DE2343097A1 - Die fotometrische bestimmung von konzentrationsverhaeltnissen - Google Patents
Die fotometrische bestimmung von konzentrationsverhaeltnissenInfo
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Description
J)io 1'1OTOMETiUSClIE BESTlMMIiNG VON KOXZEXI HAT IOXS-VElUUETN
ESSEX
Die Ei1Tiiiduii/i: be trii'i" t oiu Vorfahren zur Messung
dos Koazentra tionsvcrhäl lnisscs ,<ff χ^ ΐΛ?η
J'o Loiue Lrierbaroti Zwoikompoiion ten^ys teineii A^1-Ii2- des
Types ICCkJi-kCki)= ki-hK*"l
Will man die Veränderung eines Farbstoffes bzw.
eines farbigen Lndikators oder die Mischung von
zwei Komponenten des Farbstoffes in einem klaren oder trüben Medium in durchfallendem oder reflektiertem
50981 1/0922
_ o_
Licht messen, so können die fotometrisehen
Gesetze, die für Messungen in klaren Lösungen und für durchfallendes Licht gelten (vergl. KORTÜM,
do Colorimetric, Photometrie, Spektrometrie,
Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg I962)
nicht angewandt werden. Die Extinktion GCA) und
die Konzentration bzw. das Konzentrationsverhältnis η,-ίΤ hängen in komplizierten optischen Systemen
nicht mehr im ganzen Konzentrationsbereich linear voneinander ab. Ausserdem gibt es wellenlängenabhängige
Einflüsse, im folgenden als Störfunktion SCA) bezeichnet, die die Messresultate erheblich
verfälschen können.
Das Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die SauerstoffSättigung im Kapillarblut der menschlichen
Flaut gemessen werden soll.
Die Reflektionsspektren der menschlichen Haut
werden im wesentlichen durch die Spektren des oxygenierten und des desoxygenierten Hämoglobins
bestimmt. KRjUIER, MATTIIES und NICOLAI haben in
den 3oiger Jahren bereits die fotometrische Messung des Oxygenierungsgrades (Oxymetrie) durchgeführt.
Zuerst standen die Verfahren im durchfallenden Licht" im Vordergrund. Es zeigte sich (KRAMER 19^9),
dass wegen der Anwesenheit streuender Teilchen
-3/ 509811/0922
das BOUGUER-LAMBERt-BEF]RSGHE Gesetz nicht anwendbar
ist- jDie meisten Methoden benutzen Messwerte
an zwei oder drei Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen. Die Messung an drei Wellenlängen reicht
jedoch nicht aus, um die wesentlichen auftretenden Störeffekte zu kompensieren.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu entwickeln, das bei nichtlinearer Abhängigkeit
der Extinktion von der Konzentration wie beispielsweise durch additive Farbmischung
verursacht, bei Anwesenheit wellenlängenabhängiger Störungen SCA) , bei unbekannter Gesamtkonzentration,
bei beliebigen Öffnungs- und Einfallswinkeln der Bestrahlungseinrichtung, bei unbekannter Schichtdicke
des Messobjektes und beliebigem Graufaktor erlaubt, das Konzentrationsverhältnis ',*
zu bestimmen.
Hie Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass" bei. Bestrahlung mit monochromatischem Licht bei
fünf unterschiedlichen Wellenlängen hu,nz.» A3/ f>tf Ag·
die Extinktion GiA1) ,£ίλζ) ,
gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch
Λ RL
bestimmbar ist, wobei sich die Konstanten
-V 509811 /0922
— h—
3 ^-PJ -/14M
£« (4-*) IC
(4-Ο.)G?
? S
too
s~ tOO
Gz —
too
loo f~
too
(G%-G2 0) N0" - (Μζ-MZVNf
bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema
fflessunQ | λ, | — | K | g; | |
L· ie400} | /~ Ίσο | g: | g; | — | |
K LG0J | g: | g; | M lo° | ' m; | |
A, LM'"] | ■—· | M° | |||
£,. CM6I | m; | M3' | |||
durch Messungeii G am Messobjekt und M an Messlösungen
in Küvetten bei ^f,^z ^* 0°/o und K1 ,^2«
erhalten werden.
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-5/
Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. So eliminiert
to
die Quotientenbildung für£-jr£ β β zusammen mit
der Differenzenbildung, beispielsweise zur Bestimmung von Ct und β , die durch additive Farbstoffmischung
entstandene Verzerrung. Weiterhin sind bei Farbstoffen oder Testmischungen, bei denen im Messbereich
dreimal der gleiche Extinktionswert vorkommt -wie LÜBBERS und WODICK nachgewiesen haben
(vergl. PFLÜGER ARCH. 3^2, ki - 6o (1973)- die Abweichungen
zwischen den Messungen Geh) an der Haut
und den Messungen M(K)an der Küvette allein auf wellenlängenabhängige Störfunktionen S(A) zurückführbar.
Daher kannSCA) besonders leicht an Wellenlängen
gleicher Extinktion ermittelt werden. Solche Wellenlängen werden als "korrespondierende Wellenlängen"
bezeichnet.
Die Störfunktion ist nämlich, unter der Voraussetzung, dass sie sich während der Messung nicht
oder relativ zur Gesamtreaktion nur wenig ändert, an den Stellen η^,Αι,Αι Konstant mit den Werten
) -Sie kann deshalb an diesen
Stellen durch Gewichtsfaktoren U, ,\)t/ V3 beseitigt
werden. Es ist also
p-SCL) +%v$chz) + fa'S(k) «O ti)
Die Eliminierung ist besonders gut durchzuführen, wenn die Summe der Störfunktionen an zwei Stellen
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-6-
J>ί durch Multiplikation mit einer Konstanten
in der Form^^-«. , also durch(tX-S(A,yt-Cf-ci)Sikpo gross
wie die Stöifunktion sCA^) an einer dritten Stelle
gemacht wird und beide Grossen voneinander abgezogen werden. Dadurch wird aus Ci) die Beziehung
la-s(K) * M-CiI-S-(Ai)] - Schi) =■ O . (Z)
Wenn die Stbrfunktionen nach (A) t(Z) eliminiert
sind, lässt sich durch zwei weitere Messwerte bei zwei anderen Wellenlängen AyAy sodann das
k.,
gesuchte Konzentrationsverhältnis -r j~- be-
stimmen.
Queh
Die Stbrfunktion lässt sich aber)dadurch eliminieren,
dass aus den Messwerten zwei Differenzen gebildet und dann die eine Differenz mit einer
Eliminierungskonstanten multipliziert wird, wenn also
In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemässen
Verfahrens wird deshalb bei Bestrahlung mit monochromatischem Licht bei fünf unterschiedlichen
Wellenlängen A^^^/Aj/Av/As" die Extinktion
gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch
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bestimmbar, wobei sich die Grossen fi>,
nach
fM ye
(X
-/po
too
G1
tob
G3
too
-(Mf-
IM?-M?)
G
ο
-Gi)
bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema
ITIessunß | K | — | g: | — | /U- |
L· Le400I | g; | g; | |||
g: | ΜΓ | M3' | MJ" | G/ | |
Jk4 LM100J | ■— | M1" | I l¥ | ||
A2. LM0I | m; | ||||
durch Messungen G am Messobjekt und M an Messlbsungen in Küvetten bei \^i,\Lz-=O% und (C1 K2
erhalten werden.
-8/
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Der Vorteil dieser Weiterentwicklung liegt darin, dass durch die aus den Einzelmessungen unmittelbar
erfolgenden Differenzbildungen die Messgenauigkeit erhöht, die Anforderungen an die
elektronischen Verstärker und die Störanfälligkeit verringert ist.
Das Verfahren ist nunmehr im Einzelnen zu beschreiben. Dazu sind in der nachfolgenden Zeichnung
in Fig.l ein Küve-^ttenspektrum von Blut dargestellt
und in Fig.2 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 1
angegeben.
Bei der Messung an Hämoglobin, einem praktisch sehr wichtigen System von zwei Komponenten
A1= Üb Oz und Az~ 14h und vom Typ K(A1)I- (<(&,) =
werden zunächst drei geeignete korrespondierende Wellenlängen /S111IS^1I)S- an einem Küvettenspektrum M(n)
nach Fig.l unter folgenden Gesichtspunkten gewählt: Eine Wellenlänge, nämlich Λ3 , ist als
Minimum relativ unempfindlich gegen f\-Fehlmessungen
(waagerechte Tangente), A^,ης- ergeben
sich sodann aus der Forderung MCn1),M(n?) ■
Für A^yA3//I5- könnten aber auch andere korrespondierende
Wellenlängen benutzt werden, ebenso eine grössere Zahl*
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Die beiden restlichen fotometrischen Signale
werden wegen der grossen Amplitude und der relativen Unempfindlichkeit gegen A -Fehlmessungen
bei den beiden Maxima Λι,Λν bestimmt.
Auch diese Wellenlängen könnten an anderen Stellen des Extinktionsspektrums liegen.
Die Bestimmung der Eliminierungskonstanten kann auch dadurch vereinfacht werden, dacs Az. und
A ψ ebenfalls "korrespondierende Wellenlängen"
sindg z.B* belässt man AL beim ersten Mximum
und sucht die entsprechende korrespondierende Wellenlänge Atf im weiteren Bereich des zweiten
Maximums,
An den so bestimmten Wellenlängen A1, At ,n%iA^ ,λ$
werden in bekannter Weise Messungen an der Haut G am Messobjekt, Messungen bei voll-
oxygeniertem Hämoglobin ο und beiOvolldesoxy-
G°
geniertem Hämoglobin^ sowie entsprechende Messungen M M/e>° M° an ^er Küvette vorgenommen.
Während die Messungen am Objekt einfach und ausserordentlich unempfindlich gegen eine grosse
Gruppe von Störungen ist, ist der Messaufwand zur Bestimmung der Eliminierungskonstanten grosser,
die Konstanten liegen jedoch danach für das
-10/
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-lo-
vorgegebene Messobjekt fest.
Die Ermittlung der Eliminierungskonstanten erfolgt nach
q £37]
P(Q1OoOo)-Q(P1Oo-V0)
(Die Formeln in eckigen Klammern beziehen sich auf WODICK, LÜBBERS; PFLÜGERS Arch. 3^2, kl -6o
(1973). Dabei bedeutet:
P= o.Gz + (4-a)&H — G3
Nach Einsetzen von Q und P in /377ergeben sich
die Eliminierungskonstanten Ri und 3/ durch Koeffi
zientenvergleich.
Die Formel [O] lässt sich jedoch weiter vereinfachen,
wenn
Q= V-hN
Λ/ = Gz-ße1 -(4
gesetzt wird. Dann wird aus
9t At
mit vereinfachten Eliminierungskonstanten ffi,ßi .
Aus dem Zähler von O ergibt sich
und daraus folgt
-11/
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* = No Λ
Entsprechend ergeben sich aus dem Nenner von die anderen Eliminierungskonstanten
Si - α/Vo
Bis auf ft und ß lassen sich alle Konstanten aus den Küvettenspektren des Hämoglobins bzw. des
Hb-oxygenierten Hämoglobins ermitteln, β erhält man aus Messungen an der Haut bei oxygeniertem
Hämoglobin:
Gf*° — G3'"0
CL
Ebenso wird die Eliminierungskonstante an der Haut am desoxygenierten Spektrum ermittelt.
(6t-Gf) NO M -(Ml-M"kl G
(Gf-GZ)N0" - (Mt -M
Da in No (Küvettenmessung) und in N0 (Hautmessung)
nur fi vorkommt, kann Q. ermittelt wex'den. Wenn CL
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und /3 ermittelt sind, lassen sieh die EIiminierungHk;)iistanten
H^ und -Di nach\oben gegebenen
Vorschriften Oy und (S") ermitteln.
Bei einer praktischen Erprobung des Verfahrens an weisser Erwachsenenhaut ergab sich z.B.
folgender Satz von Eliminierungskonstanten
fl; - -//5-6 3 - -s
In Fig.2 sind in Additionsanordnungen Io
und lljdie mit Gewichtsfaktoren ß(,Rz iusflyfls-
und Β,,-Β^,Φϊ,^ν,3<j· , also den Eliminierungskonstanten
versehenen Messwerte Gd1),/
addiert. Die aus der Addierungsanordnung Io gewonnenen Summen werden in einer Dividiereinrichtung
12 durch die aus der Addieranordnung 11 gewonnenen Summen dividiert. Damit entsteht kontinuierlich aus den Messwerten
GCh^..-: &(λς) ein dem Oxygenierungsgrad") entsprechender
Messwert (die Schaltung der Fig.2 entspricht der Formel [S~HJ aus WODICK und LÜBBERS;
PFLÜGER Arch. 3^2, kl - 6o (1973).
-15/
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Claims (2)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zur Messung des Konzentrationsverhältnisses ηζ—Tnr von fotometrierbaren Zwei-K tKkomponentensystemen A1,Az des Types 4dadurch gekennzeichnet, dassbei Bestrahlung mit monochromatischem Licht hei fünf unterschiedlichen Wellenlängen h\4,^i > 'Tj/ iSq., Κς die Extinktion G(Ai),GCh^,gemessen und das Konzentrationsverhältnis durchbestimmbar ist, wobei sich die Konstanten50981 1/0922σ/ν -Duhl? =6?-βloo- (Gl-Gf)N.*-bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema
G.' — er /ir — g; g; g; <SJ" K L6°J K M~ G/ A, CM'"] M1' M3' M" A, LH'] M/ durch Messungen G am Messoftjekt und M an Messlösungen in Küvetten bei ι^ι,^ζ ^=9O0Zo und k4tKz erhalten werden.50981 1/0922-15/ - 2. Verfahren zur Messung des Konzentrations-Verhältnisses ·· von fotonretrierbaren Zweikomponentensystemen A11^i1 des Types iiCfU) j-IC(fit?=s. / dadurch gekennzeichnet, dassmit monochromatischem Licht bei fünf unterschiedlichen Wellenlängen A^1A1.,^,A^,Ας- die Extinktion· _,,^/vJh gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch50981 1 /0922bestimmbar, wobei sich die Grossen fi>, Ci1PJ0 , nachM h,/ooG ο(GS -Gbestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Me ssungsschema
messung A, λ, A3 /U- 6,"° g; x~ Ισο K LG'2 G." g: g: G.' ■ K M° A1 CM'] K m; durch Messungen G am Messobjekt und M an Messlösungen in Küvetten bei \C1t\Cz=. Q% und IC^ Kz*=-iO0% erhalten werden.509811/0922Leerseite
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