[发明专利]气体传感器纳米复合物膜

说明书

本发明涉及用于气体传感器以增强气体传感器在选择性、响应时间和耐用性方面的性能的纳米复合物膜。这些膜特别适用于可摄取传感器胶囊，其用于监控哺乳动物(包括人类)的胃肠道(GI)中产生的气体。

发明背景

虽然目前存在可用的诊断工具诸如胶囊内窥镜和呼吸分析器，但是没有装置能用于分析胃肠道中的气体组成。有许多报道是关于这些气体组成很可能与不同疾病相关联。然而，由于缺乏任何适合的工具而且不方便对患者进行这些测量，此领域的潜能还未得到完全认识。

美国专利8469857公开了一种通过分析呼吸分析中的气体来诊断GI病状的方法。

专利申请WO2013/003892公开了一种具有气体传感器的胶囊和一种用于反刍动物的气体可渗透膜。

美国专利申请2009/0318783公开了一种使用含有传感器的可摄取胶囊分析来自GI道的数据并提供关于针对时间作图的测量值的数据的计算机化方法。

美国专利申请2013/0289368公开了一种具有帮助诊断GI道疾病的气体检测器的可摄取胶囊。

使用现有技术中所述的装置的一个难题为使用没有任何修饰的膜。即使大部分非选择性且气体可渗透性膜诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有长响应时间。此响应时间有时达到数分钟的数10s。对于少数动力学场景诸如将胶囊置于牛瘤胃内[专利申请WO2013/003892]，这可能是足够的。然而，对于胃肠(GI)道，尤其是人类和具有类似消化系统的其他哺乳动物中的胃肠道中的气体组成的测量值，此类响应时间是不足的。

关于现有技术装置的另一个难题为纯膜的选择性缺乏。例如，纯PDMS膜允许所有气体种类渗透通过。当使用高选择性传感器时，这可为可接受的。然而，大部分可用气体传感器为非选择性的。例如，目前氢气(H₂)传感器也对其他气体种类诸如甲烷(CH₄)敏感。这种特异性缺乏严重影响测量值的准确性。纯膜的非选择性的另一个问题为高酸性气体种类(诸如消化系统中的那些气体，包括硫化氢(H₂S)和氮氧化物类(NO_x))渗透和传感器主体暴露于所述气体的可能性。这显著减小了传感器的使用时间。例如，大部分商用H₂气体传感器在暴露于100ppm H₂S气体下仅在24小时后就不能运行。

另一个挑战为外源微生物的定殖，诸如消化系统的微生物定殖到膜表面上。纯膜诸如PDMS显示轻微的抗微生物作用。然而，这不足以使胃肠道的微生物的定殖停止相对长的时间。例如，用于测量GI道的气体种类的胶囊操作需要超过一天多至几周。

本发明的目标为提供增强气体传感器性能的纳米复合物膜。

本发明的目标为减轻使用传感器胶囊的现有技术问题并且提供用于消化系统的更有效且更响应性胶囊。

发明简述

为此，本发明提供一种用于气体传感器的气体渗透性、液体不可渗透性膜，其中所述膜由成膜聚合物组成，所述成膜聚合物并入选择用以提高以下一者或多者的一种或多种纳米颗粒：

对气体的渗透性，

选择性阻碍或排除一些气体的渗透同时促进所选气体穿过所述膜，

抑制所述膜上的微生物生长。

这些膜可用于其中气体传感器的响应时间和敏感性需要提高的任何应用。本发明的膜被开发来解决这些问题，包括在感测哺乳动物消化系统和胃肠系统内的气体时碰到的那些问题。

本发明的膜的独特特性为若干种关键性功能，其使气体传感器的性能增强到在传感器使用寿命期间准确气体组成测量所需要的水平。纳米复合物膜允许所希望的气体种类高选择性传到气体传感器阵列，阻断不需要的干扰气体种类，并且停止不希望的微生物在膜表面上的定殖。

所述膜优选地选自作为玻璃样或橡胶样聚合物的气体渗透性液体不可渗透性聚合物材料。一直用于工业应用的玻璃样聚合物的实例包括：聚亚酰胺、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚砜类、乙酸纤维素、聚(苯醚)、聚乙炔类以及聚[1-(三甲基甲硅烷基)-1-丙炔](PTMSP)。相比之下，具有工业相关性的橡胶样聚合物种类较少，其中聚(二甲基硅氧烷)式最突出的。

用于本发明的膜为具有并入的纳米材料的聚合纳米复合物膜，其具有若干种可能的功能。

1.它们能够充当嵌入到聚合物基质中的反应器。这些纳米反应器可逆地或不可逆地与表面上的材料相互作用，在膜主体内渗透和/或穿过所述膜主体以将它们转化成其他材料。