DE2045386C3 - Gerät zur Bestimmung des CO2 -Gehaltes einer biologischen Substanz - Google Patents

Gerät zur Bestimmung des CO2 -Gehaltes einer biologischen Substanz

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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
w Teilbündel 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,
s> so daß sie miteinander interferieren. Die Verschiebung der entstehenden Interferenzstreifen wird mit Hilfe einer photoelektrischen oder thermoelektrische!! Zelle gemessen.
Es ist ferner bekannt, den CO;-Gehalt von Gasen
w durch Infrarot-Absorption zu messen. Die bekannten Infrarot-Absorptionsgeräte eignen sich jedoch prak tisch nur zur Bestimmung des Gehaltes von Gasen an freiem CO2.
Für viele andere /.wecke, z. B. die Untersuchung von
Ii Stoffwechselvorgängen, des Ablaufes biologischer Verfahren, die Untersuchung von Bakterienkulturen, Gewebeaufschwemmungen oder des Gehaltes von Blut an COj, 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 COj-Lasers 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 μΐη) eine sehr breite und starke Absoirptionsbande aufweist.
Bei dem oben erwähnten Vorschlag wird das von einem CO2-Laser erzeugte Strahlungsbündel nach Reflexion an einem Moßobjekt durch einen Strahlungsdetektor wahrgenommen, der z. B. aus einem Bolometer, einer PbS-ZeIIe, einer Halbleiter-Photodiode, einem Phototratisistor usw. bestehen kann. An den Strahlungsdetektor ist eine Anzeige- oder Registriervorrichtung, ζ. B. ein Meßgerät und/oder Schreiber, angeschlossen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Einrichtung der obengenannten Art hinsichtlich der Nachwdsempfindlichkeit 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 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 einen nur schernatisch dargestellten CCVLaser 10, der vorzugsweise kontinuierlich arbeitet und ein Strahhingsbündel 12 mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μηι liefert Im Weg des Strahlungsbündels 12 ist eine für die 12,6 μπ-1-Strahiung durchlässige MeBküveiie 14 angeordnet, in der sich die zu untersuchende biologische Substanz befindet Die Meßküvette kann ζ Β. eine 10 μπι 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 Meßbündel 12m und ein Referenzbündel 12/· aufspaltet. Das Referenzbündel 12r 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 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 Meßbündelb durch das Meßobjekt entsprechendes Ausgargssignal erzeugt werden. Hierzu wird das reflektierte Referenzbünde: durch einen halbdurchlässigen Spiegel 21 in ein durchgelassenes und ein reflektiertes Teilbündel auigespaltet. 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 7äb zu den halbdurchlässigen Spiegeln 27 und 23 reflektiert, die 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 Rifeirenzbündels mit gegeneinander um 90° verschobenen Versionen des vom Meßobjekt beeinflußten Meßbündels nut Wechselwirkung gebracht werden. Bei entsprechender Einstellung der Phasenlage, z.B. unter Zuhilfenahme des verschiebbaren Spiegels
15, können die Verhältnisse so gewählt werden, daß die Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren 20a und 20Λ 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 X-Ablenkung und das der Phasenverschiebung entsprechende Signal der K-Ablenkung zugeführt werden kann oder die beiden Signale getrennt durch die beiden V-Ablenkungen eines Zweistrahloszillographen dargestellt werden können.
Zur Einstellung optimaler Intensitätsverhältnisse kann im Weg des Referenzbündels ein Abschwächer 33, z. B. ein Graukeil oder ein opti&cher Zirkulator, gegebenenfalls mit vor- und nachgeschalteten Polarisatoren, vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung diese \usführungsbei-
SpicicS Wiru UaS ivicuuüiluci uUrCu cmcu rv"ipiiiüucfiinlj-
dulator 35 in der Amplitude moduliert Der Amplitudenmodulator kann z. B. eine umlaufende, geschlitzte Zerhackerscheibe oder ein mit einer gegebenenfalls hochfrec ienten 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 siinen Maximalwert hat. Dies kann durch entsprechende Einstellung der Phasenlage des den Modulator 35 steuernden Signales bezüglich des den Oszillogra ;>hen 22 heiltastenden Signales erreicht werden.
An die Stelle der Referenz- und üetektoranordnungen, 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 Refaenzbündel, 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 d«r Erfindung wird eine Vergleichsmessung durchgeführt. Das Meßbündel 12m wird durch einen haibdurchlässigen Spiegel 26 in ein weiteres Referp'tzhündel 12a und das eigentliche Meßbündel 12b aufgeteilt. Das Referenzbündel Ma fällt durch eine Vergleichsküvette i\i auf einen Spiegel 28, der wieder durch eine Verstellvorrichtung, die einen piezoelektrischen Kristall enthält, verstellbar ist. Das reflektierte Referenzbündel feilt dann auf einen halbdurchlässigen Spiegel 32, der es teilweise in die Strahiungsnachweiseinrichtung »7 reflektiert, die ebenso ausgebildet sein kann, wie es in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben worden ist.
Das Meßbündel \'i.b wird durch einen Spiegel 34 umgelenkt und fällt dann durch eine Meßküvette 14/?, die der Meßküvette 14 in F i g. 1 entspricht und die zu untersuchende biologische Substanz enthält, sowie durch den halbdurchlilssigen Spiegel 32 zusammen mit dem reflektierten Teil des Referenzbündels 12a in die Strahlungsnächweiseinrichtüng 17.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    J. Gerät zur Bestimmung des COj-Gehaltes einer biologischen Substanz mit einer einen CO2-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 Meßbündels (12m) und eines Referenzbündels (12/·,} angeordnet 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 durch die Probe beeinflußten Meßbüs.^ls mit je einem Teil des Referenzbündels unter Erzeugung zweier Ausgangssignale interferieren, welche einer Strahlungsnachweisanordnung (20a, 20ty zugeführt sind, an die eine Anzeige- oder Registriervorrichtung (22) angeschlossen ISL
    2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Anordnung (19) einen ersten teildurchlässigen Spiegel (21) enthält, der das Referenzbündel (\2r) in einen durchgelassenen und einen reflektierten Teil aufspaltet, daß der durchgelassere Teil des Referenzbündels durch einen zweiten teildurchlässigen Spiegel (23) auf einen ersten StrahlungsJetektc. (2Oa^ fällt; daß der reflektierte Teil des Re.'erenzbür.dels von einem Spiegel (25), der als Phasens lieber 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 (i2m) durch eine weitere Spiegelanordnung (29a, 29Zj^ 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 (\2m)em Amplitudenmodulator (35) angeordnet ist. der das Meßbündel mit einer Frequenz moduliert, die wesentlich niedriger als die Frequenz der Laserstrahlung ist, und daß an die Strahlungsdetek toren (20a, 20b) Wechselspannungsverstärker (31) ingeschlovsen sind.
    4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsverstärker die Ablenkung eines Oszillographen (22) in X- und Y-Richtung Jteuern und daß der Strahl des Oszillographen mit der Modulationsfrequenz kurzzeitig hellgetastet wird.
    5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom ersterwähnten Bündelteiler (13) erzeugte Meßbündel (12m,) durch einen weiteren Bündelteiler (26) in ein iwcites Referenzbündel (\2a), in dessen Wag eine Vergieichsküvette (Ha) angeordnet ist, und ein eigentliches MeDbündel (\2b), in dessen Weg eine
    Meßküvette (14) angeordnet ist, aufgeteilt wird und daß eine Vorrichtung (28,32) vorgesehen ist, die die aus der Vergieichsküvette bzw. Meßküveue austretenden Bündel vereinigt und der interferor.netrischen Anordnung (19) zuführt
    5. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mindestens eines der beiden durch den weiteren Bündelteile? (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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