Laserspektroskopische Messung von Kohlenmonoxid in ...

Laserspektroskopische Messung von
Kohlenmonoxid in menschlicher
Atemluft
Diplomarbeit
vorgelegt von
Marcus Sowa
angefertigt am
Institut für Lasermedizin
der
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
März 2008
Referent: Prof. Dr. Peter Hering
Koreferent: Prof. Dr. Dieter Schumacher

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 3
2.1 Spurengase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Kohlenmonoxid (CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 endogenes Kohlenmonoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.2 CO-Aufnahme und CO-Ausscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Absorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Cavity-Leak-Out-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Experimenteller Aufbau 16
3.1 Der CO-Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Das Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Das Gassystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Ergebnisse 23
4.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 Linienauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.2 Untersuchung des Einflusses des Nafionschlauchs auf die 13 CO-
Konzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.3 Charakterisierung des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Untersuchungen zur CO-Aufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 13 COHb-Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.1 13 COHb-Bestimmung aus der Atemluft . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.2 13 COHb-Bestimmung aus dem Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 Nachweisgrenze der Blutuntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Vergleich der Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4 tHb-Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
i

ii Inhaltsverzeichnis
TraceGas
4.4.2 Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.3 tHb-Bestimmung vor und nach einer Blutspende . . . . . . . . . . . 53
4.4.4 Diskussion zur tHb-Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5 Zusammenfassung und Ausblick 57
Literatur 59
TraceGas
Analysis

1 Einleitung
Blutdoping“ ist ein Begriff, der den meisten bekannt vorkommen dürfte. In den letzten
Jahren wurde insbesondere in Verbindung mit dem Radsport häufig von
”
Blutdoping
gesprochen. Beim Blutdoping wird die Hämoglobinmenge im Körper durch eine Bluttransfusion
erhöht. Hämoglobin ist für den Sauerstofftransport im Körper zuständig. So wird
durch das Blutdoping die Sauerstoffaufnahme und die Sauerstofftransportkapazität des
Bluts verbessert. Eine direkte Folge davon ist eine verbesserte Ausdauerleistung. Man unterscheidet
beim Blutdoping zwischen Transfusionen mit Fremdblut und mit Eigenblut.
Fremdbluttransfusionen sind durch einen Gentest nachzuweisen; jedoch gibt es für Doping
mit Eigenblut noch keine von der World-Anti-Doping-Agency (WADA) anerkannte
Nachweismethode. Es gibt allerdings weltweite Untersuchungen zur Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse
mittels Kohlenmonoxid (CO). Durch regelmäßige Bestimmungen
der Hämoglobingesamtmasse wäre es möglich, einen durch Blutdoping plötzlichen Anstieg
der Hämoglobinmenge zu registrieren und somit Dopingsünder zu entlarven.
In der vorliegenden Diplomarbeit wird die Möglichkeit untersucht, die Hämoglobingesamtmasse
mittels CO-Atemanalysen zu bestimmmen. Die Kohlenmonoxidkonzentration
in der Ausatemluft liegt im Spurengasbereich und beträgt bei gesunden, nichtrauchenden
Menschen wenige ppm (parts per million; 1:10 6 ). Sie wird durch ein Cavity-Leak-Out-
Spektrometer bestimmt. Es handelt sich dabei um eine Absorptionsspektroskopiemethode,
die mit einem Laser im mittleren Infrarot-Bereich betrieben wird.
Kapitel zwei gibt einen kurzen Überblick über den Themenbereich der Spurengase; dabei
wird speziell auf das Kohlenmonoxid und seine Bedeutung im menschlichen Körper
eingegangen. Des Weiteren werden die Grundlagen der Absorptionsspektroskopie und insbesondere
der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie behandelt. Im letzten Abschnitt wird eine
Methode zur Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse vorgestellt, bei der zwar auch CO
verwendet wird, für die aber Blutuntersuchungen erforderlich sind.
Das dritte Kapitel beschreibt den Aufbau des Spektroskopie-Systems und die Funktionsweise
der zentralen Elemente.
Im vierten Kapitel werden die Messungen präsentiert, die zur Vorbereitung auf die Bestimmung
der Hämoglobingesamtmasse durchgeführt wurden.
Der letzte Abschnitt des Kapitels beinhaltet schließlich mehrere Messreihen zur Bestim-
1

2 1 Einleitung
TraceGas
mung der Hämoglobingesamtmasse und eine Erprobung der Methode.
Es wird gezeigt, dass die gemessenen Werte der Hämoglobingesamtmasse im hohen Maße
mit theoretisch ermittelten Werten übereinstimmen.
TraceGas
Analysis

2 Grundlagen
2.1 Spurengase
Der Begriff Spurengase“ bezeichnet allgemein Gase sehr kleiner Konzentrationen. Die
”
für Spurengase typischen Größenordnungen reichen vom ppt- (parts per trillion) bis
zum ppm- (parts per million) Bereich, was einem Molekül auf 10 12 bzw. 10 6 Teilchen
entspricht.
Spurengase spielen beispielsweise in der Medizin und der Umwelt eine wichtige Rolle.
Zum Bereich der Umwelt wird besonders auf den Treibhauseffekt verwiesen. So ist mittlerweile
bekannt, dass unter anderem Kohlendioxid und Methan, die in der Atmosphäre
in Spurengaskonzentrationen vorkommen, bei der globalen Erwärmung von Bedeutung
sind.
In der menschlichen Atemluft sind neben den Hauptbestandteilen Stickstoff, Sauerstoff,
Kohlendioxid und Wasserdampf auch eine Vielzahl von Spurengasen zu finden. Diese
Spurengase entstehen bei verschiedenen Stoffwechselvorgängen im Körper und gelangen
über die Lunge und die Schleimhäute in die Ausatemluft. Bestimmte Krankheiten können
die Konzentration verschiedener Spurengase derart beeinflussen, dass es möglich ist, diese
Krankheiten mittels eines Atemtests zu diagnostizieren [1, 2, 3].
Für die Spurengasanalyse, insbesondere in der Atemluft, sind einige Anforderungen an
die Nachweisverfahren zu stellen. Zunächst muss die Empfindlichkeit ausreichend groß
sein, um ein gutes Signal zu Rausch-Verhältnis gewährleisten zu können. Im Bereich der
Online-Analysen ist eine gute Zeitauflösung nötig (

4 2 Grundlagen
TraceGas
2.2 Kohlenmonoxid (CO)
Kohlenmonoxid ist ein geruchloses, farbloses Gas, welches in Konzentrationen im Prozentbereich
bei Menschen innerhalb von Minuten zum Tode führt. Die hohe Toxizität ist
durch die ca. 200mal größere Affinität des CO gegenüber dem Sauerstoff am Hämoglobin
zu erklären. Bereits bei kleinen CO-Konzentrationen wird der am Hämoglobin gebundene
Sauerstoff verdrängt und somit die Sauerstofftransportfunktion des Hämoglobins vermindert
[7].
Hauptquellen des Kohlenmonoxids sind unvollständige Verbrennungsprozesse organischer
Materialien, wie z.B. Holz oder Kohle. Auch Autoabgase enthalten CO, so dass Autowerkstätten
und Garagen gut durchlüftet sein sollten. Neben diesen CO-Quellen gibt es
aber auch endogenes Kohlenmonoxid.
TraceGas
Analysis
2.2.1 endogenes Kohlenmonoxid
Ein gesunder, nichtrauchender Mensch hat im Atem einen Kohlenmonoxidgehalt von einigen
ppm. Hauptquelle hierfür ist der Abbau von Häm, einem Bestandteil sauerstofftransportierender
Proteine, wie dem Hämoglobin und dem Myoglobin [8]. Myoglobin ist für
die Sauerstoffversorgung im Muskelgewebe zuständig, während Hämoglobin als Bestandteil
der Erythrozyten diese Rolle im Blut übernimmt. Beide Proteine sind aber auch für
den CO-Transport im Körper verantwortlich. Nur 1% des im Körper enthaltenen Kohlenmonoxids
sind physikalisch in den Körperflüssigkeiten gelöst, während ungefähr 85-90%
intravaskulär am Hämoglobin gebunden sind.
Das Hämoglobin, auch als roter Blutfarbstoff bezeichnet, besteht aus 4 Häm- und 4
Globin-Einheiten, wie in Abb. 2.1 zu sehen ist [9]. Die Sauerstoff- und Kohlenmonoxidbindung
erfolgt koordinativ an den Eisenkationen des Häms, man spricht von
Oxy- (O 2 Hb) bzw. Carboxyhämoglobin (COHb). Diese Bindungen sind reversibel, d.h.
dass die Liganden ausgetauscht werden können, wenn sich beispielsweise die Partialdrücke
der Gase im Blut ändern. Das endogene Kohlenmonoxid führt zu mittleren Carboxyhämoglobinkonzentrationen
zwischen 0,5 und 2,2% [7].
Neben der endogenen Produktion von Kohlenmonoxid beim Abbau von Häm wurde auch
festgestellt, dass CO bei verschiedenen Krankheiten im erhöhten Maß ausgeatmet wird.
So wurde gezeigt, dass die CO-Ausatemlevel bei kritisch kranken Patienten erhöht sind
[10, 11]. Bei Asthmapatienten und bei Patienten mit Infektionen in den Atemwegen lassen
sich erhöhte CO-Ausatemkonzentrationen feststellen [12], ebenso bei an Mukoviszidose
erkrankten Menschen [13, 14]. Des Weiteren gibt es Untersuchungen für die Einsatzmöglichkeiten,
beispielsweise bei Organtransplantationen, exogen verabreichten Koh-

TraceGas
Analysis
2.2 Kohlenmonoxid (CO) 5
N
N
Fe 2+
N
N
O
OH
O
OH
Abb. 2.1 – Links ist die Darstellung eines Hämoglobinmoleküls gezeigt
(Quelle: http://www.nanobio.dk/showms.asp?mid=54&sid=93 14. März
2008). Die 4 Häm-Bausteine, deren chemische Struktur auf der rechten
Seite zu sehen ist (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an
http://metallo.scripps.edu/promise/HAEMMAIN.html 14. März 2008), sind
grau markiert. Besonders zu beachten ist hier das Eisenkation in der Mitte des
Chelatkomplexes, an welches sich O 2 und CO binden können.
lenmonoxids. Dabei soll der entzündungshemmende Effekt des CO ausgenutzt werden [3].
2.2.2 CO-Aufnahme und CO-Ausscheidung
Der Gasaustausch findet in der Lunge über die Alveolen statt. Die Ausscheidung von CO
erfolgt nur über die Abatmung durch die Lunge. In Abb. 2.2 ist zu sehen, dass die Alveolen
von Arterien und Venen umgeben sind, so dass das Gas durch das Blut über eine Membran
in die Alveolen diffundieren kann. Dieser Vorgang findet auch umgekehrt von den Alveolen
zum Blut hin statt. Wie bereits geschildert, wird Kohlenmonoxid im Körper größtenteils
in Form von Carboxyhämoglobin transportiert. Die Bildung von Carboxyhämoglobin im
Blut folgt vereinfacht betrachtet folgender Gleichgewichtsreaktion:
CO + O 2 Hb ⇋ O 2 + COHb .

6 2 Grundlagen
TraceGas
TraceGas
Analysis
Pulmonalarterie
Alveole
Pulmonalvene
Abb. 2.2 – Skizze zum Aufbau von Alveolen und die sie umgebenden Blutgefäße.
(Quelle: http://patricklynch.net/portfolios/medical-illustration/content/index.html
14. März 2008, Graphik wurde erstellt von Patrick J. Lynch, medizinischer Illustrator
und C. Carl Jaffe, MD, Kardiologe; 2006)
Wendet man auf diese Gleichgewichtsreaktion das Massenwirkungsgesetz an, so erhält man
für die Konzentration des Carboxyhämoglobins [7]:
[COHb] = M · pCO[O 2Hb]
pO 2
. (2.1)
M wird in der Literatur häufig als Haldane M Faktor bezeichnet und gibt die relative
Affinität von Hämoglobin für Kohlenmonoxid gegenüber Sauerstoff an. pCO und pO 2 sind
die Partialdrücke der Gase im Blut.
1965 veröffentlichten Coburn, Forster und Kane einen Artikel [15], der einen detaillierten
Zusammenhang zwischen [COHb], dem Partialdruck von CO in den Alveolen und der
Lungenventilation wiedergibt. Auf die dort angeführten Zusammenhänge wird in einem
späteren Kapitel eingegangen.
2.3 Absorptionsspektroskopie
Bei der Absorptionsspektroskopie wird das Laserlicht durch die nachzuweisenden Moleküle
absorbiert. Die Stärke der Absorption lässt auf die Konzentration der Moleküle schließen,
während die Molekülart durch die Frequenz des absorbierten Lichts bestimmt wird. Im
mittleren Infrarot(IR)-Bereich bietet der sogenannte spektroskopische Fingerabdruck die
Möglichkeit, viele Spurengasmolekülarten zu unterscheiden. Die dafür charakteristischen

TraceGas
Analysis
2.3 Absorptionsspektroskopie 7
OCS (1ppm)
CO (1ppm)
2
CO (1ppm)
NO (1ppm)
Abb. 2.3 – Absorptionsspektrum von NO, OCS, CO und CO 2 bei p=50mbar und
T=296 K im Bereich von 4µm - 5,5 µm.
Absorptionslinien liegen in einem Wellenlängenbereich zwischen 2µm und 10µm.
Abbildung 2.3 zeigt die Absorptionslinien mehrerer Moleküle in einem Wellenlängenbereich
von 4µm bis 5,5µm.
Diese IR-Absorptionspektren entstehen durch elektromagnetische Übergänge zwischen
verschiedenen Vibrations-Rotations-Zuständen im elektronischen Grundzustand eines
Moleküls. Sowohl Wellenlänge als auch Stärke der einzelnen Vibrations-Rotations-
Übergänge sind abhängig von den Bindungsverhältnissen im Molekül und sind somit molekülspezifisch.
Weiterhin ist es möglich isotopologenselektiv zu messen, da unterschiedliche
Massen zweier ansonsten gleicher Moleküle zu unterschiedlichen Bindungskräften und
somit auch zu anderen IR-Absorptionsspektren führen. Abb. 2.4 verdeutlicht diesen Sachverhalt
am Beispiel von 12 CO und 13 CO.
Ein möglicher Aufbau zur Absorptionsspektroskopie ist in Abbildung 2.5 skizziert. Dabei
befindet sich das Probegas in der Messzelle im Strahlweg zwischen Laser und Photodetek-

8 2 Grundlagen
TraceGas
TraceGas
Analysis
Abb. 2.4 – Absorptionsspektrum von 12 CO und 13 CO bei p=50mbar und T=296 K
im Bereich um 5 µm. Das Verhältnis der Konzentrationen der beiden Moleküle entspricht
dem natürlichen Isotopenverhältnis von 12 CO zu 13 CO.
tor. Der Detektor misst die Intensität des durch die Messzelle transmittierten Lichts.
Um eine bestimmte Molekülart zu detektieren, wird ein Laser mit einer Frequenz benötigt,
die der Frequenz einer Absorptionslinie des Moleküls entspricht. Ein abstimmbarer Laser
eignet sich hierfür besonders gut, da man nicht auf eine bestimmte Absorptionslinie festgelegt
ist und somit auch unterschiedliche Moleküle detektiert werden können, ohne den
Laser tauschen zu müssen.
Ist die Bedingung λ Laser = λ Absorptionsline erfüllt, so findet in der Zelle Absorption statt.
Für die transmittierte Intensität I(λ) gilt:
I(λ) = I 0 (λ)e −σ·NL . (2.2)
Dabei bezeichnet I 0 (λ) die einfallende Laserintensität; L die Absorptionsweglänge, d.h. die

TraceGas
Analysis
2.3 Absorptionsspektroskopie 9
Laser
I 0
Absorptionszelle
L
I
Detektor
Abb. 2.5 – Aufbauskizze zur Absorptionsspektroskopie. Das Probegas mit dem
Absorptionskoeffizienten α befindet sich in der Absorptionszelle. Stimmt die Laserfrequenz
mit der Absorptionsfrequenz des Probegases überein, so kann die Konzentration
über die transmittierte Intensität bestimmt werden.
Länge der Zelle; N die Teilchendichte und σ den Absorptionsquerschnitt des gesuchten
Moleküls. Letzterer ist molekülspezifisch und temperaturabhängig, häufig wird er auch
mit der Teilchendichte zu dem Absorptionskoeffizienten
α = σ · N (2.3)
zusammengefasst.
Bei der Betrachtung der Spektrallinien ist zu beachten, dass es sich hierbei nicht um δ-
Peaks handelt. Die Linienprofile unterliegen verschiedenen Verbreiterungsprozessen, deren
Einfluss hauptsächlich vom Druck in der Messzelle abhängig ist. Bei Drücken unter 10mbar
ist der Dopplereffekt für die Linienform maßgebend, die einer Gauß’schen Glockenform,
der Breite ∆ν Doppler entspricht.
∆ν Doppler = ν 0
c
√
8kT · ln 2
M
(2.4)
Dabei ist ν 0 die Mittenfrequenz der Spektrallinie, c die Lichtgeschwindigkeit, k die Boltzmannkonstante,
T die Temperatur und M die Molekülmasse. Die Temperatur ist daher die
bestimmende Variable im oben genannten Druckbereich, betrachtet man eine bestimmte
Linie eines Moleküls. Bei einem Druck größer als 100mbar ist die Linienform durch
Stoßprozesse bestimmt und wird durch ein Lorentzprofil der Breite ∆ν Lorentz beschrieben:
∆ν Lorentz = 2γp . (2.5)
Die Linienbreite wird nur durch den Druckverbreiterungkoeffizienten γ und den Druck p

10 2 Grundlagen
TraceGas
TraceGas
Analysis
in der Messzelle bestimmt.
Spurengasanalysen erfolgen in der Regel in einem Druckbereich zwischen 10mbar
und 100mbar. Dieser Bereich bietet einen guten Kompromiss zwischen Empfindlichkeit
und ausreichend schmaler Linienbreite, was eine Differenzierung der Spektrallinien
gewährleistet. Das Linienprofil ergibt sich in diesem Druckbereich aus einer Faltung des
jeweiligen Gauß- und Lorentzprofils und wird als Voigtprofil bezeichnet. Die Breite ∆ν V oigt
beträgt:
∆ν V oigt =
√
∆ν 2 Lorentz + ∆ν2 Doppler . (2.6)
Für viele Moleküle sind die Wellenlängen und Linienstärken der Spektrallinien tabelliert
und in Datenbanken wie z.B. HITRAN [16] zu finden. Mit diesen Daten lassen sich die
Spektrallinienformen druck- und temperaturspezifisch berechnen und skizzieren. Abbildung
2.3 ist ein Beispiel für eine solche Simulation mit dem Programm SPECTMASTER
[17].
2.4 Cavity-Leak-Out-Spektroskopie
Die oben dargestellte einfachste Form der Absorptionsspektroskopie hat einige Schwächen.
Der Zusammenhang von Absorptionskoeffizienten und der transmittierten Intensität (siehe
Gleichung 2.2) bewirkt, dass Intensitätsschwankungen des Lasers zu Messfehlern führen.
Des Weiteren liegen die kleinsten erreichbaren Absorptionskoeffizienten, selbst mit Vielfachreflexionszellen,
nur in einem Bereich von 10 −6 cm −1 . Für die Spurengasanalyse im
ppb-Bereich müssen aber Abschwächungen im Bereich von 10 −7 cm −1 bis 10 −11 cm −1 detektierbar
sein [18].
Die Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS) ist eine Weiterentwicklung der Absorptionsspektroskopie,
die die oben genannten Schwächen nicht aufweist. Die Bestimmung
der Absorptionskoeffizienten erfolgt bei CALOS nicht intensitätsabhängig, sondern über
eine Zeitmessung. Das Problem des Detektionslimits wird durch Verwendung eines optischen
Resonators (Cavity) behoben. Hierbei handelt es sich um eine Anordnung aus
mindestens zwei hochreflektierenden Spiegeln, was eine effektive Wegstrecke des Lasers
von mehreren Kilometern ermöglicht, ohne die Dimension des Aufbaus, bzw. der Zelle,
vergrößert zu haben. Des Weiteren ist die Cavity-Leak-Out-Methode hochauflösend, was
es möglich macht, selbst eng beieinander liegende Absorptionslinien zu differenzieren.
Das Prinzip der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie ist in Abbildung 2.6 dargestellt. Ein cw-
Laser wird in Resonanz mit den Eigenschwingungen (Moden) der Cavity gebracht. Diese

TraceGas
Analysis
2.4 Cavity-Leak-Out-Spektroskopie 11
Einkopplung
Absorptionszelle
cw-Laser
optischer
Schalter
Spiegel
R 1
L
Spiegel
R 2
Photodetektor
Abb. 2.6 – Prinzip der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie. Ein cw-Laser wird in Resonanz
mit der Cavity gebracht und beim Erreichen eines Schwellenwerts mit Hilfe
eines optischen Schalters unterbrochen. Der Detektor nimmt das Abklingsignal der
aus der Zelle transmittierten Leistung auf. Aus den Abklingzeiten der leeren und
gasgefüllten Zelle lässt sich die Konzentration des Probegases ermitteln.
Eigenschwingungen treten im einfachsten Fall bei folgenden Frequenzen auf:
ν n = n ·
c
2L , n ∈ N . (2.7)
Sie werden Grund- bzw. TEM 00 -Moden genannt und sind abhängig von der Länge L der
Messzelle.
Die Cavity-Moden besitzen eine spektrale Breite ∆ν C , im verwendeten Aufbau beträgt
sie ca. 20kHz, so dass nur der Teil des eingestrahlten Laserstrahls konstruktiv interferieren
kann, dessen Frequenz sich innerhalb dieser Breite befindet. Dies hat zur Folge, dass
sich nur schmalbandige Laser für die Cavity-Leak-Out-Spektroskopie eignen. Der daraus
resultierende Vorteil ist das hohe Auflösungsvermögen des Systems.
Bei Anregung der Grundmode kommt es zu konstruktiver Interferenz und damit zu einer
Erhöhung der Strahlungsleistung innerhalb der Cavity. Man spricht dabei von einem power
build-up. Mit dem Ansteigen der Strahlungsleistung innerhalb der Cavity nimmt auch die
durch die Spiegel transmittierte Intensität zu, bis ein konstantes Niveau I trans erreicht
wird:
I trans = ρI in
T 2
(1 − R) 2 . (2.8)
ρ gibt an, wieviel der eingestrahlten Intensität I in in die Zelle eingekoppelt wird. T und
R sind die Transmissions- bzw. Reflektionswerte der Cavity-Spiegel. Im Idealfall würde
durch die Zelle soviel transmittiert werden, wie eingestrahlt wurde. Dies ist im experimentellen
Betrieb nicht der Fall. Erstens ist die Einkopplung in die Zelle nicht verlustfrei
zu bewerkstelligen; ein Grund hierfür ist z.B., dass die Breite der Laserlinie in der Regel
größer ist als die der Cavity und so nur ein Teil der eingestrahlten Intensität konstruktiv

12 2 Grundlagen
TraceGas
TraceGas
Analysis
Leistung / willk. Einheit
Abklingzeit τ 0
Abklingzeit τ
Zeit / μs
Abb. 2.7 – Vergleich des Abklingsignals τ 0 einer leeren Zelle zum Abklingsignal τ
einer mit absobierendem Gas gefüllten Cavity.
interferieren kann. Zweitens treten an den Spiegeln Absorptionsverluste auf, so dass für T
nicht der Idealfall T = 1 − R gilt, sondern T = 1 − R − A, wobei A der Absorptionskoeffizient
der Spiegel ist. Im Realfall beträgt die Transmission ca. 3-5% [18].
Wird der Laser bei einem bestimmten Schwellenwert abgeschaltet, so fällt das Strahlungsfeld
in der Cavity und damit auch die vom Detektor gemessene Intensität exponentiell
ab:
I(t) = I 0 e −βt . (2.9)
Der Leistungsabfall wird durch die Abklingzeit τ charakterisiert, welche die Zeit angibt, die
vergeht, bis das Signal auf den 1/e-Teil des Ausgangswertes abgefallen ist. Ist die Zelle mit
einem absorbierenden Gas gefüllt, so sinkt die Abklingzeit τ im Vergleich zur Abklingzeit
τ 0 einer evakuierten bzw. mit nicht absorbierenden Gas gefüllten Zelle. Abbildung 2.7
verdeutlicht diesen Zusammenhang.
Die folgenden Gleichungen zeigen, wie aus dem Vergleich der beiden Abklingzeiten der
Absorptionskoeffizient α des Gases bestimmt wird.
Gilt für die Spiegel R 1 = R 2 = R, so fällt die Intensität I pro Umlauf im Resonator um
den Faktor R 2 . Für n-Umläufe bedeutet dies:
I(n) = I 0 R 2n = I 0 e 2nlnR ≈ I 0 e 2n(R−1) . (2.10)

TraceGas
Analysis
2.4 Cavity-Leak-Out-Spektroskopie 13
Die Näherung gilt für R ≈1, was bei hochreflektierenden Spiegeln gegeben ist. Befindet
sich ein absorbierendes Gas in der Zelle, so ändert sich die Intensität um den Faktor e −αz ,
wobei z die Absorptionslänge ist [19]. Mit 2.9 und der Umlaufzeit t u = 2L c
Umläufe:
folgt für n
2nL
−β
I 0 e c = I 0 e 2n(R−1)−α2nL (2.11)
⇒ β = c ·
Die Definition der Abklingzeit τ liefert:
(1 − R)
L
+ α · c . (2.12)
e −1 = e −βτ 1−R
−(c·
= e L +α·c)·τ . (2.13)
Für die Abklingzeit τ 0 der leeren Zelle gilt:
τ 0 = 1 c ·
L
1 − R , (2.14)
womit sich Gleichung 2.13 nach α umstellen lässt:
α = 1 c
( 1
τ − 1 τ 0
)
. (2.15)
Die Cavity-Leak-Out-Spektroskopie ermöglicht somit die Bestimmung des Absorptionskoeffizienten
eines Gases über eine Zeitmessung. Mit den tabellierten Werten der Linienstärke
σ und Gleichung 2.3 kann dann die Gaskonzentration in der Messzelle bestimmt werden.

14 2 Grundlagen
TraceGas
2.5 Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse
Bereits vor über 120 Jahren wurden Untersuchungen zur Bestimmung des Blutvolumens
mittels CO durchgeführt, aber wegen Problemen bei der COHb-Messung zunächst nicht
weiter verfolgt [20]. C. M. Burge und S.L. Skinner stellten 1995 eine Methode vor, die die
Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse mit CO ermöglicht [20]. Diese Methode wurde
von W. Schmidt und seinen Kollegen weiter verbessert [21]. In beiden Fällen atmet der Proband
eine bestimmte Menge CO (ca. 50-90ml) ein. Dies funktioniert über ein sogenanntes
rebreathing-System“, bei welchem die Ausatemluft des Probanden, nachdem sie mit reinem
Sauerstoff angereichert und das Kohlendioxid herausgefiltert wurde, dem
”
Probanden
wieder zugeführt wird. Dadurch wird zum einen möglichst viel des verabreichten Kohlenmonoxids
vom Körper aufgenommen und zum anderen erlaubt es die Quantifizierung des
vom Körper nicht aufgenommenen CO. Die Hämoglobingesamtmasse (tHb) lässt sich aus
dem aufgenommenen CO-Volumen (V CO ) und der Differenz der Carboxyhämoglobinwerte
(∆COHb) vor und nach der CO-Atmung berechnen. Dazu betrachte man zunächst die
Carboxyhämoglobinanteile vor und nach der CO-Atmung:
TraceGas
Analysis
[COHb] v
= m COHb v
tHb
, [COHb] n
= m COHb n
tHb
= m COHb v
+ m COHbz
tHb
. (2.16)
m COHbz gibt die Masse des durch die CO-Atmung gebildeten Carboxyhämoglobins an. Die
Differenz der Carboxyhämoglobinwerte ergibt:
∆COHb = [COHb] n
− [COHb] v
= m COHb v
+ m COHbz − m COHbv
tHb
= m COHb z
tHb
.
(2.17)
Mit Hilfe der Hüfners Zahl lässt sich m COHbz durch das aufgenommene CO-Volumen berechnen.
Die Hüfners Zahl gibt an, wieviel Milliliter CO pro Gramm Hämoglobin gebunden
werden können. Stellt man nun Gleichung 2.17 nach tHb um, so erhält man:
tHb = K · V CO · (∆COHb · 1,39) −1 . (2.18)
Dabei wurde noch ein Faktor K eingefügt, der ein Korrekturfaktor für Messungen unter
Nicht-Standard-Bedingungen ist, was zumindest hinsichtlich der Temperatur im menschlichen
Körper zutrifft. Bei den Messungen von Burge und Schmidt werden die COHb-Werte
aus den Blutproben mittels kommerziell erhältlicher Blutanalysegeräte bestimmt.
Die von Schmidt vorgestellte Methode funktioniert nach seinen Angaben recht zuverlässig
und weist einen Standardfehler von 1,7% auf [21].
Die Idee einer COHb-Analyse, die nur auf eine Atemgasmessung basiert, wurde bereits

TraceGas
Analysis
2.5 Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse 15
1948 von Torgny Sjöstrand in einem Artikel veröffentlicht [22]. Allerdings wurde diese
Methode nicht allgemein akzeptiert, da die Ergebnisse großen Schwankungen unterlagen
(siehe [20], S. 623). Sjöstrand verwendete ebenfalls ein rebreathing-System. Er benutzte
bei seinen Berechnungen allerdings einige Vereinfachungen und Annahmen, die zumindest
aus heutiger Sicht nicht mehr gelten.
Um einen Eindruck dafür zu geben, wieviel Hämoglobin im Körper eines Menschen ist, sind
die folgenden Daten aufgeführt: Ein erwachsener Mensch besitzt ein Blutvolumen, welches
ca. 6-8% seines Körpergewichts entspricht. Der Hämoglobingehalt im Blut variiert zwischen
130-160g/l bei Frauen und 140-170g/l bei Männern. Die Variationen sind unter
anderem durch unterschiedliche Konstitutionen und Trainingszustände zu erklären. Für
einen Menschen mit 75kg Körpergewicht ergibt sich damit eine Hämoglobingesamtmasse
von ca. 800g [9, 23].

3 Experimenteller Aufbau
Die Kohlenmonoxid-Analysen für diese Arbeit wurden mit einem 5µm-CALO-
Spektrometer durchgeführt. Nachdem in Kapitel 2.4 das Prinzip der Cavity-Leak-Out-
Spektroskopie erläutert wurde, wird in diesem Kapitel der Aufbau des verwendeten Systems
beschrieben.
Es folgt eine Beschreibung des Spektrometers, unterteilt in den verwendeten Laser, das
Spektrometer und das Gassystem.
3.1 Der CO-Laser
Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten spektroskopischen Versuche wurde ein
CO-Laser verwendet. Hierbei handelt es sich um einen linienweise abstimmbaren Molekülgaslaser,
der einen Spektralbereich von 4,8µm bis 8µm abdeckt. Die Strahlungsleistung
des Lasers liegt, abhängig von der gewählten Laserlinie, zwischen wenigen mW
und ca. 300mW. Die geringe Linienbreite des Lasers von nur 50kHz und das gaußförmige
Strahlprofil qualifizieren ihn besonders gut für die Molekülspektroskopie.
Abb. 3.1 zeigt eine Skizze des Laseraufbaus inklusive der Laserstabilisierung. Der Resonator
ist ca. 2m lang und wird auf der einen Seite durch ein Beugungsgitter (320Linien/mm)
und auf der anderen durch einen, auf einem Piezotubus sitzenden, Silberspiegel begrenzt.
Die Strahlung wird am Gitter teilweise ausgekoppelt und durch einen Strahlteiler aufgeteilt.
Ein Teil der Strahlen wird zur Anwendung geleitet, während ein anderer Teil auf
einen Detektor geleitet wird und zur Steuerung der Stabilisierung des Lasers auf sein Leistungsmaximum
dient.
Das Gasgemisch mit dem der Laser betrieben wird, setzt sich zusammen aus CO, welches
das aktive Medium ist; Helium, das zum Kühlen dient; dem Pumpmedium Stickstoff und
Luft. Die Gasentladung wird bei 10kV und einem Entladungsstrom von ca. 10mA betrieben.
Bei den Laserübergängen handelt es sich um Übergänge zwischen CO-Vibrations-
Rotations-Niveaus < ν ′ ,J ′ > und < ν ′′ ,J ′′ >, wobei für ν ′ = ν ′′ + 1 und für J ′ = J ′′ − 1
gilt. Die Laserübergänge werden mit P ν ′′(J ′′ ) bezeichnet.
Weitere Informationen, insbesondere die Stabilisierung und den Aufbau betreffend, können
16

TraceGas
Analysis
3.2 Das Spektrometer 17
Blende
He+N 2
LN 2
Pumpe
He+N 2
Spiegel
und
Piezo
Gitter in Littrow
Anordnung
Lasergas
(He+N 2
+CO+O ) 2
Blende
Strahlteiler
CaF 2
Laserfrequenzstabilisierung
LN2
gekühlter
InSb Detektor
Abb. 3.1 – Aufbau des CO-Lasers. Der Laserresonator wird auf der linken Seite
von einem Gitter in Littrow-Anordnung und auf der rechten Seite von einem, auf
einem Piezotubus montierten, sphärischen Silberspiegel begrenzt. Das Lasergas befindet
sich in einem Glasdewar und wird mittels Flüssigstickstoff (LN 2 ) gekühlt. Das
am Gitter ausgekoppelte Laserlicht wird aufgeteilt und ein Teil zur Steuerung der
Frequenzstabilisierung des Laser verwendet.
u.a. den Vorgängerarbeiten entnommen werden [24, 25, 26].
3.2 Das Spektrometer
In diesem Abschnitt werden der Aufbau des Spektrometers und die Funktionen seiner
zentralen Elemente erläutert. Dazu gehören, neben dem bereits beschriebenem Laser, der
elektrooptische Modulator (EOM), die Nachweiszelle sowie der Detektor und die Steuerelektronik.
Wie bereits dargestellt, ist der CO-Laser lediglich linienweise durchstimmbar. Der Hauptteil
des aus dem Laserresonator ausgekoppelten Strahls wird über sphärische Spiegel in
den EOM fokussiert. Die Fokussierung ist für die optimale Effizienz der Seitenbanderzeugung
notwendig. Der Kern des EOM ist ein CdTe-Kristall, an den ein elektrisches
Feld angelegt wird, durch welches der Brechungsindex des Kristalls beeinflusst wird. Eine
Modulierung dieses Feldes mit einer Mikrowelle führt zu zwei Seitenbändern mit den Frequenzen
ν Laser ± ν Mikrowelle . Eine derartige Erzeugung der Seitenbänder erfolgt nur, wenn
das Mikrowellenfeld senkrecht zur Polarisation des Laserstrahls angelegt ist. Aus diesem
Grund ist dem EOM ein Polarisator vorgeschaltet. Da die Seitenbänder senkrecht zum
Laserstrahl polarisiert sind, wird der nicht modulierte Anteil des Hauptstrahls durch den
Analysator hinter dem EOM geblockt. Die Leistung auf den Seitenbändern liegt bei einigen
hundert µW . Dank der Eigenschaften der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie ist diese
Leistung für die Spurengasanalyse ausreichend. Der EOM dient außerdem als optischer

18 3 Experimenteller Aufbau
TraceGas
TraceGas
Analysis
S8
PZT
S9
Nachweiszelle
S10
S1, R=5m
S11
Blende
Detektor
D2
S6, R=1,5m
S7
S3, R=1m
S5
Polarisator
EOM
Analysator
S4, R=1m
Strahlteiler
S2
Detektor
D1
PZT
CO-Laser
Abb. 3.2 – Aufbau des Spektrometers. Der Hauptteil des Laserstrahls wird über
sphärische Spiegel in den EOM fokussiert. Durch Überlagerung mit einer Mikrowellenfrequenz
werden hier zwei kontinuierlich abstimmbare Seitenbänder erzeugt.
Ein Seitenband wird resonant mit der Grundmode der Cavity in die Nachweiszelle
eingekoppelt. Der Detektor hinter der Zelle nimmt das transmittierte Signal auf.
Schalter zum Unterbrechen des Strahls, sobald die durch die Zelle transmittierte Leistung
einen bestimmten Schwellenwert erreicht.
Die zwei sphärischen Spiegel S4 und S6 dienen zur Einstellung des Strahlradius in der
Nachweiszelle und die zwei planen Spiegel zur Einkopplung des Strahls in die Cavity.
Einen Hinweis auf die Qualität der Justierung gibt die Abklingzeit τ 0 . Je größer diese ist,
desto genauer ist das System eingestellt. Details zur Justierung der Nachweiszelle und des
Lasers sind ausführlich in [26] geschildert.
Die Nachweiszelle besteht aus mehreren Elementen. In ihrem Zentrum befindet sich ein
Glasrohr, in welches das Probegas geleitet wird. Das Glasrohr wird von einem Invarkäfig
gehalten, der sich aus vier zum Glasrohr parallelen Stangen und zwei Endplatten zusammensetzt.
Der geringe thermische Längenausdehnungskoeffizient des Invars macht den
Aufbau der Zelle besonders temperaturstabil.
An den Endplatten sind die Cavity-Spiegel auf elektrisch verstellbaren Spiegelhaltern
befestigt. Zum gasdichten Abschluss der Zelle sind zwei Edelstahltöpfe mit antireflexbeschichteten
Germaniumfenstern, die zum Ein- und Auskoppeln des Lasers dienen, auf
den Endplatten montiert. Zur besseren Veranschaulichung ist in Abb. 3.3 ein Foto der
Nachweiszelle zu sehen.
Nachdem der Strahl die Nachweiszelle durchlaufen hat, wird er mittels eines sphärischen
Spiegels auf den Detektor D2 fokussiert. Das Detektorsignal wird verstärkt und über

TraceGas
Analysis
3.3 Das Gassystem 19
Edelstahltöpfe
Invarkäfig
Glasrohr
Germaniumfenster
Abb. 3.3 – Die Nachweiszelle. Die zentralen Elemente der Nachweiszelle sind markiert.
Die vier Invarstäbe sind zur besseren Temperaturstabilität mit Schaumstoff
ummantelt. Die Wellschläuche, die an den Edelstahltöpfen angeschlossen sind, führen
über die Druckregelung zur Vakuumpumpe. Das Probegas wird über eine Öffnung
in der Mitte des Glasrohres eingeleitet.
eine DAQ-Karte an den Messrechner übertragen. Zusätzlich dient es, durch die Lock-In-
Technik, zur Steuerung des Piezos eines Cavity-Spiegels und somit zur Stabilisierung der
Resonatormode. Ein in den Regelkreis eingebauter Regler erlaubt die Regulierung der
Intensitätsschwelle, bei der der Laser durch den EOM abgeschaltet wird.
3.3 Das Gassystem
Das Gassystem gewährleistet einen konstanten Druck in und einen kontrollierten Gasfluss
durch die Zelle.
Der konstante Druck ist nötig um eine hochpräzise und hochauflösende Spektroskopie
durchführen zu können. Druckschwankungen würden zu Veränderungen der Linienstärken
und Linienbreiten der zu untersuchenden Moleküle führen. Abb. 3.4 zeigt eine Skizze des
Gassystems. Die Gasprobe wird zunächst durch einen Nafionschlauch geleitet.

20 3 Experimenteller Aufbau
TraceGas
TraceGas
Analysis
Gasprobe
Nafionschlauch
Flusskontrolle
Bypass
MKS
MKS
In
MKS
Laserstrahl
transmittiertes
Signal
Detektor
D2
Vakuumpumpe
MKS
Regelventil
In
Messrechner
Druckkontrolle
Abb. 3.4 – Aufbau des Gassystems. Das Probegas wird durch einen Nafionschlauch,
der zur Reduzierung des Wassergehalts der Gasprobe dient, zu einem Massenflussregler
geleitet. Dieser regelt den Gasfluss zur Zelle hin. Die Gasprobe wird zunächst über
mehrere Kipphebelventile gesteuert an der Messzelle vorbei zur Vakuumpumpe geleitet.
Langsames Öffnen und Schließen der entsprechenden Ventile leitet das Gas
in die Messzelle, ohne große Druckschwankungen, die zur Verstellung der Cavity-
Spiegel führen könnten, zu verursachen. Die Messzelle wird über zwei an die Edelstahltöpfe
angeschlossenen Wellschläuche abgepumpt. Ein digital steuerbares Regelventil
ermöglicht die Druckkontrolle in der Zelle.
Nafion ist ein synthetisches Polymer und wurde in den 1960er von Dr. Walther Grot
bei der Modifizierung von Teflon entdeckt. Es handelt sich dabei um eine Membran, die
eine hohe Selektivität und Permeabilität (Durchlässigkeit) für Wasser bietet [27]. Die im
Versuch verwendete Membran ist als Schlauch geformt und befindet sich in einem weiteren
Schlauch, durch den bei niedrigem Druck Stickstoff strömt. Wird das Probegas durch
den Nafionschlauch geleitet, so wird das Wasser, auf Grund des Partialdruckunterschieds
zwischen dem inneren und dem äußeren Schlauch, aus der Gasprobe entfernt [25]. Die
Entfernung des Wassers aus den Gasproben ist nötig, da Wasser im mittleren IR-Bereich
stark absorbiert und in der Messzelle zu falschen Interpretationen der Messergebnisse
führen würde.
Der nachfolgende Massenflussregler erlaubt die Regulierung des Gasflusses, der mittels

TraceGas
Analysis
3.3 Das Gassystem 21
einer Drehschieberpumpe erzeugt wird, durch die Messzelle. Der Fluss ist in einem Bereich
zwischen 5 und 1000sccm regelbar.
Das Gas wird zunächst über einen Bypass an der Zelle vorbeigeleitet und kann anschließend
über Ventile langsam durch die Zelle geleitet werden. Diese Vorhergehensweise ist wegen
der Empfindlichkeit der Justierung der Zelle erforderlich, weil Druckschwankungen zur
Dejustierung der Cavity-Spiegel führen können.
Einmal in die Zelle geleitet, sorgt ein Regelventil für die Druckkontrolle und -steuerung in
der Nachweiszelle, die kontinuierlich über die zwei Edelstahltöpfe abgepumpt wird.

4 Ergebnisse
Ziel dieser Arbeit ist, die Hämoglobingesamtmasse im menschlichen Körper durch Atemgasmessungen
zu bestimmen. Als Vorbild dienten die Arbeiten von Burge und Schmidt,
die in Kapitel 2.5 vorgestellt wurden. Die erforderlichen COHb-Bestimmungen sollten hier
aber aus einer Atemgasmessung und nicht, wie in den Artikeln beschrieben, aus einer
Blutuntersuchung ermittelt werden.
In Kapitel 2.2 wurde gezeigt, dass die COHb-Konzentration im Blut mit der CO-
Konzentration der Ausatemluft verknüpft ist. Dieser Zusammenhang wird auch in Abschnitt
4.3.2 untersucht, in dem die COHb-Konzentrationen aus Atem- und Blutproben
mit dem CALOS-System ermittelt und verglichen werden.
Zur Berechnung der Hämoglobingesamtmasse nach Formel 2.18 ist neben der Bestimmung
von [COHb] auch die Bestimmung des Volumens des vom Körper aufgenommen Kohlenmonoxids
nötig, welches die Änderung ∆COHb bewirkt.
Die ersten Atemgasuntersuchungen dienten folglich der Untersuchung zur CO-Aufnahme,
um ein Messprotokoll zur tHb-Bestimmung entwickeln zu können. Das erstellte Protokoll
wird anhand mehrerer Messreihen präsentiert.
Den Abschluss dieses Kapitels bildet ein Experiment zur Überprüfung der in dieser Arbeit
entwickelten tHb-Bestimmung.
Das folgende Unterkapitel geht jedoch zunächst auf die für die Atemgasuntersuchungen
nötigen Vorüberlegungen, wie beispielsweise der Linienauswahl, ein.
4.1 Vorbetrachtungen
Die erste Überlegung gilt der Wahl des zu bestimmenden Isotopologs. Das 12 CO, welches
den größten Anteil (ca. 98,6%) in der natürlichen Zusammensetzung von Kohlenmonoxid
ausmacht, kommt in der menschlichen Ausatemluft in relativ großen Konzentrationen von
1-2ppm vor. Dies bietet zwar den Vorteil, dass es relativ einfach zu detektieren wäre, aber
für die CO-Atmung wären entsprechend höhere Konzentrationen nötig. Zur Erhöhung des
CO-Ausatemlevels ist es erforderlich, dass der Proband CO in Konzentrationen einatmet,
die um ein mehrfaches größer sein müssen als in der normalen“ Atemluft im Labor. Die
”
benötigten Konzentrationen lägen viel höher als die maximale Arbeitsplatz-Konzentration
23

24 4 Ergebnisse
TraceGas
von 30ppm [28]. Somit kommt die Messung von 12 CO für die geplanten Atemgasuntersuchungen
nicht in Frage.
Eine Alternative ist durch das 13 CO gegeben. Mit einem Anteil von nur 1,1% in der
natürlichen Zusammensetzung von Kohlenmonoxid, sind die zu detektierenden Konzentrationen
zwar entsprechend geringer, jedoch ist der Laser auf Linien einstellbar, deren
maximale Leistung für die Detektion absolut ausreichend ist .
Der große Vorteil des 13 CO gegenüber dem 12 CO zeigt sich in der Anreicherung der Ausatemluft
mit Kohlenmonoxid. Aufgrund des konstanten Isotopologenverhältnisses zwischen
12 CO und 13 CO kann bei der Verwendung von 13 CO mit sehr geringen Konzentrationen
gearbeitet werden, die unterhalb zulässiger Höchstwerte liegen.
13 CO ist nicht radioaktiv, so dass bei der Verwendung von Konzentrationen unter 30ppm
keine gesundheitliche Gefahr für die Probanden oder die Laborarbeiter besteht.
Die Möglichkeit 13 CO für die CO-Untersuchungen zu verwenden, ist wegen der viel kleineren
Konzentrationen bzw. Mengen ein großer Vorteil gegenüber der Methode von W.
Schmidt [21].
TraceGas
Analysis
4.1.1 Linienauswahl
Bei der Linienauswahl zur Detektion eines Moleküls müssen mehrere Punkte beachtet werden.
Die Absorptionsstärke sollte möglichst groß sein, um höchstempfindlich messen zu können.
Dabei sollte die Absorptionslinie nicht von Absorptionslinien anderer Moleküle überlagert
sein, da sonst die Selektivität der Messung nicht gewährleistet wäre. Insbesondere Wasser
und Kohlendioxid (CO 2 ) spielen häufig eine störende Rolle bei der Untersuchung der
menschlichen Atemluft im mittleren Infrarotbereich.
Das Wasser kann durch einen Nafionschlauch zum größten Teil aus der Gasprobe entfernt
werden. Mittels einer Kühlfalle könnte das Kohlendioxid aus der Atemprobe entfernt
werden. Die Verwendung der Kühlfalle empfiehlt sich hier aber nicht, da dies zum einen
die Zeitauflösung des Systems negativ beeinflussen würde und zum anderen bestünde die
Gefahr, dass die Kühlfalle während der Messung zufrieren könnte, wodurch der Gasfluss
zur Nachweiszelle gestoppt werden würde.
Folglich müssen solche Absorptionslinien gewählt werden, die keine oder nur eine sehr
geringe Querempfindlichkeit zu CO 2 aufweisen.
Eine weitere Einschränkung bei der Linienauswahl ist durch den Laser gegeben. Die kontinuierliche
Seitenbandmodulation erlaubt spektrale Fenster im Bereich zwischen 8 und
18GHz links und rechts von der Laserfrequenz. Die Absorptionslinien des zu untersuchenden
Moleküls müssen in diesem Fenster liegen. Des Weiteren ist zu beachten, dass der

TraceGas
Analysis
4.1 Vorbetrachtungen 25
Laser auf verschiedenen Laserübergängen unterschiedliche Leistungen aufweist. Eine zu
schwache Laserintensität hätte zur Folge, dass die Zelle bei höheren Konzentrationen des
absobierenden Moleküls blind“ werden würde, d.h. dass keine Leistung mehr zum Detektor
transmittiert werden würde.
”
Die drei CO-Laserlinien 3P13, 4P9 und 4P11 weisen eine ausreichende Intensität
auf. Abb. 4.1 zeigt die mit den genannten Laserlinien spektroskopierbaren 13 CO-
Absorptionslinien. Die Absorptionslinien von Wasser (0,1%) und Kohlendioxid (5%) sind
in diesem Bereich ebenfalls aufgetragen, um kontrollieren zu können, ob Querempfindlichkeiten
bestehen. Die angenommenen Konzentrationen entsprechen der Zusammensetzung
in der Ausatemluft, wobei beim Wasser die Verwendung des Nafionschlauchs mit einkalkuliert
wurde. Die Konzentration von 13 CO in Höhe von 1ppm liegt in der Größenordnung
der Konzentration, wie sie nach einer CO-Atmung vorkommt.
Man sieht deutlich, dass sich sowohl die 3P13 als auch die 4P11 Linie zur Untersuchung
von Atemproben verwenden lassen.
Die Querempfindlichkeit mit CO 2 auf der 4P9-Linie würde die Verwendung einer Kühlfalle
erforderlich machen und eignet sich deshalb weniger zur Atemanalyse.

26 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
3P13
4P9
4P11
Abb. 4.1 – Linienauswahl. Dargestellt sind die Absorptionslinien von 13 CO mit
einer Konzentration von 1ppm, die mit den drei Laserlinien 3P13, 4P9 und 4P11
spektroskopiert werden können. Die Konzentration von 13 CO in Höhe von 1ppm
liegt in der Größenordnung der Konzentration, wie sie nach einer CO-Atmung vorkommt.
Die Absorptionslinien von CO 2 sind in den in der Ausatemluft typischerweise
vorkommenden Konzentrationen ebenfalls aufgetragen, wie auch die von Wasser.
Die Wasserkonzentration wurde mit 0,1 % angenommen, was bei der Verwendung
des Nafionschlauchs nicht überschritten wird.
4.1.2 Untersuchung des Einflusses des Nafionschlauchs auf die
13 CO-Konzentration
An dieser Stelle wird geprüft, ob der Nafionschlauch einen Einfluss auf die Konzentration
von 13 CO einer Gasprobe nimmt. Dazu wird 13 CO-Prüfgas mit einer Konzentration von
1ppm in einen Gasprobebeutel gefüllt. Das Gas aus dem Beutel wird einmal über den
Nafionschlauch und einmal über einen normalen Schlauch in die Zelle geleitet. Nach ca.
100s wird der Beutel von den entsprechenden Schläuchen getrennt und Raumluft in die
Zelle geleitet. Abb. 4.2 zeigt das Ergebnis dieser Messung.
In beiden Graphen ist deutlich die Stufe zu erkennen, die durch den Wechsel zwischen Probegas
und Raumluft zu Stande kommt. Die untere Stufenebene wurde in beiden Fällen als
Nullniveau angenommen. Auf Grund des natürlichen Isotopologenverhältnisses von CO ist
in der Laborluft zwar auch 13 CO vorhanden, jedoch misst man in beiden Versuchen die

TraceGas
Analysis
4.1 Vorbetrachtungen 27
ohne Nafionschlauch
mit Nafionschlauch
0,97 ± 0,01 ppm
0,97 ± 0,01 ppm
Abb. 4.2 – Untersuchung zum Einfluss des Nafionschlauchs auf die gemessene
13 CO-Konzentration. Das 13 CO-Prüfgas (1 ppm) wird einmal über einen Nafionschlauch
und einmal über einen normalen Schlauch in die Messzelle geleitet. Nach
ca. 100 s wird der Gasbeutel vom jeweiligen Schlauch getrennt und Raumluft in die
Zelle geleitet. Diese Messung wurde unter den gleichen Parametern durchgeführt
wie die Atemgasanalysen: Druck in der Zelle (p Zelle )=50 mbar, Gasfluss durch die
Zelle=1000 sccm.
gleiche Laborluft, so dass diese Annahme gerechtfertigt ist. Der Vergleich der Stufenhöhen
zeigt, dass der Nafionschlauch keinen Einfluss auf die 13 CO-Konzentration nimmt und somit
für die Atemgasanalysen verwendet werden kann. Der angegebene Fehler von 0,01ppm
ergibt sich aus der Standardabweichung bei der Mittelung über die Messpunkte der oberen
Stufenebene.
4.1.3 Charakterisierung des Messsystems
Zur Charakterisierung des Messsystems sind zwei Daten besonders wichtig. Es handelt
sich dabei um die Nachweisgrenze und die Zeitauflösung des Systems.
Die Nachweisgrenze gibt die kleinste messbare Konzentrationsänderung an. Sie ist
abhängig vom Rauschen, das durch thermische und mechanische Störungen während der
Messung der Abklingzeiten hervorgerufen wird.
Bestimmt wird die minimale Nachweisgrenze durch eine so genannte Allan-Varianz-
Messung. Dabei wird Stickstoff durch die Nachweiszelle geleitet und das Rauschsignal
des Detektors aufgenommen. Die Messdaten können dann beispielsweise mit dem
Freeware-Programm ALAVA 5.2“ [29] ausgewertet werden. Abb. 4.3 zeigt die Auswertung
der Allan-Varianz einer solchen Messung, die unter für Atemmessungen typischen
”
Parametern durchgeführt wurde. Gemessen wurde auf der 3P13-Laserlinie bei ca.

28 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
1E-8
Absorptionskoeffizient / cm -1
1E-9
0,1 1 10 100 1000
Zeit / s
Abb. 4.3 – Auswertung einer Allan-Varianz-Messung. Der x-Achsenabschnitt des
Minimums der Kurve gibt die optimale Integrationszeit an. Der zugehörige y-Wert
entspricht dem kleinsten nachzuweisenden Absorptionskoeffizienten.
200mW Laserausgangsleistung, bei einem Druck in der Nachweiszelle von 50mbar und
einem Gasfluss von 1000sccm durch die Zelle. Aus dem Graphen lassen sich nun der
minimal nachweisbare Absorptionskoeffizient und die dafür erforderliche Integrationszeit
ablesen. Bei einer Integrationszeit von ca. 70,7s liegt der minimal nachweisbare Absorptionskoeffizient
bei 3,27·10 −10 cm −1 , was einer 13 CO-Konzentration von 0,1ppb entspricht.
Die Zeitauflösung des CALOS-Systems entspricht der Gasaustauschzeit der Messzelle
und wird durch die t 90 -Zeit charakterisiert. Sie gibt die Zeit an, die das System bei instantaner
Unterbrechung der Gaszufuhr braucht, bis das Absorptionssignal von 90% des
Maximums auf 10% fällt (siehe Abb. 4.4).
Zur Messung der t 90 -Zeit werden abwechselnd Prüfgas ( 13 CO, 12ppm) aus einem Gasbeutel
und Raumluft über den Nafionschlauch durch die Zelle geleitet.
Bei einem Fluss von 1000sccm und einem Druck von 50mbar in der Nachweiszelle ergibt
sich für 13 CO eine t 90 -Zeit von (0,81±0,01)s. Die Zeitauflösung des Systems ist somit
ausreichend, um atemzugsaufgelöste Gasanalysen durchführen zu können.

TraceGas
Analysis
4.2 Untersuchungen zur CO-Aufnahme 29
t 90
Abb. 4.4 – Bestimmung der t 90 -Zeit.
4.2 Untersuchungen zur CO-Aufnahme
Die ersten Atemmessungen, die in diesem Abschnitt präsentiert werden, dienen der Aufklärung,
welche 13 CO-Konzentration zur CO-Atmung benötigt wird und wie lange das CO
eingeatmet werden sollte, um eine deutliche Änderung im CO-Ausatemlevel zu erhalten.
Der Aufbau des Spektrometers wurde bereits in einem eigenen Kapitel beschrieben. An
dieser Stelle wird diesbezüglich nur noch auf den Weg der Atemprobe zum Nafionschlauch
eingegangen.
Der Proband atmet durch ein Mundstück, welches in Abb. 4.5 zu sehen ist. Die farbigen
Pfeile deuten den Weg der Gasprobe durch das Mundstück für den Ein- und Ausatemprozess
an. An dem Gaseinlassventil kann ein Atemregler angeschlossen werden, der mit
einer Gasflasche verbunden, den Probanden beim Einatmen mit der Gasmischung aus der
Gasflasche versorgt. Wird der Schlauch am Gaseinlassventil getrennt, so atmet der Proband
Laborluft ein.
Das mit dem Mundstück verbundene Spirometer analysiert die Ein- und Ausatemluft auf
ihren CO 2 - und O 2 -Gehalt hin.
Die besondere Konstruktion des im Mundstück integrierten Anschlusses des Spirometers
erlaubt auch die Messung des Atemflusses.
Die aufgenommenen Daten werden über eine Computerschnittstelle an den Messrechner
übertragen und gleichzeitig mit den Messergebnissen der CALOS-Messung durch ein

30 4 Ergebnisse
TraceGas
LabView-Programm aufgezeichnet.
Bei der Auswertung der Messdaten muss die unterschiedliche Weglänge zwischen dem
Mundstück und dem Spirometer sowie zwischen Mundstück und Cavity beachtet werden.
Der Wegunterschied führt nämlich zu einer zeitlichen Verschiebung der von den beiden
Systemen aufgenommmenen Messdaten.
TraceGas
Analysis
Der erste Teil der Messung besteht in der Bestimmung des 13 CO-Ausatemlevels, das der
Proband beim Atmen der normalen“ Laborluft hat. Zu diesem Zweck atmet der Proband
”
durch das Mundstück, so dass die Atemluft im Spektrometer analysiert werden kann. Die
Atmung soll dabei ruhig und gleichmäßig sein, der Atemfluss ca. 20l/min betragen. Dies
soll dazu dienen, die Anzahl möglicher Variablen, wie Atemfluss oder Atemtiefe, klein zu
halten, so dass die Messungen untereinander leicht verglichen werden können.
Im zweiten Teil atmet der Proband 13 CO ein um das CO-Ausatemlevel zu erhöhen.
Der dritte Teil ist analog zum ersten, nur dass diesmal eine höhere 13 CO-Konzentration
erwartet wird.
Für diese Messreihe standen zwei Gasgemische zur Verfügung. Eine Gasflasche war mit
einer Konzentration von ca. 1ppm 13 CO und die andere mit ca. 30ppm 13 CO in synthetischer
Luft gefüllt.
Die Konzentration von 1ppm gegenüber 30ppm bietet den Vorteil, dass das Spektrometer
auch die Daten während der CO-Atmung aufzeichnen kann. Bei einer Konzentration von
30ppm ist dies mit dem verwendeten System aus mehreren Gründen nicht möglich. Ein
Grund ist, dass die meisten zur Verfügung stehenden Laserlinien zu wenig Leistung haben,
so dass die Zelle blind“ wird. Ein weiterer Grund liegt in den kleinen Abklingzeiten von
”
unter 3µs, die bei hohen Konzentrationen und den spektroskopierbaren Absorptionslinien
gemessen werden müssen. Abklingsignale von unter 3µs liegen am Rand bzw. außerhalb
des Dynamikbereichs des Detektors und der zugehörigen Elektronik, so dass keine korrekte
Signalaufnahme und -verarbeitung stattfinden kann.
Die folgenden Messreihen wurden auf der 3P13 Laserline bei ca. 200mW durchgeführt.
Der Gasfluss durch die Cavity betrug 1000sccm bei einem Druck von 49,7mbar in der
Nachweiszelle.
Die ersten hier präsentierten Messungen wurden mit der 1ppm-Flasche und einer CO-
Atemzeit von ca. 5min bzw. 15min durchgeführt. Abb. 4.6 zeigt das Ergebnis der CO-
Messung. Man kann deutlich die drei oben geschilderten Phasen der Messung unterscheiden.
Des Weiteren sind sowohl nach der 5- als auch nach der 15-minütigen CO-Atmung
erhöhte CO-Konzentrationen im Vergleich zum Basislevel (ca. 18ppb±4,8%) zu erkennen.
Die Konzentrationen liegen bei 32ppb ±4,3% (5min) und 47ppb ±4,5% (15min).
Gemessen wurde jeweils das am Ende eines jeden Atemzugs höchste CO-Level. Diese Art

TraceGas
Analysis
4.2 Untersuchungen zur CO-Aufnahme 31
Zuleitungen
zum Spirometer
Ventil
Mundstück
Gaseinlassventil
Zuleitung zur Messzelle
Abb. 4.5 – Mundstück und Spirometer. Oben ist das Mundstück samt Beschriftung
der Anschlüsse zu sehen. Weitere Informationen hierzu können aus [30] entnommen
werden. Des Weiteren sind die Wege der Ein- (blau) bzw. Ausatemluft (rot) eingezeichnet.
Das zur Messung von Atemfluss, O 2 - und CO 2 - Konzentrationen verwendete
Spirometer ist unter dem Mundstück abgebildet.

32 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
5 min CO-Atmung
15 min CO-Atmung
Basis-Level
CO-Level nach
der CO-Atmung
Abb. 4.6 – Untersuchung zur CO-Aufnahme. Zu sehen sind die Ergebnisse bei
der Verwendung der 1ppm 13 CO-Flasche für die CO-Atmung. Sowohl nach der
5- als auch nach der 15-minütigen CO-Atmung ist eine im Vergleich zum Basis-
Level erhöhte CO-Konzentration zu erkennen. Die Konzentrationen liegen bei
32 ppb±4,3% (5 min) und 47 ppb±4,5% (15 min).
der Auswertung ist nur sinnvoll, wenn die Atemzüge gleich lang und gleich tief sind. Aus
diesem Grund sollte der Proband seinen Atemfluss, der ihm am Computermonitor angezeigt
wurde, für jeden Atemzug gleich halten und auch die Dauer der Atemzüge konstant
halten. Die Ergebnisse wurden gemittelt und die Standardabweichung bestimmt.
Der tatsächlich gemachte Fehler könnte aber höher liegen, da zum Zeitpunkt der Messung
die Laserfrequenzstabilisierung defekt war, was auch an den gezeigten Messungen
zu sehen ist. Auf der linken Seite ist während der CO-Atmung ein Anstieg der Maximal-
Konzentration zu erkennen. Dies ist nur durch ein Wandern der Laserfrequenz zu erklären,
wodurch sich auch der zur Berechnung der CO-Konzentration benötigte Absorptionskoeffizient
ändert.
Die CO-Inhalationszeit von 15min wurde als obere Grenze für Atemmessungen festgestellt,
da die trockene Luft aus der Gasflasche über längere Zeiträume unangenehm für
die Probanden ist. Außerdem ist es im Hinblick auf eine spätere Anwendung der Methode
vorteilhaft, möglichst kurze Untersuchungsdauern zu erreichen, um einerseits den Probanden
zu entlasten und andererseits die Untersuchungskosten zu senken.
Um den Einfluss des Basis-Levels auf die tHb-Bestimmung, auf die später eingegangen
wird, möglichst gering zu halten, ist eine Erhöhung der CO-Konzentration mindestens um
den Faktor 20 wünschenswert. Wegen der zeitlichen Begrenzung der CO-Atmung muss
deshalb auf höhere CO-Konzentrationen zurückgegriffen werden.
Die Messung mit der 30ppm 13 CO-Flasche ergab bereits nach 5min eine fast 20-fache
Erhöhung der CO-Konzentration, bzw. eine 35-fache Erhöhung nach 10min gegenüber
dem Basis-Level. Wie bereits dargestellt, ist eine Registrierung der CO-Atmung bei einer

TraceGas
Analysis
4.2 Untersuchungen zur CO-Aufnahme 33
nach 5min CO-Atmung
nach 10min CO-Atmung
Abb. 4.7 – Untersuchung zur CO-Aufnahme. Nach einer CO-Atmung (30 ppm
13 CO) von 5 min hat sich das CO-Ausatem-Level fast um einen Faktor von 20 gegenüber
dem Basis-Level erhöht, nach 10 min um einen Faktor von 35.
Konzentration von 30ppm mit dem vorgestellten Spektrometer nicht möglich. Aus diesem
Grund wurde die Schlauchverbindung zur Messzelle am Mundstück während dieser
Atmung getrennt und erst zur Bestimmung der erhöhten CO-Konzentration der Atemluft
wiederhergestellt.
Abb. 4.7 zeigt die entsprechenden Messungen. Nach 5-minütiger CO-Atmung liegt
die 13 CO-Konzentration bei 0,34ppm ±2,9% und nach der doppelten Zeit bei
0,64ppm ±2,2%.
Für die folgenden tHb-Bestimmungen ist eine Konzentration von 1ppm 13 CO für das
Atemgas zu gering. Die Gasatemzeit ist auf 15min zu beschränken, so dass zur Erzielung
höherer CO-Ausatem-Level die CO-Konzentration der Gasflasche möglichst hoch
sein muss. Die obere Grenze für die zu verwendende Konzentration ist durch die Leistung
des Lasers und die Absorptionsstärke der jeweiligen Absorptionsübergänge beschränkt und
liegt unter 20ppm bei der Spektroskopie auf der 4P11-Laserlinie.
Für die weiteren CO-Atemmessungen wurde deshalb eine Gasmischung mit 16ppm
13 CO in synthetischer Luft verwendet. Eine 15-minütige CO-Atmungszeit ergibt eine
13 CO-Konzentration in der Ausatemluft von 0,81ppm ±2,6%, vgl. Abb. 4.8. Die dabei
erreichte Konzentration ist somit deutlich höher, als bei einer 10-minütigen CO-Atmung
mit 30ppm 13 CO in synthetischer Luft.

34 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Abb. 4.8 – Untersuchung zur CO-Aufnahme. Nach einer CO-Atmung (16 ppm
13 CO) von 15 min hat sich ein CO-Ausatem-Level von 0,81 ppm ± 2,6 % eingestellt.
Für eine bessere Übersicht der in diesem Abschnitt präsentierten Ergebnisse sind diese
nochmals in der folgenden Tabelle aufgeführt.
13 CO-Einatem- Dauer der 13 CO-Ausatem- Fehler
konzentration CO-Atmung konzentration
Raumluft 18ppb 4,8%
1ppm 5min 32ppb 4,3%
1ppm 15min 47ppb 4,5%
30ppm 5min 0,34ppm 2,9%
30ppm 10min 0,64ppm 2,2%
16ppm 15min 0,81ppm 2,6%

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 35
4.3 13 COHb-Bestimmung
Wie bereits in der Einleitung zu diesem Kapitel erwähnt, ist die Messung der 13 COHb-
Konzentration nötig um die Hämoglobingesamtmasse nach 2.18 berechnen zu können.
Dieser Abschnitt behandelt die mit dem CALOS-System gegebenen Möglichkeiten zur
COHb-Messung sowohl aus der Atemluft als auch aus dem Blut. Die Messung der Carboxyhämoglobin-Konzentration
aus dem Blut soll zur Kontrolle der Atemmessungen dienen.
4.3.1 13 COHb-Bestimmung aus der Atemluft
Zur Berechnung der 13 COHb-Werte aus der gemessenen 13 CO-Ausatemkonzentration
soll Gleichung 2.1 verwendet werden. Sie wird in der Literatur auch häufig als Haldane
Gleichung bezeichnet, bezugnehmend auf John Scott Haldane, der, vor etwa 100 Jahren,
unter anderem die physiologischen Zusammenhänge zwischen CO und Hämoglobin,
teilweise durch Selbstexperimente, untersuchte [31].
Der in 2.5 angesprochene Forscher T. Sjöstrand verwendete für seine Atemuntersuchungen
ebenfalls die Haldane Gleichung. Allerdings setzte er für [O 2 Hb] und pO 2 konstante Werte
ein und mittelte pCO über mehrere Atemzüge.
Betrachtet man den Verlauf der Sauerstoff- und Kohlenmonoxidkonzentrationen während
eines Atemzugs, so fällt auf, dass sich die Werte bei normaler Atmung stets ändern,
wie in Abb. 4.9 zu sehen ist. Das Problem des sich ändernden CO-Partialdrucks in
der Ausatemluft lässt sich dadurch lösen, dass der Proband vor dem Ausatmen 15s
oder länger die Luft anhält. Abb. 4.10 zeigt den Verlauf der CO-Konzentration für
unterschiedlich lange Atemanhaltezeiten. Man sieht deutlich, dass die Steigung des
Alveolarplateaus mit längerer Luftanhaltezeit abnimmt. Ab 10s ist die Steigung nahezu
null, d.h., dass sich der CO-Partialdruck der Ausatemluft in diesem Bereich nicht ändert.
Der Verlauf der O 2 -Ausatemkonzentration, siehe Abb. 4.10 unten, zeigt ein ähnliches
Verhalten, wenn die Luft vor dem Ausatmen angehalten wird. Da die Gase aus den
Alveolen durch Membranen ins Blut und umgekehrt diffundieren können, kann man im
Falle einer konstanten Gaskonzentration beim Ausatmen davon ausgehen, dass sich ein
Gleichgewicht gebildet hat, bei dem die Partialdrücke der Gase in der Ausatemluft gleich
den Partialdrücken der Gase im Blut sind. Im Folgenden wird nun die Annahme gemacht,
dass dieser Zusammenhang auch für geringe Änderungen, wie im Fall des Sauerstoffs, gilt.
Der Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und dem Sauerstoffsättigungsgrad
des Hämoglobins [O 2 Hb] ist durch die Sauerstoffdissoziationskurve des Hämoglobins
gegeben [32]. Anhand dieser Kurve lässt sich zu jedem pO 2 -Wert der zugehörige [O 2 Hb]-

36 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Beginn des
Ausatmens
Beginn des
Einatmens
Abb. 4.9 – Verlauf von CO- und O 2 -Konzentrationen während einzelner Atemzüge,
bei gleichmäßiger Atmung.
Wert ermitteln.
Der experimentelle Aufbau für die COHb-Messung ist identisch mit dem Aufbau aus 4.2.
Die Parameter des Systems sind ebenfalls identisch, mit Ausnahme der gewählten Laserlinie.
Die in diesem Abschnitt dargestellten Messungen wurden auf der 4P11-Laserlinie
bei einer Laserausgangsleistung von ca. 200mW durchgeführt. Das Atemprotokoll wurde
dahingehend verändert, dass der Proband hier nicht kontinuierlich durch das Mundstück
atmete, sondern dass die Atemzüge einzeln aufgenommen wurden. Der Proband atmete
dabei durch das Mundstück ein, hielt 15s lang die Luft an und atmetete mit einem
möglichst konstanten Fluss von 20-25l/min wieder durch das Mundstück aus. Auf diese
Art wurden fünf bis sechs Atemzüge pro Messreihe aufgenommen.
Mit Hilfe eines in LabView entwickelten Auswerteprogramms werden die aufgenommenen
Messdaten zur CO- und Sauerstoffkonzentration der einzelnen Ausatemzüge ausgeschnitten.
Wegen der unterschiedlichen Weglängen der Atemprobe zwischen Mundstück und
Spirometer sowie Mundstück und Nachweiszelle müssen die Zeitskalen der Sauerstoff- und

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 37
Alveolarplateau
Atemanhaltezeit
Atemanhaltezeit
Abb. 4.10 – Einfluss der Dauer der Luftanhaltezeit auf den Verlauf der CO-
Ausatemkonzentration (oben) und den Verlauf der O 2 -Ausatemkonzentration (unten).

38 4 Ergebnisse
TraceGas
Kohlenmonoxidwerte gegeneinander verschoben werden, so dass die Werte am Anfang
eines jeden Atemzugintervalls den Beginn des Ausatemprozesses widerspiegeln.
Abb. 4.9 zeigt, wie die beiden Kurven korrekt zueinander verschoben sein müssen.
Zur Berechnung der COHb-Werte wird nur das letzte Drittel der Ausatemzüge verwendet,
wo die CO-Konzentration konstant ist. Für jeden Atemzug wird COHb sukzessiv
berechnet, indem jedem aufgenommenen O 2 -Wert zunächst der entsprechende [O 2 Hb]-
Wert zugeordnet wird. Auf diese Weise kann zu jedem aufgenommenen Messpunkt des
ausgeschnittenen Bereichs die Carboxyhämoglobinkonzentration berechnet werden. Die
für die aufgenommenen Atemzüge berechneten COHb-Werte werden gemittelt und die
Standardabweichung berechnet.
Im Folgenden werden zwei Messreihen präsentiert.
Die erste zeigt eine Messung des COHb-Basislevels, also der Carboxyhämoglobinkonzentration,
die ohne künstliche CO-Anreicherung bestimmt wird.
Die zweite Messreihe zeigt die durch CO-Atmung erhöhten COHb-Level, wie sie zur
Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse erwartet werden.
Alle Messungen wurden am gleichen Probanden innerhalb von 17Tagen durchgeführt.
Zwischen den einzelnen Messungen wurde mindestens ein Ruhetag eingehalten, so dass
sich die CO-Ausatemkonzentrationen nach den CO-Atmungen der zweiten Messreihe
wieder normalisieren konnten. Die Eliminationszeit für aufgenommenes CO aus dem
Körper beträgt etwa 18 Stunden [7].
Abb. 4.11 zeigt im unteren Teil die Auswertung der COHb-Basislevel. Die rote Linie
stellt den Mittelwert von 4,42·10 −5 der Messergebnisse dar. In dieser Darstellung ist
zu erkennen, dass die Werte relativ weit gestreut sind. Dies zeigt nochmals, dass eine
deutliche Erhöhung der Carboxyhämoglobinkonzentration notwendig ist, um einen
möglichen Einfluss der Schwankungen auf die tHb-Messung zu reduzieren.
Die eingezeichneten Standardabweichungen der Messpunkte sind ein Maß für die Schwankungen
der Ergebnisse an den einzelnen Messtagen. Bis auf eine Ausnahme liegen sie bei
unter 10,3%.
Die COHb-Level im oberen Teil von Abb. 4.11 sind durch eine 15-minütige CO-Atmung
eines Gasgemisches mit 16,5ppm 13 CO in synthetischer Luft erreicht worden. Es ist
deutlich zu erkennen, dass die Messwerte im Vergleich zum Basislevel weniger streuen. Sie
liegen im Bereich der Standardabweichung vom Mittelwert entfernt weg. Der Mittelwert,
hier dargestellt durch die blaue Linie, beträgt 1,17·10 −3 und ist somit rund 26mal höher
als das Basisniveau.
TraceGas
Analysis
Zum Vergleich der gemessenen 13 COHb-Konzentration des Basislevels mit den Literaturwerten
für entsprechende COHb-Werte, die sich aus der endogenen CO-Produktion

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 39
[COHb] nach CO-Atmung
[COHb]-Basislevel
Abb. 4.11 – Messreihe zur Bestimmung der COHb-Level.
ergeben, dient folgende Betrachtung. 13 CO macht im natürlichen Isotopologen-Verhältnis
1,1% des gesamten Kohlenmonoxids aus. Für die Umrechnung der gemessenen 13 COHb-
Werte in COHb-Werte der natürlichen Isotopologenzusammensetzung gilt:
[COHb] nat = [ 13 COHb] · 100
1,1 . (4.1)
Angewendet auf das gemessene Basislevel ergibt sich damit ein COHb nat -Wert von ca.
0,4%, was im Bereich der in 2.2 genannten Literaturwerte liegt.
4.3.2 13 COHb-Bestimmung aus dem Blut
Dieser Abschnitt soll eine Möglichkeit zur Kontrolle der durchgeführten COHb-
Bestimmungen aus Atemgasmessungen liefern.
Eine COHb-Messung mit kommerziell erhältlichen Blutgasanalysegeräten, wie sie beispielsweise
in Krankenhauslaboren zu finden sind, scheidet aus. Diese Geräte können keine

40 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Membran
N 2
Nafionschlauch
Messrechner
Reaktionsgefäß
Glasfritte
MKS
In
Bypass
MKS
MKS
Flusskontrolle
Laserstrahl
MKS
MKS
transmittiertes
Signal
LN2
gekühlter
Detektor
Vakuumpumpe
Regelventil
MKS
In
Druckkontrolle
Abb. 4.12 – Aufbau des Gassystems für die Blutuntersuchung.
isotopologenselektive Messungen durchführen. Mit Hilfe der Umrechnung 4.1 ließen sich
zwar die 13 COHb-Basislevel auf COHb nat umrechnen, jedoch ist die Genauigkeit der Analysegeräte
im Bereich dieser kleinen Konzentrationen im unteren %-Bereich nicht ausreichend
um adäquate Vergleichsmessungen durchführen zu können.
Die im Folgenden vorgestellte Messung beruht darauf, dass das am Hämoglobin gebundene
CO freigesetzt wird. Die COHb-Konzentration wird durch das Volumen des freigesetzten
CO berechnet, welches über das CALOS-System bestimmt werden soll.
Hierfür wird der Aufbau des Systems im Vergleich zu den Atemmessungen, wie in Abb. 4.12
skizziert, verändert. Statt des Mundstücks ist ein Reaktionsgefäß mit dem Nafionschlauch
verbunden. Das Reaktionsgefäß besitzt drei Öffnungen. Durch die erste strömt Stickstoff,

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 41
welches zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen wird durch den Stickstofffluss das freigesetzte
CO in den Nafionschlauch geleitet und zum anderen sorgen die Gasbläschen dafür, dass die
Flüssigkeit im Reaktionsgefäß stets gemischt wird. Die zweite Öffnung ist mit einer gasdichten
Membran verschlossen, die mit einer Spritze durchstochen werden kann, ohne die
Gasdichtigkeit zu verlieren. Durch die letzte Öffnung wird das Gas in den Nafionschlauch
und somit in die Nachweiszelle geleitet.
Bevor die Blutproben, die aus einer Armvene entnommen wurden, untersucht werden
können, sind einige Vorbereitungen notwendig.
Die Mengen und Konzentrationen der benötigten Chemikalien wurden einer
Veröffentlichung von R. Iffland und G. Sticht entnommen [33], die Vorgehensweise aber
entsprechend der vorhandenen Gerätschaften leicht abgeändert.
Als Vorbereitung werden zunächst 2ml Blut mit 6ml einer 3prozentigen Saponinlösung
und 12ml Wasser versetzt und ca. 20min geschüttelt. Dies führt zur Zerstörung der Zellmembranen
und wird als Hämolyse bezeichnet. Das Gemisch wird filtriert, um die Schwebstoffe
abzutrennen. 5ml des Filtrats werden zusammen mit einigen Tropfen Octanol, einem
Schaumhemmer, in das Reaktionsgefäß gegeben, das wie oben beschrieben angeschlossen
wurde.
Die Messung wird auf der 3P13 Laserlinie bei einem Gasfluss durch die Messzelle von
100sccm und einem Druck von 50mbar durchgeführt.
Zur Freisetzung des Kohlenmonoxids aus der Lösung werden 4ml einer 3,3prozentigen
Kaliumferricyanid-Lösung (rotes Blutlaugensalz) durch die Membran in die Lösung gespritzt.
Das CO wird von dem Cyanid aus dem Hämkomplex verdrängt und durch den
Stickstofffluss in die Messzelle geleitet.
Abb. 4.13 zeigt den Verlauf der dabei gemessenen 13 CO-Konzentration. Für die Berechnung
der 13 COHb-Konzentration der Blutprobe muss das Volumen des freigesetzten
13 CO bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Fläche zwischen dem Graphen und
der Abzisse berechnet werden. Das Programm OriginPro 7.5 (OriginLab) verfügt über
eine Funktion mit der eine Pulsfunktion an den Graphen gefittet werden kann. Die Verwendung
der Pulsfunktion erlaubt eine objektive Auswertung des CO-Peaks, da sich ihre
Nullinie, der Teil des Graphen vor dem CO-Peak, exakt auf den Nullwert der Abzisse
verschieben lässt. Gleichung 4.2 gibt die für den Pulsfit verwendete Formel an.
y = y 0 + A ·
( (
1 − exp − x − x )) P (
0
· exp − x − x )
0
t1
t2
(4.2)
Das Integral der Pulsfunktion ergibt die gesuchte Fläche, die, multipliziert mit dem Gasfluss
durch die Zelle, das freigesetzte 13 CO-Volumen ergibt.
Der nächste Schritt besteht darin, einen Teil der vorbehandelten Blutprobe mit CO zu

42 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
0,025
0,020
0,015
Rohdaten
Pulsfit
c( 13 CO) / ppm
0,010
0,005
0,000
-0,005
-0,010
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Zeit / s
Abb. 4.13 – V CO -Bestimmung aus einer hämolysierten Blutprobe (5 ml). Zu sehen
ist der Verlauf der 13 CO-Konzentration nach Zugabe des Kaliumferricyanids. Das
daraus ermittelte freigesetzte Volumen an 13 CO beträgt 5,38·10 −9 l.
sättigen. Hierfür wurden 4ml CO und 1ml des Blutfiltrats in einer gasdichten Spritze aufgezogen
und geschüttelt. Statt 13 CO wurde für die Sättigung 12 CO verwendet und das
Ergebnis entsprechend des Isotopologenverhältnisses korrigiert. Aus dieser Lösung wurde,
wie gerade beschrieben, ebenfalls das freigesetzte 13 CO-Volumen bestimmt, allerdings wurde
das Kaliumferricyanid erst nach dem ersten CO-Peak hinzugegeben. Dieser erste Peak
lässt sich durch CO erklären, das während der CO-Sättigung in Form von Gasbläschen
in die Probe gelangte. Statt der 5ml des Filtrats, wurden, wegen des zu erwartenden viel
höheren Peaks, nur 100µl verwendet. In Abb. 4.14 ist das Ergebnis dieser Messung zu
sehen. Die Auswertung des CO-Volumens erfolgt nur über den zweiten Puls, da nur dieser
das aus dem Hämoglobin freigesetzte 13 CO widerspiegelt.
Die COHb-Konzentration der dem Probanden entnommenen Blutprobe lässt sich aus
dem Quotienten der ermittelten freigesetzten CO-Volumina berechnen [7]. Dabei ist zu

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 43
Abb. 4.14 – V ges
CO -Bestimmung aus einer mit 12 CO gesättigten Blutprobe (100 µl).
Der erste Peak ist durch CO zu erklären, welches während der CO-Sättigung in
Form von Gasbläschen in die Probe gelangte. Das aus dem Hämoglobin freigesetzte
13 CO wird aus dem zweiten Peak bestimmt, der erst nach Hinzugabe des Kaliumferricyanids
gemessen wurde. Das daraus ermittelte freigesetzte Volumen an
13 CO beträgt 14,28·10 −9 l.
beachten, dass das CO-Volumen (V ges
CO
) der mit CO gesättigten Probe hinsichtlich des
Isotopologenverhältnisses und der kleineren Menge der untersuchten Probe angepasst wird,
im vorliegenden Fall entspricht dies dem Faktor 50:
[ 13 COHb] Blut = V CO
50 · V ges · 1,1
CO
100 . (4.3)
Die Messung von V CO wurde mit fünf Blutproben wiederholt. V ges
CO
wurde aus Probe
Nr.1 dreimal aufgegeben. Daraus folgt für die 13 COHb-Konzentration aus dem Blut:
[ 13 COHb] Blut = 6,97 ·10 −5 ± 18 %. Der angegebene Fehler ergibt sich aus den berechneten
Standardabweichungen eingesetzt in das Fehlerfortpflanzungsgesetz, welches auf Gleichung
4.3 angewendet wurde.
Die Blutproben für die Messungen von V CO wurden zwar kurz nacheinander dem Proban-

44 4 Ergebnisse
TraceGas
den aus einer Armvene entnommen, und sollten deswegen nahezu den gleichen COHb-Wert
aufweisen. Die Proben wurden jedoch einzeln mit den Chemikalien versetzt, so dass die in
das Reaktionsgefäß aufgegebenen Proben nicht identisch waren.
Des Weiteren sollte bei der Fehlerbetrachtung auch der Wert der Messgröße, bzw. das
Signal zu Rausch-Verhältnis betrachtet werden. Abb. 4.13 zeigt, dass das Rauschen im
Vergleich zum c( 13 CO)-Maximum relativ groß ist. Dies macht eine Anpassung einer Pulsfunktion
schwierig und stellt somit wahrscheinlich die größte Fehlerquelle dar.
TraceGas
Analysis
4.3.3 Nachweisgrenze der Blutuntersuchung
Zur Ermittlung der Nachweisgrenze wurde eine Messreihe durchgeführt, bei der die Menge
der in das Reaktionsgefäß aufgegebenen Blutlösung sukzessiv verringert wurde. Damit
wurde zunächst das kleinste detektierbare freigesetzte 13 CO-Volumen bestimmt. Die
Grenze bildete die Messung, deren Graph einen Peak besaß, an dem sich die Pulsfunktion
noch gerade anpassen ließ. Die Grenze wurde bei einem aufgegebenen Volumen von
200µl festgestellt. Zur Berechung der Standardabweichung wurde die Probe viermal mit
diesem Volumen aufgegeben. Das ermittelte minimal detektierbare 13 CO-Volumen beträgt
1,1·10 −9 l ±15,6%. Das entspricht einer 13 COHb-Konzentration von 2,1·10 −5 ±16,2%.
Umgerechnet auf das natürliche Isotopenverhältnis zeigt sich, dass mit der verwendeten
Methode COHb-Konzentrationen bis zu 0,2% bestimmt werden können. Dies ist absolut
ausreichend, um die besonders niedrigen COHb-Basislevel gesunder, nichtrauchender
Menschen messen zu können.
Die Nachweisgrenzen verschiedener Methoden für die Analyse von Kohlenmonoxid aus
Blutproben werden in [34] auf Seite 29 in ml(CO)/dl(Blut) angegeben. Eine entsprechende
Umrechnung der hier bestimmten Nachweisgrenze ergibt 6,75 ·10 −6 ml( 13 CO)/dl(Blut)
und ist somit um 2-3 Größenordnungen besser als die in [34] aufgeführten Methoden.
Zusätzlich ist die Isotopologenselektivität der Messung zu beachten.
4.3.4 Vergleich der Messungen
In diesem Abschnitt wird eine Messreihe präsentiert, bei der die COHb-Bestimmung aus
der Atemluft mit der COHb-Bestimmung aus dem Blut gegenübergestellt sind.
Zu diesem Zweck wurden dem Probanden während einer Atemgasmessung mit CO-
Atmung Blutproben aus der Armvene entnommen. Die Atemgasmessung wurde wie in
4.3.1 beschrieben durchgeführt. Die CO-Atmung, bei der die 13 CO-Konzentration 16,5ppm
betrug, wurde jedoch nicht kontinuierlich ausgeführt, sondern etappenweise jeweils 60s-
100s lang. Die für die COHb-Bestimmung aus den Blutproben relevanten Blutentnahmen
fanden ca. ein bis zwei Minuten nach der jeweiligen CO-Atmung statt. Dies sollte

TraceGas
Analysis
4.3 13 COHb-Bestimmung 45
0,40
0,35
0,30
Messung
Linear Fit
13 COHb aus Blut / %
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
13
COHb aus Atem / %
Abb. 4.15 – Auswertung der Vergleichsmessung zur COHb-Bestimmung aus der
Atemluft und aus Blutproben. Die Fehlerbalken an den Messpunkten wurden aus
den Standardabweichungen der Messwerte bestimmt. Die lineare Fitfunktion hat
eine Steigung von 1,35; der Offset liegt innerhalb der Unsicherheit der Fitfunktion.
gewährleisten, dass das mit 13 CO angereicherte Blut sich ausreichend im Körper verteilen
konnte.
Die Blutproben wurden nach der Entnahme entsprechend beschriftet und eingefroren. Sie
wurden vier Tage nach der Atemmessung ausgewertet.
Auf diese Art ließen sich die 13 COHb-Konzentrationen nach jeder CO-Atmung aus der
Atemluft und dem Blut ermitteln und miteinander vergleichen. Abb. 4.15 zeigt die Auswertung
der Messung. Deutlich zu erkennen ist der lineare Zusammenhang zwischen den
beiden Messmethoden. Die Auswertung der Atemgasmessung erfolgt wie in 4.3.1 beschrieben.
Die Blutuntersuchung wurde nach dem in Abschnitt 4.3.2 beschriebenem Prinzip
ausgewertet. Allerdings wurde hier jede hämolysierte Blutprobe dreimal aufgegeben und
über die Ergebnisse gemittelt.

46 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Die Fehlerbalken der Messungen entsprechen den berechneten Standardabweichungen. An
die Messpunkte wurde mittels des Datenauswerteprogramms OriginPro 7.5 eine lineare
Regression durchgeführt. Die Steigung der linearen Funktion liegt bei etwa 1,35. Aus den
Blutproben wurde demnach ein etwa 1,35mal größerer 13 COHb-Wert ermittelt, als aus den
Atemmessungen.
Ein möglicher Grund dafür könnte eine unvollständige CO-Sättigung zur V ges
CO -Bestimmung
sein. Gleichung 4.3 zeigt, dass ein zu gering ermittelter V ges
CO -Wert einen höheren 13 COHb-
Wert zur Folge hat.
Ein weiterer Grund könnte in dem Auswerteprinzip der Atemmessung liegen. So wäre es
beispielsweise denkbar, dass die Haldane-Gleichung nicht anwendbar ist, da sich zum Beispiel
bei dem verwendeten Atemprotokoll doch kein Gleichgewicht zwischen dem Blut und
der Atemluft einstellt, wie jedoch angenommen wurde. Ein möglicher Ansatz zur Lösung
dieses Problems könnte in dem Artikel von Coburn, Forster und Kane [15] gegeben sein, in
dem die CO-Aufnahme durch die Lunge beschrieben wird. Die dort aufgeführten Formeln
begründen sich aber auch teilweise auf Näherungen, so dass hier noch weitere Untersuchungen
durchgeführt werden müssen.

TraceGas
Analysis
4.4 tHb-Bestimmung 47
4.4 tHb-Bestimmung
In diesem Kapitel wird gezeigt, dass es mit dem CALOS-System möglich ist, durch
Atemgasmessungen die Hämoglobingesamtmasse des Menschen zu bestimmen.
4.4.1 Grundlagen
Betrachtet man Gleichung 2.18 so fällt auf, dass sie unabhängig von den CO-
Isotopologen ist. Für die Berechnung von tHb wird die Differenz zweier Carboxyhämoglobinkonzentrationen
sowie das vom Körper aufgenommene CO-Volumen
(V CO ), welches die Änderung ∆COHb bewirkt, benötigt. Die Gleichung lässt sich folglich
schreiben als:
tHb = K · V13 CO · (∆ 13 COHb · 1,39 ) −1
. (4.4)
Ein Teil der Grundlagen für die tHb-Bestimmung ist in dieser Arbeit bereits dargestellt
worden, nämlich die Bestimmung der COHb-Konzentrationen aus der Atemluft,
die Ermittlung der idealen Dauer der CO-Atmung, die dafür zu verwendende 13 CO-
Konzentration, sowie die für die Spektroskopie erforderlichen Laser- und Absorptionslinien.
Der noch fehlende Teil der Grundlagen liegt in der Bestimmung von V13 CO.
Zunächst wird das Messprotokoll geschildert, um dann anhand einer Beispielmessung die
Schritte darzustellen, die für die Berechnung von V13 CO nötig sind.
Der Aufbau des für die Messung benötigten Gassystems entspricht dem System, das bereits
in Kapitel 4.2 beschrieben wurde. Eine Skizze dessen ist in Abb. 4.16 zu sehen. Der
CO-Laser wird auf der 4P11-Line bei ca. 200mW betrieben.
Die Messung kann in drei Teile aufgeteilt werden. Im ersten und dritten Teil werden die
13 COHb-Level bestimmt, die das ∆COHb bilden. Das 13 COHb-Level im ersten Teil entspricht
dem 13 COHb-Basislevel. Das Level des dritten Abschnitts ist demgegenüber durch
die CO-Atmung im zweiten Teil erhöht. Die 13 COHb-Konzentrationen werden, wie in 4.3.1
beschrieben, aus den gemessenen 13 CO-Konzentrationen errechnet. Dafür werden je sechs
Atemzüge aufgenommen. Die CO-Atmung erfolgt kontinuierlich über 15 Minuten mit einem
Atemfluss ( ˙V ) von 20-25l/min.
Abb. 4.17 zeigt eine Darstellung der Rohdaten einer Messung mit vergrößerten Elementen
aus den drei Messbereichen. Anhand dieser Daten und dem vom Spirometer gemessenem
Atemfluss lässt sich das V13 CO wie folgt berechnen:
V13 CO =
∫ te (
c( 13 CO) · ˙V
)
dt . (4.5)
t s

48 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Atemregler
CO in synth. Luft
Messrechner
Spirometer
Nafionschlauch
13
MKS
In
Bypass
MKS
MKS
Flusskontrolle
Laserstrahl
MKS
MKS
transmittiertes
Signal
Detektor
D2
Vakuumpumpe
Regelventil
MKS
In
Druckkontrolle
Abb. 4.16 – Aufbau des Gassystems für die tHb-Bestimmung. Der skizzierte Aufbau
entspricht dem System während der CO-Atmung. Für die Bestimmung der COHb-
Werte muss der Schlauch zwischen Mundstück und Atemregler getrennt werden.

TraceGas
Analysis
4.4 tHb-Bestimmung 49
2.
1.
3.
1.
2.
3.
Abb. 4.17 – graphische Darstellung der vom CALOS-System aufgenommenen Rohdaten
einer tHb-Messung. Auf den drei kleinen Graphen ist je ein Ausschnitt der
im Text angesprochenen Messabschnitte zu sehen. 1.) zeigt zwei Atemzüge der Basismessung.
2.) zeigt den letzten Atemzug der CO-Atmung. Die Verbindung zum
Atemregler wird während der Ausatmung getrennt, so dass die aufgezeichnete CO-
Konzentration beim anschließenden Einatmen auf null sinkt. 3.) stellt einen Atemzug
der Messung des erhöhten 13 COHb-Werts dar.

50 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
Beginn der
Ausatmung
Ende der
Ausatmung
Abb. 4.18 – 13 CO-Konzentration und Atemfluss in korrekter zeitlicher Relation zueinander.
Die markanten Punkte in den beiden Kurven, die zur Orientierung dienen,
sind markiert.
Es wird dabei über die Zeit vom Beginn der CO-Atmung (t s ) bis zum Ende der CO-
Atmung (t e ) integriert. Dafür ist es aber notwendig, dass die in Kapitel 4.2 beschriebene
zeitliche Verschiebung der Messdaten beachtet wird. Da die Verschiebung über die gesamte
Messung konstant ist, kann ein beliebiger Bereich zur exakten Positionierung betrachtet
werden. Es empfiehlt sich einen Atemzug aus dem dritten Bereich zu wählen, da hier der
Verlauf der Kohlenmonoxidkonzentration besonders gut zu erkennen ist. Abb. 4.18 zeigt
am Beispiel eines solchen Atemzugs, wie Atemfluss und gemessene 13 CO-Konzentration
auf der Zeitachse korrekt synchronisiert sind. Wendet man nun Gleichung 4.5 auf die
Messdaten an, so erhält man einen Graphen, wie er in Abb. 4.19 auf der linken Seite
zu sehen ist. Aus dem vergrößerten Ausschnitt des Bereichs der CO-Atmung lässt sich
das für den Ein- und Ausatemprozess umgesetzte Volumen an CO ablesen. Die Höhe der
aufsteigenden Flanke entspricht dem eingeatmeten V13 CO, während die abfallende Flanke
das ausgeatmete V13 CO widerspiegelt. Die Differenz aus beiden Werten ergibt die vom
Körper absorbierte CO-Menge eines Atemprozesses. Das gesamte absorbierte CO-Volumen

TraceGas
Analysis
4.4 tHb-Bestimmung 51
vom Körper
aufgenommenes V CO
V CO (ein)
V CO (aus)
Abb. 4.19 – Auswertung der Messdaten nach Gleichung 4.5.
Links ist das Volumen des während der CO-Atmung vom Körper absorbierten Kohlenmonoxids
aus der Stufenhöhe abzulesen. Der vergrößerte Ausschnitt aus dem
Bereich der CO-Atmung zeigt das für den Ein- und Ausatemprozess umgesetzte
Volumen an CO an.
ist auf dem linken Graphen abzulesen und entspricht der Stufenhöhe vom Beginn bis zum
Ende der CO-Atmung.
Nachdem in diesem Abschnitt die für die tHb-Bestimmung nötigen Grundlagen dargestellt
wurden, werden im Folgenden drei Messreihen zur Messung der Hämoglobingesamtmasse
präsentiert.
4.4.2 Messreihen
Die drei in diesem Kapitel präsentierten Messreihen sind je einem Probanden zugeordnet.
Die drei Probanden waren zum Zeitpunkt der Messung gesund; bei keinem der Probanden
waren chronische Erkrankungen bekannt.
Proband 1 ist weiblich und 26 Jahre alt. Proband 2 und 3 sind männlich, 30 und 26 Jahre
alt. Auf Grund unterschiedlicher Konstitutionen der Probanden sind stark unterschiedliche
tHb-Werte zu erwarten.
Bei den Probanden 1 und 2 wurde die Hämoglobinkonzentration, der natürlichen Isotopologenzusammensetzung,
bei einer Blutuntersuchung im medizinischen Labor festgestellt.
Zusammen mit den in 2.5 aufgeführten Näherungen werden bei ihnen Hämoglobinmassen
um 755g bzw. 551g erwartet. Für Proband 3 ergibt sich ein theoretischer tHb-Wert zwischen
862g und 1047g, wobei wegen der sportlichen Konstitution des Probanden eher mit
Werten im höheren Bereich gerechnet wird. Die Messungen wurden innerhalb von vier
Wochen durchgeführt. Zwischen den einzelnen Untersuchungen lag mindestens ein Tag, so
dass sich die künstlich erhöhten 13 CO-Atemkonzentrationen wieder normalisieren konnten.

52 4 Ergebnisse
TraceGas
TraceGas
Analysis
1044g
753g
581g
Abb. 4.20 – Auswertung der Messreihen zur tHb-Bestimmung. Die durchgezogenen
Linien markieren die aus den Ergebnissen berechneten Mittelwerte. Die Fehlerbalken
der Messpunkte entsprechen den bei der Mittelung der Messreihen berechneten
Standardabweichungen und liegen bei allen drei Messreihen bei unter 7 %.
Die Messreihen wurden nach dem im vorhergehenden Abschnitt vorgestellten Prozedere
durchgeführt, sie unterscheiden sich aber in der Dauer der CO-Atmung. Bei den Probanden
1 und 2 betrug sie 15min und bei Proband 3 nur 5min. Damit wird gleichzeitig
untersucht, ob die kürzere Messzeit eventuell schon ausreichend ist, um zuverlässige Ergebnisse
zu erzeugen.
Die Resultate der Messreihen sind in Abb. 4.20 zu sehen. Es fällt auf, dass die aus den
Messreihen berechneten Mittelwerte (tHB gem ) sehr nah an den oben abgeschätzten Werten
für die Hämoglobingesamtmasse (tHb theo ) liegen:
Proband tHb theo tHb gem Differenz
1 551g 581g 5,2%
2 755g 753g 0,3%
3 1047g 1044g 0,3%

TraceGas
Analysis
4.4 tHb-Bestimmung 53
Die Standardabweichungen der Messreihen liegen bei unter 7%. Dies zeigt, dass eine 5-
minütige CO-Atmung ausreichend ist, um gut reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Eine Diskussion der Fehler und Auswerteproblematik erfolgt in Abschnitt 4.4.4.
4.4.3 tHb-Bestimmung vor und nach einer Blutspende
Zur Kontrolle der im vorherigen Abschnitt berechneten tHb-Werte wurde eine Messung
durchgeführt, bei der die Differenz der Hämoglobinmasse ∆m Hb bestimmt werden sollte,
die durch eine Blutspende zu Stande kam.
Die Messungen wurden mit Proband 1 und 2 durchgeführt. Bei der Blutspende im
Universitätsklinikum Düsseldorf wurden je ca. 550ml Blut abgenommen. Die dabei
durchgeführten Blutuntersuchungen ergaben einen Hämoglobingehalt im Blut von
13,8g/dl bei Proband 1 und 14,0g/dl bei Proband 2. Der durch die Spende verursachte
Hämoglobinverlust betrug damit 75,9g bei Proband 1 und 77,0g bei Proband 2.
Die Atemgasmessung zur tHb-Bestimmung wurde ca. drei Stunden nach der Blutentnahme
durchgeführt. Die Messung wurde zwei und fünf Tage danach wiederholt. Wie in den
Messreihen des vorherigen Abschnitts, betrug die Dauer der CO-Atmung bei beiden Versuchspersonen
15min. Die Differenz der Hämoglobinmasse wurde berechnet, indem von
den nach der Blutpende ermittelten tHb-Werten der jeweilige Mittelwert des tHb-Werts
des vorherigen Abschnitts subtrahiert wurde. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen
aufgeführt:
Proband 1
Zeit nach der Spende ∆m Hb (Klinik) ∆m Hb (CALOS) Differenz
3h 75,9g 115,2g 39,3g
2 Tage 81,7g 5,8g
5 Tage 73,5g 2,4g
Proband 2
Zeit nach der Spende ∆m Hb (Klinik) ∆m Hb (CALOS) Differenz
3h 77,0g 150,1g 73,1g
2 Tage 114,1g 37,1g
5 Tage 107,8g 30,8g
Es ist deutlich zu sehen, dass die mit der Atemmessung bestimmte Differenz, insbesondere
am Tag der Blutspende, viel höher ist als erwartet. Da nicht davon auszugehen
ist, dass das Labor bei der Blutuntersuchung einen so großen Fehler produziert, muss die
Ursache für die Abweichungen in dem verwendeten Messprotokoll, bzw. der Auswertung
der Atemmessung liegen.

54 4 Ergebnisse
TraceGas
4.4.4 Diskussion zur tHb-Bestimmung
Die Untersuchung der möglichen Fehlerquellen bei der Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse
durch eine Atemmessung ergibt mehrere im Folgenden geschilderte Ansätze.
Eine mögliche Fehlerquelle ist die zur Berechnung der 13 COHb-Werte verwendete Haldane-
Gleichung und die damit verbunden Näherungen, wie z.B. der Annahme einer Gleichgewichtssituation.
Auf diesen Punkt wurde bereits am Ende von Kapitel 4.3.4 eingegangen.
Nimmt man an, dass die dort durchgeführten Blutmessungen richtig waren, so müssten die
COHb-Atemmessungen mit dem Faktor 1,35 multipiziert werden. Dies würde zu entsprechend
höheren tHb-Werten führen, sofern die anderen Punkte bei der tHb-Bestimmung
fehlerfrei wären.
Eine weitere Fehlerquelle ist in der Messung des vom Körper absorbierten 13 CO-Volumens
zu finden, die wahrscheinlich auch der Grund für die großen Differenzen der Messwerte zu
den Laborwerten des vorherigen Abschnitts ist.
Das Auswerteverfahren zur V13 CO-Bestimmung ist nicht ausgereift, so führen beispielsweise
unpräzise Verschiebungen der Atemfluss- und c( 13 CO)-Kurven zu Fehlern.
Ein weiteres Problem ist in dem zur Atemflussmessung verwendeten Spirometer gegeben.
Zum einen ist es schon lange nicht gewartet worden, so dass die Präzision der Messwerte
in Frage gestellt ist und zum anderen führt das Gerät in gewissen Zeitabständen Selbstkalibrationen
durch. Während dieser Kalibrationsvorgänge werden keine Messdaten aufgenommen,
was für die V13 CO-Bestimmung besonders negativ ist, da hier eine kontinuierliche
Messung des Atemflusses notwendig ist.
Der letzte hier angesprochene Punkt behandelt das Problem des CALOS-Systems bei der
Bestimmung kleiner Abklingzeiten.
Abb. 4.21 zeigt eine sogenannte Stufenmessung. Dabei werden unterschiedliche
Prüfgaskonzentrationen in die Nachweisezelle geleitet und gemessen. Die Konzentrationen
werden über die Mischung des Prüfgases mit Stickstoff durch Massenflussregler eingestellt.
Bei der Auswertung werden die gemessenen Absorptionskoeffizienten gegen die aufgegebenen
Prüfgaskonzentrationen aufgetragen, die sich aus dem eingestellten Mischungsverhältnis
von Prüfgas und Stickstoff ergeben.
Auf Grund des linearen Zusammenhangs bei der CALO-Spektroskopie zwischen Konzentration
und Absorptionskoeffizient ist bei der Auswertung der Stufenmessung eine Gerade
zu erwarten. Die Abweichung der Messdaten von der Idealgeraden deutet auf ein Problem
bei der Auswertung von kleinen Abklingzeiten hin, wie sie, in diesem Fall bei 13 CO-
Konzentrationen von 16ppm, auftreten. Die Idealgerade ergibt sich aus den HITRAN-
Daten, indem der aufgegebenen Konzentration der entsprechende Absorptionskoeffizient
(linke Ordinate) zugeordnet wird.
TraceGas
Analysis

TraceGas
Analysis
4.4 tHb-Bestimmung 55
Absorption / 10 -6 cm -1
12,2
10,7
9,1
7,6
6,1
4,6
3,0
16,3 ppm Prüfgas
1 ppm Prüfgas
HITRAN
(1ppm entspr. 0,762 10 -6 cm -1 )
16
14
12
10
8
6
4
c( 13 CO) gemessen
/ ppm
1,5
2
0,0
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Prüfgas-Konzentration ( 13 CO) / ppm
Abb. 4.21 – Auswertung einer Stufenmessung zur Überprüfung des linearen Zusammenhangs
zwischen den Messdaten und den aufgegebenen Konzentrationen des
Prüfgases. Die Abweichung der Messdaten von der Idealgeraden, hier dargestellt
durch die HITRAN-Kurve, deutet auf ein Problem bei der Auswertung von kleinen
Abklingzeiten hin.
Für kleine Konzentrationen ist keine Abweichung von der Idealkurve festzustellen, so dass
die ermittelten Atemkonzentrationen nicht von diesem Problem beeinflusst sind. Allerdings
gilt dies nicht für Konzentrationen, die während der CO-Atmung zu Stande kommen. Bei
einer gemessenen Konzentration von 12ppm beträgt die Abweichung rund ein Drittel des
Messwertes. Somit sind die ermittelten V13 CO-Werte ebenfalls um 33% zu klein.
In Kapitel 5 werden Möglichkeiten aufgeführt dieses Problem zu lösen, bzw. zu umgehen.
Interessant ist, dass sich die Fehler der COHb-Bestimmung (Unterschied zwischen Blutund
Atemmessung) und der V13 CO-Bestimmung (Problem mit CALOS) bei der Berechnung
der Hämoglobingesamtmasse annähernd aufheben, was die gute Übereinstimmung
der ermittelten mit den theoretischen tHb-Werten erklären könnte.
Die zu großen Differenzen der Hämoglobinmessung nach der Blutspende ließen sich damit

56 4 Ergebnisse
TraceGas
aber nicht erklären. Eine adäquate Erklärung für diese Abweichungen kann hier leider
nicht gegeben werden, so dass dieser Punkt noch weiterer Untersuchungen bedarf.
TraceGas
Analysis

5 Zusammenfassung und Ausblick
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der die Hämoglobingesamtmasse
eines Menschen mittels Atemmessungen bestimmt werden kann. Die
vorgestellte Methode bietet gegenüber anderen bekannten Methoden zur tHb-Bestimmung
(z.B. [20, 21]) den großen Vorteil, dass sie minimal-invasiv ist. Es sind keine Blutuntersuchungen
nötig und die Menge des verabreichten Kohlenmonoxids lässt sich dank
der Isotopologenselektivität des CALO-Spektrometers um zwei Größenordnungen reduzieren.
Erste Messungen liefern Ergebnisse, die sehr gut mit den theoretischen Werten
übereinstimmen, die für die Probanden mittels allgemein anerkannter Näherungsformeln
errechnet wurden.
Die Untersuchungen der Blutproben zeigten im Hinblick auf das Detektionslimit, dass
mit dem verwendeten Cavity-Leak-Out-System Nachweisgrenzen erreicht werden können,
die 2-3 Größenordnungen besser sind als die Nachweisgrenzen von Vergleichsmethoden
zur Analyse von Kohlenmonoxid in Blut.
Bei der Untersuchung der Fehlerquellen der Atemmesungen wurden zwei Punkte besonders
hervorgehoben. Der erste ist in der zur COHb-Berechnung verwendeten Formel zu
finden. Viele der Formeln, die in der Literatur zu diesem Thema zu finden sind, beziehen
sich auf CO-Vergiftungen und gelten nur für hohe CO-Konzentrationen und lange Expositionszeiten,
was im vorliegenden Fall nicht zutrifft. Die für kleine CO-Konzentrationen
angegebenen Formeln sind, wie auch die hier verwendete, mit Annahmen von Gleichgewichtssituationen
verbunden. Es ist jedoch noch unklar ist, ob eine solche Gleichgewichtssituation
vorliegt. Folglich sind hierzu noch weitere Untersuchungen nötig.
Der zweite Punkt betrifft die Quantifizierung des vom Körper aufgenommenen Kohlenmonoxids.
Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht in der Modifizierung der CO-
Atmung. Statt des kontinuierlichen Einatmens kleiner CO-Konzentrationen über mehrere
Minuten, könnte mit einem Einatemzug ein kleiner Bolus 13 CO verabreicht werden. Es
ist zu erwarten, dass bei einer anschließenden Luftanhaltezeit von ca. 30s der größte Teil
dieses Kohlenmonoxids vom Körper aufgenommen wird. Das vom Körper nicht aufgenommene
13 CO wird über die Ausatemluft bestimmt. Der Vorteil liegt darin, dass das
Spektrometer in einem viel kleineren Dynamikbereich betrieben werden kann, wodurch
57

58 5 Zusammenfassung und Ausblick
TraceGas
die Messungen viel genauer werden. Weiterhin kann auf diese Weise das Problem des sich
kalibrierenden Spirometers umgangen werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Methode wäre die stark verkürzte Untersuchungsdauer, da nahezu
die komplette CO-Atmungszeit entfallen würde. Demnach könnten Untersuchungszeiten
erreicht werden, die noch kleiner wären als die, die Schmidt mit seiner verbesserten
Methode (t ≈7min [21]) erreicht hat.
Es bleibt festzustellen, dass die hier entwickelte Methode eine solide Grundlage für weitere
wissenschaftliche Forschungen bietet.
TraceGas
Analysis

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Danksagung
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt
haben.
Vielen Dank an Herrn Professor Dr. Peter Hering, der mir ermöglichte meine Diplomarbeit
am Institut für Lasermedizin durchführen zu können und mich während dieser Zeit
kritisch und konstruktiv begleitete.
Herrn Professor Dr. Dieter Schumacher danke ich für seine Bereitschaft sich als Koreferent
dieser Arbeit, mit großem Interesse an ihrem Verlauf, zur Verfügung gestellt zu haben.
Für die freundliche Aufnahme in die Arbeitsgruppe und für die Hilfe bei der Planung und
Durchführung der Arbeit bin ich Herrn Priv.-Doz. Dr. Manfred Mürtz besonders dankbar.
Ein großer Dank geht auch an Thomas Fritsch, der mich während der gesamten Zeit bei
verschiedenen Problemen unterstützte und mir bei der Planung und Durchführung der Experimente
half. Seine Unterstützung im Bereich der Programmierung in LabView möchte
ich an dieser Stelle besonders würdigen.
Kathrin Heinrich danke vor allem für die Unterstützung in der Anfangsphase meiner Diplomarbeit,
in der sie mich auch an die Bedienung des CALOS-Systems heranführte.
Kathrin und Thomas danke ich auch für ihre Bereitschaft sich als Probanden zur Verfügung
gestellt zu haben, wobei sie im wahrsten Sinne des Wortes auch ihr Blut ließen.
Vielen Dank auch den übrigen Mitgliedern der Arbeitsgruppe: Sven Thelen, Sabana und
Jón-Mattis Hoffmann für die in jeder Hinsicht gute Zusammenarbeit während meiner Diplomarbeit.
Bei Frau Dr. Anja Vervoorts bedanke ich mich für die Hilfe im Bereich der Blutuntersuchungen,
wobei sie mir sowohl Gerätschaften zur Verfügung stellte, als auch bei der
Verarbeitung der Proben zur Seite stand.
Alexandra Wilms danke ich für ihre Bereitschaft und fachmännische Hilfe bei der Entnahme
der Blutproben.
Ein spezielles, ganz herzliches Dankeschön gilt meinen Eltern, die mir das Studium
ermöglichten und mich im Laufe dessen stets sowohl moralisch, als auch finanziell unterstützten.
63

Erklärung
Hiermit versichere ich, die vorliegende Diplomarbeit mit dem Titel:
Laserspektroskopische Messung von Kohlenmonoxid in menschlicher
Atemluft
selbstständig verfasst und unter ausschließlicher Verwendung der angegebenen Literatur
und Hilfsmittel erstellt zu haben. Die Stellen der Arbeit sowie beigefügte Zeichnungen,
Skizzen oder graphische Darstellungen, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinn
nach entnommen wurden, habe ich kenntlich gemacht.
Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde
vorgelegt und auch nicht veröffentlicht.
Leverkusen, 17. März 2008
Marcus Sowa
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