光学传感器的间质性PH值测量外文翻译资料

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毕业设计

英文文献翻译

Title: Optical sensor for interstitial pH measurements

光学传感器的间质性PH值测量

Francesco Baldini, Ambra Giannetti, Andrea A. Mencaglia

Nello Carrara Institute of Applied Physics, CNR

Via Madonna del Piano 10

50019 Sesto Fiorentino

Firenze, Italy

E-mail: f.baldini@ifac.cnr.i

摘要:本文描述了一种用于测量组织间液PH值的光纤传感器。微透析是一种遵循从皮下脂肪组织提取样本的方法。绘制的组织间液流经由一个微透析导管形成的微流体回路，与pH玻璃毛细管串联。pH指示剂（酚红）被共价地固定在玻璃毛细管的内壁。一个利用了LED和光电检测器的光电单元由光纤连接到传感毛细管。光纤用于把询问单位连接到传感毛细管。得到了0.03 个PH值单位的分辨率和0.07个PH值单位的精度。对呼吸功能改变的猪类进行了初步的体内试验。

关键词：pH；光学传感器；组织间液；微透析。

1引言

重症监护患者的脂肪组织间质性代谢物的连续监测是4年CLINICIP（闭环胰岛素输注危重病人）欧洲项目的目标之一。

即使在没有慢性病症的人群中，病情危重的情况可能会导致不典型生理症状。pH值是一个活系统的状况的信息指示器，并且在确定危重病人的生理状态中具有价值。

它通常与pO₂（氧分压）和pCO₂（二氧化碳的分压）一起被测量，因为绘制血样和利用实验室仪器所需。对于这些参数的非常频繁的和/或连续监测的要求已经促进血液pH值，氧气和二氧化碳的光纤传感器的发展。基于由Gehrich等人设计并测试，由心血管器械（CDI）开发的系统，一个血管内导管用于pH，pO₂ 和pCO₂的同时测量。血管内的传感器由一个0.6毫米的导管构成，包括3个125微米光纤，化学传感固定在光纤的尖端。在临床测试期间，在重症监护志愿者中出现问题，这是由于在传感器尖端可能形成血块，但主要的原因是由于所谓的壁效应，后者主要影响氧气和二氧化碳的测量，是由这些参数从血管壁向其中心的扩散梯度引起的。这些问题暗示着CDI血管内导管的性能不足，实际上从未达到市场的要求。所以CDI开发了体外血液回路的超血管系统。在这个系统中，包含pH值，pO₂和pCO₂的化学，在一个任意的筒体中，在线的血液回路经由光纤光缆被连接到询问单元。该系统目前通过Terumo商品化，它主要用在开心脏手术中。

其它血管内探头系统由Puritan Bennett, Optex Biomedical, 和Diametrics提出，它是基本上类似于先前描述的CDI血管内探针。由Diametrics（Paratrend）开发的血管内探针也广泛用于人体组织的探入式测定。所有这些系统经过一个或长或短的时间都可以在市场上买到，但目前还没有一个可以买到。在2005年，Paratrend系统是从市场撤回的最后一个系统。

最近，皮下脂肪组织已被提出作为糖尿病患者葡萄糖的连续测量的有利位置，由此大家探讨这个位置是否也适合pH值，pO₂和pCO₂的分析，微透析方法作为一个检验完整组织间隙空间的可靠方式，正变得越来越重要，微透析导管模仿毛细血管，小分子量特征的分子

能扩散通过微透析膜并和灌注溶液达到平衡。由此产生的液体样品（透析液）一般是收集用来做离线分析，分析的外部仪器手段妥恰当地设计为小体积的快速分析（小于微升），为线连续监测这已经得到了适当的发展和小型化。这种方法比内血管方法探入性少，但在某些情况下它也真的很有希望，例如，对于住院婴儿或重症监护病人，诊断样本的血液损失可能引起危急情况。

本文在这里提出了一种pH值的连续测量方法，通过生物相容的微透析导管回收脂肪组织的组织间液。绘制的组织间液流经由一个微透析导管形成的微流体回路，与pH玻璃毛细管串联，pH指示剂被固定在它的内壁上。用于pH检测的吸收是光学工作原理。提出的该传感器在实验室进行了详细的表征。对在动物体内的初步试验进行了描述。

2. 材料和方法

2.1化学协议

pH传感器的传感层是由酚红——通过曼尼希（Mannich）反应的手段被共价地结合到玻璃表面所构成。此反应包括福尔马林与固定在玻璃表面的硅烷基团的伯胺和酚红的活性氢的的缩合。

酚红（Sigma）被共价固定在玻璃毛细管（长度10厘米；oslash;，0.5/ 1.0 MM）（Drummond Scientific公司），经由PVC管（Gilson）被连接到蠕动泵（Minipuls3-Gilson），用于所有的官能化和实验步骤。玻璃毛细管预先用2-（N-Morpholino）乙磺酸（MES，Sigma）0.1M在pH= 4.7，温度为 25℃的酸性溶液中处理10分钟。玻璃表面活化，然后在3-氨基丙基 - 三甲氧基硅烷（APTS）浓度为10％[体积对体积的百分比，（V / V）]的丙酮（Sigma）溶液中，在65℃下进行12小时。 APTS的浓度介于5和50％变之间（V / V）。这种处理后，将其用MES洗涤10分钟以除去未反应的APTS。然后用福尔马林[37% ( Sigma) ]冲洗毛细管10分钟，再用MES中的10mu;M酚红溶液冲洗10分钟。毛细管在25℃下放置12小时，再用MES洗涤5分钟。在使用之前，毛细管在连续流动的pH7.0的缓冲溶液中被进一步洗涤至5小时以除去所有没有被共价结合的过量的染料。

将适当比例的柠檬酸和磷酸钠混合制备pH值不同的McIlvaine缓冲液（离子强度1M）。加入氯化钾，以获得所需的离子强度。

不同离子强度的缓冲液（0.005至1M）是BR缓冲液，通过混合醋酸、磷酸，以及硼酸，得到0.04-M的溶液来制备。pH和离子强度分别用0.2N 的氢氧化钠和氯化钾进行了调整。在微透析实验中，我们使用5％（体积的重量百分比（W/ V）]甘露醇（Merck）和包含氯化钠（8.6克/升）的林格氏溶液（Fresenius），氯化钾（0.3克/升），和氯化钙（0.33克/升）。

2.2光电仪器

开发了一个固定在毛细管上pH传感器的询问光电子单元。光纤（纤芯直径，200mu;m）被用来与毛细管单元耦合。毛细管被放在一个黑色的塑料片内，在其侧面为两个纤维精确留孔。这些分别被用来携带从光源到毛细管的光，并收集经调制的光（图1）。光电单元使用590nm的发光二极管作为光源（Ledtronics，L200CWY3KB）和光电二极管作为检测器（OPT101，Burr-Brown）。该LED被两种电流水平交替驱动，使得它在两个稍有不同的波长上发射光。检测到的信号进行处理来测量吸收带的斜率。所选择的LED靠近吸收光谱的拐点的波长，以获得最佳的灵敏度。该信号调制和数据处理使得有可能避免来自于光源的波动、空气微泡以及任何其他的共模引线波动引起的干扰。

图1： 为pH传感毛细管询问的光流单元的照片。

2.3流体系统

使用了两种不同的流体系统，第一个为在实验室中传感毛细管的表征，而另一个用于对动物进行测量。

在传感毛细管的表征中（图2），pH传感器被连接到所述蠕动泵，来自缓冲溶液的流体线直接通到传感毛细管然后到废物容器中。使用一个六路选择阀（Upchurch Scientific）来改变流过流体线的样本。 PVC管（内直径为0.5毫米，Gilson）用于连接。

图2： 用于pH传感毛细管表征的流体系统的设置

图3给出了用于微透析测量的设置。蠕动泵采用了一个推挽结构用于使样品通过微透析导管流动（CMA60，CMA微透析AB）。熔融二氧化硅毛细管（内径为0.32mm，CMA Microdialysis AB）被用来将实验室中的CMA60导管和传感毛细管连接到动物。

图3： 用于微透析测量的流体系统的设置

3 结果与讨论

3.1实验室表征

传感毛细管用浓度范围从5至50％的APTS制造而成。甲硅烷基化剂的浓度对传感器的最终pH工作范围起关键作用。结合染料的pK由理论S形曲线来评价，根据等式：

（1）

式中S是所测量的信号，pK是-logK，K是固定指示器的解离常数S₀，b和a为常数，S₀和S₀ a分别是测量信号对应于最小吸收（pHlt;lt; pK）和最大吸收（pH gt;gt; pK）的值。

表1给出了pK和固定所使用的不同浓度的APTS后酚红的工作范围。对应于APTS浓度的增加观察到pK向低pH值的变化。

表1 对不同浓度的APTS，pH敏感玻璃毛细管的表征

得到的毛细管表现出优异的灵敏度和稳定性。图4示出了30％的APTS毛细管的长期响应曲线，图5给出了相对校正曲线（pK=5.56），对于不同pH的步，连续测量70小时后曲线重复，证明只有一个小漂移。该漂移可以归因于从化学传感层的染料小泄漏和光电元件。传感化学层对漂移的贡献是pH在4.0和8.0之间信号的绝对减少，这在测量开始和70小时后观测到两个校准曲线之间信号的变化。而其基线的向上的变化可以归因于光电元件，据推测为LED。尽管观察到漂移，在线性范围内传感器仍具有0.03的灵敏度和0.07的精度，这性能令人满意。染料的泄漏引起的漂移的影响可以被消除，通过延长制备后传感毛细管的清洗时间以除去所有未共价结合的过量的染料。同时，光电元件引起的漂移可以通过更好的稳定源和检测器的温度来减少。

图4： 30％APTS传感毛细管长期响应曲线。

图中的数字是McIlvaine缓冲液的pH值。

图5： 30％APTS检测传感毛细管的校正曲线，其中，响应曲线示于图4。

基于重症监护临床要求，要求pH单元的工作范围在6和8之间的，在毛细管的制备用浓度为10％的APTS。图6显示了不同pH步的典型响应曲线，图7给出了 10％APTS传感毛细管的相关校正曲线，与等式（1）给出的理论曲线拟合很好：相关系数为0.999。

表2给出了pH传感器在实验室中的表征和它在重症监护病房使用要求的比较，传感毛细管的重现性也相当不错。按照2.1节的过程生产的毛细管，大约50％的毛细管显示出与表2中给出的数据相符的性能。在每个测量之前，执行的校准过程使我们能得到无关的不同毛细管之中的变异性。

图6： 10％APTS传感毛细管的响应曲线，图中的数字是McIlvaine缓冲液的pH值。

图7： 10％APTS传感毛细管校准曲线，它的响应曲线示于图6。

表2 所实现的传感器的性能和重症监护病房应用要求的比较。

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