EP1996920A1 - Apparatus for spectroscopically analysing a gas - Google Patents

Apparatus for spectroscopically analysing a gas

Info

Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
spectroscopic analysis
sample
sample chamber
gas according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07723482A
Other languages
German (de)
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/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating 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
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/083Measuring rate of metabolism by using breath test, e.g. measuring rate of oxygen consumption
    • A61B5/0836Measuring rate of CO2 production
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/087Measuring breath flow
    • A61B5/0873Measuring breath flow using optical means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/497Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/004CO 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.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Obesity (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

The invention relates to an apparatus for spectroscopically analysing a gas, said apparatus having at least one radiation source (1), at least one detection apparatus (12; 20), at least one sample chamber (13) and a system of optical elements (4; 5; 6; 7; 9; 10; 11; 18; 19) which is intended and set up to direct at least part (3b) of the radiation (3) emitted by the radiation source (1) through the sample chamber (13) onto the detection apparatus (20), wherein the sample chamber (13) is used to hold a gaseous sample which contains the gas to be analysed, and wherein the apparatus is configured in such a manner that the sample can continuously flow through the sample chamber (13), and means (16) are provided for the purpose of determining the pressure and/or the volume and/or the concentration of the sample in the sample chamber (13). The invention also relates to a corresponding method for spectroscopically analysing a gas.

Description

Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases Device for the spectroscopic analysis of a gas
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.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.
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.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.
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.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. For this reason, non-dispersive isotope-selective infrared spectroscopy (NDIRS) (eg Fischer Analyzes Instruments, Leipzig) and a method based on infrared emission and absorption (LARA) are also used in the prior art. However, both methods measure only relative 13 CO 2 - concentration changes and do not allow absolute 13 CO 2 concentration measurement. For the latter two methods, an estimated total CO 2 production rate of one to calculate the relative 13 CO 2 concentration changes investigated without being able to accurately determine the actual total CO 2 production rate.
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.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). Furthermore, NDIRS devices are not mobile.
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.Furthermore, it is methodologically partially effective only the 13 CO 2/12 CO 2 ratio is determined. From this, the absolute amount of exhaled 13 CO 2 per unit time can be calculated with the aid of the total CO 2 production rate per minute of the patient. However, the CO 2 production rate can only be measured with great difficulty in a single individual. The prior art therefore uses for calculation an estimated standard value of the CO 2 production rate which is respectively adapted to the body surface of the individual (Schoeller, DA, JF Schneider, et al. (1977). "Clinical diagnosis with the stable isotope 13 C in CO2 breath tests: methodology and fundamental considerations. "J. Lab. Clin. Med. 90 (3): 412-21; Schoeller, DA, PD Klein, et al. (1981)." Fecal 13 C analysis for the detection and quantitation of intestinal malabsorption. "J. Lab. Clin. Med. 97 (3): 440-8). This procedure requires significant inaccuracy in many clinical situations where the individual's CO 2 production rate is altered from normal.
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 einesUS 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
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.Isotopes alone. By using the gas transfer system, preferably not all of the exhaled air is expelled, but only portions thereof are introduced into the spectrometer. US Pat. No. 6,186,958 describes a respiratory analyzer which is designed for online analysis of continuously exhaled breath. This analyzer can distinguish between individual isotopes of gas through the use of multiple gas discharge lamps, each filled with only one isotope of gas to be analyzed. However, only the relative ratio of the individual isotopes of the gas to each other can be determined by means of this analyzer. This is based in particular on the fact that the concentration of the air to be analyzed in a sample chamber of the analyzer can not be determined.
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.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.
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.This problem is solved by a device having the features of claim 1, a method having the features of claim 18 and the use of a device according to the invention having the features of claim 28.
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.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.
Solche Mittel können beispielsweise ein Druckmesser oder ein Volumenmesser, ggf. in Verbindung mit einem Temperaturmesser, sein.Such means may be, for example, a pressure gauge or a volume meter, optionally in conjunction with a temperature gauge.
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.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. In a preferred embodiment of the invention, 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.
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.In order to achieve this, the emitted radiation preferably passes through a filter which is continuous only for radiation in the desired wavelength range. Furthermore, 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. In addition, it is preferable to use a radiation source which emits only radiation in a narrow wavelength range, so that substantially no absorption other than the desired absorption is excited. 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.
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.In order to enable a high information density of the gas analyzes carried out by means of the device, the device is preferably designed in such a way that the spectroscopic analysis of the gas takes place in a time-resolved manner. For this purpose, preferably 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.
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.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.
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).In particular, since molecular vibrations are to be studied, 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 μm (corresponding to 4000 to 200 cm -1 ).
Damit bereits eine gepulste Strahlung mit hoher Energiedichte und Brillanz von der Strahlungsquelle emittiert wird, wird vorzugsweise ein Quantenkaskadenlaser verwendet. OIn order to emit pulsed radiation of high energy density and brilliance from the radiation source, a quantum cascade laser is preferably used. 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.For an application of the device according to the invention for the investigation of 13 CO 2 absorptions, which represents a preferred use of the invention, it is preferable to use a quantum cascade laser which emits light from a wavenumber range of about 2280 to 2230 cm -1 . In this wavenumber range, 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.
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.For a sensitive and specific absorption of the preferably investigated 13 CO 2 bands, 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.
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. DiesesSince 13 CO 2 has only a small but undisturbed absorption in the preferably examined spectral range, a large number of mirrors is arranged in the sample chamber, which reflects the light beam injected into the sample chamber back and forth several times within the sample chamber. As a result, the beam path to be traveled by the light beam is increased many times, thus fictitiously increasing the amount of the gas under investigation. This
Verfahren lässt sich auch auf andere Substanzen, die nur einen geringen Extinktionskoeffizienten im jeweils untersuchten Bereich aufweisen, anwenden.Method can also be applied to other substances that have only a low extinction coefficient in each examined area.
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.Preferably, 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. By contrast, the sample chamber itself is only a few centimeters or decimetres tall.
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.Preferably, 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.
Das zu analysierende Gas ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung 13CO2.The gas to be analyzed is 13 CO 2 in a preferred embodiment of the invention.
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 DThe transfer of 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. To ensure reliable operation of the device, it is preferably designed such that only specially developed 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.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.
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.So that 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.
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.A method according to the invention 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. Such a method is characterized in that 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.
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.Preferably, essentially only an absorption of a single isotope of the gas is excited by the emitted radiation and detected by the detection device. In conjunction with the determination of the change in pressure, volume or concentration of the sample in the sample chamber during the analysis, the absolute concentration of an isotope of the gas can be determined.
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.In a preferred application of the method, the spectroscopic analysis is time-resolved in order to obtain analytical measured values as a function of time. For example, 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.
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.Preferably, 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.
Die zu untersuchende Probe ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ausgeatmete Atemluft, wobei das zu analysierende Gas bevorzugt 13CO2 ist.In a preferred embodiment of the invention, the sample to be examined is exhaled breathing air, the gas to be analyzed preferably being 13 CO 2 .
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.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.
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.In a preferred embodiment of the invention, 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.
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.A device according to the invention 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. In particular, exhaled air is considered as a gaseous sample. The sample is analyzed outside the body of the individual.
Der biologische Parameter ist bevorzugt die Funktion eines Organs des Individuums, wobei Funktions- und Kapazitätsbestimmungen der Leber und der Bauchspeicheldrüse besonders bevorzugt sind.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.
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 a variant of the invention, 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.
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.In a further variant of the invention, 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.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:Further advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Fig.1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen1 shows a schematic representation of the structure of an inventive
Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases,Device for the spectroscopic analysis of a gas,
Fig. 2 ein Schema zur Berechnung eines Differenzsignals ausgehend von Signalen, die von einer Vorrichtung gemäß der Fig. 1 detektiert werden, undFIG. 2 is a diagram for calculating a difference signal from signals detected by a device according to FIG. 1, and FIG
Fig. 3 eine schematische Darstellung möglicher Verläufe der 13CO2-Konzentration in ausgeatmeter Atemluft.Fig. 3 is a schematic representation of possible courses of 13 CO 2 concentration in exhaled breath.
Die Figur 1 zeigt eine nicht maßstabsgetreue schematische Darstellung eines Infrarotspektrometers als ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases.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.
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.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. In the further course of its propagation, 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. In this embodiment, 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 .
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.Between the second lens 6 and the filter 7, 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. By 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.
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.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.
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.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.
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.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. 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.
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.In the sample chamber 13, 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.
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.Because 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.
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 zweitenThe 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-Verstärker 22 elektronisch verbunden. Beide Lock-In-Verstärker 21 und 22 dienen der Verstärkung der von den beiden Detektoren 12 und 20 detektierten relativ schwachenLock-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
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 ersteIntensity signals of the two partial beams 3a and 3b. 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
Detektor 12, der zweite Detektor 20 und der Computer 17 gehören.Detector 12, the second detector 20 and the computer 17 belong.
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.Within the electronic component network, 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.
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.By using pulsed light with a repetition rate of about 10 kHz, it is possible to detect lock-in amplified signals with a time resolution of about 0.3 seconds. The advantages of such a time resolution are explained in more detail in the description of FIG.
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.To determine the 13 CO 2 content in a sample, 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 .
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.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. 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 Messsigπal 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.
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.On the basis of an absorption of 13 CO 2 with an absorption coefficient of ε = 30 m 2 / mol and a concentration of 13 CO 2 of about 1.4 x 10 -4 mol / m 3 in normal ambient air, a 13 CO 2 estimate conditional absorption of about 0.0042 per meter. Therefore, the beam path in the sample chamber 13, in which the gas is located, several meters (preferably 1, 5 to 2.5 m) to ensure sufficient absorption of the incident second partial beam 3b by the 13 CO 2 .
Gegenüber dem Stand der Technik werden durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in der Figur 1 beschrieben ist, die folgenden Vorteile und Verbesserungen erzielt:Compared with the prior art, the following advantages and improvements are achieved by a device according to the invention, as described in FIG. 1:
- Es ist möglich, Messungen der Absolutkonzentration eines Gases pro Zeitintervall durchzuführen.It is possible to carry out measurements of the absolute concentration of a gas per time interval.
Die Konzentrationsmessung erfolgt schneller, so dass auch eine schnellere Auswertung der Daten möglich ist.The concentration measurement is faster, so that a faster evaluation of the data is possible.
Die Datensicherheit ist durch eine geringere Anfälligkeit gegenüber Schwankungen höher.Data security is higher due to less susceptibility to fluctuations.
Konzentrationsänderungen können direkt in Echtzeit verfolgt werden.Concentration changes can be tracked directly in real time.
Die Durchflussmesstechnik erlaubt eine kontinuierliche Messung der Gasproben. - Die Messung der 13CO2-Konzentration erfolgt unabhängig von der 12CO2-Konzentration.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.
Die Messergebnisse sind unabhängig von den meisten Trägergasen. So können alsThe measurement results are independent of most carrier gases. So can as
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.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.
Durch präzise Messung der 13CO2-Konzentration und Verzicht auf eine Abschätzung der CO2-Produktionsrate sind genauere quantitative Aussagen möglich (beispielsweise quantitative Aussagen zur Leberfunktionskapazität)Accurate measurement of the 13 CO 2 concentration and no estimation of the CO 2 production rate allow for more accurate quantitative statements (eg quantitative information on liver function capacity)
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.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.
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.Only about 1% of the infrared light radiated into the sample chamber 13 as the second partial beam 3b is absorbed at the absorption wavelengths of the 13 CO 2 . On this signal an absorption change of less than 1% should be measured. This is done by measuring the signal D 1 of the first detector 12 and the signal D 2 of the second detector 20 with subsequent difference Δ. Since the two detector signals D 1 and D 2 are much larger than their difference S 0 , only a first sub-signal S 1 or S 2 , the few percent (preferably about 2%) of the signal D 1 or D 2 for direct measurement includes, used. This division of the signals D 1 and D 2 into a respective first sub-signal S 1 or S 2 and a second sub-signal S 3 or S 4 takes place through the use of two voltage dividers ST 1 and ST 2 .
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 einerThe 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
Einzelschussmessung mit integrierenden Vorverstärkern) verstärkt und von einem Analog-Single-shot measurement with integrating preamplifiers) and amplified by an analogue
Digital-Wandler im Computer 17 in digitale Signale umgewandelt. Das erwünschteDigital converter in the computer 17 converted into digital signals. The desired
Messsignal der Absorption in der Probenkammer A = -1Og(D2ZD1) wird durch Aufnahme von -1Og(I-SoZS1) = εcd-φ ermittelt.Measurement signal of the absorption in the sample chamber A = -1Og (D 2 ZD 1 ) is determined by taking -1Og (I-SoZS 1 ) = εcd-φ.
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.Here, ε is the extinction coefficient of 13 CO 2 , c is the concentration and d is the beam path of the second partial beam 3b in the sample chamber 13. The constant parameter φ 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 ε, d and φ. During installation and maintenance, a calibration of the infrared spectrometer with known 13 CO 2 concentrations are easily carried out. 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.
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.This way of data acquisition allows exploiting the high sensitivity of the first and second detectors 12 and 20, the two lock-in amplifiers 21 and 22 and the analog-to-digital converter. The entire device structure of the infrared spectrometer with the sample chamber 13 and said electronic elements is compact, portable and insensitive to external influences. This additionally increases the range of application.
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.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.
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).While the 13 CO 2 concentration in the air of an individual with a healthy liver after application of a 13 C-labeled in the liver of the individual to 13 CO 2 metabolizable substance increases very rapidly after the application of the substance and then goes back to a low level (solid curve), the 13 CO 2 concentration in the respiratory air of an individual with a diseased liver after administration of the substance reaches only very low values in order to approach a level comparable to or lower than that of the individual as time progresses with healthy liver is (dashed curve).
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.Depending on the nature and severity of the liver disease, different curves may result, which may sometimes be quite similar to those in a healthy liver. Only in the case of a measurement with a high time resolution-preferably in the sub-second range, as is possible by a device according to the invention-can the curves shown in FIG. 3 be determined with sufficient accuracy, as represented by the specification of exemplary measurement times A to F. If a comparable examination is carried out with a device in which due to poorer time resolution, for example, only at the measurement times C and F could be measured, one would obtain over the period 0 to C or C to F integrated results.
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.This would mean that a distinction between individuals with healthy and diseased liver could be performed only insufficiently. That would be special then the case, if instead of the linear course of both curves shown in the figure 3 from the measurement time E still level differences occur that could easily remain undetected at a built-in due to poorer time resolution measurement by mutual cancellation.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung - beispielsweise wie in der Figur 1 dargestellt - soll nachfolgend anhand von Anwendungsbeispielen näher erläutert werden.The use of a device according to the invention - for example, as shown in Figure 1 - will be explained in more detail below with reference to application examples.
Beispiel 1 - Verwendung als Atemanalysator zur LeberfunktionsbestimmungExample 1 - Use as Breath Analyzer for Liver Function Determination
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.Although 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.
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.Thus, with a device according to FIG. 1, the liver function of an individual can be determined quantitatively. Such a provision is very important in many areas of medicine. 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. In 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.
Eine Leberteilresektion ist ein gängiges Verfahren in der heutigen Chirurgie. Sie wird als Segmentresektion oder Hemihepatektomie entlang der anatomischen Grenzen durchgeführt.Liver resection is a common procedure in today's surgery. It is performed as segmental resection or hemihepatectomy along the anatomical boundaries.
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.Extensive interventions in the parenchymal organ have been made possible by the development of various surgical techniques. However, postoperative morbidity and mortality from liver failure due to lack of liver function capacity in pre-damaged or excess liver residual tissue remains a significant problem. Much of the surgical intervention, however, must be done in pre-damaged liver tissue, usually a cirrhotic liver.
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.It is therefore of great advantage to be able to determine the functional liver capacity of a patient even before liver partial resection in order to not expose patients who do not have sufficient functional reserves of their liver tissue to their high surgical risk or to supply them with other therapeutic procedures. In 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. In addition, in many clinical situations it is difficult to assess whether there is a parenchymal dysfunction or whether other causes are responsible for the clinical symptoms of the patients. In summary, therefore, there is a significant need to offer a truly quantitative liver function test for broad use in medicine. With a breath test with, for example, 13 C-labeled methacetin, this is possible if it is possible to measure the expired 13 CO 2 amount absolutely and precisely in the exhaled air per time interval. Previous trials could only achieve semiquantitative results through unfavorable administration (oral) and inadequate measurement methodology (Matsumoto, K., Suehiro, M., et al., (1987).) [ 13 C] methacetin breath test for evaluation of liver damage. "Dig. Dis., 32 (4): 344-8; Klatt, S., C. Taut, et al. (1997). "Evaluation of the 13 C-methacetin breath test for quantitative liver function testing." Z. gastroenterol. 35 (8): 609-14). With appropriate application (intravenous), new calculation and accurate absolute concentration measurement by means of a device according to the invention far-reaching progress in this area are possible.
Beispiel 2 - Verwendung als Atemanalysator zur Bestimmung weiterer ParameterExample 2 - Use as Respiratory Analyzer to Determine Additional Parameters
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Messung der Magenentleerungszeit. Bei vielen gastrointestinalen Erkrankungen ist dieAnother application of a device according to the invention is the measurement of gastric emptying time. In many gastrointestinal diseases is the
Magenentleerungszeit gestört (Gastroparese). Dies kann beispielsweise bei der diabetischenGastric emptying time disturbed (gastroparesis). This can be the case for diabetic patients, for example
Gastropathie, Dyspepsie und anderen Krankheiten der Fall sein. Zur Messung derGastropathy, dyspepsia and other diseases will be the case. To measure the
Magenentleerungszeit wird mit einem Testmahl eine 13C-markierte Testsubstanz (z.B.Gastric emptying time is a test meal with a 13 C-labeled test substance (eg
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.Octanoic acid) and also measured the abatement of 13 CO 2 . Here, a continuous measurement by means of a device according to the invention also provides a significantly better accuracy in the analysis of the data.
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). BezugszeichenlisteFurther applications include 13 CO 2 measurements in the diagnosis of pancreatic diseases, in the diagnosis of Helicobacter pylori and in the diagnosis of enzyme deficiency states (lactase deficiency etc.) (Swart, GR and JW van den Berg (1998).) 13 C breath gastroenterological practice. "Scand. J. Gastroenterol. Suppl. 225: 13-8). LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Strahlungsquelle1 radiation source
2 Treiber der Strahlungsquelle2 drivers of the radiation source
3 Lichtstrahl3 light beam
03 βrcjtpr Tpiktrahl 3a erster Teilstrahl 3b zweiter Teilstrahl0 3 βrcjtpr Tpiktrahl 3a, first Te i lstrahl 3b second part beam
4 Zylinderlinse4 cylindrical lens
5 erste Linse5 first lens
6 zweite Linse6 second lens
7 Filter 7 filters
8 Chopper8 choppers
9 Strahlteiler9 beam splitters
10 Umlenkspiegel10 deflecting mirrors
11 dritte Linse11 third lens
12 erster Detektor12 first detector
13 Probenkammer13 sample chamber
14 Gaseinlass14 gas inlet
15 Gasauslass15 gas outlet
16 Gasdurchflussmesser16 gas flow meter
17 Computer17 computers
18 Spiegel18 mirrors
19 vierte Linse19 fourth lens
20 zweiter Detektor20 second detector
21 erster Lock-In-Verstärker21 first lock-in amplifier
22 zweiter Lock-In-Verstärker D1 Signal des ersten Detektors D2 Signal des zweiten Detektors22 second lock-in amplifier D 1 signal of the first detector D 2 signal of the second detector
51 erstes Teilsignal des Signals des ersten Detektors5 1 first partial signal of the signal of the first detector
52 erstes Teilsignal des Signals des zweiten Detektors5 2 first partial signal of the signal of the second detector
53 zweites Teilsignal des Signals des ersten Detektors5 3 second partial signal of the signal of the first detector
54 zweites Teilsignal des Signals des zweiten Detektors S0 Differenzsignal5 4 second partial signal of the signal of the second detector S 0 difference signal
ST1 erster SpannungsteilerST 1 first voltage divider
ST2 zweiter Spannungsteiler ST 2 second voltage divider

Claims

Patentansprüche claims
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.1. An apparatus for spectroscopic analysis of a gas, comprising 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 to at least a portion of the radiation emitted by the radiation source through the sample chamber to the detection device wherein the sample chamber serves for receiving a gaseous sample containing the gas to be analyzed, characterized in that the device is designed so that the sample can flow through the sample chamber (13) continuously, and means (16) are provided, determine the pressure and / or the volume and / or the concentration of the sample in the sample chamber (13).
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.2. A device for spectroscopic analysis of a gas according to claim 1, characterized in that the device is designed such that substantially only an absorption of a single isotope of the gas from the emitted radiation (3) excited and / or by the detection device (12; 20) is detected.
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.3. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to claim 2, characterized in that the radiation source and / or at least one of the optical elements for isotope-selective excitation of the absorption of the gas are configured.
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.4. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to claim 2, characterized in that the detection device and / or at least one of the optical elements for isotope-selective detection of the absorption of the gas are configured.
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.5. A device for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the device is designed such that the spectroscopic analysis is time-resolved.
6. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung höher als 1 Sekunde ist. 6. A device for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the time resolution is greater than 1 second.
7. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung 0,2 bis 0,4 Sekunden beträgt.7. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the time resolution is 0.2 to 0.4 seconds.
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.8. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the of the radiation source (1) emitted radiation (3) has a wavelength in the infrared range, in particular in the mid-infrared range.
9. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1 ) ein Quantenkaskadenlaser ist.9. A device for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the radiation source (1) is a quantum cascade laser.
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.10. An apparatus for spectroscopic analysis of a gas according to claim 9, characterized in that the quantum cascade laser emits infrared light from a wavenumber range of 2280 to 2230 cm "1 .
1 1. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die1 1. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the
Detektionsvorrichtung (12; 20) ein photovoltaischer MCT-Detektor ist.Detection device (12; 20) is a photovoltaic MCT detector.
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 die12. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the path which the in the sample chamber (13) directed radiation (3b) must cover to on the
Detektionsvorrichtung (20) zu treffen, durch eine Anordnung von Spiegeln (18) um ein Vielfaches größer ist als die größte Längenausdehnung der Probenkammer (13).Detection device (20), by an arrangement of mirrors (18) is greater by a multiple than the largest longitudinal extent of the sample chamber (13).
13. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg, den die in die Probenkammer (13) gelenkte13. A device for the spectroscopic analysis of a gas according to claim 12, characterized in that the path that the in the sample chamber (13) directed
Strahlung (3b) zurücklegen muss, um auf die Detektionsvorrichtung (20) zu treffen, mindestens 1 ,5 m beträgt.Radiation (3b) must travel to hit the detection device (20) is at least 1, 5 m.
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. 14. An apparatus for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the sample containing the gas to be analyzed is breathing air.
15. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Gas 13CO2 ist.15. An apparatus for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas to be analyzed 13 is CO 2 .
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.16. An apparatus for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the device has a connection by means of which a hose can be connected to the device, wherein the tube for introducing the sample into the sample chamber (13).
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.17. A device for spectroscopic analysis of a gas according to any one of the preceding claims, characterized in that the sample chamber (13) comprises an outlet means (15) for dispensing at least a portion of the sample, which is designed such that there is only a substance transport from the sample chamber (13).
18. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases mit folgenden Schritten:18. A method for spectroscopic analysis of a gas comprising the following steps:
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 derIntroducing a sample containing the gas to be analyzed in a sample chamber by the sample flows into the sample chamber, wherein the sample chamber, a subsequent outflow of the sample from the
Probenkammer zulässt,Sample chamber allows,
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.Directing at least part of a radiation emitted by a radiation source through the sample chamber onto 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, characterized in that a change in the pressure and / or the volume and / or concentration of the sample in the sample chamber (13) during analysis is determined by suitable means (16).
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. 19. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to claim 18, characterized in that substantially only an absorption of a single isotope of the gas from the emitted radiation (3) is excited and detected by the detection device (12;
20. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die spektroskopische Analyse zeitaufgelöst erfolgt.20. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to claim 18 or 19, characterized in that the spectroscopic analysis is time-resolved.
21. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitauflösung höher als 1 Sekunde ist.21. A method for spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 20, characterized in that the time resolution is greater than 1 second.
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.22. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the time resolution is 0.2 to 0.4 seconds.
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.23. A method for spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 22, characterized in that an absorption of the gas to be analyzed in the middle infrared range is detected.
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.24. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 23, characterized in that the sample containing the gas to be analyzed is respiratory air.
25. Verfahren zur spektroskopischen Analyse eines Gases nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Gas 13CO2 ist.25. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 24, characterized in that the gas to be analyzed 13 is CO 2 .
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.26. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 25, characterized in that the introduction of the sample into the sample chamber (13) by means of a hose.
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.27. A method for the spectroscopic analysis of a gas according to any one of claims 18 to 26, characterized in that the application of the sample by an outlet means (15) takes place, which allows only a substance transport out of the sample chamber (13) out.
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.28. Use of a device according to one of claims 1 to 17 for the determination of a biological parameter of an individual by means of a spectroscopic analysis of a gaseous sample originating from the individual.
29. Verwendung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der biologische29. Use according to claim 28, characterized in that the biological
Parameter die Funktion eines Organs des Individuums ist. Parameter is the function of an organ of the individual.
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.Use of a device according to claim 28, characterized in that the biological parameter is the concentration of an enzyme in an organ and / or tissue of the individual.
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. Use of a device according to claim 28, characterized in that the biological parameter is the concentration of at least one microbial species in an organ and / or tissue of the individual.
EP07723482A 2006-03-17 2007-03-16 Apparatus for spectroscopically analysing a gas Ceased EP1996920A1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006012740 2006-03-17
DE102006018862A DE102006018862A1 (en) 2006-03-17 2006-04-13 Device for the spectroscopic analysis of a gas
PCT/EP2007/002525 WO2007107366A1 (en) 2006-03-17 2007-03-16 Apparatus for spectroscopically analysing a gas

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1996920A1 true EP1996920A1 (en) 2008-12-03

Family

ID=38110172

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07723482A Ceased EP1996920A1 (en) 2006-03-17 2007-03-16 Apparatus for spectroscopically analysing a gas

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20090124918A1 (en)
EP (1) EP1996920A1 (en)
AU (1) AU2007228959B2 (en)
CA (1) CA2645445A1 (en)
DE (1) DE102006018862A1 (en)
WO (1) WO2007107366A1 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8512258B2 (en) * 2005-11-11 2013-08-20 Exalenz Bioscience Ltd. Breath test device and method
DE102008036050A1 (en) * 2008-08-01 2010-02-04 Neoplas Control Gmbh Method for controlling gas flow in process chamber for e.g. surface processing, in semiconductor industry, involves actively controlling mass flow controller in-situ based on concentration measurement of molecules, atoms, radicals and ions
FR2941530B1 (en) * 2009-01-28 2011-03-18 S Seres Environnement Sa PORTABLE ETHYLOMETER APPARATUS
US11534081B2 (en) * 2009-08-06 2022-12-27 Peter Theophilos Banos Methods of and devices for monitoring the effects of cellular stress and damage resulting from radiation exposure
DE102009055321B4 (en) 2009-12-24 2013-04-18 Humedics Gmbh Method for determining the liver performance of a living organism by means of quantitative measurement of the metabolism of substrates
DE102009055320B4 (en) * 2009-12-24 2011-09-01 Humedics Gmbh Measuring device and method for examining a sample gas by means of infrared absorption spectroscopy
US8368892B2 (en) * 2010-01-28 2013-02-05 Nokia Corporation Infrared spectroscopy
DE102010030549B4 (en) 2010-06-25 2016-04-28 Siemens Aktiengesellschaft Non-dispersive gas analyzer
EP2702391B1 (en) * 2011-04-26 2020-08-05 Koninklijke Philips N.V. Apparatus and method for controlling radiation source variability for optical gas measurement systems
US10732099B2 (en) * 2016-01-06 2020-08-04 Tokushima University Gas analysis device and gas analysis method using laser beam
JP7108327B2 (en) * 2018-09-21 2022-07-28 大塚電子株式会社 Measuring device and measuring method
DE102022208770A1 (en) 2022-08-24 2024-02-29 Hochschule Reutlingen, Körperschaft des öffentlichen Rechts Device for detecting at least one gaseous component in a gas

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005041769A1 (en) * 2003-10-31 2005-05-12 Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd. Gas injection amount determining method in isotope gas analysis, and isotope gas analyzing and measuring method and apparatus

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4410273A (en) * 1981-03-09 1983-10-18 Laser Analytics, Inc. Scanning laser spectrometer
DE4012454C1 (en) * 1990-04-19 1991-08-08 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V., 8000 Muenchen, De
US5807750A (en) * 1995-05-02 1998-09-15 Air Instruments And Measurements, Inc. Optical substance analyzer and data processor
US5543621A (en) * 1995-05-15 1996-08-06 San Jose State University Foundation Laser diode spectrometer for analyzing the ratio of isotopic species in a substance
US5838008A (en) * 1996-12-18 1998-11-17 University Of Wollongong Method and apparatus for measuring gas concentrations and isotope ratios in gases
IL121793A (en) * 1997-09-17 2008-06-05 Lewis Coleman Isotopic gas analyzer
US6186958B1 (en) * 1997-02-26 2001-02-13 Oridion Medical Breath test analyzer
DE19962589A1 (en) * 1999-12-23 2001-07-19 Abb Patent Gmbh Method and device for measuring a proportion of a measuring gas
WO2002057753A2 (en) * 2001-01-22 2002-07-25 Andreas Wolf Rapid test for biological substances using ftir
US6599253B1 (en) * 2001-06-25 2003-07-29 Oak Crest Institute Of Science Non-invasive, miniature, breath monitoring apparatus
GB0120027D0 (en) * 2001-08-16 2001-10-10 Isis Innovation Spectroscopic breath analysis
US20050124869A1 (en) * 2003-12-08 2005-06-09 John Hefti Non-invasive, in vivo substance measurement systems
WO2005117700A1 (en) * 2004-05-26 2005-12-15 The Regents Of The University Of California Portable alveolar gas meter
US8512258B2 (en) * 2005-11-11 2013-08-20 Exalenz Bioscience Ltd. Breath test device and method
JP2009516534A (en) * 2005-11-11 2009-04-23 ブレスアイディー・(2006) Breath test apparatus and method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005041769A1 (en) * 2003-10-31 2005-05-12 Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd. Gas injection amount determining method in isotope gas analysis, and isotope gas analyzing and measuring method and apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
AU2007228959A1 (en) 2007-09-27
DE102006018862A1 (en) 2007-09-20
US20090124918A1 (en) 2009-05-14
CA2645445A1 (en) 2007-09-27
WO2007107366A1 (en) 2007-09-27
AU2007228959B2 (en) 2013-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1996920A1 (en) Apparatus for spectroscopically analysing a gas
DE102009055320B4 (en) Measuring device and method for examining a sample gas by means of infrared absorption spectroscopy
DE69828799T2 (en) ISOTOPE GAS ANALYZER
DE19925196C2 (en) Gas sensor arrangement
DE10027100C2 (en) Method and device for detecting substances in body fluids
KR102432337B1 (en) Method and apparatus for measuring a spectral sample response
EP0634644A1 (en) Device for determining the 13CO2/12CO2 concentration ratio in a gas sample
WO2008014890A1 (en) Method for the glucose concentration in pulsational blood
DE60028114T2 (en) Process for the analysis of exhaled gas
EP2482057B1 (en) Gas analyser for measuring the mercury content of a gas and calibration method
EP3671184A1 (en) Alcohol detection device with redundant measurement channels and method for measuring an ethanol concentration in breathing air
EP2726830B1 (en) Gas chromatograph with absorption spectrometer and method for analyzing a gas mixture per gas chromatography
DE19607062C2 (en) Method for determining the concentration of ethanol in a breath gas sample
DE4018393A1 (en) Measuring photosynthesis exchange gases - using leaf cuvette and photo-acoustic gas measurement in gas analyser
EP0952441B1 (en) Method for measuring sunlight induced fluorescence
Namjou et al. Breath-analysis using mid-infrared tunable laser spectroscopy
DE19714903A1 (en) Calibration process for non-dispersive infra-red spectrometers
DE102009058394B3 (en) Method for measuring the concentration of at least one gas component in a sample gas
WO2006136281A1 (en) Raman spectroscopy analysis method and device therefor
DE102011007310A1 (en) Method for determining the metabolic performance of at least one enzyme
DE2906742A1 (en) Concn. monitor for anaesthetic gas - uses optically energised and temp. stabilised test cell in exhalation circuit
DE3307133A1 (en) INFRARED RADIATION GAS ANALYSIS METHOD AND GAS ANALYZER
DE102015214926A1 (en) Urinalysis in flow in real time by spectral measurement
EP2042866A1 (en) Analysis of inspiration/expiration air
DD219287A1 (en) MEASURING DEVICE FOR CONTROLLING BLOOD SUGAR

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20080919

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20091104

APBK Appeal reference recorded

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNREFNE

APBN Date of receipt of notice of appeal recorded

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNNOA2E

APAF Appeal reference modified

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSCREFNE

APBT Appeal procedure closed

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNNOA9E

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20110315