sotopologenselektiver Nachweis von Spurengasen im mittleren Infrarot mittels Cavity-Leak-Out-Spektroskopie
Sowa, Marcus - Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (2011)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der isotopologenselektiven und höchstsensitiven Kohlenmonoxidanalyse der menschlichen Atemluft mittels der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS).
Hierfür wurden Optimierungsarbeiten am Spektrometer durchgeführt. Durch eine Erhöhung der Laserleistung konnte die zur 13CO-Analyse verwendete Absorptionslinie gewechselt werden, so dass bei gleichbleibendem minimalen Detektionslimit der Dynamikbereich des Systems vervierfacht werden konnte. Eine weitere Vervierfachung des Dynamikbereichs durch eine, auf hohe Flüsse optimierte Druckregelung der Nachweiszelle, bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Messungen verhältnismäßig hoher Konzentrationen.
Die Entwicklung einer neuen, auf kompakten Peltier-Elementen basierenden Temperaturstabilisierung der Nachweiszelle, ermöglicht eine Temperaturstabilität von 0,01°C über einen Zeitraum von mehr als 5,5 Tagen. Durch diese neue Temperaturstabilisierung ließ sich auch die Langzeitstabilität des Spektrometers um nochmals ca. 30% verbessern.
Die Fähigkeit des Spektrometers, isotopologenselektive Messungen durchzuführen, wurde für die Weiterentwicklung einer nicht-invasiven Methode zur Bestimmung der Hämoglobingesamtmasse genutzt. Durch die Verwendung des seltenen 13CO-Isotopologs wurde die zur Messung notwendige Menge des einzuatmenden CO im Vergleich zu anderen Forschungsarbeiten auf 1/100 reduziert. Das hier verabreichte 13CO-Volumen von 1 ml pro Messung ist für Menschen absolut ungefährlich. Die neue Methode wurde hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Daten und in Bezug auf die Detektierbarkeit von induzierten Schwankungen der Hämoglobingesamtmasse positiv evaluiert. Die hier durch eine normale Blutspende hervorgerufene Änderung der Hämoglobingesamtmasse, entspricht der Variation wie sie bei ausdauerleistungssteigerndem Blutdoping zu erwarten ist. Ein Eigenblutdopingnachweis wäre mit dieser nicht-invasiven Methode somit möglich.
Des Weiteren wurde eine Evaluierung der Eignung von CO als Markermolekül durchgeführt. Die hohe Sensitivität und Kalibrationsfreiheit der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie ermöglichte hier erstmals eine Langzeitanalyse des CO-Basislevels in der Ausatemluft. Die Ergebnisse einer ebenfalls durchgeführten Studie zu induzierten Änderungen der CO-Ausatemkonzentration, die durch Sport hervorgerufen wurden, sind in Hinblick auf die Genauigkeit mit anderen Systemen bisher nicht erreicht worden. Die aus beiden Messreihen gewonnenen Erkenntnisse lassen sich für zukünftige CO-Atemgasuntersuchungen einsetzen, um Fehlinterpretationen der Ergebnisse zu vermeiden.