JP6074070B2 - 化学−光学センサスポットにおける浸透圧変動の補正 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度を光学的に決定する方法に関し、少なくとも２つの発光染料（luminescent dye）を使用し、１つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料：reference dye）、２つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料：indicator dye）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう、異なる発光減衰時間を示し、第１モーメント（first moment）の時間内の基準染料の検出される発光振幅が、そのモーメントの後に感度変化を補正するために使用される。本発明は、また、ガス濃度を決定するための光学センサの測定の品質評価に関する対応する方法にも関する。

神経筋疾患、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ：chronic obstructive pulmonary disease）及び肥満低換気（obese hypoventilation）の患者は、しばしば慢性の呼吸障害に苦しんでいる。そのような患者は、家庭での呼吸障害の習慣的治療を必要とする。低酸素状態の患者は、酸素療法により（ほとんどの場合はベンチレータ（人工呼吸器）のサポートは必要とせずに）治療されるが、環境大気による侵襲的換気（ＩＶ）及び非侵襲的換気（ＮＩＶ）による治療は、高炭酸ガス血症患者の高い二酸化炭素（CO₂）の血液ガスレベルを受容可能なレベルに戻すことを助ける。換気の有効性は、夜間のＮＩＶ中の動脈血酸素及び二酸化炭素レベルの基線及び傾向を測定することにより確認される。

動脈血ガス測定は、ゴールデンスタンダートを形成する。家庭での換気治療を開始する前に、患者は病院に入院して、換気設定を最適化して動脈血ガス値をモニタする。疾患の重症度及び安定性に応じて、患者は、確認のために、より頻繁に又はより間隔をあけて定期的に病院に戻らなければならない。呼吸器の看護師が、患者の家を訪問して、ベンチレータ（人工呼吸器）を確認し、血液ガス分圧の非侵襲的モニタリングを可能にする装置を設置する可能性もある。家では、血液ガスレベルを典型的には夜の間にモニタし、データが、病院での後の検査のためにベンチレータ及び呼吸データと一緒に記憶される。

最先端の非侵襲的血液酸素モニタリングは、動脈血酸素飽和度を測定することによるものであり、これは、酸素解離曲線を介して酸素分圧に関連する。パルスオキシメトリ（SpO₂）は、患者の動脈血酸素飽和度の非侵襲的モニタリングのための光学的方法であり、臨床診療において最も一般的に使用される技術の１つになっている。パルスオキシメトリは、合理的な低コストの技術であり、使用するのが容易である。これは、家で血液酸素化をモニタリングするのに好ましい方法である。

CO₂の分圧の最先端の非侵襲的モニタリングは、カプノグラフによるか又は経皮CO₂（P_tcCO₂）モニタリングによるものである。健康な肺を有する挿管された患者では、カプノグラフによって得られる呼気終末CO₂（etCO₂）値は、動脈のCO₂値の良好な表示を示す。しかしながら、マスクと顔との間に空気漏れが通常存在し、かつ患者が重症な呼吸器疾患を有する場合の非侵襲的換気のケースでは、カプノグラフは、しばしば信頼性のない方法である。ほとんどの病院では、時々正確な値を取得するよう、傾向のモニタリングのためのカプノグラフと、動脈血サンプルの分析の組合せを使用する。

経皮CO₂モニタリングは、空気漏れによって邪魔されないが、呼吸器疾患は、信頼性のある値を得るためには訓練された人を必要とし、また、大人では皮膚特性の変動に起因して何らかの不正確性を示す。家でのCO₂血液ガスモニタリングは、患者が換気を受け取るための高い適合性にも関わらず、オキシメトリよりも使用される頻度が低い。

現在の経皮CO₂センサは全て、（ｉ）皮膚の血液かん流及びガス透過性を増加させるサーモスタット制御のヒーター；（ｉｉ）皮膚とセンサ膜との間の流体層；（ｉｉｉ）センサを覆うガス透過可能膜；（ｉｖ）膜とセンサとの間の電解質溶液；（ｖ）電気化学ｐＨセンサ及び基準電極を備えるセンサ；及び（ｖｉ）温度効果及び皮膚代謝を補償するアルゴリズムという、４０年前の概念に基づいている。

特許文献１（米国特許第６，６０２，７１６号明細書）は、少なくとも２つの異なる発光物質を利用する、サンプルの、特にガス状のCO₂又はNH₃の生物学的、化学的又は物理的パラメータの蛍光測定のための方法及び装置に関し、その第１発光物質は、少なくともルミネセンス強度についてそのパラメータに感応性であり、第２発光物質は、少なくともルミネセンス強度及び減衰時間についてそのパラメータに非感応性である。この出願は更に、位相変調技法を用いて、発光シグナルの平均位相シフトを決定することを示す。位相角Φ_mは、したがって、２つのシグナル強度の比率に依存するが、絶対シグナルレベルには依存せず、短寿命の指示染料のコンポーネントの強度の参照を可能にすることになる。

経皮適用のための先行技術の化学−光学センサ（chemo-optical sensor）の更なる例が、図１に示されており、光学透明担体物質の上に「シリコンラバーのような（silicon rubber-like）」ガス透過性物質の２つの層が配置される。第１の層−感知層（sensing layer）−は、疎水性ポリマー内において脂溶性の位相移動剤（lipophilic phase transfer agent）に２つの発光染料、すなわち長発光寿命の基準染料と、短発光寿命のｐＨ感応性の指示染料との混合を備える。第２の層は、光反射物質（TiO₂）の粒子を備え、感知層との間のイオン輸送を妨げる。CO₂ガスは典型的に、その幕を通って第１の（感知）層へと拡散して、ｐＨを変化させ、このことは次に、指示染料からの蛍光発光を変調する。変調された光励起の時間応答を効果的に測定するデュアルライフタイム参照技術を使用することにより、CO₂ガスのパーセンテージを計算することができる。

脂溶性の位相移動剤は、化学的干渉物質としても機能し、炭酸の生成のために水を提供する。しかしながら、センサの適用側における浸透圧の不均衡は、例えばセンサ内での水輸送を開始することがあり、これは、センサの不要な感度変化につながる可能性がある。典型的には、そのような変化は、センサの完全な時間のかかる再較正を必要とする。

米国特許第６，６０２，７１６号明細書 国際公開第０２／０５６０２３号パンフレット

Kocincova, New pH Sensitive Sensor Materials; Luminescent Fiber-Optic Dual Sensors for Non-Invasive and Simultaneous Measurement of pH and pO2 (Dissolved Oxygen) in Biological Systems, 2007, PhD thesis, University of Regensburg. Schaeferling, The Art of Fluorescence Imaging with Chemical Sensors, 2012, Angewandte Chemie International Edition, 51(15), 3532-3554

その結果、特に、化学−光学センサの追加の再較正の必要性なく、誘発されるガス濃度測定の不正確性を補償することを可能にする方法の開発のニーズが存在する。

本発明は、これらのニーズに対処し、光学的に決定されるガス濃度の不正確性を検出し、そのような不正確性を補正するための方法を提供する。上記の目的は、特に、ガス濃度を光学的に決定する方法であって、少なくとも２つの発光染料を使用し、１つめの染料が、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料）、２つめの染料が、発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう、異なる発光減衰時間を示し、第１モーメントの時間内の基準染料の検出される発光振幅が、モーメント後に感度変化を補正するために使用される方法によって達成される。特に、本発明者らによって発見された驚くべきことは、O2、CO2及びイオンに対して非感応性であることが実験的に分かっている化学−光学センサユニット内の基準染料が、指示層の感度（sensitivity）についての明確な指示として機能し得ることである。例えば感度は、例えば化学−光学センサユニットの経皮適用側の環境なモル浸透圧濃度によって影響され得る。これは、とりわけ指示層の含水量の変化につながる可能性がある。この驚くべき発見に基づいて、基準染料の測定を使用して、元の位置における浸透圧の状況に関わらず、化学−光学センサユニットの取得された測定データを補正することができる。これは、センサユニットの感知層内のいずれの水輸送動作又は水の蓄積若しくは流出も、含水量に関する基準染料の指示機能を介して検出可能であるからである。このことは、化学−光学センサユニットを再較正する必要なく、当該化学−光学センサユニットの初期状態に関して不均衡となり得る異なる浸透環境において、化学−光学センサユニットを使用することを可能にする。したがって、O2、特にCO2のようなガスの濃度を、いずれの追加の再較正ステップを必要とせず、かつ感知層への水の流入の影響に起因する進行性の改ざんや測定された値の無効性を恐れることなく、化学−光学センサユニットにより効果的に決定することができる。したがって、化学−光学センサの感知構造における潜在的な浸透圧の変化は、基準染料信号に基づくベクトル分解により効果的に補償され得る。

好適な実施形態において、両発光染料は単一の光源によって励起される。

更に好適な実施形態において、両発光染料は同時に励起される。

本発明の別の好適な実施形態において、両発光染料は化学−光学センサユニットの感知層において提供される。

更に好適な実施形態において、化学−光学センサユニットは、感知層に隣接して少なくとも１つのガス透過層（gas-permeable layer）を備え、濃度を測定すべきガスが、当該ガス透過層を通過して感知層に向かうように構成される。

追加の実施形態において、ガス透過層は、光が当該ガス透過層を通過することを防ぐように構成される。

更に別の好適な実施形態において、光学センサは、ガス透過層と光学センサが適用される表面層との間に少なくとも置かれる接触媒（contact medium）とともに動作するように構成される。

本発明の特に好適な実施形態において、方法は、単一の検出器により基準染料と指示染料の発光応答の相挙動（phase behavior）を測定し、測定された相挙動による両発光染料の全体の強度と独立の発光応答ベクトル

を取得するステップと；
測定された発光応答ベクトル

を、式（Ｉ）

に従って、基準染料のみを反映している虚数部（β）と、基準染料の実数部及び指示染料の実数部の合計である実数部（α）とに更に分解するステップであって、ここでα及びβは双方とも時間変数であるステップと；
測定された発光応答を、第１モーメントの時間の後に基準染料に基づいて、式（ＩＩ）

に従って補償するステップであって、ここで、式（ＩＩＩ）

であり、ここで、ｋは、両発光染料のモル浸透圧濃度についての感度の比を反映する定数、好ましくは、基準染料の強さの非線形関数であるステップと；
前記ガス濃度を、結果として得られる発光応答ベクトル

を、式（ＩＶ）

の位相角φを介して決定するステップ；
を備える。

好ましくは、定数ｋは、基準染料強度の非線形関数である。

本発明の特定の実施形態において、虚数部（β）及び測定された発光応答の実数部（α）は、ローパスフィルタされる。

上述の方法の更なる実施形態において、ある浸透環境における基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比（steady state ratio）が、１つ以上の異なる浸透環境のキャリブレータとして使用される。

上述の方法の更に別の好適な実施形態において、ある浸透環境における基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比のダイナミクスが、変化する浸透環境のダイナミクスのキャリブレータとして使用される。

更なる態様では、本発明は、ガス濃度を決定する光学センサの測定の品質評価のための方法に関し、当該方法は、少なくとも２つの発光染料を使用し、１つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料）、２つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう、異なる発光減衰時間を示し、第１モーメントの時間内の基準染料の検出される発光振幅が、モーメントの後に感度変化を示し、
品質評価は、式（Ｉ）

に従って、虚数部（β）を決定することを備え、実数部（α）は、基準染料と前記指示染料の実数部の合計であり、虚数部（β）の遅い及び／又は段階的変動（gradual variation）は、許容可能な測定品質を示し、虚数部（β）の早い変化及び／又は揺らぎ変動（fluctuating variation）は、許容可能でない測定品質を示す。

説明される全ての方法の好適な実施形態において、ガス濃度は、血液ガス濃度である。特に好ましくはO₂及び／又はCO₂のガス濃度、より好ましくはCO₂ガス濃度が決定される。

説明される全ての方法の好適な実施形態において、感度変化は、身体表面のような浸透圧的に不均衡な環境で起こる。特に好適な実施形態では、感度変化は、人間又は動物の皮膚上又は皮膚内で起こる。

本発明の特に好適な実施形態では、ガス濃度の決定は、上述のように、人間の皮膚上又は皮膚内のCO₂濃度の経皮決定である。

経皮適用のための化学−光学センサの原理を示す図である。この図は、光学透明の担体を有する支持層と、シリコン膜、基準染料、及びガスに対して透過的でありｐＨ感応性の指示染料を備える感知層と、ガスに対して透過的であり、光に対して反射性のある、シリコン膜内にTiO₂を有する層とを備える、化学−光学センサを示している。化学−光学センサは、例えば４７０ｎｍ（青〜緑ＬＥＤ）で励起され、発光は、指示染料及び基準染料から５００〜７００ｎｍ（赤）の範囲で検出され得る。基準染料は、遅い応答を有し、発光団を例えば領域（spheres）内でパックして、これらの発光団をO₂から保護する。指示染料は、早い応答を有し、H⁺（ｐＨ）に対して主に感応性を有し、これは、振幅の減少と、CO₂の増加により生じるｐＨの減少に起因する白光照明下での黄色（yellow coloring）につながる。照明光強度の変調の周波数は、約４５°の位相シフトがノミナルのCO₂濃度において取得されるように選択される。 デュアルライフタイム参照技術（ＤＬＲ：Dual Life-time Referencing）検出スキームのベクトル図を示す。簡潔性の目的で、ベクトル図内では、全ての位相角が絶対値として、すなわち正の角度として示されているが、実際には、基準染料は遅い応答であるので、その位相角は負であり、「−Ｉｍ」として理解され得ることに留意されたい。 図３は、より低い（ゼロ）浸透環境へのセンサスポットの移動後のpCO₂を示す図である。 図４は、純水から生理食塩水へのセンサスポットの移動後のpCO₂を示す図である。 図５は、例１及び例２で説明される実験について時間の経過に応じた、発光ベクトルの虚数部

及び実数部

を示す図である。簡潔性の目的で、ベクトル図内では、全ての位相角が絶対値として、すなわち正の角度として示されているが、実際には、基準染料は遅い応答であるので、その位相角は負であり、「−Ｉｍ」として理解され得ることに留意されたい。
より低い（ゼロ）浸透環境へのセンサスポットの移動後の発光の虚数部を示す図である。 より低い（ゼロ）浸透環境へのセンサスポットの移動後の発光の実数部を示す図である。 発光の虚数部を示す図である。 発光の実数部を示す図である。 補正後の発光の虚数部と補正済みの実数部を示す図である。臨床的に関連するCO₂レベルは０％〜２０％の間で経時的に比較的一定である。 より高い浸透環境へのセンサスポットの移動後の発光の虚数部を示す図である。 より高い浸透環境へのセンサスポットの移動後の発光の実数部を示す図である。 本発明に従って、より高い浸透環境への移動後の補正済みのセンサ応答を示す図である。臨床的に関連するCO₂レベルは０％〜２０％の間で経時的に比較的一定である。

本発明は、光学的に決定されるガス濃度の不正確性を検出し、そのような不正確性を補正するための方法に関する。

本発明は、特定の実施形態に関して説明されるが、この説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

本発明の詳細な例示の実施形態を説明する前に、本発明を理解するために重要な定義を与える。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「a及びan（ある）」は、文脈がそうでないことを明らかに示さない限り、それぞれの複数も含む。

本発明の文脈において、「約（about）」及び「およそ（approximately）」は正確性の間隔を示し、問題となっている特徴の技術的効果を依然として保証することが当業者には理解されよう。この用語は、典型的に±２０％、好ましくは±１５％、より好ましくは±１０％、更に好ましくは±５％で示される数値からの偏差を示す。

理解されるように「備える」という用語は限定的ではない。本発明の目的では、「から成る」という用語は、「を備える」という用語の好適な実施形態となり得ると考えられる。以下において、あるグループが少なくとも或る幾つかの実施形態を備えるように定義される場合、これは、好ましくはこれらの実施形態のみから成るグループも包含することを意味する。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲における「第１」、「第２」、「第３」又は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）等の用語及び同様の用語は、同様の要素を区別するために使用されており、必ずしも順次的又は時間的順序を説明するために使用されていない。理解されるように、そのように使用される用語は、適切な状況下では交換可能であり、また、本明細書で説明される発明の実施形態は、本明細書で説明又は図示されるものとは別の順序で動作可能である。

「第１」、「第２」、「第３」又は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、「ｉ」、「ｉｉ」等の用語が方法、使用又は、分析のステップに関連する場合、上記又は下記で説明されるような適用において、そうでないこと示されていない限り、ステップ間の時間又は時間間隔の干渉性は存在しない、すなわち、ステップは同時に実行されてよく、あるいは、そのようなステップ間に、秒、分、時間、日、週、月又は年単位の時間間隔が存在してもよい。

理解されるように、本明細書で説明される特定の方法、プロトコル等は変化し得るので、本発明はこのような特定の方法、プロトコル等に制限されない。また、理解されるように、本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するものであり、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲を限定するようには意図されていない。そうでないことが定められていない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、当業者によって通常理解されるものと同じ意味を有する。

上記で提示したように、本発明は、第１の態様において、ガス濃度を光学的に決定する方法に関し、少なくとも２つの発光染料を使用し、１つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料）、２つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう異なる発光減衰時間を示し、第１モーメントの時間内の基準染料の検出される発光振幅は、そのモーメントの後に感度変化を補正するために使用される。

「ガス濃度」という用語は、測定されるゾーン又はセクタからの拡散により化学−光学センサに到達するガスの量に関する。「ガス」は、任意のガス状の物質であってよい。ガスは、生物学的に生成されるか、生物学的に活性又は関連するガス、生物工学的に生成されるか、生物工学的に活性又は関連するガスであることが好ましい。そのようなガスの例は、O₂、CO₂、CO、N₂、NH₃、NO及びH₂Sである。濃度を決定すべきガスはO₂及び／又はCO₂であることが好ましい。濃度を決定すべきガスはCO₂であることが特に好ましい。

「発光応答に関してガス濃度に感応性がない発光染料（基準染料）」は、測定に用いられる化学−光学センサユニットのコンテキストでは、上述のように、ガスの濃度の増加及び／又は減少に対して不活性の任意の発光染料であってよい。好適な実施形態において、基準染料は、測定に用いられるセンサユニットのコンテキストでは、O₂又はCO₂の濃度を増加及び／又は減少に対して不活性である。さらに、基準染料の発光減衰時間は、以下で説明されるような指示染料の発光減衰時間とは異なるべきである。好ましくは、本発明の方法で使用される基準染料は、比較的長い発光減衰時間を有するか、以下で説明されるような指示染料と比べてより長い発光減衰時間を有することがある。ガスに対して不活性であり、かつ長い減衰時間を示す適切な基準染料の例は：（１）中央原子及びジイミン配位子として、ルテニウム(II)、レニウム(I)、又はオスミウムとイリジウムを有する、遷移金属錯体；（２）中央原子として白金、パラジウム、ルテチウム又はスズを有する燐光性ポルフィリン；（３）例えばユーロピウム、ジスプロシウム、テルビウム等のレアアースの燐光性錯体；（４）ルビー、Cr-YAG、アレキサンドライトのような燐光性結晶又はマグネシウムフッ化ゲルマニウム塩（magnesium fluoro-germanate）といった燐光性混合酸化物を含む。

「発光応答に関してガス濃度に対して感応性の「発光染料」（指示染料）」は、測定に用いられる化学−光学センサのコンテキストでは、上述のように、ガスの濃度の増加及び／又は減少に対して感応性のある任意の発光染料であってよい。好適な実施形態において、指示染料は、測定に用いられるセンサユニットのコンテキストでは、O₂又はCO₂の濃度を増加及び／又は減少に対して感応性を有する。さらに、指示染料の発光減衰時間は、上述のような基準染料の発光減衰時間とは異なるべきである。好ましくは、本発明の方法で使用される指示染料は、比較的短い発光減衰時間を有するか、上述のような基準染料と比べてより短い発光減衰時間を有することがある。例えば指示染料は、蛍光染料であってよい。ガスに対して感応性があり、かつ短い減衰時間を有する適切な指示染料の例は、ＨＰＴＳ（8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid, trisodium salt）、フルオレセイン、ローダミンＢ、ローダミンＢ-オクタデシルエステル、ヘクタデシル-アクリジン・オレンジ（hexadecyl-acridine orange）、ヒドロキシメチル・クマリン、ローダミン，Ｂ−オクタデシルエステル、ローダミンＢ，ナフトフルオレセイン、スルホローダミン１０１、エオシン、チオニン及びナイルブルーを含む。

具体的な実施形態において、本発明は、上記で示した例示の指示染料と基準染料との全ての組合せを含め、基準染料と指示染料との組合せに関する。本発明に係る方法のコンテキスト内で使用される基準染料と指示染料との組合せの好適な例は（基準染料／指示染料として示す）：ルテニウム(II)-(トリス-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)／ＨＰＴＳ；ルテニウム(II)-(トリス-4, 7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)／フルオレセイン；ルテニウム（II)-(トリス-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)／ローダミンＢ；ルテニウム（II)-(トリス-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)／ローダミンＢ-オクタシルエステル；ルテニウム（II)-(トリス-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)／ヘクタデシル-アクリジン・オレンジ；ユーロピウム (III)-トリス-スレオニル-トリフロロメチル・アセトナート／ヒドロキシメチル・クマリン；白金(II)-テトラフェニルポルフィリン／ローダミンＢ-オクタシルエステル;；白金(II) -テトラフェニルポルフィリン／ローダミン Ｂ；白金 (II)-テトラフェニルポルフィリン／ ナフトフルオレセイン；白金 (II) -テトラフェニルポルフィリン／スルホローダミン１０１；白金(II)-オクタエチルポルフィリン／エオシン；白金 (II) -オクタエチルポルフィリン／チオニン；白金(II)-オクタエチルケトポルフィリン／ナイルブルー；CR(III)-YAG／ナイルブルー；Cr(III)-YAG／ ナフトフルオレセインを含む。

本発明の方法は、位相シフトφに変換する、異なる発光減衰時間の測定に依拠する。特に、基準染料は、光変調にゆっくり応答するので、早く応答する指示染料及び光変調によって表される実軸に対する位相シフトΘとして存在する。位相シフトΘは、典型的に、適用された光変調の周波数に依存する。結果ベクトル

の位相角φは、したがって、双方の染料の振幅の比にのみ依存し、簡単な数学的関数に基づいて測定されるガス濃度にリンクされ得る。言い換えると、結果ベクトル

の位相角φは、測定されるガス濃度を示す。

好適な例において、結果ベクトル

の位相角φは、例えば化学−光学センサユニットにおいて測定されるガスのパーセンテージに直接リンクされ得る。更なる例は、例えばそのようなアプローチが必要と考えられる場合に、０％から１００％までの合計CO2濃度範囲を適合させるために、４つのパラメータのボルツマン・シグモイド・フィット（Boltzmann sigmoid fit）の使用を含む。本発明によっても考慮される更に適切なアプローチは、例えば関心対象の濃度域（concentration range of interest）に対する線形適合を含む。したがって、指示染料及び基準染料の異なる減衰時間に基づいて、固定周波数における励起の強度を変調することができ、また、振幅に依存する発光信号の位相角を検出して、ガス感応性の指示染料の相対的強度に変換することができ、これに続いて、ガス濃度を決定することができる。有利には、光学伝達関数における変化に起因する発光振幅の影響は、これらが双方の染料で等しく作用するため抑制される。

特定の実施形態において、基準染料及び指示染料における異なる発光減衰時間の測定は、例えば特許文献１、あるいは非特許文献１から導き出されるように、本質的にデュアルライフタイム参照原理に基づく。

中心となる態様において、本発明は、第１モーメント後における検出ガス濃度の補正のために、第１モーメントにおいて、基準染料の検出される発光振幅の利用を提供する。したがって、この補正は、基準染料の発光振幅のベクトル分解によってカバーされ得る、測定処理における感度の変化を考慮する。したがって、本明細書で使用されるとき、「補正(correction)」という用語は、本明細書で定義されるような基準染料からの応答を、任意の適切な方法のベクトル分解により、測定された発光から抽出することができることを意味する。続いて、センサ応答、すなわち上述のようなガス濃度の指示を、基準染料の発光振幅に基づいて補償することができ、これは驚くべきことに、これらに限られないがセンサと環境との間の浸透圧差や、例えば本発明の化学−光学センサ内における水輸送等の導入に起因する感度の変化に関連することが発見された。数学的分解及び後続の補償若しくは補正は、任意の適切な数学的方法に従って実施され得る。例えば振幅と位相の同期的検出及び正弦光励起が使用され得る。特に好適な実施形態では、ハードウェア要素は、そのような振幅と位相の同期的検出及び正弦光励起を実施するように既に実装され得る。更に想定される例は、方形波光励起又は時間領域の分析の実行を含み、これは例えば基準染料を、その「長い」インパルス応答から区別することにより行われる。更に想定される代替形態は、例えばフーリエ変換を適用した後の周波数領域での分析である。

本発明の方法は、単一の検出器により基準染料と指示染料の発光応答の相挙動を測定するステップと、測定された相挙動により、双方の発光染料の合計強度とは独立の発光応答ベクトル

を取得するステップを含む。これは有利には、続いて、測定された発光応答ベクトル

を、式（Ｉ）：

に従って、基準染料のみを反映する虚数部（β）と、基準染料及び指示染料の実数部の合計である実数部（α）とに分解するし、ここで、α及びβは双方とも時間変数である。

続いて、基準染料に基づいて、測定された発光応答が補償され得る。そのような補償は、任意の適切なアルゴリズムに従って実行され得る。次の式（ＩＩ）

に従って補償を実行することが好ましく、ここで、式（ＩＩＩ）

であり、ｋは、発光染料のCO2感度に対する基準染料振幅の感度を反映する関数である。

補償された発光応答ベクトルは、式（ＩＶ）

であり、その位相角φ‘はボルツマン・シグモイドを通してCO₂濃度に直接リンクされる。

更に好適な実施形態では、αの指示染料の部分のみが補償される：式（Ｖ）

本明細書で使用されるとき、「発光染料のCO₂感度に対する基準染料振幅の感度を反映する定数（constant）」という語は、基準染料及び指示染料が、特定のモル浸透圧濃度又はモル浸透圧濃度状況について、実験的に証明された感度を示すことを意味する。したがって、導出されたデータは、適切なデータベースから収集又は導出され、適切な定数の形で与えられ得る。更なる実施形態において、定数は、本発明の方法を実行している間に、現在の測定値から直接導出されてもよい。したがって、ｋは、第１モーメントで時間内に決定され、その後、すなわち、ガス濃度についての更なる決定の間に、方法の実行中に更なる計算用の定数として使用され得る。

更なる実施形態において、CO₂感度に対するβの依存性を反映する定数ｋを、上述のような４つのボルツマン較正定数に対する追加として使用することができる。特に好適な実施形態では、上述のような４つのボルツマン較正定数を導く可能性がある、CO₂濃度の範囲を適用することによる製造中の化学−光学センサの構成は、異なるモル浸透圧濃度の範囲まで拡張され得る。そのような較正に基づいて、定数ｋの較正も行うことができる。続いて、ガス濃度を、当業者に公知であるような任意の適切なアルゴリズム又は数学的アプローチに基づいて決定することができる。ガス濃度の決定は、発光応答ベクトル

の式（ＩＶ）：

の位相角φに基づくことが好ましい。

この決定は、任意の適切な数学的方法に従って実行され得る。例えば振幅と位相の同期的検出及び正弦光励起が使用され得る。更に想定される例は、方形波光励起又は時間周波数での分析の実行を含み、例えば「より長い」インパルス応答から基準染料を区別すことにより行われる。更に想定される代替形態は、例えばフーリエ変換を適用した後の周波数領域での分析である。

本発明の更なる具体的な実施形態では、測定された発光応答の虚数部（β）と実数部（α）がフィルタされる。そのようなフィルタリングは、例えばローパスフィルタリングであってよく、ローパスフィルタリングは、任意の適切なフィルタリングアルゴリズムにより、あるいは適切なデバイスに基づいて、電子的に実装され得る。したがって、フィルタ及びフィルタリングは、低周波数の信号を通し、カットオフ周波数よりも高い周波数の信号の帯域を減少させる。好適な実施形態において、補正に使用され得る（β）部は、ローパスでフィルタされ得る。特定の実施形態において、フィルタリングは、浸透圧効果の遅さを反映している範囲で実施され、この範囲は、約１０分から数時間までの時間フレームで起こり得る。代替的な実施形態において、（β）部は、より早くに生じる測定アーチファクト、例えば水損失等を検出するために使用され得る。これらの場合において、（β）部は、フィルタリングなしで、あるいはほとんどフィルタリングされることなく使用され、そのような早くに生じる変動を適切に検出する。

上記に概説したように、本発明は、説明されるベクトル分解アプローチに従って、基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比の決定を可能にする。有利には、そのような定常状態比は、例えば人間の被検者の皮膚やバイオテクノロジーデバイス等のような特定の環境において決定され得る。基準染料の発光と指示染料の発光との決定された定常状態比に基づいて、本明細書で説明される化学−光学センサについて、較正状態が定義され得る。そのような較正状態は、続いて、（ｉｉ）同じ環境又は（ｉｉｉ）例えば異なる浸透環境のように異なる環境において、（ｉ）同じに作られる他の化学−光学センサの較正のために使用され得る。したがって、特定の状況におけるガス濃度測定の補正計算の本質を構成する定常状態情報を、新たな環境における適切な較正アプローチの開始点として用いることができる。対応する計算は更に、各々の特有の環境を反映する追加の定数に従って、適応又は変更され得る。例えば本明細書で説明されるベクトル分解のアプローチによる基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比の決定は、較正の目的で使用され得る上述のように定数ｋを導くことができる。そのような定数ｋを与える更なる代替的アプローチも可能であり、本発明によって想定される。好適な実施形態において、定数ｋは、基準染料強度の非線形関数であってよい。特に好適な実施形態では、定数ｋは、基準染料強度の非線形関数であり、モル浸透圧濃度の範囲において較正され得る。これらのアプローチは、本明細書で概説されるように、使用される補正方法に従って変化することがある。

定数ｋは、例えば較正処理の更なるパラメータとして使用されてよく、これは、有利には、その環境、例えばパッケージングにおけるモル浸透圧濃度に関して、モル浸透圧濃度変化に対する染料の応答を反映し得る。

更なる代替的な実施形態では、１つ以上の較正ボルツマン定数が、基準染料振幅によって適応され得る。

本発明は更に、ある浸透環境における基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比のダイナミクスが、浸透環境を変化させるダイナミクスのための較正器（キャリブレータ）として使用される方法も想定する。「定常状態比のダイナミクス」という語は、本明細書で使用されるとき、観察される定常状態比、特に上述されるような基準染料の発光と指示染料の発光との間の定常状態比の数学的回復（mathematical refection）又は記述を指す。観察された挙動の数学的記述を提供することにより、導出されるモデルが、同様又は同じ状況の較正のために使用され得るので有利である。好ましくは、モデルを異なる環境に対するキャリブレータとして使用することができる。より好ましくは、モデルを、変化する浸透圧状況の予測モデルとして使用することができる。

例示の実施形態において、センサは、以下の非限定的で単なる例示のシナリオで使用され得る：第１に、センサユニットは、異なるモル浸透圧濃度及びCO2濃度の範囲について、製造処理中に較正され得る。さらに、結果として得られるベクトルは、例えばセンサユニットのパッケージ化の後に測定され得る。典型的に、これは、皮膚表面上でセンサユニットを使用するために必要な接触流体（contact fluid）とともに行われ得る。したがって、センサユニットは良好に特性評価され得る。センサの保存期間中に、すなわち、センサユニットが使用されていない期間中に、センサの正しくかつ正確な特徴付け（characterization）が減少し得る。これは、センサユニットから（又は接触流体から）パッケージング物質への水損失といった要因に起因することがある。したがって、センサユニットをパッケージ化解除した後であって、センサユニットを使用する少し前かセンサユニットを皮膚へ適用した後に、すなわち、センサユニットの初期使用の時間フレーム内に、皮膚からのCO₂のエントリ又は浸透に起因する遅い効果が未だ知覚可能になっていないときに、結果として得られる発光ベクトルが測定され得る。

この発光ベクトルは、初期測定の品質評価に使用され得るので有利である。この品質測定は、例えばセンサが正しく配置又は格納されているかどうか、かつ／又は例えば読み出しユニットに正しく接続されているかどうかを検出するのに使用され得る。測定されたベクトルは、したがって、パッケージング後に製造者の較正データとの比較に使用され得る。このため、（パッケージング後に）製造者の較正からの偏差に基づいて、格納又は接続の問題の存在を検出することができる。したがって、光伝達が正しいか又は正しくないかという問いに答えることができる。

更なる追加又は代替の実施形態において、発光ベクトルを、ｔ＝０の基準測定として使用することができる。そのような基準測定を、実行すべきセンサ測定動作に使用することができる。好ましくは、測定は、次の経皮測定であり得る。

本発明の特定の実施形態において、上記で定義されるように、基準及び指示染料は、同じ範囲の波長の光を吸収し得る。これは、単一の光源のみによって、これらの染料を励起して発光させることを可能にする。したがって、本発明の特定の実施形態において、発光染料は単一の光源によって励起される。この光源は、好ましくは、その化学的及び光学的特性に従って、基準染料及び指示染料を照射するように適合される。光源は、したがって、特定の波長の放射線を提供し、好ましくは、上述のような基準染料及び指示染料に適合されるは励起波長又は波長範囲内の光を提供することができる。光源は、任意の適切な形式であってよく、任意の適切な強度を提供し、かつ任意の適切な波長を提供することができる。特定の実施形態において、光源は、好ましくは発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。

更なる実施形態において、基準染料及び指示染料の励起は同時励起である。したがって、単一の光源のみに基づいて、かつ同じ波長又は波長範囲により励起可能であることに基づいて、基準染料及び指示染料を同時に励起させることができる。

発光染料は、任意の適切な形式又はコンテキストで提供され得る。これらの染料を化学−光学センサユニットで編成させることが好ましい。そのようなセンサユニットは、例えば基準染料及び指示染料を備える感知層を備えることができる。したがって、「感知層」という用語は、本明細書で使用されるとき、照射又は励起され得る層であって、その後、例えば光学応答として、蛍光等の発光のように、光学反応物質の励起に起因して、異なる波長の光を生成することができる層を指す。感知層は、ガス分子が通過可能な充填物質で構成され得る。そのような充填物質の例は、シリコンラバー物質である。特定の実施形態において、感知層は、シリコンラバーを備えてもよく、あるいは本質的にシリコンラバー物質で構成されてもよい。感知層は更に、水又は化学的緩衝剤（buffer）のような化合物を備えてもよい。感知層は、したがって、特定のｐＨで中和されることがあり、あるいは特定のｐＨを有するよう特定の量のプロトン及び／又は水酸化物イオンを備えてもよい。ｐＨは、ガスの拡散に起因して、特に感知層へのCO₂の拡散に起因して変化することがある。好ましくは、CO₂は、感知層へ拡散し、水との相互作用により感知層内のｐＨを変化させることができ、したがって、プロトンの濃度を増加させてｐＨを変化させる。

「所定の放射線で照射される」という語は、本明細書で使用されるとき、感知層が、適切な波長の放射線で、特に、感知層の光学応答を生成することが可能な波長の放射線で照射又は励起され得ることを意味する。例えば照射は、可視光、赤外光及び／又は紫外光により行われてもよい。所定の放射線の好適な例は、緑−青の可視スペクトルの光、例えば約４００〜５００ｎｍ、例えば４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、４７０ｎｍ、４８０ｎｍ、４９０ｎｍ等の波長の光である。放射線、すなわち光波長並びにその強度は、一般に、感知層内の指示染料及び基準染料に応じて作られるか、これに適合され得る。励起波長に対応する適切な固有の光学反応物質が使用され得る。指示染料及び基準染料の放射スペクトルが同じスペクトル範囲であることが更に好ましい。したがって、例えば基準染料及び指示染料が約４５０ｎｍの波長の光で励起される場合、一方の染料が、例えば５２０ｎｍで緑色光を放射し、他方の染料が、例えば６００ｎｍで赤色光を放射することができる。そのような狭い範囲の放射スペクトルは、１つの光学検出器で検出可能であるので、費用重視の実装が可能になる。

化学−光学センサユニットのコンテキストにおいて、感知層は、光学応答がガスの濃度に依存する少なくとも１つの感知層について、その光学応答を測定するように適合される。

好適な実施形態において、感知層は、光学反応物質として、上述のような基準染料及び指示染料を備える。特に、上述のような基準染料と指示染料の組合せが感知層内に存在し得る。

感知層は更に、少なくとも、例えばガス透過層のようなより深い層から到着し得る、O₂及び／又はCO₂のようなガス分子に対して通過可能なものであってよい。典型的に、感知層は、本発明に係る化学−光学センサの対応領域内における浸透圧に従って、より深い層、すなわち感知層の下にある層内に又はその層外に拡散し得る水分子についても透過可能であってよい。

ある特定の実施形態において、感知層は、異なるガス濃度を測定することができるか、あるいは１つより多くのガス濃度を同時に測定することができる、例えば２つのガス濃度を同時に測定することができる発光物質を備え得る。例えば感知層は、それぞれ異なるガスの測定に適応される２種類の発光物質を備えることができる。好ましくは、１つのサブレイヤ、領域又は１種類の物質が酸素を検出するように適合され、第２のサブレイヤ、領域又は第２の種類の物質は、CO₂を検出するように適合される。マルチパラメータセンサに関する更なる詳細及びこれらを実装する追加の可能性は当業者に公知であるか、特許文献２又は非特許文献２から導かれることが可能である。

感知層は、単一の層として提供され得る。代替的な実施形態では、１つ以上の感知層が提供されてもよい。そのような第２の又は更なる感知層は、第１の感知層と同じ特性を有しても異なる特性を有してもよい。例えば第２の又は更なる感知層は、例えば異なる染料のような異なる発光物質を備えてもよく、あるいはそのような感知層が、異なる緩衝剤（バッファ）のような異なる化学的環境内に提供されるか、第１の感知層と異なるｐＨを有してもよい。更なる実施形態では、第２の又は後続の感知層は、第１の感知層とは異なるガス、例えば第１の感知層で測定されるCO₂の代わりにO₂を測定するように適合されてもよい。

化学−光学センサユニットは、少なくとも１つの感知層の光学応答を測定するように更に適合され得る。重要なことに、受け取られる光学応答は、測定されるべきガス濃度に依存するよう想定される。そのような適合は、感知層から生じる１つ以上の光学応答を受信、検出及び／又は分析することが可能な適切な検出方法又はデバイスのプロビジョンを備える。検出は、任意の適切な検出方法に従って、あるいは任意の適切な検出デバイスに基づいて実施又は実装されてよく、あるいは検出ステップ又はサブステップを実行することが可能な適切なコンポーネントを備えてもよい。

更なる実施形態において、化学−光学センサは、感知レイヤに隣接して、少なくとも１つのガス透過層を備える。「ガス透過層」という用語は、本明細書で使用されるとき、ガス分子を通過可能な構造を指す。典型的に、ガス透過層は、オーバレイしている感知層に対してガスを通過させるように適合される透過性構造として提供される。特定の実施形態において、ガス透過層は、O₂及び／又はCO₂のようなガス分子に対して通過可能なものであってよい。典型的に、ガス透過層はまた、例えば本発明に係る化学−光学センサの領域内における浸透圧に応じて、ガス透過層の上又は下にある層内又はその層外に拡散し得る水分子についても透過可能であってよい。そのような水分子の拡散処理又は輸送は、例えばガス位相内の水に基づいて達成され得る。

ガス透過層の膜は、適切なガス及び水透過可能な物質で構成されることがある。例えば膜はシリコン膜であるか、あるいはシリコンを備えることがある。あるいは、膜はPTEE（テフロン（登録商標））又は派生物（誘導体）といった物質で構成されるか、これを備えることもある。更なる代替的な実施形態では、膜は、金属メッシュ、例えばポリプロピレンやエチレンに基づく多孔性の疎水性ポリマー、エアロゲルのような多孔性の疎水性酸化シリコン、又はナフィオンのようなペルフルオロ物質で構成されるか、これらを備えることがある。更なる適切な物質は、当業者に公知であり、これらも本発明のコンテキストにおいて考慮される。

ガス透過層は更に、ガス分子を通過可能な充填物質で構成されることがある。そのような充填物質の例は、シリコンラバー物質である。好適な実施形態において、ガス透過層は、シリコンラバーを備えることがあり、あるいは本質的にシリコンラバー物質からなることもある。

本発明の更なる好適な実施形態では、ガス透過層は、光が当該ガス透過層を通過することを防ぐように更に構成され得る。「光がガス透過層を通過することを防ぐ」という語は、特に、少なくとも１つの感知層を通って伝達される光を反射又は散乱するか、かつ／又は意図されたセンサ範囲の外部で可能性のある光干渉をブロックするように、ガス透過層が適合されることを意味する。ガス透過層による光の反射又は散乱は、例えばアルミニウム等の金属や金属酸化物のような任意の適切な光反射技術を使用することにより達成され得る。特に好ましいのは、チタニウム化合物、例えばTiO₂を備える化合物の使用である。特定の実施形態において、光反射又は錯乱は、完全である、すなわち全ての波長に対するものであってよく、あるいは光反射又は錯乱は、特定の波長又は波長範囲に固有のものであってもよい。例えば特定の波長又は波長の範囲の光、特に感知層の発光物質に対する励起波長の光は、反射又は散乱され得るが、感知層の発光物質について励起的でない異なる波長の光は、反射されないことがある。更なる実施形態では、光の反射又は散乱は、例えばガス透過層における温度、ｐＨ、ガス分子の存在、極性化合物の存在等といった、特定のパラメータに依存することがある。さらに、ガス透過層は、例えば意図されたセンサ範囲の外部では、蛍光分子の可能性ある干渉をブロックすることができる。好適な実施形態では、蛍光分子の干渉のブロックは、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲外の蛍光発光をブロックすることであってよい。そのようなブロック動作は、想定される感知範囲外で機能する光吸収物質を提供することにより達成され得る。

したがって、ガス透過層は本質的に、CO₂やO₂、H₂Oのような小さい分子の透過層として光に対するバリアとして機能し、より大きい分子、本発明に係る水以外の特に低い極性を有し得る第１の化合物に対する、セミアクティブな、すなわち強く抑制する（strongly retarding）バリアとして機能し得る。別の特定の実施形態では、ガス透過層は、水が全くないが依然として高いガス透過特性を有するバリア層の形式で提供される。そのようなガス透過層は、シリコンオイル、ソフトシリコンラバー、ペルフルオロアルカンオイル、ソフトペルフルオロ（テフロン（登録商標））ラバー若しくは食用オイル又はこれらの派生物又はこれらの化合物の任意の組合せを備えることができる。

ガス透過層は、単一の層として提供されてもよい。代替的な実施形態では、１つより多くのガス透過層が提供され得る。そのような第２の又は更なるガス透過層は、第１のガス透過層と同じ特性を有しても、異なる特性を有してもよい。例えば第２の又は更なるガス透過層は、異なる波長の光を反射する特性を有してもよい。更なる実施形態において、第２の又は更なるガス透過層は、第１のガス透過層とは異なる分子について透過可能であるという特性を有してもよい。例えば異なるガス又は異なる化合物が、第１及び第２又は後続のガス透過層を通過し得る。

本発明の更なる特定の実施形態では、化学−光学センサは、少なくとも１つの感知層に隣接する少なくとも１つの光学透明層を更に備えることがある。光学透明層は、感知層の上にあることが好ましく、感知層は、上記で規定されるように、ガス透過層の上部にある。透明層は、したがって感知層を覆い、感知層を周囲の大気との直接接触から保護する。このため、少なくとも１つの感知層は、一方の面からはガス透過層により、他方の面からは光学透明層により包まれ得る。「光学透明層」という用語は、本明細書で使用されるとき、放射のために少なくとも部分的に透明な基板を指す。一部の実施形態において、光学透明層は、例えば赤外光や可視光、紫外光等の電磁波の適切なスペクトル全体に対して透明であってよい。他の実施形態において、光学透明層は、特定の波長又は波長範囲に対してのみ透明であってもよい。光学透明層は、例えば上述のような所定の放射線に対して、あるいは感知層内の発光物質の励起波長又は波長範囲に対して透明であってよく、一方、感知層の発光物質について励起的でない異なる波長の光は、透過されない。加えて、光学透明層は、感知層内で生成される光学応答の光に対して透明であってよい。そのような光は特定の波長又は波長範囲で提供され、光学透明層を通過することができるが、異なる波長の光は通過することができない。特定の実施形態において、光学透明層は、感知層における発光物質に対する励起波長又は波長の範囲に対して、及び感知層の発光物質による光学応答として生成される波長又は波長範囲に対してのみ透明であってもよい。

光学透明層は、例えばガラス、ポリカーボネート、ＰＥＴ、シリコンラバー又はＰＭＭＡ（プレキシグラス）等のような透明な物質で構成され得る。

更なる実施形態において、光学透明レイヤは、例えばO₂及び／又はCO₂のようなガスに対して非透過性であってもよい。更なる実施形態において、光学透明層は更に、水及び／又は本発明に係る水以外の第１の化合物について低透過性であってもよい。

更なる実施形態において、光学センサは、接触媒とともに動作するように適合される。「接触媒」という用語は、本明細書で使用されるとき、化学−光学センサユニットと、ガスの測定が実行される表面層、例えば皮膚との間のインタフェースで提供され得る媒体を指す。好ましくは、接触媒は少なくとも、上記で定義されるガス透過層と、ガス測定が実行される表面層、すなわち人間や動物の身体の皮膚との間に置かれる。接触媒は、ゲル又はリキッドであってよく、典型的には、ガス分子を、例えば皮膚等のより深い層から、本発明に係る化学−光学センサに移送することが可能である。したがって、特定の好適な実施形態において、接触媒は、少なくともガス透過可能である。ガス透過性は、任意のガス状の物質に対する一般的な透過性であってよい。あるいは、接触媒は、特定のガス分子、例えばO₂、CO₂、CO、N₂又はNH₃、NO又はH₂Sに対して特有の透過性であってもよい。特に好ましいのは、O₂及び／又はCO₂についての透過性である。最も好ましいのは、CO₂についての透過性である。特定の実施形態において、接触媒は、特定のガスについて選択的に透過的であってよく、他のガスについては不透過であってよい。接触媒がO₂及び／又はCO₂について選択的に透過可能であることが好ましい。最も好ましいのは、CO₂についての選択的透過性である。さらに、接触媒は、ガスの測定が実行される表面層の水分又は含水量を安定して維持し、あるいはガスの測定が実行され表面層、例えば人間又は動物の身体の皮膚の水分又は含水量を制御することを可能にする。

接触媒は更に、生物的適合性であるとして特徴付けられる。「生物的適合性」という用語は、本明細書で使用されるとき、接触媒が、その接触媒が塗布される人間又は動物の身体の皮膚の表面エリアに対して、あるいはその接触媒が塗布される人の身体に対して、中毒反応、免疫学的反応及び／又はアレルギー反応を生じず、例えば発がん性のない任意の他の生物学的又は医学的な悪影響又は有害反応を生じないことを意味する。

加えて、接触媒は、熱伝導性であってよい。熱伝導性は、化学−光学センサユニットの熱変化を軽減する、すなわち、化学−光学センサと接触媒の下にある皮膚エリアとの間の温度の差を最小化するのに使用され得る。これにより、化学−光学センサユニットにおける一定の温度を達成することができ、したがって、ガス濃度の改善された測定が可能になる。

更に中心となる態様において、本発明は、ガス濃度を決定する光学センサの測定の品質評価の方法に関する。この方法は、基本的に、上記で概説した測定ステップに基づいており、この測定ステップは、基準染料の発光振幅が初期モーメントの後に変化したかどうか決定することができる。対応する抽出実験は、下記の例３及び例５及び図９Ａ及び図９Ｂに示されている。そうである場合、すなわち、上記で概説したようにガス濃度の測定を実行するときに検出される感度変化が存在する場合、測定された値は、更なる使用から無視される。更なる実施形態において、検出された感度変化は、使用されるセンサの除去につながるか、再較正又は較正動作を招くことがある。あるいは、品質保証のカウンターアクションが開始されてもよい。あるオプションは、上記で定義されるような補正アプローチに従った、検出された感度変化の補正であり得る。本発明の品質評価の方法は、したがって、元の測定の品質問題又はその測定におけるセンサの使用の品質問題をもたらす感度変化の検出に、大いに集中する。品質評価アプローチは、本明細書で説明される方法に基づくものであってよい。好ましくは、少なくとも２つの発光染料の使用を備え、１つは、発光応答に関してガス濃度に対する感応性がなく（基準染料）、２つめは、発光応答に関してガス濃度に対する感応性があり（指示染料）、両染料は、異なる発光減衰時間を示し、これにより、その結果の位相角がガス濃度を示す。第１（最初の）モーメントの時間内の基準染料の検出される発光振幅は、したがって、そのモーメントの後に感度変化の指示又は検出に使用され得る。

本発明の更なる実施形態において、感度変化は、垂直温度勾配に起因することがある。勾配は、センサ面に対して垂直方向であることが好ましい。そのような勾配は、センサユニットの使用に応じて、異なるファクタにより生じ得る。例えば垂直温度勾配は皮膚加熱システムによって生じ得る。そのような皮膚加熱システムは、当業者には公知であろう。本明細書で説明される化学−光学センサユニットは、一例において皮膚加熱システムの一部であってよい。皮膚加熱システムは、典型的に、皮膚上での経皮ガス測定の間に動脈血化（arteralisation）を達成することができる。垂直温度勾配を用いる又は開発することにより、勾配が存在するゾーン内では、水の移動が生じる。水の移動に起因して、センサ感度は変化する。垂直温度勾配に起因するこの感度変化の検出は、使用されるセンサの除去につながるか、再較正又は較正動作を引き起こす可能性がある。あるいは、品質保証のカウンターアクションが開始されてもよく、特に、上記で定義される補正アプローチに従って、検出された感度変化が補正又は補償されてもよい。特に好適な実施形態では、品質評価は、式（Ｉ）

による虚数部（β）の決定を備え、
ここで、α及びβは、双方とも時間変化であり、
実数部（α）は、基準染料の実数部と指示染料の実数部の合計である。これらの値を取得すると、発光応答の虚数部（β）を、例えば経時的に又は幾つかの測定に対して更に分析することができる。例えば検出可能な虚数部（β）の遅い及び／又は段階的変動が存在する場合、これは、許容可能な測定品質を示すことができる。一方、検出可能な虚数部（β）の早い変化又は揺らぎ変動（fluctuating variation）が存在する場合、これは許容可能でない測定品質を示すことがある。

「虚数部の遅い及び／又は段階的変動」という語は、本明細書で使用されるとき、例えば化学−光学センサの経皮適用の間に液体内の浸透圧変化が生じる状況を指す。これらの変化は、数分から数時間、数日まで、例えば３０分、４０分、５０分、６０分、１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、６時間、１日、２日、３日又は上述の値の間の任意の値といったより大きな時間スケールにおいて、上記で定義されるＩｍ部の影響を有する。

「虚数部の早い変化及び／又は揺らぎ変動」という語は、本明細書で使用されるとき、例えば正しくない流体接触等に起因してセンサの水分が抜けることのように、急な変化が生じる状況を指す。そのような場合において、Ｉｍ部の変化は、例えば１分、２分、３分、５分、１０分、２０分、３０分等又は上述の値の間の任意の値等の、数分から１時間までの範囲内での早い変化又は揺らぎ（振動）である。

本発明に従って検出することができ、かつ／又は補正することができる感度変化を、上述の化学−光学センサが適切に使用され得る任意の場所又は位置に関連付けることができる。更なる実施形態では、本明細書で提供される方法に基づいて検出及び／又は補正され得る感度変化を、ガス濃度に対する異なる感度を有する基準染料及び指示染料からの発光応答の使用に本質的に基づく、更なる検出デバイスにも関連付けることができる。例には、医療環境における化学−光学センサによるガス濃度の測定、例えば患者又は被検者のガス測定、あるいは、例えば発酵槽等内のガス生成のモニタリングのための生物工学環境におけるガス濃度の測定等が含まれる。典型的には、浸透圧的に不均衡な環境において生じる感度変化を検出及び／又は補正することができる。そのような環境の例は身体表面を含む。特に好ましくは、人間又は動物の皮膚でガス濃度を測定するとき、すなわち人間又は動物の皮膚上で実行される経皮ガス測定アプローチにおいて、そのような感度変化が生じる。

好適な実施形態において、測定すべきガス濃度は、血液ガス濃度である。「血液ガス」という用語は、本明細書で使用されるとき、血液中に存在し、かつ測定することができる身体から、例えば皮膚を越えて出ていくことが可能なガス状の物質を指す。測定は、血液のガス含量の化学的に正確な反映が得られるように行われる。測定すべき好ましい血液ガス濃度は、O₂又はCO₂の濃度である。特に好ましくは、CO₂濃度の測定である。

本発明に係る方法の最も好適な適用は、人間の皮膚での経皮測定においてCO₂について決定されたガス濃度の補正である。本発明は、人間の皮膚での経皮測定におけるCO₂ガス濃度を決定する際の、感度変化の検出と上記で定義される測定の対応する品質評価を更に考慮する。

説明されるガス濃度の測定に好適に使用される、上述のような化学−光学センサユニットは、したがって、経皮センサユニットとして提供される。このため、このユニットを、動物又は人間の皮膚に適用することができる。したがって、センサは、被検者の血液ガス濃度を、被検者の皮膚を介して測定することができ、この場合、血液ガスは、皮膚を介して化学−光学センサユニットへ拡散し、上記で定義されるような接触媒を光学的に通過する。

説明されるガス濃度の測定に好適に使用される、上述のような化学−光学センサユニットは、測定を容易にするか改善するために、追加のコンポーネントを更に備えるか、あるいは追加のコンポーネントと組み合され得る。例えば化学−光学センサは、上記で定義される感知層を照射するよう適合される少なくとも１つの光源と組み合されるか、これを備え得る。光源は、好ましくは単一の光源であり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）の形式である。そのような光源は更に、光ガイド構造と組み合わされてもよい。光ガイド構造は、例えば感知層の上／化学−光学センサの光学透明層の上に配置されてよく、化学−光学センサユニットに対して外部の光源に接続されてもよい。外部光源からの光は、光を少なくとも１つの感知層に向けるように構成される光ガイド構造へと導入され得る。光ガイド構造は、任意の適切な光ガイド物質を備えることができる。好ましくは、光ファイバが、光ガイド構造の形で提供され得る光ガイド物質として使用されてよい。光ファイバは、したがって、単一のファイバとして、あるいはファイバの束として提供され得る。光ガイド構造へ接続されている光源は、外部に配置されているが、本発明に係る化学−光学センサユニットの感知層を照射するのに使用され得る。更なる実施形態において、光源は、別個の化学−光学センサユニットに到達する光ガイド構造を介して、１つより多くの化学−光学センサユニットへ接続されてもよい。化学−光学センサは更に、検出デバイスに結合されてもよい。そのような検出デバイスは、例えば感光性デバイスであるが、感知層から来る光学応答を感知することができ、例えば電気信号等の、感知された光学応答に対応する信号を生成するように適合され得る。信号は更に、後続の分析のために外部装置にも伝送され得る。検出デバイスは、感知層から予測される、例えば本明細書で説明される１の染料又は染料の組合せにより提供される光学応答に対して適合され得る。検出デバイスは更に、光ガイド構造を介して、本明細書で定義される化学−光学センサユニットに組み合わされ得る。特定の実施形態において、光源から感知層へ光を提供する同じ光ガイド構造を使用して、感知層の光学応答を収集し、例えば蛍光灯等のその光学応答を、同じ又は異なる光ファイバを介して検出デバイス又は化学−光学センサユニットの外部の分析用の装置へとガイドすることができる。光ガイド構造を使用することにより、化学−光学センサユニットへ結合される入力及び／又は出力光ガイド構造へ接続することができる。この実施形態では、光源及び少なくとも１つの検出デバイスに適応する化学−光学センサユニットに接続するために、追加のユニットは必要ではない。

さらに、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出デバイスが、１つのユニットを形成することがある。このユニットは、更に好適な実施形態では、例えばハウジング又は構造により化学−光学センサユニットに取外し可能に接続され得る。したがって、化学−光学センサユニットの特定の部分、例えば感知層、ガス透過層あるいはハウジング及び／又は化学−光学センサユニットの支持構造は、使い捨てであってよく、一方、光源や検出デバイスといった光学センサの他の部分又は光ガイド構造は再利用可能である。特定の実施形態において、化学−光学センサユニットは、２つのデバイス又は２つの部分、使い捨て可能又はカートリッジの部分と、使い捨て不可能又は再利用可能な部分とで構成されてよい。特に、使い捨て可能又はカートリッジの部分は、受動素子として機能し、高価な電子機器は全く含まないことがある。したがって、この部分は低い労力で製造され得るので、コストが低減され、一方、第２の使い捨て不可能な部分は、電子機器又は光学素子を含み、再利用可能である。したがって、例えば異なるガス（例えばO₂とCO₂）の濃度の測定を可能にするために、異なる使い捨て可能な部分とともに使用されてもよい。これにより、化学−光学センサユニットの向上した柔軟性を提供することができる。

上述の化学−光学センサと組み合され得る追加のコンポーネントの別の例は、加熱要素である。

さらに、化学−光学センサは、上記で定義される化学−光学センサユニット、換気デバイス及び／又はモニタリングデバイスを備える、患者モニタリング及び／又は患者の換気のためのシステムの形で提供されてもよい。モニタリングデバイスは、例えば化学−光学センサユニットに光ファイバを介して光を供給し、感知層からの発光を受け取るためのオプトエレクトロニクスを含むことがある。モニタリングデバイスは、受け取った光学応答に基づいてガス濃度を決定／計算し、かつ上述の方法により取得した測定結果を潜在的に補正するための手段を更に備えることができる。そのようなモニタリングデバイスは、加熱要素の温度を制御するための加熱コントローラ、換気デバイスとの通信のための手段といった要素を更に備えてよい。モニタリングデバイスを追加のコンポーネントに接続し、あるいはそのデバイスを追加のコンポーネントと結合するための更なる可能性は当業者には公知であり、本発明により想定されている。

以下の実施例及び図面は、例示の目的で提供されている。以下の実施例及び図面は限定として解釈されるべきでないことが理解される。当業者は明確に本明細書における原理の更なる修正を想定することができるであろう。

＜実施例＞
例１−浸透圧変動；ゼロ−モル浸透圧濃度の純水（demi-water）への移動
第１の実験では、センサスポットは、18g/l NaClで調整され、これはセンサが典型的に設計されるノミナルの生理的浸透圧の２倍である。ｔ＝０では、センサが、モル浸透圧濃度の純水に移動され、変化するCO2濃度で泡立つ（bubble）。統計値によると、水は、スポットの内と外の浸透圧を均衡させるようにスポットへ入る。その結果、感度が上がるが、これは、より多くのH₃O^＋イオンが利用可能になり、ｐＨ感応性の指示染料に反応するようになるという事実による可能性が高い（図３も参照されたい）。

例２−浸透圧変動；生理食塩溶液への移動
第２の実験では、スポットを、液体を調整する純水から生理食塩溶液に移した。ここで、水は、センサスポットから出るよう動き、感度は落ちる（図４も参照されたい）。

例３−基準染料からの応答の抽出
例１の基準染料からの応答は、

に従ってベクトル分解（図５も参照されたい）により蛍光発光から抽出された。
虚数部は、適用されるCO₂変調に対して非感応であり、４０００分以降に一定のレベルになるまで、指数的増加を示し（図６Ａも参照されたい）、これは、センサ内及び外部の浸透圧が均衡になるまでの水輸送として説明可能である。

例４−センサ応答の補償
次のステップでは、例１のセンサ応答を、基準染料に基づいて補償した。最初に、（基準染料を表す）虚数部の相対的変化δ(t)が、

に従って計算された。
この値は、

に従って、実数部を補正するのに使用された。
ここで、ｋは、２つの染料のモル浸透圧濃度の感度の比を反映する定数である。この結果が図７に示されており、図７Ａでは蛍光発光の虚数部を提供し、図７Ｂでは蛍光発光の補正された実数部を提供している。

続いて、CO₂の部分（fraction）をRe’(t)及びIm(t)に基づいて計算した。補正後の蛍光発光の虚数部及び補正された実数部が図８に示されている。０％と２０％の間の臨床的に関連するCO₂レベルは、経時的に比較的一定であることに留意されたい。

例５−基準染料からの応答の抽出
図２に示される基準染料からの応答を、

に従ってベクトル分解（図５も参照されたい）により蛍光発光から抽出した。
虚数部は、適用されるCO₂変調に対して非感応であり、指数的減少を示す（図９Ａも参照されたい）。

例６−センサ応答の補償
次のステップでは、例２のセンサ応答を、基準染料に基づいて補償した。最初に、（基準染料を表す）虚数部の相対的変化δ(t)が、

に従って計算された。
この値は、

に従って、実数部を補正するのに使用された。
ここで、ｋは、２つの染料のモル浸透圧濃度の感度の比を反映する定数である。続いて、CO₂の部分がα’(t)及びβ(t)に基づいて計算された。

あるいは、少なくとも１つの較正パラメータが∂(t)によって適合される。好適な較正は、センサにおける化学的バランス（化学てんびん）を反映するx0である。

例２で行われるような、より高い浸透環境へ移動される補正済みセンサ応答が、図１０に示されている。０％と２０％の間の臨床的に関連するCO₂レベルは、経時的に比較的一定であることに留意されたい。

Claims (15)

1. ガス濃度を光学的に決定する方法であって、少なくとも２つの発光染料を使用し、１つは、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料）、２つめは、前記発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう、異なる発光減衰時間を示し、第１モーメントの時間内の前記基準染料の検出される発光振幅が、前記モーメントの後に感度変化を補正するために使用される、方法。
2. 前記発光染料が単一の光源によって励起される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記発光染料が同時に励起される、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記発光染料が化学−光学センサユニットの感知層において提供される、
   請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記化学−光学センサユニットは、前記感知層に隣接して少なくとも１つのガス透過層を備え、濃度を測定すべきガスが、当該ガス透過層を通過して前記感知層に向かうように構成される、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記ガス透過層は、光が当該ガス透過層を通過することを防ぐように構成される、
   請求項５に記載の方法。
7. 光学センサは、前記ガス透過層と前記光学センサが適用される表面層との間に少なくとも置かれる接触媒とともに動作するように構成される、
   請求項５又は６に記載の方法。
8. 単一の検出器により前記基準染料と前記指示染料の発光応答の相挙動を測定し、前記測定された相挙動による両発光染料の全体の強度と独立の発光応答ベクトル
   

   

   を取得するステップと；
   前記測定された発光応答ベクトル
   

   

   を、式（Ｉ）
   

   

   に従って、前記基準染料のみを反映している虚数部（β）と、前記基準染料の実数部及び前記指示染料の実数部の合計である実数部（α）とに更に分解するステップと；
   前記測定された発光応答を第１モーメントの時間の後に前記基準染料に基づいて、式（ＩＩ）
   

   

   に従って補償するステップであって、ここで、式（ＩＩＩ）
   

   

   であり、ｋは、前記発光染料のモル浸透圧濃度の感度の比を反映する定数であるステップと；
   前記ガス濃度を、結果として得られる前記発光応答ベクトル
   

   

   を、式（ＩＶ）
   

   

   の位相角φを介して決定するステップと；
   を備える、請求項１、２、５又は６に記載の方法。
9. 虚数部（β）及び測定された発光応答の実数部（α）が、ローパスフィルタされる、
   請求項１、２、５又は６に記載の方法。
10. ある浸透環境における前記基準染料の発光と前記指示染料の発光との間の定常状態比を、１つ以上の異なる浸透環境のキャリブレータとして使用する、
    請求項１に記載の方法。
11. ある浸透環境における前記基準染料の発光と前記指示染料の発光との間の定常状態比のダイナミクスを、変化する浸透環境のダイナミクスのキャリブレータとして使用する、
    請求項１に記載の方法。
12. ガス濃度を決定する光学センサの測定の品質評価のための方法であって、少なくとも２つの発光染料を使用し、１つめの染料は、発光応答に関してガス濃度に感応性がなく（基準染料）、２つめの染料は、前記発光応答に関してガス濃度に感応性があり（指示染料）、両染料は、結果として得られる位相角がガス濃度を示すよう、異なる発光減衰時間を示し、第１モーメントの時間内の前記基準染料の検出される発光振幅が、前記モーメントの後の感度変化を示し、
    前記品質評価は、式（Ｉ）
    

    

    に従って、虚数部（β）を決定することを備え、実数部（α）は、前記基準染料と前記指示染料の実数部の合計であり、前記虚数部（β）の遅い及び／又は段階的変動は、許容可能な測定品質を示し、前記虚数部（β）の早い変化及び／又は揺らぎ変動は、許容可能でない測定品質を示す、
    方法。
13. 前記ガス濃度は、血液ガス濃度である、
    請求項１、２、５、６、１０、１１又は１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記感度変化は、浸透圧的に不均衡な環境で起こる、
    請求項１、２、５、６、１０、１１又は１２のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ガス濃度の決定は、人間の皮膚におけるCO₂濃度の経皮決定である、
    請求項１、２、５、６、１０、１１又は１２のいずれか一項に記載の方法。

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