DE2039382A1 - Geraet zur Bestimmung des CO2-Gehaltes einer biologischen Substanz - Google Patents

Geraet zur Bestimmung des CO2-Gehaltes einer biologischen Substanz

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Description

8346-70/Dr.V.B/Elf
Institut für Plasmaphysik G.m.b.H.> 8046 Garching
Gerät zur Bestimmung des C02-Gehaltes einer biologischen Substanz
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung des GO2-Gehaltes einer biologischen Substanz durch Absorption optischer Strahlung, mit einer Strahlungsquelle und einer Strahlungsnachweiseinrichtung, die ein Ausgangssignal liefert, das von der Intensität und/oder Phase der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung nach deren Beeinflussung durch die biologische Substanz abhängt.
Die Aufgabe, den Gehalt einer biologischen Substanz an CO2 zu untersuchen, tritt in der Praxis relativ häufig auf, da CO2 ein charakteristisches StoffWechselendprodukt darstellt. Es ist bekannt, den CQ2-Gehalt von Gasen durch Ihfrarot^Absorption zu messen. Die bekannten Infrarot-Absorptionsmeßgeräte eignen sich jedoch praktisch nur zur Bestimmung des-.Gehaltes von Gasen an freiem CO2. Für viele andere Zwecke, z.B. die Untersuchung von StoffWechselvorgängen, des Ablaufes biologischer Verfahren, von Bakterienkulturen, Gewebsaufschwemmungen oder des Gehaltes von Blut an CO2 ,z.B. während Operationen, muss das CO2 in mehr oder weniger festgebundener Form bestimmt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung des CO2-Gehaltes biologischer Substanzen anzugeben, das genaue Meßwerte mit verhältnismässig kurzer Zeitkonstante liefert und sehr vielseitig einsetzbar ist.
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Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Gerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Strahlungsquelle ein CO2-Laser ist.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei Verwendung eines CC^-Lasers als Strahlungsquelle CO2 nicht nur in mehr oder weniger stark gebundener Form, z.B. im Blut (Oxy-Hämoglobin) quantitativ nachgewiesen werden kann, sondern daß sogar eine quantitative Bestimmung in Gegenwart von H2O , also z.B. in wässrigen Lösungen, möglich ist, obwohl H2O im Bereich der CO- -Absorption (ca. 10,6 ,um) eine sehr breite und starke Absorptionsbande aufweist.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren drei Figuren jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ggrätes gemäss der Erfindung zeigen.
Das in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet mit Transmission. Es enthält einen nur schematisch dargestellten C02-Laser 10, der vorzugsweise kontinuierlich arbeitet und ein Strahlungsbündel 12 mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 ,um liefert. Im Weg des Strahlungsbündels 12 ist eine für die 12,6-,um-Strahlung durchlässige Meßküvette 14 angeordnet, in der sich die zu untersuchende biologische Substanz befindet. Die Meßküvette kann z.B. eine 10 ,um dicke Schicht der biologischen Substanz einschliessen. Die Meßküvette 14 kann in eine Leitung 16 eingeschaltet sein, durch die die zu untersuchende biologische Substanz strömt. Im Falle von Blut kann es
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sich bei der Leitung 16 z.B. durch einen extrakorporalen Kreislauf handeln.
Nachdem die Laserstrahlung 12 die Meßküvette 14 durchsetzt hat, ; wird sie mittels einer geeigneten IR-durchlässigen Optik 18 auf einen Strahlungsdetektor 20 fokussiert, der z.B. aus einem Bolometer einer PbS-Zelle usw. bestehen kann. An den Strahlungsdetek-i tor 20 ist eine Anzeige- oder Registriervorrichtung 22 , z.B. ; ein Meßgerät und/oder Schreiber angeschlossen. j
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Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Gerätes ge- / j ■ mäss der Erfindung arbeitet mit Reflexion.* Das-vom'CQ^ --Laser iö I erzeugte Strahlungsbündel 12 fällt auf die zu untersuchende bio-j logische Substanz 24, z.B. die Haut eines Patienten, und wird ! von dieser durch die Optik 18 in den Strahlungsdetektor 20 reflektiert. Dieses für unblutige Messungen geeignete Gerät kann z.B. an das Ohrläppchen angesetzt werden , um die Konzentration an i Oxyhämoglobin zu bestimmen. *
Die zu untersuchende biologische Substanz kann sich bei der Re- · flexionsmessung mit dem Gerät gemäss Figur 2 selbstverständlich auch in einer Meßküvette befinden, wie es bei dem Gerät gemäss
Figur 1 der Fall ist. ; Λ
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Gerätes ; ■ . *. gemäss der Erfindung wird eine Vergleichsmessung durchgeführt. j Das Strahlungsbündel 12 vom CO2-Laser 10 wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 26 in ein Referenzbündel 12a und ein Meß- ! bündel 12b geteilt. Das Referenzbündel 12a fällt durch eine :
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Vergleichsküvette 14a auf einen Spiegel 28, der in Richtung der Achsedes einfallenden Strahiungsbünaels durch eine Verstellvorrichtung 30, die einen piezoelektrischen Kristall enthält, !
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verstellbar ist. Das reflektierte Referenzbündel fällt auf einen halbdurchlässigen Spiegel 32, der es teilweise in den Strahlungsdetektor 20 reflektiert.
j Das Meßbündel 12b wird durch einen Spiegel 34 umgelenkt und ι fällt dann durch eine Meßküvette 14b, die die zu untersuchende ; biologische Substanz enthält, und den halbdurchlässigen Spiegel ι 32 zusammen mit dem reflektierten Referenzbündel auf den Strahlungsdetektor 20. Die durch einen Doppelpfeil angedeutete herste1 lung des Spiegels 28 wird durch eine Kompensatxonsspannung ge- '.. steuert, die aus dem Ausgangssignal des Strahlungsdetektors ! erzeugt wird, und die Kompensationsspannung wird in der Einrich-
j tung 22' als Meßwert geschrieben oder angezeigt. Solche NuIl-' Methoden sind im Prinzip bekannt.
Der Erfindungsgedanke lässt sich dahingehend verallgemeinern, daß bei Messungen des Gehaltes einer Substanz durch Beeinflussung der Intensität und/oder Phase einer elektromagnetischen Strahlung als Strahlungsquelle ein Laser verwendet wird, der ein die nachzuweisende Substanz oder den nachzuweisenden Bestandteil dieser Substanz enthaltendes aktives Medium enthält. Es kann sich dabei sowohl um Gaslaser als auch um Flüssigkeiten oder Festkörperlaser handeln.
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Claims (4)

Pa te nt a η s ρ r ü ehe
1.) Gerät zur Bestimmung des CO2~Gehaltes einer biologischen Substanz durch eine optische Strahlung, mit einer Strahlungsquelle und einer Strahlungsnachweiseinrichtung, die ein Ausgangssignal liefert, das von der Intensität und/oder Phase der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung nach deren Beeinflussung durch die biologische Substanz abhängt, d a d u r σ h g e k e η η ζ ei c h η e t , daß die Strahlungsquelle ein Laser ist.
2.) Gerät nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e η η ζ e ic h η e t , daß der Strahlengang zwischen dem Laser (10) und der Strahlungsnachweiseinrichtung (20) unverzweigt ist und eine Meßküvette (14) enthält.
3.) Gerät nach Anspruch 1, d a d u rc hg e ken ή ζ ei c hn e t , daß der Laser (10) und die Nachweiseinrichtung (20) bezüglich der biologischen Substanz (24) so angeordnet sind, daß die vom Laser (10) auf die biologische Substanz (24) geworfene strahlung (12) in die Nachweiseinrichtung (20) reflektiert wird. ''.*..■■"■■ . .,..'"'
4.) Gerät nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i c h η e t d u r ch einen Bündelteiler (26), der das vom Laser (10) erzeugte Strahlungsbündel (12) in ein Referenzbündel (12a), in dessen Weg eine Vergleichsküvette (14a)angeordnet ist, und ein Meßbündel (12b) in dessen Weg eine Meßküvette (14b), aufteilt; eine Vorrichtung (28,30) im Strahlengang mindestens eines der beiden Bündel (12a,12b) zum Verändern der optischen Länge des vom einen Bündel durchlaufenen Weges bezüglich der optischen Länge des
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vom anderen Bündel durchlaufenen Weges, eine Vorrichtung (32) zur Vereinigung der beiden Bündel , nachdem sie die zugehörigen Küvetten durchsetzt haben, und eine Anordnung (20, 22; 30) zur Steuerung der die optische Weglänge beeinflussenden Vorrichtung als Funktion des vereinigten Bündels.
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