本申请公开了一种用于二氧化碳检测的薄膜传感器，该传感器包括多孔薄膜和附着于多孔薄膜孔道内的指示剂和载体配合物；指示剂能和氢离子反应，且在质子化和去质子化两种状态时呈不同颜色；载体配合物中含阳离子和碱性阴离子，阳离子能够与去质子化的指示剂在固相中化学连接；碱性阴离子使孔道中pH值在没有接触二氧化碳时比指示剂的pKa值高。本申请的薄膜传感器，率先用多孔薄膜作载体，利用其比表面积大的特点，使得二氧化碳能够与指示剂充分接触，提高传感器灵敏度，减小响应时间。本申请的传感器结构简单，使用方便，易携带、成本低，具有准确、快速、抗水汽干扰和反应可逆等优点，能够满足快速检测二氧化碳的需求。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及二氧化碳检测领域，特别是涉及一种用于二氧化碳检测的薄膜传感器 及其应用。
技术介绍
医用二氧化碳监测和环境二氧化碳监测，是目前二氧化碳监测应用比较广泛的两 大领域。其中医用二氧化碳监测，即临床上的呼吸末二氧化碳检测，包括呼气末二氧化碳检 测、吸入二氧化碳检测等；是临床ICU、OR等重点科室针对危重病人的重要监护参数之一。 环境二氧化碳检测包括大气二氧化碳检测、水体二氧化碳检测，以及大棚蔬菜二氧化碳检 测和室内二氧化碳检测等。无论是医用二氧化碳监测，还是环境二氧化碳监测，高准确性和 快速响应都是>氧化碳检测的关键。 现有的二氧化碳检测方法主要包括溶液测量和气相测量。溶液测量的原理是，二 氧化碳溶于水生成弱酸性的碳酸，使得水的pH值下降，pH值下降可以通过酸碱pH指示剂 被检测出，而pH值的下降程度与二氧化碳的分压和浓度有关，因此，可以通过酸碱pH指示 剂检测溶液中的二氧化碳。酸碱pH指示剂是化学分析中的三大类指示剂之一，可与氢离子 或水合氢离子发生可逆化学反应；二氧化碳溶于水后所形成的碳酸溶液就是氢离子、碳酸 氢根离子和碳酸根离子三种离子的平衡体系。溶液中少量的pH指示剂存在可以促使溶液 pH值在特定点变化时产生视觉上颜色变化或荧光的变化，从而通过肉眼或仪器观察出吸收 光谱或发射光谱的变化，即实现二氧化碳检测。 然而，对于医用和环境二氧化碳监测，直接采用溶液测量二氧化碳是非常困难的。 首先所测二氧化碳样品必须被压缩泵送到水中，需要很多额外的设备，如导管、液体室、泵 等等，携带不便；并且液体室存在液体溢出风险，在医用时还存在吸入风险。其次，由于有鼓 泡和气体溶解的过程，通常在二氧化碳泵送到水中3-5秒后才会发生颜色变化；在医用二 氧化碳检测时，人的呼吸频率为16-44次/分钟，因此，溶液监测二氧化碳无法实时地观测 到颜色随着呼吸频率的可逆变化，不适合临床使用。 气相测量中，非色散红外光谱技术（NDIR)是目前常用的二氧化碳检测技术，其原 理是，二氧化碳在2600nm和4300nm区有一个吸收峰，而在此处空气中其它的组分，如氧、 氮、一氧化碳等都没有明显的吸收；并且，二氧化碳在2600nm和4300nm的红外吸收与二氧 化碳的浓度和分压成正比；因此，通过红外吸收光谱的变化可以监测二氧化碳浓度的变化。 非色散红外光谱技术，如果将部分呼吸气引入红外检测器的样品室中测量，就可得到二氧 化碳浓度与时间的函数，即二氧化碳描记图（capnogram)，其峰值在呼吸末端，体积含量约 5% ;二氧化碳描记图包含的特征二氧化碳波形是非常有价值的临床信息。然而，采用非色 散红外光谱技术监测二氧化碳对仪器要求高，相关仪器设备价格昂贵、体积庞大，并且受水 汽干扰较大，易产生高噪音，测量结果不稳定。并且，由于其仪器设备结构复杂、体积庞大， 在医用二氧化碳监测时，为病人搭载监测平台需要较长时间，极易耽误监测及抢救的关键 时机；因此，不适用于需要快速监测二氧化碳的应用。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的气相检测二氧化碳的薄膜传感器及其应用。 本申请采用了以下技术方案： 本申请公开了一种用于二氧化碳检测的薄膜传感器，包括多孔薄膜和附着于多孔 薄膜的孔道中的指示剂和载体配合物；指示剂为能和氢离子反应，且在质子化和去质子化 两种状态时呈现不同颜色的显色染料；载体配合物中含有阳离子和碱性阴离子，阳离子能 够与去质子化的指示剂在固相中化学连接；碱性阴离子用于平衡电荷，并调节多孔薄膜孔 道中的pH值，使多孔薄膜孔道中在没有接触二氧化碳时的pH值比指示剂的pKa值高。 需要说明的是，本申请的关键在于利用多孔薄膜比表面积大的特点，在其孔道中 附着指示剂和载体配合物，可以使二氧化碳与指示剂充分接触，从而使得传感器具有较好 的灵敏度和较短的响应时间。可以理解，本申请的关键在于利用多孔薄膜的比表面积增加 二氧化碳与指示剂的接触；至于多孔薄膜的具体材质在本申请中不做具体限定，例如有机 聚合物多孔膜、无机陶瓷多孔膜或混合材质的多孔膜等都可以用于本申请。但是，在本申请 的优选方案中，优选采用疏水性的多孔薄膜。此外，还可以理解，本申请的指示剂实际上就 是常规的能够与二氧化碳反应产生颜色变化的显示染料，例如甲酚红、苯酚红、中性红、玫 红酸、溴百里酚蓝、对硝基甲酚、间硝基甲酚、茜素、二甲酚蓝、百里酚蓝、溴甲酚绿、间甲酚 紫、溴甲酚紫、萘酚紫、酚酞或百里酚酞等，在此不做具体限定。 本申请的薄膜传感器在使用时，无论是呼吸气的监测还是环境二氧化碳监测都会 存在水蒸气。水蒸气在薄膜传感器的孔道内形成水层，室温和标准大气压下二氧化碳的溶 解度为水：二氧化碳的体积比为1:0. 759,在未到达饱和之前，气相中二氧化碳分压增加， 水膜中溶解的二氧化碳浓度升高，与水平衡反应产生的氢离子增大，水膜的pH值降低，反 之亦然。基于此，本申请的薄膜传感器，通过载体配合物的阴离子对多孔薄膜孔道中pH值 进行调节，使得在没有接触二氧化碳时的pH值比指示剂的pKa值高；这样能够使指示剂在 没有接触二氧化碳之前，保持去质子化状态，与阳离子保持连接。在二氧化碳存在的情况 下，二氧化碳溶于水，产生碳酸根和碳酸氢根离子，在载体配合物的缓冲体系中，阳离子与 碳酸根或碳酸氢根形成配合物，释放出指示剂，指示剂与氢离子结合，呈质子化状态，指示 剂的颜色由去质子化状态的颜色变为质子化状态的颜色。可以理解，只要阳离子能够与去 质子化的指示剂连接，并且在二氧化碳存在时能够与碳酸根或碳酸氢根配合，释放指示剂； 而阴离子能够起到平衡电荷，并调节多孔薄膜孔道中pH值的作用；这样的阳离子和阴离子 组成的载体配合物都可以用于本申请，在此不作具体限定。 需要说明的是，本申请的薄膜传感器与非色散红外光谱技术相比，一个重要的区 别就在于，呼吸气或环境中的水汽不仅不会对检测造成不利影响，反而会有利于检测；对于 非色散红外光谱技术而言由于受水汽干扰，不得不增加除水汽部分，才能进行准确的检测， 而本申请的薄膜传感器则完全不需要除水汽装置。并且，在实践检测过程中水汽的存在都 是不可避免的，因此，在检测时也无需特意增加水汽以形成水层；本申请的一种实现方式 中，采用干燥的纯二氧化碳以及干燥的无水二氧化碳与氮气混合气进行试验，同样可以获 得良好的检测效果。 优选的，碱性阴离子调节多孔薄膜孔道中的pH值，使多孔薄膜孔道中pH值在没有 接触二氧化碳时的pH值比指示剂的pKa值高0-5个pH单位。更优选的，pH值比pKa值高 0. 5-2个pH单位。 优选的，多孔薄膜具有开放的孔道，且其孔径大于二氧化碳分子的平均自由程。 需要说明的是，为了利于二氧化碳的流动和扩散，本申请的多孔薄膜其孔径大于 二氧化碳分子的平均自由程；而开放的孔道，可以方便在测量样品的另一边观测颜色的变 化，例如在患者的气管中二氧化碳检测中，本申请的传感器能够不影响患者的呼吸或气体 交换，从而有助于实现远程测量。 优选的，多孔基质薄膜的孔径为0. 05-100微米；优选的，多孔基质薄膜的孔径为 0? 1-50 微米。 需要说明的是，二氧化碳分子的动力学直径为0.34纳米，而二氧化碳分子的扩散 系数随着多孔薄膜孔径增大而呈现指数上升，因本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于二氧化碳检测的薄膜传感器，其特征在于：包括多孔薄膜和附着于多孔薄膜的孔道中的指示剂和载体配合物；所述指示剂为能和氢离子反应，且在质子化和去质子化两种状态时呈现不同颜色的显色染料；所述载体配合物中含有阳离子和碱性阴离子，所述阳离子能够与去质子化的指示剂在固相中化学连接；所述碱性阴离子使多孔薄膜孔道中在没有接触二氧化碳时的pH值比所述指示剂的pKa值高。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：洪梅，张健，严义勇，赵劲，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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