CN105759022A - 一种用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备，包括气体入口、出口、气体通道和工作电极，所述工作电极为气体扩散电极，涂覆在气体通道外壁上，所述气体通道连接气体入口与出口；一种经皮气体分析用的检测设备，所述设备的气路包括气室、泵、过滤器、三通阀及气体传感器，所述气室置于皮肤上，气室与皮肤接触面设有开口，所述气体传感器位于气室的下游，所述泵驱动空气经过过滤器，泵经三通阀分两路连接到气体传感器，一路连通传感器，一路通过气室连接到气体传感器。本发明采用的是大尺寸电极，响应信号大，快响应、高灵敏度，检测下限最低，对放大电路要求低，传感器自身抗中毒及干扰能力强，测量稳定性及可靠性得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及用于分析人体血液或皮肤产生的气体传感器和设备，具体是一种用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备。
背景技术
经皮氧分压（transcutaneousoxygen,TcpO2）、经皮二氧化碳分压（（transcutaneousoxygen,TcpCO2）作为一种无创监护手段最初用于治疗新生儿而开发的，它是一种无损伤性的连续血气测定技术,其优点为可以连续的监测血气的动态变化,减少取血次数及其引起的血源感染机会,使诊断和监护变得更为简便，现已成功用于诸多不同领域，如麻醉术中及ICU危重病人、严重呼吸病患者、人工通气治疗的患者及休克病人的监护、肢体血管疾病的诊断、治疗和预后估价等。
随着临床医学的发展，人们发现血液及组织中存在的气体与多种病理情形相关，通常血液气体的分析需要通过各种方式提取血液并用专门的仪器进行分析，其缺点是显而易见的，为了克服该缺陷，采用经皮气体测量技术已成为发展方向之一。而目前广泛应用的电流型气体传感器（H2S、NH3、CO、H2、甲醛、丙酮等）由于响应时间慢、分辨率较低及分析所需气体样品量较大等方面的缺陷很难用于经皮气体测量。
这是因为在进行经皮气体测量时，如将传感器直接贴在皮肤表面对皮下组织的气体进行测量，皮下组织的气体必须经过皮肤到达传感器表面，由于电流型传感器测量时消耗气体，会在气体扩散通道内（皮肤及传感器气体扩散层）形成浓度梯度，由于气体在皮肤角质层中的扩散阻力与气相扩散阻力相差近万倍，皮肤内会建立较大的浓度梯度，而皮肤表面的气体浓度接近于零，因而利用商品化的电流型气体传感器无法实现所述测量。
解决问题的一个方法是利用微电极，只要电极足够小，测量所消耗的气体量远小于从角质层扩散过来的量，则气体扩散层不会扩展到皮肤角质层内，可以获得较为准确的结果。但微电极存在信号小，对放大电路设计要求高，易中毒，稳定性及抗干扰能力较弱等缺点。
解决问题的另一个方法是现将皮肤表面扩散出来的气体先收集起来后进行测量，由于皮下组织气体通过皮肤弥散到气室的量少且速度慢,短时间内很难收集到满足常规电流型气体传感器分析要求的足够量的气体,因而只能用高灵敏度且样品需求量小的色谱、质谱分析及微电极技术进行分析测量。
为此，专利200880009793.6设计了一个钟型气室对皮肤气体进行采集，然后利用一微型氨气传感器对钟型气室中所采集的气体中的氨气进行测量，由于所述微电极具有响应速度快、分析所需气量较少等优点，在测量分析时不需要为增强其对皮下组织气体的渗透性而对患者皮肤进行加热，消除了皮肤烧伤的危险，但所述传感器设计非常精巧，质量控制较困难，而且微电极技术存在的各项缺点并没有解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于经皮气体分析用的气体传感器，包括气体入口、出口、气体通道、工作电极、电解液、对电极、参比电极和多孔PTFE膜，所述工作电极为气体扩散电极，涂覆在气体通道外壁上，所述气体通道连接气体入口与出口，允许待测气体从中流过。
作为本发明进一步的方案：所述气体通道为多孔PTFE管，所述多孔PTFE管中填充多孔材料延长气体在其中停留时间，多孔PTFE管的直径为1～5mm,长度为10～80mm。
作为本发明再进一步的方案：所述气体通道为薄层气室，所述工作电极由至少一片平面气体扩散电极组成，薄层气室上下均由工作电极组成，所述薄层气室的厚度≤5mm，薄层气室内填充惰性材料延长气体在气室内的停留时间。
作为本发明再进一步的方案：所述薄层气室的厚度为1～2mm。
一种经皮气体分析用的检测设备，所述设备的气路包括气室、泵、过滤器、三通阀及气体传感器，所述气室置于皮肤上，气室与皮肤接触面设有开口，用于皮下组织气体的经皮采集，所述气体传感器位于气室的下游，所述泵驱动空气经过过滤器，泵经三通阀分两路连接到气体传感器，一路连通传感器，一路通过气室连接到气体传感器。
作为本发明再进一步的方案：所述气室为一扁平的薄层结构。
作为本发明再进一步的方案：还包括第二三通阀、第三三通阀、第二泵和第三泵，泵、气体传感器、三通阀、第二三通阀、第三三通阀与气室构成循环气路，测量时泵驱动气室中的气体在循环气路中循环流动，第二泵位于气室下游，清空时驱动空气经过滤器清空气室中的气体，第二泵和第三泵分别连接第二三通阀、第三三通阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用的是大尺寸电极，响应信号大，快响应、高灵敏度，检测下限最低，对放大电路要求低，传感器自身抗中毒及干扰能力强，因而测量的稳定性及可靠性得到提升。
附图说明
图1为用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备的结构示意图。
图2为用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备中一种气路的结构示意图。
图3为用于经皮气体分析用的气体传感器及检测设备中另一种气路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种用于经皮气体分析用的气体传感器，包括气体入口1、出口2、多孔PTFE管3、工作电极4、电解液5、对电极6、参比电极7和多孔PTFE膜8，所述工作电极4为气体扩散电极，涂覆在多孔PTFE管3外壁上，所述多孔PTFE管3连接气体入口1与出口2，允许待测气体从中流过，所述多孔PTFE管3中可填充多孔材料延长气体在其中停留时间，多孔PTFE管3的直径为1～5mm,长度为10～80mm。
作为上述传感器结构的一种变化，传感器内部气体通道也可设计成一薄层气室，所述工作电极4由至少一片平面气体扩散电极组成，保证所述薄层气室体积与工作电极4的面积比尽可能小，薄层气室上下均由工作电极4组成，这样气体流经气室时能以最短的时间被电解，所述气体通道的厚度不超过5mm,优选为1～2mm，薄层气室内可填充一些惰性材料延长气体在气室内的停留时间，进一步提高电解的效率。
如所述气体传感器结构达到设计要求，则一定浓度范围内的气体以一定流速流过传感器时会被完全电解，且电解电流的变化足够分辨所述气体浓度，则可采用图2所示气路对经皮气体进行分析测量，一种经皮气体分析用检测设备，所述设备的气路包括气室201、泵401、过滤器601、三通阀301及气体传感器501，所述气室201置于皮肤101上，二者接触面有开口，用于皮下组织气体的经皮采集，气体传感器501位于气室201下游，泵401驱动空气经过过滤器601，泵401经三通阀301分两路连接到气体传感器501，一路直通传感器501，一路通过气室201连接到气体传感器501。所述气室201优选为一扁平的薄层结构，这样气室201内气体才能较快地与血液或体液中的气体达到平衡，及时反应血液、体液中气体浓度的变化，所述气室201体积的选择需要兼顾气体平衡时间及分析所需气体量的大小，从采样的角度来说，气室越小，气室内气体平衡速度越快，有利于提高监测频率；从分析的角度来说，气室越大，被分析气体量越大，检测分辨率越高；对高浓度气体的检测（如O2、酒精等），或传感器响应灵敏度较高、电解速度很快的气体（如H2S、CO、NO等）气室可以较小，而对气体浓度较低、传感器响应灵敏度低、电解速度较慢的气体（如H2、NH3等）可能需要较大的气室体积。
一种经皮气体分析用检测设备，利用该气路进行经皮气体测量步骤如下：
（1）采样平衡：采样气室201固定到皮肤101上后平衡一段时间（如1-5分钟）；
（2）零点测量：打开泵驱动空气以固定流速（如1ml/s-5ml/s）经过滤器601、泵401、三通电磁阀301后通过传感器501，测量零点，直到获得稳态的响应电流；
（3）经皮气体测量：零点电流稳定后，切换电磁阀301，使气体经过滤器601、泵401、三通电磁阀301、推动气室201中的气体通过传感器501，记录传感器响应曲线；
（4）浓度计算：通过传感器响应峰面积或固定时间段的电流积分计算气室201中气体浓度；
（5）浓度监测：以一定的时间间隔重复以上过程。
其中传感器501响应峰面积或固定时间段的电流积分与气室201中气体浓度的关系通过标准气标定完成。
由于皮下组织的气体通过皮肤扩散到气室的速度很慢，如不对皮肤进行加热，采样气室内气体与皮下组织内气体浓度达到平衡需要较长的时间,因而监测频率不能设置得太高。
实际上为了测量皮下组织气体浓度，并不一定需要等待气室201中的气体完全平衡后再进行测量，由于气体通过皮肤弥散到气室过程满足Fick扩散定律，只要固定采样频率进行准稳态测量也可估算平衡状态的气体浓度。可通过一次稳态测量与所述固定采样分析频率下测量结果的比值进行修正，这样可大大提高分析采样频率，提高实时监测效果。
通过调整测量频率，还可以进一步分析皮下组织气体通过皮肤弥散的动力学参数，这是本发明方法应用的一个拓展。
另一种提高监测频率的方法是通过多个气室联合检测的方式来实现。
如气体在传感器电极上的反应速度较慢，气体流过传感器后不能被完全电解，则可采取图3所示其气路结构进行循环测量，通过延长测量时间（延长电流积分时间）进一步提高测量的灵敏度，降低气室201的体积。
还有一种情况，如传感器响应速度慢、且所述待测气体浓度较高（如O2，H2、CO、酒精），气体通过传感器后浓度的降低基本可忽略，也可采用图3所示气路减少气室体积。
图3所示气路结构的特点是将经过传感器测量后的气体在通回气室中进行反复测量，这样在小气室下可延长测量时间，提高测量灵敏度，降低检测限；所述气路包括气室201、泵401、气体传感器501、三通阀301、第二三通阀302、第三三通阀303、过滤器601，所述气室201置于皮肤101上，二者接触面有开口，用于采集组织气体的经皮采集，所述泵401、气体传感器501、三通阀301、第二三通阀302、第三三通阀303与气室201构成循环气路，测量时泵驱动气室201中的气体在循环气路中循环流动，第二泵402位于气室201下游，清空时驱动空气经过滤器601清空气室201中的气体，其采样分析过程如下：
（1）采样平衡：采样气室201固定到皮肤101上后平衡一点段时间（如5min）；
（2）零点测量：打开泵驱动空气以固定流速（如1ml/s-5ml/s）经过滤器601、三通阀301、泵401、后通过传感器501，第二三通阀302排空，测量零点，直到获得稳态的响应电流；
（3）经皮气体测量：零点电流稳定后，切换三通阀301，第二三通阀302，第三三通阀303、使气室201中的气体经过三通阀301、气体传感器501、第二三通阀302、第三三通阀303回到气室201中进行循环测量一定时间，记录传感器响应曲线；
（4）通过传感器在所述测量时间范围内的响应峰面积或固定时间段的电流积分计算气室201中气体浓度；
（5）清空：打开第三泵403,切换三通阀301、第三三通阀303、使空气经过过滤器601、三通阀301、气室201、第三三通阀303、第三泵403排空。
其中传感器501在所述测量时间范围内的响应峰面积或固定时间段的电流积分与气室201中气体浓度的关系通过标准气标定完成。
根据传感器501每次测量对气室201中气体浓度的影响情况，可选择适当的测量频率兼顾测量准确性与监护数据采样时间间隔的要求。与图2所示气路相比，图3所示气路的优点在于可减少测量对气室201中气体浓度的影响，可适当提高测量频率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种用于经皮气体分析用的气体传感器，包括气体入口（1）、出口（2）、气体通道、工作电极（4）、电解液（5）、对电极（6）、参比电极（7）和多孔PTFE膜（8），其特征在于，所述工作电极（4）为气体扩散电极，涂覆在气体通道外壁上，所述气体通道连接气体入口（1）与出口（2），允许待测气体从中流过。
2.根据权利要求1所述的用于经皮气体分析用的气体传感器，其特征在于，所述气体通道为多孔PTFE管（3），所述多孔PTFE管（3）中填充多孔材料延长气体在其中停留时间，多孔PTFE管（3）的直径为1～5mm,长度为10～80mm。
3.根据权利要求1所述的用于经皮气体分析用的气体传感器，其特征在于，所述气体通道为薄层气室，所述工作电极（4）由至少一片平面气体扩散电极组成，薄层气室上下均由工作电极（4）组成，所述薄层气室的厚度≤5mm，薄层气室内填充惰性材料延长气体在气室内的停留时间。
4.根据权利要求3所述的用于经皮气体分析用的气体传感器，其特征在于，所述薄层气室的厚度为1～2mm。
5.一种经皮气体分析用的检测设备，其特征在于，所述设备的气路包括气室（201）、泵（401）、过滤器（601）、三通阀（301）及气体传感器（501），所述气室（201）置于皮肤（101）上，气室（201）与皮肤（101）接触面设有开口，用于皮下组织气体的经皮采集，所述气体传感器（501）位于气室（201）的下游，所述泵（401）驱动空气经过过滤器（601），泵（401）经三通阀（301）分两路连接到气体传感器（501），一路连通传感器（501），一路通过气室（201）连接到气体传感器（501）。
6.根据权利要求5所述的一种经皮气体分析用的检测设备，其特征在于，所述气室（201）为一扁平的薄层结构。
7.根据权利要求5所述的一种经皮气体分析用的检测设备，其特征在于，还包括第二三通阀（302）、第三三通阀（303）、第二泵（402）和第三泵（403），泵（401）、气体传感器（501）、三通阀（301）、第二三通阀（302）、第三三通阀（303）与气室（201）构成循环气路，测量时泵驱动气室（201）中的气体在循环气路中循环流动，第二泵（402）位于气室（201）下游，清空时驱动空气经过滤器（601）清空气室（201）中的气体，第二泵（402）和第三泵（403）分别连接第二三通阀（302）、第三三通阀（303）。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20160713 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |