Пробоотборник для анализа воздуха с калибровкой

Полезная модель относится к области анализа компонентов в выдыхаемом воздухе, устройствам и приспособлениям для оценки состояния обследуемого пациента.
В медицинской практике метаболические нарушения в организме человека часто отслеживаются с помощью газовых анализаторов (в частности, с применением газовых хроматографов и других датчиков). Медицинские анализаторы выдыхаемого воздуха становятся удобным и практичным инструментом в неинвазивной диагностике, и повышение точности газового анализа является важной задачей.
Для проведения представительного анализа медицинские газоанализаторы (например, газовые хроматографы) оснащают пробоотборниками, которые позволяют провести несколько измерений из одной пробы.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является пробоотборник для газового анализа выдыхаемого воздуха, описанный в полезной модели [RU 117078, МПК A61B5/08, G01N30/16, опубл. 20.06.2012]. В полезной модели описан пробоотборник, состоящий из термостата; двух спиралевидных трубок из инертного материала, находящихся в термостате при температуре 38-50°C; двух соединительных тройников, блока коммутации, клапана, источника питания, воздушного насоса, фильтра, входного патрубка и нагубника (мундштука). Трубки через соединительный тройник имеют выход на вход газоанализатора. В пробоотборнике блок коммутации, источник питания, клапан, воздушный насос и фильтр образуют систему для подготовки пробоотборника к работе путем продувки спиралевидных трубок очищенным атмосферным воздухом.
Вместе с тем, при использовании описанного пробоотборника для определения концентрации продуктов метаболизма в выдыхаемом воздухе (например, ацетона как маркера заболевания сахарным диабетом первого рода) используют откалиброванные тем или иным способом, без использования пробоотборника, газоанализаторы (газовый хроматограф). Однако в таком случае не учитывается особенности влияния пробоотборника на анализируемый воздух.
Для увеличения точности проводимых измерений необходимо проводить калибровку газоанализатора в комплексе с пробоотборником.
Òåõíè÷åñêîé çàäà÷åé çàÿâëÿåìîé ïîëåçíîé ìîäåëè ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå óñòðîéñòâà äëÿ ãàçîâîãî àíàëèçà êîìïîíåíòîâ â âûäûõàåìîì ïàöèåíòîì âîçäóõå, êîíñòðóêòèâíî èñêëþ÷àþùåãî âëèÿíèå ïðîáîîòáîðíèêà íà àíàëèçèðóåìóþ ïðîáó âîçäóõà.
Òåõíè÷åñêèé ðåçóëüòàò, äîñòèãàåìûé ïðè ðåøåíèè ïîñòàâëåííîé çàäà÷è, îáåñïå÷åí òåì, ÷òî ïðîáîîòáîðíèê, âêëþ÷àþùèé òåðìîñòàò ñ ïîìåùåííûìè â íåãî è ñîåäèíåííûìè òðîéíèêîì, äâóìÿ ñïèðàëåâèäíûìè òðóáêàìè, áëîê êîììóòàöèè, ýëåêòðîìàãíèòíûå êëàïàíû, èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, âîçäóøíûé íàñîñ, ôèëüòð, âõîäíîé ïàòðóáîê è íàãóáíèê, äîïîëíèòåëüíî ñíàáæåí, ïîìåùåííûì â òåïëîèçîëèðóþùóþ îáîëî÷êó, èñòî÷íèêîì êàëèáðîâî÷íîé ãàçîâîé ñìåñè ñ ýëåêòðîííûì äàò÷èêîì òåìïåðàòóðû, ñîåäèíåííûì ÷åðåç ãàçîâûé ÷åòâåðíèê ñ âûõîäîì ïðîáîîòáîðíèêà ïîñðåäñòâîì ýëåêòðîìàãíèòíîãî êëàïàíà. Ïðè ýòîì èñòî÷íèêîì êàëèáðîâî÷íîé ãàçîâîé ñìåñè ÿâëÿåòñÿ ñîñóä с раствором калибровочного вещества.
Общая схема устройства пробоотборника с калибровкой в комплексе с газоанализатором приведена на Фиг.
Пробоотборник, состоящий из термостата 5; двух спиралевидных трубок 6 и 7 из инертного материала и соединительного тройника 4, находящихся в термостате 5 при температуре 38-50°C; блока коммутации 20, клапанов 3, 10, 17; двух патрубков 11 и 12 из инертного материала, электронного датчика температуры 13, погруженных в сосуд - источник стандартной концентрации калибровочного вещества 14, помещенный в пассивный термостат; источника питания 16, измерителя расхода 21, воздушного насоса 18, фильтра 19, входного патрубка 8 и нагубника 9, соединен с газоанализатором 1 с помощью газового четверника 2, к которому подключен через клапан 17 воздушный насос 19, а через клапан 3 - выход источника стандартной концентрации калибровочного вещества 14 (например, ацетона). Вход источника стандартной концентрации калибровочного вещества 14 по патрубку 12 через клапан 10 подключен к источнику чистого газа с известным или задаваемым потоком, например, к газовой системе газоанализатора 1.
В качестве источника стандартной концентрации калибровочного вещества 14 могут служить:
- парофазные источники газовых смесей (ПИГС) ТУ 4215-001-20810646-2005. Зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под номером 18358-06.
- источники микропотоков (ИМ) ТУ ИБЯЛ. 418319.013-2001. Зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под номером 15075-06.
воздух
вода
вода
воздух,
-6
3
-9
3
Наиболее доступный способ получения стандартной концентрации органического вещества (например, ацетона) - это газовая экстракция из водного раствора калибровочного вещества, когда в качестве калибровочной воздушной смеси используется воздушная фаза, равновесная водному раствору с известными температурой и концентрацией калибровочного вещества [см. Виттенберг А.Г. Иоффе Б.В. Газовая «Экстракция в хроматографическом анализе», Ленинград, «Химия» 1982 г.]. Концентрация в воздухе С связана простым соотношением с концентрацией С в растворе: С=К∙Сгде К - коэффициент распределения, который зависит от температуры раствора. Зависимости коэффициента распределения от температуры для широкого спектра веществ и растворителей приведена в указанной работе. В сосуд 14 из инертного материала (например, стекла) наливают определенное количество воды или физиологического раствора затем добавляют ацетон. Содержание ацетона в жидкой фазе должно быть на уровне 2∙10г/см, чтобы при наступлении равновесия в сосуде концентрация в воздухе соответствовала примерно среднему содержанию ацетона в выдыхаемом воздухе для здорового человека – 15∙10 г/см. Сосуд 14 закрывают пробкой, содержащей входной 12 и выходной 11 патрубки и электронный датчик температуры 13, соединенный с блоком коммутации. Входной патрубок 12 находится внизу сосуда 14 в водном растворе для проведения барбатирования, что обеспечивает установление равновесия между водным раствором и воздухом Выходной патрубок 11 находится вверху под крышкой сосуда. Сосуд 14 помещается в термостат с заданной температурой.
Другой вариант: в воду (физиологический раствор) помещается электронный датчик температуры, а сосуд 14 помещен в теплоизолирующую оболочку, образующую пассивный термостат. Данные о температуре через блок коммутации 20 поступают в ПК 15, где учитываются при проведении калибровки и измерений. Пробоотборник с калибровкой имеет три режима работы: измерение, калибровка и подготовка к работе (очистка). Оператор управляет пробоотборником посредством ПК 15 со специальным ПО. Управление составляющими устройствами, как и обратная связь с ПК 15, осуществляется через блок коммутации 20.
Устройство работает следующим образом. Подготовка к работе: по команде оператора с ПК 15 через блок коммутации 20 с помощью насоса 18 и клапана 17 через четверник 2 очищенный окружающий воздух продувает трубки 6 и 7 пробоотборника, очищая их. С помощью газоанализатора 1 снимается фон от окружающего воздуха.
Калибровка газоанализатора с пробоотборником 1, проводится следующим образом. Сначала к пробоотборнику подсоединяется сосуд 14 с чистой водой или физиологическим раствором. По команде оператора на блок коммутации 20 открываются клапана 3 и 10 и через четверник 2 трубки пробоотборника 6 и 7 заполняются воздухом из сосуда с чистой водой или физиологическим раствором. Через трубки продувается 2 – 3 их объема. С помощью газоанализатора 1 снимается фоновой сигнал.
Далее в сосуд 14 добавляется известное количество ацетона, раствор тщательно взбалтывается и оставляется до установления равновесия между жидкой и газовой фазами. К пробоотборнику подсоединяется сосуд 14 уже с калибровочным раствором, плотно (герметично) закрытый пробкой. По сигналу оператора с ПК 15 на блок коммутации 20 калибровочная воздушная смесь заполняет трубки 6 и 7. Температура раствора от датчика температуры 13, передается на ПК 15. Газоанализатором 1 измеряется отклик от калибровочной смеси. Следует отметить, что воздух из источника насыщен водой и по своему составу практически идентичен выдыхаемому человеком.
После окончания калибровки трубки 6 и 7 очищаются через тройник 4 воздухом. Пациент выдыхает воздух. Газоанализатор 1 измеряет выдыхаемый воздух. По отношению сигнала от калибровочной смеси к сигналу от выдыхаемого воздуха определяется концентрация в выдыхаемом воздухе:
выдох=
калибр
вылох
калабр.
CС∙S/S
При измерении содержания ацетона в выдыхаемом воздухе необходимо знать какая фаза выдоха анализируется. Для этого в пробоотборник введен измеритель объема 21 выдыхаемого воздуха [см. Проблемы аналитической химии, т.13 Внелабораторный анализ. Глава 2.4 Определение этанола в выдыхаемом воздухе. Т.О. Баринская, А.В. Смирнов].
С помощью специализированного ПО на управляющем компьютере 15 процесс калибровки проводится автоматически. Оператор должен лишь приготовить калибровочный раствор.