DE10308409A1 - Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse - Google Patents

Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse Download PDF

Info

Publication number
DE10308409A1
DE10308409A1 DE2003108409 DE10308409A DE10308409A1 DE 10308409 A1 DE10308409 A1 DE 10308409A1 DE 2003108409 DE2003108409 DE 2003108409 DE 10308409 A DE10308409 A DE 10308409A DE 10308409 A1 DE10308409 A1 DE 10308409A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
laser
radiation
detected
measuring cell
concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2003108409
Other languages
English (en)
Inventor
Marcus Dr. Wolff
Hermann Prof. Dr. Harde
Hinrich Dr. Groninga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PAS TECH - PHOTOACOUSTIC SENSING TECHNOLOGIES GMBH
Original Assignee
Marcus Dr. Wolff
Hinrich Dr. Groninga
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Marcus Dr. Wolff, Hinrich Dr. Groninga filed Critical Marcus Dr. Wolff
Priority to DE2003108409 priority Critical patent/DE10308409A1/de
Publication of DE10308409A1 publication Critical patent/DE10308409A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/032—Analysing fluids by measuring attenuation of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/223—Supports, positioning or alignment in fixed situation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0215—Mixtures of three or more gases, e.g. air

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Bekannte Atemtest-Analysatoren basieren hauptsächlich auf Massenspektrometern. Die Anschaffung und der Unterhalt sind jedoch teuer. Außerdem sind Massenspektrometer groß und schwer. Weiterhin sind Analysegeräte bekannt, die auf der nicht-dispersiven Infrarot-Spektroskopie basieren. Diese stellen ein mechanisch und optisch komplexes System dar und arbeiten für Atemtests nah an ihrer Nachweisgrenze. Die Kombination aus thermischer Strahlungsquelle und Gasfiltern hat eine limitierte Selektivität zur Folge. Das neue Messverfahren soll empfindlicher und selektiver sein sowie einen kompakteren, robusteren und kostengünstigeren Analysator ermöglichen. DOLLAR A In einer Messzelle (16) ist ein Mikrofon (38) befestigt, das zur phasenempfindlichen Verstärkung des photoakustischen Signals mit einem Lock-in-Verstärker (40) verbunden ist. Ein einzelmodiger Diodenlaser (10) wird spektral auf die Absorptionslinien der Komponenten gesteuert. DOLLAR A Die Erfindung stellt ein Messverfahren mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität dar und ermöglicht einen kompakteren, robusteren und kostengünstigeren Atemtest-Analysator.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bekannte Atemtest-Analysatoren basieren hauptsächlich auf Massenspektrometern. Unter anderem ist aus den US 542 4539 und DE 433 3208 ein Isotopen-selektiver Analysator auf massenspektrometrischer Basis bekannt. Die Anschaffungskosten sind jedoch sehr hoch. Die komplizierte Bedienung erfordert speziell ausgebildetes, technisches Personal und der Betrieb hochreine Betriebsgase. Dadurch wird auch der Unterhalt teuer. Weiterhin sind Massenspektrometer sehr groß und schwer.
  • Außerdem sind Analysegeräte bekannt, deren Messverfahren auf der Nicht-Dispersiven Infrarot-Spektroskopie basieren. In den DE 297 80 440 U1 , DE 297 06 668 U1 und WO 99/14576 werden solche Analysatoren beschrieben. Diese werden mit einer thermischen Strahlungsquelle betrieben und beinhalten mehrere Messzellen, Referenzzellen, Filterküvetten und Modulatoren. Dieses System ist mechanisch und optisch komplex und dadurch störanfällig. Die Geräte arbeiten für Atemtests sehr nah an ihrer Nachweisgrenze. Ohne eine extrem genaue Kontrolle der Betriebsparameter sowie frische Referenzzellen und Filterküvetten ist dieses Verfahren mit den Anforderungen der Atemtests überfordert. Besonders die Stabilität der Messergebnisse ist problematisch. Die Referenzküvetten und Filterküvetten müssen teilweise regelmäßig erneuert werden, was das Verfahren zudem teuer und aufwendig macht. Außerdem hat eine Kombination von thermischer Strahlungsquelle mit Gasfiltern eine limitierte Selektivität zur Folge, da es immer spektrale Bereiche gibt, in denen sich Absorptionen der verschiedenen Isotope überlagern.
  • Das neue Messverfahren soll empfindlicher und selektiver sein und einen kompakteren, robusteren und kostengünstigeren Analysator ermöglichen. Als nächstkommender Stand der Technik ist die DE 444 6723 anzusehen. Aus diesem Patent ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch bekannt, welche eine an ihren entgegengesetzten Enden mit jeweils einem Fenster versehene Messzelle für die gasförmige Probe, sowie ein Mikrofon, eine temperaturgeregelte und bei annähernd Raumtemperatur betriebene Laserdiode, die mit einem modulierten Betriebsstrom versorgt wird und nur eine longitudinale Mode emittiert, sowie einen Lock-In-Verstärker, der zur phasenempfindlichen Verstärkung des Mikrofonsignals ein dem modulierten Betriebsstrom der Laserdiode entsprechendes Spannungssignal als Phasenreferenz erhält, und eine Optik, die die Laserstrahlung durch die Messzelle leitet, aufweist.
    •
  • Der neue unabhängige Anspruch 1 löst in bezug auf den nächstkommenden Stand der Technik die Aufgabe, mit einem kompakten, robusten und kostengünstigen Aufbau verschiedene Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit hoher Nachweisempfindlichkeit und Selektivität zu detektieren und ihre Konzentrationen bzw. Konzentrationsverhältnisse zu messen.
  • Diese Aufgabe wird von dem Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Detektion der Komponenten des Gasgemisches, dadurch, dass die modensprung-frei durchstimmbare Emissionswellenlänge des Lasers mit Hilfe der Betriebstemperatur oder des Betriebstroms spektral auf mindestens jeweils eine Absorptionslinie der zu detektierenden Gaskomponenten gesteuert wird und die daraus resultierenden photoakustischen Signale ausgewertet werden. Dies erlaubt mit nur einer Laserdiode mehrere Komponenten zu detektieren und ihre Konzentrationen zu messen. Nur die absorbierte Strahlung trägt zur Erzeugung eines photoakustischen Signals bei. Dieses untergrundfreie Messverfahren erlaubt daher den Einsatz kleiner Messzellen und ermöglicht hohe Messempfindlichkeiten. Die kleine Anzahl von Komponenten ermöglicht einen besonders kompakten, robusten und kostengünstigen Aufbau. Für einen besonders selektiven Nachweis wird ein Spektralbereich ausgewählt, in dem die Absorptionslinien deutlich von einander getrennt aber noch voll spektral vom Laser erreichbar sind. Das Verhältnis der Stärken der Absorptionslinien der Komponenten soll dabei ungefähr dem umgekehrten Verhältnis der Konzentrationen entsprechen. So erhält man gut vergleichbare Signale, was die Messung für alle Gaskomponenten besonders empfindlich macht. Dies ist besonders wichtig für die Messung von Konzentrationsverhältnissen. Die Emissionslinienbreite des Lasers ist deutlich kleiner als die Breiten der Absorptionslinien, was die Messung absolut selektiv macht. Die Gasprobe muss deshalb zur Eliminierung von eventuell vorhandenem Störkomponenten auch nicht gefiltert werden, was den Aufbau und die Messung zusätzlich einfach und kostengünstig macht.
  • Durch diese Maßnahme erhält man erfindungsgemäß ein Messverfahren für verschiedene Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit hoher Messempfindlichkeit und Selektivität, das einen besonders kompakten, robusten und kostengünstig Gasdetektor ermöglicht.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht separate Messungen an jeweils mindestens einer Absorptionslinien pro zu detektierender Gaskomponente vor und erlaubt damit eine sehr empfindliche Messung der Konzentrationen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird durch kontinuierliches Durchstimmen der Emissionswellenlänge des Lasers ein Spektrum gemessen. Auch dieses Verfahren erlaubt eine sehr empfindliche Messung von Konzentrationen. Besonders empfindlich und selektiv können die Konzentrationen oder das Konzentrationsverhältnis der Gaskomponenten durch den Vergleich des gemessenen Spektrums mit einem berechneten ermittelt werden.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Auswertung des Integrals des gemessenen Spektrums oder der Fläche unterhalb der Spektrumskurve vor. So lassen sich besonders einfach und empfindlich Konzentrationen ins Verhältnis setzen.
  • Durch mehrfache Messungen und die Mittelung der Signale lässt sich die Empfindlichkeit erhöhen.
  • Die Normierung des photoakustischen Signals bzgl. der Emissionsleistung des Lasers eliminiert Schwankungen der Laserleistung und trägt zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Verfahrens bei. Besonders kompakt lässt sich dabei die Detektion der Laserleistung mit Hilfe einer Monitordiode für die rückwärtige Strahlung realisieren.
  • Die Emissionswellenlänge des Lasers ist proportional zu seiner Betriebstemperatur. Durch die Messung der Temperatur und die Auswertung bzgl. der Wellenlänge lässt sich entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ebenfalls die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöhen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Reduktion des Drucks in der Messzelle vor. Dadurch reduziert sich die Breite der Absorptionslinien und selektivere Messungen sind möglich.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Messzelle mit einer resonanten Geometrie vor. Diese ermöglicht eine Überhöhung des photoakustischen Signals sowie die Unterdrückung äußerer akustischer Störungen und gestattet damit einen sehr empfindlichen Nachweis.
  • Gemäß weiteren Ausgestaltungen kann die Messzelle dabei eine sphärische Geometrie oder eine Helmholtz-Geometrie besitzen. Beide Maßnahmen erhöhen die Empfindlichkeit.
  • Auch das Detektieren des photoakustischen Signals mit mehreren Mikrofonen in der Messzelle und das anschließende Aufsummieren oder Mitteln erlaubt entsprechend einer Ausgestaltung eine Erhöhung der Sensitivität.
  • Eine Absorption der Laserstrahlung zwischen Laser und Messzelle durch Anteile der Atmosphäre hat eine Reduzierung der Laserleistung zur Folge. Um dies zu verhindern, kann der Laser gemäß Ausgestaltungen in eine mit nicht-absorbierendem Gas gefüllte Kapsel eingebaut werden oder in die Messzelle integriert werden. Mit der letztgenannten Maßnahme erübrigt sich ein Fenster, Kosten werden reduziert und der Aufbau vereinfacht sich.
  • Ebenfalls vorteilhaft kann die Detektion der Mikrofonsignale durch die Lock-In-Verstärker auf einem Vielfachen der Modulationsfrequenz der Laserdiode erfolgen. So lassen sich eventuelle Signale von Störkomponenten sowie das Rauschen reduzieren.
  • Gemäß weiterer Ausgestaltungen kann die einzelmodige und modensprung-frei durchstimmbare Laserstrahlung besonders einfach und kompakt von Laserdioden mit Distributed-Feedback-Struktur, Distributed-Bragg-Reflector-Struktur oder Quantenkaskaden-Struktur erzeugt werden.
  • Das Verfahren eignet sich sehr gut für die Analyse von Atemproben für Anwendungen der medizinischen Diagnostik. Dies ist in einer weiteren Ausgestaltung formuliert. Als Atemtest-Analysator ist insbesondere die Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses der Kohlendioxid-Isotope 13CO2 und 12CO2 von Bedeutung. Gemäß entsprechender Ausgestaltungen sind für einen empfindlichen und selektiven Nachweis der CO2-Isotope die folgenden spektralen Bereiche besonders geeignet:
    • – 2035nm bis 2045nm
    • – 2737nm bis 2747nm
    • – 2762nm bis 2772nm
    • – 4346nm bis 4366nm
  • Besonders einfach lässt sich die Kalibrierung des Messverfahrens durch die Analyse einer Probe mit Atmosphärenluft realisieren. Die gilt insbesondere für den Nachweis von CO2-Isotopen oder Wasser.
  • Vorteilhaft lässt sich durch die Verwendung einer Glasfaser ein sehr stabiles und gegen mechanische Erschütterungen unempfindliches Verfahren realisieren. Außerdem erlaubt die Verwendung einer Glasfaser die räumliche Trennung der Messzelle und der temperatur-geregelten Laserdiode.
  • Eine andere, für die Zuverlässigkeit von spektroskopischen Messgeräten vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz einer Referenzzelle vor, die mit den zu detektierenden Gaskomponente in bekannter Konzentration gefüllt ist. Diese kann zum einen zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge der Laserdiode und zum anderen zur Kalibrierung dienen. Dadurch erreicht man eine Eliminierung von Alterungseffekten der Laserdiode z.B. bzgl. Emissionsleistung oder Emissionswellenlänge. Für eine resonante Anregung ist es erforderlich, dass Messzelle und Resonanzzelle die gleiche Geometrie besitzen..
  • Ein vorteilhafter Effekt lässt sich auch durch die Reflexion der Strahlung der Laserdiode mit Hilfe eines Spiegels hinter der Messzelle erreichen. Auf diese Weise wird die Zelle ein zweites Mal durchstrahlt. So lassen sich durch vergrößerte Absorptionen die Signale vergrößern, und damit lässt sich die Nachweisgrenze senken. Durch mehrfache Reflexion mittels eines weiteren Spiegels vor der Messzelle lässt sich dieser Effekt noch steigern.
  • Die ermittelten Konzentrationen der zu detektierenden Gase können nun gemäß weiterer Ausgestaltungen als absolute Werte oder als Konzentrationsverhältnis angezeigt werden und/oder mit einem Grenzwert verglichen werden, bei dessen Überschreitung oder Unterschreitung eine Warnung erfolgt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Atemtest-Analysator für den 13C-Atemtest ist in den Zeichnungen dargestellt. Bekannter Weise existieren eine Reihe von medizinisch diagnostischen Atemtests, mit denen Verdauungsorgane und Stoffwechselprozesse besonders einfach und nicht-invasiv untersucht werden können. Hierbei wird bevorzugt das stabile Isotop 13C des Kohlenstoffs verwendet, das zu Kohlendioxid metabolisiert wird. Ein Analysator für den Atemtest muss das Verhältnis von 13CO2 zu 12CO2 in einer Atemprobe mit hoher Emp findlichkeit und Selektivität bestimmen. 1 zeigt eine solche Ausführungsform der Erfindung. Die Atemprobe wird mit Hilfe eines Probenentnahmesystems 8 über 6 in die kompakte, zylindrische und resonante Messzelle 16 transportiert. Die einzelmodige Strahlung einer Distributed-Feedback-Laserdiode 10 bei einer Wellenlänge von 2044nm wird mit einer Optik 12 zu einem parallelen Strahl 14 kollimiert und durch die Messzelle 16 gelenkt, die von zwei Quarzfenstern 18 begrenzt wird. Die Laserdiode 10 ist auf einem Kühlkörper 20 montiert, und ihre Emissionswellenlänge wird durch die Steuerung ihrer Temperatur mit Hilfe eines Peltierelements 22 und eines Temperatursensors 24, die beide mit einer Temperaturregelschaltung 26 über 28 verbunden sind, bestimmt. Wie in 2 zu sehen ist, liegen im spektralen Emissionsbereich der Laserdiode (2041nm bis 2046nm) mehrere Absorptionslinien sowohl des 13CO2 als auch des 12CO2. Das Spektrum zeigt die Absorption für die natürlichen Häufigkeiten der beiden Isotope unter Atmosphärenbedingungen. Diese Absorptionslinien sind deutlich von einander getrennt, jedoch voll vom Laser 10 spektral übersteichbar. Weiterhin sind die Linienstärken ungefähr umgekehrt proportional zu den natürlichen Isotopenhäufigkeiten von 98.42% für 12CO2 und von 1.10% für 13CO2. Dies liefert gut vergleichbare Signale. Weiterhin liegen im Emissionsbereich des Lasers keine starken Absorptionslinien von Wasser. Eine Trocknung der feuchten Atemproben ist deshalb nicht erforderlich, was den Analysator besonders kompakt, einfach und kostengünstig macht.
  • Die Emissionswellenlänge der Laserdiode 10 wird mit Hilfe ihrer Betriebstemperatur modensprung-frei über die Absorptionslinien des Kohlendioxids gesteuert. Gleichzeitig wird der Betriebsstrom der Laserdiode 10 mit einer akustischen Resonanzfrequenz der Messzelle 16 moduliert (erste azimuthale Mode: ν = 6128Hz). Der Betriebstrom (über 30 an die Laserdiode 10) setzt sich aus einem konstanten Anteil der Stromversorgung 32 und einem kleineren, harmonisch modulierten An teil eines Modulators 34 zusammen (über 36 an die Stromversorgung. Während des spektralen Durchstimmens der Lasers über die Absorptionslinien des 13CO2. und des 12CO2 wird das photoakustische Signal in der Messzelle 16 mit einem Hochspannungs-Kondensatormikrofon 38 aufgenommen, zu einem Lock-In-Verstärker 40 (über 42) geleitet und dort mit einer Zeitkonstante von 1 Sekunde phasenempfindlich detektiert. Ein Spannungssignal des Modulators 34, das mit der Modulationsfrequenz der Laserdiode 10 moduliert wird, dient über 44 als Phasenreferenz für den phasenempfindlichen Verstärker 40.
  • Die Emissionsleistung der Laserdiode 10 wird mit einer in das Laserdiodengehäuse integrierten Monitordiode 46 gemessen, die einen zur Laserdiodenleistung proportionalen Strom liefert. Die Stromversorgung 32 der Laserdiode 10 liefert über 48 die Betriebsspannung für die Monitordiode 46 und gibt deren Strom über 56 an einen Rechner 52 weiter. Das photoakustische Messsignal, das über 54 ebenfalls in den Rechner 52 eingespeist wird, wird bezüglich der Laserleistung normiert.
  • Gleichzeitig wird mit Hilfe des Temperatursensors 24 die zur Emissionswellenlänge proportionale Betriebstemperatur des Lasers 10 gemessen und über 50 in den Rechner eingespeist. Das leistungsnormierte photoakustische Signal wird dann bezüglich der Wellenlänge (Temperatur) linearisiert. Das photoakustische Signal in Abhängigkeit von der Temperatur stellt direkt das Absorptionsspektrum des 13CO2-12CO2-Gemisches dar.
  • Der Rechner 52 berechnet nun aus bekannten Absorptionslinienpositionen, -stärken, -breiten und -formen ein synthetisches Absorptionsspektrum für ein 13CO2-12CO2-Gemisch und optimiert die Differenz zum gemessenen Spektrum durch Variation der Konzentrationen von 13CO2 und 12CO2. Die iterative Fehlerminimierung beginnt dabei sinnvoller Weise mit den natürlichen Isotopenhäufigkeiten von 98.42% für 12CO2 und 1.10% für 13CO2. Der beste Fit liefert direkt die Konzentrationen von 12CO2 und 13CO2 in der Atemprobe sowie das Verhältnis der Konzentrationen. Eine Auswertung durch den Rechner 52 liefert die Diagnose für den entsprechenden Atemtest.
  • Die Konzentrationen von 12CO2 und 13CO2 in der Atemprobe sowie die Diagnose werden abschließend über 66 mit Hilfe entsprechender Module auf einem Display 58 angezeigt, auf einem elektronischen, Speichermedium 60 gespeichert, per Datenfernübertragung 62 übermittelt oder ausgedruckt 64. Anschließend wird die Atemprobe in der Messzelle 16 mit Hilfe des Probenentnahmesystems 8 ausgetauscht.
  • Die Kalibrierung des Atemtest-Analysators ist besonders einfach und erfolgt in größeren zeitlichen Abständen durch die Isotopen-selektive CO2-Analyse von Atmosphärenluft.
  • 3 stellt die Funktion des Atemtest-Analysators als Flussdiagramm dar.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, ein Messverfahren mit hoher Messempfindlichkeit und Selektivität zu realisieren, das einen kompakten, robusten und kostengünstigen Gasdetektor für verschiedene Gaskomponenten in einem Gasgemisch ermöglicht.
    •

Claims (34)

  1. Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse durch Einschließen einer Probe in eine Messzelle (16), Hindurchleiten der spektral einzelmodigen und mit Hilfe ihres Betriebsstroms (32, 34) modulierten Strahlung (14) einer mit Hilfe eines Temperatursensors (24), eines thermoelektrischen Kühlers (22) und einer Regelschaltung (26) temperatur-geregelten Laserdiode (10) mit einer Optik (12) durch die Messzelle (16), Detektieren der durch Absorption der Laserstrahlung (14) erzeugten Schallwelle mit einem Mikrofon (38) und phasenempfindliches Verstärken (40) des Mikrofonsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswellenlänge der Laserdiode (10) modensprungfrei durchstimmbar ist und mit Hilfe der Betriebstemperatur oder des Betriebstroms spektral auf mindestens jeweils eine Absorptionslinie der zu detektierenden Gaskomponenten gesteuert wird und die daraus resultierenden photoakustischen Signale ausgewertet werden, dass dafür ein Spektralbereich ausgewählt wird, indem die Absorptionslinien deutlich von einander getrennt aber noch alle voll vom Laser (10) erreichbar sind, und dass die Stärken der Absorptionslinien der zu detektierenden Gaskomponenten photoakustische Signale der selben Größenordnung zur Folge haben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass separate Messungen an jeweils mindestens einer Absorptionslinie pro zu detektierender Gaskomponente durchgeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch kontinuierliches Durchstimmen der Emissionswellenlänge des Lasers (10) ein Spektrum gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung durch den Vergleich des gemessenen Spektrums mit einem berechneten Spektrum erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral des gemessenen Spektrums oder die Fläche unterhalb der Spektrumkurve zur Auswertung verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mehrfach durchgeführt und gemittelt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsnormierung des photoakustischen Signals oder zur Leistungsregelung die Emissionsleistung des Lasers (10) detektiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rückwärtige Strahlung der Laserdiode (10) detektiert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Lasers (10) mit Hilfe des Temperatursensors (24) gemessen wird und für die Auswertung verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Messzelle (16) reduziert wird, um die Breite der Absorptionslinien zu verringern.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Laserdiode (10) derart erfolgt, dass in der Messzelle (16) eine resonante Schallwelle erzeugt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (14) des Lasers (10) durch eine Messzelle mit einer sphärischen Geometrie gelenkt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (14) des Lasers (10) durch eine Messzelle (16) mit einer resonanten Helmholtz-Geometrie gelenkt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des photoakustischen Signals in der Messzelle (16) mit mehreren Mikrofonen erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Absorption der Strahlung (14) vor der Messzelle (16) vermieden wird und der Laser (10) dafür in eine mit nicht-absorbierendem Gas gefüllte Kapsel eingebaut wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Absorption der Strahlung (14) vor der Messzelle (16) vermieden wird und der Laser (10) dafür in die Messzelle (16) integriert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Mikrofonsignals durch den Lock-In-Verstärker (40) auf einem Vielfachen der Modulationsfrequenz der Laserdiode (10) erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (14) von einem Distributed-Feedback-(DFB)-Laser oder einem Distributed-Bragg-Reflector-(DBR)-Laser erzeugt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (14) von einem Quantenkaskaden-Laser erzeugt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, und dass es sich bei der gasförmigen Probe um eine Atemprobe handelt und die ermittelten Konzentrationen der Gaskomponenten eine medizinische Diagnose ermöglichen.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, und dass es sich bei den zu detektierenden Gaskomponenten um 13CO2 und 12CO2 handelt .
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Emission des Lasers (10) im Wellenlängenbereich von 2035nm bis 2045nm erfolgt.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Emission des Lasers (10) im Wellenlängenbereich von 2737nm bis 2747nm erfolgt.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Emission des Lasers (10) im Wellenlängenbereich von 2762nm bis 2772nm erfolgt.
  25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Emission des Lasers (10) im Wellenlängenbereich von 4346 bis 4366nm erfolgt.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung durch die Auswertung einer Probe mit Atmosphärenluft erfolgt.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Laserdiode (10) mit Hilfe einer weiteren Optik in eine Glasfaser eingekoppelt und am Ende der Glasfaser mit der ersten Optik (12) durch die Messzelle gelenkt wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Referenzzelle eine zweite gasförmige Probe eingeschlossen wird, deren Gehalt an den zu detektierenden Gaskomponenten bekannt ist, dass die Strahlung (14) der Laserdiode (10) auch durch diese Referenzzelle gelenkt wird, dass die darin durch Absorption der Laserstrahlung erzeugte zweite Schallwelle mit einem zweiten Mikrofon detektiert wird und dass dieses zweite Mikrofonsignal phasenempfindlich von einem zweiten Lock-In-Verstärker detektiert wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal zur Kalibrierung dient, indem die Konzentration der zu detektierenden Gase durch Vergleich des Messsignals mit dem Referenzsignal ermittelt wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal zur spektralen Stabilisierung der Emissionswellenlänge der Laserdiode (10) dient.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (14) der Laserdiode (10) nach Durchlaufen der Messzelle mit Hilfe eines Spiegels reflektiert wird, um die Messzelle ein zweites Mal zu durchlaufen.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (14) der Laserdiode (10) mit Hilfe eines weiteren Spiegels mehrfach durch die Messzelle reflektiert wird.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Konzentrationen oder Konzentrationsverhältnisse der zu detektierenden Gaskomponenten angezeigt werden.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Konzentrationen oder Konzentrationsverhältnisse der zu detektierenden Gaskomponenten mit Grenzwerten verglichen werden, und dass bei einer Überschreitung oder Unterschreitung eine Warnung erfolgt.
DE2003108409 2003-02-27 2003-02-27 Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse Withdrawn DE10308409A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2003108409 DE10308409A1 (de) 2003-02-27 2003-02-27 Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2003108409 DE10308409A1 (de) 2003-02-27 2003-02-27 Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10308409A1 true DE10308409A1 (de) 2004-09-09

Family

ID=32841945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2003108409 Withdrawn DE10308409A1 (de) 2003-02-27 2003-02-27 Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10308409A1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006029848A1 (de) * 2004-09-14 2006-03-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V Vorrichtung zum messen mindestens einer gaskomponente
DE102004053480B3 (de) * 2004-11-05 2006-04-20 Pas-Tech Gmbh Verfahren zur Analyse und Konzentrationsmessung
WO2008072167A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-19 Koninklijke Philips Electronics N.V. Sample concentration detector with temperature compensation
CN100491973C (zh) * 2006-10-11 2009-05-27 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 单片双芯或多芯半导体激光气体传感器、制作及使用方法
EP2256479A2 (de) 2009-05-29 2010-12-01 RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH Verfahren zum Nachweisen mehrerer Substanzen eines Gasgemischs durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmung der Einzelkonzentration der Substanzen
WO2012010806A1 (fr) * 2010-07-21 2012-01-26 Université De Reims Champagne Ardenne Procede et dispositif de detection de traces de gaz multiples
WO2014132046A2 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 Scytronix Ltd Photoacoustic chemical detector
EP2843402A3 (de) * 2013-08-29 2015-10-28 General Electric Company Verfahren und System zur Erkennung einer Komponente in einer Flüssigkeit unter Verwendung von fotoakustischer Spektroskopie

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006029848A1 (de) * 2004-09-14 2006-03-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V Vorrichtung zum messen mindestens einer gaskomponente
DE102004053480B3 (de) * 2004-11-05 2006-04-20 Pas-Tech Gmbh Verfahren zur Analyse und Konzentrationsmessung
CN100491973C (zh) * 2006-10-11 2009-05-27 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 单片双芯或多芯半导体激光气体传感器、制作及使用方法
WO2008072167A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-19 Koninklijke Philips Electronics N.V. Sample concentration detector with temperature compensation
US8233150B2 (en) 2006-12-12 2012-07-31 Koninklijke Philips Electronics N.V. Sample concentration detector with temperature compensation
EP2256479A2 (de) 2009-05-29 2010-12-01 RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH Verfahren zum Nachweisen mehrerer Substanzen eines Gasgemischs durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmung der Einzelkonzentration der Substanzen
DE102009023230A1 (de) 2009-05-29 2010-12-02 Pas-Analytik Gmbh Verfahren zum Nachweisen mehrerer Substanzen eines Gasgemischs durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Bestimmung der Einzelkonzentration der Substanzen
WO2012010806A1 (fr) * 2010-07-21 2012-01-26 Université De Reims Champagne Ardenne Procede et dispositif de detection de traces de gaz multiples
WO2014132046A2 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 Scytronix Ltd Photoacoustic chemical detector
WO2014132046A3 (en) * 2013-02-28 2014-11-06 Scytronix Ltd Photoacoustic chemical detector
EP2843402A3 (de) * 2013-08-29 2015-10-28 General Electric Company Verfahren und System zur Erkennung einer Komponente in einer Flüssigkeit unter Verwendung von fotoakustischer Spektroskopie
US9739706B2 (en) 2013-08-29 2017-08-22 General Electric Company Method and system for detecting a component in a fluid

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19925196C2 (de) Gassensoranordnung
EP2307876B1 (de) Verfahren zur laserspektroskopischen detektion von gasen
DE602004000374T2 (de) Gasdetektionsverfahren und gasdetektoreinrichtung
DE2537237A1 (de) Laserabsorptionsspektrometer und verfahren der laserabsorptionsspektroskopie
WO2007107366A1 (de) Vorrichtung zur spektroskopischen analyse eines gases
DE102005053121A1 (de) Partikelsensor
DE4446723C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases
WO2006002740A1 (de) Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator
DE19900129A1 (de) Gasqualitätsbestimmung
EP1183523A1 (de) Analysegerät
DE10308409A1 (de) Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse
DE2833831C2 (de) Optoakustischer Analysator
DE102006045253B3 (de) Gaskonzentrationsmessvorrichtung
DE3707622A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum messen geringer gaskonzentrationen
EP3839455A1 (de) Vorrichtung zur hochaufgelösten bestimmung der konzentration von substanzen in fluiden medien
WO2024074728A1 (de) Fotoakustischer Gassensor, insbesondere zur Detektion von Methan
DE4429582A1 (de) Strahlungsquelle für ein Meßsystem
DE3508027A1 (de) Verfahren und einrichtung zum ermitteln der konzentration oder der massenanteile bestimmter gase in gasmischungen
WO2003069316A1 (de) Verfahren zur raschen spektroskopischen konzentrations-, temperatur- und druckmessung von gasförmigem wasser
DE19628310C2 (de) Optischer Gasanalysator
DE19819192C1 (de) Gasanalysator
EP4314777A1 (de) Online- oder in-situ-messeinrichtung für eine konzentrationsmessung eines gases
DE10156149A1 (de) Apparatur zur Atemanalyse
WO2004008113A1 (de) Absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
EP3816609A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur ferndetektion eines zielgases

Legal Events

Date Code Title Description
8122 Nonbinding interest in granting licenses declared
8110 Request for examination paragraph 44
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: PAS TECH - PHOTOACOUSTIC SENSING TECHNOLOGIES GMBH

8139 Disposal/non-payment of the annual fee