CN101400997B - 氨传感器及使用氨传感器的系统 - Google Patents

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Abstract

一种氨气传感装置，包括限定流体流动路径的壳体。流体流动路径包括流体入口、流体出口和接近端口。气体可穿透/液体不可穿透的膜在接近端口处安装在壳体上并针对该壳体密封以使得膜暴露到流体流动路径但是阻止流体从接近端口周围而不是通过膜向外面流动。氨传感器在膜外面的位置在接近端口处安装在壳体上。一种用于利用氨传感装置的系统，包括氨气传感装置、指向在氨传感器的光源、用以检测氨传感器从光源反射的光的光电检测器和用于控制光源和光学传感器的控制器。

Description

氨传感器及使用氨传感器的系统
相关申请
本申请要求于2006年1月6日提交的美国临时申请No.60/756,783的优先权，其在此被引用作为参考。
技术领域
本技术涉及使用基于化学的传感器以检测流体中的氨气。
背景技术
基于吸附剂的血液透析系统通过使得血液和透析液流体在透析器内的膜的相对侧的循环通过透析器而操作。血液废物可以从血液侧移动通过膜到透析液侧。包含血液废物的透析液流体然后可以通过去除或者分解血液废物而重复利用。用于去除例如尿素的过程可以包括将透析液流体暴露到将尿素分解为铵离子和碳酸盐的材料。副产品铵离子然后通过结合到离子交换材料例如磷酸锆而被去除。即使通过该过程铵离子被安全和容易地去除，有时也期望监测在透析液流体中铵离子的存在。
发明内容
本发明提供用于监测流体中的气态氨的氨气检测装置。检测装置包括壳体，其限定流体流动路径。流体流动路径包括流体入口、流体出口和位于流体入口和流体出口之间的接近端口。气体可穿透/流体不可穿透膜在接近(access)端口处安装在壳体上。膜暴露到流体流动路径，但是阻止流体从接近端口周围而不是通过膜向外面流动。氨传感器在膜外面的位置在接近端口处安装在壳体上。
本发明还提供用于利用氨气检测装置以监测流体中的气态氨的系统。该系统包括指向在氨传感器上的光源、用以测量氨传感器从光源反射的光的光电检测器和用于控制光源和光学传感器的控制器。
附图说明
图1是氨气检测装置的例子的截面视图。
图2是为图1的装置的一部分的壳体的截面视图。
图3是图2所示壳体的透视图。
图4是图1的装置中的膜的透视图。
图5是图1的装置中的氨传感器的透视图。
图6是图1的装置中的透镜的透视图。
图7和8是用于图1所示的装置的替代构型的局部放大视图。
图9是替代的透镜的截面视图。
图10是图9所示的透镜的透视图。
图11和12也是用于图1所示的装置的替代构型的局部放大视图。
图13和14是用于氨气检测装置的替代壳体的截面视图。
图15是用于监测流体中的氨气水平的系统的示意性视图。
具体实施方式
附图所示的装置具有为权利要求中所述的要素的例子的部分。这样，下面的描述包括本领域技术人员如何能够实现和使用本发明的例子。提供该描述以符合撰写、能够实施和最佳模式的需要，而不施加在权利要求中没有叙述的限制。
在图1所示的例子中，氨气检测装置10包括流体流动路径13，通过其流体例如血液或者透析液流体可以流动通过液体不可穿透/气体可穿透膜14。位于膜14外面的是基于化学的氨传感器16，其可以与通过膜14的气态氨反应。当暴露到气态氨时，氨传感器16将提供可检测的变化，从而表明在流动通过膜14的流体中存在氨。
如图1所示，装置10具有限定流体流动路径13的壳体20。在该特定的例子中，壳体20是由塑料制成的一片单一结构。如单独在图2和图3中所示，壳体20具有分别限定流体流动路径13的第一和第二部分的第一和第二部分22和24。壳体20还具有角部部分26，第一和第二部分22和24在该处以一定角度相交。加强筋28在两部分22和24之间延伸。
壳体20的第一部分22具有提供沿着其整个长度的直管状构型的圆柱形的内外表面30和32。第一部分22的环形的端面34限定到流体流动路径13的圆形入口37。端面34是第一部分22的扩边部分38的一部分，其配置的以连接到柔性液压管路或者软管。
壳体20的第二部分24配置在第一部分22的镜象中，这样具有沿着其整个长度的直管状构型。在第二部分24的软管连接部分42上的环形端面40限定从流体流动路径13的出口45。
壳体的角部部分26限定接近端口47。角部部分26的环形外端面50限定接近端口47的开口外端51。圆柱形的内表面54从外端面50向内轴向延伸，环形肩形表面56从圆柱形表面54向内径向延伸。肩形表面56的边缘58限定接近端口47的开口内端59。这样，接近端口47的该例子配置为沉头孔。如图1所示，O圈密封件62在接近端口47中的肩形表面56上安装在壳体20上。膜14在接近端口47的开口外端51在O圈密封件62外面的位置安装在壳体20上。相应地，O圈密封件62位于肩形表面56和膜14之间。如图4所示，膜14是具有内表面64和外表面66的圆盘形状。膜14是气体可穿透和液体不可穿透的，并包括从内表面64延伸通过到外表面66的很多细通道。这些通道大到足以使得氨气通过，但是小到足以阻止液体通过。这样的气体可穿透和液体不可穿透膜的例子是GoreTex
Figure G2006800534267D00031
再次参照图1，由O圈密封件62、肩形表面56和膜14形成的并形成在其间的密封防止流体从接近端口47周围而不是通过膜14向外流动。
氨传感器16在膜14外面的位置在接近端口47处安装在壳体20上。如图5所示，氨传感器16是具有内表面68和外表面70的圆盘形状。氨传感器16包括化学指示剂物质，其在当氨传感器16暴露到气态氨时，将经历可检测的变化，例如可见的颜色变化。适当的化学指示剂物质的例子是溴甲酚绿和丙二酸的混合物。当暴露到气态氨时，溴甲酚绿/丙二酸化学指示剂物质从黄色变化颜色到蓝色。化学指示剂物质可以由适当的基底例如纤维纸支撑。适当的纸基底的例子是Whatman
Figure G2006800534267D00032
一级滤纸。这样，氨传感器16的例子是用在乙醇中的大约1μl的丙二酸(大约8mM)/溴甲酚绿钠盐(大约083mM)溶液处理过的Whatman一级滤纸。
再次参照图1，透镜72在接近端口47的环形外端面50安装在壳体20上。如图6所示，透镜72是具有内表面74和外表面76的圆盘形状。透镜可以是光学的透明聚合物，例如聚碳酸酯。透镜72、氨传感器16、膜14和O圈密封件62被用光学的透明粘合剂例如Loctite
Figure G2006800534267D00034
FLASHCURETM4307固定到壳体。粘合剂被从附图中省略以便示例清楚。
透镜72可以配置的以在接近端口47内安装在壳体20上，如图7所示。在该构型中，透镜72的直径足够大以使得透镜72的外缘围绕其整个周边缘延伸超过肩形表面56。O圈62和其它部件作用如上所述。
当透镜72配置的以在接近端口47内安装在壳体20上时，如图7所示，也可使用替代的氨传感器构型。该氨传感器构型在图8中示出。通过固定透镜72到壳体20以使得通过透镜72的外缘和肩形表面56施加并在它们之间作用压缩力而形成密封。由透镜72施加的压缩力也压缩膜14的外缘，其紧靠肩形表面56而重叠肩形表面56以在膜14和肩形表面56之间形成压缩密封。膜14和肩形表面56之间的压缩密封阻止流体从接近端口47周围而不是通过膜14向外面流动。透镜72可以用例如粘合剂或者通过超声桩式接合被固定到壳体20。
图9和10示出透镜80的替代构型。如图9和10所示，该透镜80具有圆柱形的内部部分82和圈形状的外边缘部分84。内部部分82比形成支架表面86的外边缘部分84轴向更厚。
如图11所示，替代的透镜80相对壳体20确定尺寸以使得当在接近端口47处安装在壳体20上时，透镜80的支架表面86在其整个周边部分重叠接近端口47的外端面50，并且透镜80的环形内部部分82在接近端口47内向下延伸。再者，透镜80的环形内部部分82的直径足够大以使得环形内部部分82的外缘围绕其整个周边重叠肩形表面56。在如图11所示的例子中，O圈62和其它部件作用如上所述。透镜80在透镜80的支架表面86和接近端口47的外端面50固定到壳体20。具体地，透镜80在支架表面86的周边处超声地桩式连接到壳体20。或者，透镜80可以通过粘合剂固定。
当透镜80的环形内部82配置的以在接近端口47内向下延伸并且环形内部82的直径足够大以使得环形内部82的外缘在其整个周边重叠肩形表面56时，如图11所示，可以利用另外的氨传感器构型。该氨传感器构型在图12中示出。通过固定透镜80到壳体以使得在透镜80的环形内部82的外缘和肩形表面56之间施加压缩力而形成密封。由透镜80施加的压缩力从透镜80传递通过氨传感器16到膜14，并抵着肩形表面56压缩膜14的外缘。膜14和肩形表面56之间的压缩密封阻止流体从接近端口47周围而不是通过膜14向外面流动。在该构型中，选取透镜80、氨传感器16和膜14的厚度以使得足以在膜14和肩形表面56之间形成密封的压缩力在透镜80的圆柱形的外边缘部分84接触接近端口的外端面50之前产生。透镜80可以例如用粘合剂或者通过超声桩式接合固定到壳体20。
图13和14示出用于氨检测装置的壳体的替代的例子。图13所示的壳体100具有限定流体流动路径103的管状部分102。壳体100的管状部分102具有沿着其整个长度提供其直管状构型的圆柱形的内外表面106和108。管状部分的末端部分110和112配置的以连接到柔性液压管路或者软管，如上面关于图2和图3所示的壳体20所述的。壳体100具有与上面描述的接近端口47相同的特征的接近端口114。
图14所示的壳体200具有限定弯曲的流体流动路径203的管状部分202。壳体200管状部分202是弯曲的，其圆柱形的内外表面206和208沿着其整个长度提供弯曲的管状构型。管状部分202的末端部分210和212配置的以连接到柔性液压管路或者软管，如上所述。壳体200具有与上面描述的接近端口47一样的特征的接近端口214。
上述氨气检测装置可用在用于监测流体中的氨气水平的系统。如图15所示，氨气检测系统300包括控制器302、光源304、光电检测器306和包括氨传感器310的氨气检测装置308。例如在图15中示出的氨气检测装置308与上面参照图1所述的装置20相同。
如图15所示，控制器302与光源304和光电检测器306可操作地互连。控制器302具有配置的以操作那些部件304和306的硬件和/或软件，并可以包括任何的适当的可编程逻辑控制器或者其它控制装置，或者控制装置的组合，其是编好程的或者配置的以如权利要求所述地执行。光源304是LED，并且光电检测器306可以是光敏晶体管或者光敏二极管。
在如图15所示的系统300的操作中，来自光源304的光，其由控制器302控制，被定向以撞击到光电检测器306上，如直线312所示。撞击在光电检测器306上的光的强度可以随着氨传感器310的颜色的变化而变化。例如，如果氨传感器310在暴露到氨气时从黄色变化到蓝色并且光源304是黄色LED，氨传感器310反射的光的强度将随着氨传感器310的颜色从黄色变到蓝色而降低。
发生在氨传感器中的可检测的变化的速率取决于化学指示剂物质的敏感度和氨传感器暴露到的气态氨的量二者。作为例子，有用的氨传感器将足够敏感以检测低水平的气态氨，但是可检测的变化，例如颜色之间的变化，将以与检测到的气态氨的量的定量类型的关系逐渐发生。当氨传感器以与暴露到气态氨的水平的定量类型的关系变化时，可检测的变化提供用于定量氨传感器已经暴露到的气态氨的量的手段。具体地，在pH值7.3的血液中的NH4 +∶NH3约为1000∶1。这样，当流体，例如已知pH值的血液中的气态氨分子的量是已知的时，流体中的铵离子的量可以基于例如其在血液中的关系而估计。可以使用的另一指示是在一设定时间段内氨水平的快速升高。
例如，如果光电检测器306是光敏晶体管，反射光的减少将导致从光敏晶体管的电压输出的减少。在该例子中，控制器302，其监测光敏晶体管，将记录该减少。取决于电压输出的任何变化，控制器302将提供适当的指示到系统，其中氨气检测系统操作并且系统因此可以相应地动作。如果控制器302还控制较大的系统，其将相应地动作。例如，在透析系统中，其中透析液流体中的氨水平被监测，大约30％的光敏晶体管电压输出的降低可以表明在透析系统中氨正在增加，应该停止透析治疗。控制器302还能够通过定期地关断光电检测器306(turning the photo detector 306 off)以补偿环境光的变化来进行例如再校准光电检测器306的操作。
该书面描述提出本发明的最佳方式，并通过介绍权利要求所述的要素的例子描述本发明以使得本领域技术人员能够实现和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并可以包括本领域技术人员可以想到的其它例子。这些其它例子，其可以是本申请的提交日之前或之后可用的，如果它们具有并非不同于本权利要求的文字语言的构成要素，或者如果它们包括相当的构成要素，与本权利要求要求的文字语言并无实质差异，则是在本权利要求的范围内。

Claims (50)

1.一种氨气检测装置，包括：
壳体，其限定流体流动路径，该流体流动路径包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体出口之间的接近端口；
气体可穿透且液体不可穿透膜，其在所述接近端口安装在所述壳体上以使得所述膜暴露到所述流体流动路径；
密封件，其安装在所述膜和所述壳体之间以阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动；和
氨传感器，其在所述膜的外面的位置在所述接近端口处安装在所述壳体上，
其中，所述流体流动路径具有在角部处相交的第一和第二部分，并且所述接近端口位于所述角部处。
2.一种氨气检测装置，包括：
壳体，其限定流体流动路径，该流体流动路径包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体出口之间的接近端口；
气体可穿透且液体不可穿透膜，其在所述接近端口安装在所述壳体上以使得所述膜暴露到所述流体流动路径；
密封件，其安装在所述膜和所述壳体之间以阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动；和
氨传感器，其在所述膜的外面的位置在所述接近端口处安装在所述壳体上，
其中，所述流体流动路径沿着弯曲部延伸，所述接近端口位于所述弯曲部的外侧。
3.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述壳体是单一结构。
4.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述壳体是由塑料制成。
5.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述壳体配置的以在所述入口和出口连接到柔性管。
6.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述密封件是O圈。
7.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述接近端口包括圆柱形的沉头孔，其中安装有所述密封件、膜和氨传感器。
8.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，其中，所述氨传感器包括溴甲酚绿和丙二酸的混合物。
9.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，还包括固定所述密封件、膜和氨传感器到所述壳体的透明粘合剂。
10.如权利要求1或2所述的氨气检测装置，还包括在所述氨传感器外面的位置中在所述接近端口处安装在所述壳体上的透镜。
11.一种氨气检测装置，包括：
壳体，其限定流体流动路径，该流体流动路径包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体之间的接近端口，所述接近端口包括沉头孔，该沉头孔具有圆柱形的侧面和向内径向延伸的肩形底面；
气体可穿透且液体不可穿透膜，其安装在所述沉头孔内以使得所述膜暴露到所述流体流动路径，并具有延伸超过所述肩形表面的外缘；
氨传感器，其在所述膜外面的位置安装在所述沉头孔内；和
柱面透镜，其在所述氨传感器外面的位置安装在所述沉头孔内以使得通过所述透镜的外缘施加压缩力并且所述压缩力作用在所述透镜的外缘和所述肩形表面之间以抵着所述肩形表面密封所述膜的所述外缘，从而阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动。
12.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述流体流动路径具有在角部处相交的第一和第二部分，所述接近端口位于所述角部。
13.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述流体流动路径沿着弯曲部延伸，所述接近端口位于所述弯曲部的外侧。
14.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述透镜具有圆柱形的内部部分和圆柱形的外边缘部分，所述内部部分比所述外边缘部分厚。
15.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述壳体是单一结构。
16.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述壳体是由塑料制成。
17.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述壳体配置的以在所述入口和出口连接到柔性管。
18.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述氨传感器包括溴甲酚绿和丙二酸的混合物。
19.如权利要求11所述的氨气检测装置，还包括固定所述透镜到所述壳体的透明粘合剂。
20.如权利要求11所述的氨气检测装置，其中，所述透镜通过超声桩式接合固定到所述壳体。
21.一种用于监测在流体中的氨气水平的系统，包括：
a)壳体，其包括：
i)流体流动路径，其包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体出口之间的接近端口；
ii)气体可穿透且液体不可穿透膜，其在所述接近端口安装在所述壳体上以使得所述膜暴露到所述流体流动路径；
iii)密封件，其安装在所述膜和所述壳体之间以阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动；和
iv)氨传感器，其在所述膜的外面的位置在所述接近端口处安装在所述壳体上；
b)光源，其指向所述氨传感器；
c)光电检测器，其可操作以测量所述氨传感器从所述光源反射的光；和
d)控制器，其可操作以控制所述光源和光电检测器，
其中，所述流体流动路径具有在角部相交的第一和第二部分，并且所述接近端口位于所述角部。
22.一种用于监测在流体中的氨气水平的系统，包括：
a)壳体，其包括：
i)流体流动路径，其包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体出口之间的接近端口；
ii)气体可穿透且液体不可穿透膜，其在所述接近端口安装在所述壳体上以使得所述膜暴露到所述流体流动路径；
iii)密封件，其安装在所述膜和所述壳体之间以阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动；和
iv)氨传感器，其在所述膜的外面的位置在所述接近端口处安装在所述壳体上；
b)光源，其指向所述氨传感器；
c)光电检测器，其可操作以测量所述氨传感器从所述光源反射的光；和
d)控制器，其可操作以控制所述光源和光电检测器，
所述流体流动路径沿着弯曲部延伸，并且所述接近端口位于所述弯曲部的外侧。
23.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述壳体是单一结构。
24.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述壳体是由塑料制成。
25.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述壳体配置的以在所述入口和出口处连接到柔性管。
26.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述密封件是O圈。
27.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述接近端口包括圆柱形的沉头孔，其中安装有所述密封件、膜和氨传感器。
28.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述氨传感器包括溴甲酚绿和丙二酸的混合物。
29.如权利要求21或22所述的系统，还包括固定所述密封件、膜和氨传感器到所述流体流动路径的透明的粘合剂。
30.如权利要求21或22所述的系统，还包括在所述氨传感器的外面的位置在所述接近端口安装在所述壳体上的透镜。
31.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述氨传感器发挥作用以随着所述氨传感器暴露到氨气从黄色变到蓝色。
32.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述光源是LED。
33.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述光源是黄色LED。
34.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述光电检测器是光敏晶体管。
35.如权利要求21或22所述的系统，其中，所述光电检测器是光敏二极管。
36.一种用于监测流体中的氨气水平的系统，包括：
a)氨气检测装置，其包括：
i)壳体，其限定流体流动路径，该流体流动路径包括流体入口、流体出口和位于所述流体入口和所述流体出口之间的接近端口，所述接近端口包括沉头孔，该沉头孔具有圆柱形的侧面和向内径向延伸的肩形底面；
ii)气体可穿透且液体不可穿透膜，其安装在所述沉头孔内以使得所述膜暴露到所述流体流动路径，并具有延伸超过所述肩形表面的外缘；
iii)氨传感器，其在所述膜外面的位置安装在所述沉头孔内；和
iv)柱面透镜，其在所述氨传感器外面的位置安装在所述沉头孔内以使得通过所述透镜的外边缘施加压缩力并且所述压缩力作用在所述透镜的外边缘和肩形表面之间以抵着所述肩形表面密封所述膜的所述外缘，从而阻止流体从所述接近端口周围而不是通过所述膜向外面流动；
b)光源，其指向在所述氨传感器；
c)光电检测器，其可操作以测量所述氨传感器从所述光源反射的光；和
d)控制器，其可操作以控制所述光源和光电检测器。
37.如权利要求36所述的系统，所述流体流动路径具有在角部相交的第一和第二部分，并且所述接近端口位于所述角部。
38.如权利要求36所述的系统，所述流体流动路径沿着弯曲部延伸，并且所述接近端口位于所述弯曲部的外侧。
39.如权利要求36所述的系统，其中，所述透镜具有圆柱形的内部部分和圆柱形的外边缘部分，并且所述内部部分比所述外边缘部分厚。
40.如权利要求36所述的系统，其中，所述壳体是单一结构。
41.如权利要求36所述的系统，其中，所述壳体是由塑料制成。
42.如权利要求36所述的系统，其中，所述壳体配置的以在所述入口和出口处连接到柔性管。
43.如权利要求36所述的系统，其中，所述氨传感器包括溴甲酚绿和丙二酸的混合物。
44.如权利要求36所述的系统，还包括固定所述透镜到所述壳体的透明的粘合剂。
45.如权利要求36所述的系统，其中，所述透镜通过超声桩式接合固定到所述壳体。
46.如权利要求36所述的系统，其中，所述氨传感器发挥作用以随着所述氨传感器暴露到氨气从黄色变到蓝色。
47.如权利要求36所述的系统，其中，所述光源是LED。
48.如权利要求36所述的系统，其中，所述光源是黄色LED。
49.如权利要求36所述的系统，其中，所述光电检测器是光敏晶体管。
50.如权利要求36所述的系统，其中，所述光电检测器是光敏二极管。
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