CN115135235A - 用于从皮肤收集挥发性化合物以进行血糖值的非侵入性测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种用于挥发性化合物的容积式取样仪器,其包括:结构,诸如在入口孔与出口孔之间形成连续弯曲部的通道结构。在所述结构中引起的气流推动经由透皮扩散收集的挥发性化合物朝向所述出口孔,在所述出口孔可以收集所述挥发性化合物并进行分析。
Description
背景技术
本公开一般涉及通过透皮扩散散发的挥发性化合物的测量,并且更具体地涉及用于这种测量的非侵入性技术。
监测血液中的葡萄糖浓度(血糖)对于糖尿病管理很重要。传统的血糖测试是通过刺穿皮肤抽取血液,然后将血液涂到具有化学活性的一次性介质上来进行的。虽然已经提出了用于血糖测量的非侵入性技术,但当前的非侵入性方法存在限制其实用性的缺点。
非侵入性血糖监测技术的一个示例是标题为“Device for iontophoretic non-invasive sampling or delivery of substances”的美国专利5,279,543A中描述的扩散池装置。扩散池装置被描述为在没有机械穿透的情况下对皮肤或粘膜表面的生物活性物质进行电增强取样。该装置使用正电极、负电极和将电极隔开的电绝缘材料,放置在皮肤表面。尽管提供了一种潜在的非侵入性形式的血糖水平监测,但该装置需要直接在皮肤表面布置和激活电极,以监测生物活性材料的变化。
非侵入性血糖监测技术的另一个示例是标题为“皮肤表面取样系统”的美国专利10,143,447B2中描述的皮肤表面取样系统。该系统使用具有取样头的细长采集管,其取样头位于与患者皮肤接触的一端上。液体供应器从皮肤表面吸收挥发性有机化合物(VOC)和半挥发性有机化合物(SVOC),并将混合液体收集在样品收集装置中。该系统如下进行操作:将取样头定位在皮肤表面,然后通过取样头中的一组通道凹槽冲洗液体供应器,该组通道凹槽将混合液体引流至收集管。尽管提供了潜在的非侵入性形式的血糖水平监测,但该系统需要液体捕获系统。
潜在的非侵入性血糖监测技术的另一个示例是如图1和图2所示的呼吸分析仪100。呼吸分析仪100是腕戴式取样装置,类似于智能手表,其包括一组横向定位的气体收集孔102,该组横向定位的气体收集孔用于捕获挥发性有机化合物(VOC)和半挥发性有机化合物(SVOC)。呼吸分析仪100使用内部气体检测器。
发明内容
本公开涉及用于容积式取样的装置,其包括面向皮肤的表面、入口孔和出口孔,具有在面向皮肤的表面处打开的结构,诸如形成气体流通路径的通道结构,诸如入口孔与出口孔之间的连续弯曲部。此类设备可以实现为可穿戴设备,诸如智能手表或健身追踪器,或可以是此类可穿戴设备的一部分。
本公开进一步涉及一种血糖水平测量方法,其中将一体式主体安装在患者皮肤上以形成气体密封,该一体式主体包括面向皮肤的表面和顶表面,该面向皮肤的表面与患者皮肤接触,该顶表面封闭结构(诸如在面向皮肤的表面处向患者皮肤打开的通道结构)。然后气体被驱动穿过一体式主体的入口孔与出口孔之间的该结构。
本公开进一步涉及用于容积式取样的装置,其包括具有向内螺旋通道结构的一体式主体。通道结构包括入口孔和出口孔并且在一体式主体的面向皮肤的表面处打开。
附图说明
为了便于识别对任何特定元素或行为的讨论,附图标记中的一个或多个最有效数字是指首次引入该元素的图号。
图1在一个方面描绘了现有技术的呼吸分析仪100。
图2在另一方面描绘了现有技术的呼吸分析仪100。
图3描绘了根据一个实施例的容积式气体收集器400的患者安装构造300。
图4描绘了根据一个实施例的容积式气体收集器400的底部等距视图。
图5描绘了容积式气体收集器400的底视图。
图6描绘了容积式气体收集器400的顶部等距视图。
图7描绘了容积式气体收集器400的前视图。
图8描绘了容积式气体收集器400的后视图。
图9描绘了容积式气体收集器400的侧视图。
图10描绘了根据一个实施例的结合有气体过滤器1002的容积式气体收集器400。
图11描绘了根据一个实施例的利用惰性气体供应器1104的容积式气体收集器400。
图12描绘了根据一个实施例的在一个实施例中利用梯度加热元件1202来促进气体流通的容积式气体收集器400。
具体实施方式
本文描述了改进的非侵入性装置的实施例,该非侵入性装置用于收集和测量通过透皮扩散从患者皮肤散发的挥发性化合物。“挥发性化合物”是在大约“室温”(例如20℃)或高于大约“室温”的温度下处于气相的分子。此类分子具有足以在环境空气中产生按体积计至少0.1十亿分率(ppb)的气相浓度(或分压)的室温下的蒸气压。挥发性化合物的非限制性示例是小分子诸如氮氧化物和一氧化碳、大分子诸如乙醇和苯、以及超大分子如蛋白质或其他生物分子。
用于容积式取样的装置的实施例包括面向皮肤的表面,该面向皮肤的表面具有在面向皮肤的表面处打开的结构。这种结构通常允许气体沿一条或多条路径流通。该结构没有特别限制,只要气体可以流动穿过该结构即可。该结构可以是形成气体流通路径的通道结构,诸如入口孔与出口孔之间的连续弯曲部。
图3描绘了根据一个实施例的容积式气体收集器400的患者安装构造300。容积式气体收集器400可以在内肘关节处跨过下臂区308和上前臂区310的连接处安装到患者的手臂。安装带304可以用于以足够的力安装容积式气体收集器400,以在容积式气体收集器400和患者皮肤之间形成基本上气密的密封。例如在联接到出口孔302并在该出口孔处引起负压的压力源(未示出)的推动下,从被容积式气体收集器400封闭的患者皮肤部分通过透皮扩散散发的挥发性化合物被收集并迁移到出口孔302。挥发性化合物从出口孔302迁移到气体组分分析仪306,诸如质谱仪。环境参考传感器312可以任选地用于提供环境中存在的挥发性化合物的基线读数。可以应用基线读数来调整由气体组分分析仪306获得的读数,以更准确地评估通过透皮扩散散发的挥发性化合物。基线读数可以被获取一次,或者可以在容积式气体收集器400收集气体时被连续监测并计算平均值。
图4-图9描绘了一个实施例中的容积式气体收集器400。容积式气体收集器400可以用于通过对透皮气体扩散散发的气体进行容积式取样来进行非侵入性血糖水平测量。与现有技术装置不同,容积式气体收集器400不使用液体或电极。例如,容积式气体收集器400可以通过铣削单独的整块材料来制造或使用例如3D打印机制造,从而形成一体式主体。“一体式主体”是指没有接头或紧固件的单块材料,在其中形成结构,诸如通道结构。容积式气体收集器400可以例如由不与待收集的挥发性化合物相互作用或允许其渗透的非腐蚀性材料形成,诸如聚四氟乙烯、阳极氧化钛、塑料或聚合物材料,并且它们不会刺激预期患者的皮肤。
所示的实施例具有在其周边的三个侧面上基本上为矩形的形状因子(前表面416基本上为半圆形)。该形状因子和类似的形状因子可以有利于安装在一个维度上比其他维度上更广阔的人体部位上。例如,具有长轴线420和短轴线418的基本上为矩形(在此包括圆角矩形,即在前表面和后表面上都弯曲)的形状因子,在安装在人体手臂上时可以有利于形成更大的取样容积,其在沿着下臂区308到上前臂区310的方向(长轴线)一般长于其宽(短轴线,正交于桡骨和尺骨)。应当理解,其他形状因子可以捕获这种优势,诸如椭圆形或圆形的形状。在预期安装构造300在人体手臂上的一个实施例中,长轴线420可以是短轴线418长度的至少11/2倍。
在所示的实施例中,出口孔302基本上沿短轴线418居中,但沿长轴线420偏离中心。在显示长轴线和短轴线的形状因子中,出口孔302的这种偏离中心的布置可以有利地提供通道结构404中收集体积和气体流速的更好的多变量优化。
所示的基本上为矩形的形状因子仅是可能的形状因子的一个示例,其区分了后表面406、前表面416和侧表面408,以及顶表面414和面向皮肤的表面402。其他形状因子可以只区分这些表面的子集。例如,椭圆形的或圆形的形状因子可以仅区分顶表面和面向皮肤的表面。一体式主体可以包括面向皮肤的表面402的适形弧形部422。适形弧形部422(其延伸穿过面向皮肤的表面402的短轴线,包括通道结构404的壁)可以改善与患者手臂曲率或身体曲率的接合,从而形成气体蒸汽密封,防止或减少挥发性化合物从通道结构404向环境的逃逸,并且防止/减少气流走捷径(多路径)穿过通道结构404。在一个实施例中,适形弧形部422是凹的,如图7和图8所示。
诸如具有多于四个边的多边形之类的其他形状因子还可以区分其他的侧表面。一些形状因子可以采取“壳”的形式,其中顶表面向下弯曲以与面向皮肤的表面相交,在这种情况下没有明显的侧表面。不管形状因子如何,对容积式气体收集器装置的“周边”的提及是指面向皮肤的表面和环境之间的周边边界。
通道结构404被描绘为沿着长轴线折回并从周边向内螺旋到出口孔302。然而,在其他表现出长轴线和短轴线的实施例中,通道结构404可以沿着短轴线418折回。
所示通道结构404是连续弯曲部。本文中的“连续弯曲部”是指从一个点到另一个点的气流的不间断和不分支的路径,其中气流方向的改变在没有直角直线内角或锐角直线内角的情况下实现。“直线”角是由具有不同方向的两个直线段相交形成的角。连续弯曲部可以包括一些直的(非弯曲的)部分,并且在某些情况下可以通过以宽(例如,大于100度)钝角相交的直部分来影响气流方向的变化。与改变气流方向的平滑曲线一样,这种直线钝角可以比直角直线角或锐角直线角更不容易在气流中产生静滞区。所示实施例中的向内螺旋通道结构是包括一些直线部分和一些弯曲部分(其中气流改变方向)的连续弯曲部的示例。
“向内螺旋”是指在周边处或周边附近具有入口孔的通道结构,其朝向出口孔所在的装置的中心轴线向内螺旋。在向内螺旋的情况下,通道结构的一端可以在周边处形成入口孔的开口,而通道结构的另一端内部终止于面向皮肤的表面的封闭区内,并且出口孔从通道结构横穿穿过顶表面(例如,通过从顶表面钻到通道结构的孔)。在一些实施例中,向内螺旋通道结构可以完全包含在面向皮肤的表面内(通道结构不终止于周边的开口处),在这种情况下,入口孔与出口孔一样需要横穿穿过顶表面(例如,通过从顶表面钻到通道结构的孔)。
向内螺旋通道结构包括在面向皮肤的表面402的封闭区内部的至少一个端点,因此对于这种通道结构,出口孔302必须从通道结构404横穿到顶表面414。在这些情况下,出口孔302可以包括使负压源(诸如泵或真空)能够施加在出口孔302处的配件。
在一些实施例中,诸如圆形的形状因子,可以没有通道结构404沿其折回的明显的轴线,并且通道结构404可以从周边向内螺旋到出口孔302。
因此应当理解,取决于预期应用的参数,容积式气体收集器400可以体现在多种的形状因子和通道结构404构造中。还应当理解,在一些实施例中,气流可以按与所示相反的方向来实施。例如,入口孔410和出口孔302的位置可以互换,使得从内部点处或内部点附近施加压力并且收集挥发性化合物以在周边附近或周边位置处进行分析/测量。
通道结构404形成在面向皮肤的表面402中,沿通道结构404的壁形成皮肤接触表面412。皮肤接触表面412支持将容积式气体收集器400无创地安装(例如,通过安装带304)在患者皮肤表面上。经由透皮气体扩散从皮肤散发的挥发性化合物收集在通道结构404中并流向出口孔302。通道结构404可以对挥发性化合物形成不透气的屏障,以防止或减少向环境的逃逸和/或来自环境的污染,并防止或减少在穿过通道结构404时气流造成的短路。
在通道结构404中引起的气流可以是部分热力学的(趋向于具有较低的挥发性化合物密度和/或温度的区域)并且可以由诸如泵的外力辅助(例如,提供在出口孔302处的负压或在入口孔410处的正压)、加压气体源(例如,在入口孔410处)或真空(例如,在出口孔302处)。由于正压可以对挥发性化合物从皮肤的透皮扩散具有抑制作用,因此负压较正压通常是优选的。也可以使用例如加热元件(参见图12)在热力学上提高气体流速。在安装构造300中,气体组分分析仪306可以联接到出口孔302以表征挥发性化合物的颗粒并确定例如血糖水平。气体组分分析仪306可以优选地是质谱仪或用于连续分析来自环境空气的VOC成分的其他气体传感器,诸如金属氧化物传感器(MOS)、红外传感器、电化学传感器、或具有聚合物涂层的传感器、或其他传感器。
在一些实施例中,在出口孔302处使用负压。负压经由抽吸过程产生。抽吸是间歇施加的,具有相对高的压差,从而产生使雷诺数超过10000的足够高的流速。结构内的气流因此是湍流而不是层流。本领域技术人员众所周知,管道中从层流气流到湍流气流的转变通常在雷诺数超过2300时就已经发生。在该实施例中产生超过10000的高雷诺数的高压差对于湍流是必然的,因为气流在结构的各部分内可以显著减慢。湍流具有到达结构的潜在壁龛、角落和其他静滞区的优势。
通道结构404包括入口孔410,该入口孔置换从出口孔302抽取的气体用于分析。入口孔410可以向环境空气打开,或可以联接到加压的或非加压的置换气体源,诸如惰性气体。“环境空气”是指患者和挥发性化合物取样装置周围的外部气氛。由于通道结构404内的正压对挥发性化合物从皮肤的透皮扩散的抑制作用,不加压的惰性气体源可以是优选的。
在一些实施例中,例如如图所示,通道结构404可以形成为具有从入口孔410到出口孔302的一致的宽度。通过沿通道结构404的长度保持一致的体积,可以促进从入口孔410朝向出口孔302的恒定气体流速。通道结构404的曲率和尺寸(例如,宽度和深度)可以例如基于针对装置的特定形状因子的收集体积和气体流速的多元优化来选择。对通道结构404的宽度的约束包括关于窄度的下限以防止气流收缩,以及关于通道结构404的壁的宽度的下限以防止挥发性化合物穿过壁泄漏。通道结构404的深度也可以被限制在下限以适应患者皮肤向通道结构404中的凸出,而不会对安装构造300中的气流产生抑制。
图10描绘了具有气体过滤器1002的容积式气体收集器400,该气体过滤器位于入口孔410中或入口孔410附近。可以提供气体过滤器1002以减少挥发性化合物污染物经由入口孔410进入通道结构404。
图11描绘了容积式气体收集器400,其通过连接到入口孔410的联接件1102可操作地联接到惰性气体供应器1104。可以提供惰性气体供应器1104作为一种方式来控制不需要的分子的引入,这些不需要的分子可以通过入口孔410被推进通道结构404。惰性气体供应器1104可以是与待收集的挥发性化合物具有低反应性的气体,诸如氮气。惰性气体供应器1104在一些情况下可以被加压以促进通道结构404中的气体流速,但是任何施加的压力都应该筛选以便不抑制挥发性化合物从患者皮肤的透皮扩散。
图12描绘了具有梯度加热元件1202的容积式气体收集器400。梯度加热元件1202可以被构造为产生从侧表面408朝向出口孔302的温度梯度。更一般地,梯度加热元件1202可以产生从入口孔410朝向出口孔302总体减小的温度梯度,从而通过热力学促进气体流动。在一个实施例中,梯度加热元件1202可以实施为通道结构404中的发光二极管(LED),不仅产生热量,而且通过光刺激潜在地增加挥发性化合物从患者皮肤的透皮扩散。梯度加热元件1202因此可以改善通道结构404中的气体流动和/或挥发性化合物的浓度,并且可以是与一体式主体分离的部件(例如,加热垫)或与其一体的(例如,一体式加热元件或LED)。在一些实施例中,一个或多个加热元件用于产生热量但不一定是热梯度。在该实施例中,加热不一定在热力学上促进气体流动,但对于刺激挥发性化合物从皮肤的透皮扩散仍然是有利的。
本文公开的发明除其他方面外,还包括如本说明书中描述的非装饰性结构元件的实施例,包括:
I.一种容积式取样仪器,其包括面向皮肤的表面、入口孔、出口孔和在面向皮肤的表面处打开的结构,该结构在入口孔与出口孔之间形成气体流通路径。在面向皮肤的表面处打开的结构可以具有通道结构,并且任选地,该通道结构可以在入口孔与出口孔之间形成连续弯曲部。进一步任选地,通道结构可以形成从入口孔到出口的孔向内螺旋。
II.一种容积式取样仪器,其包括面向皮肤的表面、入口孔、出口孔和在面向皮肤的表面处打开的通道结构,该通道结构在入口孔与出口孔之间形成气体流通路径,其中该仪器是以一体式主体形成的。
III.一种容积式取样仪器,其包括面向皮肤的表面、入口孔、出口孔和在面向皮肤的表面处打开的通道结构,该通道结构在入口孔与出口孔之间形成气体流通路径,其中该面向皮肤的表面包括用于改善与患者的皮肤的密封接触的适形弧形部。
IV.一种容积式取样仪器,其包括面向皮肤的表面、入口孔、出口孔和在面向皮肤的表面处打开的通道结构,该通道结构在入口孔与出口孔之间形成气体流通路径,并且该通道结构进一步包括加热元件。加热元件被构造用于以下两者中的一个或两个:刺激挥发性化合物从患者的皮肤的透皮扩散;以及沿通道结构在入口孔和出口孔之间产生温度梯度。
V.一种血糖水平测量方法,其包括将一体式主体安装在患者皮肤上以形成气体密封,该一体式主体包括与患者皮肤接触的面向皮肤的表面和在面向皮肤的表面处封闭对患者皮肤打开的结构的顶表面;以及驱动气流穿过一体式主体的入口孔与出口孔之间的结构。在面向皮肤的表面处打开的结构任选地可以具有通道结构,并且通道结构可以进一步任选地包括入口孔与出口孔之间的连续弯曲部。
VI.一种血糖水平测量方法,其包括将一体式主体安装在患者皮肤上以形成气体密封,该一体式主体包括与患者皮肤接触的面向皮肤的表面和在面向皮肤的表面处封闭向患者皮肤打开的结构的顶表面;驱动气流穿过一体式主体的入口孔与出口孔之间的结构;以及在出口孔处施加负压以从入口孔穿过通道结构吸入环境空气。
VII.一种血糖水平测量方法,其包括将一体式主体安装在患者皮肤上以形成气体密封,该一体式主体包括与患者皮肤接触的面向皮肤的表面和在面向皮肤的表面处封闭向患者皮肤打开的结构的顶表面;驱动气流穿过一体式主体的入口孔与出口孔之间的结构;以及对一体式主体应用热量加热。
VIII.一种血糖水平测量方法,其包括将一体式主体安装在患者皮肤上以形成气体密封,该一体式主体包括与患者皮肤接触的面向皮肤的表面和在面向皮肤的表面处封闭向患者皮肤打开的结构的顶表面、驱动气流穿过一体式主体的入口孔与出口孔之间的结构、以及测量在出口孔处收集的气体中的挥发性化合物。任选地,该方法可以进一步包括以下步骤:测量环境空气中挥发性化合物的基线水平,并应用该基线水平来调整在出口孔处收集的气体中的挥发性化合物的量度。
IX.一种容积式取样仪器,其包括具有向内螺旋通道结构的一体式主体,其中该通道结构包括入口孔和出口孔,并且其中该通道结构在该一体式主体的面向皮肤的表面处开口。入口孔通常向环境空气打开,并且可以具有位于入口孔中或入口孔附近的气体过滤器,以减少挥发性化合物污染物经由入口孔进入通道结构。出口孔被构造用于与用于分析挥发性化合物的气体组分分析仪或施加负压的源(诸如在出口孔处为引起气流驱动的负压泵或真空)中的任一个(诸如通过适当的构造)联接。
在本公开中,不同实体可以被描述或要求为“构造”以执行一个或多个任务或操作。此公式-构造成[执行一项或多项任务]的[实体]-在本文中用于指代结构(即物理的东西)。更具体地,该公式用于指示这种物理结构布置成在操作期间执行一项或多项任务。物理结构可以说是“构造成”执行某些任务,即使该物理结构当前没有被操作。术语“构造为”并不意味着“可构造为”。
如本文所用,术语“基于”用于描述影响确定的一个或多个因素。该术语不排除其他因素可能影响确定的可能性。也就是说,确定可以仅基于指定的因素或基于指定的因素以及其他未指定的因素。考虑“基于B确定A”这一短语。该短语指定B是用于确定A或影响A的确定的因素。该短语不排除A的确定也可以基于某些其他因素,诸如C。该短语也旨在以涵盖仅基于B确定A的实施例。如本文所用,短语“基于”与短语“至少部分基于”同义。
如本文所用,短语“响应于”描述了触发效应的一个或多个因素。该短语不排除其他因素可能影响或以其他方式触发该效应的可能性。也就是说,效应可以仅响应于那些因素,或者可以响应于指定的因素以及其他未指定的因素。考虑短语“执行A以响应B”。该短语指定B是触发A执行的一个因素。该短语不排除执行A也可以响应于某些其他因素,诸如C。该短语还旨在以涵盖执行A是仅响应B的实施例。
如本文所用,术语“第一”、“第二”等用作它们之前的名词的标签,并且不暗示任何类型的排序(例如,空间、时间、逻辑等),除非另有说明。
当在权利要求中使用时,术语“或”用作包含性的或而不是排他性的或。例如,短语“x、y或z中的至少一个”是指x、y和z中的任何一个,以及其任何组合。
已这样详细描述了说明性的实施例,将显而易见的是,在不脱离如所附权利要求所述的本发明的范围的情况下,可以进行修改和变化。本发明主题的范围不限于所描绘的实施例,而是在以下权利要求书中阐明。
Claims (12)
1.一种容积式取样仪器,其包括:
一体式主体,所述一体式主体包括向内螺旋通道结构,其中所述通道结构包括入口孔和出口孔,并且其中所述通道结构在所述一体式主体的面向皮肤的表面处打开;
其中所述入口孔向环境空气打开;并且其中所述出口孔被构造用于联接至负压源和气体组分分析仪中的一者或两者。
2.根据权利要求1所述的容积式取样仪器,所述容积式取样仪器进一步包括位于所述入口孔中或位于所述入口孔附近的气体过滤器,所述气体过滤器被构造为在所述通道结构位于患者的皮肤上时,减少挥发性化合物污染物经由所述入口孔进入所述通道结构。
3.根据权利要求1或2所述的容积式取样仪器,其中所述通道结构在所述入口孔和所述出口孔之间形成连续弯曲部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的容积式取样仪器,其中所述面向皮肤的表面包括被构造用于与患者的皮肤密封接触的适形弧形部。
5.根据权利要求4所述的容积式取样仪器,其中所述适形弧形部是凹的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的容积式取样仪器,所述仪器进一步包括加热元件,所述加热元件被构造为刺激挥发性化合物从患者的皮肤的透皮扩散。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的容积式取样仪器,其进一步包括加热元件,所述加热元件被构造为沿所述通道结构在所述入口孔和所述出口孔之间产生温度梯度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的容积式取样仪器,其中所述通道结构具有从所述入口孔到所述出口孔的一致的宽度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的容积式取样仪器,其中所述容积式取样仪器被构造用于通过连接到所述入口孔的联接件可操作地联接到惰性气体供应。
10.一种血糖水平测量方法,所述方法包括:
将根据权利要求1至9中任一项所述的容积式取样仪器安装在患者的皮肤上以形成气体密封,所述面向皮肤的表面与所述患者的皮肤接触;
通过在出口孔处施加负压以从入口孔穿过所述通道结构吸入环境空气,促使气流穿过所述一体式主体的所述入口孔与所述出口孔之间的结构;以及
测量在所述出口孔处收集的气体中的挥发性化合物。
11.根据权利要求10所述的血糖水平测量方法,其进一步包括对所述一体式主体应用热量加热。
12.根据权利要求10或11所述的血糖水平测量方法,所述方法进一步包括:
测量环境空气中所述挥发性化合物的基线水平;以及
应用所述基线水平来调整在所述出口孔处收集的气体中的所述挥发性化合物的量度。
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