DE102009043222B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft durch eine Gassensoreinheit mit mindestens einem Gassensor, aufweisend eine Einrichtung zur Gaskonversion, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion einen effektiven Querschnitt größer als 0,01cm² und kleiner als 100cm² und ein effektives Volumen größer als 0,05ml und kleiner als 100ml aufweist, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion als Verbrauchsmittel ausgeführt ist und wobei ein Mittel zum Bestimmen einer Konversionsrate der Einrichtung zur Gaskonversion vorgesehen ist, die hinsichtlich des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion korrigiert ist, wobei das Mittel zum Bestimmen der Konversionsrate ein Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion und ein Mittel zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate anhand des Gebrauchszustands umfasst, wobei das Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion ein Mittel zum Zählen der Gebrauchszyklen der Vorrichtung umfasst, wobei sich der Gebrauchszustand anhand der Gesamtzahl der Gebrauchszyklen bemisst, welche die Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt durchlaufen hat.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Gaskonversionsrate in einem Atemgasanalysator insbesondere für Stickoxid (NO) im Atemgas und eine zugehörige Vorrichtung.
• Bei einigen Anwendungen von Gassensoren ist vor der Messung eine Konversion des Gasanalyten in ein anderes, vom Sensor detektierbares Produkt notwendig. Gründe können z.B. in der Charakteristik des Sensors liegen, wenn er das ursprüngliche Zielgas nicht detektieren kann, oder Z.B. in der Erhöhung der Spezifität der Messung, wenn die Spezifität eines Sensors für das ursprüngliche Zielgas geringer ist als die Spezifität des gleichen (oder eines anderen) Sensors für das konvertierte Zielgas. Gerade bei der Detektion von Einzelgasen in einem komplexen Gasgemisch (wie der menschlichen Ausatemluft) spielt die Spezifität bzw. Querempfindlichkeit des Sensors eine entscheidende Rolle.
• Stickoxid (Stickstoffmonoxid, NO) wird in sehr geringen Mengen aus den Zellen der Atemwege kontinuierlich in den Atemgasstrom freigesetzt. Für die Diagnose und optimierte Therapie von Asthma und anderen inflammatorischen Atemwegserkrankungen stellt NO einen wichtigen Marker dar. Asthma gehört bei ca. 5% der Erwachsenen und ca. 20% der Kinder in entwickelten Industrienationen zu den am häufigsten auftretenden Krankheiten. Bei Entzündungsvorgängen der Atemwege, z.B. Asthma treten erhöhte NO-Konzentrationen von 40 ppb (parts per billion) und mehr in der Ausatemluft auf. Bevorstehende Asthmaanfälle sind durch einen Anstieg des NO-Gehaltes der Ausatemluft bereits deutlich früher erkennbar als durch einen Lungenfunktionstest, der letztlich erst eine symptomatische Verengung der Bronchien quantifiziert. Somit ist die NO-Messung in der Ausatemluft ein bevorzugtes Verfahren zur Diagnose und Therapieverlaufskontrolle von Asthma und anderen entzündlichen Atemwegserkrankungen.
• Preiswerte NO-Sensoren mit der erforderlichen Empfindlichkeit im ppb-Bereich waren bisher nicht am Markt verfügbar. Ein neu entwickelter NO_2-Sensor auf Basis der „Suspended Gate FET“-Technologie entspricht den genannten Anforderungen. Allerdings muss einem derartigen Sensor ein Konversionsmodul zur Umwandlung des NO im Atemgas zu NO₂ welches vom Sensor detektiert werden kann, vorgeschaltet werden. Ein derartiges Konversionsmodul sollte idealerweise mehrere Monate oder gar Jahre halten, preiswert sein und NO mit höchstmöglicher und konstanter Umwandlungsrate in NO₂ konvertieren.
• Die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid erfolgt gemäß der folgenden Reaktionsgleichung: 2 NO + O₂ ↔ 2 NO₂.
• Die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid kann in einem Atemgassensorgerät durch eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid erfolgen, z.B. durch Durchleiten der (Atem-)-Luft durch ein Oxidationsmittel (z.B. Kaliumpermanganat, Perchloratsalze o.ä.) oder einen anderen Oxidationskatalysator.
• Beispielsweise ist aus der WO 2008/052104 A2 eine Vorrichtung zur Messung eines Gasanalyten mit einer Einrichtung zur Gaskonversion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid bekannt.
• Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass sich NO₂ wesentlich besser in Wasser löst als NO. Daher wird ein Verfahren benötigt, um die Konzentration des konvertierten NO₂ im feuchten Atemgas möglichst konstant und quantitativ messbar zu halten. Aufgrund der höheren Löslichkeit von NO₂ in Wasser wird in (Atem-) Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt ein Teil des (konvertierten) NO₂ in Wasser gelöst, die Konzentration des messbaren NO₂ sinkt und es wird ein scheinbar zu niedriger NO₂ und respektive NO Gehalt gemessen.
• Wenn es gelingt, auf zuverlässige und quantitative Weise das NO der Atemluft in N0₂ umzuwandeln, kann dieser Sensor zur Messung des NO bei Asthmapatienten eingesetzt werden. Ein solches Konversionsmodul sollte idealerweise mehrere Monate oder sogar Jahre halten, preiswert sein und das NO mit höchstmöglicher und möglichst konstanter Umwandlungsrate in N0₂ wandeln. Die Herausforderung bei der Optimierung der Gaskonversion ist, dass einerseits eine lange Verweilzeit des Gases in der Einrichtung zur Gaskonversion die Konversionsrate verbessert und andererseits bereits erzeugtes N0₂ bei langer Verweildauer vermehrt in der Einrichtung zur Gaskonversion adsorbiert wird. Zudem erhöht eine lange Umwandlungsstrecke den Atemwiderstand, gegen den der Patient ausatmen muss.
• Da ein überhöhter Atemwiderstand für die Messung des Zielgases unzulässig ist (siehe: ATS/ERS Recommendations for Standardized Procedures for the Online and Offline Measurement of exhaled Lower Respiratory Nitric Oxide and Nasal Nitric Oxide, 2005; American Thoracic Society (ATS) and the European Respiratory Society (ERS)), ist hierdurch eine Obergrenze für die Länge der Umwandlungsstrecke vorgegeben.
• Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Konversionsrate einer Einrichtung zur Gaskonversion über die Lebensdauer nicht konstant ist, sondern mit der Zeit abnimmt. Dies führt zu einem Fehler bei der Bestimmung der Konzentration des Ausgangsgases.
• Aus US ist hierzu eine Vorrichtung mit einem Mittel zum Bestimmen einer Konversionsrate für eine Kalibrierung der Einrichtung der Gaskonversion bekannt.
• Um die genannten Probleme und Nachteile zu beheben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft durch eine Gassensoreinheit mit mindestens einem Gassensor, aufweisend eine Einrichtung zur Gaskonversion, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion einen effektiven Querschnitt größer als 0,01cm² und kleiner als 100cm² und ein effektives Volumen größer als 0,05ml und kleiner als 100ml aufweist.
• Eine „Einrichtung zur Gaskonversion“, ein „(Gas-)Konversionsmodul“ oder „Gaskonversionseinrichtung“ meint jegliche Einrichtung, die das ausgeatmete Atemgas oder darin enthaltene Verbindungen konditioniert, um eine Messung des Gasanalyten zu ermöglichen, z.B. zur Trocknung des Atemgases mit einem Trockenmittel oder zur Überführung eines nachzuweisenden Gasanalyten in ein anderes messbares Produkt.
• Unter effektiven Größen sind die geometrischen Abmessungen um den Anteil des Füllmaterials der Gaskonversionseinrichtung bereinigt zu verstehen.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in der Ausatemluft, wobei der mindestens eine Gasanalyt Stickstoffmonoxid ist und die Einrichtung zur Gaskonversion eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in der Ausatemluft, wobei die Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ein Oxidationsmittel aufweist. Dies kann z.B. als ein durchströmbarer Körper oder Behälter ausgeführt sein, der mit dem Oxidationsmittel, z.B. Kaliumpermanganat, aufgebaut bzw. gefüllt ist.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei die Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid einen Katalysator zur Katalyse der Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweist. Dies kann z.B. als ein durchströmbarer Körper oder Behälter ausgeführt sein, der mit einem Trägermaterial (z.B. ein poröses Keramikmaterial) mit Katalysatorbeschichtung (z.B. ein Edelmetallkatalysator, wie z.B. Pt oder Rh) aufgebaut bzw. gefüllt ist.
• Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion als Verbrauchsmittel, z.B. in einer separaten Einheit vorgesehen ist. Dies kann z.B. als Kartusche ausgeführt sein, die sich ohne größeren Aufwand, also z.B. ohne, dass dazu ein Werkzeug nötig wäre, austauschen lässt.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion mit 0,5 - 2 cm² Querschnitt und ca. 0,2 - 1 cm Länge, insbesondere mit 1 cm² Querschnitt und 0,6 cm Länge, vorzugsweise zylinderförmig, Prismenförmig oder quaderförmig, ausgestaltet ist.
• GErfindungsgemäß betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, aufweisend ein Mittel zum Bestimmen einer Konversionsrate der Einrichtung zur Gaskonversion, die hinsichtlich des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion korrigiert ist.
• Die Konversionsrate lässt sich als Faktor q ausdrücken, der das Verhältnis zwischen der Konzentration des Ausgangsanalyten c[Analyt] und des vom Sensor gemessenen Produkts c[Produkt] beschreibt gemäß: $$\text{c}\left[\text{Produkt}\right]=\text{q}*\text{c}\left[\text{Analyt}\right].$$

  
• Im Idealfall ist q = 100% bzw. q = 1, in der Realität ist q aber kleiner 1, da nicht 100% des Analyten zum Produkt konvertiert werden. Da sich die Einrichtung zur Gaskonversion während ihrer Benutzung verbrauchen kann, ändert sich die Konversionsrate in Abhängigkeit des Gebrauchszustands der Gaskonversionseinrichtung. Somit ist q eine Funktion f des Gebrauchszustands G, so dass gilt: $$\text{q=f}\left(\text{G}\right).$$

  
• Der Gebrauchszustand G ist ein Maß für den Umfang, in welchem die Gaskonversionseinrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt bereits gebraucht wurde und lässt sich quantitativ erfassen, z.B. in Form des Gesamtvolumens an Atemgas, welches die Gaskonversionseinrichtung durchströmt hat, oder näherungsweise anhand der durchlaufenen Gebrauchszyklen der Einrichtung der Gaskonversion. Dazu kann man z.B. annehmen, dass pro Gebrauchszyklus im Durchschnitt die gleiche Gasmenge während des Messablaufs von Probanden oder Patienten ausgeatmet wird.
• Diese Änderung der Konversionsrate in Abhängigkeit des Gebrauchszustands gilt auch für die Verwendung eines Katalysators in der Gaskonversionseinrichtung, der sich auch im Laufe der Zeit verschlechtern kann, z.B. durch Zusetzen der Poren des Trägermaterials oder durch Zersetzung des Katalysators, bei Metallkatalysatoren z.B. aufgrund von Oxidation, Bildung des Metallsulfids und ähnliche Gründe.
• Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei das Mittel zur Korrektur der Konversionsrate folgende Merkmale umfasst:
• - Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion,
• - Mittel zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate anhand des Gebrauchszustands.
• Optional kann eine Speichereinrichtung zum Speichern des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion vorgesehen sein.
• Als Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion könnte ein Flusssensor zur Bestimmung eines Gasvolumens verwendet werden, welches die Einrichtung zur Gaskonversion durchströmt, wobei sich der Gebrauchszustand anhand des Gesamtvolumens von Gas bemisst, welches zu einem gegebenen Zeitpunkt die Einrichtung zur Gaskonversion durchströmt hat.
• Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei das Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion ein Mittel zum Zählen der Gebrauchszyklen der Vorrichtung oder der Gaskonversionseinrichtung umfasst, wobei sich der Gebrauchszustand anhand der Gesamtzahl der Gebrauchszyklen bemisst, welche zu einem gegebenen Zeitpunkt durchlaufen wurden.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei das Mittel zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate eine Recheneinrichtung zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate anhand des Gebrauchszustands aufweist, welche geeignet ist, die korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands oder anhand von gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktoren zu berechnen, wobei der zu verwendende Korrekturfaktor mit dem Gebrauchszustand korreliert.
• Diese zu speichernden oder einzugebenden Korrekturfaktoren können z.B. vom Hersteller in einfachen Versuchsreihen ermittelt werden, und dem Benutzer, z.B. als Tabelle, zur Verfügung gestellt werden. Sie können ebenso in einer elektronischen Speichereinrichtung in der Vorrichtung hinterlegt werden sowie bei der Berechung und Anzeige des Messparameters berücksichtigt werden.
• Zur Ermittlung der Korrekturfaktoren oder einer Korrekturfunktion wird die Gaskonversionseinrichtung über eine Vielzahl von Gebrauchzyklen, z.B. 2, 5, 10, 100 oder 1000 mit einem definierten Volumen eines Referenzgases mit bekannter Ausgangskonzentration des Analyten beaufschlagt und anschließend die Konzentration des entstehenden Konversionsprodukts gemessen. Anhand der nun bekannten Zahl von Gebrauchszyklen oder des bekannten Gesamtvolumens des Referenzgases können Korrekturfaktoren oder eine Korrekturfunktion ermittelt werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft, wobei das Mittel zur Korrektur der Konversionsrate außerdem folgende Merkmale umfasst:
• - eine erste und eine zweite Gaskonversionseinrichtung mit einem unterschiedlichen Volumen V1 bzw. V2, wobei bei identischer zu messender Ausgangskonzentration des Gasanalyten nach Konversion unterschiedliche Konzentrationen c1 und c2 gemessen werden, wobei gilt c2=q'*c1, wobei q' sich in Abhängigkeit des Gebrauchszustands ändert und anhand von gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktoren oder anhand einer Funktion f' des Gebrauchszustands G gemäß q' = f (G) zur Berechnung einer korrigierten Konversionsrate verwendet werden kann.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten in Atemgas, aufweisend folgende Schritte:
• - Konvertieren des Gasanalyten in ein nachweisbares Produkt durch eine Gaskonversionseinrichtung,
• - Bestimmen der Konzentration des Produkts,
• - Ermitteln einer Konversionsrate der Gaskonversionseinrichtung,
• - Ermitteln der Konzentration des Gasanalyten anhand der Konversionsrate und der Konzentration des nachweisbaren Produkts.
• Unter der Annahme, dass die Konversionsrate q konstant ist, kann so für jede Gaskonversionseinrichtung q als konstanter Faktor zur Berechung der Ausgangskonzentration des Gasanalyten herangezogen werden.
• Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten, wobei eine korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands der Gaskonversionseinrichtung ermittelt wird.
• Der Gebrauchszustand könnte anhand des Gesamtvolumens von Gas bemessen werden, welches zu einem gegebenen Zeitpunkt die Einrichtung zur Gaskonversion durchströmt hat.
• Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten, wobei der Gebrauchszustand sich anhand der Gesamtzahl der Gebrauchszyklen bemisst, welche die Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt durchlaufen hat.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten, wobei die korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands oder anhand eines gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktors berechnet wird, wobei der zu verwendende Korrekturfaktor mit dem Gebrauchszustand korreliert.
• Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten, wobei die Berechnung der korrigierten Konversionsrate außerdem folgende Schritte umfasst:
• - Messen von zwei unterschiedliche Konzentrationen c1 und c2 von einer ersten und einer zweiten Gaskonversionseinrichtung mit einem unterschiedlichen Volumen V1 bzw. V2, bei identischer zu messender Ausgangskonzentration des Gasanalyten, wobei gilt c2=q'*c1, wobei der Faktor q' sich in Abhängigkeit des Gebrauchszustands ändert, und
• - Berechnen der korrigierten Konversionsrate als Funktion des Faktors q' oder anhand eines gespeicherten oder eingegebenen Faktors q'.
• Bevorzugt ist der Gasanalyt NO, das Produkt der Gaskonversion NO₂ und der Gassensor ein NO₂-sensitiver FET-Sensor.
• Die Oxidation kann durch Durchleiten der (Atem-)-Luft durch ein Oxidationsmittel (z.B. Kaliumpermanganat, Perchloratsalze o.ä.) oder einen Oxidationskatalysator (z.B. Edelmetallkatalysator, Fotokatalysator o.ä.) erfolgen.
• Um die Konzentrationsverluste des konvertierten Gases am Säulenausgang durch das Einstellen eines chemischen Gleichgewichts gering zu halten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Konversionsmodul durch einen von außen zugänglichen Schacht direkt vor oder in die Messkammer eingeschoben wird, so dass das konvertierte Gas zeitnah zur Konversion gemessen werden kann.
• In dieser Ausführungsform befindet sich das Konversionsmodul vorteilhaft hinter einem Ventil im Flusskanalsystem, so dass das Konversionsmodul bei geschlossenem Ventil (z.B. im passiven, unbenutzten Zustand des Messgerätes) keinen Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, und somit die Haltbarkeitsdauer verlängert wird.
• In einer anderen Ausführungsform wird das Konversionsmodul so ausgestaltet, dass z.B. ein Farbumschlag oder eine andere wahrnehmbare Veränderung anzeigt, wann das Modul aufgebraucht ist und ausgetauscht werden muss. Eine Vergleichsfarbskala kann neben dem Fenster zur Beobachtung des Farbumschlags angebracht sein. Der Farbumschlag kann so auch zur Ermittlung des Gebrauchszustands zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate genutzt werden. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform der Erfindung dar.
• Die Konversionsrate eines sich verbrauchenden Konversionsmediators, wie z.B. Kaliumpermanganat, nimmt systematisch mit der Zeit ab, bzw. kann auch Schwankungen unterliegen, z.B. durch eine schwankende Umgebungstemperatur. Ein Fehler bei der Konversionsrate führt direkt zu einem Messfehler für die Zielgaskonzentration.
• Um solche zufälligen oder systematischen Änderungen der Konversionsrate zu korrigieren, werden folgende optionale Merkmale vorgeschlagen:
• Die systematische Veränderung der Konversionsrate durch Verbrauch eines Konversionsmittels steht in direktem Zusammenhang zu der Gasmenge, die das Modul durchflossen hat. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Gasmenge integrativ zu messen, die das Modul im Verlauf vieler Anwendungszyklen durchflossen hat, und diesen Wert in einem Speicherbaustein zu speichern. Alternativ kann die Gasmenge auch abgeschätzt werden, in dem die Anzahl der Messzyklen aufaddiert und gespeichert wird, wenn man annimmt, dass die Gasmenge bei jedem Atemzyklus etwa gleich ist. Mittels der so bestimmten Gasflusswerte wird dann aus einer im Gerät gespeicherten werkseitig bestimmten Korrekturtabelle (oder mittels einer Korrekturfunktion) ein Korrekturwert bestimmt und die aktuell gemessene Konversionsrate bzw. die aktuell gemessene Produkt-Konzentration mit Hilfe von diesem Korrekturwert korrigiert.
• Die Veränderung der Konversionsrate wird durch zwei unabhängige Messwerte aus zwei verschiedenen Konversionssäulen im Gerät bestimmt und der Messwert der Konzentration des Zielgases damit korrigiert. Bei diesem Verfahren ist vorausgesetzt, dass der Alterungseffekt des Konversionsmittels bei unterschiedlichen Säulenvolumina nicht gleich ist, z.B. dass eine Säule mit einem geringen Volumen V1 schneller altert als eine Säule mit einem größeren Volumen V2.
• Eine derartige Anordnung zur messtechnischen Bestimmung der Konversionsraten-Änderung ist beispielhaft in der angehängten 3 beschrieben.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Gassensoreinheit einen NO₂-sensitiven Feldeffekttransistor-Sensor (FET-Sensor) auf.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen und im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben, welche zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Gaskonversionsmoduls zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Das vorliegende Beispiel bezieht sich auf ein Messgerät zur Bestimmung des NO Gehalts in der Ausatemluft eines Patienten oder Probanden. Die Einrichtung zur Gaskonversion dient hier zur Oxidation von NO zu NO₂. Diese Ausführungsform sollte jedoch lediglich beispielhaft angesehen werden, ebenso eignet sich die Erfindung zur Verwendung beim Nachweis anderer Gasanalyten.
• 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine als Gaskonversionsmodul ausgestaltete Einrichtung zur Gaskonversion zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches eine zylinderförmige Ausgestaltung der Säule mit ca. lcm² Querschnitt Q und eine Länge L von ca. O,6cm aufweist.
• Das Gaskonversionsmodul kann einen äußeren Säulenkörper aufweisen, der zur Aufnahme eines offenporigen, pulverförmigen, faserartigen oder sonst irgendwie gasdurchlässigen Füllmaterials geeignet ist. Das Füllmaterial kann z.B. ein Oxidationsmittel sein (z.B. Kaliumpermanganat) oder ein anderer Oxidationskatalysator (z.B. Pt) auf einem offenporigen Trägermaterial.
• 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Einlassöffnung 3 (z.B. als Mundstück ausgeführt), eine Messkammer 7 mit einer Gaskonversionseinrichtung 9 und einer Gassensoreinheit 17. Die Gaskonversionseinrichtung 9 ist in einer dafür vorgesehen Aussparung bzw. einem Schacht 19 vorgesehen und kann z.B. einfach über eine Steckverbindung von Hand ausgetauscht werden. Die Ausatemluft verlässt das Gerät über eine Auslassöffnung 5. Durch ein Einlassventil 13 und Auslassventil 15 kann der Gasfluss gesteuert werden und Gas zur Messung in der Messkammer 7 eingeschlossen werden. Das Gaskonversionsmodul 9 kann wiederverwendbar oder als Verbrauchsartikel oder Einmalartikel ausgestaltet sein, welcher nach Verbrauch aus dem Gerät entfernt und regeneriert bzw. entsorgt werden kann.
• Durch die Gaskonversionseinrichtung 9 wird der Gasanalyt in ein Produkt überführt, dessen Konzentration durch den Sensor 17 gemessen werden kann.
• Das Ventil 13 und /oder 15 kann optional als Einwegventil (z.B. Rückschlag-Einwegventil) (nicht gezeigt) ausgeführt sein, so dass der Benutzer einmal in das Gerät ausgeatmete Luft nicht mehr ansaugen und wieder einatmen kann.
• Die Gaskonversionseinrichtung 9 kann so ausgestaltet sein, dass z.B. ein Farbumschlag oder eine andere wahrnehmbare Veränderung anzeigt, wann das Modul aufgebraucht ist und ausgetauscht werden muss. Eine Vergleichs-Farbskala kann neben dem Fenster zur Beobachtung des Farbumschlags bzw. des Verbrauchzustands angebracht sein (nicht gezeigt). Entsprechende Korrekturfaktoren zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate können auf der Farbskala angegeben werden. Diese können z.B. als Prozentwerte angegeben werden, so dass sich aus der gemessenen Konzentration des Produkts direkt die Ausgangskonzentration des Gasanalyten bestimmen lässt.
• Alternativ kann zur Bestimmung des Gebrauchszustands z.B. ein Flusssensor (z.B. ein Flügelradzähler) zur Bestimmung des durchströmten Gasvolumens oder ein Zähler zum Zählen der Gebrauchszyklen vorgesehen sein.
• Es kann auch eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, die anhand der gemessenen Konzentration des Produkts und des Gebrauchszustands direkt die Ausgangskonzentration berechnet.
• Seitens des Herstellers können Korrekturwerte oder eine Korrekturfunktion vorgegeben werden.
• Es kann ferner ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Gaskonversionseinrichtung vorgesehen sein, so dass die Konversionsrate auch bezüglich der Temperatur korrigiert werden kann.
• Ferner kann eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, so dass die Gaskonversionseinrichtung auf ein Temperaturoptimum gebracht werden kann, bei welchem eine maximale Konversionsrate vorliegt.
• Des Weiteren kann die Vorrichtung optional eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate aufweisen.
• Als Gassensor 17 kommt z.B. die Verwendung eines NO₂-sensitiven Sensors auf Basis eines Transistors in betracht. Bei der Stickoxiddetektion nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung sind verschiedene Feldeffekttransistoren bekannt, bei denen die gassensitive Schicht als Gate-Elektrode dargestellt ist. Diese Gate-Elektrode kann durch einen Luftspalt abgetrennt sein von dem sogenannten Kanalbereich des Feldeffekttransistors. Grundlage für ein detektierendes Messsignal ist die Änderung des Potentials zwischen Gate und Kanalbereich (ΔV_G). In der deutschen Patentanmeldung Nr. 198 14 857.7 werden beispielsweise hybride Flip-Chip-Aufbauten von Gassensoren beschrieben, die als CMOS-Transistoren ausgeführt sind. Ein Gassensor kann darüber hinaus mit zwei Feldeffekttransistoren bestückt sein, deren Regelverhalten durch annähernd gleich große Luftspalte zwischen Kanalbereich und Gateelektrode angeglichen ist und deren Sensorschichten separat auslesbar sind. In der deutschen Patentanmeldung Nr. 199 56 744.1 wird beschrieben wie die Beabstandung zwischen Gate-Elektrode und Kanalbereich eines Feldeffekttransistors durch äußerst präzise Abstandshalter reproduzierbar darstellbar ist. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, das gassensitive Material in poröser Form auf dem Kanalbereich oder dem Gate aufzubringen.
• Gassensitive Schichten zum Einsatz in einem sogenannten SG-FET (Suspended Gate-Feldeffekttransistor) können vorteilhaft Porphinfarbstoffe sein, wie z.B. Phthalocyanine mit dem Zentralatom Kupfer oder Blei. Bei Sensortemperaturen zwischen 50° und 120° C können Stickoxidsensitivitäten bis in den unteren ppb-Bereich nachgewiesen werden. Die Detektion zielt wie üblich auf Stickstoffdioxid ab.
• Andere zum Einsatz in gassensitiven Feldeffekttransistoren geeignete Materialien als gassensitive Schichten zur Detektion von Stickoxid, insbesondere von Stickstoffdioxid, sind bei Temperaturen zwischen 80° und 150° C betriebene feinkristalline Metalloxide. Dies können insbesondere SnO2, WO3 oder In2O3 sein, Salze aus dem Karbonatsystem wie Bariumkarbonat oder Polymere wie beispielsweise Polysiloxane, sind ebenfalls denkbar.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung 1 zusätzlich ein Partikelfilter (nicht gezeigt), um eine Kontaminierung des Messgerätes mit Bakterien zu vermeiden. Geeignet sind z.B. entsprechende HEPA Filter (High Efficiency Particulate Airfilter). Der Filter sollte ausreichend feinporig sein, um Bakterien, oder Viren oder ähnliche Verunreinigungen aus dem Luftstrom zu filtern, gleichzeitig aber einen geringen Strömungswiderstand bieten.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) wird die Gaskonversionseinrichtung im Sensorelement selbst integriert (hybrid oder monolithisch). Dies kann durch einen Mehrschichtaufbau erfolgen (z.B. Oxidationskatalysatorschicht, Sensorschicht) oder durch einen monolithischen Aufbau (die Sensoroberfläche befindet sich auf dem gleichen Trägerkörper und ist homogen oder heterogen mit dem katalytisch aktiven Material und optional Entfeuchtungsmittel durchmischt).
• In einer Ausführungsform wird die Vorrichtung in wählbaren Zeitintervallen zur Qualitätskontrolle oder Kalibrierung mit einem Kalibriergas von definierter Analyt-Konzentration beaufschlagt. Dieser Kalibriervorgang kann auch dazu dienen, die Wirkungsrate des Konversionsmoduls zu verifizieren und bei abfallender Wirkungsrate die Regenerierung zu aktivieren.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung 101 mit einer Messkammer 7 und mit zwei Gaskonversionseinrichtungen 119 und 129 mit Ventilen 113 und 123.
• Die beiden Gaskonversionsmodule haben unterschiedliche Volumina V1 und V2, wobei in diesem Beispiel gelten soll V1 > V2. Der Gasfluss wird durch die Ventile 113, 123 so gesteuert, dass die beiden Gasflüsse zeitlich versetzt gemessen werden. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass die beiden Flussstrecken abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, oder dadurch, dass mittels geeigneter Flussstrecken der Gasfluss von der Gaskonversionseinrichtung 129 früher als der von Gaskonversionseinrichtung 119 am Sensor ankommt. Am Sensor werden daher zeitlich versetzt zwei Gaskonzentration c2 und c1 gemessen. Im unverbrauchten Zustand gilt ein (meßtechnisch bestimmbarer) Zusammenhang zwischen den beiden Messwerten: c2=q'*c1. Der größere Konzentrationswert c1 kommt dadurch zustande, dass die Konversionsrate der Säule mit V1 größer ist als mit V2, und daher eine größere Menge des konvertierten Produkts am Sensor ankommt. Die Konstante q' bliebe über viele Meßzyklen hinweg unverändert, wenn die Gaskonversionseinrichtung sich nicht verbrauchen würde. Bei einer sich verbrauchenden Gaskonversionseinrichtung jedoch ändert sich die Konstante q' in Abhängigkeit vom Verbrauch. Die Konstante q' kann daher verwendet werden, um aus einer im Gerät gespeicherten werkseitig bestimmten Korrekturtabelle (oder mittels einer Korrekturfunktion) einen Korrekturwert zu bestimmen und die aktuell gemessene Konversionsrate bzw. die aktuell gemessen Zielgaskonzentration mit diesem Korrekturwert zu korrigieren. Außerdem kann eine Änderung der Konstante verwendet werden, um den Benutzer darauf hinzuweisen, dass die Gaskonversionseinrichtung ausgetauscht werden muss, insbesondere wenn sie als Verbrauchsmaterial ausgelegt ist.
• Mittels der beschriebenen Verfahren kann bei Überschreiten einer festgelegten Gasmenge eine Meldung über den Ablauf der Lebensdauer der Gaskonversionseinrichtung erzeugt werden. Diese Meldung kann z.B. als Aufforderung zum Austausch des Moduls an den Benutzer übermittelt werden.
• Ein sinnvoller Grenzwert für die Gesamtgasmenge, nach der der Konverter ausgetauscht werden muss, kann daraus resultieren, dass die Zuverlässigkeit des Konverters soweit abgesunken ist, dass das die geforderte Genauigkeit des Messergebnisses nicht mehr gewährleistet ist.
• Durch die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung wird ein einfaches und robustes Messgerät ermöglicht, dass zuverlässige Konzentrationsbestimmungen des Analyten erlaubt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung mindestens eines Gasanalyten in Ausatemluft durch eine Gassensoreinheit mit mindestens einem Gassensor, aufweisend eine Einrichtung zur Gaskonversion, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion einen effektiven Querschnitt größer als 0,01cm² und kleiner als 100cm² und ein effektives Volumen größer als 0,05ml und kleiner als 100ml aufweist, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion als Verbrauchsmittel ausgeführt ist und wobei ein Mittel zum Bestimmen einer Konversionsrate der Einrichtung zur Gaskonversion vorgesehen ist, die hinsichtlich des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion korrigiert ist, wobei das Mittel zum Bestimmen der Konversionsrate ein Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion und ein Mittel zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate anhand des Gebrauchszustands umfasst, wobei das Mittel zum Bestimmen des Gebrauchszustands der Einrichtung zur Gaskonversion ein Mittel zum Zählen der Gebrauchszyklen der Vorrichtung umfasst, wobei sich der Gebrauchszustand anhand der Gesamtzahl der Gebrauchszyklen bemisst, welche die Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt durchlaufen hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Gasanalyt Stickstoffmonoxid ist und die Einrichtung zur Gaskonversion eine Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ein Oxidationsmittel aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid einen Katalysator zur Katalyse der Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion in einer separaten Einheit vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Gaskonversion zylinderförmig mit 0,5 - 2 cm² Querschnitt und ca. 0,2 - 1 cm Länge, insbesondere mit 1 cm² Querschnitt und 0,6 cm Länge ausgestaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mittel zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate eine Recheneinrichtung zur Berechnung der korrigierten Konversionsrate anhand des Gebrauchszustands aufweist, welche geeignet ist, die korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands oder anhand von gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktoren zu berechnen, wobei der zu verwendende Korrekturfaktor mit dem Gebrauchszustand korreliert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Mittel zur Korrektur der Konversionsrate außerdem folgende Merkmale umfasst: - eine erste und eine zweite Gaskonversionseinrichtung mit einem unterschiedlichen Volumen V1 bzw. V2, wobei bei identischer zu messender Ausgangskonzentration des Gasanalyten nach der Konversion unterschiedliche Konzentrationen c1 und c2 gemessen werden, wobei gilt c2=q'*c1, wobei q' sich in Abhängigkeit des Gebrauchszustands ändert und anhand von gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktoren oder einer Funktion von q' zur Berechnung einer korrigierten Konversionsrate verwendet werden kann.
9. Verfahren zum Nachweis eines Gasanalyten, aufweisend folgende Schritte: - Konvertieren des Gasanalyten in ein nachweisbares Produkt durch eine Gaskonversionseinrichtung, - Bestimmen der Konzentration des nachweisbaren Produkts, - Ermitteln einer Konversionsrate der Gaskonversionseinrichtung, - Ermitteln der Konzentration des Gasanalyten anhand der Konversionsrate und der Konzentration des nachweisbaren Produkts. wobei eine korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands der Gaskonversionseinrichtung ermittelt wird, wobei sich der Gebrauchszustand nach der Anzahl der Gebrauchszyklen bemisst, welche die Gaskonversionseinrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt durchlaufen hat.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die korrigierte Konversionsrate als Funktion des Gebrauchszustands oder anhand eines gespeicherten oder eingegebenen Korrekturfaktors berechnet wird, wobei der zu verwendende Korrekturfaktor mit dem Gebrauchszustand korreliert.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Berechnung der korrigierten Konversionsrate außerdem folgende Schritte umfasst: - Messen von zwei unterschiedlichen Konzentrationen c1 und c2 nach der Konversion durch eine erste und eine zweite Gaskonversionseinrichtung mit einem unterschiedlichen Volumen V1 bzw. V2, bei identischer zu messender Ausgangskonzentration des Gasanalyten, wobei gilt c2=q'*c1, wobei der Faktor q' sich in Abhängigkeit des Gebrauchszustands ändert, und - Berechnen der korrigierten Konversionsrate als Funktion des Faktors q' oder anhand eines gespeicherten oder eingegebenen Faktors q'.

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