[发明专利]发射抑制传感器

说明书

发明的领域

本发明一般来说涉及用来测量感兴趣的分析物在介质中浓度的传感器。更确切地说，本发明是一种用来测量血内气体(例如氧气、离子化氢、离子化钾和二氧化碳)浓度的，基于动态发射(例如荧光)抑制/相位调制的传感器。

动态相位调制、基于荧光的传感器一般是公知的。这类仪器被，例如，开发或提出以便用在医院中监测患者血液中诸如氧气、离子化氢和二氧化碳之类气体的浓度。感兴趣的物质(例如氧气)称为分析物。

称为萤光团的荧光物质和光致发光物质的一种已知性质是这样的，即它们响应于来自一个光源的能量的施加，吸收能量并被从其基态能级驱动到受激态能级。荧光团在其受激态是不稳定的，并在它们恢复到其基态时发出荧光(辐射衰变)或发出热能(非辐射衰变)。荧光寿命τ代表荧光团在恢复其基态之前保持于其受激态时间的平均值。荧光强度I代表荧光团在它恢复到基态时所发生的发射强度。

当一个敏感元件中的荧光团在存在着另一种称为抑制剂Q的扩散物质的情况下被光激发时，受激态与抑制剂之间的相互碰撞作用引发一种非辐射衰变的新机理，造成荧光强度和受激态寿命二者的降低。此过程称为动态荧光抑制。此外，该强度和寿命在没有抑制剂的情况下从各自的强度I_o和寿命τ_o所降低的值直接关联着在发荧光的时候荧光团对其暴露的敏感元件中所存在的抑制剂的数量[Q]。在有和没有抑制剂时的荧光强度和寿命之间的关系由Stern-Volmer方程式来描述：

I_o/I＝τ_o/τ＝1＋k_qτ_o[Q]

式中：

I_o是没有抑制剂时的荧光强度；

I是有抑制剂时的荧光强度；

τ_o是没有抑制剂时的受激态寿命；

τ是有抑制剂时的受激态寿命；

k_q是敏感元件中的双分子抑制率常数；

以及

[Q]是敏感元件中的抑制剂浓度。

强度或寿命的测量可以用来测定在敏感元件中的抑制剂浓度，例如血氧测定所用的传感器中的氧气。敏感元件中的氧气浓度[O₂]可以用一个溶解度常数a来与血流中的氧气分压P₀₂相关。因而，Stern—Volmer方程的一般形式化为：

I_o/I＝τ_o/τ＝1＋ak_qτ_oP_O2＝1＋K_SVP_O2

式中：

K_SV＝ak_qτ_o；

a＝[O₂]/P_O2；

[O₂]是敏感元件中的氧气浓度；以及

P_o2是被测介质中氧气的分压力。

氧气对于敏感元件来说往往既是分析物又是荧光抑制剂，但情况并非并且无须总是这样。荧光抑制剂和感兴趣的分析物可能是不同的物质，但感兴趣的分析物通过一种已知的关系与抑制剂浓度关联。例如，Morero-Bondi等人的文章《用于纤维光学葡萄糖生物传感器的氧气光电管(Optrode)》，分析化学，Vol.62，No.21(1990年11月1日)介绍一种基于与葡萄糖有关的耗氧量的葡萄糖传感器，这些氧由葡萄糖氧化酶催化。该葡萄糖氧化酶固化在氧气敏感元件表面上。随着外部介质中萄葡糖浓度的提高，更多的氧气在敏感元件内被消耗掉，造成依靠氧气的荧光动态抑制的变化。因而，作为由该仪器实际测得的抑制剂浓度的函数，来计算分析物浓度。

对于本专利文件来说，“抑制剂”一词用来指称实际的荧光抑制物质，无论该抑制剂是感兴趣的分析物，还是通过已知关系与感兴趣的分析物相关联的另一种物质。应该指出，可以根据测得的抑制剂浓度和分析物与抑制剂之间的已知关系，来测定感兴趣的分析物浓度。

在光学传感应用中测定荧光寿命的一个公认的优点在于，它对染料浓度、光耦合效率及灯的差异不敏感。