DE2045386B2 - Gerät zur Bestimmung des CO2 -Gehaltes einer biologischen Substanz - Google Patents
Gerät zur Bestimmung des CO2 -Gehaltes einer biologischen SubstanzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solches Gerät
ist Gegenstand der DE-PS 20 39 382.2.
Es ist ferner aus der DE-PS 4 99 545 eine interferometrische Meß- und Registriervorrichtung, insbesondere
zur Überwachung der Reinheit und Zusammensetzung von Gasen und Gasgemischen bekannt bei der ein
Eingangslichtbündel durch einen Bündelteiler in zwei Teiibündel aufgespalten wird, von denen das eine eine
Meßküvette und das andere eine Referenzküvette durchsetzen. Die aus den Küvetten austretenden
Lichtbündel werden dann durch eine zwei Spiegel enthaltende Bündelvereinigungsvorrichtung vereinigt
so daß sie miteinander interferieren. Die Verschiebung der entstehenden Interferenzstreifen wird mit Hilfe
einer photoelektrischen oder thermoelektrischen Zelle gemessen.
Es ist ferner bekannt den CO2-Gehalt von Gasen
durch !nfrarot-Absorption zu messen. Die bekannten Infrarot-Absorptionsgeräte 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,
die Untersuchung von Bakterienkulturen, Gewebeaufschwemmungen oder des Gehaltes von Blut
an CO2, z. B. während Operationen, muß jedoch das CO2
in mehr oder weniger fest gebundener Form bestimmt werden.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei Verwendung eines COrLasers als Strahlungsquelle CO2
nicht nur in mehr oder weniger fest 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 CO2-Absorption (ca. 10,6 μπι) eine sehr
breite und starke Absorptionsbande aufweist.
Bei dem oben erwähnten Vorschlag wird das von einem CO2-Laser erzeugte Strahlungsbündel nach
Reflexion an einem Meßobjekt durch einen Strahlungsdetektor wahrgenommen, der z. B. aus einem Bolometer,
einer PbS-ZeIIe, einer Halbleiter-Photodiode, einem Phototransistor usw. bestehen kann. An den Strahlungsdetektor
ist eine Anzeige- oder Registriervorrichtung, ζ. B. ein Meßgerät und/oder Schreiber, angeschlossen.
20
zugrunde, eine Einrichtung der obengenannten Art hinsichtlich der Nachweisempfindlichkeit zu verbessern
und ihren Anwendungsbereich zu vergrößern.
Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Gerät der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der ι Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren
zwei Figuren jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigen.
Das in F i g. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet mit Transmission. Es enthält ι
einen nur schematisch dargestellten COrLaser 10, der
vorzugsweise kontinuierlich arbeitet und ein Strahkingsbündel
12 mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μη» liefert Im Weg des Strahlungsbündels ?2 ist eine für die
12,6ujn-Strahlung durchlässige Meßküvette 14 an- ι
geordnet, in der sich die zu untersuchende biologische Substanz befindet Die Meßküvette kann z. B. eine
ΙΟμπΊ dicke Schicht der biologischen Substanz einschließen
und in eine Leitung 16 eingeschaltet sein, durch die die zu untersuchende biologische Substanz :-">
strömt Im Falle von Blut kann es sich bei der Leitung 16 z. B. um einen extrakorporalen Kreislauf handeln.
Beim vorliegenden Gerät ist im Strahlungsgang des Strahlungsbündels 12 noch ein teildurchlässiger Spiegel
13 angeordnet der das Strahlungsbündel 12 in ein ω Meßbündel 12m und ein Referenzbündel 12r aufspaltet
Das Referenzbündel 12/· wird durch einen Spiegel 15 in
eine zum Meßbündel 12m parallele Richtung reflektiert Die Lage des Spiegels 15 kann in bekannter Weise
mittels eines piezoelektrischen Bauelementes steuerbar i>
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 verarbeitet. Die Nachweiseinrichtung
enthält eine Interferometer- oder Mischanordnung 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 Referenzbündel durch einen halbdurchlässigen
Spiegel 21 in ein durchgelassenes und ein reflektiertes TeilbUndel aufgespaltet. Das durchgelassene
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 206 reflektiert Das durch das Meßobjekt
beeinflußte Meßbündel wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 29a und einen Spiegel 29b zu den
halbdurchlässigen Spiegeln 27 und 23 reflektiert, die t>o jeweils einen Teil des Bündels zu den Strahlungsdetektoren
20/>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 μ beeinflußten Meßbündels zur Wechselwirkung gebracht
werden. Bei entsprechender Einstellung der Phasenlage, z. B. unter Zuhilfenahme des verschiebbaren Spiegels
50
55 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 registriert Dies kann beispielsweise mittels eines Oszillographen 22
erfolgen, wobei das der Dämpfung entsprechende Signal die A'-Ablenkung und das der Phasenverschiebung
entsprechende Signal der K-Ablenkung zugeführt werden kann oder die beiden Signale getrennt durch die
beiden K-Ablenkungen eines Zweistrahloszillographen dargestellt werden können.
Zur Einstellung optimaler Intensitätsverhältnisse kann im Weg des Referenzbündels ein Abschwächer 33,
z. 3. ein Graukeil oder ein optischer Zirkulator, gegebenenfalls mit vor- und nachgeschalteten Polarisatoren,
vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles wird das Meßbündel durch einen Amplitudenmodulator
35 in der Amplitude moduliert Der Amplitudenmodulator kann ζ. Β eine umlaufende, geschlitzte
Zerhackerscheibe oder ein mit einer gegebenenfalls hochfrequenten Wechselspannung gesteuerter Kerr-Zellenverschluß
sein. Die den Modulator 35 steuernde Vorrichtung 37 tastet vorzugsweise den Strahl des
Oszillographen 22 in dem Augenblick hell, in dem das der Dämpfung entsprechende Signal seinen Maximalwert
hat Dies kann durch entsprechende Einstellung der Phasenlage des den Modulator 35 steuernden
Signales bezüglich des den Oszillographen 22 helltastenden Signales erreicht werden.
An die Stelle der Referenz- und Detektoranordnungen, z. B. der Anordnungen 23, 20a oder 27, 206 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.
Die zu untersuchende biologische Substanz kann selbstverständlich auch in Reflexion gemessen werden,
in diesem Falle kann z. B. an die Stelle des Spiegels 29 das Meßobjekt treten.
Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Gerätes gemäß der Erfindung wird eine Vergleichsmessung durchgeführt. Das Meßbündel 12m wird durch
einen halbdurchlässigen Spiegel 26 in ein weiteres Referenzbündel 12a und das eigentliche Meßbündel 126
aufgeteilt. Das Referenzbündel 12a fällt durch eine Vergleichsküvette 14a auf einen Spiegel 28, der wieder
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 F i g. 1 beschrieben
worden ist.
Das Meßbündel 126 wird durch einen Spiegel 34 umgelenkt und fällt dann durch eine Meßküvette 146,
die der Meßküvette 14 in Fig. 1 entspricht und die zu
untersuchende biologische Substanz enthält, sowie durch den halbdurchlässigen Spiegel 32 zusammen mit
dem reflektierten Teil des Referenzbündels 12a in die Strahlungsnachweiseinrichtung 17.
Claims (7)
1. Gerät zur Bestimmung des COrGehaltes einer biologischen Substanz mit einer einen CC>2-Laser
enthaltenden Strahlungsquelle, einer Vorrichtung zur Halterung einer Probe der Substanz im Wege
der Laserstrahlung und einer Strahlungsnachweiseinrichtung, die auf die durch die Probe beeinflußte
Laserstrahlung anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg eines Ausgangsstrahlungsbündels
(12) des Lasers (10) vor der Probe (14) ein Bündelteiler (13) zum Erzeugen eines MeBbQndels
(12/nJund eines Referenzbündels (12rJangeordnet
ist; daß das Referenzbündel und das durch die Probe beeinflußte Meßbündel einer interferometrischen
Bündelteiler- und Vereinigungsanordnung (19) zugeführt sind, in der zwei in Phasenquadratur
stehende Versionen des durc'ii die Probe beeinflußten Meßbündels mit je einem Teil des Referenzbündels
unter Erzeugung zweier Ausgangssignale interferieren, weiche einer Strahlungsnachweisanordnung
(20a, 20b) zugeführt sind, an die eine Anzeige- oder Registriervorrichtung (22) angeschlossen
ist
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Anordnung (19)
einen ersten teildurchlässigen Spiegel (21) enthält, der das Referenzbündel (i2r) in einen durchgelassenen
und einen reflektierten Teil aufspaltet, daß der durchgelassene Teil des Referenzbündels durch
einen zweiten teildurchlässigen Spiegel (23) auf einen ersten Strahlungsdetektor (2Oa1J fällt; daß der
reflektierte Teil des Referenzbündels von einem Spiegel (25), der als Phasenschieber dient und
verstellbar gelagert ist, durch einen dritten teildurchlässigen Spiegel (27) auf einen zweiten Strahlungsdetektor
(20b) geworfen wird, und daß das vom Meßobjekt (14) beeinflußte Meßbündel (12m; durch
eine weitere Spiegelanordnung (29a, 29b) 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. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des Meßbündels
(12mjein Amplitudenmodulator (35) angeordnet äst,
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. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsverstärker die Ablenkung
eines Oszillographen (22) in X- und K-Richtung steuern und daß der Strahl des Oszillographen mit
der Modulationsfrequenz kurzzeitig heligetasitet
wird.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom ersterwähnten
Bündelteiler (13) erzeugte Meßbündel (\2m) durch einen weiteren Bündelteiler (26) in ein
zweites Referenzbündel (12ajl in dessen Weg eine Vergleichsküvette (i4a) angeordnet ist, und ein
eigentliches Meßbündel (126Jl in dessen Weg eine
Jl
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 interferometrischen
Anordnung (19) zuführt
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mindestens eines der
beiden durch den wetteren Bündelteiler (26) erzeugten Bündel (12a, \2b) eine Vorrichtung (28)
zum Verändern der optischen Länge des von einem Bündel durchlaufenen Weges bezüglich der optischen
Länge des vom anderen Bündel durchlaufenden Weges angeordnet ist
7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang
des Referenzbündels ein Abschwächer (33) angeordnet ist der einen optischen Zirkulator enthält
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