ES2609691T3 - Aparato de análisis de gases con una combinación de deshumidificador de gas y convertidor de gas - Google Patents

Aparato de análisis de gases con una combinación de deshumidificador de gas y convertidor de gas Download PDF

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Abstract

Dispositivo (1) para la medición de por lo menos un analito gaseoso en aire exhalado mediante una unidad de detección de gases (13) con por lo menos un sensor de gases (15), mostrando un dispositivo para la conversión de gas (17), donde al dispositivo para la conversión de gas (17) se le conecta en serie un dispositivo para la deshumidificación del aire (19), donde el por lo menos un analito gaseoso es monóxido de nitrógeno y el dispositivo para la conversión de gas (17) es un dispositivo (17) para la oxidación de monóxido de nitrógeno a dióxido de nitrógeno.

Description

DESCRIPCION
Aparato de analisis de gases con una combinacion de deshumidificador de gas y convertidor de gas
Gracias a la WO 2008/088780 A1, a OLEKSANDR KUCMYCH et al. "Carbon Nanotube Sensors for exhaled breath components", Nanotechnology 18 (2007) 375502, la WO 97/35519 y la DE 10130296 A1 se conocen dispositivos 5 para la determinacion de monoxido de nitrogeno en aire exhalado.
Gracias a la WO 99/57560 se conoce un mecanismo para el transporte de muestras gaseosas.
Gracias a la WO 2006/114766 A2 se conoce un mecanismo para la determinacion de monoxido de nitrogeno a traves de una conversion del monoxido de nitrogeno en dioxido de nitrogeno.
La US 2008/0093226 A1 muestra sensores nanoelectronicos para la deteccion de analitos, por ejemplo, amoniaco.
10 Gracias a la DE 9320785 U1 se conoce un aparato para la dosificacion controlada de monoxido de nitrogeno al aire respirable de los pacientes.
La presente invencion se relaciona con una ordenacion para la medicion de la concentracion de monoxido de nitrogeno (NO) en el gas respirable y un procedimiento para la medicion de la concentracion de NO.
El oxido de nitrogeno (monoxido de nitrogeno, NO) se libera en muy bajas concentraciones de las celulas de las vlas 15 respiratorias continuamente en la corriente de gas respirable. Para el diagnostico y terapia optimizada del asma y otras enfermedades inflamatorias de las vlas respiratorias, el NO representa un importante marcador. El asma pertenece en aproximadamente el 5% de los adultos y aproximadamente el 20% de los ninos en los palses industrializados desarrollados a las enfermedades mas frecuentes. En procesos inflamatorios de las vlas respiratorias, por ejemplo, asma actuan elevadas concentraciones de NO de 80 ppb (partes por billon) en el aire 20 exhalado. Las crisis de asma inminentes pueden reconocerse mediante un aumento del contenido en NO del aire exhalado ya claramente antes que mediante un test de funcion pulmonar. Por consiguiente, la medicion de NO en el aire exhalado es un procedimiento preferente para el diagnostico y seguimiento de la terapia del asma y enfermedades inflamatorias de las vlas respiratorias.
Hasta ahora no habla disponibles en el mercado sensores economicos de NO con la sensibilidad precisa en el rango 25 de ppb. Un sensor de NO2 de nuevo desarrollo a base de la tecnologla "Suspended Gate FET" (del ingles transistor de efecto de campo de puerta suspendida) corresponde a los requisitos nombrados. Evidentemente se tiene que conectar en serie a un sensor de este tipo un modulo de conversion para la transformacion del NO en el gas respirable a NO2, que puede detectar el sensor. Un modulo de conversion de este tipo deberla aguantar idealmente varios meses o incluso anos, ser economico y convertir NO en NO2 con la tasa de conversion mas alta posible y 30 constante.
La reaccion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno se lleva a cabo conforme a la siguiente ecuacion qulmica:
2 NO + O2^2 NO2,
La reaccion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno puede realizarse en un aparato de deteccion de gas 35 respirable mediante un dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno, por ejemplo, mediante paso de aire respirable a traves de un oxidante (por ejemplo, permanganato potasico) o un catalizador de oxidacion.
Otro problema es el hecho de que el NO2 se disuelve considerablemente mejor en agua que el NO. Por tanto, es necesario un procedimiento, para mantener la concentracion del NO2 convertido en el gas respirable humedo lo mas 40 constante posible y cuantitativamente medible. Debido a la mayor solubilidad del NO2 en agua, en el aire (respirable) con alto contenido en humedad se disuelve una parte del NO2 (convertido) en agua, la concentracion del NO2 medible disminuye y se mide un contenido en NO aparentemente demasiado bajo.
Para hacer posible una medicion cuantitativa del contenido en NO se propone conforme a la invencion un aparato de analisis del gas respirable, en que el aire respirable se conduce en primer lugar a traves de un dispositivo para la 45 deshumidificacion del aire y a continuacion a traves de un dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno.
Ademas de la estabilizacion y reduccion de la proportion del NO2, que se disuelve en la humedad del aire, este procedimiento tiene la ventaja adicional de que mediante la deshumidificacion del aire se reduce la sensibilidad
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cruzada eventualmente presente en el sensor de gases hacia la humedad del aire, y/o mediante el ajuste definido se lleva la humedad del aire a un valor definido. Por otra parte opcionalmente, se posibilitan de este modo dispositivos cuya demanda de energla sea considerablemente reducida: el aliento con un punto de roclo de tlpicamente 35-38°C producirla en un aparato a temperatura ambiente una condensacion de las humedades, que conduce, en cada caso, a mediciones falsas o bien, cuando la camara de medicion este bien sellada respecto al entorno, a un llenado de la camara de medicion con agua. Habitualmente se utiliza para impedir este efecto un calentamiento de la camara por encima de la temperatura de punto de roclo de la humedad del aliento, que conlleva una demanda de energla de tlpicamente varios W, as! como conlleva un tiempo de espera hasta la disponibilidad operacional (fase de calentamiento). Mediante el deshumidificador de gases puede prescindirse de esto y construirse un pequeno aparato con demanda de energla reducida.
La invencion se relaciona particularmente con un mecanismo para la medicion de monoxido de nitrogeno en un aire exhalado mediante una unidad de deteccion de gases con por lo menos un sensor de gases, mostrando un dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno, donde al dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno se le conecta en serie un dispositivo para la deshumidificacion del aire.
De manera totalmente general, la invencion se relaciona con un mecanismo para la medicion de un analito gaseoso en aire exhalado mediante una unidad de deteccion de gases con por lo menos un sensor de gases, mostrando un dispositivo para la conversion de gas, donde al dispositivo para la conversion de gas se le conecta en serie un dispositivo para la deshumidificacion del aire.
Conforme a la invencion, el analito gaseoso es monoxido de nitrogeno y el dispositivo para la conversion de gas es un dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno.
El sensor de gases es preferentemente un sensor FET sensible al NO2.
La oxidacion puede realizarse mediante transito del aire (respirable) a traves del oxidante (por ejemplo, permanganato potasico) o un catalizador de oxidacion.
Preferentemente se preve un indicador que indique el grado de absorcion de agua o que indique cuando el contenido en agua del aire supera un valor umbral crltico tras atravesar el dispositivo para la deshumidificacion del aire.
Conforme a un modo de operacion se emplea un desecante qulmico para la deshumidificacion del aire.
Existen diversos tipos de desecantes:
- secado a traves de una reaccion qulmica = irreversible
- el agua se combina a traves de formacion de agua cristalina
- se absorbe de manera reversible en tamices moleculares
Son desecantes apropiados particularmente cloruro de calcio, sulfato de cobre, sllice o zeolitas, gel azul, gel naranja y similares. Los geles azul y naranja consisten asimismo en gel de sllice, aunque contienen un colorante indicador que indica el grado de absorcion de agua.
Conforme a un modo de operacion de la invencion, el dispositivo para la deshumidificacion del aire se preve como consumible en una unidad separada, que puede cambiarse por separado al consumirse el dispositivo, por ejemplo, al agotarse la capacidad de absorcion de agua.
Conforme a un modo de operacion de la invencion, el dispositivo para la deshumidificacion del aire es un desecante electrico para la deshumidificacion del aire, por ejemplo, un calefactor o condensador electrico.
Conforme a un modo de operacion de la invencion, el dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno se preve como consumible en una unidad separada, que puede cambiarse por separado al consumirse el dispositivo, por ejemplo, al agotarse la capacidad de oxidacion.
Conforme a un modo de operacion de la invencion, el dispositivo para la deshumidificacion del aire se preve en conjunto con el dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno como consumibles en una unidad separada.
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Preferentemente se preve en el aparato de analisis de la respiracion una unidad separada como la antes descrita reemplazable sin otra herramienta, por ejemplo, mediante una o varias conexion(ones) por enchufe sencilla(s).
Conforme a un modo de operacion de la invencion, la unidad de deteccion de gases muestra un sensor de transistor de efecto campo (sensor FET) sensible al NO2.
Dado que la entalpla de reaccion es negativa, la reaccion se lleva a cabo en la direccion de la conversion a NO2, o sea solo se tiene que posibilitar mediante un catalizador. A tal efecto se comenta que tambien en el aire exhalado esta presente aun la gran parte del oxlgeno disponible en el aire ambiental, pues solo una pequena parte de este se consume al respirar.
La invencion se describe a continuacion en base a ejemplos y en relacion con la Figura, que muestra:
FIG 1 una representacion esquematica de un modo de operacion del dispositivo conforme a la invencion.
La FIG 1 muestra para ejemplificar y esquematicamente un modo de operacion del dispositivo 1 conforme a la invencion con un modulo de conversion 11 y una unidad de deteccion de gases 13. A traves de una alimentacion 21 se gula aire exhalado en una unidad separada 11, en la que se preve un dispositivo para la oxidacion de monoxido de nitrogeno 17. Conectado en serie a este hay un dispositivo para la deshumidificacion del aire 19, por ejemplo, en forma de un desecante qulmico, como por ejemplo gel de sllice, sulfato de cobre o similar. A traves de una llnea 23 se conduce tras la conversion el aire exhalado en la unidad de deteccion de gases 13, en la que se preve un sensor de gases 15 sensible al NO2.
Opcionalmente, la unidad separada 11, que puede desarrollarse como artlculo desechable (desechable), o el sistema de canales de flujo, que se enchufa a la unidad separada, puede contener una valvula de una via (por ejemplo, valvula de una via retroceso/retencion) (no mostrada), de forma que el usuario no pueda continuar aspirando e inhalando de nuevo el aire exhalado en el modulo.
El modulo de conversion y/o el modulo de deshumidificacion 11 puede disenarse de forma que se indique por ejemplo un viraje de color u otra modificacion perceptible, cuando el modulo se consume y tiene que cambiarse. Puede efectuarse una escala de color comparativa junto a la ventana para la observacion del cambio de color.
El modulo puede contener ademas opcionalmente un mecanismo para la regeneracion de los productos qulmicos de reaccion consumibles. As! puede contener el modulo de deshumidificacion 11 un dispositivo calefactor por ejemplo un cable calefactor, con el que puede calentarse de nuevo la humedad almacenada. En este caso se integran en el modulo 11 y en el aparato de analisis interfaces de contacto para la activacion del dispositivo de regeneracion.
En otro modo de operacion, el modulo de conversion y/o el modulo de deshumidificacion 11 se introduce mediante un pozo accesible desde fuera directamente antes de o en la camara de medicion, de forma que el gas convertido pueda medirse sin demora a la conversion y se evite la variacion de la concentration mediante el ajuste de un equilibrio qulmico. En este modo de operacion, el modulo de conversion y/o el modulo de deshumidificacion 11 esta favorablemente detras de una valvula (no mostrada) en el sistema de canales de flujo, de forma que el modulo de conversion no se exponga con la valvula cerrada (por ejemplo, en estado pasivo no usado del aparato de medida) a ninguna influencia ambiental.
Generalmente se lleva el aliento en la primera etapa a traves del deshumidificador. Este se construye de forma que represente una resistencia al flujo definida y limitada para el aliento, as! como garantice una alta superficie de contacto del desecante respecto al aire respirable. Geometrlas apropiadas las representan aqul por ejemplo el empleo de una camara con un estrato suelto y de poro abierto de un granulado, que contenga el desecante o sin embargo el empleo de una estructura con un gran numero de canales (similar a los catalizadores de gases de escape), donde la superficie de los canales esta provista del desecante.
Desecantes apropiados son sustancias, que ligan fuerte y definidamente la humedad del aire, aunque dejan pasar el gas objetivo inalterado, por ejemplo sustancias que tengan una estructura de poro interna apropiada, que ligue el agua, como por ejemplo el gel de sllice (= gel de sllice), zeolitas de sales y minerales atrayentes del agua como por ejemplo cloruro calcico, bentonita, arcillas, pollmeros que retienen el agua como por ejemplo polidextrosas y polisiloxanos secos, oxidos que retengan el agua, como por ejemplo P2O5, SO3.
Como sensor de gases 15 entra en consideration por ejemplo el uso de un sensor sensible al NO2 a base de un transistor. En caso de empleo de la deteccion de oxido de nitrogeno segun el principio de la medicion de la funcion de trabajo se conocen diversos transistores de efecto campo, en los que la capa sensible al gas se representa como electrodo de compuerta. Este electrodo de compuerta puede estar separado mediante un entrehierro del llamado conducto de impulsion del transistor de efecto campo. La base para una senal de medida detectada es la variacion del potencial entre compuerta y conducto de impulsion (AVG). En las solicitudes de patente alemanas n° 198 14
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857.7 y n° 199 56 806.5 se describen por ejemplo superestructuras hlbridas Flip-Chip de sensores de gases, que se desarrollan como transistores CMOS. Un sensor de gases puede equiparse por otra parte con dos transistores de efecto campo, cuyo comportamiento de regulacion se ajusta mediante entrehierros casi iguales de grandes entre conducto de impulsion y electrodo de compuerta y cuyas capas de sensor pueden seleccionarse por separado. En el registro de patente aleman n° 199 56 744.1 se describe como la separation entre electrodo de compuerta y conducto de impulsion de un transistor de efecto campo puede representarse de manera reproducible mediante separadores extremadamente precisos. Otra ordenacion preve aplicar el material sensible al gas en forma porosa sobre el conducto de impulsion o la compuerta.
Las capas sensibles al gas para el empleo en un llamado SG-FET (transistor de efecto de campo de puerta suspendida) pueden ser favorablemente colorantes de porfina, como por ejemplo ftalocianinas con el atomo central cobre o plomo. A temperaturas del sensor de entre 50° y 120° C se pueden verificar sensibilidades de o xido de nitrogeno hasta en el rango inferior de ppb. La deteccion tiende como siempre a dioxido de nitrogeno.
Otros materiales apropiados para su empleo en transistores de efecto campo sensibles al gas como capas sensibles al gas para la detection de oxido de nitrogeno, particularmente de dioxido de nitrogeno, son oxidos metalicos finamente cristalinos accionados a temperaturas de entre 80° y 150° C. Estos pueden ser particularment e SnO2, WO3, In2O3; las sales del sistema carbonato como carbonato de bario o los pollmeros como por ejemplo polisiloxanos, son asimismo concebibles.
Preferentemente se preve el modulo convertidor lo mas cerca posible del sensor, por ejemplo, en la abertura de entrada a la camara de medida o integrado en la propia camara de medida; con ello puede medirse el gas convertido lo mas directamente posible.
En un modo de operation de la invention, el modulo de deshumidificacion y el modulo convertidor se alojan en conjunto en un desechable, de tal manera que el modulo de deshumidificacion sea atravesado en primer lugar por el gas de medida.
En un modo de operacion alternativo de la invencion, el desechable se construye modular, de forma que el modulo de deshumidificacion y el modulo convertidor puedan intercambiarse por separado. Esto es ventajoso, cuando ambos modulos se consuman a diferente velocidad, y por tanto pueden emplearse en un numero de ciclos de medida claramente diferente.
En otro modo de operacion de la invencion, el desechable contiene ademas un filtro de partlculas, para evitar una contamination del aparato de medida con bacterias. Son apropiados, por ejemplo, los correspondientes filtros HEPA (High Efficiency Particulate Airfilter, del ingles filtro de aire de alta eficiencia para partlculas). El filtro deberla tener el tamano de poro suficientemente fino para filtrar bacterias, virus o impurezas similares de la corriente de aire, aunque al mismo tiempo ofrezcan una baja resistencia al flujo.
Conforme a otro modo de operacion, el modulo de conversion con deshumidificador de aire se integra en el propio elemento sensor (de manera hlbrida o monolltica). Esto puede realizarse mediante una estructura multicapa (por ejemplo, capa de deshumidificador, capa de catalizador de oxidation, capa de sensor) o mediante una estructura monolltica (la superficie del sensor esta sobre el mismo cuerpo portador y esta entremezclada homogenea o heterogeneamente con el material catallticamente activo y deshumidificador).
Ademas puede preverse un dispositivo calefactor o dispositivo de secado, para regenerar el dispositivo para la deshumidificacion del aire.
Preferentemente puede existir un dispositivo calefactor sobre la superficie o integrado en el material del modulo de conversion, que regenere de nuevo la habilidad oxidativa y/o la capacidad para la deshumidificacion del aire del modulo.
El dispositivo calefactor puede ponerse en funcionamiento automaticamente, controlado por ejemplo mediante la medicion de las horas de servicio o mediante la medicion del flujo gaseoso mediante el modulo. En otro modo de operacion, se somete al aparato de analisis de gases a intervalos de tiempo seleccionables a controles de calidad o calibration con un gas de calibrado de concentration de NO definida. Este proceso de calibrado puede servir tambien para medir la tasa de efectividad del modulo de conversion y con tasa de efectividad decreciente activar la regeneracion.
El desecante se proyecta conforme a un modo de operacion (excedente de material), de forma que tambien para un contenido de humedad fluctuante de la respiration (por ejemplo, debido a temperatura corporal elevada) se obtenga posteriormente un contenido en humedad constante de la respiracion.
Puede utilizarse tambien un hipotetico sensor dependiente de la humedad.
Conforme a un modo de operacion, el desecante se aplica sobre un material de poro abierto de la matriz para el ajuste de una resistencia a la respiracion definida. Alternativamente puede preverse tambien en otra posicion en el dispositivo un material de poro abierto o red de fibras, para definir una resistencia a la respiracion en el aparato.
Se encuentran considerables ventajas del sistema completo dado que se utiliza un metodo de medicion no invasivo.
5 Las mediciones pueden repetirse en gran numero de ocasiones y se pueden utilizar por consiguiente tambien especialmente para controles de seguimiento en terapias, en el diagnostico de asma en ninos, en la deteccion precoz del asma o para medidas medicas preventivas. Mediante el empleo de catalizadores no consumibles, el dispositivo conforme a la invencion es de facil mantenimiento y posibilita mediciones economicas. El sistema aqul presentado es por eso tambien apropiado para el empleo fuera de hospitales y en consultas medicas.
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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo (1) para la medicion de por lo menos un analito gaseoso en aire exhalado mediante una unidad de deteccion de gases (13) con por lo menos un sensor de gases (15), mostrando un dispositivo para la conversion de gas (17), donde al dispositivo para la conversion de gas (17) se le conecta en serie un dispositivo para la deshumidificacion del aire (19), donde el por lo menos un analito gaseoso es monoxido de nitrogeno y el dispositivo para la conversion de gas (17) es un dispositivo (17) para la oxidacion de monoxido de nitrogeno a dioxido de nitrogeno.
  2. 2. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1, donde se preve un indicador, que indica el grado de absorcion de agua o indica cuando el contenido en agua del aire supera un valor umbral crltico tras atravesar el dispositivo para la deshumidificacion del aire (19).
  3. 3. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1 o 2, mostrando ademas un desecante qulmico para la deshumidificacion del aire.
  4. 4. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 3, mostrando un mecanismo para la regeneracion del desecante qulmico.
  5. 5. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1 o 2, mostrando ademas un desecante electrico para la deshumidificacion del aire.
  6. 6. Dispositivo (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, donde el dispositivo para la deshumidificacion del aire (13) y/o el dispositivo para la conversion de gas (17) se preven como consumibles en una unidad separada (11).
  7. 7. Dispositivo (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, mostrando ademas un filtro de partlculas.
  8. 8. Dispositivo (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, mostrando ademas una valvula de una via, de forma que un usuario no pueda continuar aspirando e inhalando de nuevo el aire exhalado en el dispositivo (1)
  9. 9. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1, donde el sensor de gases (15) es un sensor FET sensible al NO2.
ES10711195.7T 2009-04-08 2010-03-19 Aparato de análisis de gases con una combinación de deshumidificador de gas y convertidor de gas Active ES2609691T3 (es)

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