EP1996920A1 - Vorrichtung zur spektroskopischen analyse eines gases - Google Patents

Vorrichtung zur spektroskopischen analyse eines gases

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EP1996920A1
EP1996920A1 EP07723482A EP07723482A EP1996920A1 EP 1996920 A1 EP1996920 A1 EP 1996920A1 EP 07723482 A EP07723482 A EP 07723482A EP 07723482 A EP07723482 A EP 07723482A EP 1996920 A1 EP1996920 A1 EP 1996920A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
spectroscopic analysis
sample
sample chamber
gas according
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07723482A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Stockmann
Björn RIECKE
Karsten Heyne
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.)
Charite Universitaetsmedizin Berlin
Freie Universitaet Berlin
Original Assignee
Charite Universitaetsmedizin Berlin
Freie Universitaet Berlin
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 Charite Universitaetsmedizin Berlin, Freie Universitaet Berlin filed Critical Charite Universitaetsmedizin Berlin
Publication of EP1996920A1 publication Critical patent/EP1996920A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/083—Measuring rate of metabolism by using breath test, e.g. measuring rate of oxygen consumption
    • A61B5/0836—Measuring rate of CO2 production
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/087—Measuring breath flow
    • A61B5/0873—Measuring breath flow using optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/004—CO or CO2

Definitions

  • the invention relates to a device for spectroscopic analysis of a gas according to the preamble of claim 1, a method for the spectroscopic analysis of a gas according to the preamble of claim 18 and the use of a device according to the invention according to the preamble of claim 28.
  • the analysis of a gas has a variety of applications, especially in medicine.
  • the concentration of 13 CO 2 for example, in the exhaled air of patients who were previously administered 13 C-labeled substances that are metabolized by the body and lead to the production of 13 CO 2 ( 13 C-breath tests) is often examined.
  • Such studies are useful, for example, for the diagnosis of Helicobacter pylori, for measurements of gastric emptying time or for liver function tests.
  • the 13 CO 2 concentration is determined in the prior art by mass spectrometry, Fourier transform infrared spectrometry or by direct inorganic chemical analysis.
  • the use of said techniques usually requires a great deal of expensive equipment or structures that can not be used directly on the patient.
  • NIRS non-dispersive isotope-selective infrared spectroscopy
  • LMA infrared emission and absorption
  • NDIRS The method of NDIRS is sensitive enough to measure, for example, the relative 13 CO 2 concentration changes in the exhaled volume of patients, but shows strongly deviant and therefore difficult to use results for different carrier gas mixtures (eg O 2 ) and allows only a very slow by their slow measurement method limited resolution of 13 C metabolism.
  • the measurement accuracy of the NDIRS is also limited and especially for direct quantitative measurements such as the determination of the quantitative liver function capacity, especially not sufficient, if other measurement influences such as changing carrier gases to occur (Perri, F., RM Zagari, et al. (2003) Inter- and intra-laboratory comparison of breath 13 CO 2 analysis. "Aliment. Pharmacol. Ther. 17 (10): 1291-7).
  • NDIRS devices are not mobile.
  • US 2004/0211905 A1 describes a respiratory analyzer in which parts of exhaled respiratory air are introduced via a gas transfer system into a spectrometer for analysis. In this analyzer, only the relative ratio of two isotopes of a gas to each other can be determined, but not the absolute concentration of a
  • the present invention was based on the problem to provide a device which is suitable for determining the absolute concentration of a gas in a gas mixture; To develop a method by which such a determination is made and to provide a suitable use for a device according to the invention.
  • Such a device for the spectroscopic analysis of a gas has at least one radiation source, at least one detection device, at least one sample chamber and a system of optical elements, which is provided and arranged for this, at least a part of the radiation emitted by the radiation source through the sample chamber to the detection device guide, wherein the sample chamber for receiving a gaseous sample containing the gas to be analyzed, is used.
  • This device is characterized in that it is designed such that the sample can flow through the sample chamber continuously, and that means are provided for determining the pressure and / or the volume and / or the concentration of the sample in the sample chamber.
  • Such means may be, for example, a pressure gauge or a volume meter, optionally in conjunction with a temperature gauge.
  • the system of optical elements consists of lenses, mirrors, filters and beam splitters and comparable elements, the number and sequence of which in the beam path of the device being freely selectable, provided that the desired steering effect is achieved. As a rule, only as many optical elements are used as are necessary for the best possible performance of the device.
  • the device for the spectroscopic analysis of a gas is designed so that essentially only an absorption of a single isotope of the gas is excited by the emitted radiation and / or detected by the detection device.
  • the emitted radiation preferably passes through a filter which is continuous only for radiation in the desired wavelength range.
  • a narrow-band detection device is preferably used which is particularly sensitive in the wavelength range to be analyzed and whose detection power is not significantly influenced by any incident radiation having a different wavelength.
  • the aforementioned functional elements can be used individually or in any combination in a device according to the invention, in order to enable the substantially isotope-selective excitation.
  • the device is preferably designed in such a way that the spectroscopic analysis of the gas takes place in a time-resolved manner.
  • a radiation source is used, which emits pulsed light or a chopper positioned in the beam path, which can convert a continuous radiation by interruptions of the light beam into a radiation with a defined repetition rate.
  • the time resolution is preferably better than 1 second, and more preferably between 0.2 and 0.4 seconds (for example, 0.3 seconds or better). With a preferred embodiment of the invention, therefore, more than 3 measurements per second can be performed, resulting in a fine screening of a time course of the analysis performed.
  • the radiation source preferably emits light having a wavelength from the infrared region, with the middle infrared being particularly preferred.
  • the middle infrared light has a wavelength of about 2.5 to 50 ⁇ m (corresponding to 4000 to 200 cm -1 ).
  • a quantum cascade laser is preferably used.
  • a quantum cascade laser which emits light from a wavenumber range of about 2280 to 2230 cm -1 .
  • the P branch of 13 absorbs CO 2 in the gas phase, while virtually no other interfering absorptions of about 12 CO 2 , H 2 O or O 2 can be observed.
  • a photovoltaic mercury cadmium telluride detector (MCT detector) is preferably used, which does not require cooling by liquid nitrogen.
  • a detection maximum of the detector of approximately 2270 cm -1 is advantageous.
  • Method can also be applied to other substances that have only a low extinction coefficient in each examined area.
  • the mirrors are arranged such that the beam path to be traveled by the light beam within the sample chamber is longer than 1.5 m and up to 2.5 m or longer.
  • the sample chamber itself is only a few centimeters or decimetres tall.
  • the sample to be examined is respiratory air containing the gas to be analyzed.
  • the breathing air is preferably exhaled directly from an individual into the device, so that the breathing air is exhaled air.
  • the gas to be analyzed is 13 CO 2 in a preferred embodiment of the invention.
  • exhaled breath or other sample is preferably by means of a tube which is heated in a preferred embodiment to prevent water from collecting in the tube and to ensure that the gas temperature remains constant.
  • a tube which is heated in a preferred embodiment to prevent water from collecting in the tube and to ensure that the gas temperature remains constant.
  • it is preferably designed such that only specially developed D
  • Hoses can be connected to the device. If necessary, use a first adapter for the connection. If breathing air is to be analyzed as a sample, it is expedient to provide the hose with a second adapter in the form of a mouthpiece in order to allow a simple injection of breathing air into the hose.
  • the sample which has flowed into the sample chamber can also leave the sample chamber again, it is preferably provided with a gas outlet means, which mediates the sample to flow out of the sample chamber.
  • the gas outlet means is designed such that it allows only an outflow of the sample or another substance from the sample chamber, but not an inflow of sample or substance into the sample chamber.
  • the gas outlet means may, for example, be designed so that it opens at a certain pressure in the sample chamber and sample can flow out of the sample chamber. This pressure can be only slightly greater than the normal ambient air pressure.
  • a method for the spectroscopic analysis of a gas comprises the following steps: introduction of a sample containing the gas to be analyzed into a sample chamber in which the sample flows into the sample chamber, the sample chamber allowing a later outflow of the sample from the sample chamber a portion of a radiation emitted by a radiation source through the sample chamber to a detection device by means of a system of optical elements for analyzing the gas and detecting absorption of the radiation by the gas to be analyzed by means of the detection device.
  • a change in the pressure and / or the volume and / or the concentration of the sample in the sample chamber during the spectroscopic analysis is determined by suitable means.
  • the absolute concentration of an isotope of the gas can be determined.
  • the spectroscopic analysis is time-resolved in order to obtain analytical measured values as a function of time.
  • changes in the concentration of the gas to be analyzed can be determined over the course of the analysis.
  • the time resolution is preferably better than about 1 second and more preferably between 0.2 or 0.4 seconds (about 0.3 seconds or better). With such a time resolution, even rapid metabolic processes can still be studied in detail without the fear of significant loss of information due to averaging or non-detection of different states due to excessively long measurement intervals.
  • absorption of the gas to be analyzed is detected in the mid-infrared range, with detection in the wavenumber range of 2230 to 2280 cm -1 being particularly preferred.
  • the sample to be examined is exhaled breathing air, the gas to be analyzed preferably being 13 CO 2 .
  • the breathing air is preferably introduced into the sample chamber with a tube which is heated in order to prevent condensation of gaseous constituents of the sample on the tube inner wall or local deposition of liquid portions of the sample and to ensure temperature control of the sample.
  • the outflow of the sample from the sample chamber is effected by an outlet means, which prevents substances from entering the sample chamber.
  • the outlet means thus allows an exclusive sample transport out of the sample chamber.
  • a device lends itself to the determination of a biological parameter of an individual, in particular of a human being, for which purpose a spectroscopic analysis of a gaseous sample originating from the individual is carried out.
  • a gaseous sample originating from the individual is carried out.
  • exhaled air is considered as a gaseous sample.
  • the sample is analyzed outside the body of the individual.
  • the biological parameter is preferably the function of an organ of the individual, with function and capacity determinations of the liver and pancreas being particularly preferred.
  • the device can also be used to determine the concentration of an enzyme, such as the lactase, by means of analysis of the To determine respiratory air of the individual and thus to be able to draw conclusions on enzyme deficiency states of the individual.
  • an enzyme such as the lactase
  • the device can also be used to determine the concentration of a microbial species such as a particular bacterium, a virus or a fungus in an organ or tissue of the individual. This may preferably be the determination of the Helicobacter pylori concentration in the stomach of the individual.
  • a microbial species such as a particular bacterium, a virus or a fungus in an organ or tissue of the individual. This may preferably be the determination of the Helicobacter pylori concentration in the stomach of the individual.
  • FIG. 2 is a diagram for calculating a difference signal from signals detected by a device according to FIG. 1, and FIG.
  • Fig. 3 is a schematic representation of possible courses of 13 CO 2 concentration in exhaled breath.
  • FIG. 1 shows a schematic representation, not to scale, of an infrared spectrometer as an exemplary embodiment of a device according to the invention for the spectroscopic analysis of a gas.
  • the infrared spectrometer has a radiation source 1 in the form of a laser or a globar and a driver 2 for the radiation source 1, which is electronically connected to the radiation source 1.
  • the radiation source 1 emits radiation in the form of a light beam 3 which has a wavelength in the mid-infrared range. After its exit from the radiation source 1, the light beam 3 initially strikes a cylindrical lens 4, which ensures a parallel propagation of the light beam 3. After a variable distance, it strikes a first lens 5, which is arranged on the same optical axis as the cylindrical lens 4 and focuses the light beam 3 onto a second lens 6, which likewise is arranged on the same optical axis as the cylindrical lens 4 and the first lens 5 is.
  • the second lens 6 ensures a highly concentrated, substantially parallel propagation of the light beam 3.
  • the light beam strikes a filter 7, which is continuous only for the part of the light beam 3 which is to be used for the detection of a sample.
  • the filter 7 is an infrared narrow band filter which passes only light having a wavelength corresponding to a wave number of about 2260 ⁇ 20 cm -1 .
  • a chopper 8 is arranged, which is used in particular when a globar is used as the radiation source 1. While a laser can emit radiation already pulsed, the radiation emitted by a globar is a continuous unpulsed radiation.
  • the chopper 8 which is electronically connected to the driver 2 of the radiation source 1, the radiation emitted by a Globar radiation can be pulsed.
  • the radiation emitted by a preferably used quantum cascade laser has a repetition rate of 10 kHz. If a globar is used instead of the laser, a repetition rate of about 10 kHz is set via the chopper 8.
  • the light beam 3 After the light beam 3 has passed the filter 7, it encounters a beam splitter 9 which divides the light beam 3 into a first partial beam 3a and a second partial beam 3b.
  • the first partial beam 3a is deflected by the beam splitter by 90 °, while the second partial beam 3b passes through the beam splitter in extension of the original propagation direction of the light beam 3.
  • the first partial beam 3a is directed by means of a deflection mirror 10 and a third lens 11 to a first detector 12, which detects the intensity of the first partial beam 3a.
  • the second partial beam 3b is conducted into a sample chamber 13.
  • the sample chamber 13 is filled with a gaseous sample which is supplied to the sample chamber 13 via a gas inlet 14 in the arrow direction and which can leave the sample chamber 13 through a gas outlet 15 in the direction of the arrow.
  • the gas outlet 15 is designed such that no gas can enter the sample chamber 13 through the gas outlet.
  • a gas flow meter 16 By means of a gas flow meter 16, the gas volume supplied to the sample chamber 13 through the gas inlet 14 is measured, so that the amount of gas that is in the sample chamber 13, is always known exactly.
  • the gas flow meter 16 is electronically connected to a computer 17 and can thus transmit the data determined by him to the computer 17.
  • a system of a plurality of mirrors 18 is arranged, which deflect the second part of the beam 3b so within the sample chamber 13 and that the Beam path of the second partial beam 3b is extended in the sample chamber relative to the actual longitudinal extent of the sample chamber 13. Finally, one of the mirrors deflects the second partial beam 3b out of the sample chamber. After passing through a fourth lens 19, the second partial beam 3b strikes a second detector 20, from which the intensity of the second partial beam 3b is detected.
  • the intensity of the first partial beam 3a which experiences no attenuation by an absorbing substance, is always measured parallel to the intensity of the second partial beam 3b, which is attenuated by the absorption of the sample in the sample chamber 13, smaller intensity differences of the radiation source 1 emitted radiation 3 are compensated. In this way measurement errors that might arise due to such smaller intensity differences are avoided.
  • the first detector 12 is electronically connected to a first lock-in amplifier 21 and to a second lock-in amplifier 22.
  • the second detector 20 is connected to the second
  • Lock-in amplifier 22 electronically connected. Both lock-in amplifiers 21 and 22 serve to amplify the relatively weak detected by the two detectors 12 and 20
  • the two lock-in amplifiers are part of an electronic component assembly of the infrared spectrometer, including the driver 2 of the radiation source 1, the chopper 8, the gas flow meter 16, the first
  • Detector 12 the second detector 20 and the computer 17 belong.
  • the chopper 8 is electronically connected directly to the driver 2 of the radiation source 1, the first detector 12, the first lock-in amplifier 21, and the second lock-in amplifier 22. Further, the first lock-in amplifier 21 and the second lock-in amplifier 22 are directly connected to each other and the computer 17. The respective electronic connections are used for data transmission and synchronization of the individual components with each other.
  • the computer 17 serves to display and evaluate the determined data.
  • an infrared narrow-band filter is used as the filter 7, which determines the proportion of infrared light passing through the filter can be limited to those wavelengths in which 13 CO 2 shows characteristic absorption bands. This is preferably the wavelength range which corresponds to wavenumbers of 2280 to 2230 cm -1 . It is also possible to use a filter which passes only light from a wavelength range corresponding to wavenumbers of 2282 to 2250 cm -1 .
  • the first detector 12 and the second detector 20 are each a photovoltaic mercury cadmium telluride detector (MCT detector) having a peak response of 1.6 A / W.
  • MCT detector photovoltaic mercury cadmium telluride detector
  • These MCT detectors unlike conventional MCT detectors, do not need to be cooled with liquid nitrogen. The cooling is done rather by means of a Peltier element.
  • With an average power of a laser as a radiation source 1 of about 0.3 mW distributed to 40 cm '1 results in a Messsig ⁇ al of a few hundred uA.
  • the noise of each of the two lock-in amplifiers 21 and 22 is in the pA range and thus far away from the signal range. The signal can still be - without coming into the noise area - greatly attenuated.
  • FIG. 1 Compared with the prior art, the following advantages and improvements are achieved by a device according to the invention, as described in FIG. 1:
  • the concentration measurement is faster, so that a faster evaluation of the data is possible.
  • Concentration changes can be tracked directly in real time.
  • the flow measurement technology allows a continuous measurement of the gas samples. - The measurement of the 13 CO 2 concentration is independent of the 12 CO 2 concentration.
  • Carrier gases also gases used in anesthesia, can be used.
  • the device can be used directly on a patient.
  • a compact design makes mobile use possible.
  • FIG. 2 shows in conjunction with and with reference to the infrared spectrometer shown in FIG. 1 a scheme for calculating a difference signal S D from two individual signals D 1 and D 2 detected by the first detector 12 and the second detector 20 ,
  • Numerical reference numbers refer to FIG. 1, letters as reference numbers refer to FIG. 2.
  • the difference signal S D is measured with the sub-signals S 3 and S 4 , which respectively comprise the main components of the detector signals D 1 and D 2 .
  • the two signals S 1 and S 0 are connected to the first and second lock-in amplifiers 21 and 22 (or alternatively in a
  • Digital converter in the computer 17 converted into digital signals.
  • ⁇ is the extinction coefficient of 13 CO 2
  • c is the concentration
  • d is the beam path of the second partial beam 3b in the sample chamber 13.
  • the constant parameter ⁇ contains structural characteristics such as the division ratio of the beam splitter 9 and the 13 CO 2 base concentration in the infrared spectrometer.
  • the measurement signal thus provides directly the desired 13 CO 2 concentration c of the sample at known (and constant) quantities ⁇ , d and ⁇ .
  • the absorption data is correlated with the gas flow meter 16, so that an adaptation to the concentration differences of the sample in the sample chamber 13 can be performed.
  • FIG. 3 shows schematically two courses of the 13 CO 2 concentration in exhaled breath air applied over a period of a few seconds. Such courses can be determined by means of a device according to the invention, as shown in FIG.
  • Example 1 Use as Breath Analyzer for Liver Function Determination
  • an application of a device according to the invention is not limited only to respiratory tests but can generally be used for the analysis of any gas mixtures, it is suitable for use in respiratory analysis.
  • the liver function of an individual can be determined quantitatively.
  • Chronic liver disease is widespread in Europe, with hepatitis C alone, 8.9 million people are infected. These patients are usually in permanent medical care as the disease progresses.
  • therapy and management of patients with chronic liver disease a much better therapy control can be achieved by quantification of liver function.
  • the assessment of liver function is decisive for the precipitation of suitable therapeutic decisions.
  • Liver resection is a common procedure in today's surgery. It is performed as segmental resection or hemihepatectomy along the anatomical boundaries.
  • liver transplantation the assessment of liver function is of particular importance because here the organ function is estimated at short notice and a fast therapy decision has to be made.
  • Another application of a device according to the invention is the measurement of gastric emptying time.
  • gastrointestinal diseases is the
  • Gastric emptying time disturbed (gastroparesis). This can be the case for diabetic patients, for example
  • Gastric emptying time is a test meal with a 13 C-labeled test substance (eg
  • Octanoic acid and also measured the abatement of 13 CO 2 .
  • a continuous measurement by means of a device according to the invention also provides a significantly better accuracy in the analysis of the data.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases, mit mindestens einer Strahlungsquelle (1), mindestens einer Detektionsvorrichtung (12; 20), mindestens einer Probenkammer (13) und einem System optischer Elemente (4; 5; 6; 7; 9; 10; 11; 18; 19), welches dazu vorgesehen und eingerichtet ist, zumindest einen Teil (3b) der von der Strahlungsquelle (1) emittierten Strahlung (3) durch die Probenkammer (13) auf die Detektionsvorrichtung (20) zu lenken, wobei die Probenkammer (13) zur Aufnahme einer gasförmigen Probe, die das zu analysierende Gas enthält, dient, und wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Probe die Probenkammer (13) kontinuierlich durchströmen kann, und Mittel (16) vorgesehen sind, den Druck und/oder das Volumen und/oder die Konzentration der Probe in der Probenkammer (13) zu bestimmen. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases.

Description

Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ,ein Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18 und die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 28.
Die Analyse eines Gases hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Medizin. Dabei wird häufig die Konzentration von 13CO2 beispielsweise in der Ausatemluft von Patienten untersucht, denen zuvor 13C-markierte Substanzen verabreicht wurden, die vom Körper umgesetzt werden und zur Produktion von 13CO2 führen (13C-Atemtests). Solche Untersuchungen eignen sich beispielsweise zur Diagnostik von Helicobacter pylori, zu Messungen der Magenentleerungszeit oder zu Leberfunktionstests.
Die Ermittlung der 13CO2-Konzentration erfolgt im Stand der Technik durch Massenspektrometrie, Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie oder auch durch direkte anorganische chemische Analyse. Der Einsatz der genannten Techniken erfordert in der Regel einen hohen Aufwand an kostspieligen Geräten oder Aufbauten, die nicht direkt am Patienten eingesetzt werden können. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik auch die nichtdispersive isotopenselektive Infrarotspektroskopie (NDIRS) (z.B. Fischer Analysen Instrumente, Leipzig) und eine Methode basierend auf Infrarotemission und Absorption (LARA) verwendet. Beide Methoden messen jedoch nur relative 13CO2- Konzentrationsänderungen und erlauben keine absolute 13CO2-Konzentrationsmessung. Bei den beiden letztgenannten Methoden wird zur Berechnung der relativen 13CO2- Konzentrationsänderungen eine geschätzte Gesamt-CO2-Produktionsrate eines untersuchten Patienten zugrunde gelegt, ohne die tatsächliche Gesamt-CO2-Produktionsrate exakt bestimmen zu können.
Die Methode der NDIRS ist sensitiv genug, um beispielsweise die relative 13CO2- Konzentrationsänderungen im Ausatemvolumen von Patienten zu messen, zeigt aber stark abweichende und daher schwer verwertbare Ergebnisse bei unterschiedlichen Trägergasgemischen (z.B. O2) und erlaubt durch ihre langsame Messmethode nur eine sehr begrenzte Auflösung des 13C-Stoffwechsels. Die Messgenauigkeit der NDIRS ist hierbei ebenfalls begrenzt und speziell für direkt quantitative Messungen wie die Bestimmung der quantitativen Leberfunktionskapazität speziell dann nicht hinreichend, wenn andere Messeinflüsse wie wechselnde Trägergase hinzutreten (Perri, F., R. M. Zagari, et al. (2003). "An inter- and intra-laboratory comparison of breath 13CO2 analysis." Aliment. Pharmacol. Ther. 17(10): 1291-7). Weiterhin sind NDIRS-Geräte nicht mobil einsetzbar.
Weiterhin wird methodisch bedingt effektiv nur das 13CO2/12CO2-Verhältnis bestimmt. Hieraus lässt sich mit Hilfe der gesamten CO2-Produktionsrate pro Minute des Patienten die absolute Menge des abgeatmeten 13CO2 pro Zeiteinheit errechnen. Die CO2-Produktionsrate lässt sich aber beim einzelnen Individuum nur sehr aufwendig direkt messen. Im Stand der Technik wird daher zur Berechnung ein geschätzter Standard-Wert der CO2-Produktionsrate verwendet, der jeweils auf die Körperoberfläche des Individuums angepasst wird (Schoeller, D. A., J. F. Schneider, et al. (1977). "Clinical diagnosis with the stable isotope 13C in CO2 breath tests: methodology and fundamental considerations." J. Lab. Clin. Med. 90(3): 412- 21 ; Schoeller, D. A., P. D. Klein, et al. (1981 ). "Fecal 13C analysis for the detection and quantitation of intestinal malabsorption. Limits of detection and application to disorders of intestinal cholylglycine metabolism." J. Lab. Clin. Med. 97(3): 440-8). Dieses Verfahren bedingt eine erhebliche Ungenauigkeit in vielen klinischen Situationen, in denen die CO2- Produktionsrate des Individuums gegenüber dem Normalzustand verändert ist.
In der US 2004/0211905 A1 ist ein Atem-Analysator beschrieben, bei dem Teile ausgeatmeter Atemluft über ein Gasumschlagsystem in ein Spektrometer zur Analyse eingebracht werden. Bei diesem Analysator kann nur das relative Verhältnis zweier Isotope eines Gases zueinander bestimmt werden, nicht jedoch die absolute Konzentration eines
Isotops allein. Durch den Einsatz des Gasumschlagsystems wird vorzugsweise nicht die gesamte ausgeatmete Luft, sondern werden nur Teile davon in das Spektrometer eingebracht. In der US 6,186,958 wird ein Atem-Analysator beschrieben, der zur online-Analyse kontinuierlich ausgeatmeter Atemluft konzipiert ist. Dieser Analysator kann durch die Verwendung von mehreren Gasentladungslampen, die jeweils mit nur einem Isotop eines zu analysierenden Gases befüllt sind, zwischen einzelnen Isotopen des Gases unterscheiden. Allerdings ist auch mittels dieses Analysators nur das relative Verhältnis der einzelnen Isotopen des Gases zueinander bestimmbar. Dies beruht insbesondere darauf, dass die Konzentration der zu analysierenden Atemluft in einer Probenkammer des Analysators nicht ermittelt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung lag das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die dazu geeignet ist, die absolute Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch zu bestimmen; ein Verfahren zu entwickeln, mittels dessen eine solche Bestimmung erfolgt sowie eine geeignete Verwendung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu schaffen.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 28 gelöst.
Eine solche Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases weist mindestens eine Strahlungsquelle, mindestens eine Detektionsvorrichtung, mindestens eine Probenkammer und ein System optischer Elemente auf, welches dazu vorgesehen und eingerichtet ist, zumindest einen Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch die Probenkammer auf die Detektionsvorrichtung zu lenken, wobei die Probenkammer zur Aufnahme einer gasförmigen Probe, die das zu analysierende Gas enthält, dient. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie derart ausgestaltet ist, dass die Probe die Probenkammer kontinuierlich durchströmen kann, und dass Mittel zur Bestimmung des Drucks und/oder des Volumens und/oder der Konzentration der Probe in der Probenkammer vorgesehen sind.
Solche Mittel können beispielsweise ein Druckmesser oder ein Volumenmesser, ggf. in Verbindung mit einem Temperaturmesser, sein.
Das System optischer Elemente besteht aus Linsen, Spiegeln, Filtern und Strahlteilern und vergleichbaren Elementen, wobei deren Anzahl und Abfolge im Strahlengang der Vorrichtung frei wählbar ist, sofern der erwünschte Lenkungseffekt erzielt wird. In aller Regel werden nur so viele optische Elemente eingesetzt, wie für eine möglichst gute Leistungsfähigkeit der Vorrichtung notwendig sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases so ausgelegt, dass im Wesentlichen nur eine Absorption eines einzigen Isotops des Gases von der emittierten Strahlung angeregt und/oder von der Detektionsvorrichtung detektiert wird.
Um das zu erreichen, passiert die emittierte Strahlung vorzugsweise ein Filter, das nur für Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich durchgängig ist. Ferner wird vorzugsweise eine schmalbandige Detektionsvorrichtung eingesetzt, die in dem zu analysierenden Wellenlängenbereich besonders sensitiv ist und deren Detektionsleistung von ggf. einfallender Strahlung mit anderer Wellenlänge nicht wesentlich beeinflusst wird. Außerdem kann vorzugsweise eine Strahlungsquelle verwendet werden, die nur Strahlung in einem engen Wellenlängenbereich emittiert, so dass im Wesentlichen keine andere als die gewünschte Absorption angeregt wird. Die zuvor genannten Funktionselemente können einzeln oder in beliebiger Kombination in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, um die im Wesentlichen isotopenselektive Anregung zu ermöglichen.
Um eine hohe Informationsdichte der mittels der Vorrichtung durchgeführten Gasanalysen zu ermöglichen, ist die Vorrichtung vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die spektroskopische Analyse des Gases zeitaufgelöst erfolgt. Dazu wird vorzugsweise eine Strahlungsquelle eingesetzt, die gepulstes Licht emittiert oder ein Chopper im Strahlengang positioniert, der eine kontinuierliche Strahlung durch Unterbrechungen des Lichtstrahls in eine Strahlung mit einer definierten Repititionsrate umwandeln kann.
Die Zeitauflösung ist dabei vorzugsweise besser als 1 Sekunde und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 Sekunden (beispielsweise 0,3 Sekunden oder besser). Mit einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung können also mehr als 3 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden, was in einer feinen Rasterung eines zeitlichen Verlaufs der durchgeführten Analyse resultiert.
Da insbesondere Molekülschwingungen untersucht werden sollen, emittiert die Strahlungsquelle vorzugsweise Licht mit einer Wellenlänge aus dem infraroten Bereich, wobei das mittlere Infrarot besonders bevorzugt wird. Das mittlere Infrarotlicht hat eine Wellenlänge von etwa 2,5 bis 50 μm (entsprechend 4000 bis 200 cm"1).
Damit bereits eine gepulste Strahlung mit hoher Energiedichte und Brillanz von der Strahlungsquelle emittiert wird, wird vorzugsweise ein Quantenkaskadenlaser verwendet. O
Für eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung von 13CO2- Absorptionen, welche eine bevorzugte Verwendung der Erfindung darstellt, bietet sich vorzugsweise ein Quantenkaskadenlaser an, der Licht aus einem Wellenzahlenbereich von etwa 2280 bis 2230 cm'1 emittiert. In diesem Wellenzahlenbereich absorbiert der P-Zweig von 13CO2 in der Gasphase, während praktisch keine anderen störenden Absorptionen etwa von 12CO2, H2O oder O2 beobachtet werden können.
Für eine sensitive und spezifische Absorption der bevorzugt untersuchten 13CO2-Banden wird vorzugsweise ein photovoltaischer Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektor (MCT- Detektor) verwendet, der keine Kühlung durch flüssigen Stickstoff benötigt. Vorteilhaft ist dabei ein Detektionsmaximum des Detektors von rund 2270 cm'1.
Da 13CO2 im bevorzugt untersuchten Spektralbereich nur eine geringe, aber ungestörte Absorption aufweist, ist in der Probenkammer eine Vielzahl von Spiegeln angeordnet, die den in die Probenkammer eingekoppelten Lichtstrahl innerhalb der Probenkammer mehrfach hin- und zurückreflektiert. Dadurch wird der vom Lichtstrahl zurückzulegende Strahlenweg um vielfaches vergrößert und so die Menge des untersuchten Gases fiktiv erhöht. Dieses
Verfahren lässt sich auch auf andere Substanzen, die nur einen geringen Extinktionskoeffizienten im jeweils untersuchten Bereich aufweisen, anwenden.
Vorzugsweise sind die Spiegel derart angeordnet, dass der vom Lichtstrahl innerhalb der Probenkammer zurückzulegende Strahlenweg länger als 1 ,5 m und bis zu 2,5 m oder länger ist. Die Probenkammer selbst ist demgegenüber nur wenige Zentimeter bzw. Dezimeter groß.
Vorzugsweise handelt es sich bei der zu untersuchenden Probe um Atemluft, die das zu analysierende Gas enthält. Dabei wird die Atemluft vorzugsweise direkt von einem Individuum in die Vorrichtung ausgeatmet, so dass die Atemluft Ausatemluft ist.
Das zu analysierende Gas ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung 13CO2.
Der Transfer der ausgeatmeten Atemluft bzw. einer anderen Probe erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines Schlauchs, der in einer bevorzugten Ausgestaltung beheizt ist, um zu vermeiden, dass sich Wasser in dem Schlauch sammelt, und um zu garantieren, dass die Gastemperatur konstant bleibt. Zur Sicherung einer zuverlässigen Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung ist sie dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass nur speziell entwickelte D
Schläuche mit der Vorrichtung verbunden werden können. Zur Verbindung ist ggf. ein erster Adapter zu verwenden. Soll als Probe Atemluft analysiert werden, ist es zweckmäßig, den Schlauch mit einem zweiten Adapter in Form eines Mundstücks zu versehen, um ein einfaches Einblasen von Atemluft in den Schlauch zu ermöglichen.
Damit die in die Probenkammer eingeströmte Probe die Probenkammer auch wieder verlassen kann, ist diese vorzugsweise mit einem Gasauslassmittel versehen, das ein Ausströmen der Probe aus der Probenkammer vermittelt. Das Gasauslassmittel ist dabei derart ausgestaltet, dass es nur ein Ausströmen der Probe bzw. einer anderen Substanz aus der Probenkammer, nicht jedoch ein Einströmen von Probe oder Substanz in die Probenkammer zulässt. Das Gasauslassmittel kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass es sich bei einem bestimmten Druck in der Probenkammer öffnet und Probe aus der Probenkammer ausströmen lässt. Dieser Druck kann dabei nur wenig größer als der normale Umgebungsluftdruck, sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases umfasst folgende Schritte: Einbringen einer Probe, die das zu analysierende Gas enthält, in eine Probenkammer, indem die Probe in die Probenkammer einströmt, wobei die Probenkammer ein späteres Ausströmen der Probe aus der Probenkammer zulässt, Leiten zumindest eines Teils einer von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch die Probenkammer auf eine Detektionsvorrichtung mittels eines Systems optischer Elemente zur Analyse des Gases und Detektion einer Absorption der Strahlung durch das zu analysierende Gas mittels der Detektionsvorrichtung. Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Veränderung des Drucks und/oder des Volumens und/oder der Konzentration der Probe in der Probenkammer während der spektroskopischen Analyse durch geeignete Mittel bestimmt wird.
Vorzugsweise wird im Wesentlichen nur eine Absorption eines einzigen Isotops des Gases von der emittierten Strahlung angeregt und von der Detektionsvorrichtung detektiert. In Verbindung mit der Bestimmung der Druck-, Volumen- oder Konzentrationsänderung der Probe in der Probenkammer während der Analyse lässt sich so die absolute Konzentration eines Isotops des Gases bestimmen.
Die spektroskopische Analyse erfolgt in einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens zeitaufgelöst, um analytische Messwerte in Abhängig der Zeit zu erhalten. So lassen sich beispielsweise Konzentrationsänderungen des zu analysierenden Gases im zeitlichen Verlauf der Analyse bestimmen. Dabei ist die Zeitauflösung vorzugsweise besser als etwa 1 Sekunde und besonders bevorzugt zwischen 0,2 oder 0,4 Sekunden (etwa 0,3 Sekunden oder besser). Mit einer solchen Zeitauflösung lassen sich auch schnelle metabolische Vorgänge noch genau untersuchen, ohne dass ein signifikanter Informationsverlust infolge einer Mittelung oder einer Nichtdetektion verschiedener Zustände durch zu lange Messintervalle befürchtet werden muss.
Vorzugsweise wird eine Absorption des zu analysierenden Gases im mittleren Infrarotbereich detektiert, wobei eine Detektion im Wellenzahlenbereich von 2230 bis 2280 cm"1 besonders bevorzugt ist.
Die zu untersuchende Probe ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ausgeatmete Atemluft, wobei das zu analysierende Gas bevorzugt 13CO2 ist.
Die Atemluft wird in die Probenkammer vorzugsweise mit einem Schlauch eingebracht, der beheizt ist, um eine Kondensation von gasförmigen Bestandteilen der Probe an der Schlauchinnenwand bzw. eine dortige Ablagerung von flüssigen Bestanteilen der Probe zu vermeiden und eine Temperierung der Probe zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Ausströmen der Probe aus der Probenkammer durch ein Auslassmittel, welches verhindert, dass Substanzen in die Probenkammer hinein gelangen können. Das Auslassmittel ermöglicht also einen exklusiven Probentransport aus der Probenkammer hinaus.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bietet sich zur Bestimmung eines biologischen Parameters eines Individuums, insbesondere eines Menschen, an, wobei zu dieser Bestimmung eine spektroskopische Analyse einer aus dem Individuum stammenden gasförmigen Probe durchgeführt wird. Als gasförmige Probe kommt dabei insbesondere Ausatemluft in Betracht. Die Probe wird außerhalb des Körpers des Individuums analysiert.
Der biologische Parameter ist bevorzugt die Funktion eines Organs des Individuums, wobei Funktions- und Kapazitätsbestimmungen der Leber und der Bauchspeicheldrüse besonders bevorzugt sind.
In einer Variante der Erfindung kann die Vorrichtung auch dazu verwendet werden, die Konzentration eines Enzyms, wie beispielsweise der Lactase, mittels der Analyse der Atemluft des Individuums zu bestimmen und so Rückschlüsse auf Enzymmangelzustände des Individuums ziehen zu können.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann die Vorrichtung auch dazu verwendet werden, die Konzentration einer mikrobiellen Spezies wie beispielsweise eines bestimmten Bakteriums, eines Virus oder eines Pilzes in einem Organ oder einem Gewebe des Individuums zu bestimmen. Dabei kann es sich vorzugsweise um die Bestimmung der Helicobacter-pylori-Konzentration im Magen des Individuums handeln.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases,
Fig. 2 ein Schema zur Berechnung eines Differenzsignals ausgehend von Signalen, die von einer Vorrichtung gemäß der Fig. 1 detektiert werden, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung möglicher Verläufe der 13CO2-Konzentration in ausgeatmeter Atemluft.
Die Figur 1 zeigt eine nicht maßstabsgetreue schematische Darstellung eines Infrarotspektrometers als ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases.
Das Infrarotspektrometer weist eine Strahlungsquelle 1 in Form eines Lasers bzw. eines Globars und einen Treiber 2 für die Strahlungsquelle 1 auf, der elektronisch mit der Strahlungsquelle 1 verbunden ist. Von der Strahlungsquelle 1 wird Strahlung in Form eines Lichtstrahls 3 emittiert, die eine Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich besitzt. Der Lichtstrahl 3 trifft nach seinem Austreten aus der Strahlungsquelle 1 zunächst auf eine Zylinderlinse 4, die für eine parallele Ausbreitung des Lichtstrahls 3 sorgt. Nach einer variablen Strecke trifft er auf eine erste Linse 5, die auf derselben optischen Achse wie die Zylinderlinse 4 angeordnet ist und den Lichtstrahl 3 auf eine zweite Linse 6 bündelt, welche ebenfalls auf derselben optischen Achse wie die Zylinderlinse 4 und die erste Linse 5 angeordnet ist. Die zweite Linse 6 sorgt für eine stark gebündelte, im Wesentlichen parallele Ausbreitung des Lichtstrahls 3. Der Lichtstrahl trifft im weiteren Verlauf seiner Ausbreitung auf ein Filter 7, das nur für den Teil des Lichtstrahls 3 durchgängig ist, der zur Detektion einer Probe verwendet werden soll. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Filter 7 ein Infrarotschmalbandfilter, das nur Licht mit einer Wellenlänge entsprechend einer Wellenzahl von rund 2260 ± 20 cm"1 passieren lässt.
Zwischen der zweiten Linse 6 und dem Filter 7 ist ein Chopper 8 angeordnet, der insbesondere dann verwendet wird, wenn ein Globar als Strahlungsquelle 1 eingesetzt wird. Während ein Laser Strahlung bereits gepulst emittieren kann, handelt es sich bei der Strahlung, die von einem Globar emittiert wird, um eine kontinuierliche ungepulste Strahlung. Durch den Chopper 8, der elektronisch mit dem Treiber 2 der Strahlungsquelle 1 verbunden ist, kann auch die von einem Globar emittierte Strahlung gepulst werden.
Die von einem bevorzugt verwendeten Quantenkaskadenlaser emittierte Strahlung weist eine Repititionsrate von 10 kHz auf. Wird statt des Lasers ein Globar verwendet, wird über den Chopper 8 eine Repititionsrate von etwa 10 kHz eingestellt.
Nachdem der Lichtstrahl 3 das Filter 7 passiert hat, trifft er auf einen Strahlteiler 9, der den Lichtstrahl 3 in einen ersten Teilstrahl 3a und einen zweiten Teilstrahl 3b teilt. Der erste Teilstrahl 3a wird von dem Strahlteiler um 90° abgelenkt, während der zweite Teilstrahlstrahl 3b den Strahlteiler in Verlängerung der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 3 passiert. Der erste Teilstrahl 3a wird mittels eines Umlenkspiegels 10 und einer dritten Linse 11 auf einen ersten Detektor 12 gelenkt, welcher die Intensität des ersten Teilstrahls 3a detektiert.
Der zweite Teilstrahl 3b wird in eine Probenkammer 13 geleitet. Die Probenkammer 13 ist mit einer gasförmigen Probe gefüllt, die der Probenkammer 13 über einen Gaseinlass 14 in Pfeilrichtung zugeführt wird und die die Probenkammer 13 durch einen Gasauslass 15 in Pfeilrichtung verlassen kann. Der Gasauslass 15 ist derart gestaltet, dass kein Gas durch den Gasauslass in die Probenkammer 13 eintreten kann. Mittels eines Gasdurchflussmessers 16 wird das der Probenkammer 13 durch den Gaseinlass 14 zugeführte Gasvolumen gemessen, so dass die Menge des Gases, das sich in der Probenkammer 13 befindet, stets genau bekannt ist. Der Gasdurchflussmesser 16 ist elektronisch mit einem Computer 17 verbunden und kann so die von ihm ermittelten Daten an den Computer 17 übertragen.
In der Probenkammer 13 ist ein System aus mehreren Spiegeln 18 angeordnet, die den zweiten Teilstrahl 3b so innerhalb der Probenkammer 13 hin- und herlenken, dass der Strahlenweg des zweiten Teilstrahls 3b in der Probenkammer gegenüber der tatsächlichen Längenausdehnung der Probenkammer 13 verlängert wird. Schließlich lenkt einer der Spiegel 18 den zweiten Teilstrahl 3b wieder aus der Probenkammer heraus. Nach Passieren einer vierten Linse 19 trifft der zweite Teilstrahl 3b auf einen zweiten Detektor 20, von dem die Intensität des zweiten Teilstrahls 3b detektiert wird.
Dadurch, dass die Intensität des ersten Teilstrahls 3a, der keine Abschwächung durch eine absorbierende Substanz erfährt, stets parallel zu der Intensität des zweiten Teilstrahls 3b, der durch die Absorption der Probe in der Probenkammer 13 abgeschwächt wird, gemessen wird, können kleinere Intensitätsunterschiede der von der Strahlungsquelle 1 emittierten Strahlung 3 ausgeglichen werden. Auf diese Art werden Messfehler, die aufgrund solcher kleineren Intensitätsunterschiede entstehen könnten, vermieden.
Der erste Detektor 12 ist mit einem ersten Lock-In-Verstärker 21 und mit einem zweiten Lock-In-Verstärker 22 elektronisch verbunden. Der zweite Detektor 20 ist mit dem zweiten
Lock-In-Verstärker 22 elektronisch verbunden. Beide Lock-In-Verstärker 21 und 22 dienen der Verstärkung der von den beiden Detektoren 12 und 20 detektierten relativ schwachen
Intensitätssignale der beiden Teilstrahlen 3a und 3b. Die beiden Lock-In-Verstärker sind Teil eines elektronischen Komponentenverbunds des Infrarotspektrometers, zu dem auch der Treiber 2 der Strahlenquelle 1 , der Chopper 8, der Gasdurchflussmesser 16, der erste
Detektor 12, der zweite Detektor 20 und der Computer 17 gehören.
Innerhalb des elektronischen Komponentenverbunds ist der Chopper 8 direkt mit dem Treiber 2 der Strahlungsquelle 1 , dem ersten Detektor 12, dem ersten Lock-In-Verstärker 21 , und dem zweiten Lock-ln-verstärker 22 elektronisch verbunden. Ferner sind der erste Lock- In-Verstärker 21 und der zweite Lock-In-Verstärker 22 direkt miteinander und dem Computer 17 verbunden. Die jeweiligen elektronischen Verbindungen dienen der Datenübermittlung und einer Synchronisation der einzelnen Komponenten untereinander. Der Computer 17 dient zur Anzeige und Auswertung der ermittelten Daten.
Durch die Verwendung von gepulstem Licht mit einer Repititionsrate von etwa 10 kHz ist es möglich, lock-in-verstärkte Signale mit einer Zeitauflösung von etwa 0,3 Sekunden zu detektieren. Die Vorteile einer solchen Zeitauflösung werden in der Beschreibung zur Figur 3 näher erläutert.
Zur Bestimmung des 13CO2-Gehalts in einer Probe wird als Filter 7 ein Infrarotschmalbandfilter eingesetzt, das den Anteil des Infrarotlichts, der das Filter passieren kann, auf solche Wellenlängen begrenzt, in denen 13CO2 charakteristische Absorptionsbanden zeigt. Dies ist vorzugsweise der Wellenlängenbereich, der Wellenzahlen von 2280 bis 2230 cm"1 entspricht. Es kann auch ein Filter eingesetzt werden, das nur Licht aus einem Wellenlängenbereich, der Wellenzahlen von 2282 bis 2250 cm"1 entspricht, passieren lässt.
Der erste Detektor 12 und der zweite Detektor 20 sind jeweils ein photovoltaischer Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektor (MCT-Detektor) mit einer Peak- Ansprechempfindlichkeit von 1 ,6 A/W. Diese MCT-Detektoren müssen im Gegensatz zu herkömmlichen MCT-Detektoren nicht mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die Kühlung erfolgt vielmehr mittels eines Peltier-Elements. Bei einer durchschnittlichen Leistung eines Lasers als Strahlungsquelle 1 von rund 0,3 mW verteilt auf 40 cm'1, ergibt sich ein Messsigπal von einigen hundert uA. Das Rauschen jedes der beiden Lock-In-Verstärker 21 und 22 liegt im pA-Bereich und somit weit weg vom Signalbereich. Das Signal kann also noch - ohne in den Rauschbereich zu kommen - stark abgeschwächt werden.
Unter Zugrundelegung einer Absorption von 13CO2 mit einem Absorptionskoeffizienten von ε = 30 m2/mol und einer Konzentration an 13CO2 von etwa 1 ,4 * 10~4 mol/m3 in normaler Umgebungsluft lässt sich eine durch das 13CO2 bedingte Absorption von etwa 0,0042 pro Meter abschätzen. Daher beträgt der Strahlengang in der Probenkammer 13, in der sich das Gas befindet, mehrere Meter (vorzugsweise 1 ,5 bis 2,5 m), um eine ausreichende Absorption des eingestrahlten zweiten Teilstrahls 3b durch das 13CO2 zu gewährleisten.
Gegenüber dem Stand der Technik werden durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in der Figur 1 beschrieben ist, die folgenden Vorteile und Verbesserungen erzielt:
- Es ist möglich, Messungen der Absolutkonzentration eines Gases pro Zeitintervall durchzuführen.
Die Konzentrationsmessung erfolgt schneller, so dass auch eine schnellere Auswertung der Daten möglich ist.
Die Datensicherheit ist durch eine geringere Anfälligkeit gegenüber Schwankungen höher.
Konzentrationsänderungen können direkt in Echtzeit verfolgt werden.
Die Durchflussmesstechnik erlaubt eine kontinuierliche Messung der Gasproben. - Die Messung der 13CO2-Konzentration erfolgt unabhängig von der 12CO2-Konzentration.
Die Messergebnisse sind unabhängig von den meisten Trägergasen. So können als
Trägergase auch Gase, die in der Anästhesie zum Einsatz kommen, verwendet werden. Die Vorrichtung kann direkt an einem Patienten eingesetzt werden. Durch eine kompakte Bauweise ist ein mobiler Einsatz möglich.
Durch präzise Messung der 13CO2-Konzentration und Verzicht auf eine Abschätzung der CO2-Produktionsrate sind genauere quantitative Aussagen möglich (beispielsweise quantitative Aussagen zur Leberfunktionskapazität)
Die Figur 2 zeigt in Verbindung mit und unter Bezugnahme auf das in der Figur 1 dargestellte Infrarotspektrometer ein Schema zur Berechnung eines Differenzsignals SD ausgehend von zwei individuellen Signalen D1 und D2, die durch den ersten Detektor 12 und den zweiten Detektor 20 detektiert werden. Numerische Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die Figur 1 , Buchstaben als Bezugszeichen beziehen sich auf die Figur 2.
Nur etwa 1 % des in die Probenkammer 13 als zweitem Teilstrahl 3b eingestrahlten Infrarotlichts wird an den Absorptionswellenlängen des 13CO2 absorbiert. Auf diesem Signal soll eine Absorptionsänderung von weniger als 1 % gemessen werden. Dies geschieht durch eine Messung des Signals D1 des ersten Detektors 12 und des Signals D2 des zweiten Detektors 20 mit anschließender Differenzbildung Δ. Da die beiden Detektorsignale D1 und D2 viel größer sind als deren Differenz S0, wird zur direkten Messung nur ein erstes Teilsignal S1 bzw. S2, das wenige Prozent (vorzugsweise rund 2 %) des Signals D1 bzw. D2 umfasst, verwendet. Diese Aufteilung der Signale D1 und D2 in jeweils ein erstes Teilsignal S1 bzw. S2 und ein zweites Teilsignal S3 bzw. S4 geschieht durch den Einsatz von zwei Spannungsteilern ST1 und ST2.
Das Differenzsignal SD wird mit den Teilsignalen S3 und S4, die jeweils die Hauptanteile der Detektorsignale D1 und D2 umfassen, gemessen. Die beiden Signale S1 und S0 werden mit dem ersten und dem zweiten Lock-In-Verstärker 21 bzw. 22 (oder alternativ in einer
Einzelschussmessung mit integrierenden Vorverstärkern) verstärkt und von einem Analog-
Digital-Wandler im Computer 17 in digitale Signale umgewandelt. Das erwünschte
Messsignal der Absorption in der Probenkammer A = -1Og(D2ZD1) wird durch Aufnahme von -1Og(I-SoZS1) = εcd-φ ermittelt.
Hierbei ist ε der Extinktionskoeffizient von 13CO2, c die Konzentration und d der Strahlenweg des zweiten Teilstrahls 3b in der Probenkammer 13. Der konstante Parameter φ enthält Aufbaukennzahlen wie beispielsweise das Teilungsverhältnis des Strahlteilers 9 und der 13CO2-Basiskonzentration im Infrarotspektrometer. Das Messsignal liefert also direkt die gewünschte 13CO2-Konzentration c der Probe bei bekannten (und konstanten) Größen ε, d und φ. Bei der Installation und Wartung kann eine Kalibrierung des Infrarotspektrometers mit bekannten 13CO2-Konzentrationen leicht durchgeführt werden. Die Absorptionsdaten werden mit dem Gasdurchflussmesser 16 korreliert, so dass eine Anpassung an die Konzentrationsunterschiede der Probe in der Probenkammer 13 durchgeführt werden kann.
Diese Art und Weise der Datenaufnahme ermöglicht eine Ausnutzung der hohen Empfindlichkeit des ersten und des zweiten Detektors 12 und 20, der beiden Lock-In- Verstärker 21 und 22 und des Analog-Digital-Wandlers. Der gesamte Geräteaufbau des Infrarotspektrometers mit der Probenkammer 13 und den genannten elektronischen Elementen ist kompakt, transportabel und unsensibel gegenüber äußeren Einflüssen. Dies erhöht zusätzlich den Einsatzbereich.
Die Figur 3 zeigt schematisch zwei Verläufe der 13CO2-Konzentration in ausgeatmeter Atemluft aufgetragen über einen Zeitraum von wenigen Sekunden. Solche Verläufe können mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in der Figur 1 dargestellt ist, ermittelt werden.
Während die 13CO2-Konzentration in der Atemluft eines Individuums mit gesunder Leber nach der Applikation einer 13C-markierten, in der Leber des Individuums zu 13CO2 metabolisierbaren Substanz sehr schnell nach der Applikation der Substanz ansteigt und dann auf ein niedriges Niveau zurückgeht (durchgezogene Kurve), erreicht die 13CO2- Konzentration in der Atemluft eines Individuums mit kranker Leber nach der Applikation der Substanz nur sehr niedrige Werte, um sich im weiteren zeitlichen Verlauf einem Niveau anzunähern, das vergleichbar mit dem oder niedriger als das des Individuums mit gesunder Leber ist (gestrichelte Kurve).
Je nach Art und Schwere der Lebererkrankung können sich unterschiedliche Kurvenverläufe ergeben, die mitunter denen bei einer gesunden Leber recht ähnlich sein können. Nur bei einer Messung mit hoher Zeitauflösung - vorzugsweise im Subsekundenbereich, wie es durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung möglich ist - lassen sich die in der Figur 3 dargestellten Kurven hinreichend genau bestimmen, wie durch die Angabe exemplarischer Messzeitpunkte A bis F dargestellt ist. Wird eine vergleichbare Untersuchung mit einem Gerät durchgeführt, bei dem aufgrund schlechterer Zeitauflösung beispielsweise nur an den Messzeitpunkten C und F gemessen werden könnte, so erhielte man über den Zeitraum 0 bis C bzw. C bis F integrierte Ergebnisse.
Dies würde dazu führen, dass eine Unterscheidung zwischen Individuen mit gesunder und mit kranker Leber nur unzureichend durchgeführt werden könnte. Das wäre insbesondere dann der Fall, wenn statt des in der Figur 3 dargestellten linearen Verlaufs beider Kurven ab dem Messzeitpunkt E noch Niveauunterschiede aufträten, die bei einer aufgrund schlechterer Zeitauflösung integrierten Messung durch gegenseitiges Aufheben leicht unentdeckt bleiben könnten.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung - beispielsweise wie in der Figur 1 dargestellt - soll nachfolgend anhand von Anwendungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1 - Verwendung als Atemanalysator zur Leberfunktionsbestimmung
Obgleich eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur auf Atemtests beschränkt ist, sondern allgemein zur Analyse beliebiger Gasmischungen verwendet werden kann, bietet sich ein Einsatz in der Atemanalytik an.
So lässt sich mit einer Vorrichtung gemäß der Figur 1 die Leberfunktion eines Individuums quantitativ bestimmen. Eine solche Bestimmung ist in vielen Bereichen der Medizin von großer Bedeutung. Chronische Lebererkrankungen sind in Europa weit verbreitet, allein mit Hepatitis C sind 8,9 Millionen Menschen infiziert. Diese Patienten befinden sich mit fortschreitender Erkrankung in meist dauerhafter medizinischer Betreuung. In Therapie und Management von Patienten mit chronischen Lebererkrankungen kann durch Quantifizierung der Leberfunktion eine deutlich bessere Therapiesteuerung erfolgen. Zur Fällung geeigneter Therapieentscheidungen ist die Einschätzung der Leberfunktion entscheidend.
Eine Leberteilresektion ist ein gängiges Verfahren in der heutigen Chirurgie. Sie wird als Segmentresektion oder Hemihepatektomie entlang der anatomischen Grenzen durchgeführt.
Ausgedehnte Eingriffe in dem parenchymatösen Organ wurden durch die Entwicklung der verschiedensten Operationstechniken ermöglicht. Die postoperative Morbidität und Mortalität durch Leberversagen aufgrund fehlender Leberfunktionskapazität bei vorgeschädigtem oder zu geringem Leberrestgewebe ist aber weiterhin ein bedeutendes Problem. Ein Großteil der operativen Eingriffe muss aber in vorgeschädigtem Lebergewebe, meist einer zirrhotisch umgebauten Leber, vorgenommen werden.
Es ist daher von großem Vorteil, die funktionelle Leberkapazität eines Patienten schon vor der Leberteilresektion bestimmen zu können, um Patienten, die keine ausreichenden funktionellen Reserven ihres Lebergewebes mehr haben, nicht dem für sie hohen Operationsrisiko auszusetzen oder anderen Therapieverfahren zuzuführen. In der Lebertransplantation kommt der Einschätzung der Leberfunktion besondere Bedeutung zu, da hier kurzfristig die Organfunktion eingeschätzt und eine schnelle Therapieentscheidung getroffen werden muss. Hier lässt sich außerdem in vielen klinischen Situationen schwer einschätzen, ob eine parenchymatöse Funktionsstörung vorliegt, oder ob andere Ursachen für die klinischen Symptome der Patienten verantwortlich sind. Zusammengefasst besteht daher ein erheblicher Bedarf, einen tatsächlich quantitativen Leberfunktionstest für die breite Anwendung in der Medizin anzubieten. Mit einem Atemtest mit z.B. 13C-markierten Methacetin ist dies möglich, wenn es gelingt, die abgeatmete 13CO2-Menge pro Zeitintervall in der Ausatemluft absolut und präzise zu messen. Bisherige Versuche konnten durch ungünstige Verabreichung (oral) und unzureichende Messmethodik nur semiquantitative Ergebnisse erlangen (Matsumoto, K., M. Suehiro, et al. (1987). "[13C] methacetin breath test for evaluation of liver damage." Dig. Dis. Sei. 32(4): 344-8; Klatt, S., C. Taut, et al. (1997). "Evaluation of the 13C-methacetin breath test for quantitative liver funetion testing." Z. Gastroenterol. 35(8): 609-14). Mit entsprechender Applikation (intravenös), neuer Berechung und genauer Absolutkonzentrationsmessung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind weit reichende Fortschritte auf diesem Gebiet möglich.
Beispiel 2 - Verwendung als Atemanalysator zur Bestimmung weiterer Parameter
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Messung der Magenentleerungszeit. Bei vielen gastrointestinalen Erkrankungen ist die
Magenentleerungszeit gestört (Gastroparese). Dies kann beispielsweise bei der diabetischen
Gastropathie, Dyspepsie und anderen Krankheiten der Fall sein. Zur Messung der
Magenentleerungszeit wird mit einem Testmahl eine 13C-markierte Testsubstanz (z.B.
Octansäure) verabreicht und ebenfalls die Abatmung von 13CO2 gemessen. Hier erbringt eine kontinuierliche Messung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls eine deutlich bessere Genauigkeit in der Analyse der Daten.
Weitere Anwendungen finden 13CO2-Messungen in der Diagnostik von Bauchspeicheldrüsenerkrankungen, bei der Diagnostik von Helicobacter pylori und in der Diagnostik von Enzymmangelzuständen (Lactase-Mangel etc.) (Swart, G. R. and J. W. van den Berg (1998). "13C breath test in gastroenterological practice." Scand. J. Gastroenterol. Suppl. 225: 13-8). Bezugszeichenliste
1 Strahlungsquelle
2 Treiber der Strahlungsquelle
3 Lichtstrahl
03 βrcjtpr Tpiktrahl 3a erster Teilstrahl 3b zweiter Teilstrahl
4 Zylinderlinse
5 erste Linse
6 zweite Linse
7 Filter
8 Chopper
9 Strahlteiler
10 Umlenkspiegel
11 dritte Linse
12 erster Detektor
13 Probenkammer
14 Gaseinlass
15 Gasauslass
16 Gasdurchflussmesser
17 Computer
18 Spiegel
19 vierte Linse
20 zweiter Detektor
21 erster Lock-In-Verstärker
22 zweiter Lock-In-Verstärker D1 Signal des ersten Detektors D2 Signal des zweiten Detektors
51 erstes Teilsignal des Signals des ersten Detektors
52 erstes Teilsignal des Signals des zweiten Detektors
53 zweites Teilsignal des Signals des ersten Detektors
54 zweites Teilsignal des Signals des zweiten Detektors S0 Differenzsignal
ST1 erster Spannungsteiler
ST2 zweiter Spannungsteiler

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases, mit mindestens einer Strahlungsquelle, mindestens einer Detektionsvorrichtung, mindestens einer Probenkammer und einem System optischer Elemente, welches dazu vorgesehen und eingerichtet ist, zumindest einen Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch die Probenkammer auf die Detektionsvorrichtung zu lenken, wobei die Probenkammer zur Aufnahme einer gasförmigen Probe, die das zu analysierende Gas enthält, dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Probe die Probenkammer (13) kontinuierlich durchströmen kann, und Mittel (16) vorgesehen sind, den Druck und/oder das Volumen und/oder die Konzentration der Probe in der Probenkammer (13) zu bestimmen.
2. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass im Wesentlichen nur eine Absorption eines einzigen Isotops des Gases von der emittierten Strahlung (3) angeregt und/oder von der Detektionsvorrichtung (12; 20) erfasst wird.
3. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle und/oder mindestens eines der optischen Elemente zur isotopenselektiven Anregung der Absorption des Gases ausgestaltet sind.
4. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung und/oder mindestens eines der optischen Elemente zur isotopenselektiven Detektion der Absorption des Gases ausgestaltet sind.
5. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die spektroskopische Analyse zeitaufgelöst erfolgt.
6. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung höher als 1 Sekunde ist.
7. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung 0,2 bis 0,4 Sekunden beträgt.
8. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Strahlungsquelle (1 ) emittierte Strahlung (3) eine Wellenlänge im Infrarotbereich, insbesondere im mittleren Infrarotbereich, aufweist.
9. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1 ) ein Quantenkaskadenlaser ist.
10. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenkaskadenlaser infrarotes Licht aus einem Wellenzahlenbereich von 2280 bis 2230 cm"1 emittiert.
1 1. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Detektionsvorrichtung (12; 20) ein photovoltaischer MCT-Detektor ist.
12. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg, den die in die Probenkammer (13) gelenkte Strahlung (3b) zurücklegen muss, um auf die
Detektionsvorrichtung (20) zu treffen, durch eine Anordnung von Spiegeln (18) um ein Vielfaches größer ist als die größte Längenausdehnung der Probenkammer (13).
13. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg, den die in die Probenkammer (13) gelenkte
Strahlung (3b) zurücklegen muss, um auf die Detektionsvorrichtung (20) zu treffen, mindestens 1 ,5 m beträgt.
14. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe, die das zu analysierende Gas enthält, Atemluft ist.
15. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Gas 13CO2 ist.
16. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Anschluss aufweist, mittels dessen ein Schlauch mit der Vorrichtung verbunden werden kann, wobei der Schlauch zum Einbringen der Probe in die Probenkammer (13) dient.
17. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (13) ein Auslassmittel (15) zum Ausbringen zumindest eines Teils der Probe aufweist, das derart ausgestaltet ist, dass es nur einen Substanztransport aus der Probenkammer (13) heraus zulässt.
18. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases mit folgenden Schritten:
Einbringen einer Probe, die das zu analysierende Gas enthält, in eine Probenkammer, indem die Probe in die Probenkammer einströmt, wobei die Probenkammer ein anschließendes Ausströmen der Probe aus der
Probenkammer zulässt,
Leiten zumindest eines Teils einer von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch die Probenkammer auf eine Detektionsvorrichtung mittels eines Systems optischer Elemente zur Analyse des Gases und - Detektion einer Absorption der Strahlung durch das zu analysierende Gas mittels der Detektionsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Drucks und/oder des Volumens und/oder der Konzentration der Probe in der Probenkammer (13) während der Analyse durch geeignete Mittel (16) bestimmt wird.
19. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen nur eine Absorption eines einzigen Isotops des Gases von der emittierten Strahlung (3) angeregt und von der Detektionsvorrichtung (12; 20) erfasst wird.
20. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die spektroskopische Analyse zeitaufgelöst erfolgt.
21. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung höher als 1 Sekunde ist.
22. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung 0,2 bis 0,4 Sekunden beträgt.
23. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absorption des zu analysierenden Gases im mittleren Infrarotbereich detektiert wird.
24. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe, die das zu analysierende Gas enthält, Atemluft ist.
25. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Gas 13CO2 ist.
26. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Probe in die Probenkammer (13) mittels eines Schlauchs erfolgt.
27. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbringen der Probe durch ein Auslassmittel (15) erfolgt, das nur einen Substanztransport aus der Probenkammer (13) heraus zulässt.
28. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Bestimmung eines biologischen Parameters eines Individuums mittels einer spektroskopischen Analyse einer aus dem Individuum entstammenden gasförmigen Probe.
29. Verwendung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der biologische
Parameter die Funktion eines Organs des Individuums ist.
30. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der biologische Parameter die Konzentration eines Enzyms in einem Organ und/oder Gewebe des Individuums ist.
31. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der biologische Parameter die Konzentration mindestens einer mikrobiellen Spezies in einem Organ und/oder Gewebe des Individuums ist.
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