СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА МЕТОДОМ ВРАЩАТЕЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/3581 A61B5/08 

Предлагаемое изобретение относится к области методов анализа газов с помощью электромагнитного излучения и может быть использовано для спектрометрического анализа выдыхаемого живыми организмами воздуха.

Общеизвестно, что состав выдыхаемого человеком воздуха отражает ход физиологических процессов, протекающих в его организме. По наличию или отсутствию в выдохе определенных веществ-маркеров могут быть неинвазивно диагностированы различные заболевания и патологические состояния. При этом выдыхаемый воздух представляет собой сложную смесь газов, в связи с чем анализ его состава является непростой химико-аналитической задачей. Использование метода вращательной спектрометрии для решения этой проблемы позволяет реализовать экспрессный анализ множества различных маркеров состояний организма в выдыхаемом воздухе с высокой селективностью и чувствительностью.

Из уровня техники известно устройство. (RU ПМ №137611) МПК G01J 3/00, публ. 20.02.2014), при использовании которого возможно экспрессно анализировать содержание этанола в выдыхаемом воздухе, однако оно не предусматривает анализ других веществ-маркеров.

Известны анализаторы (RU 2555507, МПК G01N 21/65, публ. 10.07.2015 г., RU 2625258, МПК А61В 5/08), в которых использован метод диодной спектрометрии. Известные методы обеспечивают достаточно высокую точность измерений, однако при анализе сложных смесей не всегда обеспечена возможность идентификации сигналов различных веществ-маркеров.

Известны способы и устройства для определения ацетона в выдыхаемом воздухе с помощью эмиссионой спектроскопии видимого светового излучения разряда постоянного тока (патент RU №2697809, МПК G01N 33/497, публ. 20.08.2019 г. патент RU №2597943, МПК G01N 21/73, публ. 20.09.2016 г.). Известные способы также не являются универсальными, т.к. не предназначены для анализа других присутствующих в пробе веществ-маркеров, кроме ацетона.

Известен способ анализа выдыхаемого воздуха с использованием хромато-масс-спектрометрии (патент RU №2639254 МПК G01N 33/497, публ. 27.01.2017 г.), который применяется при диагностике рака легких. Известный метод обладает высокой селективностью, т.е. присутствующие в выдыхаемом воздухе вещества-маркеры могут быть однозначно идентифицированы по получаемым хроматограммам и масс-спектрам. В то же время, предложенная методика анализа весьма продолжительна по времени: анализ занимает не менее 25 минут.

Известен в качестве прототипа способ спектрометрического анализа газовых смесей (патент RU 2650354 МПК G01N 21,00. публ. 11.04.2018 г.), согласно которому используют спектрометр, в котором к имеющемуся источнику излучения, последовательно размещенным ячейке с исследуемым газом и приемной системе с детектором и блоком обработки сигнала добавлены источники излучения, работающие в других или в том же частотном диапазоне, генерирующие излучение с частотной или фазовой манипуляцией, излучение от которых сведено в один луч, а результат воздействия луча на исследуемую газовую смесь принимает единая приемная система. Система обрабатывает принимаемые сигналы различных частот и переходных процессов с учетом задержек, необходимых на время релаксации сигналов переходных процессов.

К недостаткам прототипа относятся сложность конструкции и необходимость использования нескольких источников излучения с фазовой манипуляцией для обеспечения измерений динамики и состояния нескольких компонентов анализируемой газовой смеси практически одновременно. Также в прототипе не предусмотрена специфика анализа выдыхаемого воздуха, требующая подготовки анализируемой пробы к подаче в аналитический прибор.

Задачей авторов изобретения является упрощение используемой в способе конструкции аналитического прибора за счет использования одного широкодиапазонного источника излучения, что позволяет анализировать многокомпонентный состав выдыхаемого человеком воздуха с большей точностью, а также обеспечение возможности подготовки пробы выдыхаемого воздуха для подачи в аналитический прибор.

Технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении повышения точности измерений и информативности способа за счет увеличения числа накоплений регистрируемых сигналов, получаемых с одного источника излучений с фазовой манипуляцией в широком диапазоне частот излучения, а также в обеспечении возможности подготовки образца выдыхаемого воздуха к анализу с учетом специфики решаемой диагностической задачи.

Указанный результат обеспечивается тем, что в отличие от известного способа определения состава газовой смеси, включающего воздействие на исследуемую газовую смесь излучением на частоте молекулярного резонанса с частотной или фазовой манипуляцией, прием и детектирование излучения, а также аналого-цифровое преобразование и регистрацию продетектированного сигнала для последующей обработки, согласно предлагаемому способу, анализируемый образец выдыхаемого воздуха проходит этап подготовки тремя различными путями, в зависимости от решаемых задач, а воздействие излучением осуществляют на одной резонансной частоте, предварительно выбранной, соответствующей анализируемому маркеру, что повышает точность измерений за счет увеличения числа накоплений регистрируемых сигналов.

Заявляемый способ поясняется следующим образом.

На фиг. 1 изображена схема устройства для анализа выдыхаемого пациентом воздуха на основе метода субтерагерцевой спектрометрии, где 1 - источник излучения, 2 - приемник излучения, 3 - аналитическая ячейка, 4 - вакуумная станция, 5 - блок подачи пробы.

Заявляемый способ включает следующие этапы:

- проведение пациентом выдоха в мешок-пробоотборник (в случае нахождения его на удаленном расстоянии от анализатора) или через одноразовый мундштук непосредственно в измерительную ячейку аналитического прибора (в случае нахождения его рядом с анализатором) в емкость накопитель; или через маску в емкость-накопитель (в случае нахождения пациента в бессознательном состоянии);

- передача порции выдыхаемого воздуха из мешка-пробоотборника или из емкости-накопителя за счет перепада давления в блок подготовки анализируемой пробы;

- подготовка анализируемой пробы и подача ее в аналитическую ячейку одним из нижеследующих способов:

а) формирование непрерывного потока образца и подача его напрямую в аналитическую ячейку:

б) дозирование порции выдыхаемого пациентом воздуха в импульсном режиме в аналитическую ячейку посредством перекрытия и последующего открытия крана-дозатора;

в) пропускание выдыхаемого воздуха через трубку, заполненную сорбентом, селективным для определяемого компонента. По истечении процесса сорбции в течение заданного времени сорбированные компоненты выдыхаемого воздуха подвергают десорбции путем нагрева трубки. Десорбированные компоненты затем направляют в аналитическую ячейку.

- измерение сигналов при воздействии излучения на анализируемую пробу, находящуюся в аналитической ячейке. Проводят регистрацию сигнала, поступающего с детектора аналитического прибора для последующего измерения интенсивности этого сигнала и вычисления количества анализируемого компонента в образце выдыхаемого воздуха.

Воздействие излучением осуществляется всякий раз на одной резонансной частоте, предварительно выбранной, соответствующей анализируемому маркеру, что повышает точность измерений за счет увеличения числа накоплений регистрируемых сигналов. Использование одного источника излучения в предлагаемом способе с фазовой манипуляцией в широком диапазоне частот позволяет анализировать широкий круг веществ, являющихся компонентами выдыхаемого человеком воздуха.

Вывод о составе анализируемого выдыхаемого воздуха, в частности, о содержании в нем определенных веществ-маркеров, делается на основе результатов спектрального анализа содержимого аналитической ячейки при подаче в нее пробы. А именно, через аналитическую ячейку проходит монохроматическое электромагнитное излечение от источника излучения, подвергнутое фазовой манипуляции и взаимодействующее с газом на частоте молекулярного резонанса. Изменение интенсивности излучения на известных частотах характеристических спектральных линий определяемых веществ-маркеров состояний организма при прохождении излучения через аналитическую ячейку свидетельствует о наличии и о количестве этих веществ в пробе. Изменение характеристик излучения, подаваемых с ИИ, осуществляется под управлением системы фазовой автоподстройки частот, алгоритм которой построен на принудительной смене (переключении) фазы излучения, что и обеспечивает отклик молекул газа, регистрация которого позволяет судить о наличии и количестве отдельных компонентов в образце воздуха, выдыхаемого человеком.

Регистрацию аналитических сигналов компонентов анализируемой пробы выдыхаемого воздуха (многокомпонентной) проводят в устройстве приемной системы, снабженной широкодиапазонным детектором и блоком обработки сигнала, формирующегося при воздействии физическою фактора - излучения, подаваемого от источника излучения, на анализируемую пробу. При этом настраивают источник излучения на частоты, характерные для вращательных переходов молекул каждою определяемого компонента анализируемой пробы выдыхаемого человеком воздуха. Рабочие частоты используемого в предлагаемом способе спектрометра находятся в областях спектра электромагнитного излучения от микроволнового до терагерцевого диапазонов (~10¹⁰ - 10¹³ Гц), что обеспечивает универсальность способа при использовании более простого, по сравнению с прототипом, спектрометра.

Зарегистрированные сигналы в приемном блоке проходят аналого-цифровое преобразование, после чего в управляющей программе производится автоматическое измерение их интенсивности. Интенсивность сигналов прямо пропорциональна количеству в аналитической ячейке спектрометра анализируемого вещества, являющегося маркером того или иного состояния организма пациента.

До начала проведения анализа состава выдыхаемого пациентом воздуха по аналогичной методике проводят измерения эталонных образцов газа, содержащих известное количество определяемых компонентов выдыхаемого пациентом воздуха. Эталонные образцы помещают в мешок-пробоотборник, проводят процедуру подготовки пробы аналогично тому, как это будет проводиться с анализируемым образцом, и измеряют интенсивность аналитических сигналов. Количество или концентрацию анализируемого вещества в анализируемом образце определяют по соотношению интенсивностей аналитических сигналов, полученных при анализе реального образца и эталонного образца.

Предлагаемый способ универсален, поскольку предполагает анализ любых летучих веществ-маркеров, имеющих спектральные линии в рабочем диапазоне спектрометра (ацетон, этанол, метанол, сероводород, монооксид углерода, оксиды азота и др. газообразные соединения с полярными молекулами). Анализ одного вещества-маркера длится от 1 минуты.

В отличие от прототипа, в предлагаемом способе воздействие излучением осуществляется не на нескольких различных резонансных частотах, а на одной, предварительно выбранной, соответствующей анализируемому маркеру, что повышает точность измерений за счет увеличения числа накоплений регистрируемых сигналов. Также, в отличие от прототипа, в предлагаемом способе реализуются различные пути подачи пробы в аналитическую ячейку, что позволяет выбирать методику пробоподготовки в зависимости от конкретного анализируемого вещества-маркера.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа анализа состава выдыхаемого воздуха методом вращательной спектрометрии обеспечивается более высокий по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в обеспечении повышения точности измерений и информативности способа за счет увеличения числа накоплений регистрируемых сигналов, получаемых с одного источника излучений с фазовой манипуляцией в широком диапазоне частот излучения, а также в обеспечении возможности подготовки образца выдыхаемого воздуха к анализу с учетом специфики решаемой диагностической задачи.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ был опробован на установке, изображенной на фиг. 2, где:

1 - источник излучения, генерирующий монохроматическое электромагнитное излучение в диапазоне 110-170 ГГц с фазовой манипуляцией каждые 30 мс;

2 - приемник излучения, регистрирующий излучение в диапазоне 110-170 ГГц с дискретностью во времени 1.5 мкс;

3 - аналитическая ячейка в виде цилиндрического сосуда с плоскопараллельными торцами, выполненного из кварцевого стекла;

4 - вакуумная станция для вакуумирования аналитическом ячейки: 5 - блок подачи пробы, включающий в себя вакуумный натекатель и штуцер-переходник, через которые анализируемый газ (выдыхаемый воздух) из мешка-пробоотборника подается в аналитическую ячейку непрерывным потоком; 6 - дозирующий вентиль, через который анализируемый газ (выдыхаемый воздух) подается в аналитическую ячейку непрерывным потоком; 7 - мешок-пробоотборник для сбора выдыхаемого человеком воздуха.

В рамках проверки работоспособности предлагаемого способа проводились эксперименты по регистрации в образцах выдыхаемого воздуха линий поглощения веществ-маркеров, характерных для сахарного диабета: ацетон, метанол, этанол.

Для этого 8 условно здоровых людей и 9 больных сахарным диабетом делали выдох в мешки-пробоотборники из двухслойного полимера. Мешки-пробоотборники затем подсоединялись к блоку подачи пробы, из которого выдыхаемый воздух, в свою очередь, поступал непрерывным потоком в аналитическую ячейку. Через аналитическую ячейку пропускалось фазоманипулированное излучение, генерируемое источником излучения. Рабочую частоту (для наглядности визуального представления) изменяли в диапазонах 172371,75-172372,75 МГц (в окрестностях характеристической частоты поглощения этанола). 161463,65-161464,65 МГц (в окрестностях характеристической частоты поношения ацетона) и 167930,40-167931,40 МГц (в окрестностях характеристической частоты поглощения метанола), с шагом 0,01 МГц, и на каждой частоте детектором регистрировали интенсивность нестационарных сигналов.

На фиг. 3 приведены графики зарегистрированных нестационарных сигналов (а - этанол, на частотах 172371,75-172372,75 б - метанол на частотах 167930,40-167931,40 МГц) в окрестностях спектральных линий этанола и метанола в выдохе пациентов, больных сахарным диабетом. В таблице 1 представлено сравнение измеренных концентраций ацетона в выдохе условно здоровых людей и больных сахарным диабетом. Полученные концентрации ацетона в выдохе больных на порядок превышают концентрации ацетона в выдохе условно здоровых людей.

Как видно из представленных данных, предлагаемый способ обеспечивает обнаружение маркеров заболеваний, достаточное для различения больных и условно здоровых людей. Способ универсален, поскольку позволяет анализировать различные маркеры.

Таким образом, как это подтвердили экспериментальные исследования, в предлагаемом способе обеспечены простота и повышенные информативность и точность определения состава выдыхаемого человеком воздуха.

Изобретение относится к области анализа газов с помощью электромагнитного излучения и касается способа анализа состава выдыхаемого воздуха методом вращательной спектрометрии. Способ включает приём и детектирование излучения, преобразование и регистрацию сигнала для последующей обработки. Анализируемый образец проходит этап подготовки, заключающийся или в формировании непрерывного потока выдыхаемого воздуха и подаче его в аналитическую ячейку, или дозировании выдыхаемого воздуха в импульсном режиме в аналитическую ячейку, или пропускании выдыхаемого воздуха через трубку, заполненную сорбентом с последующей десорбцией и подачей десорбированного компонента в аналитическую ячейку. Генерирование излучения осуществляют источником излучения, выполненным с возможностью генерации микроволнового монохроматического излучения с фазовой манипуляцией каждые 30 мс. Прием излучения осуществляют приемником излучения, выполненным с возможностью регистрации микроволнового излучения с дискретностью во времени 1.5 мкс. Воздействие излучением осуществляется на одной предварительно выбранной резонансной частоте, соответствующей анализируемому маркеру. Технический результат заключается в повышения точности измерений и информативности способа. 3 ил., 1 табл.

Способ анализа состава выдыхаемого воздуха методом вращательной спектрометрии, включающий воздействие на исследуемую газовую смесь излучением на частотах молекулярного резонанса с фазовой манипуляцей, приём и детектирование излучения, а также аналогово-цифровое преобразование и регистрацию продетектированного сигнала для последующей обработки, отличающийся тем, что анализируемый образец выдыхаемого воздуха проходит этап подготовки, заключающийся или в формировании непрерывного потока выдыхаемого пациентом воздуха и подаче его напрямую в аналитическую ячейку, или дозировании порции выдыхаемого пациентом воздуха в импульсном режиме в аналитическую ячейку посредством перекрытия и последующего открытия крана-дозатора, или пропускании выдыхаемого воздуха через трубку, заполненную сорбентом, селективным для определяемого компонента, с последующей десорбцией путем нагрева трубки и подачей десорбированного компонента в аналитическую ячейку, при этом анализируемая проба формируется или при непосредственном выдохе пациента, или путем предварительного сбора в специальные пробоотборники, генерирование излучения осуществляют источником излучения, выполненным с возможностью генерации микроволнового монохроматического излучения с фазовой манипуляцией каждые 30 мс, прием излучения осуществляют приемником излучения, выполненным с возможностью регистрации микроволнового излучения с дискретностью во времени 1.5 мкс, при этом воздействие излучением осуществляется на одной предварительно выбранной резонансной частоте, соответствующей анализируемому маркеру.