ДАТЧИК ДЛЯ РАСТВОРИМОГО В ЖИДКОСТИ ГАЗА
SENSOR FOR FLUID-SOLUBLE GAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к датчику для определения концентраций растворимых в жидкости газов и к системе, включающей в себя такой датчик.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
В последние годы наблюдение и лечение пациентов в домашних условиях становится все более важным, принимая во внимание затраты и удобство. Для таких систем наблюдения за пациентом требуются датчики, которые легки в использовании и не вызывают неприятия у пациентов. Например, чтобы лечить пациентов с хронической дыхательной недостаточностью дома, будущие неинвазивные системы вентиляции могут включать в себя модуль для неинвазивного измерения концентраций газа в крови для того, чтобы проверить эффективность вентиляции. Для неинвазивного мониторинга в крови углекислого газа (CO) чрескожные датчики (измерение через кожу) похоже являются наилучшим решением.
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
3
2
+
-
В большинстве случаев чрескожные датчики состоят из мембраны, которая является проницаемой для небольших нейтральных молекул в газовой или паровой фазе (таких как CO, O, N и HO), но не для ионов или больших молекул, и текучей среды датчика, в которую диффундируют газовые молекулы. В примере датчиков CO используется тот факт, что когда CO растворяется в воде, его часть формирует угольную кислоту (HCO), которая в другой равновесной реакции с HO формирует HO и HCO. Путем измерения количества этих ионов можно получить давление CO с другой стороны мембраны, которое находится в равновесии с текучей средой датчика.
Однако существующие чрескожные системы оптимизируются для длительного использования в больнице и требуют размещения датчика на коже обученным персоналом. Другим недостатком этих датчиков является то, что они нуждаются в замене мембраны и текучей среды датчика приблизительно каждые две недели (так называемое перемембранирование). С одной стороны, это необходимо, поскольку мембрана загрязняется с внешней стороны, например, жировыми выделениями кожи, которые блокируют мембранные поры, через которые должны проходить подлежащие обнаружению молекулы газа. С другой стороны, обычные чрескожные датчики страдают от потери текучей среды датчика, такой как испарение жидкости через мембрану. Кроме того, ионы вымываются из корпуса датчика, клея или других частей датчика в текучую среду датчика, загрязняя таким образом текучую среду датчика. Эти нежелательные "загрязняющие" ионы в текучей среде датчика смещают равновесие вышеупомянутых химических реакций и искажают результаты измерений. Следовательно, обычные жидкостные датчики для молекул растворимого в жидкости газа дрейфуют во время измерений и нуждаются в калибровке перед использованием. По этой причине такие датчики предшествующего уровня техники довольно неудобны в использовании и требуют профессиональной компетенции для их применения и обслуживания, и таким образом являются неподходящими для использования в домашних условиях или самим пациентом.
Патент США №4228400 описывает кондуктометрическую ячейку газового анализа, состоящую из пористой тефлоновой мембраны, поддерживающей имеющиеся в ней электроды, которая разделяет тонкий слой деминерализованной воды и газовую фазу, подлежащую анализу.
Другие кондуктометрические датчики двуокиси углерода известны из патента США №3730868А, патента Великобритании №2208006А и патента США №4473456А.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить датчик и систему для измерения концентрации растворимых в жидкости газов с улучшенной устойчивостью к дрейфу показаний и низкими издержками производства, обходясь таким образом без утомительных процедур калибровки и/или корректировки дрейфа и перемембранирования.
Эта задача решается датчиком в соответствии с независимым пунктом 1 формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее добавлять ионно-балансирующее средство к текучей среде датчика для того, чтобы удалить загрязняющие ионы из текучей среды датчика. Предпочтительно ионно-балансирующее средство не влияет на измерения концентрации подлежащего измерению растворимого в жидкости газа, то есть результаты измерения с ионно-балансирующим средством и без него являются приблизительно одинаковыми. Это может быть реализовано такой конструкцией датчика, в которой масштабы времени для измерения и для удаления загрязняющих ионов являются различными. Например, селективность, сродство, количество и/или пространственное расположение ионно-балансирующего средства могут быть соответственно выбраны так, чтобы загрязняющие ионы были удалены без влияния на результаты измерения, основанного на ионах, происходящих из растворенного газа, подлежащего обнаружению. Здесь загрязняющие ионы могут обозначать ионы, отличающиеся от тех ионов, которые происходят из растворимого в жидкости газа. Однако это не обязательно должно быть так, и загрязняющие ионы могут также обозначать ионы, которые остаются в текучей среде датчика после измерения и должны быть удалены в долгосрочной перспективе. Из-за удаления загрязняющих ионов никакой калибровки перед использованием не требуется, как не требуется и исправления дрейфа измерений.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения датчик для измерения концентраций растворимого в жидкости газа включает в себя корпус, который покрыт селективно проницаемой мембраной и заполнен текучей средой датчика, по меньшей мере два измерительных электрода, которые по меньшей мере частично покрываются текучей средой датчика. Предпочтительно электроды расположены внутри корпуса и покрываются текучей средой датчика по меньшей мере в одной локализации обнаружения, то есть так, что они электрически соединяются друг с другом посредством текучей среды датчика. Здесь локализация обнаружения относится к локализации фактического измерения в датчике, например, к тому месту на электродах, которое преимущественно важно для измерения. Например, в конструкции кондуктометрического датчика локализация обнаружения может относиться к объему жидкости или также к тем местам на электродах, между которыми протекает измерительный ток. В дополнение к этому, датчик включает в себя ионно-балансирующее средство, расположенное внутри корпуса, которое находится на удалении от локализации обнаружения электродов и в контакте с текучей средой датчика и выполнено с возможностью удалять загрязняющие ионы из текучей среды датчика. Это может быть основано только на диффузионном эффекте, то есть текучая среда датчика активно не перекачивается. Таким образом ионно-балансирующее средство может удалять загрязняющие ионы, например, вымываемые из корпуса датчика, клея или других частей датчика, которые искажали бы результаты измерения.
В одном варианте осуществления удаление загрязняющих ионов ионно-балансирующим средством может быть выполнено в другом масштабе времени, чем измерение ионов, происходящих из растворимого в жидкости газа, например, отличающегося по меньшей мере приблизительно в 10, 100 или даже 1000 раз. В частности, датчик может быть сконструирован так, что изменения концентрации определяемого газа происходят в более коротком масштабе времени, чем масштаб времени для появления загрязнения. Таким образом смещение и/или дрейф в измерениях датчика могут быть уменьшены при одновременном сохранении чувствительности к подлежащему обнаружению растворимому в жидкости газу.
Для реализации этих различных масштабов времени количество и/или вид ионно-балансирующего средства и/или геометрия датчика могут быть выбраны так, что в соответствующих масштабах времени загрязняющие ионы достаточно удаляются ионно-балансирующим средством, в то время как количество ионов, происходящих из растворенного газа, находится в том же самом равновесии с давлением измеряемого газа, как это было бы без ионно-балансирующего средства. Предпочтительно ионно-балансирующее средство может быть расположено на предопределенном расстоянии от электродов или по меньшей мере от локализации обнаружения электродов. Например, расстояние между ионно-балансирующим средством и локализацией обнаружения может быть выбрано так, чтобы оно было больше, чем толщина текучей среды датчика в локализации обнаружения, то есть на электродах. Эта толщина текучей среды датчика может определяться геометрией датчика, например, высотой канала текучей среды, пересекающего электроды в локализации обнаружения или расстоянием между локализацией обнаружения электродов и мембраной, через которую поступает газ. Дополнительно или альтернативно расстояние между ионно-балансирующим средством и локализацией обнаружения может быть больше, чем расстояние между электродами непосредственно в локализации обнаружения. Таким образом, обеспечивается датчик, включающий в себя область, в которой хранится ионно-балансирующее средство, и которая находится достаточно далеко от той области, где измеряется сигнал. Это гарантирует, что ионно-балансирующее средство не будет влиять на рабочие характеристики датчика.
2
2
2
3
-
-
+
+
В дополнительном варианте осуществления количество ионно-балансирующего средства корректируется в соответствии с одним или более параметрами датчика, такими как геометрия датчика, размер датчика, измерительный принцип датчика, тип текучей среды датчика, содержащейся в датчике, и тип измеряемого газа. Альтернативно или дополнительно к этому тип ионно-балансирующего средства может быть скорректирован в соответствии с одним или более из этих параметров, таким образом адаптируя сродство, и/или селективность ионно-балансирующего средства для соответствующего применения. Например, тип датчика может быть химическо-оптическим, кондуктометрическим, потенциометрическим и/или основанным на измерении pH. Соответственно, датчик может включать в себя в качестве текучей среды датчика по меньшей мере одно из воды, деминерализованной воды, электролита, буферного раствора и т.п. Растворимые в жидкости газы, которые могут быть измерены датчиком, предпочтительно включают в себя газы, содержащиеся в крови, такие как CO, O, N, а также и другие растворимые в жидкости газы, такие как газы, растворяющиеся в ионах, включая Cl, F, Na или NH. В соответствии с этим вариантом осуществления параметры ионно-балансирующего средства могут быть выбраны так, что масштаб времени для изменений концентрации измеряемого газа будет короче, чем масштаб времени для появления загрязнения.
2
2
3
3
+
+
-
-
В предпочтительном варианте осуществления ионно-балансирующее средство может иметь низкое сродство к ионам измеряемого растворенного газа. Например, для того, чтобы измерить газовое давление CO, ионно-балансирующее средство может иметь низкое сродство к по меньшей мере одному из ионов, в которых растворяется CO, например, HO, H, HCOи OH. Это дополнительно гарантирует, что добавление ионно-балансирующего средства не повлияет на чувствительность измерений датчика.
-
+
-
+
2
Ионно-балансирующее средство может включать в себя по меньшей мере одно из веществ, способных захватывать, абсорбировать или обменивать загрязняющие ионы. Таким образом, ионно-балансирующее средство может включать в себя ионообменный полимер или ионообменную смолу, которые абсорбируют ионы из раствора и заменяют их другими ионами. Предпочтительно используется ионообменная смола смешанного слоя, состоящая из двух материалов: одного легко абсорбирующего многие виды анионов и заменяющего их на ион OH, а другого легко абсорбирующего многие виды положительных ионов и заменяющего их на ион H. В этом случае ионы OH и H, создаваемые таким образом, реагируют друг с другом, образуя молекулы HO. Таким образом загрязнения текучей среды датчика можно избежать или по меньшей мере уменьшить его так, чтобы дрейф датчика был также уменьшен.
В одном варианте осуществления по меньшей мере два электрода располагаются концентрически и/или имеют кольцевидную структуру. Альтернативно или дополнительно к этому электроды могут быть расположены в переплетенной или гребенчатой структуре. Электроды также могут быть ламинированы в некоторых частях датчика, например, в корпусе датчика или в стенках канала для жидкости. Однако простая линейная геометрия, в которой электроды располагаются параллельно друг другу, также возможна.
Кроме того, ионно-балансирующее средство может быть расположено в центре датчика. Альтернативно или дополнительно к этому ионно-балансирующее средство может быть расположено в одной или более боковых частях и/или по окружности датчика. Кроме того, ионно-балансирующее средство может быть ближе к источнику загрязнения. Более того, расположение ионно-балансирующего средства в граничной области датчика может обеспечить больше пространства для добавления ионно-балансирующего средства и облегчить промывку датчика для первоначальной очистки и беспузырчатого заполнения, упрощая таким образом производство. В качестве ионно-балансирующего средства возможно использование дроби из смолы или полимера. Ионно-балансирующее средство может быть закреплено с использованием клея или сетки. Альтернативно или дополнительно к этому ионно-балансирующее средство может быть закреплено путем размещения внутри полуразделенной ячейки на субстрате датчика. С помощью этого можно гарантировать, что ионно-балансирующее средство удерживается на удалении от локализации обнаружения электродов и таким образом не может помешать измерению.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчик включает в себя по меньшей мере одну мембрану, которая находится по меньшей мере частично в контакте с текучей средой датчика. Датчик может дополнительно включать в себя субстрат или корпус, в котором могут быть расположены электроды и/или ионно-балансирующее средство. Кроме того, корпус может быть заполнен по меньшей мере частично текучей средой датчика. Кроме того, корпус может быть покрыт по меньшей мере частично мембраной, которая может быть проницаемой для молекул измеряемого газа. Например, мембрана покрывает по меньшей мере частично одну сторону корпуса. Мембрана может быть прикреплена к корпусу посредством уплотнительного кольца, сварки и/или клея. Таким образом, мембрана может быть в контакте с объемом образца так, чтобы измеряемый газ мог диффундировать из объема образца в текучую среду датчика и раствориться там до ионов. Предпочтительно мембрана является непроницаемой для ионов и/или текучей среды датчика. Таким образом загрязнение и/или потеря текучей среды датчика могут быть сохранены низкими, так что дрейф датчика уменьшается. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления мембрана находится в контакте с текучей средой датчика только вблизи от локализации обнаружения, то есть текучая среда датчика выше локализации обнаружения электродов может быть покрыта мембраной. Например, электроды могут быть расположены в нижней поверхности корпуса. Кроме того, верхняя сторона корпуса датчика может иметь одно или более отверстий, которые покрываются мембраной и располагаются выше локализаций обнаружения электродов. Альтернативно или дополнительно к этому электроды могут быть ламинированы к стенкам корпуса датчика, например, к боковым стенкам каналов для жидкости и т.п. Путем обеспечения твердого корпуса за исключением отверстий, покрытых мембраной выше локализации обнаружения, увеличивается механическая прочность датчика и обеспечивается лучшая поддержка мембраны. Кроме того, испарение жидкости может быть уменьшено благодаря малой площади контакта мембраны с жидкостью.
В другом варианте осуществления датчик может включать в себя один или более каналов для жидкости, которые пересекаются с электродами по меньшей мере у локализации обнаружения. Предпочтительно каналы для жидкости соединяют локализацию обнаружения электродов с тем местом, где располагается ионно-балансирующее средство. Таким образом, ионно-балансирующее средство может удалять загрязняющие ионы из объема обнаружения, хотя ионно-балансирующее средство может быть удалено от локализации обнаружения. Канал для жидкости может быть по меньшей мере частично определен мембраной, например, мембрана может покрывать канал для жидкости по меньшей мере сверху локализации обнаружения электродов. Более того, канал для жидкости, пересекающий электроды у локализации обнаружения, может определять соответствующий объем жидкости у локализации обнаружения. Предпочтительно высота канала для жидкости у локализации обнаружения является низкой, например, меньше чем один миллиметр. Это может сильно влиять на чувствительность и скорость измерения датчика, так как ионы растворенного газа должны диффундировать к электродам.
В предпочтительном варианте осуществления может быть предусмотрен резервуар для жидкости, чтобы хранить текучую среду датчика, который соединяется с локализацией обнаружения. Из резервуара для жидкости пространство около электродов может быть заполнено текучей средой датчика. Резервуар для жидкости может быть камерой или ячейкой, заполненной текучей средой датчика, которая полуотделена от локализации обнаружения, то есть позволяет только ограниченный обмен или диффузию жидкости, в то время как объем жидкости в резервуаре для жидкости не участвует в объеме обнаружения. Таким образом может быть поддержан определенный объем текучей среды датчика у локализации обнаружения. В частности могут быть обеспечены малая толщина текучей среды датчика или малый объем обнаружения у локализации обнаружения, в то время как достаточное покрытие электродов текучей средой датчика гарантируется большим объемом текучей среды датчика в резервуаре для жидкости. Следовательно, потеря текучей среды датчика, например, вследствие испарения через мембрану, приводящая к повышению ионной концентрации, может быть компенсирована. Резервуар для жидкости может быть удален от локализации обнаружения на электродах. Кроме того, резервуар для жидкости и локализация обнаружения могут быть соединены по меньшей мере одной капиллярной и/или гидрофильной и/или гигроскопичной структурой. Например, один или более каналов для жидкости могут соединять резервуар для жидкости и по меньшей мере одну локализацию обнаружения, причем канал для жидкости имеет капиллярную структуру и/или гидрофильное и/или гигроскопичное покрытие или поверхность. Дополнительно или альтернативно область около электродов может быть сделана гидрофильной, например, с использованием плазменной обработки. Таким образом текучая среда датчика автоматически подводится к пространству около электродов, например, к локализации обнаружения. Резервуар для жидкости может быть определен стенками корпуса датчика за исключением одного или более отверстий, соединенных с локализацией обнаружения. Таким образом, резервуар для жидкости может быть изолирован от внешней среды датчика, так что испарение жидкости может быть дополнительно уменьшено.
При использовании варианта осуществления с резервуаром для жидкости ионно-балансирующее средство предпочтительно располагается внутри резервуара для жидкости. Таким образом, рабочие характеристики датчика еще больше улучшаются, обеспечивая простую и компактную конструкцию датчика, выгодную для портативных датчиков или для датчиков, которые будут использоваться в домашних условиях.
В дополнение к этому датчик может включать в себя средство выпуска, которое позволяет резервуару для жидкости выпускать текучую среду датчика к локализации обнаружения. Например, это может быть реализовано как подвижная и/или гибкая стенка резервуара для жидкости и/или заранее подготовленное место, где улавливается газовый пузырек, который может легко вырасти, поскольку текучая среда датчика из резервуара для жидкости медленно пополняет любую потерю за счет испарения на локализации обнаружения. Газовый пузырек может быть, например, преднамеренно оставлен в датчике. Альтернативно или дополнительно к этому, средство выпуска может быть гидрофобным. В качестве средства выпуска может использоваться полуразделенная ячейка, заполненная газом и/или соединенная с резервуаром для жидкости, например, гидрофобными каналами. Однако может быть предпочтительным избежать пузырьков у локализации обнаружения, или вдавленной мембраны, или даже вообще избежать пузырьков в датчике, например, путем использования гибкого резервуара для жидкости, заполненного дегазированной текучей средой датчика, и газонепроницаемо упакованного. В этом случае средство выпуска может быть сформировано как место в резервуаре для жидкости, которое отделено от локализации обнаружения и/или является более благоприятным для формирования пузырьков.
2
Датчик согласно любому из описанных вариантов осуществления может включать в себя кондуктометрический, потенциометрический, химически-оптический или основанный на измерении pH датчик. Конечно же, текучая среда датчика и/или электроды и/или ионно-балансирующее средство могут быть адаптированы к соответствующему типу датчика. Кроме того, датчик согласно любому из описанных вариантов осуществления настоящего изобретения может быть интегрирован и/или объединен с другими датчиками на основе текучей среды, например, чрескожными датчиками O и т.п.
2
2
2
2
Предпочтительно датчик конфигурируется как датчик для измерения концентраций газов, содержащихся в крови, например давления CO. С этой целью датчик предпочтительно относится к неинвазивному или чрескожному датчику для биомедицинских применений, например, для измерения концентрации газов через кожу или в выдыхаемом воздухе, или для измерения концентрации газов в теле с использованием катетера. Кроме того, датчик может работать совместно с системой вентиляции и/или мониторинга пациента, например, для лечения пациента в домашних условиях. Датчик может быть портативным, например, снабженным по меньшей мере одним из средства крепления для прикрепления датчика к части тела пациента, источника энергии, передающего блока для передачи измеренных данных и/или получения данных конфигурации, микросхемы для хранения и/или обработки измеренных данных и т.п. Далее, датчик может быть одноразовым благодаря низким затратам на его производство. Это в особенности полезно, если ионно-балансирующее средство имеет ограниченную емкость, так что при более долгом сроке использования его эффективность также зависит от растворенного газа, полученного во время работы датчика. Аналогично, проницаемость мембраны датчика может ухудшаться в течение долгого времени из-за загрязнения наружной поверхности. Поэтому вместо перемембранирования или замены текучей среды датчика, датчик может быть просто заменен целиком. Для хранения датчик может быть упакован во влагонепроницаемую и/или газонепроницаемую упаковку, возможно даже заполненную водой или текучей средой датчика снаружи датчика. Это позволило бы избежать испарения жидкости во время хранения. Газонепроницаемость может быть необходима для того, чтобы предотвратить попадание атмосферного CO и/или O и/или предотвратить испарение HO.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается система для мониторинга пациента и/или вентиляции пациента, включающая в себя датчик согласно любому из вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения. С помощью этих средств такая система становится легкой в использовании и может использоваться самим пациентом. Кроме того, измерения могут быть выполнены неинвазивно, не вызывая таким образом отторжения у пациента.
2
Даже при том, что описанные варианты осуществления будут объяснены в частности со ссылкой на чрескожный неинвазивный датчик CO для мониторинга газа в крови и системы мониторинга и/или вентиляции пациента, использующей такой датчик, предлагаемый датчик может быть также легко применен к различным областям и другим системам, таким как другие датчики газа в крови и продукты для домашнего медицинского ухода или в целом к датчикам для растворимых в жидкости газов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
Фиг. 1A показывает вид сверху варианта осуществления датчика в соответствии с настоящим изобретением и Фиг. 1B показывает поперечное сечение датчика, показанного на Фиг. 1A, вдоль линии A-A'.
Фиг. 2A показывает вид сверху другого варианта осуществления датчика в соответствии с настоящим изобретением и Фиг. 2B показывает поперечное сечение через канал для жидкости датчика, показанного на Фиг. 2A, вдоль линии A-A'.
Фиг. 3A показывает вид сверху датчика согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения и Фиг. 3B показывает поперечное сечение через канал для жидкости датчика, показанного на Фиг. 3A, вдоль линии A-A'.
Фиг. 4A показывает вид сверху датчика согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения и Фиг. 4B показывает поперечное сечение через канал для жидкости датчика, показанного на Фиг. 4A, вдоль линии A-A'.
Фиг. 5A показывает вид сверху датчика согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения и Фиг. 5B показывает поперечное сечение между каналами для жидкости датчика, показанного на Фиг. 5A, вдоль линии A-A'.
Фиг. 6 показывает график удельной электропроводности как функции времени, измеренной датчиком в соответствии с настоящим изобретением.
2
2
Фиг. 7 показывает график, иллюстрирующий зависимость удельной электропроводности воды от квадратного корня из процентного содержания CO в газе при атмосферном давлении, находящегося в равновесии с количеством растворенного CO в воде.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
2
В соответствии с настоящим изобретением предлагается датчик, включающий в себя область, в которой хранится ионно-балансирующее средство для удаления загрязняющих ионов из объема обнаружения. Таким образом, удаление загрязняющих ионов может быть выполнено без активной перекачки текучей среды датчика и основывается прежде всего на ионной диффузии в текучей среде датчика. Существуют различные типы датчиков, которые могут использоваться, например, потенциометрические, кондуктометрические и основанные на измерении pH датчики. Из этих измерений может быть получено давление CO с другой стороны мембраны, которое находится в равновесии с текучей средой датчика.
3
+
+
Датчики, основанные на потенциометрическом принципе измерения, определяют количество ионов HO, измеряя разность потенциалов между электродом сравнения и электродом с H-селективной мембраной в текучей среде датчика. В потенциометрических датчиках имеются выделенные электродные структуры, и композиции текучей среды электролита, используемой в качестве текучей среды датчика, выбираются таким образом, чтобы потенциометрический датчик имел хорошую селективность для подлежащего обнаружению иона. Тем не менее, в частности электроды сравнения в этих датчиках являются склонными к дрейфу, и все известные потенциометрические датчики нуждаются в калибровке.
2
2
2
Кондуктометрические датчики, с другой стороны, измеряют удельную электропроводность текучей среды датчика, которая определяется общей суммой ионов в текучей среде. В кондуктометрических датчиках влияние как эффекта вымывания ионов из корпуса в текучую среду датчика, так и эффекта испарения воды через мембрану еще хуже, чем в потенциометрических датчиках, поскольку загрязняющие ионы не только смещают равновесие, но также и увеличивают удельную электропроводность текучей среды датчика, и поскольку понижение уровня жидкости не только приводит к увеличенным концентрациям ионов, но также и влияет на пути, вдоль которых может течь электрический ток. Когда кондуктометрический датчик используется в среде без загрязнений, концентрация растворенного CO может быть количественно связана с удельной электропроводностью, и калибровка не требуется. Однако, кондуктометрические датчики являются неселективными и на практике легко образуется смещение или дрейф уровня удельной электропроводности. В соответствии с настоящим изобретением добавление ионообменной смолы позволяет уменьшить загрязнение без значительного влияния на концентрацию растворенного CO и позволяет восстановить количественную связь между уровнем электропроводности и концентрацией CO.
2
Далее датчик в соответствии с настоящим изобретением будет конкретизирован с использованием примера чрескожного кондуктометрического датчика для CO. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим, датчик также может быть потенциометрическим или основанным на измерении pH датчиком, или выполненным с возможностью измерения других видов растворимого в жидкости газа.
+
-
Как показано на Фиг. 1A и Фиг. 1B, датчик включает в себя корпус или субстрат 100, который покрывается селективной проницаемой мембраной 60 и заполняется текучей средой 30 датчика. В корпусе или на субстрате 100 электроды 10 и 20 располагаются параллельно. Текучая среда 30 датчика может быть жидкостью на основе воды, которая кроме воды может содержать ионы (в частности ионы из бикарбоната натрия). Альтернативно, текучая среда датчика может включать в себя гигроскопичную жидкость, такую как пропиленгликоль или поли(этиленгликоль), или также полярный или неполярный растворитель, в зависимости от подлежащего обнаружению газа. Кроме того, ионно-балансирующее средство 50 располагается в граничной области датчика. Например, ионообменная смола в форме стеклянной дроби может использоваться в качестве ионно-балансирующего средства 50, например, ионообменная смола смешанного слоя, которая заменяет катионы на H и анионы на OH.
2
3
3
3
3
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Мембрана 60 может быть приварена или приклеена к корпусу 100 и проницаема для молекул газа, подлежащего измерению. Таким образом, молекулы газа проходят через мембрану 60 и растворяются в текучей среде 30 датчика на соответствующие ионы. Например, может использоваться мембрана из политетрафторэтилена и т.п. Как было объяснено ранее, молекулы CO будут растворяться в воде с образованием ионов HO, HCOи OH. Ионы будут диффундировать к электродам 10 и 20 и таким образом увеличат удельную электропроводность текучей среды 30 датчика. Фактически, слабо связанный ион H в ионно-балансирующем средстве 50, на самом деле является ионом H. Но ионы H в воде сразу объединяются в ионы HO, так что термины H и HO в этом случае являются более или менее взаимозаменяемыми.
3
3
3
+
-
-
Ионно-балансирующее средство 50 располагается на удалении от локализации 40 обнаружения (показанной пунктирным прямоугольником) у электродов 10 и 20, где измеряется сигнал. Ионно-балансирующее средство 50 может быть зафиксировано в корпусе 100 с использованием клея, сетки или мембраны или путем его помещения в полуотделенной ячейке внутри корпуса 100. Таким образом, ионно-балансирующее средство 50 располагается на удалении от электродов 10 и 20, но находится в контакте с текучей средой 30 датчика. Посредством этого ионно-балансирующее средство 50 не должно влиять ни на само измерение, ни на количество ионов HO и HCO в масштабах времени, которые релевантны для измерения. Однако ионно-балансирующее средство 50 должно абсорбировать ионы, вымываемые из корпуса 100, клея или других частей датчика. Эти загрязняющие ионы должны достигать ионно-балансирующего средства 50 и реагировать с ним в более длительных масштабах времени, чем масштабы времени, которые релевантны для измерения. Возможно, ионно-балансирующее средство 50 выбирается так, что его сродство к анионам, поступающим из корпуса или клея, больше, чем его сродство к ионам HCO.
-
-
-
+
3
2
3
В качестве примера для ионно-балансирующего средства, может использоваться сильная ионообменная смола смешанного слоя, такая как ионообменная смола Dowex™Marathon mr-3. Альтернативно, можно также выбрать сильную катионообменную смолу в комбинации со слабой анионообменной смолой, потому что слабая анионообменная смола может иметь меньше влияния на ионы HCO, образующиеся из молекул CO. В большинстве случаев, анионообменная смола, которая может быть применена либо в комбинации с катионообменной смолой как смола смешанного слоя, либо отдельно от катионообменной смолы, должна предпочтительно иметь более высокое сродство к загрязняющим ионам, чем к ионам HCOи OH. Аналогичным образом катионообменная смола должна предпочтительно иметь низкое сродство к ионам H и высокое сродство к загрязняющим ионам.
В дополнение к этому, датчик может быть выполнен как портативный датчик, например, для присоединения к части тела пациента для измерения или мониторинга. Таким образом, датчик может включать в себя электропитание, такое как батарея, или соединения для электропитания. Аналогичным образом может быть предусмотрена микросхема для обработки или хранения результатов измерений. В дополнение к этому или альтернативно может быть предусмотрен передающий блок для передачи результатов измерений серверному блоку системы мониторинга пациента и т.п. Передающий блок также может быть выполнен с возможностью получения установочных данных и т.д. Таким образом может быть обеспечен датчик, который является портативным без каких-либо электрических соединений или соединений для передачи данных. Кроме того, датчик в соответствии с настоящим изобретением может интегрироваться в систему, например, в систему вентиляции или в систему мониторинга пациента.
На Фиг. 2A и Фиг. 2B показан другой вариант осуществления датчика в соответствии с настоящим изобретением. Здесь датчик дополнительно включает в себя резервуар 80 для жидкости, который заполнен ионно-балансирующим средством 50. Как показано на Фиг. 2A, резервуар 80 для жидкости располагается в центре датчика, и электроды 10 и 20 располагаются концентрически вокруг него. Кроме того, предусматривается множество каналов 70 для жидкости, которые проходят радиально от резервуара 80 для жидкости и пересекают электроды 10 и 20 в локализациях 40 обнаружения (показанных пунктирным прямоугольником только для одной локализации). Верхняя сторона каналов 70 для жидкости покрывается мембраной 60, в то время как каналы 70 для жидкости отделяются друг от друга стенками канала корпуса 100. Таким образом, большой объем жидкости в резервуаре 80 для жидкости соединяется каналами 70 для жидкости с локализациями 40 обнаружения так, чтобы текучая среда 30 датчика могла поступать к локализациям 40 обнаружения из резервуара 80 для жидкости. Кроме того, ионно-балансирующее средство 50 также находится в контакте с текучей средой 30 датчика, так что загрязняющие ионы могут быть удалены.
2
Как показано на Фиг. 2B, иллюстрирующей поперечное сечение вдоль линии A-A', изображенной на Фиг. 2A, кольцевые электроды 10 и 20 располагаются у основания корпуса 100 датчика для измерения удельной электропроводности текучей среды 30 датчика в локализациях 40 обнаружения. Для того чтобы получить время отклика порядка нескольких минут, толщина слоя воды в локализациях 40 обнаружения, то есть высота каналов 70 для жидкости, определяемая расстоянием между мембраной 60 и нижней частью корпуса 100, должна быть самое большее порядка одного миллиметра, поскольку CO, поступающий через мембрану 60, должен диффундировать через текучую среду 30 датчика к электродам 10 и 20.
3
-
На Фиг. 2A, 2B ионно-балансирующее средство в форме шариков означает 50, зафиксировано в резервуаре 80 для жидкости, который является полуотделенной ячейкой, заполненной текучей средой 30 датчика. Таким образом, текучая среда 30 датчика в резервуаре 80 для жидкости соединена с текучей средой 30 датчика в каналах 70 для жидкости отверстиями или зазорами около нижней части резервуара 80 для жидкости. Конечно же, возможна любая другая геометрия корпуса, например, корпус 100, в котором резервуар 80 для жидкости ограничивается стенками, имеющими отверстия в своей середине. Аналогичным образом ионно-балансирующее средство 50 и резервуар 80 для жидкости могут быть обеспечены отдельно. Корпус 100 может быть сделан из пластмассы, например полиметилметакрилата. Отверстия могут быть меньшими, чем размер ионно-балансирующего средства 50, так, чтобы ионно-балансирующее средство 50 не смогло ускользнуть из резервуара 80 для жидкости. Однако ионно-балансирующее средство 50 также может быть зафиксировано путем использования сетки с отверстиями, меньшими, чем диаметр ионно-балансирующего средства 50, или клея для того, чтобы предотвратить попадание ионно-балансирующего средства в каналы 70 для жидкости. Кроме того, если ионно-балансирующее средство 50 абсорбирует ионы HCO, расстояние между ионно-балансирующим средством 50 и электродами 10 и 20 должно быть существенно больше, чем толщина слоя жидкости на электродах 10 и 20 в локализациях 40 обнаружения, чтобы не влиять на измерение.
Здесь мембрана 60 присоединена к корпусу 100 датчика с кольцевым уплотнителем 110 для того, чтобы избежать использования потенциально загрязняющего клея, однако мембрана 60 может быть также приварена или приклеена. Между каналами 70 для жидкости мембрана 60 поддерживается стенками корпуса 100, определяющими каналы 70 для жидкости, а также резервуар 80 для жидкости. Поскольку мембрана 60 является очень хрупкой из-за ее толщины, составляющей приблизительно 25 микрометров, мембрана 60 может приблизиться слишком близко к электродам 10 и 20 или даже повредиться, если такое укрепление будет отсутствовать. Хотя на Фиг. 2A и 2B показано, что резервуар 80 для жидкости покрыт мембраной 60, это не обязательно должно быть так. Альтернативно резервуар 80 для жидкости может быть покрыт твердой стенкой корпуса 100. В этом случае мембрана 60 дополнительно стабилизируется. Кроме того, ионно-балансирующее средство непосредственно не подвергается газообмену с внешней средой и испарение жидкости через мембрану 60 уменьшается из-за уменьшенной площади соприкосновения мембраны и текучей среды датчика.
Части каналов 70 для жидкости могут быть сделаны гидрофильными, например, стенки могут быть обработаны плазмой, такой как кислородная или азотная плазма, или снабжены гидрофильным или гигроскопичным покрытием. Это гарантирует, что когда текучая среда 30 датчика испаряется через мембрану 60 или утекает другими путями из локализаций 40 обнаружения, каналы 70 для жидкости автоматически снова наполняются текучей средой 30 датчика. Таким образом, благодаря пополнению текучей средой 30 датчика из резервуара 80 для жидкости, электроды 10 и 20 остаются покрытыми текучей средой 30 датчика по меньшей мере в локализациях 40 обнаружения.
2
На Фиг. 3 показан другой вариант осуществления датчика в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 3A показывает вид сверху датчика с удаленной мембраной 60, в то время как Фиг. 3B показывает поперечное сечение через каналы 70 для жидкости датчика вдоль линии A-A', показанной на Фиг. 3A. Этот вариант осуществления отличается от варианта осуществления, показанного на Фиг. 2A, 2B, большим объемом резервуара 80 для жидкости и большим расстоянием между резервуаром 80 для жидкости, включающим в себя ионно-балансирующее средство 50, и электродами 10 и 20. Здесь резервуар 80 для жидкости располагается ниже расположения электродов и полуотделяется от каналов 70 для жидкости стенкой 85 резервуара, имеющей отверстие в центре. Сверху стенки 85 резервуара или резервуара 80 для жидкости располагаются концентрические электроды 10 и 20. Получаемое в результате большее расстояние между ионно-балансирующим средством 50 и электродами 10 и 20 увеличивает время, необходимое ионам для диффундирования от одного до другого. Поскольку электроды 10 и 20 находятся намного ближе к мембране 60, чем к ионообменной смоле 50, ионно-балансирующее средство 50 навряд ли будет оказывать влияние на измерение давления CO. Однако, поглощение ионно-балансирующим средством 50 загрязняющих ионов также займет в среднем больше времени. Если загрязняющие ионы образуются только в результате медленного вымывания ионов, это не создает никаких проблем. Кроме того, больший объем резервуара 80 для жидкости позволяет хранить большее количество материала ионно-балансирующего средства 50 и обеспечивает больший объем текучей среды 30 датчика для того, чтобы буферизовать потерю жидкости в локализациях 40 обнаружения. В дополнение к этому, как показано на Фиг. 3B, корпус 100 может включать в себя верхнюю стенку 130, покрывающую верхнюю сторону датчика за исключением верха каналов 70 для жидкости, так что испарение жидкости через мембрану может быть дополнительно уменьшено.
На Фиг. 4 показан другой вариант осуществления датчика в соответствии с настоящим изобретением, в котором электроды 10 и 20 расположены переплетенным или гребенчатым образом в центре корпуса 100. Каналы 70 для жидкости покрыты мембраной 60, приваренной сверху корпуса 100, и пересекают оба электрода 10 и 20, определяя таким образом локализации 40 обнаружения на электродах 10 и 20. Кроме того, два отдельных резервуара 80 для жидкости, заполненные текучей средой 30 датчика и ионно-балансирующим средством 50, предусмотрены по обе стороны от электродов 10 и 20. Резервуары 80 для жидкости выполнены как полуотделенные ячейки в корпусе 100 датчика, проходящие ниже части, поддерживающей электроды 10 и 20, то есть ниже измерительной поверхности в середине датчика. Другими словами, согласно варианту осуществления, показанному на Фиг. 4B, корпус 100 может быть сформирован как коробка с канавкой на нижней поверхности, так что поперечное сечение корпуса 100 датчика имеет форму буквы U. Резервуары 80 для жидкости находятся по бокам U-образной формы, в то время как электроды 10 и 20, а также каналы 70 для жидкости, находятся в средней части. Мембрана 60 покрывает верхнюю поверхность датчика и находится в контакте по меньшей мере с текучей средой 30 датчика в каналах 70 для жидкости через разрезы на верхней поверхности корпуса 100. Отверстия, посредством которых резервуары 80 для жидкости соединяются с каналами 70 для жидкости и локализациями 40 обнаружения (не показаны на Фиг. 4), являются достаточно малыми для того, чтобы ионно-балансирующее средство 50 не могло утечь из резервуаров 80 для жидкости. Как было описано выше, по меньшей мере одно из каналов 70 для жидкости и области вокруг электродов может быть сделано гидрофильным, улучшая таким образом подачу жидкости из резервуаров 80 для жидкости. Конструкция датчика согласно этому варианту осуществления кроме этого обеспечивает легкую первоначальную очистку путем выпуска текучей среды 30 датчика из одного резервуара 80 для жидкости в другой через порты для жидкости (не показаны), а также беспузырчатое заполнение датчика текучей средой 30 датчика.
Другая конструкция датчика показана на Фиг. 5A и Фиг. 5B. Здесь резервуар 80 для жидкости, включающий в себя ионно-балансирующее средство 50, располагается в центре корпуса 100 датчика. Верхняя сторона резервуара 80 для жидкости покрыта мембраной 60. Каналы 70 для жидкости проходят от резервуара 80 для жидкости как звездообразные или лучевые разрезы в верхней поверхности корпуса. На Фиг. 5A вид сверху показан без мембраны 60, каналы 70 для жидкости открыты сверху и определяются с боков стенками 75 канала корпуса 100. К материалу корпуса 100, образующему стенки 75 канала, ламинированы электроды 10 и 20, что хорошо видно на поперечном сечении, показанном на Фиг. 5B. Таким образом, электрод 10 может быть сформирован как проводящий слой на слое материала корпуса и покрыт другим слоем изолирующего материала (возможно того же самого, что и материал корпуса). После этого второй электрод 20 может быть сформирован как проводящий слой и покрыт другим слоем материала корпуса. Затем сборка может быть структурирована для того, чтобы вырезать каналы 70 для жидкости и резервуар для жидкости. Конечно же, электроды 10 и 20 также могут быть присоединены в поверхности стенок 75 канала иным образом. Стенки 75 канала также определяют плоские габариты резервуара 80 для жидкости, то есть они формируют круговую поверхность резервуара 80 для жидкости. Как показано на Фиг. 5A и Фиг. 5B, каналы 70 для жидкости являются слишком малыми для того, чтобы них могло войти ионно-балансирующее средство 50, так что стенки 75 канала удерживают ионно-балансирующее средство 50 в резервуаре 80 для жидкости. Однако ионно-балансирующее средство 50 также может быть зафиксировано другими средствами, например, при помощи клея, дополнительной мембраны или сетки, как описано выше.
Во всех описанных вариантах осуществления датчик может дополнительно включать в себя средство выпуска (не показано на чертежах), которое позволяет резервуару 80 для жидкости фактически выпускать текучую среду 30 датчика к локализации обнаружения 40. Это может быть незаметной, но значимой особенностью в датчике, такой как подвижная или гибкая стенка резервуара 80 для жидкости, дополнительная ячейка, контактирующая с резервуаром 80 для жидкости, или заранее подготовленное место, где улавливается пузырек газа. Пузырек газа может легко вырасти, поскольку текучая среда 30 датчика из резервуара 80 для жидкости медленно пополняет любую потерю на испарение в локализации обнаружения 40. Газовый пузырек можно, например, оставить в порту заполнения непосредственно перед тем, как датчик закрывается, или вставить как часть отдельной структуры, такой как крошечная часть пластмассового трубопровода (например, между ионно-балансирующим средством 50), которая является гидрофобной и содержит воздушный пузырек. Однако необходимо избегать пузырьков газа или продавливания мембраны 60 в локализации обнаружения 40, так что средство выпуска может быть расположено в том месте в резервуаре 80 для жидкости, которое наиболее благоприятно для формирования пузырька. Для того чтобы избежать пузырьков полностью, может использоваться гибкий резервуар 80 для жидкости, заполненный дегазированной текучей средой 30 датчика и газонепроницаемо упакованный. В случае, когда средство выпуска реализуется как ячейка, она может быть соединена посредством одного или более гидрофобных каналов с резервуаром 80 для жидкости. Кроме того, ячейка средства выпуска может быть гибкой и/или гидрофобной, и возможно включающей в себя пузырек газа, описанный выше. Таким образом изменение объема текучей среды 30 датчика в резервуаре 80 для жидкости может быть компенсировано при подаче текучей среды 30 датчика к месту измерения 40.
2
2
2
2
2
На Фиг. 6 показана зависимость удельной электропроводности (в мкСм/см), измеренной датчиком согласно любому варианту осуществления настоящего изобретения, от времени (в часах) выполнения эксперимента для проверки того, удаляет ли ионно-балансирующее средство 50 нежелательные ионы из текучей среды 30 датчика и остается ли датчик в состоянии измерять количество CO. В момент времени 0 количество ионов, которые могут попасть в текучую среду 30 датчика во время хранения датчика, моделировалось путем добавления крупинки соли (NaCl) к чистой воде. После добавления этой крупинки соли удельная электропроводность воды, используемой в качестве текучей среды 30 датчика, увеличилась до 19 мкСм/см. Далее давление CO ступенчато изменялось с использованием газообразной смеси CO и N в течение 5-6 часов, причем длительность каждой ступеньки составляла приблизительно 30 минут, и измерялось изменение удельной электропроводности. Затем в качестве ионно-балансирующего средства 50 к воде была добавлена ионообменная смола, и установка была оставлена на 16 часов. В течение того периода времени удельная электропроводность понизилась почти до нуля. Затем давление CO снова ступенчато изменялось в течение 5-6 часов с длительностью каждой ступеньки приблизительно 30 минут, и измерялось изменение удельной электропроводности. Результаты измерений удельной электропроводности показаны на Фиг. 6. Следовательно, ионообменная смола 50 смогла удалить смещение, введенное загрязняющими ионами, образовавшимися из крупинки соли.
2
2
2
2
2
2
+
-
На Фиг. 7 показана зависимость удельной электропроводности воды от квадратного корня из процентного содержания CO в газе, который находится в равновесии с количеством CO, растворенного в текучей среде 30 датчика, при атмосферном давлении. Зависимость между удельной электропроводностью чистой воды и парциальным давлением CO, с которым она находится в равновесии, известна и показана как прямая линия на Фиг. 7. Равновесные значения соленой воды измеряются в течение первых 5-6 часов эксперимента, описанного выше, и показаны ромбиками на Фиг. 7, а равновесные значения, измеренные спустя 15 часов после добавления ионообменной смолы 50 к воде 30, показаны на Фиг. 7 крестиками. В пределах погрешности измерения крестики точно ложатся на теоретическую линию. Это показывает, что все нежелательные или загрязняющие ионы были поглощены ионообменной смолой 50 в течение 16 часов после добавления смолы и что измерение удельной электропроводности продолжает откликаться на изменение давления CO, когда COподается в систему и уровень подачи ступенчато изменяется в течение получаса. Следовательно, в случае первоначальной текучей среды, то есть воды с растворенным NaCl, имитирующей текучую среду 30 датчика, загрязненную нежелательными ионами во время хранения, датчик должен быть откалиброван перед использованием для того, чтобы определить зависимость между давлением COи удельной электропроводностью. Напротив, в случае использования в качестве текучей среды 30 датчика окончательной жидкости, то есть воды с ионообменной смолой 50, абсорбировавший ионы Na и Cl, такая калибровка не нужна, поскольку показания датчика точно соответствуют теории. Следовательно, при добавлении ионно-балансирующего средства 50, такого как ионообменная смола, к текучей среде 30 датчика, датчик в соответствии с настоящим изобретением не нуждается в калибровочных процедурах перед использованием. Более того, может быть продемонстрировано, что дрейф показаний такого датчика является незначительным.
2
2
В дополнительном варианте осуществления предлагается система для вентиляции и/или мониторинга пациента, в которой используется датчик согласно любому из вышеописанных вариантов осуществления. Датчик в соответствии с настоящим изобретением может быть применен к кондуктометрическому чрескожному датчику CO, интегрированному в систему. С помощью этих средств парциальное давление CO в крови пациента, который вентилируется в домашних условиях, может непрерывно измеряться в течение ночи для того, чтобы видеть, остаются ли корректными настройки вентилятора.
2
3
-
-
-
+
+
Следует отметить, что особенности, описанные для одного варианта осуществления, упомянутого выше и показанного на Фиг. 1-5, могут быть легко заменены особенностями другого варианта осуществления. Таким образом, особенности вышеописанных вариантов осуществления являются произвольно объединяемыми друг с другом. Кроме того, вышеописанные варианты осуществления датчика иллюстрировались главным образом кондуктометрическими датчиками CO. Однако принципы настоящего изобретения могут также быть применены в других видах основанных на текучей среде датчиков, а именно в потенциометрических датчиках. В этом случае тип ионно-балансирующего средства и/или способа, которым оно отделяется от других частей датчика, является более сложным, потому что ионы, которые преднамеренно помещаются в электролит, используемый в качестве текучей среды датчика (например, Cl для электрода сравнения AgCl), также не должны испытывать воздействия со стороны ионно-балансирующего средства. Эта проблема может быть решена путем использования ионно-балансирующего средства с низким сродством для этих ионов и/или путем отделения этой части текучей среды датчика от ионно-балансирующего средства, которое может быть сделано с помощью твердой стенки или мембраны, которая непроницаема для ионов, которые должны быть сохранены в целости. В дополнение к этому, настоящее изобретение может быть применено в других датчиках, то есть датчиках для измерения концентраций таких ионов, как Cl, F, Na и NH.
Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением дрейф показаний основанного на текучей среде датчика может быть существенно уменьшен благодаря уравновешиванию загрязняющих ионов путем добавления ионно-балансирующего средства к текучей среде датчика, так чтобы можно было избежать калибровки и перемембранирования. Ионно-балансирующее средство абсорбирует нежелательные ионы, вымываемые из корпуса датчика или клея, оставляя в то же время ионы, происходящие из подлежащего измерению газа, нетронутыми в подходящем масштабе времени. Например, датчик может быть сконструирован так, что изменения концентрации определяемого газа происходят в более коротком масштабе времени, чем масштаб времени для появления загрязнения. Следовательно, добавление ионно-балансирующего средства не влияет на результаты измерений. Дрейф может быть еще более уменьшен путем дополнительной компенсации потерь жидкости с использованием резервуара для жидкости. Более того, поскольку данная концепция является дешевой, сам датчик может быть одноразовым. Следовательно, вместо тщательного перемембранирования датчика вся сборка датчика может быть просто заменена целиком.
Таким образом, в наиболее предпочтительном варианте осуществления предлагается неинвазивный чрескожный датчик для измерения концентрации газа в крови, который является дешевым и легким в использовании, доставляемым пациенту почтой и присоединяемым к коже пациента самим пациентом, без вмешательства медсестры или без потребности в калибровке и/или перемембранировании.