[发明专利]一种基于金属卟啉的室温磷光法检测病人呼气中氧气含量的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测病人呼气中氧气含量的系统和方法。

背景技术

氧气不仅是大气中的重要组成物质，也是工业生产过程和医疗仪器中的重要气体，对氧气进行浓度监测对环境监测、工业过程控制等方面都有着重要作用。例如，航空航天中对氧气探测的需求达到10^-9的量级；环境监控中可以通过测量水环境中氧浓度的变化来判断有没有污染物，这是因为一些有机污染物会消耗水中的溶解氧，造成水环境中氧浓度的下降；在生物医学中，对于各个组织的氧浓度检测对于判断病变有指导作用，尤其是对脑部、肺部等氧浓度的检测；在食品安全中，人们需要通过对包装袋中氧的含量来判断食物的保鲜程度；在临床医学中，可以通过病人呼出气体中氧的含量来判断病人的身体状况。现代生产生活对未来气体探测提出了更高的要求。在不同的需求下，需要高灵敏、高选择、响应快、在线、稳定、集成、低成本、易操作地实现气体的检测。

对病人呼出气体中的氧浓度进行测量，需要测量过程灵敏、快速、准确。正常人呼出的氧气含量大概为16％，但是当人处于生病的状态时，这一数值会发生微小的变化，对这一变化的测量需要较高的灵敏度。

如何能够采用小型、易操作的系统在大的气体浓度范围内得到高的灵敏度和信噪比？氧气测量方法可以分为两大类，化学方法和光学方法。目前最常用的氧气测量方法是化学方法中的Clark电极法和Winkler滴定法，但是这些法需要消耗待测环境中的氧气，而且，电极表面易被硫化氢等还原性气体、蛋白质、有机物的污染并且易受外磁场影响。光学方法可以分为两种，分别是基于氧气本身的吸收光谱以及基于氧气对指示剂发光的猝灭。吸收光谱法是最主流的光学方法。吸收光谱法是基于每种气体都有其独特的吸收，这种独特性就像人类的指纹一样。因此吸收光谱法是最准确的气体测量方法。但是，由于氧气是非极性分子，吸收截面小，直接测量时信号较弱，因此为提高灵敏度需要采用延长光程的办法。并且由于吸收是和气体浓度成正比的，在低浓度氧气测量中，由于气体吸收很小，为了提高信噪比，需要放大信号和抑制噪声来防止信号被噪声淹没。

基于指示剂发光的荧光法和室温磷光法可以克服吸收光谱法的这两个缺点。室温磷光法检测氧气是基于氧传感材料的磷光强度或寿命被氧气猝灭。室温磷光分析方法自1974年建立以来获得了人们广泛的青睐得以迅速发展。这是因为室温磷光法检测氧气有以下优点：第一，相对于荧光，磷光Stokes位移大，因此可以更有效地避免背景荧光的干扰；第二，磷光是不同电子组态之间跃迁产生的发光，寿命较长，在微秒、毫秒甚至秒量级，可以采用时间分辨方法进行测量；第三，磷光一般是三重态跃迁产生的发光，三重态寿命较长，很容易和周围的氧分子相互作用，灵敏度高。灵敏度高是磷光分析方法区别于其他方法的一个最主要的优势。另外，由于磷光在氧浓度较低的时候信号反而强，因此磷光法在低氧浓度检测中更具优势。常用的磷光材料是金属Pt和Pd的卟啉配合物，由于Pt和Pd属于贵金属，因此这两类材料价格较为昂贵，且目前的方法多用光谱仪进行。

因此，我们需要寻找新的价格低廉的磷光金属卟啉材料，并利用新的光学方法降低测氧系统的成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决氧传感器技术测量氧气浓度时，稳定性差、误差大、成本高、灵敏度不高的问题，而提供一种基于金属卟啉室温磷光的病人呼出中氧气含量的测量系统和方法。

本发明的一种基于金属卟啉的室温磷光法检测病人呼气中氧气含量的系统包括二极管激光器、二向色镜、第一透镜、光纤、样品及气体池、含金属卟啉的滤纸、半反半透镜、第一带通滤光片、第二透镜、第一光电二极管、反射镜、第二带通滤光片、第三透镜和第二光电二极管；

所述二极管激光器与二向色镜在同一水平线上；

所述二向色镜与水平方向呈45°角放置；

所述第一透镜、光纤和样品及气体池与二向色镜在同一轴线上，且由二向色镜向上依次为第一透镜、光纤和样品及气体池；

所述含金属卟啉的滤纸放置在样品及气体池内的样品台上；

所述二向色镜与水平方向呈45°角放置，且经二向色镜发射的激光经第一透镜汇聚进入光纤；

所述半反半透镜和反射镜与二向色镜在同一轴线上，且由二向色镜向下依次为半反半透镜和反射镜；

所述半反半透镜与二向色镜呈90°角放置；

所述第一带通滤光片、第二透镜和第一光电二极管与半反半透镜在同一水平线上，且沿着由二极管激光器到二向色镜的方向依次为第一带通滤光片、第二透镜和第一光电二极管；

所述反射镜与半反半透镜平行放置；