DE2045386A1 - Gerät zur Bestimmung des CO tief 2-Gehaltes einer biologischen Substanz - Google Patents

Gerät zur Bestimmung des CO tief 2-Gehaltes einer biologischen Substanz

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DE2045386A1 DE19702045386 DE2045386A DE2045386A1 DE 2045386 A1 DE2045386 A1 DE 2045386A1 DE 19702045386 DE19702045386 DE 19702045386 DE 2045386 A DE2045386 A DE 2045386A DE 2045386 A1 DE2045386 A1 DE 2045386A1
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Description

204538G
8346-70 A
Mstitut für Plasmaphysik G0I]Ub0H., 8CM-6 Garching
Gerät zur Bestimmung des CO^-Gehaltes einer biologischen Substanz
(Zusatz zu Patent 00o<. (Patentanmeldung P 20 39 382)
Das Hauptpatent betrifft ein Gerät zur Bestimmung des GÖo-Gehaites einer biologischen Substanz durch Absorption optischer Strahlung, mit einer Strahlungsquelle und einer Strahlungsnachweiseinricfetung, die ein Ausgangssignal liefert, das von der Intensität und/oder Phase der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung nach deren Beeinflussung durch die biologische Substanz •abhängte Gemäß dem Hauptpatent ist die Strahlungsquelle ein COn
Die Aufgabe, den Gehalt einer biologischen Substanz an zu bestimmen, tritt in der Praxis relativ häufig auf, da CO2 ein charakteristisches Stoffwechselendprodukt darstellte Es ist bekannt, den CO^-Gehalt von Gasen durch Infrarot-Absorption zu messen,, Die bekannten Infrarot-Absorptionsmeßgeräte eignen sich jedoch praktisch nur
2Q9813/USÖ
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zur Bestimmung des Gehaltes von Gasen an freiem CO~e Für viele andere Zwecke, zoB„ die Untersuchung von Stoffwechselvorgängen, des Ablaufes biologischer Verfahren, von Bakterienkulturen, Gewebsaufschwemmungen oder des Gehaltes von Blut an CCL·, z,Bo während Operationen, muß das CC^ in mehr oder weniger festgebundener Form bestimmt werden«
überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei Verwendung eines COp-Lasers als Strahlungsquelle GCU nicht nur in mehr oder weniger stark gebundener Form, Z0B0 im Blut (Oxy-Hämoglobin) quantitativ nachgewiesen werden kann, sondern daß sogar eine quantitative Bestimmung in Gegenwart von H2O, also Z0B0 in wässrigen Lösungen, möglich ist, obwohl ELpO im Bereich der CO^-Absorption (ca„ 10,6 /um) eine sehr breite und starke Absorptionsbande aufweist»
Beim Hauptpatent wird das vom COp-Laser erzeugte Strahlungsbündel nach Transmission oder Reflexion durch das Meßobjekt durch einen Strahlungsdetektor wahrgenommen, der Z0B0 aus einem Bolometer, einer PbS-ZeIIe, einer Halbleiter-Photodiode, einem Phototransistor usw. bestehen kann. An den Strahlungsdetektor ist eine Anzeige- oder Registriervorrichtung, Z9 B0 ein Meßgerät und/oder Schreiber, angeschlossene
Durch die vorliegende Erfindung soll die Nachweisempfindlichkeit weiter gesteigert werden.
Gemäß der Erfindung wird dies bei dem Gerät dem Hauptpatent dadurch erreicht, daß die Strahlungsnachweiseinrichtung eine Detektorbrücke enthält, in der ein vom Strahlungsbündels des CO^-Lasers vor dem Meßobjekt abgezweigtes Referenzbündel mit zwei in Phasenquadratur
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stehenden Versionen eines durch das Meßobjekt beeinflußten Teiles des Laserstrahlungsbündels gemischt oder in Referenz gebracht und die beiden sich dabei ergebenden Ausgangsbündel getrennt nachgewiesen wenden,»
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnete .
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren ; v·"' Figuren jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigen.
Das in Figur 1 dargestellte erstö Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet mit Transmission. Es enthält einen nur schematisch dargestellten CO^-Laser 10, der vorzugsweise kontinuierlich arbeitet und ein Strahlungsbündel 12 mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 /Um lieferte 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 befindete Die Meßküvette kann Z0B0 eine 10 /um dicke Schicht der biologischen Substanz einschliesfien und in eine Leitung 16 eingeschaltet sein, durch die lie zu untersuchende biologische Substanz strömte Im Falle von Blut kann es sich bei der Leitung 16 z.B0 um einen extrakorporalen Kreislauf handeln,»
Beim entsprechenden Ausführungsbeispiel des Hauptpatentes wird die Laserstrahlung 12, nachdem sie die Meßküvette durchsetzt hat, mittels einer geeigneten IR-durchlässigen
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Optik auf einen Strahlungsdetektor fokussiert, der z.B„ aus einem Bolometer einer PbS-ZeIIe1 einer Sperrschicht-Photodiode, einem Phototransistor uswo bestehen kann. An den Strahlungsdetektor ist eine Inzeige- oder Registriervorrichtung, zeBo ein Meßgerät.?und/oder Schreiber angeschlossene
Beim vorliegenden Gerät ist im Strahlungsgang des Strahlungsbündels 12 noch ein teildurchlässxger Spiegel 13 angeordnet, der das Strahlungsbündel 12 in ein Meßbündel 12m und ein Referenzbündel 12r aufspaltet» Das Referenzbündel 12r wird
fc durch einen Spiegel 15 in eine zum Meßbündel 12m parallele Richtung reflektierte Die Lage des Spiegels 15 kann in bekannter Weise mittels eines piezoelektrischen Bauelementes steuerbar sein, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, um eine gewünschte Phasenlage zwischen Meßbündel und Referenzbündel einstellen zu können. Das vom Meßobjekt beeinflußte Meßbündel und das Referenzbündel werden in einer als Ganzes mit 17 bezeichneten Nachweiseinrichtung verarbeitete Die Nachweiseinrichtung enthält eine Interferometer- oder Mischaniiordnung 19» in der ein der Dämpfung des Meßbündels durch das Meßobjekt und ein der Phasenverschiebung des Meßbündels durch das Meßobjekt entsprechendes Ausgangssignal erzeugt werden« Hierzu wird das reflektierte
w Referenzbündel durch einen halbdurchlässigen Spiegel 21
in ein durchgelassenes und ein reflektiertes Teilbündel aufgespaltete Das durangelassene Teilbündel fällt durch einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 23 auf einen Strahlungsdetektor 20a, bei dem es sich um eine der oben erwähnten Einrichtungen handeln kann. Der reflektierte Teil des Referenzbündels wird durch einen Spiegel 25» der durch ein piezoelektrisches Bauelement verschiebbar gelagert ist, durch einen halbdurchlässigen Spiegel 27 zu einem zweiten Strahlungsdetektor 20b reflektiert. Das durch das Meßobjekt
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Spiegel 29
beeinflußte Meßbündel wird durcnVeinen Spiegel 2%zu den halbdurchlässigen Spiegeln 27 und 23 reflektiert, die jeweils einen Teil des Bündels zu den Strahlungsdetektoren 20b bzw. 20a reflektieren«,
Die Lage des Spiegels 25 wird so gewählt, daß die beiden Teile des Referenzbündels mit gegeneinander um 90° verschobenen Versionen des vom Meßobjekt beeinflußten Meßbündels zur Wechselwirkung gebracht werden,, Bei entsprechender Einstellung der Phasenlage, Z0B. unter Zuhilfenahme des verschiebbaren Spiegels 15* können die Verhältnisse so gewählt werden, daß die Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren 20a und 20b der Dämpfung bzw«, Phasenverschiebung der Meßstrahlung durch das Meßobjekt entsprechen Die Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren werden in Verstärkern 31 verstärkt und angezeigt oder registrierte Dies kann beispielsweise mittels eines Oszilo— graphen 22 erfolgen, wobei das der Dämpfung entsprechende Signal die X-Ablenkung und das der Phasenverschiebung entsprechende Signal der ϊ-Ablenkung zugeführt werden kann oder die beiden Signale getrennt durch die beiden Y-Ablenkungen eines Zweistrahloszilographen dargestellt werden können·
Zur Einstellung optimaler Intensitätsverhältnisse kann im Weg des Referenzbündels ein Abschwächer 33» zeB. ein Graukeil, vorgesehen sein«
Gemäß einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles wird das Meßbündel durch einen Amplitudenmodulator 35 in der Amplitude moduliert«, Der Amplitudenmodulator kann z.B. eine umlaufende, geschlitzte Zerhackerscheibe oder ein mit einer gegebenenfalls hochfrequenten Wechselspannung gesteuerter Kerr1- (Torschluß sein. Die den Modulator 35 steuernde Vorrichtung 37 tastet vorzugsweise den Strahl
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des Oszilographen 22 in dem Augenblick hell, in dem das der Dämpfung entsprechende Signal seinen Maximal— wert hato Dies kann durch entsprechende Einstellung der Phasenlage des den Modulator 35 steuernden Signales bezüglich des den Oszilographen 22 helltastenden Signales erreicht werden,,
Die zu untersuchende biologische Substanz kann selbstverständlich auch in Reflektion gemessen werden, in diesem Falle kann zoB. an die Stelle des Spiegels 29 das Meßobjekt treten.
Bei dem in Figur £ dargestellten Ausführungsbeispiel des Gerätes gemäß der Erfindung wird eine Vergleichsmessung durchgeführt» Das Meßbündel 12m wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 26 in ein weiteres Referenz— bündel 12a und das eigentliche Meßbündel 12b aufgeteilt« Das Referenzbündel 12a fällt durch eine Vergleichsküvette 14a auf einen Spiegel 28, derwiader durch eine Verstellvorrichtung, die einen piezoelektrischen Kristall enthält, verstellbar ist. Das reflektierte Referenzbündel fällt dann auf einen halbdurchlässigen Spiegel 32, der es teilweise in die Strahlungsnachweiseinrichtung 17 reflektiert, die ebenso ausgebildet sein kann, wie es in Verbindung mit Figur 1 beschrieben worden ist«,
Das Meßbündel 12b wird durch einen Spiegel 34 umgelenkt und fällt dann durch eine Meßküvette 14b, die der Meßküvette 14 in Figur 1 entspricht und die zu untersuchende biologische Substanz enthält, sowie durch den halbdurchlässigen Spiegel 32 zusammen mit dem reflektierten
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Teil des Referenzbündels 12a in die Strahlungsnachweiseinrichtung 17« Bei dem entsprechenden Ausführungsbeispiels des Hauptpatentes fallen der vom Spiegel 32 durchgelassen Teil des Meßbündels 12b und der von diesem Spiegel reflektierte Teil des Referenzbündels 12a auf einen Strahlungsdetektor, dessen Ausgangssignal die Verstellvorrichtung für den Spiegel 28 so steuert, daß das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors.im wesentlichen gleich Null ist0 Die Steuerspannung wird als Meßwert geschrieben oder angezeigt.
Die beschriebenen Meßprinzipien lassen sich selbstverständlich auch bei anderen optischen Meßverfahren an— wenden und im Falle anderer /nachzuweisender Substanzen, als Strahlungsquelle einen Laser verwenden, der ein die nachzuweisende Substanz oder den nachzuweisenden Bestandteil dieser Substanz enthaltendes aktives Medium enthält.
An die Stelle der Referenz- und Detektoranordnungen, z.B. der Anordnungen 23, 20a oder 27» 20b kann insbesondere wenn das Meßbündel durch den Modulator 35 mit einer im Hochfrequenz- oder Mittelfrequenzbereich liegenden Frequenz moduliert ist, auch eine Mischanordnung treten, die ein Signal liefert, dessen Frequenz der Differenzfrequenz zwischen Meß- und Referenzbündel, also insbesondere der Modulationsfrequenz, liefert. Die Verstärker 31 sind in diesem Falle dann vorzugsweise Wechselspannungsverstärker und können auf die Modulationsfrequenz abgestimmt sein.
Als Abschwächer J>J> kann vorteilhafterweise auch ein optischer Zirkulator (Faraitayglas mit Vorrichtung zum Erzeugen eines veränderbaren axialen Magnetfeldes zur Einstellung der Dämpfung) in Kombination mit Vor- und nachgeschalteten parallelen Polarisatoren oder allein (da die Strahlung meist von Natur aus polarisiert ist und^ie verschiedenen Spiegel als Polarisationselemente wirken). Ein solcher Abschwächer hat den Vorteil,dass er keine Phasenverschieburig verurmcht.
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Claims (7)

  1. 204538G
    Patentansprüche
    [1)/Gerät zur Bestimmung des G02-Gelialtes 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, wobei die Strahlungsquelle ein COo-Laser ist, gemäß Patent 0o« (Patentanmeldung P 20 39 382), dadurch gekennzeichnet, daß die otrahlungsnachweiseinrichtung (17) eine Detektorbrücke (19) enthält, in der ein vom Laserstrahlungsbündel (12) vor dem Meßobjekt (14) abgezweigtes Referenzbündel (12r) mit zwei in Phasenquadratur stehenden Versionen eines durch das Meßobjekt beeinflußten Teiles des Laserstrahlungsbündels gemischt oder zur Intetft«renz gebracht und die beiden sich dabei ergebenden Ausgangssignale getrennt nachgewiesen werden«,
  2. 2) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorbrücke (19) einen ersten teildurchlässigen
    Spiegel (21) enthält, der das Referenzbündel (12r) in einen durchgelassenen Teil und einen reflektierten
    Teil aufspaltet, daß der durchgelassene Teil des Referenzbündels durch einen zweiten teildurchlässigen Spiegel (23) auf einen ersten Strahlungsdetektor (20a) fällt, daß der reflektierte Teil des Referenzbündels von einem Spiegel (25) der als Phasenschieber dient und verstellbar gelagert ist, durch einen dritten teil-
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    durchlässigen Spiegel (27) auf einen zweiten Strahlungsdetektor (20b) geworfen wird, und daß das vom Meßobjekt (14) beeinflußte Meßbündel (12m) durch einen weiteren Spiegel (29) so auf den zweiten und dritten teildurchlässigen Spiegel (23» 27) geworfen werden, daß Teile des Meßbündels zusammen mit den entsprechenden Teilen des Referenzbündels auf die zugehörigen Strahlungsdetektoren fallen, wobei die optischen Weglängen so bemessen sind, daß die beiden Teile des Meßbündels mit um 90° gegeneinander verschobenen Versionen des Referenzbündels in Wechselwirkung treten.
  3. 3) Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im rfege des Meßbündels (12m) ein Amplitudenmodulator (35) angeordnet ist, der das Meßbündel mit einer Frequenz moduliert, die wesentlich niedriger als die Frequenz der Laserstrahlung ist, und daß an die Strahlungsdetektoren (20a, 20b) Wechselspannungsverstärker (31) angeschlossen sind»
  4. 4) Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsverstärker die Ablenkung eines Oszilographen (22) in X- und Y-Richtung steuern und daß der Strahl des Oszilographen mit der Modulationsfrequenz kurzzeitig hellgetastet wird»
  5. 5) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom ersterwähnten Bündel— teil (13) erzeugte Meßbündel (12m) durch einen weiteren Bündelteil (26) in ein zweites Referenzbündel (12a), in dessen Weg eine Vergleichsküvette (14a) angeordnet ist, und ein eigentliches Meßbündel (12b), in dessen
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    Weg eine Messküvette (14-) angeordnet ist, aufgeteilt wird und daß eine Vorrichtung (28, 32) vorgesehen ist, die die aus der Vergleichsküvette bzw, Meßküvette austretenden Bündel vereinigt und der Strahlungsnachweiseinrichtung (17) zuführt.
  6. 6) Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mindestens eines der beiden Bündel (12a, 12b) eine Vorrichtung (28) zum Verändern der optischen Länge des vom einen Bündel durchlaufenen Weges bezüglich der optischen Länge des vom anderen Bündel durchlaufenden Weges angeordnet ist»
  7. 7) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da$ im Strahlengang des RefererizbündeIs ein Abschwächer angeordnet ist, der einen optischen Zirkulator enthält.
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