ES2947585T3 - Calibración de un sensor de gas - Google Patents

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Barry Colin Crane
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Abstract

Se divulga un método para calibrar un sensor de gas (4) que comprende un compuesto luminiscente que tiene un tiempo de vida de luminiscencia que se extingue por una sustancia gaseosa que utiliza un modelo de la relación entre el tiempo de vida de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que se modifica por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto que no está expuesto a la sustancia gaseosa, comprendiendo el método: valores de medición de la vida útil de la luminiscencia del compuesto luminiscente mientras el sensor de gas (4) está expuesto a al menos dos concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa ; y derivar el factor de calibración a partir de los valores medidos del tiempo de vida de la luminiscencia utilizando el modelo. También se divulga un aparato sensor de gas correspondiente (2) para medir la concentración de una sustancia gaseosa en un entorno, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Calibración de un sensor de gas
La presente invención se refiere a métodos y aparatos para medir la concentración de una sustancia gaseosa en un entorno usando un sensor de gas que comprende un compuesto luminiscente.
En muchas áreas es deseable poder determinar la concentración de una sustancia gaseosa particular en un entorno que puede contener una mezcla de varias sustancias diferentes, tanto gaseosas como no gaseosas. Por ejemplo, en ámbitos clínicos es importante poder determinar con precisión la concentración de oxígeno en la sangre de un paciente en tiempo real para detectar y prevenir la hipoxia. Otro ejemplo es la supervisión de entornos controlados en la industria alimentaria, donde la presencia de oxígeno puede ser indeseable dado el riesgo de provocar el deterioro de los alimentos. Un tipo conocido de sensor usa un compuesto luminiscente, por ejemplo, un colorante orgánico fluorescente, con una vida útil de luminiscencia que depende de la concentración de la sustancia gaseosa diana. Al excitar el compuesto luminiscente y medir su vida útil de luminiscencia mientras está expuesto al entorno, se puede determinar la concentración de la sustancia diana en el entorno. Este tipo de sistema tiene la ventaja de que puede funcionar de forma continua, por lo que no requiere una toma de muestras periódicas, por ejemplo, de sangre o de la atmósfera en la que se almacenan los alimentos, para análisis u otros procedimientos igualmente inconvenientes.
Los documentos US 2013/256562 A1 y US 6531097 B1 divulgan métodos y sistemas para medir la concentración de una sustancia usando un material sensor luminiscente. Banerjee Swagata et al (Trends In Food Science And Technology, vol. 50, páginas 85-102), Perez-Ortiz et al (Sensores and Actuators B vol. 126, n.° 2, páginas 394-399), H. Hochreiner et al: (Talanta vol. 66, n.° 3, páginas 611-618) y B. A. Degraff et al (Reviews in Fluorescence 2005 vol.
2005, páginas 125-151) divulgan la medición de la concentración de oxígeno usando sensores luminiscentes.
Se conoce la dependencia de la vida útil de luminiscencia de muchos compuestos luminiscentes en la concentración de sustancias gaseosas T0/t diana. A menudo, la dependencia puede ser modelada usando una ecuación de Stern-Volmer, donde to/t depende linealmente de la concentración de la sustancia gaseosa (donde t es la vida útil observada en presencia de la sustancia gaseosa, y to es la vida útil en ausencia de la sustancia).
Sin embargo, con el fin de fabricar un dispositivo útil, el compuesto luminiscente ha de incorporarse en un sensor. Este proceso puede afectar a la dependencia de la vida útil de luminiscencia en la concentración de la sustancia gaseosa diana, complicándolo en relación con la dependencia cuando el compuesto luminiscente está aislado. Por ejemplo, donde normalmente se usaría una ecuación de Stem-Volmer para la dependencia de la vida útil del compuesto aislado, se observa que to/t no depende linealmente de la concentración del compuesto incorporado en el sensor, y se requiere un procedimiento de calibración específico del dispositivo complicado para ajustarse a la dependencia observada.
Habitualmente, es necesario determinar varios parámetros de calibración debido a la complejidad de la dependencia, por lo que es necesario calibrar el dispositivo en una serie de concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa. Esto puede requerir equipos complicados y especializados para proporcionar múltiples concentraciones de gas conocidas con precisión. De manera adicional, los dispositivos individuales pueden almacenarse durante algún tiempo antes de su uso, lo que puede dar lugar a cambios en las propiedades del dispositivo que harían inexacta una calibración realizada en el momento de la fabricación. La combinación de estos medios obliga a los usuarios finales a llevar a cabo un procedimiento de calibración complicado con equipos costosos y especializados antes de cada uso de un dispositivo. Esto es un inconveniente y requiere mucho tiempo para el usuario final.
Por lo tanto, es deseable tener un método y un aparato para medir la concentración de una sustancia gaseosa diana usando un compuesto luminiscente que no requiera un procedimiento de calibración complicado para determinar un gran número de parámetros de calibración.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para medir una concentración de una sustancia gaseosa en un entorno usando un sensor de gas que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por la sustancia gaseosa y un sensor de temperatura configurado para medir una temperatura del compuesto luminiscente según lo establecido en la reivindicación 1 adjunta.
Usando un modelo que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa, es posible tener en cuenta el efecto de incorporación del compuesto luminiscente en el sensor sobre la vida útil de luminiscencia. Esto reduce significativamente la complejidad del procedimiento de calibración necesario para determinar con precisión la concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia medida. Aunque el modelo representa la vida útil como si una proporción del compuesto luminiscente no estuviera expuesta o, en otras palabras, disponible para interactuar con la sustancia gaseosa, puede que este no sea el mecanismo físico real por el que la incorporación del sensor afecta al compuesto luminiscente y a su vida útil de luminiscencia. No obstante, se ha comprobado que este modelo explica de forma adecuada y precisa el comportamiento del compuesto luminiscente. El uso de una relación de Stern-Volmer proporciona un punto de partida conocido conveniente para determinar los parámetros del modelo.
A menudo el tiempo de vida de luminiscencia depende de la temperatura. Teniendo en cuenta una dependencia de la temperatura al derivar la concentración de la sustancia gaseosa, el método permite una determinación más precisa de la concentración en un intervalo más amplio de condiciones. Teniendo en cuenta la dependencia de la temperatura de los parámetros en el modelo de una manera sencilla, se simplifica el análisis de los datos al mismo tiempo que proporciona lecturas suficientemente precisas sobre las temperaturas bajo las cuales es probable que se use el sensor.
El uso de iluminación controlada del compuesto luminiscente para medir la vida útil de luminiscencia permite un mayor control sobre el proceso de medición y mejora la precisión de las mediciones de la vida útil usadas para derivar las concentraciones.
En una realización, el entorno está en el interior de un cuerpo humano o animal, y opcionalmente la sustancia gaseosa comprende oxígeno.
En contextos quirúrgicos y clínicos, es habitualmente deseable realizar un seguimiento de la concentración de gases disueltos en la sangre de un paciente. Esto permite detectar condiciones peligrosas, o el control de, por ejemplo, ventilación artificial. En concreto, la monitorización de la concentración de oxígeno en la sangre de un paciente es importante para prevenir la hipoxia, que puede provocar daños graves y permanentes a un paciente.
En una realización, el compuesto luminiscente comprende un complejo de platino.
Se sabe que tales complejos tienen propiedades adecuadas para crear un sensor de gas.
En una realización, el compuesto luminiscente está suspendido en una matriz que comprende un polímero o un solgel, opcionalmente poliestireno.
La suspensión del compuesto luminiscente en una matriz proporciona una forma práctica de fabricar el sensor e incorporar el compuesto luminiscente en el sensor. La elección de la matriz puede afectar al tiempo de respuesta del sensor debido a la solubilidad de la sustancia gaseosa diana en el material de matriz. La elección de una matriz adecuada es, por lo tanto, una consideración importante en el diseño del sensor. El poliestireno tiene una solubilidad al oxígeno inferior a otros materiales comparables, por lo que es adecuado para dotar a un sensor de un tiempo de respuesta útil.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para calibrar un sensor de gas que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada con una sustancia gaseosa y un sensor de temperatura configurado para medir una temperatura del compuesto luminiscente según lo establecido en la reivindicación 5 adjunta.
El uso de este método permite calibrar el sistema con suficiente precisión al tiempo que requiere que el usuario final mida sólo dos puntos de datos. Esto reduce significativamente la carga sobre el usuario final, ahorrándole tiempo. También reduce la complejidad del equipo que debe estar a disposición del usuario final para proporcionar concentraciones de gas conocidas para realizar la calibración, ahorrándole el gasto de adquirir, operar y mantener dicho equipo.
En una realización, una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es una concentración de cero.
Esta elección de una concentración para la calibración es particularmente práctica, ya que permite determinar directamente la vida útil en ausencia de la sustancia gaseosa, en lugar de calcularse a partir de dos mediciones. El sensor puede ser empaquetado en un entorno libre de la sustancia gaseosa diana cuando se fabrica, para que el usuario final pueda realizar esta etapa de calibración sin ningún equipo especializado realizando una medición antes de desempaquetar el sensor.
En una realización, dicha sustancia gaseosa está presente en el aire y una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es la concentración en el aire.
Esta es una elección conveniente de un punto de calibración, porque elimina la necesidad de que el usuario final posea un equipo especial para crear una concentración conocida con fines de calibración.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un aparato sensor de gas para medir la concentración de una sustancia gaseosa en un entorno según lo establecido en la reivindicación 8 adjunta.
La inclusión de una fuente de iluminación en el sensor de gas permite un mayor control sobre el proceso de medición mediante el control de la luz suministrada al compuesto luminiscente. Esto mejora la precisión de las mediciones de vida útil usadas para derivar concentraciones.
En una realización del tercer aspecto, la señal generada por el detector representa la intensidad de la luz luminiscente por el compuesto luminiscente.
El uso de cambios en la intensidad de la luminiscencia es una forma bien entendida de medir la vida útil de luminiscencia, lo que permite que el sistema haga uso de técnicas conocidas, simplificando el diseño y la fabricación del sensor.
En una realización del tercer aspecto, el sensor de gas comprende una guía de ondas óptica, el compuesto luminiscente está dispuesto en un extremo de la guía de ondas óptica, y la guía de ondas óptica está dispuesta para guiar la luz del compuesto luminiscente al detector.
Las guías de ondas ópticas usan la reflexión interna total para evitar que la luz se pierda de la guía de ondas. Esto significa que la luz puede ser transportada eficientemente hacia y desde el compuesto luminiscente, mejorando la señal y proporcionando mediciones más fiables y de mayor calidad. También pueden ser pequeñas y flexibles, por lo que son especialmente adecuadas para sensores que deben insertarse en el cuerpo de un paciente. Un ejemplo de una guía de ondas óptica que puede usarse es una fibra óptica.
En una realización del tercer aspecto, el aparato comprende además un reflector que se extiende alrededor del compuesto luminiscente y está configurado para reflejar la luz luminiscente por el compuesto luminiscente en la guía de ondas óptica. Opcionalmente, el reflector es permeable a la sustancia gaseosa.
El uso de un reflector aumenta la proporción de luz emitida por el compuesto luminiscente que puede ser recogida por la guía de ondas óptica y posteriormente detectada. Esto mejora la señal recibida por el detector, lo que, a su vez, mejorará la precisión y fiabilidad de las mediciones realizadas por el aparato sensor de gas. Si el reflector es permeable a la sustancia gaseosa, puede encerrar completamente el compuesto luminiscente sin afectar a su capacidad para detectar la sustancia gaseosa en el entorno. Esto mejora aún más la proporción de luz emitida por el compuesto luminiscente que puede recogerse y transmitirse al detector.
El método de calibración proporcionado por el segundo aspecto de la invención puede usarse para determinar el factor de calibración que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa que se usa en los aspectos primero y tercero de la invención.
Las realizaciones de la presente invención se describirán ahora a modo de ejemplo no limitante por referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 muestra una vista esquemática de un aparato sensor de gas;
La Fig. 2 muestra un ejemplo de un sensor de gas intravascular;
La Fig. 3 muestra un ejemplo de un sensor de gas intersticial;
La Fig. 4 muestra un ejemplo de un sensor de gas de derivación;
La Fig. 5 muestra un ejemplo de mediciones de vida útil de fluorescencia en función de la concentración de oxígeno; La Fig. 6 muestra un diagrama de flujo de un método de calibración de acuerdo con una realización; y La Fig. 7 muestra un diagrama de flujo de un método de detección de gas de acuerdo con una realización.
La Fig. 1 muestra la arquitectura del sistema de una realización de dicho aparato sensor de gas 2 para medir la concentración de una sustancia gaseosa en un entorno 100. La sustancia gaseosa puede estar presente en el entorno 100 en forma gaseosa, o como alternativa, puede estar disuelta o suspendida en otra sustancia en el entorno 100, por ejemplo, un líquido tal como líquido intersticial o sangre. Un ejemplo de tal aparato sensor de gas 2 puede ser un sensor de oxígeno para detectar concentraciones de oxígeno.
El aparato sensor de gas 2 comprende un sensor de gas 4 que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por la sustancia gaseosa. Esto significa que la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente es más corta a concentraciones más altas de la sustancia gaseosa. Un ejemplo de tal compuesto luminiscente, en el caso de que el aparato sensor de gas 2 sea un sensor de oxígeno para detectar concentraciones de oxígeno, es un complejo de platino.
El sensor de gas 2 comprende una sonda de sensor 8 en la que se proporciona el compuesto luminiscente. La sonda de sensor 8 puede ser el componente del sensor de gas 4 que está directamente expuesto al entorno 100 en el que se va a medir la sustancia gaseosa.
El sensor de gas 4 comprende una matriz 9 (que se muestra esquemáticamente en la Fig. 1) y el compuesto luminiscente está suspendido en, disuelto en, o unido molecularmente a, la matriz 9. La matriz 9 es una parte de la sonda de sensor 8. La matriz 9 puede comprender cualquier material que sea estable en el entorno 100 y capaz de soportar el compuesto luminiscente.
El sensor de gas 4 comprende además una fuente luminosa 10 configurada para excitar el compuesto luminiscente. La fuente luminosa 10 puede ser cualquier fuente luminosa capaz de emitir luz en las longitudes de onda e intensidades requeridas para excitar el compuesto luminiscente. Normalmente, esto depende de la naturaleza del compuesto luminiscente. Por ejemplo, la fuente luminosa 10 puede comprender un diodo láser. Preferentemente, la luz emitida por la fuente luminosa 10 es filtrada por un filtro óptico 12 antes de ser transmitida al compuesto luminiscente. El filtro óptico 12 se usa para asegurar que sólo la luz en las longitudes de onda necesarias para excitar el compuesto luminiscente se transmita al compuesto luminiscente. Esto reduce el ruido de fondo y las fuentes inesperadas de excitación, proporcionando un mayor control y consistencia de la excitación del compuesto luminiscente. La fuente luminosa 10 puede ser una fuente de luz continua con intensidad oscilante o una fuente de luz pulsada.
El sensor de gas 4 comprende además un detector 14 configurado para detectar la luz emitida por el compuesto luminiscente. El detector 14 puede ser cualquier dispositivo capaz de producir una señal en respuesta a la recepción de luz en las longitudes de onda emitidas por el compuesto luminiscente. Por ejemplo, el detector 14 puede comprender un dispositivo de carga acoplada, un sensor de píxeles activos, un fotodiodo o fotorresistor.
La señal generada por el detector 14 puede representar la intensidad de la luz luminiscente por el compuesto luminiscente. Esto proporciona una forma práctica de medir la vida útil del compuesto luminiscente, como se describe adicionalmente a continuación.
El sensor de gas 4 comprende una fibra óptica 16, en donde la matriz 9 en la que está suspendido el compuesto luminiscente está dispuesta en un extremo de la fibra óptica 16, y la fibra óptica 16 está dispuesta para guiar la luz emitida por el compuesto luminiscente al detector 14. Las fibras ópticas usan la reflexión interna total para evitar que la fibra pierda luz. Esto significa que la luz puede ser transportada eficientemente hacia y desde el compuesto luminiscente, mejorando la señal y proporcionando mediciones más fiables y de mayor calidad. También pueden ser pequeñas y flexibles, por lo que son especialmente adecuadas para sensores que deben insertarse en el cuerpo de un paciente. Disponer el compuesto luminiscente en un extremo de la fibra óptica 16 es una forma práctica de garantizar que la luz se transmita directamente hacia y desde el compuesto luminiscente. Por ejemplo, la fibra óptica 16 puede comprender una fibra óptica de PMMA. La fibra óptica puede comprender una vaina de poliimida 18 unida al extremo de la fibra 16 en el que se dispone el compuesto luminiscente. La fibra óptica 16 funciona como una guía de ondas óptica y se puede usar cualquier otra guía de ondas óptica adecuada en lugar de la fibra óptica 16, cuando sea adecuado.
Opcionalmente, se proporciona un reflector 19 que se extiende alrededor del compuesto luminiscente y está configurado para reflejar la luz luminiscente por el compuesto luminiscente en la fibra óptica 16. El reflector 19 aumenta la proporción de luz emitida por el compuesto luminiscente que puede ser recogida por la fibra óptica 16 y posteriormente detectada, mejorando la señal recibida por el detector 14. El reflector 19 comprende una capa depositada sobre el compuesto luminiscente, por ejemplo, el reflector 19 puede comprender una capa de polisulfona. El reflector 19 puede ser elegido para que sea permeable a la sustancia gaseosa a detectar. Esto significa que el reflector 19 puede cubrir completamente el compuesto luminiscente, aumentando al máximo la luz transmitida a la fibra óptica 16, sin que ello afecte a la sensibilidad del compuesto luminiscente a la sustancia gaseosa.
El sensor de gas 4 comprende un sensor de temperatura 20 configurado para medir la temperatura del sensor de gas 4. El sensor de temperatura 20 puede estar incorporado en la sonda de sensor 8, o puede estar separado de ella. El sensor de temperatura 20 puede comprender un termopar o termistor.
Parte o la totalidad del sensor de gas 4 puede ser desechable. Esto es conveniente en contextos clínicos, donde el aparato de detección de gas 2 se usa para detectar concentraciones de gas en el interior del cuerpo de un paciente. En estos casos, la parte del aparato de detección de gas 2 que se inserta en el cuerpo ha de ser estéril y no puede reutilizarse entre pacientes. Por ejemplo, en el caso de que el sensor de gas 4 comprenda una sonda de sensor 8, sólo la sonda de sensor 8 que comprende el compuesto luminiscente puede ser desechable y no el detector 14 o la fuente luminosa 10. En tal caso, el sensor de gas 4 comprende además una interfaz de conector 21 configurada para conectar la sonda de sensor 8 a la fuente luminosa 10 y al detector 14.
El aparato de detección de gas 2 comprende además un sistema de análisis 30 configurado para derivar una vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente a partir de la señal generada por el detector 14. El sistema de análisis 30 está conectado al sensor de gas 4 a través de una interfaz de comunicaciones 22. La interfaz de comunicaciones 22 puede comprender una conexión por cable, por ejemplo, una conexión en serie o Ethernet, u otro tipo de interfaz diseñado específicamente para el aparato de detección de gas. Como alternativa, una conexión inalámbrica, como Bluetooth® o Wi-Fi puede ser utilizada. La interfaz de comunicaciones 22 transmite las señales generadas por el detector 14 al sistema de análisis 30. También permite que las señales del sistema de análisis 30 se transmitan al sensor de gas 4, por ejemplo para controlar la fuente luminosa 10.
En general, existen dos métodos para medir la vida útil de luminiscencia. El primero consiste en medir la curva de decaimiento de la intensidad luminiscente y el segundo consiste en medir la diferencia de fases.
En el primer método, la fuente luminosa 10 suministra un impulso de luz al compuesto luminiscente para excitar el compuesto luminiscente. El compuesto luminiscente luego emite luz con una intensidad que decae con el tiempo una vez finalizado el impulso de luz. Al medir el cambio de intensidad durante el tiempo posterior al final del impulso, se puede determinar la vida útil de luminiscencia.
En el segundo método, la fuente luminosa 10 aplica luz de manera continua, pero con una intensidad oscilante. La luz emitida por el compuesto luminiscente también oscilará en intensidad. La vida útil de luminiscencia puede ser determinada usando la diferencia de fases entre las oscilaciones en la luz usada para excitar el compuesto luminiscente y las oscilaciones en la luz emitida por el compuesto luminiscente. Cualquier método es adecuado para su uso en el presente aparato de detección de gas 2, pero el método elegido puede afectar a los requisitos específicos del detector 14 y de la fuente luminosa 10.
Por tanto, en una realización donde la fuente luminosa 10 es una fuente de luz continua con intensidad oscilante, el sistema de análisis 30 se configurará para derivar una vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente a partir de la señal generada por el detector 14 usando la diferencia de fases entre las oscilaciones en la luz usada para excitar el compuesto luminiscente y las oscilaciones en la luz emitida por el compuesto luminiscente.
En una realización donde la fuente luminosa 10 es una fuente luminosa pulsada, el sistema de análisis 30 se configurará para derivar una vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente a partir de la señal generada por el detector 14 midiendo el cambio de intensidad durante el tiempo posterior al final de un impulso.
El sistema de análisis 30 está configurado para derivar una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia medida usando un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa. Este modelo se analiza con más detalle a continuación.
El sensor de gas 4 comprende un sensor de temperatura 20. El sistema de análisis está configurado para derivar una concentración de la sustancia gaseosa teniendo en cuenta la temperatura del sensor de gas 4 medida por el sensor de temperatura 20.
El aparato de detección de gas 2 comprende un dispositivo de visualización 35 conectado al sistema de análisis 30. El dispositivo de visualización 35 muestra la concentración de la sustancia gaseosa determinada por el sistema de análisis 30 en un formato práctico para el usuario. También puede mostrar otra información derivada del aparato sensor de gas 2, por ejemplo la temperatura del sensor de gas 4, o un error estimado o incertidumbre en la concentración determinada.
El presente aparato de detección de gas 2 es particularmente adecuado para su uso en contextos clínicos. El sensor de gas 4 o la sonda de sensor 8 se pueden hacer muy pequeños para su inserción en el cuerpo de un paciente. El aparato de detección de gas 2 puede usarse para medir la concentración de gases disueltos en la sangre de un paciente. De particular interés son los gases importantes para el metabolismo, tales como oxígeno o dióxido de carbono. Por ejemplo, el aparato de detección de gas 2 puede usarse como parte de un sistema de control para un ventilador. En tal caso, la concentración de la sustancia gaseosa medida por el aparato de detección de gas 2 se usa para controlar el ventilador para mantener un intervalo apropiado de concentración de oxígeno en la sangre del paciente, por ejemplo, para prevenir la hipoxia. Otro ejemplo sería la medición de oxígeno para controlar los parámetros de oxigenación durante un procedimiento de derivación cardíaca. Como alternativa, el aparato de detección de gas 2 puede usarse para detectar una concentración de anestésico en la sangre de un paciente para ayudar a mantener un nivel apropiado de anestesia durante un procedimiento quirúrgico.
Las Fig. 2 a 4 muestran algunas realizaciones ilustrativas específicas del sensor de gas 4 para su uso en contextos clínicos y en el caso de que el sensor de gas 4 comprenda una sonda de sensor 8.
La Fig. 2 muestra un diagrama de una realización en la que el sensor de gas 4 es un sensor intravascular 40. El compuesto luminiscente está ubicado en la punta de una fibra óptica 16 que se inserta en el paciente a través de un catéter. La sonda de sensor 8 contiene la fibra óptica 16 junto con un sensor de temperatura 20 que comprende un termopar o cualquier otro sensor de temperatura adecuado. La sonda de sensor 8 está conectada al resto del aparato de detección de gas 2 con un cable o a través de comunicaciones inalámbricas.
La Fig. 3 muestra un diagrama de una realización en la que el sensor de gas 4 es un sensor de oxígeno intersticial 50. En este caso, el sensor de gas 4 comprende una sonda de sensor 8 y una parte exterior 54. La sonda de sensor 8 perfora la piel 52 y mide las concentraciones de oxígeno en el líquido intersticial. Una aguja retráctil puede ser usada para perforar la piel 52 y el sensor de gas 4 transmite las mediciones al sistema de análisis 30 y al dispositivo de visualización 35 de forma inalámbrica. Como alternativa, el sistema de análisis 30 puede disponerse en la parte exterior 54, y la concentración determinada por el sistema de análisis 30 se transmite de forma inalámbrica al dispositivo de visualización 35. Se proporciona un sensor de temperatura 20 que comprende un termopar o termistor para medir la temperatura de la piel. Esto se puede proporcionar dentro de la sonda de sensor 8 que penetra la piel 52, o cerca de la piel 52 dentro de la parte exterior 54.
La Fig. 4 muestra un diagrama de una realización en la que el sensor de gas 4 es un sensor de derivación 60. Dichos sensores se usarían en una bomba de sangre externa para controlar las concentraciones de sustancias gaseosas en la sangre que se bombea. De manera similar a lo descrito anteriormente para el caso de un ventilador, las mediciones de la concentración de gases en sangre se usan como parte del control de la tasa de bombeo de sangre por la bomba de sangre externa, por ejemplo para mantener niveles adecuados de oxigenación de la sangre. En este caso, una sonda de sensor desechable 8 está montada en un circuito de derivación 61 de manera que la química de detección que comprende el compuesto luminiscente entra en contacto con la sangre que pasa a través de ella. Un conector óptico/eléctrico reutilizable permanente 62 conecta la sonda de sensor desechable 8 al resto del aparato de detección de gas 2. Un termistor u otro sensor de temperatura adecuado 20 está montado dentro de la sonda de sensor desechable 8 para medir la temperatura de la sangre.
La sustancia gaseosa a detectar puede ser, en general, cualquier sustancia que sea gaseosa de forma aislada a una temperatura y presión normales (NTP), por ejemplo 288,15 K (15,00 °C) y 101,325 kPa. Cuando se mide, la sustancia gaseosa puede disolverse en un líquido.
La sustancia gaseosa a detectar es normalmente aquella que se puede encontrar en un cuerpo humano o animal, por ejemplo, un gas en sangre (oxígeno o dióxido de carbono), óxido nítrico que es una molécula de señalización común, monóxido de carbono o un gas anestésico (por ejemplo, óxido nitroso, isoflurano, sevoflurano, desflurano). Preferentemente, la sustancia gaseosa a detectar es un gas en sangre (oxígeno, dióxido de carbono o nitrógeno), preferentemente oxígeno o dióxido de carbono, lo más preferentemente oxígeno.
El compuesto luminiscente es un compuesto que es sensible a la sustancia gaseosa a detectar, de manera que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por la sustancia gaseosa. Normalmente, el compuesto luminiscente tiene una vida útil, cuando se desactiva, de 10 ns o más, preferentemente de 100 ns o más, más preferentemente de 1 |js o más. Normalmente, el compuesto luminiscente comprende un compuesto fluorescente. El compuesto luminiscente es normalmente biocompatible. En un aspecto, el compuesto luminiscente es un colorante orgánico.
Cuando la sustancia gaseosa a detectar sea oxígeno, el compuesto luminiscente es normalmente un colorante orgánico sensible al oxígeno. Por ejemplo, el compuesto luminiscente puede ser un compuesto aromático policíclico o un complejo de un metal de transición con uno o más ligandos aromáticos, en particular ligandos aromáticos policíclicos. El metal de transición puede ser, por ejemplo, platino (por ejemplo, platino (II)), rutenio (por ejemplo, rutenio (II)), paladio (por ejemplo, paladio (II)), osmio (por ejemplo, osmio (II)), iridio (por ejemplo, iridio (III)), cobalto (por ejemplo, cobalto (II)), o zinc. Resultan preferidos platino (por ejemplo, platino (II)), rutenio (por ejemplo, rutenio (II)) y paladio (por ejemplo, paladio (II)). Lo más preferentemente, el compuesto luminiscente es un complejo de platino (por ejemplo, un complejo de platino (II)), más preferentemente un complejo de platino (II) con uno o más ligandos aromáticos, en particular ligandos aromáticos policíclicos.
El(los) ligando(s) aromático(s) policíclico(s) o compuesto aromático policíclico contienen dos o más anillos aromáticos que pueden estar condensados o no condensados. Los ejemplos incluyen porfirina, bipiridina, antraceno, florantraceno, fenantreno, pireno, perileno o decacicleno y derivados de los mismos. Resultan preferentes las porfirinas y sus derivados. Ejemplos de derivados de porfirina que se pueden usar solos como colorante orgánico o como ligando en un complejo de metal de transición, incluyen fenil porfirinas que incluyen tetrafenil porfina (TPP, también conocida como tetrafenil porfirina) y versiones halogenadas de TPP que incluyen tetra (pentafluorofenil)porfina (TFPP).
Por lo tanto, los compuestos luminiscentes más preferidos son complejos de platino (por ejemplo, platino (II)), rutenio (por ejemplo, rutenio (II)) y paladio (por ejemplo, paladio (II)), lo más preferentemente complejos de platino (II), con ligandos de porfirina, en particular complejos con tetrafenil porfirinas y tetrafenil porfirinas halogenadas. Un compuesto luminiscente preferido es meso-tetra(pentafluorofenil)porfina de platino (II) (PtTFPP).
Cuando la sustancia gaseosa no sea oxígeno, debe elegirse un compuesto luminiscente cuya vida útil de luminiscencia es desactivada en presencia de la sustancia gaseosa seleccionada. Compuestos luminiscentes adecuados tales como colorantes orgánicos, capaces de desactivarse en presencia de un gas en sangre, óxido nítrico, monóxido de carbono o gas anestésico, son conocidos en la técnica y podrían ser seleccionados por el experto en la materia.
El compuesto luminiscente es preferentemente uno que emite a una longitud de onda diferente a la longitud de onda de excitación. Los complejos de platino (II) son particularmente adecuados a este respecto ya que sus longitudes de onda de excitación y emisión están bien separadas. Los complejos de platino (II) también proporcionan vidas útiles de luminiscencia relativamente largas. La fluorescencia de los complejos de tetrafenil porfirina de platino se desactiva de manera muy eficiente en presencia de oxígeno.
El compuesto luminiscente está suspendido en, disuelto en, o unido molecularmente a, una matriz. Por lo tanto, los compuestos luminiscentes pueden estar físicamente atrapados dentro de la matriz o unidos covale ntemente a la matriz. La matriz es permeable a la sustancia gaseosa a detectar.
En un aspecto, la matriz comprende un polímero. Las matrices poliméricas pueden ser hidrófilas o hidrófobas. Por ejemplo, la matriz polimérica puede ser un hidrogel, por ejemplo PHEMA o poliacrilamida. Pueden usarse polímeros de acrilato que incluyen PPMA, PMMA y PEMA. Como alternativa, la matriz puede comprender un polímero hidrófobo, por ejemplo, puede comprender poliestireno. Se prefieren los polímeros hidrófobos porque protegen el fluoróforo de las interferencias solubles en agua, lo cual es particularmente relevante en la detección de gases en sangre donde el agua es frecuente en el entorno.
En un aspecto alternativo, la matriz comprende un sol-gel. Se describen matrices sol-gel para soportar compuestos luminiscentes, por ejemplo, por Chu et al (Sensors and Actuators B 155 (2011) 53-57.
El reflector está formado por un material que es permeable a la sustancia gaseosa a detectar y adecuado para reflejar la luz en la longitud de onda de la luminiscencia. Los materiales adecuados incluyen polímeros como polisulfonas (PSU), poliétersulfonas (PESU), politetrafluoroetileno (PTFE), polietileno (PE), polipropileno (PP) y polifenilsulfonas (PPSU). Se prefieren las polisulfonas. También sería posible usar otros compuestos reflectantes como el óxido de titanio que contiene silicio o sulfato de bario.
En algunas realizaciones, la sustancia gaseosa a detectar puede ser soluble en el material de la matriz. Esto puede causar un retraso en la respuesta del sensor de gas a los cambios en la concentración de la sustancia gaseosa en el entorno. Por ejemplo, si la concentración de la sustancia gaseosa en el entorno disminuye rápidamente, puede liberarse gas disuelto en la matriz. El compuesto luminiscente suspendido en la matriz se expone al gas liberado por la matriz y, por lo tanto, experimenta una concentración de sustancia gaseosa superior a la del entorno. Dependiendo de la escala de tiempo durante la cual la concentración de gas en la matriz se equilibra con la concentración de gas en el entorno, el sensor de gas puede reaccionar lentamente a los cambios en la concentración de la sustancia gaseosa en el entorno.
Por lo tanto, es deseable elegir el material que comprende la matriz de modo que la solubilidad de la sustancia gaseosa no provoque un retraso demasiado grande en el tiempo de respuesta del sensor. Por ejemplo, puede ser problemático si el tiempo de respuesta del sensor es mucho mayor que la escala de tiempo en la que la concentración de la sustancia gaseosa cambia normalmente en el entorno. El poliestireno es un ejemplo de un material adecuado para la matriz en el caso de que el sensor esté configurado para detectar concentraciones de oxígeno, porque la solubilidad del oxígeno en el poliestireno es tal que no introduce un gran retardo.
En presencia de una sustancia gaseosa, la vida útil de luminiscencia de un compuesto luminiscente se desactiva, es decir, reduce. La desactivación de la vida útil de luminiscencia está provocada por colisiones entre moléculas excitadas del compuesto luminiscente y moléculas/partículas de la sustancia gaseosa. La colisión entre una molécula excitada de compuesto luminiscente y una molécula de sustancia gaseosa hace que la molécula de compuesto luminiscente emita luz inmediatamente, quedando así sin excitación. A medida que aumenta la concentración de la sustancia gaseosa, también lo hace la tasa de tales colisiones, lo que conduce a una tasa de decaimiento más rápida de la luminiscencia.
Antes de analizar un método de calibración y un método de detección de gas, primero se analizará el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa usada como parte de los métodos.
Para muchos compuestos luminiscentes, el efecto de desactivación se puede modelar usando una ecuación de Stern-Volmer, como se muestra en la Ec. 1 para el caso en que la sustancia gaseosa sea oxígeno. La ecuación de Stern-Volmer tiene una relación lineal entre to/ t y la concentración de sustancia gaseosa:
Figure imgf000008_0001
donde:
t - vida útil de fluorescencia en presencia de oxígeno;
to - vida útil de fluorescencia en ausencia de oxígeno;
Ksv - constante de Stern-Volmer (cuantifica la eficiencia de desactivación); y
[O2] - concentración de oxígeno.
Se ha descubierto que cuando el compuesto luminiscente se incorpora a un sensor, el sensor funciona por un mecanismo de desactivación to/t que no sigue un perfil de Stern-Volmer estándar. En otras palabras, la dependencia de to/t en la concentración de la sustancia gaseosa no es lineal, como se muestra en la Ec. 1, pero tiene una dependencia más complicada (normalmente cuadrática o incluso de mayor orden) que varía de un sensor a otro.
Los inventores han teorizado que este efecto se debe al hecho de que el compuesto luminiscente (p. ej., un complejo de platino) usado para detectar la sustancia gaseosa (p. ej., oxígeno) puede estar inmovilizado en una matriz (p. ej., que comprende una película de poliestireno) en el extremo de una fibra óptica, lo que da como resultado que una proporción del compuesto luminiscente no esté disponible para detectar la sustancia gaseosa. Esto ha llevado al desarrollo de un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa. Sin embargo, el mecanismo físico por el cual la incorporación a un sensor afecta a la dependencia de la vida útil de luminiscencia en la concentración de la sustancia gaseosa puede ser diferente. Por ejemplo, puede darse el caso de que diferentes proporciones del compuesto luminiscente experimenten un intervalo de concentraciones "efectivas" de sustancia gaseosa entre cero y la concentración real en el entorno. No obstante, se ha descubierto que el modelo descrito en el presente documento explica con suficiente precisión el comportamiento observado del compuesto luminiscente, y la invención no está limitada por si el mecanismo físico particular que subyace al modelo es o no realmente la causa directa del efecto observado.
De acuerdo con el modelo, la vida útil fluorescente observada se describe mediante la Ec. 2:
Figure imgf000009_0001
donde
Tobs - vida útil de fluorescencia observada en presencia de una sustancia gaseosa (p. ej., oxígeno);
Treal - vida útil esperada de fluorescencia para un compuesto luminiscente aislado en presencia de una sustancia gaseosa (p. ej., oxígeno); y
X - factor de calibración (porcentaje de compuesto luminiscente no expuesto a una sustancia gaseosa).
Cuando sea apropiado, dependiendo del compuesto luminiscente que se use, el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer. En una realización de este tipo, Treal puede determinarse de acuerdo con una dependencia normal de Stern-Volmer de la concentración.
La Ec. 2 puede sustituirse por la Ec. 1 para obtener una ecuación de Stern-Volmer modificada, Ec. 3:
Figure imgf000009_0002
que puede reordenarse en la Ec. 4
Figure imgf000009_0003
El factor de calibración X puede determinarse entonces usando la Ec. 5, derivada de la reorganización de la Ec. 4.
Figure imgf000009_0004
Para determinar con mayor precisión la concentración de la sustancia gaseosa en el entorno, es preferible tener en cuenta la temperatura del compuesto luminiscente. En tal caso, el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa depende de la temperatura. Esto resulta ventajoso porque la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente puede depender de la temperatura, por lo que tener esto en cuenta mejora la precisión del modelo.
El modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer. La ecuación de Stern-Volmer incluye bien una constante de Stern-Volmer que depende linealmente de la temperatura o un valor de la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa que depende linealmente de la temperatura, o ambos.
Un ejemplo de sus dependencias con la temperatura se muestra en la Ec. 6 y Ec. 7:
Figure imgf000009_0005
donde:
Ksv.37°c - Constante de Stern-Volmer a 37 °C
p - Gradiente de Ksv vs. temperatura
Figure imgf000010_0002
donde:
To,37 °c - vida útil de fluorescencia en ausencia de oxígeno a 37 °C
a - Gradiente de To vs. temperatura
La sustitución de la Ec. 6 y Ec. 7 en la Ec. 4 produce una ecuación de Stem-Volmer dependiente de la temperatura.
Figure imgf000010_0001
Habiendo analizado el modelo usado en el método de detección de gas y el método de calibración, se puede proceder ahora a analizar los métodos mismos.
La Fig. 6 muestra un diagrama de flujo de un método de calibración para calibrar un sensor de gas 4 que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por una sustancia gaseosa. El método de calibración usa el modelo descrito anteriormente para simplificar el procedimiento de calibración del sensor de gas 4, de manera que se reducen las demandas del usuario final. En concreto, permite calibrar el sensor de gas 4 usando solamente dos concentraciones de gas conocidas, lo que reduce en gran medida el tiempo y la complejidad del equipo que necesita el usuario final para calibrar el sensor de gas 4.
El método de calibración comprende las siguientes etapas.
En la etapa S1, los valores de la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente se miden mientras el sensor de gas 4 está expuesto a al menos dos concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa. No importa en qué orden se midan las concentraciones conocidas. Por ejemplo, el sensor de gas 4 podría estar expuesto inicialmente a una mayor concentración de sustancia gaseosa, y posteriormente a una menor concentración, o viceversa.
En un ejemplo, dicha sustancia gaseosa está presente en el aire y una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es la concentración en el aire. Esto puede ser ventajoso en el caso de que el sensor de gas 4 esté configurado para detectar una sustancia gaseosa (p. ej., oxígeno o nitrógeno) que tenga una concentración razonablemente constante de aire, ya que elimina la necesidad de equipos especializados para generar una de las concentraciones conocidas de sustancia gaseosa.
Cuando la sustancia gaseosa está presente en el aire, el sensor de gas 4 se puede empaquetar inicialmente en un entorno que comprende una concentración conocida de la sustancia gaseosa, y la etapa S1 comprende medir un primer valor de la vida útil de luminiscencia mientras el sensor de gas 4 se empaqueta en la concentración conocida de la sustancia gaseosa y, posteriormente, medir un segundo valor de la vida útil de luminiscencia después de abrir el empaquetado y exponer el sensor de gas 4 al aire. Cuando el sensor de gas 4 comprende una sonda de sensor 8, sólo la sonda de sensor 8 puede empaquetarse inicialmente en una concentración conocida de la sustancia gaseosa.
Esto es particularmente práctico en realizaciones en las que la sonda de sensor 8 o el sensor de gas 4 son desechables y/o estériles. Esto se debe a que el sensor de gas 4 se puede almacenar en el empaquetado hasta que se necesite, calibrado inmediatamente antes de su uso, y luego desechado después de su uso. También elimina la necesidad de cualquier equipo especializado para generar las dos concentraciones conocidas de sustancia gaseosa.
Opcionalmente, una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es una concentración de cero. Este puede ser el caso cuando la otra de las concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es la concentración en el aire, o alternativamente, la otra de las concentraciones conocidas puede proporcionarse de otro modo. Esta realización es conveniente porque el uso de una concentración de cero también permite la determinación directa de To como se muestra en las ecuaciones anteriores, en lugar de tener que extrapolar esto de las mediciones. Esto reduce la complejidad computacional del procedimiento de calibración. Cuando el sensor de gas 4 está empaquetado en un entorno que comprende una concentración conocida de la sustancia gaseosa, es particularmente fácil empaquetar el sensor de gas 4 de manera que la concentración conocida sea cero. Por ejemplo, el empaquetado puede ser evacuado, o el empaquetado puede llenarse con una sustancia gaseosa distinta a la sustancia gaseosa que será detectada por el sensor de gas 4. Adicionalmente, se puede realizar una medición de la vida útil de luminiscencia antes de desempaquetar el sensor de gas 4, por lo que el usuario final no requiere ningún equipo especializado para generar una concentración cero de la sustancia gaseosa para la calibración.
En el caso de que el aparato sensor de gas 2 se use para medir concentraciones de gases en sangre, otra opción para una de las concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa sería permitir que el sensor de gas 4 alcance el equilibrio con la concentración de la sustancia gaseosa en la sangre, y luego tomar una muestra de sangre. La concentración de sustancia gaseosa en la muestra de sangre se puede determinar usando otra técnica, por ejemplo, usando un analizador de gases en sangre convencional, y la medición de la vida útil de luminiscencia tomada al mismo tiempo que la muestra de sangre sería a una concentración conocida obtenida del análisis de la muestra de sangre.
No importa en qué orden se realicen las mediciones de la vida útil de luminiscencia en las dos o más concentraciones conocidas. Aunque, en algunas realizaciones, es más conveniente medir primero la vida útil de luminiscencia en la concentración cero, esto no es necesario para que el método de calibración funcione adecuadamente.
La medición de un valor de la vida útil de luminiscencia comprende: excitar el compuesto luminiscente usando una fuente luminosa 10; medir la intensidad de la luz luminiscente por el compuesto luminiscente; y derivar el valor de vida útil de luminiscencia a partir de la intensidad medida. La fuente luminosa 10 puede ser una fuente de luz continua con intensidad oscilante o una fuente de luz pulsada. Dependiendo de la elección de la fuente luminosa 10, la derivación del valor de la vida útil de luminiscencia se realiza usando la diferencia de fases entre las oscilaciones en la luz usada para excitar el compuesto luminiscente y las oscilaciones en la luz emitida por el compuesto luminiscente, o midiendo el cambio de intensidad durante el tiempo posterior al final de un impulso.
En la etapa S2, el factor de calibración se deriva de los valores medidos de la vida útil de luminiscencia usando el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto que no se expone a la sustancia gaseosa.
Esto permite una medición de dos puntos para una fácil calibración. Por ejemplo, cuando el aparato sensor de gas 2 está configurado para detectar oxígeno, se puede realizar una calibración de 2 puntos, de modo que el punto de calibración inicial sea al 0 % de oxígeno (usando un empaquetado de atmósfera modificada para el sensor de gas 4), y la segunda medición a una concentración de oxígeno más alta se realice en el aire (que es aproximadamente con el 20 % de oxígeno).
Como se observa en la Ec. 5 anterior, donde el modelo está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer, el factor de calibración viene dado por una ecuación que incluye tres constantes Tobs, fey Ksv. Ksv es la tasa de desactivación del compuesto luminiscente (por ejemplo, un complejo de platino) y, por lo tanto, debe ser consistente de sensor a sensor. Por lo tanto, se puede determinar en el momento de la fabricación. Esto significa que las dos mediciones realizadas por el usuario final son suficientes para determinar el factor de calibración y calibrar el sensor de gas 4.
El sensor de gas 4 comprende además un sensor de temperatura 20. El método de calibración comprende una etapa S3 de medir una temperatura del compuesto luminiscente, y la etapa S2 de derivar el factor de calibración tiene en cuenta la temperatura del sensor de gas 4 medida por el sensor de temperatura 20, siendo dependiente de la temperatura el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa. En el modelo descrito anteriormente, es decir, el modelo de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer, la constante de Stern-Volmer y/o la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa dependen de la temperatura. La dependencia de la temperatura de la constante de Stern-Volmer y/o la dependencia de la temperatura de la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa (T0) son lineales.
Para que la dependencia de la temperatura de la constante de Stern-Volmer y/o T0 sea lineal, puede darse el caso de que las constantes a y p sean pequeñas y el uso de una estimación de estos valores proporcione una precisión de sensor razonable. Por lo tanto, el usuario final puede usar los valores de estas constantes que se determinan en el momento de la fabricación. Esto significa que hay 3 constantes de calibración restantes que deberían calcularse antes de usar el sensor. Estas son T0, Ksv, y X. Suponiendo que Ksv es una constante (como anteriormente), se puede reorganizar la Ec. 2 para calcular X usando los datos recopilados al igual que en la Ec. 9.
Figure imgf000011_0001
La sustitución de la Ec. 1 en la Ec. 9 da la Ec. 5 como se ha analizado anteriormente. En una realización en la que la sustancia gaseosa es oxígeno, esto proporciona la Ec. 10:
Figure imgf000011_0002
Ec. 10
La sustitución de la Ec. 6 y Ec. 7 en la Ec. 10 da la Ec. 11,
Figure imgf000012_0001
que se puede reorganizar para dar la Ec. 12.
Figure imgf000012_0002
donde:
Tobs. - Vida útil medida en T2
to.obs. - To medida en T1.
T0.T2 - To calculada en T2
a - Gradiente de To vs. temperatura
Ksv.37 °c - Constante de Stern-Volmer a 37 °C
Ksv.t2 - Constante de Stern-Volmer en T2
p - Gradiente de Ksv vs. temperatura
T1 - Temperatura en el primer punto de calibración (0 % de oxígeno)
T2 - Temperatura en el segundo punto de calibración (oxígeno presente)
[O2] - Concentración de oxígeno en el segundo punto de calibración
Efectivamente, el uso de la Ec. 11 o 12 para determinar el factor de calibración permite una relación lineal entre To/ t y la concentración de sustancia gaseosa a usar con respecto a la parte del compuesto luminiscente que se expone a la sustancia gaseosa, simplificando el cálculo y requiriendo solo dos mediciones de calibración para derivar la relación lineal To/ t. Esto se ilustra en la Fig. 5, que muestra cómo en una realización ilustrativa, la dependencia de la concentración de oxígeno es lineal una vez que la vida útil de luminiscencia se corrige para tener en cuenta la proporción del compuesto luminiscente que no se expone al oxígeno.
Específicamente, La Fig. 5 muestra la calibración de un sensor de gas 4 frente a seis concentraciones de oxígeno diferentes. Una vez que Treal se calcula, el gráfico de Stern-Volmer resultante es lineal como se esperaba. En este caso, el 29,5 % del colorante fluorescente no está disponible para la detección. Para las mediciones de la Fig. 5, to = 55,7 |js, Ksv = o,o31, X = 29,5 %.
En el método de calibración, la sustancia gaseosa y el compuesto luminiscente pueden ser cualquiera de las sustancias o clases de sustancias descritas anteriormente. El sensor de gas 4 usado en el método de calibración está construido como se ha descrito anteriormente.
Habiendo descrito el método de calibración, ahora se pasa a analizar el método de detección de gas.
La Fig. 7 muestra un diagrama de flujo de un método de detección de gas para medir una concentración de una sustancia gaseosa en un entorno usando un sensor de gas, comprendiendo el sensor de gas un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que se desactiva por la sustancia gaseosa. El método de detección de gas emplea el modelo descrito anteriormente para proporcionar un método de detección de gas correspondiente al método de calibración, que es simple y práctico para el usuario final.
El método de detección de gas comprende las siguientes etapas.
En la etapa S1o, se mide un valor de la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente mientras el sensor de gas está expuesto al entorno. El entorno puede estar en el interior de un cuerpo humano o animal. Por ejemplo, el entorno puede estar en el interior de un vaso sanguíneo o en el interior de un tejido corporal. En dichas realizaciones, el método de detección de gas puede usarse para medir la concentración de gases disueltos en sangre o líquido intersticial. Como alternativa, el entorno puede ser otro entorno líquido en el cual es deseable medir la concentración de sustancias gaseosas disueltas. Por ejemplo, el método de detección de gas puede usarse para medir la concentración de gases en sangre en un circuito sanguíneo, donde la sangre circula fuera del cuerpo humano o animal por medio de una bomba de sangre. En este caso, el entorno es el interior de las partes de la bomba de sangre que transportan sangre. Aunque estos ejemplos representan usos preferidos para el método de detección de gas, el método de detección de gas no se limita a medir la concentración de sustancias gaseosas disueltas en líquidos, y también es adecuado para medir la concentración de sustancias gaseosas en forma libre gaseosa.
La fuente luminosa 10 puede ser una fuente de luz continua con intensidad oscilante o una fuente de luz pulsada. Dependiendo de la elección de la fuente luminosa 10, la derivación del valor de la vida útil de luminiscencia se realiza usando la diferencia de fases entre las oscilaciones en la luz usada para excitar el compuesto luminiscente y las oscilaciones en la luz emitida por el compuesto luminiscente, o midiendo el cambio de intensidad durante el tiempo posterior al final de un impulso.
En la etapa S12, se deriva una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia medida usando un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa.
El sensor de gas 4 comprende además un sensor de temperatura 20, el método de detección de gas comprende además una etapa S11 de medir la temperatura del sensor de gas 4, y la etapa S12 de derivar una concentración de la sustancia gaseosa tiene en cuenta la temperatura del sensor de gas 4 medida por el sensor de temperatura 20. El modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa depende de la temperatura. El modelo es como se ha descrito anteriormente, es decir, el modelo está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer y la constante de Stern-Volmer y/o la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa dependen linealmente de la temperatura.
La etapa de derivar una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil medida puede comprender derivar una vida útil de luminiscencia de la proporción del compuesto luminiscente que se expone a la sustancia gaseosa (Treai) y derivar una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia de la proporción del compuesto luminiscente que se expone a la sustancia gaseosa. La derivación de una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia de la proporción del compuesto luminiscente que se expone a la sustancia gaseosa implica el uso de una relación de Stern-Volmer para la dependencia de la vida útil de luminiscencia de la proporción del compuesto luminiscente que se expone a la sustancia gaseosa en la concentración de la sustancia gaseosa.
En el método de detección de gas, la sustancia gaseosa y el compuesto luminiscente pueden ser cualquiera de las sustancias o clases de sustancias descritas anteriormente. El sensor de gas 4 usado en el método de detección de gas está construido como se ha descrito anteriormente.
Ahora se describirán los resultados de los experimentos para verificar la precisión de las concentraciones de sustancia gaseosa determinadas usando realizaciones de la invención. Los experimentos se llevaron a cabo usando una realización en la que la sustancia gaseosa era oxígeno, la matriz era poliestireno y el compuesto luminiscente era un colorante orgánico fluorescente (meso-tetra(pentafluorofenil)porfina de platino (II) (PtTFPP).
Usando la Ec. 11 se calibraron dos sensores a 0 y 150 mmHg a 30 °C. La Tabla 1 muestra las constantes de calibración usadas para calcular X.
T a l 1. n n li r i n r l l r X.
Figure imgf000013_0002
____________________
Para el sensor 007-011, X = 28,31, para el sensor 007-002, X = 34,08. La Tabla 2 muestra las pruebas de precisión para los dos sensores. La prueba midió concentraciones de oxígeno entre 0 y 290 mmHg a 30, 37 y 40 °C y dio como resultado diferencias relativas de la media absoluta (MARD) de 5,3 y 5,5 % para los sensores individuales. Los datos de precisión de esta prueba se muestran en la Tabla 2.
T l 2. D r i i n r 2 n r n r 7- 11 n r 7- 2 m r .
Figure imgf000013_0001
continuación
Figure imgf000014_0001

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un método para medir una concentración de una sustancia gaseosa en un entorno (100) usando un sensor de gas (4) que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por la sustancia gaseosa y un sensor de temperatura (20) configurado para medir una temperatura del compuesto luminiscente, comprendiendo el método:
medir un valor de la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente mientras el sensor de gas (4) está expuesto al entorno (100); y
derivar una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia medida teniendo en cuenta la temperatura del compuesto luminiscente medida por el sensor de temperatura (20), la derivación usando un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer y que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa, incluyendo la ecuación de Stern-Volmer bien una constante de Stern-Volmer que depende linealmente de la temperatura, o un valor de la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa que depende linealmente de la temperatura, o ambos.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde medir un valor de la vida útil de luminiscencia comprende:
excitar el compuesto luminiscente usando una fuente luminosa (10);
medir la intensidad de la luz luminiscente por el compuesto luminiscente; y
derivar el valor de la vida útil de luminiscencia a partir de la intensidad medida.
3. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sustancia gaseosa comprende oxígeno y/o el entorno (100) está en el interior de un cuerpo humano o animal.
4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el compuesto luminiscente está suspendido en, disuelto en, o unido molecularmente a, una matriz (9) que comprende un polímero o un sol-gel.
5. Un método para calibrar un sensor de gas (4) que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por una sustancia gaseosa y un sensor de temperatura (20) configurado para medir una temperatura del compuesto luminiscente, usando el método un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto que no se expone a la sustancia gaseosa, comprendiendo el método:
medir los valores de la vida útil de luminiscencia del compuesto luminiscente mientras el sensor de gas (4) está expuesto a al menos dos concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa; y
derivar el factor de calibración de los valores medidos de la vida útil de luminiscencia usando el modelo teniendo en cuenta la temperatura del compuesto luminiscente medida por el sensor de temperatura (20),
en donde el modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer, incluyendo la ecuación de Stern-Volmer bien una constante de Stern-Volmer que depende linealmente de la temperatura o un valor de la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa que depende linealmente de la temperatura, o ambos.
6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es una concentración de cero.
7. Un método de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, en donde dicha sustancia gaseosa está presente en el aire y una de dichas concentraciones conocidas de la sustancia gaseosa es la concentración en el aire.
8. Un aparato sensor de gas (2) para medir la concentración de una sustancia gaseosa en un entorno (100), comprendiendo el aparato sensor de gas (2):
una fuente luminosa (10);
un sensor de gas (4) que comprende un compuesto luminiscente que tiene una vida útil de luminiscencia que es desactivada por la sustancia gaseosa, un sensor de temperatura (20) configurado para medir una temperatura del compuesto luminiscente y un detector (14) configurado para detectar la luz emitida por el compuesto luminiscente; y
un sistema de análisis (30) configurado para derivar una vida útil de luminiscencia del compuesto a partir de la señal generada por el detector (14) y para derivar una concentración de la sustancia gaseosa a partir de la vida útil de luminiscencia medida teniendo en cuenta la temperatura del compuesto luminiscente medida por el sensor de temperatura (20), la derivación usando un modelo de la relación entre la vida útil de luminiscencia y la concentración de la sustancia gaseosa que está de acuerdo con una ecuación de Stern-Volmer y que es modificada por un factor de calibración que representa una proporción del compuesto luminiscente que no se expone a la sustancia gaseosa, incluyendo la ecuación de Stern-Volmer bien una constante de Stern-Volmer que depende linealmente de la temperatura, o un valor de la vida útil de luminiscencia en ausencia de desactivación por la sustancia gaseosa que depende linealmente de la temperatura, o ambos.
9. Un aparato sensor de gas (2) de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el sensor de gas (4) comprende una matriz (9) que comprende un polímero o un sol-gel, y el compuesto luminiscente está suspendido en, disuelto en, o unido molecularmente a, la matriz (9).
10. Un aparato sensor de gas (2) de acuerdo con la reivindicación 11 o 12, en donde el sensor de gas (4) comprende una guía de ondas óptica (16), el compuesto luminiscente está dispuesto en un extremo de la guía de ondas óptica (16) y la guía de ondas óptica (16) está dispuesta para guiar la luz del compuesto luminiscente al detector (14).
11. Un aparato sensor de gas (2) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el aparato (2) comprende además un reflector (19) que se extiende alrededor del compuesto luminiscente y configurado para reflejar la luz luminiscente por el compuesto luminiscente en la guía de ondas óptica (16).
12. Un aparato sensor de gas (2) de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el reflector (19) es permeable a la sustancia gaseosa.
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