用于确定气体浓度的传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于确定气体浓度的传感器和方法。
【背景技术】
[0002]神经肌肉疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)以及肥胖通气不足患者常常遭受慢性呼吸衰竭。所述患者需要在家对他们的呼吸衰竭进行定期处置。通过氧气治疗(大多数情况下没有通气机支持)来处置血氧不足患者，而通过利用环境空气的有创通气(IV)或无创通气(NIV)有助于使血内碳酸过多的患者的高二氧化碳血气水平回到可接受的水平。通过在夜间通气期间测量动脉氧水平和动脉二氧化碳水平的基线和趋势来检查通气的有效性。
[0003]动脉血气测量形成了黄金标准。在家中开始通气处置之前，患者待在医院以对通气机设置进行优化并监测动脉血气值。取决于疾病的严重性和稳定性，患者必须或多或少地定期返回医院进行核查。呼吸护士也可以访问在家的患者来检查通气机并安装实现对血气分压的无创监测的装置。在家中，典型地在夜晚期间监测血气水平，并且将通气机数据和呼吸数据一起进行存储以用于稍后在医院处的分析。
[0004]无创血氧监测的技术水平是通过测量动脉血氧饱和度，所述动脉血氧饱和度经由氧解离曲线与氧分压相关。脉搏血氧定量法(Sp02)是用于对患者中的动脉血氧饱和度的无创监测的光学方法，并且已经变成临床实践中最常用的技术之一。脉搏血氧定量法是相当低成本的技术并且容易使用。脉搏血氧定量法是用于家中的血液氧合监测的优选方法。
[0005]对C02的分压的无创监测的技术水平是借助于二氧化碳图(capnography)或通过经皮C02(PtcC02)监测。对于具有健康的肺的被插管的患者，通过二氧化碳图获得的潮气末C02(etC02)值提供了对动脉C02值的良好指示。然而，如果在无创通气中通常存在面罩与脸之间的空气泄漏并且患者具有严重的呼吸疾病，则二氧化碳图通常不是可靠的方法。在大多数医院中，用于趋势监测的二氧化碳图与对动脉血液样本的分析的组合被用来获得临时的准确值。
[0006]经皮C02监测不受空气泄漏和呼吸疾病干扰，但是要求受过训练的人以获得可靠的值并示出了源于成人间的皮肤属性的变化的某些不准确性。尽管无创C02血气监测与患者接收通气高度相关，但是在家中无创C02血气监测比血氧定量法更不常用。
[0007]当前的经皮C02传感器基于以下的40年的概念:
[0008].用来增加皮肤的血液灌注和气体渗透性的恒温控制的加热器，
[0009]?皮肤与传感器膜之间的流体层，
[0010].覆盖传感器的气体能渗透膜，
[0011 ].膜与传感器之间的电解质溶液，
[0012].包括电化学pH传感器和参考电极的传感器，以及
[0013].补偿温度影响和皮肤代谢的算法。
[0014]为了从测得的C02皮肤分压来导出经皮C02值，传感器温度与37°C的动脉血液温度之间的差异必须被考虑到。此外，从测得的值减去偏移以补偿随皮肤温度稍稍变化的皮肤代谢。
[0015]皮肤的动脉血化对于经皮血气测量是必须的，以获得接近动脉C02血气水平的经皮值。现有技术基于通过加热传感器表面下面的皮肤的动脉血化。在当前可用的经皮系统中，用于动脉血化的最小传感器温度为42°C，并且所要求的加热功率最大为?500mW，主要需要用来补偿血流的冷却效果。
[0016]为了达到低成本，无创PaC02监测解决方案化学光学感测技术已经被应用到经皮C02探测。
[0017]图1示出了用于经皮C02探测的化学光学传感器的典型的操作原理。具有气体能渗透层13(例如硅胶膜+Ti02)的传感器点与患者的皮肤接触，气体能渗透层13对气体是通透的而对光是反射的。气体能渗透层13促进气体(例如C02)从皮肤到感测层12(例如硅胶膜+参考染料+指示剂染料)中的扩散，所述感测层12对气体是通透的，并包含pH敏感的指示剂染料与对气体浓度不敏感的参考染料。透光载体11覆盖感测层12。透光载体11可以具有大约0.2mm的厚度dl，感测层12可以具有大约0.1mm的厚度d2，并且气体能渗透层13可以具有大约0.1mm的厚度d3。传感器点的直径xl可以为大约5mm。
[0018]将预定辐射100辐照在传感器点上，并且具体在感测层12上。预定辐射100可以具有大约470nm的波长(蓝绿LED)。指示剂染料和参考染料响应于由预定辐射100引起的激励而发射辐射200。所述辐射200 (光学响应)的特性取决于存在于/已经扩散到感测层12中的C02气体的量。因此，通过分析辐射200，可以确定感测层中的气体浓度以及由此的皮肤中的气体浓度。
[0019]乍看之下，这些传感器点的属性看起来无疑对用于家庭市场的经皮传感器设备在动态范围、针对偏离温度的预校准/补偿、稳定性以及费效比方面的设计是有利的。
[0020]为了将极性指示剂染料溶解到疏水聚合物感测层中，添加亲脂相转移剂，所述亲脂相转移剂也用作内部缓冲以为碳酸的产生提供水。然而，已知(并且被实验证实)传感器点中的水含量对渗透压差显示出强的交叉敏感性，这使得对紧约束之间的包围液体的渗透压属性的控制是不可避免的。这在这些传感器点的某些应用领域中是非常可行的，但是针对其他应用领域是笨重的或不可能的。理论上，可以以关于传感器点的保存期限和响应时间的权衡为代价而减少对渗透压的灵敏度。
[0021]此外，温度影响染料里面的激励状态和化学平衡，并且使探测曲线移位。通过使用双寿命参考技术来有效地抑制源于光路变化的冷光变化。也可以通过平衡指示剂染料和参考染料的温度灵敏度和光漂白来抑制这些影响。最后，可以通过对温度系数的先验知识来(部分地)对传感器信号进行补偿。
[0022]如以上提及的，所述CO2传感器点被设计用于温度和渗透压均匀的情况下的流体内测量。当从该(想要的)应用向经皮传感器进行移位时，额外的问题产生了，即:
[0023]在传感器点的膜上出现温度梯度，具体沿垂直于感测平面的方向，引起相关的梯度相关的信号漂移，最可能由流体泵送和有关的渗透压变化引起。一般地，该现象被称为热婦变或热流逸，并且首先被M.H.Knudsen (1910)用于气体泵送。该现象也与热电泳和热扩散有关。这是应用到经皮感测的化学光学传感器点中新的且高度相关的问题，这是因为热梯度是不可避免地存在的。
[0024]WO 2012/045047公开了一种用于确定关于哺乳动物中的动脉血气的信息的无创经皮血气感测系统，所述无创经皮血气感测系统包括:组合的扩散和测量室，其包括至少一个气体能渗透表面，所述至少一个气体能渗透表面适于允许在气体能渗透表面与哺乳动物接触时来自哺乳动物的分析物的经皮扩散；被定位在组合的扩散和测量室中的至少一个光学化学传感器，所述至少一个光学化学传感器适于与各自的分析物以化学的方式相互作用和/或以物理的方式反应；以及被定位在组合的扩散和测量室外面的光电系统，所述光电系统用于远程地探测所述至少一个光学化学传感器的化学相互作用和/或物理相互作用。
【发明内容】
[0025]鉴于以上与现有技术相关联的缺点和问题，本发明的目的是提供一种用于测量气体浓度的光学传感器单元、以及一种使用允许对所述气体浓度的可靠且准确的测量的光学传感器单元的方法。
[0026]该目的通过独立权利要求的特征得以解决。
[0027]本发明基于减少所述光学传感器单元的传感器器件中的温度梯度的想法。这是通过将所述传感器器件与其环境热绝缘和/或通过主动地减少到所述传感器器件中的热通量和/或通过使所述传感器器件的热阻抗最小化来实现的。因此，温度梯度(例如沿垂直于和/或平行于被包括在所述传感器器件中的感测层和/或气体能渗透层的方向)可以被最小化或甚至被消除，由此防止与现有技术相关联的梯度相关信号漂移(热蠕动/热流逸)。此外，通过抑制温度梯度，避免了对所述感测层(例如染料)里面的激励状态和化学平衡的温度影响，并且因此，源于温度的冷光变化被抑制。这显著地增加了气体浓度测量的可靠性和准确性。
[0028]根据本发明的一个方面，一种用于测量气体浓度的光学传感器单元优选地包括传感器器件和至少部分地包围所述传感器器件的第一热绝缘器件。所述传感器器件包括至少一个感测层和至少一个气体能渗透层，所述至少一个感测层适于利用预定辐射而被辐照，所述至少一个气体能渗透层与所述至少一个感测层的一侧相邻并且适于使浓度待测的气体经过所述气体能渗透层朝向所述至少一个感测层。所述光学传感器单元还适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述光学响应取决于所述气体浓度。所述第一热绝缘器件至少部分地包围所