[发明专利]气体传感器

说明书

本发明涉及用于检测气体物质的传感器，特别是用于检测患者或受试者呼出的气流中存在的物质的传感器。所述传感器特别适用于但不限于气流的二氧化碳和/或水含量的分析。该传感器作为用于检测和测量在人和动物的呼出气中的气体如二氧化碳的浓度的二氧化碳描记传感器(capnographic sensor)找到特别的用途，从而提供患者或受试者的呼吸系统状况的指示和辅助鉴别和诊断呼吸失调或疾病。在一个特别优选的实施方案中，将传感器用于确定受试者呼出的气流的水蒸气含量中并且将其结果用于指示受试者的肺功能。

对于人或动物呼出气的二氧化碳含量的分析是评估受试者健康的宝贵工具。特别地，二氧化碳浓度的测量允许评价各种肺部和/或呼吸疾病的程度和/或进展，所述肺部和/或呼吸疾病特别是哮喘和慢性阻塞性肺病(chronic obstructive lung disease)(COPD)。

可以使用多种分析技术和仪器检测二氧化碳。最实用且广泛使用的分析仪采用分光红外吸收(spectroscopic infra-red absorption)作为检测方法，但是也可以采用质谱法、气相色谱法、热导率等检测气体。虽然大多数用于二氧化碳测量的分析仪器、技术和传感器是基于该气体的物理化学性质的，但是正在开发利用电化学的新技术，并且已经提出了一类电化学方法。然而，还无法直接电化学技术使用测量二氧化碳(CO₂)气体该气体在电解质中的溶解以及随后电解质pH的变化，设计了间接方法。其它电化学方法利用二氧化碳的高温催化还原。然而，这些方法通常非常昂贵、使用不方便并且经常表现非常低的灵敏度和慢的响应时间。这些缺点致使它们不足以用于分析呼吸样品，特别是在潮式呼吸(tidal breathing)的分析中。

新近采用的技术在于监测在含有合适的有机金属配体的电解质中的特定化学反应，所述有机金属配体在二氧化碳气体的溶解所引起的pH变化之后化学相互作用。pH变化随后干扰一系列反应，并随后根据酸碱化学的变化间接估计气氛中的二氧化碳浓度。

二氧化碳是酸性气体，并且与水以及其它(质子性)溶剂相互作用。例如，二氧化碳依照下列反应溶解在水溶液中：

应理解的是，随着更多的二氧化碳溶解，氢离子(H⁺)的浓度增加。

使用此技术检测二氧化碳具有如下缺点：当用于气相中的气体分析时，液体电解质必须用半透膜限制。所述膜不渗透水但是渗透包括二氧化碳在内的各种气体。膜必须在不严重阻碍二氧化碳气体渗透的条件下减少内部电解质的蒸发。此构造的结果是电极，所述电极在短时期内工作良好，但是具有长的响应时间并且其中需要经常更新电解质。

WO 04/001407公开了包含由渗透膜保持的液体电解质的传感器，其克服了这些缺点中的一些。然而，非常希望提供不依赖于液体电解质的存在和保持的传感器。

US 4,772,863公开了用于氧和二氧化碳气的传感器，所述传感器具有多个层，所述的多个层包括氧化铝基底、阴离子参比电极源、与阴离子参比源连接的铂的下部电参比电极、含有钨并且与下部参比电极连接的固体电解质、用于防止铂离子流到固体电解质中的缓冲层以及催化铂的上部电极。

GB 2,287,543A公开了固体电解质一氧化碳传感器，所述传感器具有在基底中形成的第一腔室，所述第一腔室与一氧化碳吸附剂位于其中的第二腔室相通。电极检测在一氧化碳吸附剂中的氧分压。GB 2,287,543的传感器对优势温度非常敏感，并且采用任何灵敏度都只能在低温测量低的一氧化碳浓度。为了测量更高的一氧化碳浓度高温是必要的，只要避免了传感器的完全饱和。这致使该传感器不适于测量在宽浓度范围内的气体组成。

GB 2,316,178A公开了固体电解质气体传感器，其中参比电极安装在电解质中的腔室内。在固体电解质的外侧提供气敏电极。据称该传感器可用于二氧化碳和二氧化硫的检测。然而，所述传感器的操作需要到至少200℃的温度，更优选300至400℃的加热。这显示了在该传感器的实际应用中的主要缺点。

用于监测热处理过程中气体组成的传感器公开在GB 2,184,549A中。然而，与GB 2,316,178的传感器一样，公开了在高温(不超过600℃)的操作，并且其看来是需要的。

因此，需要不依赖于液相电解质或高温催化方法的存在的传感器，所述传感器具有简单的构造并可以容易地应用于在环境条件下监测气体组成。