CN102160472B - 调制安培传感器的极化电压 - Google Patents

Abstract

通过仅仅在校准期间或当测量样本时才以适合于测量这样的样本的氧含量的极化电压操作安培电化学氧传感器的电极来增加这样的传感器的服务寿命，并且此后将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流。

Description

调制安培传感器的极化电压

技术领域

本发明涉及电化学传感器、尤其是安培传感器的操作，所述安培传感器例如被用于测量氧、葡萄糖、乳酸盐等，并且最特别地用于测量血液的氧含量的安培传感器。

背景技术

存在若干种用于测量液体的氧浓度的方法。对于医学应用，已研发了电化学传感器并且已在市场上销售。当前正在使用的一种工具是可以从Siemens Healthcare Diagnostics有限公司得到的Rapidpoint 400。当测量血液的氧含量时，使用在美国专利5,387,329中描述的类型的传感器。该传感器采用三个电极，即工作电极、参考电极和反电极。在美国专利4,571,292中描述了这样的三个电极传感器的基本原理。在工作电极处，氧被还原成氢氧离子，而在反电极处氢氧离子被氧化成分子氧。该传感器提供可逆的反应组并且不需要电极的消耗。当跨工作和反/参考电极施加电压时所测量的电流与样本的氧含量相关。

参考美国专利5,387,329中的描述，以得到典型的氧传感器的细节。三个电极是沉积在非导电衬底上的薄金属带。在‘329专利中，工作电极位于反电极和参考电极之间。在使用传感器时被激活的电解质层（例如Nafion?层）覆盖电极。接着，允许样本中的氧扩散通过其到达工作电极的隔膜覆盖该电解质层。‘329专利传感器的特征是，工作电极非常小并且展示出快速的非消耗行为。

这种传感器的使用寿命非常重要，因为通常它们在医院或其它临床环境中是一天24小时可用的。‘329专利教导隔膜被样本成分或其它杂质污染可能会影响隔膜，缩短其寿命。传感器部件的分层也被看成传感器不精确或出现故障的起因。已观察到与氧传感器寿命有关的另一问题，这由本发明克服。

经验已示出，传感器可能不是逐渐损失精确度，而是突然在电流输出中产生尖峰，其与被测试的样本的氧含量、或者清洗或校准溶液的氧含量无关。除非电流尖峰仅仅是暂时的，否则传感器是毫无用处的并且必须被代替。现在相信，电流增加由从电极扩展到电解质层中的小的树枝状晶体的形成产生，这引起电流的增加或者引起电极之间的短路。因为电极非常小，它们之间的距离也非常小，所以难以在保持本传感器大小的同时找出解决该问题的方案。

与‘329专利中的提议相反，在典型的操作中，传感器通常以操作电压被极化，因为它必须被定期地校准并且随时可以使用。在测试了样本的氧含量之后，使用通常包含表面活性剂的水清洗剂来清洗传感器隔室以便移除样本并且电极保持在测试极化电压（例如-0.800v）直到被需要，同时保持与停滞的清洗溶液的一部分接触。清洗剂的一部分通常会包含接近环境水平的氧或者会随着时间逐步朝向环境水平的氧平衡。每30分钟，利用校准溶液来测试传感器以确保传感器提供精确的结果。因此，传感器总是保持有效并且暴露于一部分停滞清洗和校准溶液二者中的氧。研究示出这样的暴露于氧促成了因为上述电流尖峰的突然出现而缩短传感器的寿命。如将在下文中详细描述地，本发明涉及一种用于增加氧传感器的寿命并且避免突然出现电流尖峰的装置。本发明还可应用于其它安培传感器以便改进性能并且增加它们的服务寿命。

发明内容

本发明是一种用于操作安培传感器（例如被用于测量血液或生物流体中的氧、葡萄糖、乳酸盐的安培传感器）的方法。仅当测量目标组分（例如氧）的样本时，传感器才以它们的适当的极化电压来操作。此后，极化电压被调制到较低的电压，以使得电极基本上不产生电流。因此，仅当传感器要被校准或用于测试样本时，才以操作电压极化电极。

在一个实施例中，本发明是一种操作电化学氧传感器的方法，其中仅当测试样本或者被校准时，才以适于测量氧含量的极化电压来操作该传感器。此后，极化电压被调制到较低的电压以使得电极基本上不产生电流。仅在传感器要被校准或者被用于测试样本时，电压才被升高到操作电压。因此，传感器在服务寿命约96％的时间内以较低的电压被极化。

在特定实施例中，电化学传感器具有衬底上的平面电极，其覆盖有聚合物电解质和氧可渗透的隔膜。邻近氧可渗透的隔膜放置的样本中的氧迁移通过隔膜进入电解质层，并且通过工作电极处的氧还原来产生电流。电流被测量并且与样本的氧含量相关。在测试样本之后，当它被清洗时，传感器的极化电压被降低。极化电压保持在降低的水平直到传感器被校准并且再次用于测试新的样本为止。

在优选实施例中，极化电压是约-0.4到-1.2伏特，优选地约-0.8伏特，并且调制电压小于-0.4伏特，优选地约-0.1伏特。在图5中示出了极化电压的周期性变化。

附图说明

图1是氧传感器的横截面图。

图2是图的氧传感器的电流对时间的曲线图。

图3是针对氧传感器的校准电流对日期的典型曲线图。

图4是针对显示突然故障的氧传感器的校准电流对日期的典型曲线图。

图5是先前实践中使用的极化与本发明的比较的图。

具体实施方式

本发明通常涉及改进（例如被用于测量生物流体比如血液中的氧、葡萄糖、乳酸盐等的）安培传感器的性能和服务寿命。特别地，本发明具有分析血液的氧含量的优点，如下文详细描述的那样。

安培氧感测

如上所述，电化学氧传感器使用由电解质分开的电极。氧可渗透的隔膜将样本与电解质分开。当将电势跨越电极施加时，来自样本的氧穿过隔膜迁移到电解质中以便到达电极，其中它在工作电极处被还原以产生电流。电流被测量并且与样本的氧含量相关。应该参考美国专利5,387,329，其中示出典型的平面氧传感器。可以在图1中看到这种氧传感器的一个实施例的横截面图。

在图1中，传感器10被组装在衬底12上。工作电极18被定位在参考电极14和反电极16之间。层20是包含针对电极的开口的电介质层。电极被电解质层22（例如Nafion?）和可渗透的隔膜24（例如共聚物）覆盖。样本液体通过进端口30进入腔28并且通过出端口32出去。盖子34封闭传感器10。衬垫26密封样本腔28和端口30和32。

如在‘329专利中所描述的那样，衬底可以是陶瓷绝缘体。导电带通常由衬底上的丝网印刷贵金属（铂）膏制成，金属被选择以便在电极以约－0.8伏特极化时提供电流平稳段。优选地，电解质是Nafion?聚合物。隔膜是共聚体，其对氧具有有限的可渗透性，但在阻挡可能干扰传感器性能的污染物时通过水蒸汽。从气体不能渗透并且不包含污染物的材料中选择密封衬垫。

这样的传感器非常小。在‘329专利中，样本腔体积小于10μL。整个尺寸仅是约0.18英寸（4.57mm）长和0.18英寸（4.57mm）宽。参考电极和反电极的暴露区域每一个仅是约1.6mm²，并且工作电极的工作区域约0.01mm²。工作电极和反电极及参考电极之间的间隔仅约0.024英寸（0.61mm）。因此，如果传感器要提供始终如一地精确结果，它就必须被非常精确地制造。

在图2中图示了这种氧传感器的操作。当电极被极化并且样本被引入到传感器中时，取决于样本中的氧的百分比，由样本中的氧产生的电流被看作相对水平的值。

在改编自‘329专利的、图示出所测量的电流对时间的图2中，典型传感器（例如在图1中示出的典型传感器）的响应接收12％的氧水校准溶液并且产生在40处的电流。此后，包含20％氧的血液样本产生在42处示出的电流，并且包含12％的氧的样本产生在44处示出的电流。显然，当引入12％的氧样本时，产生比当20％的氧样本被添加到样本腔时更低的电流。因此，传感器产生可以与样本的氧含量相关的电流。如在‘329专利中所阐明的那样，位置46指示由样本的顺序引入产生的反常。

当长期使用传感器时结果是一致的，如在图3中图示的那样，图3图示出代表高和低氧浓度的两个校准样本的在35天中产生的电流。也就是说，在许多天中，所产生的电流相对一致，因为定期校准传感器以确保精确度。然而，当传感器损坏时所产生的电流急剧增加时，如图4中示出的那样，其中零氧校准样本没有示出变化，但是仅在4到5天之后包含氧的校准样本产生更高且不稳定的电流。

‘329专利提出这些氧传感器的故障可能会因为氧可渗透的隔膜的污染而出现，或者机械故障可能起因于成层的部件的分层。已观察到另一种类型的故障，其当前归因于来自电极边缘的树枝状晶体的形成。这些可能起因于若干可能的因素，包括电极边缘中的不规则性、金属杂质或来自氧的电化学还原的副产品。这种突然故障已被追踪到在所采用的典型操作循环期间氧的一贯存在。

在典型操作协议中，氧传感器一天24小时持续一周七天处于服务。可以根据需要测试血液样本，可以是每天1次到100次。在中间时间期间，传感器是空闲的，但是保持在其标准极化电压例如约-0.8伏特下。以规则间隔（例如30分钟）测量水校准溶液。当引入血液样本时，通过使用直接在前的校准的结果来确定其氧含量。在测试完成之后，血液样本被移除并且利用通常包含表面活性剂的水清洗剂溶液来清洗传感器，在传感器空闲时其保持与隔膜接触。

已完成如下实验，其中与更典型的清洗溶液（其将具有约110mm Hg氧）相比，该清洗溶液的氧含量相对较低（例如约20mm Hg）或者相对较高（例如700mm Hg）。校准溶液也可以具有低或高的氧含量。测试的结果指示，当使用低氧含量的清洗溶液时，传感器的使用寿命相对于利用高氧含量清洗溶液操作的传感器延长了。显然，从仪器除去氧是困难且不现实的。

实例1

八个Rapidpoint 400（Siemens Healthcare Diagnostics）被用来检查清洗溶液中氧浓度的影响。四个仪器使用低氧清洗溶液（约16.3mm Hg O₂）并且四个仪器使用高氧清洗溶液（约700mm Hg O₂）。每个仪器运行约10个日常血液样本并且在每个样本之后被清洗。每半小时进行利用156mm Hg氧水溶液的校准。

发现平均来说，利用低氧溶液清洗的仪器会没有故障地被操作约10周，除了一个经历与清洗溶液的氧含量无关的问题的仪器。利用高氧溶液清洗的仪器在约3周内全部都在校准期间出现故障。

延长氧传感器寿命

尽管似乎使用低氧浓度清洗溶液将增加传感器寿命，但是从仪器除去氧被看作一种对该问题的可能的但是不实际的解决方案。研究了另一种避免清洗溶液中的氧的明显影响的方法，并且发现它会显著延长氧传感器的使用寿命。也就是说，当电极不需要用于校准或用于血液测试时，通过调制电极的极化电压来降低高氧清洗溶液对传感器寿命的影响。该过程避免在传感器处于服务的时间的约96％期间由电极产生电流。仅当被校准或当测量样本时，电极被完全极化。

在该方法中，仅在测量循环期间（即在校准和样本测试期间），以-0.8伏特来极化电极。在其它时间，即在清洗以及处于空闲时段期间，极化电压是约-0.1伏特。但是以-0.1伏特极化基本上没有生成电流，因为该电压不会引起氧的电化学还原。甚至在高氧浓度清洗溶液被用于有意地增加传感器故障的次数时，发现这是真的。

实例2

八个Rapidpoint 400仪器被测试以确定调制极化电压的影响。每个仪器都使用高氧含量清洗溶液。四个仪器被用作控制（即它们遵循传统的协议），包括保持完全以-0.8伏特的电极极化。剩余仪器将极化电压从-0.8伏特切换到-0.1伏特，除了当传感器被校准或用于测试样本时。控制仪器平均在两周显示出它们的传感器的故障，但是仅在校准和测试期间以-0.8伏特操作的那些仪器在八周的操作中没有显示出传感器故障。

尽管一些减小极化电压的方法是可能的，在图5中图示采用协议这样做的优选方法。将极化电压减小到某些其它值也是可能的，尽管较少地令人满意。例如，将电压减小到-0.4和0伏特之间也应该是有益的。然而，不希望完全切断极化电压，尽管这将必定最小化氧效应。实验已显示这样的切断极化电压可产生传感器故障。

在电子电路中，通常通过采用隔离功率并将其馈送到非常精确的参考二极管连同限流电阻器来产生极化电压。进而，该电压进一步被适合的电阻分配器对分压，以便产生极化电压（即-800mV）所需的正确极化电平。该极化电压的调制可以通过添加并联电阻器和计算机控制的光学隔离器来实现。并联电阻器经由到隔离器的计算机命令将极化电压降低到-100mV。隔离器的光学特征用于将计算机硬件从敏感的模拟极化信号隔离。

在图5中，上线表示处于传统条件下的传感器的操作，即传感器在整个其服务寿命保持在-0.8伏特（800mV）的恒定极化。根据本发明，传感器的极化被调制到-0.1伏特（100mV），除了当被用于测量样本的氧含量时或者当被校准时。显然，仅在其服务寿命的一小部分上以其操作电压来极化传感器。优选的是在空闲时段期间保持低电压，以避免与将极化电压电子电路完全接通或切断有关联的问题。

应用于用于测量血液氧含量的安培传感器的技术可以被应用于用于测量血液或其它生物流体中的葡萄糖、乳酸盐等等的含量的这种其它传感器。会预期到这种传感器的改进的服务寿命。

Claims (13)

1.一种用于延长安培氧传感器的服务寿命的方法，所述安培氧传感器具有覆盖有聚合物电解质的平面电极和氧可渗透的隔膜，改进包括仅在当所述电极被校准或测试样本的时间段期间以适合于测量邻近所述氧可渗透的隔膜放置的样本的氧含量的极化电压来操作所述传感器，在其它时间将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中适合于测量氧含量的极化电压是-0.4伏特到-1.2伏特。

3.根据权利要求2所述的方法，其中适合于测量氧含量的极化电压是约-0.8伏特。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在其它时间将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流包括除了在其中所述电极被校准或者测试样本的时间段期间之外将所述极化电压调制到小于-0.4伏特。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在其它时间将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流包括除了在其中所述电极被校准或者测试样本的时间段期间之外将所述极化电压调制到约-0.1伏特。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在其它时间将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流包括将所述极化电压在传感器的服务寿命的约96％调制到较低的电压。

7.一种用于测量液体样本的氧含量的方法，包括：

（a）获取液体样本；

（b）将所述液体样本引入到电化学传感器中，所述传感器包括工作电极、反电极和参考电极，所述工作电极、反电极和参考电极中的每个被布置在介质衬底上并且由电解质层覆盖，并且氧可渗透的隔膜布置在所述电解质层和所述样本之间；

（c）以因来自所述样本的氧的还原而产生的、足以引起电流流动的电压来极化所述工作电极、反电极和参考电极；

（d）测量在（c）中产生的电流并且将所述电流与所述样本的氧含量相关联；

（e）将所述工作电极、反电极和参考电极的极化电压调制到一个值，以使得在所述工作电极、反电极和参考电极之间基本上没有电流流动；

（f）将清洗溶液引入到所述传感器以取代所述样本；

（g）将所述工作电极、反电极和参考电极极化到（c）的电压并且将已知氧含量的至少一种校准溶液引入到所述传感器；

（h）测量在（g）中产生的电流并且确认所述至少一种校准溶液的氧含量；以及

（i）重复步骤（a）－（h）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述样本是血液。

9.根据权利要求8所述的方法，其中（c）的极化电压是约-0.8伏特。

10.根据权利要求8所述的方法，其中（e）的所述极化电压是约-0.1伏特。

11.一种操作被用来测量生物流体中的目标成分的安培传感器的方法，包括仅在当所述传感器的电极被校准或测试样本的时间段期间以适合于测量所述生物流体的样本中的目标成分的极化电压来操作所述传感器，在其它时间将极化电压调制到较低的极化电压以使得所述电极基本上不产生电流。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述目标成分是氧、葡萄糖或乳酸盐。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述目标成分是血液中的氧。

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