DE19548348C1 - Verfahren zur Bestimmung des Isotopenverhältnisses eines Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis einer mit einem stabilen Isotop angereicherten gasförmigen Verbindung nach Anspruch 1, 2 und 3.

Speziell bezieht sich die Erfindung auf den Nachweis stabiler Isotope in der ausgeatmeten Luft von Patienten, die für Testzwecke über eine Infusion oder oral ein Testsubstrat verabreicht bekommen haben, in welchem das betreffende stabile Isotop, insbesondere ¹³C, gegenüber dem natürlicherweise dominierenden Isotop derselben Substanz, insbesondere ¹²C, angereichert wurde. Nachdem das Testsubstrat verstoffwechselt ist tauchen im Falle eines C-Tests die stabilen Isotope im CO₂ der ausgeatmeten Luft auf. Ihre - gegebenenfalls zeitabhängige - Quantifizierung im Vergleich zur Menge des natürlichen Isotopes dient zur Untersuchung physiologischer Vorgänge und zur Feststellung eventuell vorhandener Stoffwechselerkrankungen oder Beschädigungen einzelner Organe.

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich generell auf einen relativ einfach durchzuführenden, verbesserten Nachweis von isotopenmarkierten, gasförmigen Stoffwechselprodukten zur Untersuchung von organischen Stoffwechselvorgängen. Dabei werden bevorzugt infrarotoptische Meßverfahren zur Bestimmung der isotopenabhängigen, CO₂-spezifischen Absorption verwendet. Bisher wurden diese Isotopenverhältnisse, die für ¹³CO₂: ¹²CO₂ bei 10^-2 liegen, meist mit speziellen Massenspektrometern nach einer aufwendigen Probenvorbereitung gemessen.

Aus der DE 29 28 433 A1 ist eine Einrichtung zum Steuern eines Atemalkoholmeßgerätes bekanntgeworden, bei der Maximalwerte der Atemalkoholkonzentration über die Messung des zugehörigen CO₂-Gehaltes und den Vergleich mit entsprechenden Bezugssignalen ermittelt werden.

Die US 3,830,630 offenbart ein Atemalkoholmeßgerät, bei dem zuerst der CO₂-Gehalt der Ausatemluft mehrmals bestimmt wird, bis ein definierter Schwellwert erreicht wird, um erst daran anschließend eine verläßliche Atemalkoholmessung der aus der Lunge kommenden Probe durchzuführen.

Nach der DE 40 12 454 C1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Messung von Isotopenverhältnissen in Gasen bekanntgeworden, das mehrere Verfahrensschritte umfaßt, um über eine Änderung des Mischungsverhältnisses des Meßgases mit einem hinzuzufügenden neutralen Gas zu erreichen, daß der erfaßte Gehalt des Stoffes an dem einen Isotop im Referenzgas und im Meßgas im wesentlichen gleich ist, so daß das Isotopenverhältnis des Stoffes aus dem im zeitlichen Wechsel erfaßten Gehalt des Stoffes an dem anderen Isotop im Referenzgas und im Meßgas unter Einbeziehung des bekannten Isotopenverhältnisses des Referenzgases berechnet wird.

Dies ist eine komplizierte und aufwendige Vorgehensweise, die mit einer möglichst kontinuierlichen, praxisorientierten und preiswerten Messung nicht vereinbar ist sowie die Bevorratung und Dosierung eines CO₂-freien Gases erforderlich macht. Die in der Praxis zu erwartenden Änderungen im Isotopenverhältnis sind sehr gering, nämlich in der Größenordnung ‰. Deshalb ist es gängige Praxis, keine Absolutwerte zu bewerten, sondern den Wert des Isotopenverhältnisses während einer Untersuchung als relative Abweichung entsprechend der Beziehung

zu ermitteln, wobei die Referenzgasprobe aus einem definierten Gasvorrat genommen wird und die Meßprobe einmal oder mehrmals in Zeitabständen von der Referenzprobemessung gewonnen wird. Ein vorbeschriebener δ-Wert kann nun vor oder nach Einnahme eines CO₂ abgebenden, mit ¹³C angereichertem Testsubstrats ermittelt werden. Dann werden die beiden zugehörigen δ-Werte durch Differenzbildung verglichen, um die zeitliche Veränderung von beispielsweise Stoffwechselvorgängen zu untersuchen, gegebenenfalls mehrmals in zeitlichem Abstand. Statt der Verwendung eines technischen Referenzgases definierter Isotopenverhältnisse ist es auch möglich, beispielsweise für die Untersuchung von Stoffwechselvorgängen, exhaliertes Patientengas vor Einnahme eines zu CO₂ zu verstoffwechselnden Testsubstrats quasi als "Referenzgas" zu verwenden.

Bei allen diesen Vorgehensweisen, mit oder ohne technischem Referenzgas, stellt die Differenz (¹³CO₂/¹²CO₂)₁-(¹³CO₂/¹²CO₂)₂ bei weitem die fehlerträchtigste Größe dar. Diese Fehler kann man am kleinsten halten, wenn man für jeweils zwei Messungen 1 und 2 möglichst gleiche Arbeitspunkte, d. h. absolute CO₂-Konzentrationen, wählt, also die Konzentration ¹²CO₂ beide Male in etwa 3% und nicht in einem Fall 2% und im anderen 4% beträgt. Dadurch sollen Gerätedriften, Nichtlinearitäten und die Effekte von Offsets soweit wie möglich kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Probennahme für eine weitgehend kontinuierliche Messung vorzuschlagen, die es erlaubt, Referenzgas- und Meßgaskonzentrationen einander anzugleichen, ohne daß ein zusätzliches neutrales Gas zur Verdünnung und damit Angleichung der Konzentrationen erforderlich ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß durch gleiche Arbeitspunkte, also ¹²CO₂-Kon­ zentrationen, die systematischen Fehler bei der Bestimmung weitgehend ausgeschaltet werden.

Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 1 wie folgt vorgegangen: Die Konzentration eines zu untersuchenden Referenzgases, insbesondere CO₂, ist fest vorgegeben und besitzt damit einen definierten Wert. Das bei einem Stoffwechselvorgang freigesetzte, zu untersuchende CO₂ zeige eine zeitabhängige, steigende Konzentration, wie in der Ausatemluft eines Menschen zu beobachten: Während der Ausatmung der Totraumluft ist sie praktisch gleich Null und steigt dann zunächst steil und zunehmend schwächer bis zu dem endexspiratorischen Wert an. Die Erfindung geht von der Absaugung einer geringen Menge Ausatemluft in eine Meßküvette aus, um durch infrarotoptische Messung aufgrund der isotopenabhängigen charakteristischen Absorption das (¹³CO₂/¹²CO₂)-Verhältnis zu ermitteln, wenn die ¹²CO₂-Konzentration oder die ¹³CO₂-Konzentration von Referenz- und Meßprobe gleich sind. Es ist zweckmäßig, die CO₂-Refe­ renzkonzentration von etwa 0,5-1 Vol.-% unterhalb der physiologisch zu erwartenden endexspiratorischen Konzentration zu wählen, so daß es aufgrund des zeitlichen Verlaufs der ausgeatmeten CO₂-Konzentration immer möglich ist, die Meßküvette entsprechend mit Meßgas zu befüllen. Die Absaugung von Atemluft und das Volumen der Meßküvette sind dabei zweckmäßigerweise so aufeinander abzustimmen, daß die Meßküvette in der Phase der Totraumabatmung mit Totraumluft einmal vollständig gespült werden kann.

Anspruch 2 beinhaltet eine erfindungsgemäße alternative Vorgehensweise für die vorliegende Erfindung, bei welcher vor der Ermittlung des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in der Meßprobe zuerst deren Konzentration in der Meßprobe gemessen wird und in Abhängigkeit von diesem gemessenen Wert die Referenzprobe erst dann genommen wird, wenn die Konzentrationen der gasförmigen Verbindung in Meß- und Referenzprobe übereinstimmen.

Nach Anspruch 3 wird in einer bevorzugten Verfahrensweise kein Referenzgas verwendet, sondern es werden verschiedene Meßproben zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere vor und nach Verstoffwechselung eines CO₂ oder ein anderes Gas abgebenden Präparates für die Messung verwendet und verglichen.

Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens für die praktische Anwendung im Bereich der Untersuchung physiologischer Stoffwechselvorgänge. Selbstverständlich ist es auch möglich, in entsprechenden Vorratsbehältern oder -beuteln gesammelte, zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeatmete Gasproben zu vermessen und relativ zueinander zu vergleichen, indem über geeignete Leitungen und Ventile sukzessive die zu untersuchenden Gasvolumina in die Meßküvette gezogen und infrarotoptisch untersucht werden. Auch in diesem Falle wird die Meßküvette erfindungsgemäß nacheinander bis zur gleichen CO₂-Konzentration befüllt. Da aber nun keine weitgehend CO₂-freie Totraumluft zur Verfügung steht, muß die Meßküvette vor jeder neuen Beprobung mit Umgebungsluft gespült werden. Der geringe natürliche CO₂-Hinter­ grund in der Umgebungsluft bzw. Totraumluft stört bei der Ermittlung der Isotopenverhältnisse im Rahmen der klinisch anzustrebenden Meßgenauigkeit von ‰ nicht, solange in der Meßküvette CO₂ Konzentrationen von einigen % eingestellt werden.

Die einzige Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3.

Das vorliegende Beispiel bezieht sich auf die Untersuchung der Ausatemluft eines Menschen bezüglich des exhalierten CO₂, um Rückschlüsse auf Stoffwechselvorgänge im Organismus zu ziehen, die durch die Abgabe von CO₂ gekennzeichnet sind. Dazu wird dem Patienten ein Testsubstrat verabreicht, das dadurch markiert ist, daß ein stabiles Isotop gegenüber dem natürlicherweise dominierenden Isotop derselben Substanz angereichert wurde. Ein typisches Beispiel für eine derartige Substitution ist der Ersatz von ¹²C durch ¹³C.

Nach Verstoffwechselung des Testsubstrates tauchen die stabilen Isotope im CO₂ der ausgeatmeten Luft auf. Ihre Quantifizierung in Relation zur Menge des das natürliche Isotop enthaltenden CO₂ läßt Rückschlüsse auf Art und Eigenschaften der Stoffwechselvorgänge zu. Die Meßproben aus der Ausatemluft eines Menschen 1 werden durch eine Probenahmeleitung 2 zur CO₂-Untersuchung entnommen. Zur Reduzierung des Wassergehaltes der ausgeatmeten Luft empfehlen sich Wasserfallen, Entfeuchter oder Meßgaskühler nach Stand der Technik in der Probenahmenleitung, die hier nicht dargestellt sind, sich aber in jedem Fall in Strömungsrichtung gesehen vor den nachfolgenden optischen Nachweiseinrichtungen befinden. Als Referenzgas dient entweder ein separater Vorrat eines technischen Gases 3 mit einem definierten CO₂-Gehalt oder direkt das Ausatemgas vor Verabreichung des zu CO₂ zu verstoffwechselnden Testsubstrats. Die Ventilsteuereinheit 4 steuert die Ventile 5, 6 für die Referenz- oder Meßgasprobenahme und zur Förderung der zur untersuchenden Proben über die Meßküvette 7 und die Fördereinrichtung 8. Mit Hilfe der für die infrarotoptische Absorptionsmessung bekannten Einrichtungen Infrarot- Strahler 9, 10, Linsen 11, 12, Filterräder jeweils für die ¹²CO₂- und ¹³CO₂-Messung 13, 14, Strahlungsempfänger 15, 16, Meßküvette 7 mit verschieden langen optischen Wegen für die Meßstrahlung aufgrund der extrem unterschiedlichen spezifischen Signalstärken für ¹²CO₂ und ¹³CO₂ (das Isotopenverhältnis ¹³CO₂: ¹² CO₂ beträgt 10^-2) werden die konzentrationsabhängigen Meßsignale für ¹²CO₂ und ¹³CO₂ gewonnen. Von der Signalauswerteeinheit 17 werden die Konzentrationswerte für ¹²CO₂ und ¹³CO₂ über eine Quotientenbildung 18 und mit Hilfe eines Rechners 19 zu einer relativen ‰-Angabe δ verrechnet. Verschiedene δ-Werte, zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder für verschiedene Meßproben ermittelt, können verglichen werden, um quantitative Aussagen beispielsweise über organische oder physiologische Störungen machen zu können. Durch Vergleich des jeweils aktuell im Verlauf jeweils eines Ausatemvorgangs gemessen ¹³CO₂-Konzentrationswertes mit dem gespeicherten, entweder fest vorgegebenen oder vorweg gemessenen Referenzwertes oder ersten Meßwertes wird die Ventilsteuereinheit 4 so gesteuert, daß bei Gleichheit der Werte keine Probegaszufuhr mehr erfolgt, bis für einen oder mehrere spätere, für den Stoffwechselvorgang charakteristische, vorgewählte Zeitpunkte eine oder weitere Probenahmen und Messungen erfolgen. Über die Verknüpfung des Rechners 19 mit der Ventilsteuereinheit 4 wird der Meß- und Probenahmeablauf über mehrere Ausatemphasen gesteuert und somit für möglichst übereinstimmende CO₂-Kon­ zentrationen das Isotopenverhältnis ¹²CO₂/¹³CO₂ sowie relative Abweichungen zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. für verschiedene Meßgasproben ermittelt. Über die Rechnereingabe erfolgt auch die Auswahl, ob als Referenzwert für die CO₂-Konzentration Referenzgas oder Patientengas gewählt wird. Falls Patientengas gewählt wird, wird dies in der Regel solches sein, das vor der Einnahme eines mit markierten Kohlenstoff versehenen, CO₂-abgebenden Testsubstrats durch den Patienten gewonnen wird.

Im Falle, daß die verschiedenen Meßgasproben nicht "on-line" am Patienten abgesaugt sondern zunächst in Probenahmebeuteln gesammelt werden, wird die Probenahmeleitung 2 mit Hilfe weiterer Ventile nacheinander auf die einzelnen Probenahmebeutel geschaltet, nachdem die Küvette zuvor durch Umschalten von Leitung 2 auf einen Frischgasanschluß gespült wurde. Die Ergebnisse einer oder mehrerer Messungen in Form von relativen δ-Werten oder Verknüpfungen verschiedener δ-Werte in Form von Differenzwerten erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe des Rechners 19.

Claims (7)

1. Verfahren zum Nachweis einer mit einem stabilen Isotop angereicherten gasförmigen Verbindung durch Ermittlung der Differenz des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in einer Meß- und in einer Referenzprobe, bezogen auf das Isotopenverhältnis in der Referenzprobe, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in der Meßprobe die Konzentration der gasförmigen Verbindung in der Referenzprobe gemessen wird und in Abhängigkeit von diesem gemessenen Wert die Meßprobe genommen wird, wenn die Konzentrationen der gasförmigen Verbindung für eines der beiden Isotope in Meß- und Referenzprobe übereinstimmen.

2. Verfahren zum Nachweis einer mit einem stabilen Isotop angereicherten gasförmigen Verbindung durch Ermittlung der Differenz des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in einer Meß- und in einer Referenzprobe, bezogen auf das Isotopenverhältnis in der Referenzprobe, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in der Meßprobe die Konzentration der gasförmigen Verbindung in der Meßprobe gemessen wird und in Abhängigkeit von diesem gemessenen Wert die Referenzprobe genommen wird, wenn die Konzentrationen der gasförmigen Verbindung für eines der beiden Isotope in Meß- und Referenzprobe übereinstimmen.

3. Verfahren zum Nachweis einer mit einem stabilen Isotop angereicherten gasförmigen Verbindung durch Ermittlung der Differenz des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in zwei Meßproben, bezogen auf das Isotopenverhältnis in der ersten Meßprobe, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung des Isotopenverhältnisses der gasförmigen Verbindung in der zweiten oder weiteren Meßproben die Konzentration der gasförmigen Verbindung in der ersten Meßprobe gemessen wird und in Abhängigkeit von diesem gemessenen Wert die zweite oder weitere Meßproben genommen werden, wenn die Konzentrationen der gasförmigen Verbindung für eines der beiden Isotope in der ersten und der zweiten oder weiteren Meßproben übereinstimmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung CO₂ ist und das stabile Isotop ¹³C im Verhältnis zu ¹²C angereichert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßproben aus ausgeatmetem Patientengas genommen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CO₂-Kon­ zentration des ausgeatmeten Patientengases mit Hilfe der Infrarotabsorption gemessen wird und erst mit Erreichen der CO₂-Kon­ zentration der Referenzprobe oder der ersten Meßprobe mindestens eine weitere Meßprobe für die nachfolgende Ermittlung des Isotopenverhältnisses genommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem CO₂ abgebenden Testsubstrat das stabile Isotop ¹³C im Verhältnis zu ¹²C angereichert ist und die Meßproben zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Beginn der CO₂-Abgabe des Testsubstrats genommen werden.