用于流体可溶性气体的传感器的制造方法
【专利摘要】为了以改进的漂移稳定性和低生产成本测量流体可溶性气体的浓度，从而告别冗长的校准和/或漂移校正例程和更新薄膜程序，提供一种传感器和系统，其包括：至少两个电极，其在至少一个检测部位被传感器流体覆盖；以及离子平衡装置(50)，其与该传感器流体接触以便移除污染离子。
【专利说明】用于流体可溶性气体的传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于确定流体可溶性气体的浓度的传感器以及包括这种传感器的系统。
【背景技术】
[0002]近年来，鉴于成本以及方便性，对家中患者的监测和处置变得越来越重要。对于这些患者监测系统，需要易于使用并且不会降低病人的依从性的传感器。例如，为了在家里处置具有慢性呼吸衰竭的患者，未来无创通气系统可以合并用于血液气体浓度的无创测量以检查通气的有效性的模块。对于无创CO2血液气体监测，经皮传感器(通过皮肤测量)似乎是最好的解决方案。
[0003]通常，经皮传感器包括薄膜和传感器流体，所述薄膜对于气相或蒸气相的小的中性分子(如0)2、02、队和!120)是可渗透的，但不适用于离子和大分子，气体分子扩散在所述传感器流体。在CO2传感器的范例中，利用的现实是，当C02溶于水时，它的一部分将形成碳酸(H2CO3),其在另一个平衡反应中与H2O形成H3OlPHCO3'通过测量这些离子的量，能够导出薄膜另一侧上与传感器流体平衡的CO2压力。
[0004]然而，目前的经皮系统被优化用于在医院长时间使用，并且需要由训练有素的工作人员将传感器放置在皮肤上。这些传感器的另一个缺点是，它们需要大约每两周更换一次薄膜和传感器流体(所谓的更新薄膜)。一方面，这是必需的，因为薄膜外部会被例如来自皮肤的脂肪类物质弄脏，其阻碍待检测气体分子应该流过的膜孔。另一方面，常规的经皮传感器受限于传感器流体损 失，诸如通过薄膜的流体蒸发。此外，离子从传感器外壳、胶黏剂或其他传感器部件渗出进入传感器流体，从而污染传感器流体。传感器流体中的这些不想要的“污染”离子转移上述化学反应的平衡并且使测量结果失真。因此，用于流体可溶性气体分子的常规基于流体的传感器在测量过程中受到漂移，并且需要在使用前进行校准。因此，这些现有技术传感器是相当不便于操作，并且需要应用和维护方面的专门知识，因而不适合于在家里或由患者自己使用。
[0005]US4228400描述了一种包括支承交指式电极的多孔聚四氟乙烯膜的电导气体分析单兀，该膜将待分析的气相与一个去离子水薄层分隔开。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是提供一种用于测量流体可溶性气体的浓度的的传感器和系统，其具有提高的漂移稳定性和低生产成本，因此无需冗长的校准和/或漂移校正例程和更新薄膜过程。
[0007]该目的是通过独立权利要求的特征来解决的。
[0008]本发明基于将离子平衡装置添加到传感器流体以便从传感器流体中移除污染离子的思想。优选地，离子平衡装置不影响待测量的流体可溶性气体的浓度测量，即，具有和不具有离子平衡装置的测量结果大致是相同的。这可以通过传感器的设计使得测量的时间尺度和移除污染离子的时间尺度不同来实现。例如，可以相应地选择离子平衡装置的选择性、亲和性、量和/或空间布置，从而移除污染离子，而不影响基于源自待测量的溶解气体的离子的测量。在此，污染离子可以指代与源自流体可溶性气体的那些离子不同的离子。然而，这不是必须的，从而污染离子也可以指代在已测量之后仍留在传感器流体中且长期来看应当移除的离子。由于移除了污染离子，在使用前不需要校准，也不需要测量的漂移校正。
[0009]根据本发明的一个方面，一种用于测量流体可溶性气体的浓度的传感器包括至少两个测量电极，所述至少两个测量电极至少部分地由传感器流体覆盖。优选地，所述电极在至少一个检测部位处被传感器流体覆盖，即，使得它们通过传感器流体彼此电连接。在此，检测部位是指传感器中的实际测量的部位，例如电极处的部位，其与测量高度相关。例如，在电导式传感器设计中，检测部位可以指流体体积或者还指测量电流在其间流动的电极的部位。此外，传感器包括离子平衡装置，其与传感器流体接触并适于从传感器流体中移除污染离子。这可以仅基于扩散效应，即，传感器流体不被主动泵送。通过这些装置，离子平衡装置能够移除例如从传感器外壳、胶黏剂或传感器的其他部分渗出的污染离子，这会使测量失真。
[0010]在一个实施例中，通过离子平衡装置移除污染离子可以在与测量源自流体可溶性气体的离子不同的时间尺度上进行，例如时间尺度相差至少约10倍、100倍或甚至1000倍。特别地，传感器可以被设计成使得待检测的气体浓度的变化处于比发生污染的时间尺度更短的时间尺度上。通过这些装置，可以减小传感器测量的偏移和/或漂移，同时保持对待检测的流体可溶性气体的灵敏度。
[0011]为实现这些不同的时间尺度，可以选择离子平衡装置的数量和/或种类和/或传感器几何形状，使得在相关的时间尺度上，污染离子充分地被离子平衡装置移除，而源自溶解气体的离子量与在没有离子平衡装置的情况下测量的气压处于相同的平衡中。优选地，离子平衡装置可以被布置为与电极或者至少与电极的检测部位分隔开预定的距离。例如，离子平衡装置与检测部位之间的距离可以被选择为大于检测部位处(即，在电极上)的传感器流体的厚度。传感器流体的该厚度可以通过传感器几何形状来确定，例如，通过在检测部位处横跨电极的流体通道的高度或电极的检测部位与气体进入时穿过的薄膜之间的距离来确定。额外地或备选地，离子平衡装置与检测部位之间的距离可以大于检测部位处的电极彼此之间的距离。因此，提供一种传感器，其包括区域，离子平衡装置被存储在所述区域中并且所述区域与对信号进行测量的区域分开足够远。这确保了传感器性能不会受到离子平衡装置的影响。
[0012]在其他实施例中，离子平衡装置的数量针对传感器的一个或多个参数进行调整，这些参数例如为传感器的几何形状、传感器的尺寸、传感器的测量原理、传感器中包含的传感器流体的类型以及待测量气体的类型。备选地或额外地，离子平衡装置的类型可以被调整为这些参数中的一个或多个，从而使离子平衡装置的亲和性和/或选择性适应于各个应用。例如，传感器的类型可以涉及化学-光学传感器、电导传感器、电势传感器和/或基于PH的传感器。因此，该传感器可以包括作为传感器流体的水、去离子水、电解质、缓冲溶液等中的至少一个。能够由传感器测量的流体可溶性气体优选包括血液气体,诸如C02、02、N2,但是也包括其他流体可溶性气体，诸如溶解成包括Cl_、F_、Na+或NH3+的离子的气体。根据该实施例，离子平衡装置的参数可以被选择，使得针对待测量的气体浓度的变化的时间尺度短于针对发生污染的时间尺度。
[0013]在优选实施例中，离子平衡装置可以对待测量的溶解气体的离子具有低亲和性。例如，为了测量CO2气体压力，离子平衡装置可以对CO2溶解于其中的至少一种离子(例如H30+、H+、HC03_和0H_)具有低亲和性。这进一步确保了增加离子平衡装置不会影响传感器的测量灵敏度。
[0014]离子平衡装置可以包括能够俘获、吸收或交换污染离子的至少一种物质。因此，离子平衡装置可以包括离子交换聚合物或离子交换树脂，其从溶液中吸收离子并将其替换为其他离子。优选地，使用混床离子交换树脂，其由两种材料组成:一种容易吸收许多种类的负离子并将其替换为0H_，另一种容易吸收许多种类的正离子并将其替换为H+。在这种情况下，以这种方式创建的0!1_和!1+离子相互反应，形成H20。通过这些装置，能够避免或至少降低传感器流体的污染，从而也降低传感器漂移。
[0015]在一个实施例中，至少两个电极被同心地布置和/或具有环状结构。备选地或额外地，电极可以被布置为交指式或梳状结构。电极也可以被层压在某些传感器部件中，例如在传感器外壳中或在流体通道的壁中。然而，电极在其中被布置成相互平行的简单线性几何形状也是可能的。
[0016]此外，离子平衡装置可以被布置在传感器的中心。备选地或额外地，离子平衡装置可以被布置在传感器的一个或多个侧部处和/或在传感器的圆周上。然后，离子平衡装置可以更靠近污染源。此外，离子平衡装置在传感器的边界区域中的布置可以提供更多的空间，以添加离子平衡装置并且便于漂洗传感器用于初始清洁和无气泡填充，从而简化生产。可能的话，树脂或聚合物珠子被用作离子平衡装置。离子平衡装置可以使用胶黏剂或网状物来固定。备选地或额外地，离子平衡装置可以通过布置在传感器基底上的半分离隔室中来固定。通过这些装置，能够确保离子平衡装置保持远离电极的检测部位，因而不会干扰测量。
[0017]在其他优选实施例中，传感器包括至少一个薄膜，该薄膜至少部分地接触传感器流体。该传感器还可以包括基底或外壳，电极和/或离子平衡装置可以被布置在其中。同样，外壳可以至少部分地填充有传感器流体。此外，外壳可以至少部分地由薄膜覆盖，该薄膜对于待测量气体分子可以是可渗透的。例如，该薄膜至少部分地覆盖外壳的一侧。该薄膜可以借助于O形环、焊接和/或胶黏剂的方式固定到外壳上。因此，该薄膜可以与样品体积接触，使得待测量气体可以从样品体积扩散到传感器流体中，并且在此溶解为离子。优选地，该薄膜对于离子和/或传感器流体是不可渗透的。通过这些装置，污染和/或传感器流体的损失可以被保持在较低水平，从而减小传感器漂移。在其他优选实施例中，薄膜仅与靠近检测部位的传感器流体接触，即，电极的检测部位以上的传感器流体可以由薄膜覆盖。例如，电极可以被布置在外壳的底表面处。然后，传感器外壳的上侧可以具有一个或多个开口，所述一个或多个开口被薄膜覆盖并且被布置在电极的检测部位上方。备选地或额外地，电极可以被层压在传感器外壳的壁内，例如，流体通道或类似物的侧壁内。通过提供除了在检测部位上方被薄膜覆盖的开口外的固体外壳，传感器的机械稳定性被增强，并且薄膜被更好地支撑。此外，由于小的薄膜-流体界面能够降低流体蒸发。
[0018] 在另一个实施例中，传感器可以包括一个或多个流体通道，所述一个或多个流体通道与电极至少在检测部位相交。优选地，流体通道连接电极的检测部位与布置离子平衡装置的部位。因此，尽管离子平衡装置可以与检测部位间隔开，离子平衡装置可以从检测体积中移除污染离子。流体通道可以至少部分地由薄膜限定，例如，所述薄膜可以覆盖至少在电极的检测部位的顶部处的流体通道。此外，在检测部位处穿过电极的流体通道可以确定检测部位处的相关流体体积。优选地，检测部位处的流体通道的高度较低，例如小于I毫米。由于溶解气体离子需要扩散到电极上，这会极大地影响传感器的灵敏度和测量速度。
[0019]在优选实施例中，可以提供用于存储传感器流体的流体容器，所述流体容器被连接到检测部位。从流体容器起，电极附近的空间可以被填充传感器流体。流体容器可以是被填充传感器流体的腔室或隔室，所述腔室或隔室与检测部位半分离，即，只允许受限制的流体交换或扩散，而流体容器中的流体体积不对检测体积作出贡献。通过这些装置，可以维持检测部位处的传感器流体的一定体积。尤其，可以在检测部位处提供小厚度传感器流体或小检测体积，同时利用传感器流体对电极的充分覆盖由流体容器中的大体积传感器流体保证。因此，能够补偿例如通过穿透薄膜的蒸发造成的传感器流体损失以及最终的离子浓度上升。流体容器可以与电极上的检测部位间隔开。然后，流体容器和检测部位可以由至少一个毛细管和/或亲水性和/或吸湿性结构连接。例如，一个或多个流体通道可以连接流体容器和至少一个检测部位，其中，流体通道具有毛细管结构和/或亲水性和/或吸湿性涂层或表面。额外地或备选地，电极附近的区域可以例如使用等离子处理被制成亲水性的。因此，传感器流体被自动引导至电极附近的空间，例如到检测部位。流体容器可以通过除了被连接到检测部位的一个或多个开口外的该传感器外壳的壁来定义。因此，所述流体容器可以与传感器的外部隔离，从而可以进一步降低流体蒸发。
[0020]当使用具有流体容器的实施例时，离子平衡装置优选地被布置在所述流体容器内。因此，该传感器的性能得到更加提高，同时提供一种简单而紧凑的传感器设计，其有利于便携式传感器或在家中使用的传感器。
[0021]此外，该传感器可以包括允许流体容器将传感器流体释放到检测部位的释放装置。例如，这可以被实现为流体容器的可移动壁和/或柔性壁和/或俘获气泡的预先安排的部位，所述预先安排的部位能够随着来自流体容器的传感器流体缓慢补充检测部位处的任何蒸发损失而容易地成长。气泡例如可以被故意留在传感器中。备选地或额外地，释放装置可以是疏水性的。可能地，半分离的隔间可以用作被填充气体和/或例如通过疏水性通道被连接到流体容器的释放装置。然而，在检测部位或凹陷薄膜处避免气泡，或者例如，通过使用充满脱气的传感器流体的柔性流体容器和封装的气密性，甚至在传感器中完全避免气泡，可能是有利的。在这种情况下，释放装置可以被形成为流体容器中与检测部位分开的部位和/或更有利于气泡形成的部位。
[0022]根据任一所述实施例的传感器可以包括电导传感器、电势传感器、化学-光学传感器或基于PH的传感器。当然，传感器流体和/或电极和/或离子平衡装置可以适于相应的传感器类型。此外，根据本发明的任一所述实施例的传感器可以被集成在其他基于流体的传感器(例如经皮O2传感器或类似物)中和/或与其组合。
[0023]优选地，传感器被配置为用于测量血液气体浓度(诸如CO2压力)的传感器。为此，传感器优选地涉及一种用于生物医学应用的无创式的或经皮的传感器，例如，用于测量透过皮肤的或呼气中的气体浓度，或者用于使用导管来测量体内的气体浓度。此外，传感器可以与患者监测和/或通气系统一起操作，例如用于在家中的患者处置。该传感器可以是便携式的，例如配备以下中的至少一个:用于将传感器固定到患者的身体部分的固定装置、电源、用于发射所感测的数据和/或接收配置数据的传送单元、用于存储和/或处理所感测的数据的芯片等。此外，由于其低生产成本，传感器可以是一次性的。如果离子平衡装置具有有限的容量，由此从长远来看，其效果也将受到在操作期间采集的溶解气体的影响，则上述特性是特别有用的。同样地，由于外表面上的污垢，传感器薄膜的渗透性可以会随着时间而退化。因此，不同于更新薄膜或交换传感器流体，该传感器可以被简单地更换。为了贮存，该传感器可以装在流体密封性和/或气体密封性的密封件中，甚至可能在传感器的外部充满水或传感器流体。这避免了存储期间的流体蒸发。可能需要气密性以将大气0)2和/或O2保持在外和/或防止H2O蒸发。
[0024]根据本发明的另一个方面，提供一种用于患者监测和/或患者通气的系统，所述系统包括根据本发明的任一上述实施例所述的传感器。通过这些装置，这样的系统是容易使用的，并且能够由患者自己进行操作。此外，也可以无创地执行测量，从而增加了患者的依从性。
[0025]尽管所描述的实施例将具体参考用于血液气体监测和患者监测的经皮无创CO2传感器和/或采用此类传感器的通气系统进行解释，但本发明的传感器可以被容易地应用于不同的领域和其他系统，诸如其他血液气体传感器和家用保健产品或者一般性地用于流体可溶性气体的传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]在附图中:
[0027]图1A示出了根据本发明的传感器的一个实施例的平面图，并且图1B示出了图1A中所示的传感器沿A-A’线的横截面。
[0028]图2A示出了根据本发明的传感器的另一个实施例的平面图，并且图2B示出了通过图2A中所示的传感器的流体通道的沿A-A’线的横截面。
[0029]图3A示出了根据本发明的其他实施例的传感器的平面图，并且图3B示出了通过图3A中所示的传感器的流体通道的沿A-A’线的横截面。
[0030]图4A示出了根据本发明的其他实施例的传感器的平面图，并且图4B示出了通过图4A中所示的传感器的流体通道的沿A-A’线的横截面。
[0031]图5A示出了根据本发明的其他实施例的传感器的平面图，并且图5B示出了图5A中所示的传感器的流体通道之间的沿A-A’线的横截面。
[0032]图6示出了由根据本发明的传感器测量的作为时间函数的电导率的曲线图。
[0033]图7示出了图示水的电导率和在大气压下并且与水中溶解的CO2量平衡的气体中的CO2的百分比的平方根的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0034]根据本发明，提供一种传感器，其包含区域，在所述区域中存储离子平衡装置，以从检测体积中移除污染离子。因此，污染离子的移除能够在没有主动泵送传感器流体的情况下进行，并且主要基于传感器流体中的离子扩散。存在能够使用的多种类型的传感器，例如电势传感器、电导传感器和基于pH的传感器等。根据这些测量结果，能够导出薄膜另一侧上与传感器流体平衡的CO2压力。
[0035]基于电势测量原理的传感器通过测量参考电极与在传感器流体中具有H+选择性薄膜的电极之间的电势差来确定H3O+的量。在电位传感器中，专用电极结构被并入，并且以使该电位传感器对于待检测的离子具有良好的选择性的方式，用作传感器流体的电解质流体的成分被选择。然而，尤其是这些传感器中的参考电极容易漂移，并且所有已知的电位传感器都需要校准。
[0036]在另一侧上的电导传感器测量传感器流体的电导率，它是由流体中的离子的总量来确定的。在电导传感器，从外壳渗出进入传感器流体的离子和穿过薄膜的水蒸发这两个效果的影响比在电位传感器中更糟，因为污染离子不仅使平衡状态移位，而且还对传感器流体的电导率作出贡献，并且因为流体水平的下降不仅导致离子浓度增加，而且还影响到电流能够流动所沿着的路径。当电导传感器在无污染的环境中运行时，溶解的CO2浓度能够定量地与电导率相关联，并且不需要校准。然而，电导传感器是无选择性的，并且在实践中，很容易引入电导率水平的偏移或漂移。根据本发明，离子交换树脂的添加使得能够减少污染，而不显著影响溶解的CO2浓度，并且使得能够恢复导电水平和CO2浓度之间的定量关系O
[0037]在下文中，根据本发明的传感器将使用针对CO2的经皮电导传感器的范例来例示。然而，本发明并不局限于此，传感器也可以是电位传感器或基于PH的传感器或者适用于测量其他种类的流体可溶性气体。 [0038]如图1A和图1B所示，所述传感器包括外壳或基底100，其由选择性渗透膜60覆盖并且填充有传感器流体30。在外壳中或基底100上，电极10和20被平行布置。传感器流体30可以是基于水的液体，除了水之外，它可以含有离子(特别是来自碳酸氢钠的离子)。备选地，传感器流体可以包括吸湿性液体，如丙二醇或聚(乙二醇)，或者也包括极性或非极性溶剂，这取决于要检测的气体。此外，离子平衡装置50被布置在传感器的边界区域中。例如，珠子形式的离子交换树脂可以用作离子平衡装置50，例如用H+替换阳离子和用0!1_替换阴离子的混床离子交换树脂。
[0039]薄膜60可以被密封或胶粘到外壳100，并且对于待测量的气体分子是可渗透的。因此，气体分子穿过薄膜60并在传感器流体30中溶解成相应的离子。例如，可以使用PTFE膜或类似物。如之前所解释的，CO2分子将溶于水，产生H30+、HC03_和0H_离子。离子会扩散到电极10和20，从而增加传感器流体30的电导率。事实上，在离子平衡装置50中稍微受约束的H+离子真的是H+离子。但是水中的H+离子立刻结合成H3O+离子，从而在这种情况下术语H+和H3O+或多或少是可互换的。
[0040]离子平衡装置50被布置成与电极10和20处进行信号测量的检测部位40 (由虚线框表示)间隔开。能够通过使用胶黏剂、丝网或薄膜或者通过将离子平衡装置50布置在外壳100内的半分离室中来将离子平衡装置50固定在外壳100中。因此，离子平衡装置50与电极10和20间隔开，但是与传感器流体30接触。通过这些装置，离子平衡装置50不应该在与测量相关的时间尺度上影响测量本身，也不应影响H3O+和HC03_离子的量。然而，离子平衡装置50应该吸收从外壳100、粘胶或传感器的其他部件渗出的离子。这些污染离子应该在比与测量相关的时间尺度更长的时间尺度上达到离子平衡装置50并与其反应。可能地，离子平衡装置50被选择，使得其对来自外壳或胶黏剂的阴离子的亲和性大于其对HCO3-的亲和性。
[0041]作为离子平衡装置的一个范例，能够使用强大的混床离子交换树脂，诸如离子交换树脂的Dowex? Marathon mr-3。备选地，还可以选择强阳离子交换树脂与弱阴离子交换树脂的组合，因为弱阴离子交换树脂能够具有对来源于CO2分子的HCO3-较小的影响。一般地，阴离子交换树脂能够与阳离子交换树脂组合用作混床树脂或者与阳离子交换树脂分离，但其都应该优先针对污染离子具有比针对HC03_和0H_更高的亲和性。类似地，阳离子交换树脂应该优先具有对H+的低亲合力和对污染离子的高亲和性。
[0042]此外，该传感器可以被配置为便携式传感器，例如可以被附接到患者的身体部分，以便测量或监测。因此，该传感器可以包括电源，诸如电池或者用于电源的连接件。同样地，可以提供一种用于处理或存储所测量的数据的芯片。额外地或备选地，可以提供传送单元，以将测量的数据发送给患者监测系统或类似系统的服务器单元。传送单元还可以适于接收设置数据等。通过这些装置，能够提供一种传感器，它是便携式的，没有任何电连接或数据连接。此外，根据本发明的传感器可以被集成在系统中，例如通气系统或患者监测系统。
[0043]在图2A和图2B中，示出了根据本发明的传感器的另一实施例。在这里，所述传感器还包括流体容器80，其填充有离子平衡装置50。如图2A所示，流体容器80被布置在传感器的中心，电极10和20被同心地布置在周围。此外，提供多个流体通道70，其从流体容器80径向延伸并在检测部位40处横跨电极10和20 (由虚线框只表示一次)。流体通道70的上侧由薄膜60覆盖，而流体通道70彼此由外壳100的通道壁分隔。因此，流体容器80中的大流体体积通过流体通道70连接到检测部位40，使得传感器流体30能够从流体容器80被补充到检测部位40。此外，离子平衡装置50也与传感器流体30接触，使得污染离子能够被移除。
[0044]如示出沿图2A的A-A’线的横截面的图2B所示，环状电极10和20被布置在传感器外壳100的底部，以测量检测部位40处的传感器流体30的电导率。为了获得几分钟的响应时间，检测部位40处的水层厚度，S卩，由薄膜60和外壳100的底部之间的距离限定的流体通道70的高度，应该至多为一毫米的量级，因为穿过薄膜60进入的CO2需要穿过传感器流体30向电极10和20扩散。
[0045]在图2A和图2B中，珠状的离子平衡装置50被固定在流体容器80中，该容器是填充有传感器流体30的半分离隔室。即，流体容器80中的传感器流体30通过流体容器80底部附近的开口或缝隙被连接到流体通道70中的传感器流体30。当然，任何其他外壳几何形状都是可能的，例如，外壳100，其中，流体容器80由在其中间具有开口的壁来封闭。同样地，也可以独立提供离子平衡装置50和流体容器80。外壳100可以由塑料(例如PMMA)制成。开口能够比离子平衡装置50的尺寸更小，从而使离子平衡装置50无法从流体容器80脱离。然而，离子平衡装置50也可以使用具有比离子平衡装置50的直径更小的孔的网格或胶黏剂来固定，以防止它进入流体通道70。此外，如果离子平衡装置50吸收HC03_，离子平衡装置50与电极10和20之间的距离应该基本上大于检测部位40处的电极10和20上的流体层厚度，以便不影响测量。
[0046]在此，薄膜60通过O形环110被附接到传感器外壳100上，以避免使用潜在的污染胶黏剂，但薄膜60也可以被焊接或胶黏。在流体通道70之间，薄膜60由限定流体通道70并且也限定流体容器80的外壳100的壁支撑。由于薄膜60的厚度为约25微米，其非常脆弱，因此如果不存在这样的加固，薄膜60可能太靠近电极10和20甚至断裂。尽管在2A和图2B中示出流体容器80被薄膜60覆盖，但并不一定是这样。备选地，流体容器80能够由外壳100的固体壁来覆盖。在这种情况下，薄膜60被进一步稳定。此外，离子平衡装置不被直接暴露而与外部进行气体交换，并且经由薄膜60的流体蒸发由于减少的薄膜-传感器流体界面而被降低。
[0047]流体通道70的一些部分可以被制成亲水性的，例如壁可以用等离子体(诸如，氧或氮等离子体)进行处理，或具有亲水性或吸湿性的涂料。这可以确保，当传感器流体30通过薄膜60蒸发或通过其他方式从检测部位40脱离时，流体通道70被自动重新充满传感器流体30。因此，由于从流体容器80补充了传感器流体30，电极10和20至少在检测部位40处仍然由传感器流体30覆盖。
[0048]在图3中，示出了根据本发明的传感器的另一实施例。图3A示出了被移除薄膜60的传感器的顶视图，而图3B示出了沿图3A中示出的A-A’线穿过传感器的流体通道70的横截面。本实施例不同于图2A和图2B所示的实施例，区别在于更大容积的流体容器80和包括离子平衡装置50的流体容器80与电极10和20之间的更长距离。在此，流体容器80被布置在电极布置的下方并且通过在中心具有开口的容器壁85与流体通道70半分开。同心电极10和20被布置在容器壁85或流体容器80的顶部上。离子平衡装置50与电极10和20之间的得到的更长的距离增加了离子从一个扩散到另一个所需要的时间。由于电极10和20更接近薄膜60而非离子交换树脂50，C02压力的测量将难以受到离子平衡装置50的影响。然而，也将平均花费更长的时间来由离子平衡装置50吸收污染离子。如果仅有离子的缓慢渗出，这是没有问题的。此外，流体容器80的更大容积使得能够存储更多的离子平衡装置50的材料，并提供更大体积的传感器流体30来缓冲检测部位40处的流体损失。此外，如图3B所示，外壳100可以包括上壁130，其覆盖除流体通道70的顶部以外的传感器上侧，使得通过薄膜的流体蒸发可以被进一步降低。
[0049]在图4中，示出根据本发明的传感器的另一实施例，其中，电极10和20以交指状或梳状的方式被布置在外壳100的中心。流体通道70由密封在在外壳100顶部的薄膜60来覆盖并且跨越两个电极10和20，从而限定电极10和20上的检测部位40。此外，填充有传感器流体30的两个独立流体容器80和离子平衡装置50被设置在电极10和20的任一侦U。流体容器80被配置为在支撑电极10和20的部分下方延伸的传感器外壳100中的半分离隔室，即，在传感器中间的感测表面下方。换言之，根据图4B所示的实施例，外壳100可以被成形为类似于在底部表面上有槽的盒子，从而传感器外壳100的横截面形状类似于颠倒的矩形U。流体容器80在U形的侧面部分中，而电极10和20以及流体通道70被布置在中间部分。薄膜60覆盖传感器的顶表面，并且通过外壳100顶表面上的狭缝至少与流体通道70中的传感器流体30接触。流体容器80连接到流体通道70和检测部位40 (未在图4中示出)所通过的开口足够小，以使得离子平衡装置50无法从流体容器80中逃出。如前所述，至少一个流体通道70和电极周围的区域可以被制成亲水性的，从而提高来自流体容器80的流体供给。此外，根据本实施例的传感器设计允许通过经由流体端口(未示出)将传感器流体30从一个流体容器80冲洗到另一流体容器以及用传感器流体30对传感器进行无气泡填充而容易地进行初始清洗。[0050]图5A和图5B中示出另一种传感器设计。在此，包括离子平衡装置50的流体容器80被布置在传感器外壳100的中心。流体容器80的上侧覆盖有薄膜60。从流体容器80起，流体通道70作为星形或径向狭缝在外壳的顶表面延伸。在图5A所示的没有薄膜60的平面图中，流体通道70在顶部打开，并在横向上由外壳100的通道壁75限定。在形成通道壁75的外壳100的材料内，电极10和20被层叠，这在图5B所示的横截面中可以更好地看至IJ。即，电极10可以被形成为一层外壳材料上的导电层，并覆盖有另一层绝缘材料(可能与外壳材料相同)。在其上，第二电极20可以形成为一个导电层并且覆盖有另一层外壳材料。然后，该组件可以被图案化，以切出的流体通道70和流体容器。当然，电极10和20也可以以其他方式附连在通道壁75的表面上。通道壁75还限定了流体容器80的平面尺寸，即它们形成流体容器80的圆周表面。如图5A和图5B所示，流体通道70太小而不能被离子平衡装置50进行，从而通道壁75将离子平衡装置50固定在流体容器80中。然而，如上所述，离子平衡装置50也可以通过其他装置(例如胶黏剂、其他膜或网格)来固定。
[0051]在这里所描述的所有实施例中，传感器还可以包括释放装置(图中未示出)，所述释放装置允许流体容器80实际释放传感器流体30到检测部位40。这可能是不可见的，但也可能是传感器中的显著特征，如流体容器80的可移动壁或柔性壁、与流体容器80接触的其他隔室或者捕集气泡的预先安排的部位。随着来自流体容器80的传感器流体30缓慢补充检测部位40处的任何蒸发损失，气泡能够很容易地生长。气体气泡可以例如被留在填充口中，就在传感器被关掉之前，或者被插入作为单独结构的一部分如一小片塑料管(例如，在离子平衡装置50之间)，该塑料管是疏水性的并且含有气泡。但是，应当避免检测部位40处的气泡或凹陷膜60，所以释放装置可以被布置在流体容器80中更有利于气泡形成的部位。为了完全避免气泡，可以使用柔性流体容器80，其装满脱气的传感器流体30并且被气密地封装。在释放装置被实现为隔室的情况下，它可以经由一个或多个疏水通道连接到流体容器80。此外，释放装置的隔室可以是柔性的和/或疏水性的，可能含有上述气泡。通过这些装置，当向测量部位40补充传感器流体30时，流体容器80中的传感器流体30的体积变化能够被补偿。
[0052]在图6中，由根据本发明的任一实施例的传感器感测到的电导率(以μ S/cm为单位)对时间(以小时为单位)作图，同时进行实验，以检查离子平衡装置50是否从传感器流体30中移除了不需要的离子并仍然能够测量CO2的量。在时间O小时处，通过将一粒盐(NaCl)添加到清水来模拟可能在传感器的存储过程中进入传感器流体30的离子量。添加这粒盐后，用作传感器流体30的水的电导率增加了 19 μ S/cm。随后，使用CO2和N2的气体混合物在5至6小时期间以大约30分钟的步长改变CO2压力，并且测量波动的电导率。然后，将离子交换树脂作为离子平衡装置50添加到水中，并且等待16小时。在此期间，电导率几乎下降到零。然后再一次，在5至6小时期间以大约30分钟的步长改变CO2压力，并且测量波动的电导率。这导致在图6中所示的电导率测量结果。因此，离子交换树脂50能够移除由源自一粒盐的污染离子所引入的偏移。
[0053]在图7中，示出了水的电导率与CO2在气体中的百分比的平方根的关系，该气体处于大气压下并且与传感器流体30中溶解的CO2的量平衡。纯水的电导率与平衡状态下的局部CO2压力之间的关系是已知的并且显示为图7中的直线。在上述实验的前5至6小时内测量盐水的平衡值并将其显示为图7中的菱形，而将离子交换树脂50添加到水30中15小时后测量的平衡值被显示为图7中的十字形。在测量的不确定性中，十字形严格遵循理论线。这表明在添加树脂后16小时内所有不需要的或污染的离子已经被离子交换树脂50吸收，并且当CO2被馈送到系统中并以半小时的步长变化时，电导率的测量仍然响应CO2压力的变化。因此，在使用初始流体即具有溶解的NaCl的水模仿传感器流体30在储存期间被不需要的离子污染的情况下，该传感器在使用前必须被校准以确定电导率和CO2压力之间的关系。与此相反，在使用最终液体作为传感器流体30即已用离子交换树脂50吸收了Na+和Cl—离子的水的情况下，不需要这样的校准，因为该理论被严格遵循。因此，通过向传感器流体30添加离子平衡装置50如离子交换树脂，根据本发明的传感器在使用前不需要校准程序。此外，可以证实，漂移在这种传感器中是微不足道的。
[0054]在其他实施例中，提供了一种用于通气和/或监测患者的系统，其中，采用根据任一上述实施例所述的传感器。根据本发明的传感器可以应用于可集成在系统中的电导经皮CO2传感器。通过这些装置，可以整夜连续测量在家中通气的患者的CO2血压，以便观察呼吸机的设定值是否仍然正确。
[0055]应该注意的是，针对上述及图1-5所示的一个实施例所描述的特征可以很容易地与其他实施例的特征互换。因此，上述实施例的特征是彼此可任意组合的。此外，传感器的上述实施例主要例举了电导CO2传感器。然而，本发明的原理也可以应用于其他类型的基于流体的传感器，即电位传感器。在这种情况下，离子平衡装置的类型和/或其与传感器的其他部件分离的方式更加复杂，因为有意放在用作传感器流体的电解质中的离子(例如针对氯化银参考电极的CD也应该保持不受离子平衡装置影响。这个问题可以通过使用一种对这些离子具有低亲和性的离子平衡装置和/或通过将传感器流体的该部分与离子平衡装置来解决，这可以通过不渗透必须保持完好的离子的固体壁或薄膜来完成。此外，本发明可以被应用于其他传感器，即用于测量如Cl—、F—、Na+和NH3+之类的离子的浓度的传感器。
[0056]因此，根据本发明，由于向传感器流体增加离子平衡装置制衡了离子污染，可以大幅度降低基于流体的传感器的漂移，从而能够避免校准和更新薄膜。离子平衡装置吸收从传感器外壳或粘胶渗出的不需要的离子，同时它确保源自待测量气体的离子在适当的时间尺度上是完好的。例如，待检测的气体浓度变化被设计为在比发生污染的时间尺度更短的时间尺度上。因此，增加离子平衡装置不影响测量。甚至可以通过使用流体容器额外补偿流体损失来进一步减少漂移。此外，因为这个概念是便宜的，所以该传感器装置可以是一次性的。因此，整个组装件可以被简单地更换，而不是仔细地为传感器更新薄膜。
[0057]因此，在最优选实施例中，提供一种用于测量血液气体浓度的无创经皮传感器，它是便宜的并且易于使用，能够由邮件传输到患者并且能够由患者自己附接到患者的皮肤，而不需要护士干预或进行校准和/或更新薄膜。
【权利要求】
1.一种用于测量流体可溶性气体的浓度的传感器，包括: 至少两个电极(10、20)，其在至少一个检测部位(40)处由传感器流体(30)覆盖；以及 离子平衡装置(50)，其与所述传感器流体(30)接触，以移除污染离子。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，通过所述离子平衡装置(50)对污染离子的所述移除是在与测量源自所述流体可溶性气体的离子不同的时间尺度上执行的。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述离子平衡装置(50)的数量和/或种类针对待测量的所述气体的类型、所述传感器流体(30)的类型、所述传感器的类型以及所述传感器的几何形状中的至少一个进行调节。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述离子平衡装置(50)被布置为与所述电极(10、20)的所述检测部位(40)隔开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述离子平衡装置(50)包括离子俘获装置、离子交换聚合物、离子交换树脂和混床离子交换树脂中的至少一个。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述电极(10、20)采用同心和/或交指型布置和/或被层压在基底(100)中和/或，其中，所述离子平衡装置(50)被固定在所述传感器的中心。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器包括在所述至少一个检测部位(40)处横跨所述两个电极(10、20)的一个或多个流体通道(70)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器还包括基底(100)和形成所述基底外观的薄膜(60)，其中，所述薄膜(60)对于气相的中性分子是可渗透的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器还包括流体容器(80)，所述流体容器被连接到所述检测部位(40)，以补充传感器流体(30)。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述流体容器(80)和所述检测部位(40)是由至少一个毛细管和/或亲水性和/或吸湿性结构来连接的。
11.根据权利要求9或10所述的传感器，其中，所述离子平衡装置(50)被布置在所述流体容器(80)中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器被配置为基于所述传感器流体(30)的电导率、电势差、pH和光学特性以及与所述传感器流体(30)接触的感测物质的特性中的至少一个来执行测量。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器是用于测量血液气体浓度的经皮传感器，和/或其中，待测量的水溶性气体包括co2。
14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器是一次性的、便携式的和能够与通气系统和/或监测 系统一起操作中的至少一种。
15.一种用于患者监测和/或患者的通气的系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器。
【文档编号】G01N27/404GK103907018SQ201280053120
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年10月28日
【发明者】N·兰贝特, L·J·辉基布雷格茨, J·卡尔曼, H·W·范克斯特伦, A·温克 申请人:皇家飞利浦有限公司