用于通过红外吸收光谱法来分析试样气体的测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于借助红外吸收光谱法分析试样气体的一种方法和一种测量装置。测量装置具有：具有待分析的试样气体的测量室（2）；激光器（1），所述激光器相关于测量室（2）设置为使得由激光器发射的光透射测量室（2）；检测装置（61），所述检测装置检测由激光器（1）发射且透射测量室（2）的光；和评估单元（8），所述评估单元相关于在测量室（2）中实现的光吸收来评估由检测装置（61）产生的信号。提出的是，激光器（1）是窄带发射的激光器，其线宽小于或等于试样气体的待测量的红外吸收线的宽度，激光器（1）构成和设置为使得激光频率周期性地在限定的光谱范围内变化，其中激光频率和所述激光频率的变化选择为使得试样气体的至少一个待测量的红外吸收线处于限定的光谱范围内，并且检测装置（61）构成和设置为，使得所述检测装置以时间分辨的方式检测由激光器（1）发射并且透射测量室（2）的光，使得光吸收在限定的光谱范围内能够以频率分辨的方式确定，其中检测装置（61）在10-5s或更短的时间内进行单独的吸收测量。此外，测量装置在此适合于和能够设置为将人或动物的呼吸气体作为试样气体来测量，其中呼吸气体只通过人或动物的呼吸在测量室中交换，并且测量装置的呼吸阻力小于60mbar。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】说明书本专利技术涉及一种根据权利要求I的前序部分所述的、用于借助红外吸收光谱法来分析试样气体的测量装置以及一种相应的方法。几百年来已知的，呼吸气味能够是用于可能的疾病的指示物，最有名的例子是在I 型糖尿病时的甜果香的、通过丙酮造成的气味。健康的人的呼吸本身包括几百种挥发性的化合物，所谓的“挥发性有机混合物”(VCOs)，其具有很小的浓度(ppm (百万分率)范围至 PPt (万亿分率)范围)。其中一些在生理学或病理生理学的进程中发挥重要作用。如果存在疾病，那么确定的示踪气体的浓度在呼吸中提高。在一些疾病中也能够检测出不存在于健康生物体中的气体。因此，呼吸气体分析提供大的潜能用于临床诊断学和治疗监控。然而，示踪气体浓度经常是这样小，使得其借助可用的气体分析方法不能足够准确地测量。存在高灵敏度的检测方法，例如在多通试样室中的FTIR (傅里叶变换红外光谱仪) 光谱学测量法或者质谱测量法。然而，这样的检测仪器不能够直接使用于患者，并且因此对于日常临床实践是没有意义的。这正是因为，评估持续多天，并且由于试验品的传输而出现不计其数的误差来源。同样，数百年来使用具有二极管激光器(例如铅盐激光器)作为光源的红外吸收光谱法的范围中的移动构造，然而直至如今仍未达到对于气体的灵敏检测所需的在较长时段上的稳定性，使得在此在基础医学研究上的使用依然受限制。 替选的方法是所谓的NDIRS方法(NDIRS-非分散的红外光谱学测量法)。其在试样气体中检测密度波动，所述密度波动通过吸收红外光引起。所述检测方法是灵敏的，并且能够每两分半钟进行一次测量。然而，测量结果通过其他气体例如氧气具有偏差为使得所述方法只能够在日常临床实践中受限制地使用。另一方法由Oridion Systems有限公司以BreathID 的名称使用。在此，将CO2 压力灯用作光源。然而，所述方法在其灵敏性和敏捷性方面通过(在灯中和在试样气体中) 出现的线宽波动、小的光强度和光谱变动而严重受限制，并且由此在短时间内不提供高灵敏性的测量结果。NDIRS方法和Oridion Systems有限公司的方法非常适合于检测在患者的胃中的细菌幽门螺旋杆菌(Helicobacter Pylori)。在施用13C标记的诊断用药之后，细菌的存在经由在呼气气体中的提高的13CO2含量来定性检测。当测试处于与治疗相同的价格段时，定性测试方法是无意义的。为了保证挥发性化合物的简单的和迅速的检测，另一策略是使用表面敏感的微芯片，所述微芯片从呼吸气体中选择和结合特别的示踪气体。因此，能够更灵敏地检测挥发性化合物，并且能够定性地判断患者是否生病。疾病的纯粹检测是富有启发性的，但是现在没有给出关于合适疗法的信息。因此呼吸气体分析的未来是定量地确定疾病等级，所述呼吸气体分析提供给医生关于治疗的直接的决策辅助。如果这样的测试能够简单和迅速地进行并且结果马上以可理解的方式提供给医生，那么测试能够在日常临床实践中进行。对于定量的呼吸气体测试的要求很高为了明确地识别示踪气体需要高的选择性和检测灵敏度，因为浓度大多数时候处于ppm范围至ppb (十亿分率)范围。必须保证示踪气体量的精确定量确定。此外，测量应该在线和实时实现，以便避免花费大的和容易出现错误的试样集合(例如在袋子中或在旁流中)。为了适用的和经济的使用，需要简单的可操纵性、紧凑性、牢固性、少的维护费用和/或有利的成本效益比。现在，所述高的和多样化的需要不能由气体分析的方法完全地实现。由人呼出的气体具有2%至4%的二氧化碳体积含量，并且以每分钟10至20次呼吸来呼气，小孩或婴儿甚至以每分钟25次至50次呼吸来呼气。人的呼吸压力在大约O. 5 升的体积中为大约50mbar至最大160mbar。呼吸气体中的大约只有70%到达肺中，使得只有大约70%的气体体积存在明显提高的二氧化碳含量。在剩余的气体体积、即死区体积中， 二氧化碳浓度能够降低至周围气体的浓度，为大约O. 04%。这导致了，呼吸气体的二氧化碳浓度能够在O. 04%至4%的两个量级周围波动。高于5%的二氧化碳浓度是有毒的并且例如能够导致头痛和抽搐。产生的二氧化碳量与每个单独的人的个体代谢有关。为了估计人的二氧化碳产量而使用不同的近似方法。在此起作用的参量例如是重量和体表面积。通常，体表面积又借助重量和高度来估计，使得在医学中经常借助只适度准确的参量来计算，这明显限制了定量的结果评估或甚至使其不可能实现。为了直接定量确定代谢过程或代谢作用，需要以时间分辨方式，最好是实时跟踪进程的动力学。如果代谢作用动力学具有能够通过一阶微分方程来建模(一阶动力学)的动态特性，则能够通过解答微分方程或通过拟合指数函数y(t)=A*exp(-t/tau)来确定动态特性A和时间常数。那么由参量A和tau能够定量确定代谢参数。代谢作用动力学的触发最好通过短时间的启动实现，例如静脉施用诊断用药或通过光照/透射来释放诊断用药。 如果与斜率tau或与呼吸相比，释放或动力学的起始持续更长的时间，则必须单独确定释放的动力学，并且由代谢作用动力学去卷积。迅速的代谢作用起始的例子是静脉施用丸药中的诊断用药13C麦撒西丁。所述诊断用药借助血液(大约每分钟60次心跳)在身体中分布，并且在大约一秒钟内到达肝脏，其在那里代谢为扑热息痛(Paracetamol)和 13C02。与呼吸节奏相比，动力学的初始快很多，并且这样带来能够直接评估的一阶动力学。 然而如果口服13C麦撒西丁，那么在胃中的吸收造成所述动力学与胃吸收动力学的卷积，所述卷积显著使动力学具有偏差。为了实时跟踪代谢作用动力学，应该具有非常高灵敏性地测量每次呼吸。这就是说，呼吸气体必须在测量室中迅速地交换，并且使得在少于两秒钟内必须实现呼吸的完全的评估。能够实现定量确定肝脏功能的分析方法在WO 2007/000145A2中描述。所述方法基于在肝脏中的待代谢的基质的基质流动和基质的最大转换速度的确定，使能够做出关于患者的肝脏功能能力的结论。由WO 2007/107366A1中已知一种常规装置用于光谱学地分析气体，其中测量室能够连续地被试样气体穿流。本专利技术的基本目的是，改善由WO 2007/107366A1中已知的测量装置和在此使用的测量方法，以便达到能够实时进行测量的目的。根据本专利技术，所述目的通过具有权利要求I所述特征的测量装置和具有权利要求32所述特征的方法来实现。本专利技术的扩展方案在从属权利要求中给出。据此，根据本专利技术的解决方案为使用窄带发射的激光器。视为窄带发射的激光器将线宽选择为使得所述线宽小于或等于试样气体的待测量的吸收线的宽度。此外设置激光频率周期性地在限定的光谱范围内变化，其中激光频率和其变化选择为使得试样气体的至少一个待测量的吸收线处于限定的光谱范围内。激光频率的周期的变化(也表示为可调节性)在此伴随有限定的光谱范围，所述光谱范围在所述频率变化的每个周期中测出。在所述光谱范围内存在至少一个待测量的吸收线。此外，根据本专利技术设置检测装置在此构成和设置为以时间分辨的方式检测由激光器发射并且透射测量室的光，使得光吸收在限定的光谱范围内能够以频率分辨的方式检测。在此检测装置在10_5秒或更短的时间内、特别是10_6秒或更短的时间内，进行单独的吸收测量。通过迅速的测量，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.24 DE 102009055320.71.用于借助红外吸收光谱法分析试样气体的测量装置，所述测量装置具有 -测量室(2)，所述测量室具有待分析的所述试样气体， -激光器(1)，所述激光器相对于所述测量室(2)设置为使得由所述激光器发射的光透射所述测量室(2)， -检测装置(61 )，所述检测装置检测所述由所述激光器(I)发射并且透射所述测量室(2)的光，和 -评估单元(8)，所述评估单元在所述测量室(2)中进行的光吸收方面对所述检测装置(61)所生成的信号进行评估，其中 -所述激光器(I)是窄带发射的激光器，所述激光器的线宽小于或等于所述试样气体的待测量的红外吸收线的宽度，其中 -所述激光器(I)构成和设置为使得激光频率在限定的光谱范围内周期性地变化，其中所述激光频率和所述激光频率的变化选择为使得所述试样气体的至少一条待测量的红外吸收线位于所述限定的光谱范围中，并且其中 -所述检测装置(61)构成和设置为，所述检测装置以时间分辨的方式检测由所述激光器(I)发射并且透射所述测量室(2)的光，使得能够以频率分辨的方式确定在所述限定的光谱范围内的所述光吸收， 其特征在于， 所述检测装置(61)在10_5s或更短的时间内执行单独的吸收测量，并且所述检测装置适合于和能够设置为测量作为试样气体的人或动物的呼吸气体，其中所述呼吸气体仅通过所述人或所述动物的呼吸来在所述测量室中交换，并且所述测量装置的呼吸阻力小于6Ombaro2.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述激光频率和所述激光频率的变化选择为使得所述试样气体的至少两条红外吸收线位于所述限定的光谱范围中。3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元(8)构成和设置为借助在两条所述吸收线中实现的光吸收来确定所述试样气体的两种同位素、元素或分子的比例。4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元(8)构成和设置为实时确定所述两种同位素、元素或分子的所述比例。5.根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，所述评估单元(8)与显示器(93)关联，所述显示器示出所述比例随时间的变化。6.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，所述测量室(2)不具有镜，并且由所述激光器(I)发射的光恰好穿过所述测量室(2) —次。7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述测量室(2)具有入射窗(21)和出射窗(22)，激光通过所述入射窗入射到所述测量室(2)中，并且所透射的光通过所述出射窗从所述测量室(2)出射。8.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，此外设置有用于将所述测量室(2 )的温度调节到恒定温度的温度调节机构(23 )。9.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，所述测量室(2)连续地或间断地被试样气体穿流。10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述测量室(2)具有无阀或无气门的开放式结构，所述阀或气门能够阻碍所述试样气体流入所述测量室(2)或者从所述测量室(2)流出。11.根据权利要求9或10所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置(2)在到所述测量装置(2)中的气体入口和从所述测量装置(2)出来的气体出口之间具有用于穿流的所述试样气体的基本上恒定的横截面。12.在参考权利要求6的情况下根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于，试样气体的到所述测量室(2)中的导入和试样气体的从所述测量室(2)出来的导出沿着与光穿过所述测量室(2)方向垂直的方向进行。13.根据权利要求9至13之一所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置构成和设置为，在所述试样气体穿流所述测量室(2)期间通过所述检测装置(61)来以时间分辨的方式进行光检测。14.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于肺活量计(5)，所述肺活量计检测穿流所述测量室(2)的所述试样气体的体积流。15.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其特征在于前室(4)，所述前室构成为将所述试样气体加热或冷却到确定的温度，并且降低所述试样气体的水蒸汽含量。16.根据前述权利要求之...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯滕·海涅，汤姆·鲁宾，
申请(专利权)人：休姆迪奇有限责任公司，
类型：发明
国别省市：