CN105392425B - 屏障接触介质在经皮使用的化学-化学-光学传感器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于经皮测量气体浓度的化学‑光学传感器单元，所述化学‑光学传感器单元包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其临近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学‑光学传感器单元适于与透气层和皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；其中所述化学‑光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度。本发明也涉及包括这样的化学‑光学传感器的系统，以及用于调节测量气体浓度的化学‑光学传感器单元的方法，和由此可获得的经调节的传感器。

Description

屏障接触介质在经皮使用的化学-化学-光学传感器中的应用
技术领域
本发明涉及用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元，包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其临近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与所述透气层和皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度。本发明也涉及包括这样的化学-光学传感器的系统，以及用于调节测量气体浓度的化学-光学传感器单元的方法，和由此可获得的经调节的传感器。
背景技术
神经肌肉疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)和肥胖型肺换气不足患者经常患慢性呼吸衰竭。所述患者需要在家定期治疗他们的呼吸衰竭。通过氧气治疗低血氧患者(通常无通气机支持)，而使用环境空气的有创通气(ventilation)(IV)和无创通气(NIV)的治疗帮助高碳酸血患者的高二氧化碳(CO2)血液气体水平回归至可接受水平。夜间NIV期间，通过测量基线以及动脉氧气和二氧化碳水平的趋势检查通气的效力。
动脉血液气体测量构成金标准。在家开始通气治疗之前，患者留在医院以优化通气设置并监测动脉血液气体值。根据疾病严重性和稳定性，患者必须或多或少地定期返回医院检查。呼吸科护士也可以拜访在家患者，以检查通气机，并安装实现血液气体分压的无创监测的装备。在家里，通常在夜间监测血液气体水平，并且将数据与通气机和呼吸数据一起存储，用于以后在医院进行分析。
无创血氧监测的现有技术是通过测量动脉血氧饱和度，其经由氧离解曲线与氧分压相关。血氧饱和仪(SpO2)是用于无创监测患者内动脉氧气饱和度的光学方法，并且已成为临床实践中最常用的技术之一。脉搏血氧饱和仪是一种合理低成本的技术，并且容易使用。其为用于家庭血氧监测的优选方法。
CO2分压无创监测的现有技术是借助于二氧化碳图或通过经皮CO2(PtcCO2)监测。对于具有健康肺部的插管患者，通过二氧化碳图获得的潮气末CO2(etCO2)值提供对动脉CO2值的良好指示。然而，在面罩与面部之间经常存在漏气且患者有严重呼吸疾病的无创通气的情况中，二氧化碳图通常不是可靠的方法。在大多数医院中，使用用于趋势监测的二氧化碳图与动脉血样品分析的组合，以获得偶然精确值(occasional accurate value)。
经皮CO2监测不受漏气和呼吸疾病干扰，但需要训练有素的人员以获得可靠的数值，并且因成人间皮肤性质的差异而表现出一些不准确性。尽管家用CO2血液气体监测对于接受通气的患者是高度可靠的，但其使用频率不如血氧饱和仪。
目前经皮CO2传感器都是基于40年之久的概念：(i)恒温控制的加热器，以增加血液灌注和皮肤的透气性；(ii)皮肤与传感器膜之间的流体层；(iii)覆盖传感器的透气膜；(iv)膜与传感器之间的电解质溶液；(v)包括电化学pH传感器和参比电极的传感器；以及(v)补偿温度效应和皮肤代谢的算法。
EP1965198A1描述了一种测定气态或液态样品中CO2的装置，包括多聚物基质和包埋于多聚物基质中的指示器，其中指示器包括pH敏感染料和金属阳离子复合物，其中pH-敏感染料的阴离子和金属阳离子形成在多聚物基质中可溶的盐。
图1所示的是用于经皮施用的现有化学-光学传感器的另一实例，其中在光学透明载体材料顶部沉积两层“硅橡胶样”透气材料。第一层为感测层，包括在疏水聚合物内的亲脂相转移剂中的两种发光染料的混合物，即具有长发光寿命的参比染料和具有短发光寿命的pH-敏感指示染料。第二膜层包括光反射材料(TiO2)颗粒，并防止离子运输至和运输离开感测层。CO2气体通常扩散穿过所述膜进入第一(感测)层，并改变pH，其进而改变来自指示染料的发光。通过使用双寿命参比技术(dual life-time referencing technique)，其有效地测量调制的光激发的时间响应，CO2气体的百分比能够得以计算。
所述亲脂相转移剂也作为化学缓冲材料，为碳酸的形成提供水。然而，传感器应用位点(例如在有接触介质的接触区)的渗透失衡可能引起分子扰动，例如水运输进入传感器或运输出传感器，其可能导致不期望的传感器灵敏度变化，从而需要传感器的校准或重新校准。
因此，需要开发一种改良的用于经皮施用的化学-光学传感器，其中不发生因分子扰动导致的灵敏度改变。
目的和发明概述
本发明满足了这些需求，并且提供有效测量气体浓度，特别是在例如皮肤这样渗透不平衡环境内的CO2浓度的装置和方法。上述目的具体通过用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元来实现，其包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；至少一个透气层，邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与所述透气层和所述皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体浓度。发明人提供了惊人的解决方法，使用包括透气但不透水和离子的屏障层的接触介质，有效地降低或减少了分子扰动，例如水或离子运输入或运输出化学-光学传感器单元和在所述化学-光学传感器单元与接触介质之间运输，这样在气体测量期间，例如在测量CO2期间不发生灵敏度变化。这样，当根据本发明的化学-光学传感器单元通过配置于至少一个透气层和皮肤之间的接触介质贴于人的皮肤时，一旦皮肤内的气体分压高于化学-光学传感器单元内的气体分压，皮肤内存在的气体，例如O2或CO2，穿过透气层进入感测层。由于可以包含疏水液体的屏障层的存在，可以提供渗透惰性环境，使得能够有效检测O2或CO2的浓度，无需额外的校准步骤并且不用担心由于水流入所述感测层的影响导致测量数值的累进错误(progressive falsificaiton)或无效。
在本发明的一个优选实施方式中，所述接触介质是生物相容性的，并且任选地，也是导热的。
在本发明的另一优选实施方式中，上述屏障层包括疏水化合物。
在另一优选实施方式中，所述疏水化合物是疏水液体。
在本发明的另一优选实施方式中，所述疏水化合物或疏水液体是烃、含氟或硅的油、有机硅酮(organosilicone)，或软橡胶或凝胶。
在本发明的一个特别优选实施方式中，所述疏水液体是可食用油，或者低熔点食用蜡，优选可可脂，例如石蜡油或软石蜡的原油衍生物，硅酮油(silicone oil)或硅酮蜡(silicone wax)或全氟油。
在又一优选实施方式中，所述至少一个透气层和/或所述至少一个感测层包含硅橡胶。
在本发明的另一优选实施方式中，所述屏障层以这样的厚度存在于所述化学-光学传感器单元中，即当所述化学-光学传感器与所述具有恒定气体浓度的所述接触介质接触时，所述光学响应是稳定的。
在本发明的另一优选实施方式中，所述感测层包含发光材料，并且所述透气层适于防止光通过透气层。
特别优选所述化学-光学传感器是用于测量血液气体浓度，优选O2和/或CO2的浓度，更优选CO2的气体浓度的经皮传感器单元。
在本发明的又一优选实施方式中，上述化学-光学传感器单元进一步包括：
至少一个光源，适于照射感测层，以及任选存在的连接至所述光源的导光结构；和
至少一个检测装置，适于检测所述感测层的光学响应，以及任选存在的连接至所述检测装置的导光结构，其中所述光源、导光结构和/或检测装置中的至少一个优选可拆卸地连接至所述化学-光学传感器单元。
在另一方面，本发明涉及用于患者监测和/或患者通气的系统，包括如上所述的化学-光学传感器单元、通气装置和/或监测装置。
本发明的另一方面涉及一种用于调节经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元的方法，所述化学-光学传感器单元包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与透气层和皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度，所述方法包括将所述化学-光学传感器单元与包括透气但不透水和离子的屏障层的接触介质接触。在优选实施方式中，所述接触介质是如上所述的接触介质。
本发明的另一方面涉及一种经调节的化学-光学传感器单元，通过如上所述调节方法可获得，用于经皮测量气体浓度。
附图说明
图1显示用于经皮施用的化学-光学传感器的原理。该图显示化学-光学传感器包括具有光学透明载体的支持层，包含硅酮膜、参比染料和指示染料的感测层，其透气并且pH敏感，还有在硅酮膜中包含TiO2的层，其透气并反光。该化学-光学传感器可在例如470nm(蓝-绿LED)处激发，并且可在500-700nm(红)范围内从指示和参比染料检测到发光。该参比染料具有慢响应，并且发光剂可以例如包装在球体中以防氧气。该指示染料具有快速响应，其主要对H+(pH)敏感，导致由CO2升高引起的pH降低带来的振幅降低和白光发光下的黄色染色。选择发光光线强度调制的频率，这样获得在大约45°的相移。
具体实施方式
本发明涉及用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元。
尽管本发明将以特定实施方式进行描述，该描述不应解释为限制含义。
在详细描述本发明的示范性实施方式之前，给出对于理解本发明重要的定义。
如在该说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文中明确地另有规定，否则单数形式“一”(a)和“一个”(an)还分别包括复数。
在本发明的上下文中，术语“大约”和“大致”指示精确度区间，本领域的技术人员将理解该精确度区间仍然确保正在讨论的特征的技术效果。该术语通常指示偏离所指示的数值±20％、优选±15％、更优选±10％、并且甚至更加优选±5％。
应该理解，术语“包括”不是限制性的。为了本发明的目的，将术语“由……组成”视为术语“包括”的优选实施方式。如果在下文中，定义了一组包括至少某个数目的实施方式，这就意味着也包含优选仅由这些实施方式组成的组。
此外，在说明书和权利要求中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”或者“(a)”、“(b)”、“(c)”、“(d)”等用于区分相似的要素，并且不一定用于描述顺序或者时间次序。应该理解，在适当的环境下，如此使用的术语是可互换的，并且在这里所描述的本发明的实施方式能够以与本文所描述或者所说明的其它次序操作。
在术语“第一”、“第二”、“第三”或者“(a)”、“(b)”、“(c)”、“(d)”、“i”、“ii”等涉及方法或使用或分析的步骤的情况下，除非在申请上文或者下文另有指出，否则在步骤之间不存在时间或者时间间隔连贯性，即可以同时执行这些步骤，或者在这些步骤之间可能存在秒、分、小时、日、周、月、或者乃至年的时间间隔。
应该理解，本发明不限制于本文所描述的特定方法、方案、试剂等，因为这些可能变化。还应该理解，本文所使用的术语仅仅是为了描述特定实施方式的目的，并且不是旨在限制本发明的范围，仅通过所附权利要求限制本发明的范围。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域的普通技术人员通常所理解的意义相同的意义。
如上所述，本发明一方面涉及用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元，包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与所述透气层和皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度。
术语“气体浓度”涉及由于从待测区域或区段扩散而到达所述化学-光学传感器的气体的量。“气体”可以是任意气态材料。气体优选是生物产生的或者生物活性的或者相关气体。这样气体的例子如O2、CO2、CO、N2、NH3、NO、H2S。其浓度应测的气体优选是O2和/或CO2。其浓度应测的气体特别优选是CO2。
本文使用的术语“感测层”是指可以被照射或激发的层，并且其可以由于光学反应材料的所述激发而随后产生不同波长的光，例如如荧光的发光作为光学响应，其中产生的光的强度取决于存在于或溶解于感测层内的气体分子的浓度。一定强度和波长的光学响应的测量，例如荧光的发光，使得能够计算感测层内的气体浓度，例如，正在或已经从例如皮肤这样的较深层扩散进入感测层的气体浓度。该测量可以进一步使得能够计算待测区段内这种气体的浓度，例如在放置所述化学-光学传感器的皮肤的区段。
所述感测层可以由可通过气体分子的填充材料构成。这样的填充材料的例子是硅酮橡胶材料。在一优选实施方式中，所述感测层可以包含硅酮橡胶或基本由硅酮橡胶材料组成。所述感测层可以进一步包含如水或化学缓冲剂的化合物。所述感测层可以相应地被缓冲在特定pH或包含一定量的质子和/或羟离子，例如具有一定pH。该pH可能由于气体，尤其是CO2的扩散进入所述感测层而改变。优选地，CO2能够扩散进入所述感测层，并通过与水相互作用从而增加质子的浓度而改变pH来改变所述感测层内的pH。
本文使用的术语“用预定的辐射照射”指可以用合适波长的辐射照射或激发所述感测层，尤其是能够使所述感测层产生光学响应的波长。例如，可以用可见光、红外光和/或紫外光进行所述照射。预定的辐射优选实例是绿-蓝可见广谱的光，例如大约400-500nm的波长,例如440nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm等。所述辐射，即光的波长及其强度，通常可以根据感测层内光学反应材料确定或者可以适于感测层内光学反应材料。对于特定光学反应材料，可以使用合适的相应的激发波长。
在所述化学-光学传感器单元环境内，所述感测层适于测量至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度。
在优选实施方式中，所述感测层包括作为光学反应材料的发光材料。所述“发光材料”可以包括一种或多于一种染料。所述染料可以对待测气体，例如CO2敏感。所述敏感可以是间接的，例如通过对pH的敏感性呈现，其进而被扩散进入所述感测层的气体例如CO2影响。或者，所述气体本身可以对染料的敏感性有直接影响。在特别优选实施方式中，所述发光材料包含两种染料。例如，所述发光材料可以包含用作指示染料的气体敏感染料，和用作参比染料的气体不敏感染料。在另一实施方式中，上述两种染料可以具有不同的衰减时间。例如，气体敏感染料可以具有快的发光衰减时间，而气体不敏感染料可以具有慢的发光衰减时间。对气体惰性且具有长衰减时间的合适的参比染料的例子包括：(1)以钌(II)、铼(I)，或锇和铱为中心原子和二亚胺配体的过渡金属复合物；(2)以铂、钯、镏或锡为中心原子的磷光卟啉；(3)例如铕、镝或铽的稀土磷光复合物；以及(4)例如ruby、Cr-YAG、alexandrite的磷光晶体，或磷光混合氧化物，例如荧光锗酸镁(magnesium fluoro-germanate)。对气体敏感具有短的衰减时间的合适的指示染料的例子包括8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS)、荧光素、罗丹明B、罗丹明B-十八酯、十六烷基-吖啶橙、羟甲基香豆素、罗丹明、B-十八酯、罗丹明B、萘基荧光素、磺酰罗丹明101、伊红、硫堇、和尼罗蓝。在另一特定实施方式中，本发明涉及参比染料和指示染料的组合，包括以上示例的指示染料和参比染料的所有组合。用于本发明化学-光学传感器单元中的参比染料和指示染料的组合优选实施例包括(参比染料/指示染料)：钌(II)-(三羟甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲罗啉)/HPTS；钌(II)-(三羟甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲罗啉)/荧光素；钌(II)-(三羟甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲罗啉)/罗丹明B；钌(II)-(三羟甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲罗啉)/罗丹明B-十八酯；钌(II)-(三羟甲基-4,7二苯基-1,10-邻菲罗啉)/十六烷基-吖啶橙；铕(III)-三羟甲基-苏氨酰-三氟甲基丙酮酸盐/羟甲香豆素；铂(II)-四苯基卟啉/罗丹明B-十八酯；铂(II)-四苯基卟啉/罗丹明B；铂(II)-四苯基卟啉/萘基荧光素；铂(II)-四苯基卟啉/磺酰罗丹明101；铂(II)-八乙基卟啉/伊红；铂(II)-八乙基卟啉/硫堇；铂(II)-八乙基酮卟啉/尼罗蓝；CR(III)-YAG/尼罗蓝；和CR(III)-YAG/萘基荧光素。
在所述感测层内两种染料组合的基础上，根据双荧光寿命参比(Dual LifetimeReferencing)原理可以实现测量，双荧光寿命参比原理例如可得自US 6602716 B1或者Kocincova,New pH Sensitive Sensor Materials；Luminescent Fiber-Optic DualSensors for Non-Invasive and Simultaneous Measurement of pH and pO2(DissolvedOxygen)in Biological Systems，2007，博士论文，雷根斯堡大学。特别地，在指示染料和参比染料不同衰减时间的基础上，激发的强度可以被调制在一个固定频率，并且荧光信号的相角度(其与振幅无关)可以被检测并被转化为气体敏感染料(指示染料)的相对强度，由此可随后确定气体浓度。
相应地，所述感测层可以至少是气体分子，例如O2和/或CO2可通过的，气体分子可能来自更深层，例如透气层。通常，所述感测层也可透过水分子，依据本发明所述化学-光学传感器的相应区域的渗透压，水分子可以扩散进或扩散出更深层，即低于所述感测层的层。
在一些特定实施方式中，所述感测层可以包含能够测量不同气体的浓度或者能够同时测量多于一种气体的浓度，例如在相同时间测量两种气体的浓度的发光材料。例如，所述感测层可以包含两种适于分别测量不同气体的发光材料。优选地，一个亚层、区域或一种材料可以适于检测氧气，并且第二亚层、区域或第二种材料适于检测CO2。关于多参数传感器的更多详情和实施它们的其他可能性为技术人员已知，或者能够从合适文献资源例如WO02/056023或The Art of Fluorescence Imaging with ChemicalSensors,2012,Angewandte Chemie International Edition,51(15),3532–3554获得。
所述感测层可以提供为单层。在替代实施方式中，可以提供多于一个感测层。这样第二或更多感测层可以具有与第一感测层相同的特性或不同的特性。例如，第二或更多感测层可以包含不同发光材料，例如不同染料，或者其可以被提供于不同化学环境，例如不同缓冲液中，或者与第一感测层具有不同pH。在另一实施方式中，第二或随后层可以适于测量与第一感测层不同的气体，例如O2而不是可以在第一感测层测量的CO2。
所述化学-光学传感器单元可以进一步适于测量所述至少一个感测层的光学响应。重要的是，接收的光学响应应该取决于待测气体的浓度。该适用可以包括提供合适的检测方法或者允许接收、检测和/或分析一种或多种从感测层发出的光学响应的装置。所述检测可以根据任意合适的检测方法或者基于任意合适检测装置执行或实施，或者包括允许执行检测步骤或分步骤的合适组件。
本文使用的术语“透气层”指气体分子可通过的结构。通常，所述透气层被提供为一种膜结构，其适于将气体传至覆盖的感测层。在特定实施方式中，所述透气层对例如O2和/或CO2气体分子是可通过的。通常，所述透气层也可以透过水分子，例如基于本发明所述化学-光学传感器的区域内的渗透压，水分子可以扩散进或扩散出透气层之上或之下的层。这样的扩散过程或水分子的运输可以例如基于气相的水完成。
所述透气层的膜可以由合适的透气和透水材料组成。例如，所述膜可以是硅酮膜，或者可以包括硅酮。或者，所述膜可以包括或由例如PTEF(teflon)材料或其衍生物组成。在另一替代实施方式中，所述膜可以包括或由金属筛、例如基于聚丙烯和乙烯的多孔疏水聚合物、例如气凝胶的多孔疏水硅氧化物、或者例如全氟磺酸的全氟材料组成。其他合适材料为技术人员已知，并且也包括在本发明文本中。
所述透气层可以进一步由气体分子可通过的填充材料组成。这种填充材料的例子是硅酮橡胶材料。在优选实施方式中，所述透气层因而可以包含硅酮橡胶或基本由硅酮橡胶材料组成。
在本发明的另一优选实施方式中，所述透气层还可以适于防止光通过透气层。术语“防止光通过透气层”特指所述透气层适于反射或散射通过所述至少一个感测层传播的光，和/或将可能的光干扰阻挡至预定传感器范围外。经由所述透气层的光的反射或散射可以通过使用任意合适光反射材料，例如金属(例如铝)或者金属氧化物实现。特别优选的是使用钛组合物，例如包含TiO2的组合物。在特定实施方式中，光反射或散射可以是完全的，即对所有波长，或者特异于某些波长或波长范围。例如，某一波长的光或某一波长范围的光，特别是针对感测层内发光材料的激发波长，可以被反射或散射，而对感测层内发光材料不激发的不同波长的光则可以不被反射。在另一实施方式中，所述光反射或散射可以取决于特定的参数，例如透气层的温度、pH、气体分子的存在、极性化合物的存在等。并且，透气层可以将荧光分子的可能干扰阻挡在例如预定传感器范围外。在一优选实施方式中，所述阻挡荧光分子的干扰可以是将荧光阻挡在大约400nm-700nm范围外。这样的阻挡活动可以通过提供光吸收材料完成，光吸收材料在设想的感测范围外工作。
所述透气层可以提供为单层。在替换实施方式中，可以提供多于一个透气层。这样第二或更多透气层可以具有与第一透气层相同特性或不同特性。例如，第二或更多透气层可以具有反射不同波长的光的特性。在另一实施方式，第二或更多透气层可以与第一透气层具有对不同分子的可透过特性。例如，不同气体，或不同化合物可以通过第一和第二或随后的透气层。在本发明的另一特定实施方式中，所述化学-光学传感器可以进一步包括至少一个临近所述至少一个感测层的光学透明层。所述光学透明层可以优选在感测层之上，如上所述，所述感测层又在透气层之上。所述透明层可以相应地覆盖所述感测层并保护其免于与周围大气直接接触。从而，所述至少一个感测层在一侧被所述透气层包围并且在另一侧被所述光学透明层包围。本文使用的术语“光学透明层”指对辐射至少部分透明的载体基质。在一些实施方式中，所述光学透明层可以对整个合适波谱的电磁波透明，例如红外光、可见光和紫外光。在其他实施方式，所述光学透明层可以仅对特定波长或波长范围透明。所述光学透明层可以例如对上述预定的辐射、或者对感测层内的发光材料的激发波长或波长范围透明，而对感测层内的发光材料不激发的不同波长的光不可以通过。此外，所述光学透明层可以对感测层内生成的光学响应的光透明。这样的光可以提供为特定波长或波长范围，其可以特异地穿过所述光学透明层，而不同波长的光可以穿过。在一特定实施方式中，所述光学透明层可以仅对感测层内发光材料的激发波长或波长范围和感测层内所述发光材料生成的光学响应的波长或波长范围透明。所述光学透明层可以由技术人员已知的任意合适的透明材料组成。所述光学透明层可以由例如玻璃、聚碳酸酯、PET、硅酮橡胶、或者PMMA(树脂玻璃)组成。
在其他实施方式中，所述光学透明层可以是不透气的，例如不透O2和/或CO2。
在本发明的核心方面，提供一种本文所述的化学-光学传感器单元，其适于与透气层和皮肤之间的接触介质协作。本文使用的术语“接触介质”是指可以提供于所述化学-光学传感器单元和待进行气体测量的表层即皮肤之间的界面的介质。优选地，所述接触介质至少插入于如上所述的透气层和待进行气体测量的表层即人或动物体皮肤之间。所述接触介质可以是凝胶，或液体，其通常允许气体分子从更深层(例如皮肤)转移至本发明所述化学-光学传感器单元。因此，在特别优选实施方式中，所述接触介质至少是透气的。气体通透性可以是对任意气态材料的普遍通透性。或者，所述接触介质可以对一些气体分子具有特异通透性，例如对O2、CO2、CO、N2、或NH3。特别优选的是对O2和/或CO2的通透性。最优选的是对CO2的通透性。在特定实施方式中，所述接触介质可以选择性地对一些气体可通透，对其他气体不可通透。优选所述接触介质至少对O2和/或CO2选择性通透。最优选的是对CO2选择性通透。
更进一步，所述接触介质可以使待进行气体测量的表层的含水量或含湿量能够保持稳定，或者能够控制待进行气体测量的表层，例如人体或动物体的皮肤的含水量或含湿量。有利地，所述接触介质可以包括屏障层，所述屏障层透气，并且其同时对液态水和离子不通透。所述接触介质可以相应地提供这样的屏障层，其可以被放置于皮肤和所述化学-光学传感器之间，从而可以避免液态水从皮肤或者所述接触介质本身运输至所述化学-光学传感器，或从所述传感器运输至所述接触介质或者皮肤。通常，所述屏障层可以不包含液态水或任何液态溶液。
所述屏障层可以提供为单层结构，或为多层结构。在多层结构的情况中，可以存在2、3、4、5、6或更多层，其可以是相同的或不同的，例如就它们的化学组成、厚度、气体通透性、或者水通透性而言。例如，在2或3层的情况下，设想至少其中一层不透水和离子。另一层可以对水和离子具有减弱的通透性，或者可以因结构原因提供，并且相应地对水和离子可通透。在另一实施方式中，所述接触介质具有生物相容性的特征。本文使用的术语“生物相容性”指所述接触介质对应用于的人体或动物体的皮肤的表面区域或者对应用于的人的机体不引起毒性、免疫性，和/或变态反应，或者任何其他生物或医学有毒或有害反应，例如其不是致癌的。
此外，所述接触介质可以是导热的。热传导性可以用于缓和所述化学-光学传感器单元的热变化，即，使所述化学-光学传感器和所述接触介质下的皮肤区域之间的温度差异最小化。因此能够在所述化学-光学传感器达到稳定的温度，从而能够精确测量气体浓度。
在本发明一个实施方式中提供一种本文所述的化学-光学传感器单元，其与包括上述或下述屏障层的接触介质一起提供。所述提供可以例如是与所述接触介质一起包装、保存、保持、悬浮所述化学-光学传感器。
在本发明特别优选实施方式中，所述接触介质和/或调节液至少包含疏水化合物。本文使用的“疏水化合物”指任意排斥水或包含水和例如离子的溶解物的液态溶液的化合物。所述疏水化合物可以是技术人员已知的任意疏水化合物，包括原油衍生物、烷烃、油、脂肪、硅基材料、例如碳氟化合物等的氟基材料。
在优选实施方式中，所述疏水化合物是疏水液体。此疏水液体可以例如是油。油的优选实例是含烃油、含硅油或含氟油，例如碳氟油。
特别优选的是使用食用油或蜡。本发明设想的食用油的例子有棉籽油、亚麻籽油、亚麻荠油、玉米油、油菜籽油、罂粟籽油、花生油、大豆石油、榛子油、核桃油、杏仁油、阿甘油、橄榄油、红花油、向日葵油、芝麻油、椰子油/蜡、黄油、可可脂、猪油或芥末油。也优选使用来自原油或动物的非食用蜡和油。这类化合物的实例是羊毛脂。也设想使用低熔点蜡或脂肪。优选使用低熔点食用蜡。这类蜡的实例包括黄油或可可脂。特别优选向日葵油。
在其他实施方式中，所述接触介质中的疏水化合物是二有机硅。合适的有机硅化合物的实例包含如硅醇、siloxide或甲硅烷基醚的基团。进一步设想的是使用硅氧烷，特别是非挥发性硅氧烷。使用挥发性硅氧烷也在本申请的范围内。当使用挥发性硅氧烷时，由于该化合物的挥发速率，使用时间可能受限。在其他实施方式中，可以使用挥发性和非挥发性硅氧烷的混合物。合适的硅氧烷可以是甲基苯基硅氧烷或二甲基硅氧烷。合适的硅氧烷的其他实例包括六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、八甲基三硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十甲基四硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷。还设想使用用于化妆品的硅酮，例如Wacker生产的Belsil硅酮。本发明也设想使用技术人员已知的其他合适的硅氧烷或硅酮。
在其他实施方式中，所述疏水化合物是硅油，例如二有机聚硅氧烷(diorganopolysiloxane)。硅油的优选实例是聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷或其任意衍生物。在特定实施方式中，非挥发性聚二甲基硅氧烷可以与挥发性硅氧烷组合使用，优选在所述组合内包含至少一种如下化合物：六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、八甲基三硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十甲基四硅氧烷、或十二甲基环六硅氧烷。
在另一优选实施方式中，所述疏水化合物是软硅酮橡胶或凝胶。本文使用的术语“软硅酮橡胶或凝胶”指包含硅、碳、氢和氧的弹性硅酮聚合物并且邵氏A硬度值(刚度值)小于40。可以根据技术人员已知的任意合适方法制造硅橡胶。在另一优选实施方式中，所述疏水化合物是全氟烷油。合适的全氟烷油的实例包括全氟辛溴烷、全氟萘烷、全氟三丁胺、全氟叔丁烷和FC-75。
并且，所述疏水化合物可以是软全氟橡胶，例如FFKM。也设想使用Teflon，即FEP。
进一步设想的是可能使用上述化合物或化合物种类的任意组合，或者在所述接触介质中存在上述这些化合物的任意组合。
特别优选的是使用全氟油，单独或与任意其他提及的化合物或化合物种类的组合。也优选使用硅酮油、原油石蜡和食用油，单独或与任意其他提及的化合物或化合物种类的组合。
本文所述的接触介质因而有利地提供所述化学-光学传感器单元和下表面(例如皮肤表面)之间的平衡手段的功能，促使气体交换并避免所述化学-光学传感器单元内化学或渗透分子干扰。通过提供疏水化合物作为接触介质内的屏障层，所述化学-光学传感器单元(至少就待分析表面而言，即化学-光学传感器之下)内和外的渗透环境变得不受干扰。相应地可以检测皮肤内气体的浓度，不因水运输进入传感器单元或运输出传感器而损害所述方法的灵敏度。这有利地帮助避免在使用所述化学-光学传感器单元期间校准或重新校准步骤。
上述第一疏水化合物可以以任意合适浓度提供于所述接触介质中。例如，食用油如橄榄油或任意其他提及的油、橡胶或疏水化合物可以以所述接触介质体积的10％、15％、20％、25％、30％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％的量提供。
在另一优选实施方式中，所述屏障层可以以任意合适的厚度提供。例如，所述层可以具有大约3-15nm的厚度，如大约5nm。优选所述屏障层是厚度在下限的薄层。
在特定实施方式中，所述屏障层以这样的厚度存在于所述接触介质中，即当所述化学-光学传感器单元应用于皮肤上，与所述接触介质接触时，化学-光学传感器单元的光学响应是稳定的。包含本文所述的疏水化合物的屏障层因而有利地提供所述化学-光学传感器单元、接触介质和下表面(例如皮肤表面)之间的平衡手段的功能，促使气体交换并避免分子干扰引起的化学或渗透分子干扰，例如水移动出所述化学-光学传感器单元和/或进入或离开待分析的表层，即皮肤表面。相应地可以检测皮肤内气体的浓度，不因所述化学-光学传感器单元内的分子干扰而损害所述方法的灵敏度。因此，以稳定的方式接收可检测的光学响应，其不因例如水运输等引起的分子干扰而改变。例如，可以用本文描述的装置测试所述响应的稳定性。在其他实施方式中，可以通过从批中取样并通过体外测试以测试所述稳定性。这样的测试可以包括例如将传感器暴露于本文所述接触介质中诱导的固定的CO2浓度，
在另一实施方式中，本发明的化学-光学传感器包含或包括上述接触介质，或由以上提及的所述化学-光学传感器的元件组成，例如至少一个感测层和至少一个透气层，以及上述接触介质。
本发明的化学-光学传感器适合于经皮测量。在特定实施方式中，所述化学-光学传感器单元也可以用于不同的测量目的，例如微生物或生物技术生产过程的情形中。优选地，所述化学-光学传感器单元是经皮传感器单元。本文使用的“经皮传感器单元”指该传感器待使用于或者能够使用于皮肤。相应地，所述传感器能够通过受试者的皮肤测量受试者血液气体浓度，其中血液气体可以经由皮肤，通过上述接触介质扩散进入所述化学-光学传感器单元。本文使用的术语“血液气体”指存在于血液中的并且能够脱离机体的气态材料，其能够被测量，例如在皮肤上。这样的测量可获得血液气体含量的化学精确反映。优选待测血液气体浓度是O2或CO2的浓度。特别优选的是测量CO2的浓度。
在本发明的另一实施方式中，上述化学-光学传感器单元可以包含其他组件，或者与其他组件组合。
例如，所述化学-光学传感器可以组合有或包括至少一个光源，光源适于照射上述感测层。所述光源可以提供预定波长的辐射，优选适于存在于所述感测层内的染料的激发波长或波长范围的光。所述光源可以具有任意合适的形式，提供任意合适强度，并提供任意合适的波长。所述光源可以优选发光二极管(LED)。
在另一任选实施方式中，所述光源还可以与导光结构组合。所述导光结构可以被设置在例如所述化学-光学传感器的感测层/光学透明层之上，并且可以连接到上述光学传感器单元外部的光源。来自外部光源的光可以被引入所述导光结构，导光结构适于将所述光朝着所述至少一个感测层导向。所述导光结构可以包含任意合适的导光材料。优选地，光学纤维可用作导光材料，其可以以导光结构的形式提供。光学纤维可以相应地以单纤维或纤维束的形式提供。光源尽管位于外部，由于连接至导光结构，因而可用于照射本发明的化学-光学传感器单元的感测层。在其他实施方式中，光源可以通过抵达不同传感器单元的导光结构而连接至多于一个的化学-光学传感器单元。
所述化学-光学传感器可以进一步与检测装置组合。这样的检测装置，例如光敏装置，能够感测来自感测层的光学响应，并且可以适于生成对应于所感测的光学响应的信号，例如电信号。所述信号可以进一步被传输到外部装置用于之后的分析。所述检测装置可以适于预期来自所述感测层的光学响应，例如通过上述染料或染料的组合提供。
所述检测装置可以进一步通过导光结构与本文所述的化学-光学传感器单元组合。在特定实施方式中，相同的导光结构，其将来自光源的光提供给感测层，可以用于收集所述感测层的光学响应，和用于经由相同或不同的光纤将所述光学响应-例如荧光-引导至检测装置或所述光学传感器单元外部的装置用于分析。通过使用导光结构，因而可以连接输入和/输出导光结构，其耦合至所述化学-光学传感器单元。在该实施方式中，无需将额外的单元连接至容纳所述光源和所述至少一个检测装置的所述光学传感器单元。
在特定实施方式中，所述光从而可以被传输进入所述感测层内，并且可以通过所述感测层的相同表面收集发光，例如荧光。或者，通过例如光学纤维连接至光源的导光结构(光源可以在所述化学-光学传感器单元外)可以用于将光从外部光源导向并传输通过至少一个光学纤维至所述至少一个感测层。接着至少一个检测装置，例如光敏装置，可以参与感测光学响应，并且可以适于生成对应于所感测的光学响应的例如电信号。所述信号可以被传输到外部装置用于分析。或者，所述化学-光学传感器单元可以适于执行所述分析并输出所述分析结果至某一外部装置。
优选地，所述至少一个光源和至少一个检测装置可以形成单元。在另一优选实施方式中，该单元可以可拆卸地连接至所述化学-光学传感器单元，例如通过壳体或结构。相应地，所述化学-光学传感器单元的一些部分，例如所述感测层、透气层、或所述化学-光学传感器单元的壳体和/或支撑结构可以是一次性的，而所述光学传感器的其它部分，例如光源和检测装置可以重复使用。由于昂贵的部分例如光源和/或检测装置和/或电子元件不用替换并能够被重复使用，因而节省成本。
在特定实施方式中，所述化学-光学传感器单元可以由两个装置或两部分组成，一次性的或卡盘(cartridge)部分以及非一次性或可重复使用的部分。特别地，所述一次性的或卡盘部分可以用作无源装置，并且不包括任何昂贵的电子元件。因此，这部分可以较易制造，从而降低成本，而第二、非一次性部分可以包括电子元件或光学元件，并且可以重复使用。相应地，也可以使用不同的一次性部分，例如能够测量不同气体(例如O2和CO2)的浓度。因而，能够提供所述化学-光学传感器单元的提高的适应性。
上述可以与所述化学-光学传感器组合的其他组件的另一实例是至少一个加热元件。额外地，或者任选地，所述化学-光学传感器可以包括至少一个温度传感器。例如，当所述化学-光学传感器单元被附贴到人的皮肤时，所述加热元件可以适于增加血液灌注和皮肤的透气性，由此增加所述化学-光学传感器单元的灵敏度和准确度，尤其是其经皮施用的灵敏度和准确度。所述加热元件可以是任意形式，例如可以是二极管的形式或者可以包括薄箔，以最小化光学距离和热质量。或者，所述加热元件可以是电阻加热器或二极管，从而所述加热元件也能够被用作温度传感器，即加热元件与温度传感器由相同的装置形成。这有利地可以降低用于加热器和温度传感器的安装所需要的成本和空间。在其他实施方式中，所述温度传感器可以被实现为用于感测所述化学-光学传感器单元的温度的单独元件，例如，为了避免对皮肤的损伤或灼伤。在操作过程中，可以通过加热元件增加加热元件和接触介质以及感测层的温度至42℃-45℃的范围内。该温度范围可以增加皮肤内毛细血管血流并使毛细血管气体水平接近动脉血液气体水平。在操作过程中，可以相应地通过上述包括在加热元件和/或接触介质的至少一个温度传感器和/或通过独立提供的温度传感器来测量传感器温度。这样可以控制温度，以具有一个良好限定的测量环境，并防止灼伤皮肤。
在其他特定实施方式中，温度传感器和/或加热元件可以提供为所述化学-光学传感器单元的非一次性或可重复使用部分。所述温度传感器和/或加热元件可以如上所述相应地可拆卸地连接至所述化学-光学传感器单元的其他元件。
本发明的另一方面涉及用于患者监测和/或患者通气的系统，包括如上所述的化学-光学传感器单元、通气装置和/或监测装置。
所述监测装置可以例如包括光电元件，用于通过光学纤维给所述化学-光学传感器单元供应光，和用于从所述感测层接收发光。所述监测装置可以进一步包括用于基于接收到的光学响应，例如在所述感测层生成的发光的光强度，确定/计算气体浓度的工具。所述监测装置可以进一步包含用于控制所述加热元件的温度的加热控制器。所述加热器控制器可以适于使用包括在所述化学-光学传感器单元中的温度传感器来检测加热元件的温度，以及适于基于所检测的温度调节例如流经包括在加热元件或接触元件内的电阻加热器的电流。所述监测装置可以还包括用于与通气装置通信的工具。所述通信工具可以包括至少一种通信技术，例如有线(线缆)、无线(蓝牙、红外、RF)，等等。在优选实施方式中，所述监测装置包括用于从所述感测层所测量/感测的光学响应，例如从所感测的所述发光的强度或衰减时间，来计算/确定所述气体浓度，特别是O2，最优选CO2浓度的工具。所述分析装置，例如监测装置，可以基于计算/确定所述气体浓度的算法的实施，所述算法也可以适于补偿温度效应。
所述通气装置可以包括用于患有呼吸衰竭的患者的有创或无创通气的典型通气装置相关联的所有功能。例如，所述通气装置可以包括显示工具和存储装置，用于显示和存储从监测装置接收的信息/数据。尤其地，通气装置的所述显示工具可以适于显示由监测装置确定的气体，例如O2或CO2的浓度，并且进一步可以存储预定时间段的气体浓度信息，例如用于以后由医师评估或用于通气设置的闭环自适应。在另一实施方式中，可以在测量的/确定的气体浓度的基础上控制所述通气装置。
在特定实施方式中，所述化学-光学传感器单元可以操作性地偶联到上述监测装置和/或通气装置，其中所述监测装置可以适于分析所述感测层的所述光学响应、控制所述加热元件和/或所述温度传感器、或者显示所确定的气体浓度等中的至少一项。所述监测装置或通气装置还可以包括用于存储例如作为时间函数的监测数据的工具。可以使这些数据在以后可供医师分析，例如，通过传输至医院计算机系统，或医师的手持诊断仪器。
本发明的又一方面涉及调节用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元的方法，所述化学-光学传感器单元包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与所述透气层与皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度，所述方法包括将所述化学-光学传感器单元与包括透气但不透水和离子的屏障层的接触介质接触。优选所述接触介质是以上所述的接触介质，即接触介质包含屏障层，例如包含疏水化合物的屏障层。
上述方法内容中使用的术语“接触”指所述接触介质直接应用于所述化学-光学单元上，例如通过将其放置在传感器单元上。也设想接触介质以粘合结构或粘合样结构的形式提供，其可以粘合或粘贴至传感器单元。
本发明的另一方面涉及通过上述调节化学-光学传感器单元的方法可获得的化学-光学传感器单元。相应地获得的化学-光学传感器单元可以视为已调节的，这样无需预先校准直接可用于经皮测量。这样的化学-光学传感器单元可以进一步与其他组件组合，例如上述光源或检测装置，或者其可以提供为上述用于患者监测的系统的形式。在其他特定实施方式中，可以如此提供所述化学-光学传感器，或者提供有上述接触介质，或包含上述接触介质，或所述化学-光学传感器可以提供有上述处理液。
下列实施例和附图作为说明性的目的而提供。因此可以理解的是，该实施例和附图并不能理解为一种限制。本领域技术人员明显能够设想本文所提出的原理的进一步的改变形式。
实施例
实施例1-在经皮情况中研究液态氟碳(perfluorooctylbromide)的作用
在试验中研究了液态氟碳在经皮测量中的作用。包含PreSens位点(spot)的专用传感器探头和用于参比的商业化Radiometer TOSCA经皮PtcCO2/SpO2探头都放置于测试者腋下。两个传感器都加热至45℃，并且3ml液态氟碳放置于传感器和皮肤之间。在测量之前，在生理盐水溶液(9g/l NaCl)内预先调节PreSens位点。
液态氟碳将终止水从皮肤向传感器的通透，同时液态氟碳的润湿作用将使水保留在皮肤内。与参比传感器相比，响应稳定在很低但是相对恒定的皮肤pCO2水平。
没有良好定义实际灵敏度下降，因为其取决于例如传感器位点与皮肤之间液态氟碳的体积。

Claims (19)

1.一种用于经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元，包括：
至少一个感测层，适于用预定辐射照射；
至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；
其中所述化学-光学传感器单元包括所述透气层和皮肤之间的接触介质，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；
并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度。
2.权利要求1的化学-光学传感器单元，其中所述接触介质是生物相容性的。
3.权利要求2的化学-光学传感器单元，其中所述接触介质是导热的。
4.权利要求1、2或3的化学-光学传感器单元，其中所述屏障层包含疏水化合物。
5.权利要求4的化学-光学传感器单元，其中所述疏水化合物是疏水液体。
6.权利要求4的化学-光学传感器单元，其中所述疏水化合物是烃、含氟或硅的油、有机硅酮、或软橡胶或凝胶。
7.权利要求5的化学-光学传感器单元，其中所述疏水液体是食用油，低熔点食用蜡，原油衍生物，硅酮油，硅酮蜡或全氟油。
8.权利要求7的化学-光学传感器单元，其中所述低熔点食用蜡是可可脂。
9.权利要求7的化学-光学传感器单元，其中所述原油衍生物是石蜡油或软石蜡。
10.权利要求1-3中任一项的化学-光学传感器单元，其中所述至少一个透气层和/或所述至少一个感测层包含硅橡胶。
11.权利要求1-3中任一项的化学-光学传感器单元，其中所述屏障层以这样的厚度存在于所述化学-光学传感器单元中，即当所述化学-光学传感器与具有恒定气体浓度的所述接触介质接触时光学响应是稳定的。
12.权利要求1-3中任一项的化学-光学传感器单元，其中所述感测层包含发光材料并且其中所述透气层适于防止光通过透气层。
13.权利要求1-3中任一项的化学-光学传感器单元，其中所述化学-光学传感器是用于测量血液气体浓度的经皮传感器单元。
14.权利要求13的化学-光学传感器单元，其中所述化学-光学传感器是用于测量O2和/或CO2的气体浓度的经皮传感器单元。
15.权利要求1-3中任一项的化学-光学传感器单元，进一步包括：
至少一个光源，适于照射所述感测层，以及连接至所述光源的导光结构；和
至少一个检测装置，适于检测所述感测层的光学响应，以及连接至所述检测装置的导光结构，其中光源、导光结构和/或检测装置中的至少一个可拆卸地连接至所述化学-光学传感器单元。
16.一种用于患者监测和/或患者通气的系统，包括权利要求1-15中任一项限定的化学-光学传感器单元、通气装置和/或监测装置。
17.用于调节经皮测量气体浓度的化学-光学传感器单元的方法，所述化学-光学传感器单元包括：至少一个感测层，适于用预定辐射照射；和至少一个透气层，其邻近所述至少一个感测层的一侧，适于使浓度待测的气体朝着所述感测层的方向通过所述透气层；其中所述化学-光学传感器单元适于与透气层和皮肤之间的接触介质协作，其中所述接触介质包含屏障层，所述屏障层透气但不透水和离子；并且其中所述化学-光学传感器单元适于测量所述至少一个感测层的光学响应，所述至少一个感测层的光学响应取决于所述气体的浓度，
所述方法包括将所述化学-光学传感器单元与包括透气但不透水和离子的屏障层的所述接触介质首先接触。
18.权利要求17的方法，其中所述接触介质是权利要求2-6中任一项中限定的接触介质。
19.经调节的化学-光学传感器单元，通过权利要求17的方法可获得，用于经皮测量气体浓度。
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