразных биологических материалов, в частности продуктов дыхания человека и может быть использовано в медицине, а именно в медицинской диагностике, а так же в повседневной бытовой жизни человека в режиме реального времени. Предложенное техническое решение, может быть использовано для контроля, анализа и экспресс-диагностики, например, сахарного диабета, по содержанию и количественной концентрации, в том числе, микропримесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком из дыхательных путей. Использование заявляемого технического решения обеспечивает возможность контроля содержания глюкозы в крови больного диабетом человека посредством неинвазивного, точного и чувствительного измерения концентрации паров ацетона в выдыхаемом воздухе человека в режиме реального времени.
С медицинской точки зрения диабет является заболеванием, которое характеризуется абсолютной или относительной недостаточностью инсулина, сложным нарушением метаболизма и повышенным либо пониженным уровнем содержания глюкозы в крови. При дефиците инсулина глюкоза перестает быть доступным источником энергии, поэтому в качестве альтернативного источника энергии в организме больного начинается производство, так называемых, кетонов. Как хорошо известно, кетоны (например, ацетон) всегда присутствуют в крови. Заболевание диабетом является наиболее распространенной причиной патологического повышения производства ацетона организмом больного человека. Это происходит из-за недостаточного количества инсулина в крови человека. Организм больного человека может избавиться от ацетона через легкие человека, что придает дыханию больного человека сладковатый запах подгнивших фруктов. Большое количество ацетона, которое содержится в дыхании, означает, что клетки организма человека либо не имеют достаточно инсулина, либо они не могут использовать инсулин надлежащим образом. Повышенный уровень глюкозы в крови человека, как правило, приводит к тяжелым медицинским осложнениям, таким как: слепота, почечная недостаточность, а также к болезни сердца, к гангрене, ампутации конечностей и к преждевременной смерти.
Имеющиеся в настоящее время методы ежедневного контроля уровня глюкозы в крови человека для проведения инсулиновой терапии, как правило, дороги, неудобны и достаточно болезненны. Обычно это делается путем прокалывания пальца человека и помещением капли крови на тест-полоски с нанесенными на них химических веществ чувствительных к глюкозе. Для того, чтобы строго контролировать уровень глюкозы в крови и эффективно смягчать возможные осложнения посредством инсулиновой терапии, для больных сахарным диабетом рекомендуется производить 4-7 тестов в день. Но из-за травматического повреждения покровов кожи человека и высокого риска инфицированности их при использовании тест-полосок, этот тип мониторинга уровня глюкозы в крови приходится проводить с частотой не более чем два раза в день. Кроме того, физические страдания приводят к частым уклонениям больных от этой жизненно важной процедуры. Особенно проблематично частое проведение этой манипуляции у больных детей, оказывающее на них тяжелое психологическое и физическое давление. Отметим, также довольно низкую точность измерения уровня глюкозы в крови в домашних условиях, которая согласно стандарту ISO 15197 для доступных глюкометров не превышает ±20% указанную в системе мониторинга глюкозы в крови (Freckmann G., Baumstark А., Jendrike N.. Zschornack Е., Kocher S., Tshiananga J., Heister F., Haug C. System Accuracy Evaluation of 27 Blood Glucose Monitoring Systems According to DIN EN ISO 15197 // Diabetes Technology & Therapeutics. 2010. 12, Is. 3. P. 221-231).
Известны технические решения, представленные в различных неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом посредством измерения концентрации ацетона, который содержится в дыхании больного человека.
Все разработанные методы, в основном, можно разделить на две группы. К первой из них можно отнести методы, основанные на отличие отношения массы к заряду ионов детектируемых веществ (например, ацетона) или отличие их диффузионных свойств. Во второй используется отличие спектров поглощения или эмиссионных спектров детектируемых веществ (например, ацетона) от спектров воздуха.
Первая группа методов включает в себя: Масс спектрометрию (Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. БИНОМ, 2003), Газовую хроматографию (Березкин В.Г. Газо-жидко-твердофазная хроматография. М.: Химия, 1986, 112 с), Масс-спектрометрия, совмещенная с газохроматографическим разделением (Mamyrin В.A., Time-of-flight mass spectrometry (concepts, achievements, and prospects) // International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206(3), 251-266.).
Недостатком этих технических решений является непригодность для широкого ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени. Эти технические решения требуют использования сложного и громоздкого оборудования с применением сверхвысокого вакуума, больших объемов сверхчистых газов-носителей в сменяемых баллонах высокого давления; они сложны в реализации и требуют обслуживание квалифицированных операторов. Кроме того измерения занимают много времени на сбор образцов дыхания, на их транспортировку, хранение и на подготовку к анализу. Кроме того, следовые количества ацетона, которые присутствуют в дыхании пациента в присутствии большого количества паров воды, легко могут быть потеряны во время этих сложных процедур, поскольку ацетон является летучим и химически активный материалом, и он смешивается с водой практических в любых соотношениях. Поскольку эти перечисленные методы слишком сложны, трудозатраты по силам и во временном отрезке - они могут быть реализованы в только специализированных лабораториях и не подходят для ежедневного применения в амбулаторных или домашних условиях.
Известны технические решения, отнесенные ко второй группе неинвазивных методах для контроля уровня глюкозы в крови больных диабетом по дыханию пациента с использованием спектров поглощения или эмиссионных спектров ацетона, например: Спектроскопия комбинационного рассеяния: (Kharintsev S.S., Hoffmann G.G., Loos J., De With G., Dorozhkin P.S., Salakhov M. Kh., Subwavelengthresolution near-field Raman spectroscopy // Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2007, 105(5), 909-915); Фотоакустическая спектроскопия: (Zheng J., Tang Zh., He Y., Guo L. Sensitive detection of weak absorption signals in photoacoustic spectroscopy by using derivative spectroscopy and wavelet transform // Journal of Applied Physics, 2008, 103(9), 093116-(1-4)); Диодно-лазерная спектроскопия поглощения: (Yan W.-B., Trace gas analysis by diode laser cavity ring-down spectroscopy // Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE, 2002, 4648, 156-164).
Недостатком известных технических решений является низкая точность и чувствительность измерений. А так же использования дорогих лазерных источников света, состоящих из лазеров накачки или перестраиваемых в широком спектральном диапазоне диодных лазеров и громоздких многопроходных ячеек поглощения. Зачастую, эти методы требуют использование криогенных температур, необходимых для функционирования источников излучения или детекторов. В случае использования спектроскопии поглощения, большое количество паров воды в дыхании пациента оказывает негативное влияние на чувствительность и точность измерений, поскольку пропускание многопроходных ячеек поглощения резко снижается вследствие конденсации паров на оптических окнах. Использование нагреваемых ячеек неудобно в практике и требует большого расхода электроэнергии. Кроме того, большое количество линий воды в регистрируемых спектрах представляют серьезную проблему для их расшифровки и интерпретации.
К настоящему времени наибольший интерес вызывает эмиссионная спектроскопия видимого светового излучения разряда постоянного тока в выдыхаемом воздухе. Преимущество эмиссионной спектроскопии по сравнению с другими выше перечисленными методами заключаются в том, что не требуется применения сверхвысокого вакуума и криогенных температур. К тому же эмиссионная спектроскопия, в видимом диапазоне длин волн, малочувствительна к наличию паров воды в выдыхаемом воздухе пациента в силу отсутствия сильных линий воды в этом диапазоне и имеет высокую спектральную селективность, ограниченную лишь уширением эмиссионных линий вследствие доплер-эффекта. Поскольку измерения примесей в воздухе производятся с использованием эмиссионного излучения, становится не нужным использование многопроходных ячеек поглощения пробного лазерного излучения. Кроме того, высокая селективность этого метода сочетается с широким спектральным диапазоном детектируемых спектров, которые охватывают практически все биомаркеры, интересные для медицинских приложений. Регистрация эмиссионного спектра примеси биомаркеров в воздухе происходит практически на «нулевом световом фоне» в отличие от регистрации спектра поглощения биомаркеров, которое производится в условиях сильной засветки фотоприемника пробным лазерным излучением. Это позволяет достичь, большего соотношения сигнал/шум в случае использования метода эмиссионной спектроскопии, по сравнению со случаем спектроскопии поглощения пробного лазерного излучения. Появление на рынке оптических спектрографов с малоразмерными габаритами, например, с размерами спичечного коробка, делает возможным создание компактных и простых эмиссионно-спектроскопических приборов пригодных для широкого использования.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для неинвазивного мониторинга диабета посредством измерения концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе (Патент US 7417730 В2, «Apparatus and method for monitoring breath acetone and diabetic diagnostics)), МПК G01J 3/30, G01N 21/73, опубликован 04.10.2007), Техническое решение содержит линию отбора проб с источником несущего газа, разрядную ячейку, источник питания для инициирования и поддержания разряда, спектрограф и работает следующим образом: выдохнутый пациентом воздух в линию отбора проб смешивается с несущим газом. В качестве несущего газа используется сверхчистый аргон или гелий при атмосферном давлении. Затем смесь газов прокачивается через разрядную ячейку с расходом несущего газа порядка 1 литра в минуту. В ячейке поддерживается коронный разряд постоянного тока. Эмиссионный спектр разряда с помощью линзы или оптического волокна подается на спектрограф, сигнал с которого анализирует эмиссионный спектр пробы выдыхаемого воздуха пациента. Было обнаружено, что эмиссионный спектр ацетона представляет собой несколько пиков с центральным пиком около 516,5 нанометров. Этот пик был использован в качестве индикатора, по которому обнаруживался и измерялся ацетон в выдыхаемом воздухе пациента. Устройство было откалибровано с использованием смеси несущего газа и с добавлением паров ацетона, которое давало концентрацию ацетона 25 частей на миллион. Калибровку с более низкими концентрациями осуществлялась с помощью специализированных прецизионных контролеров. Была обнаружена линейная зависимость показания этого устройства от концентрации ацетона.
Недостатком известного технического решения является применение разряда при атмосферном давлении, который характеризуется крайней нестабильностью горения. Это ведет к большим флуктуациям интенсивности эмиссионного излучения, это, в свою очередь, повышает шумы в измерительном сигнале, что резко снижает точность измерения концентрации ацетона и чувствительность технического решения.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для определения и прецизионного измерения содержания алкоголя в дыхании человека (Патент US 3830630 A «Apparatus and method for alcoholic breath and other gas analysis», МПК G01N 27/16; G01N 33/497, опубликован 20.08.1974), выбранное в качестве прототипа. Достаточно высокая точность измерения в предложенном техническом решении достигается параллельным детектированием и измерением концентрации СO2 и нормировкой амплитуды эмиссионного спектра алкоголя пропорционального концентрации алкоголя, на сигнал, пропорционального концентрации СO2. Поскольку сигнал от СO2 так же пропорционален интенсивности дыхания человека, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка существенно повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации алкоголя в дыхании человека.
Недостатком этого технического решения является необходимость в использовании дополнительного спектрального прибора для параллельного детектирования и измерения концентрации СO2, что приводит к удорожанию прибора, существенно усложняет конструкцию прибора и увеличивает его габариты. Кроме того, использование коронного разряда повышает уровень шумов разряда и поэтому существенно снижает чувствительность и точность проводимых измерений.
Известно техническое решение, представляющее собой способ и устройство для мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента (Патент RU 2597943, «Способ мониторинга малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе пациента и устройство для его реализации», МПК G01N 21/73, G01N 33/497, опубликовано 20.09.2016), выбранное в качестве прототипа и основано на измерении уровня содержания ацетона по эмиссионным линиям ацетона при пониженном давлении пробы выдыхаемого воздуха пациента. Устройство состоит из разрядной трубки с разрядом в прокачиваемом через трубку выдыхаемого воздуха пациента в сочетании со спектрометром видимого диапазона волн и с возможностью расшифровки и интерпретации эмиссионных спектров. В этом техническом решении осуществляется измерение концентрации ацетона, которая сопровождается нормировкой амплитуды эмиссионных линий ацетона на концентрацию паров воды, определенную по параметрам тлеющего разряда. Дело в том, что амплитуда эмиссионных линий ацетона, по которой измеряется концентрация ацетона, сильно зависит от силы, с которой испытуемый дышит в прибор: более сильное дыхание может производить большую амплитуду эмиссионных линий ацетона, в то время как реальная концентрация ацетона в дыхании человека при этом является константой. Поскольку сигнал от паров воды так же пропорционален интенсивности дыхания, то авторы этого патента продемонстрировали, что предложенная нормировка повышает точность и воспроизводимость измерения концентрации ацетона в дыхании человека. Недостатком этого технического решения является определение концентрации паров воды по параметрам тлеющего разряда - величины тока или напряжения горения разряда. Дело в том, что эти параметры - как то величина тока и напряжения горения разряда не связаны в прямую с концентрацией паров воды в выдыхаемом воздухе пациента; эти параметры иногда испытывают значительные и неконтролируемые амплитудные колебания вследствие случайного появления и исчезновения страт в разряде и это зачастую приводит к хаотичному колебанию амплитуды измеряемого сигнала флуоресценции и, как следствие, к сбоям процесса измерения и к ограничению точности измерений концентрации ацетона. (Юрий Петрович Райзер. Физика газового разряда. Изд. 2-ое, доп. и перераб. М.: Наука, 1992 год, 536 стр.).
Недостатком этого технического решения является стохастические и эпизодические нарушения в измерениях и ограничения в точности измерений концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека.
Перед авторами ставилась задача разработать способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, пригодного для неинвазивного, широкого и ежедневного использования в амбулаторных или в домашних условиях в режиме реального времени и устройство для его реализации.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, включающий использование корпуса, источника питания постоянного тока, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы оснащённой регулируемым клапаном, блока анализа и обработки, осуществление забора воздуха, выдыхаемого человеком, с последующей подачей его в линию отборы пробы, осуществление регулирования натекания воздуха, выдыхаемого человеком, через линию отбора пробы производят посредством регулируемого клапана, инициирование разряда в разрядной ячейке, понижение давления воздуха, выдыхаемого человека, в разрядной ячейке посредством насоса прокачки, регистрацию эмиссионного спектра, осуществление нормировки эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человека, при этом, дополнительно используют источник питания переменного тока, который выполняют осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком осуществляют выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком.
Способ реализуется с помощью устройства для контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, содержащее корпус, источник питания постоянного тока, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, насос прокачки, выполненный для понижения давления выдыхаемого воздуха человека в разрядной ячейке, при этом линия отборы пробы оснащёна регулируемым клапаном, блок анализа и обработки осуществляющий нормировку интенсивности эмиссионного спектра пробы выдыхаемого воздуха человека при этом, оно дополнительно оснащено источником питания переменного тока, выполненного осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а блок анализа и обработки выполнен осуществляющим нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в выдыхаемом воздухе человека выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определение контрольных значений показателя концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека, и визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе человека.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в понижении шумов плазмы тлеющего разряда, что приводит к понижении шумов в электронном сигнале от флуоресценции паров ацетона что, в свою очередь, приводит к повышению точности измерения концентрации ацетона не менее чем в 30 и к увеличению чувствительности прибора 10-15 раз в измерении концентрации малых примесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, а также, в упрощении конструкции и, расширении ассортимента устройств данного назначения.
Заявляемый способ контроля концентрации ацетона в воздухе выдыхаемом человеком реализуется с помощью устройства, которое поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - насос прокачки, 2 - разрядная ячейка, 3 -регулируемый клапан 4 - линия отбора пробы, 5 - источник питания постоянного тока, 6 - спектрометр, 7 - блок анализа и обработки, 8 - конденсатор, 9 - источник питания переменного тока.
На фиг. 2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона.
На фиг. 3 представлен эмиссионный спектр азота.
На фиг. 4 представлено изображение участка разрядной ячейки при возбуждении тлеющего разряда при помощи постоянного тока.
На фиг. 5 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием о постоянного тока
На фиг. 6 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием комбинации постоянного и переменного токов.
Заявляемый способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком основанный на использовании устройства для контроля, в том числе, малых примесей ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, работает следующим образом. Устройство оснащают насосом прокачки 1, который выполнен для понижения давления выдыхаемого воздуха человека в разрядной ячейке 2, и линией отбора пробы 4 выдыхаемого воздуха человека, которую оснащают регулируемым клапаном 3. Первоначально, осуществляется забор выдыхаемого воздуха человека с последующей подачей его в линию отбора пробы 4, затем с помощью регулируемого клапана 3, осуществляют регулирование натекания воздуха, выдыхаемого человеком через линию отбора пробы 4 воздуха, выдыхаемого человеком. Далее, воздух, выдыхаемый человеком, поступает в разрядную ячейку 2, в которой во время работы поддерживается пониженное давление воздуха на уровне 10-100 Торр с помощью насоса прокачки 1. При достижении рабочего давления в разрядной ячейке 2 инициируют тлеющий разряд с использованием источника питания постоянного тока 5. Параметры тлеющего разряда не связаны на прямую с концентрацией паров воды в воздухе, выдыхаемом человеком; эти параметры иногда испытывают значительные и неконтролируемые амплитудные колебания вследствие появления и исчезновения страт в тлеющием разряде и это зачастую приводит к сбоям процесса измерения и к ограничению точности измерений концентрации ацетона в дыхании человека. Для подавления страт и шумов интенсивности тлеющего разряда используется комбинация постоянного и переменного токов, путём добавления к постоянному току переменный ток. Для этого к разрядной ячейке 2 через два разделительных конденсатора 8 подсоединяется, как показано на фиг. 1, источник питания переменного тока 9. Величина постоянного тока варьируется в диапазоне от 5 до 20 мА, а величина по амплитуде переменного тока (с частотой от 100 кГц до 1 мГц) не более 1 мА. Далее, через оптоволоконный кабель, эмиссионное излучение тлеющего разряда направляется в спектрометр 6, сигнал с которого регистрируется и обрабатывается блоком анализа и обработки 7, который осуществляет выделение эмиссионных линий азота и нормировку интенсивности эмиссионного спектра на концентрацию паров воды в воздухе, выдыхаемом человеком посредством регистрации интенсивности всех линий азота в видимой области эмиссионного спектра. Далее производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе выдыхаемом человеком. Для осуществления заявляемого способа используется спектрометр, например, оптоволоконный с высокой фотометрической чувствительностью в видимом спектральном диапазоне. Входная щель спектрографа с шириной 50 мкм и дифракционная решетка с 600 штрихами на 1 мм обеспечивают спектральное разрешение равное 1, 2 нм.
На Фиг. 2 представлен типичный эмиссионный спектр ацетона, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха при добавлении в него ацетона. Этот эмиссионный спектр получен при концентрации ацетона равной 30 ppm. Ацетон в эмиссионном спектре представлен в виде 14 пиков различных амплитуд расположенных в интервале длин волн от 480 до 580 нанометров. Яркие линии с длинами волн 656 нм и 486 нм отвечают линиям водорода Нα и Hβ серии Бальмера. Главная причина, по которой в прототипе использовались только чистые благородные газы в качестве несущих газов, было опасение, что ацетон будет разлагаться в воздушном разряде, в результате окисления ацетона кислородом воздуха. Были проведены эксперименты по регистрации эмиссионного спектра ацетона в отсутствии кислорода посредством использовании чистого азота и аргона в качестве газа носителя. Полученные эмиссионные спектры ацетона были неотличимы от эмиссионных спектров, зарегистрированных в воздушном разряде. Этот результат исключает гипотетическую возможность искажения эмиссионного спектра ацетона вследствие его окисления кислородом воздуха в тлеющем разряде.
Для нормировки полезного сигнала использовалось уменьшение суммарной интенсивности всех линий флуоресценции азота, которая снижалась вследствие уменьшения температуры и подвижности электронов разряда из-за их столкновений с молекулами воды. Спектр азота может быть зарегистрирован используемым спектрографом вначале измерения интенсивности спектра ацетона, поэтому в предлагаемом способе нет необходимости использования дополнительных спектрографов или фотоприемников.
На Фиг. 3 представлен эмиссионный спектр азота, полученный в тлеющем разряде лабораторного воздуха без добавления в него ацетона. Суммарная интенсивность всех линий азота использовалась для нормировки эмиссионного спектра ацетона.
На фиг. 4 представлено изображение участка разрядной ячейки при возбуждении тлеющего разряда только при помощи постоянного тока. На фото чётко видны страты, беспорядочное и случайное появление которых в тлеющем разряде, существенно повышают уровень шумов в сигнале флуоресценции ацетона и соответственно снижают точность измерения из-за стохастических и эпизодических нарушениях в процессе измерений.
На фиг. 5 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием только постоянного тока, (запись получена при постоянном токе 10 мА). Шумы в сигнале зарегистрированы осциллографом, работающим на переменном токе.
На фиг. 6 представлена запись шумов тлеющего разряда с использованием комбинации постоянного и переменного токов, Эта запись получена при постоянном токе 10 мА с добавлением переменном токе с амплитудой 1 мА с частотой 100 килогерц). Шумы тлеющего разряда зарегистрированы осциллографом, работающим на переменном токе. Хорошо видно уменьшение амплитуды шумов тлеющего разряда в случае использования комбинированного возбуждения постоянным и переменным токами по сравнению с возбуждением тлеющего разряда только постоянным током. Уменьшение амплитуды шумов тлеющего разряда (как видно из рисунков) составила величину 10 раз. Такое уменьшение шумов тлеющего разряда, при использовании комбинированного возбуждения тлеющего разряда, позволило повысит точность измерения концентрации ацетона и концентрации глюкозы в крови не менее чем в 30 раз по сравнению с возбуждением тлеющего разряда постоянным током, а также к увеличению чувствительности прибора в 10-15 раз в измерении концентрации малых примесей ацетона в выдыхаемом воздухе человека,
Преимуществом заявляемого техническое решение может быть использовано для детектирования и мониторинга различных малых примесей в окружающем воздухе. К ним относятся примеси паров взрывчатых и наркотических веществ, ртути, диоксина, примеси метана, ксенона, окиси азота и прочее.
1. Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, включающий использование корпуса, источника питания постоянного тока, спектрометра, разрядной ячейки, линии отбора пробы, оснащенной регулируемым клапаном, блока анализа и обработки, осуществление забора воздуха, выдыхаемого человеком, с последующей подачей его в линию отбора пробы, осуществление регулирования натекания воздуха, выдыхаемого человеком, через линию отбора пробы производят посредством регулируемого клапана, инициирование разряда в разрядной ячейке, понижение давления воздуха, выдыхаемого человеком, в разрядной ячейке посредством насоса прокачки, регистрацию эмиссионного спектра, осуществление нормировки эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человеком, отличающийся тем, что при этом дополнительно используют источник питания переменного тока, который выполняют осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, осуществляют выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, производят сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определяют контрольные значения показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и производят визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком.
2. Устройство для контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, содержащее корпус, источник питания постоянного тока, спектрометр, разрядную ячейку, линию отбора пробы, насос прокачки, выполненный для понижения давления воздуха, выдыхаемого человеком в разрядной ячейке, при этом линия отбора пробы оснащена регулируемым клапаном, блок анализа и обработки, осуществляющий нормировку интенсивности эмиссионного спектра пробы воздуха, выдыхаемого человеком, отличающийся тем, что при этом оно дополнительно оснащено источником питания переменного тока, выполненным осуществляющим добавочное возбуждение тлеющего разряда в разрядной ячейке, а блок анализа и обработки выполнен осуществляющим нормировку интенсивности эмиссионного спектра ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, выделением эмиссионных линий азота для осуществления деления этой интенсивности эмиссионного спектра на суммарную интенсивность всех эмиссионных линий азота в видимой области эмиссионного спектра, сравнение значений фоновых и критических значений показателя эмиссионного спектра ацетона, определение контрольных значений показателя концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и визуализацию контрольных значений концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком.
