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】
[0001] 本发明设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，适于用预定福射照射；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 设及包括运样的化学-光学传感器的系统，W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】
[0002] 神经肌肉疾病、慢性阻塞性肺病（C0PD)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（C〇2)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W及动脉氧气和二氧化碳水平的趋势检查通气的效力。
[0003] 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W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±也可W拜访在家患者，W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W后在医院进行分析。
[0004] 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（Sp〇2)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。 阳0化]C〇2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C02(PtcC〇2)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〇)2(etC〇2)值提供对动脉 C〇2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，W获得偶然精确值（occasionalac州ratevalue)。
[0006] 经皮C〇2监测不受漏气和呼吸疾病干扰，但需要训练有素的人员W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C〇2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。
[0007] 目前经皮C〇2传感器都是基于40年之久的概念：（i)恒溫控制的加热器，W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)包括电化学抑传感器和参比电极的传感器；w及(V)补偿溫度效应和皮肤代谢的算法。
[0008] EP1965198A1描述了一种测定气态或液态样品中C〇2的装置，包括多聚物基质和 包埋于多聚物基质中的指示器，其中指示器包括抑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。
[0009] 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"娃橡胶样"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 命的抑-敏感指示染料。第二膜层包括光反射材料（Ti〇2)颗粒，并防止离子运输至和运输 离开感测层。C〇2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，C〇2气体的百分比能够得W计算。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 目的和发明概述
[0013] 本发明满足了运些需求，并且提供有效测量气体浓度，特别是在例如皮肤运样渗 透不平衡环境内的C〇2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，适于用预定福射照射；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，运样在气体 测量期间，例如在测量C〇2期间不发生灵敏度变化。运样，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，例如〇2或C02,穿 过透气层进入感测层。由于可W包含疏水液体的屏障层的存在，可W提供渗透惰性环境，使 得能够有效检测〇2或C〇2的浓度，无需额外的校准步骤并且不用担屯、由于水流入所述感测 层的影响导致测量数值的累进错误（progressivefalsificaiton)或无效。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 在另一优选实施方式中，所述疏水化合物是疏水液体。
[0017] 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控、含氣或娃的 油、有机娃酬（organosilicone)，或软橡胶或凝胶。
[0018] 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，或者低烙点食 用蜡，优选可可脂，例如石蜡油或软石蜡的原油衍生物，娃酬油（siliconeoil)或娃酬蜡 (siliconewax)或全氣油。
[0019] 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娃 橡胶。
[0020] 在本发明的另一优选实施方式中，所述屏障层W运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。
[0021] 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。
[0022] 特别优选所述化学-光学传感器是用于测量血液气体浓度，优选〇2和/或C0 2的 浓度，更优选C〇2的气体浓度的经皮传感器单元。
[0023] 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：
[0024]至少一个光源，适于照射感测层，W及任选存在的连接至所述光源的导光结构；和 [00巧]至少一个检测装置，适于检测所述感测层的光学响应，W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。
[00%] 在另一方面，本发明设及用于患者监测和/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。
[0027] 本发明的另一方面设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，适于用预定福射照射；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。
[0028] 本发明的另一方面设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】
[0029] 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，包含娃酬膜、参比染料和指示染料的感测层，其透气并 且抑敏感，还有在娃酬膜中包含Ti〇2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W例如包装在球