[发明专利]与传感装置一起使用的转换器

说明书

该申请要求2009年4月15日提交的美国临时专利申请No.61/169,415的优先权，其公开通过引用全文结合于本文。

背景技术

例如制药业等许多行业使用传感装置以监测特别事件的进展或结果。常常，这些传感装置用于向控制器提供输入，该控制器然后基于该输入改变它的输出。控制器的输出典型地用于影响、作用于或控制该特别事件。

例如，在生物反应中，监测和控制许多反应特性(包括但不限于温度、pH、氧浓度或其他参数)可能是重要的。因此，已经开发装置以感测这些特性。存在有众多pH传感器、溶解氧传感器和温度传感器。

然而，尽管传感特性是重要的，能够随时间监测和追踪这些特性是同样重要的。另外，使用这些特性以确定进一步的动作是重要的。例如，图1示出闭环控制系统的简单示例，其可以与生物反应器一起使用。在该图中，温度传感器10可用于监测在反应室20内发生的特别反应的温度。基于温度传感器10的输出，与该传感器10通信的控制器30可改变加热元件40的输出。这样，如果反应室内的温度必须在规定的温度范围内，则控制器30可以使用传感器10和加热元件40，与软件控制环联合以确保满足这些条件。

另外，传感器10可与其他装置通信。例如，pH传感器的输出可与控制器、记录装置和/或数据存储装置通信。附连的装置随时间对特定传感器的输出采样。该采样步骤可定期执行，例如以固定时间间隔执行。在其他实施例中，该采样步骤以偶发间隔执行，或基于其他外部事件来执行。

在数据记录器的情况下，简单地存储采样的值，其通常具有关联的时间戳，使得可以生成该特性在一段时间期间的图表。在控制器的情况下，对值采样使得可以执行纠正动作。例如，如上文描述的，在温度传感器的情况下，控制器可与加热元件通信，使得如果温度读数低于预定阈值，则控制器驱动加热元件。响应于pH或溶解氧读数可以采取相似的动作。

最常见的溶解氧传感器中的一个已知是极谱法传感器(polarographic sensor)。代表性的传感器在图2中示出。传感器100包括氧可以通过其中的膜120。它还包括阴极130和阳极160。在一些实施例中，阴极130由例如铂等导电材料制成。在一些实施例中，阳极160由例如金或银等导电材料制成。这两个导电部件由例如玻璃等绝缘体140分隔。外部装置在阴极130和阳极160之间提供电压电势，例如600和800mV之间。

运行中，氧分子扩散通过膜120。这些分子在阴极130的表面被还原，例如根据下列方程式：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

在阳极，发生氧化反应，由此产生电子。这些电子朝阴极130移动，由此生成与氧浓度成比例的电流。该电流然后可以由例如控制器或记录装置等的装置测量。

因为极谱法传感器的普遍性，例如控制器(包括由Applikon制作的那些)等许多装置设计成直接与它们接口。也就是说，这些装置提供600-800mV的极化电压并且设计成测量所得的电流，其在0-100nA的范围中。这些装置还用于控制运行(例如生物反应等)，并且已经使用了很长时间。从而，存在有这些控制器和其他装置的大型安装基础，其配置成与极谱法传感器配合工作。

最近，已经开发出备选传感器。与传统极谱法传感器不同，这些备选传感器典型地使用氧含量的不同指示物。一个这样的指示物是荧光。在一个实施例中，该传感器具有发射器，其发射典型地在例如475nm等特定波长的光。光射向传感元件。该传感元件具有一薄层的疏水材料。例如钌(ruthenium)等能够发荧光的化合物被封闭在疏水材料内，而有效地被保护不受水影响。光激发钌，其于是发射在例如600nm等特定波长的能量。

氧能够有效地猝熄钌的荧光。氧分子与处于其激发态的荧光团的碰撞导致能量的非辐射转移。从而，发生的碰撞越多，产生的荧光越少。碰撞的频率直接与氧分子的浓度有关。因此，测量的荧光是氧分子浓度的直接测量。

这些传感器典型地比传统极谱法传感器更准确。此外，因为它们不包括任何贵金属，例如铂和银，它们典型便宜得多。这些性质使这些较新传感器在许多应用中是优选选择。例如，一次性系统由于较低的成本(特别当考虑到该传感器将随袋子一起被丢弃时)更可能利用荧光氧传感器。