Dokument: Isotopologenselektiver Nachweis von Spurengasen im mittleren Infrarot mittels Cavity-Leak-Out-Spektroskopie
| Titel: | Isotopologenselektiver Nachweis von Spurengasen im mittleren Infrarot mittels Cavity-Leak-Out-Spektroskopie | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20079 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20111215-094011-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Sowa, Marcus [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Laserspektroskopie, Spurengase | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | 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.This thesis deals with the isotopologue and high sensitive carbon monoxide detection of human exhalation air by means of the Cavity Leak-Out Spectroscopy (CALOS). First the spectrometer was optimised. The absorption band the 13CO-analysis is performed on could be substituted due to increased laser output power. The newly utilized absorption band quadrupled the dynamic range of the system without altering the minimal detection limit. A new pressure control system optimised to high gas flows allows to further quadruple the dynamic range. This huge improvement of the dynamic range provides various applications for measuring comparatively high concentrations. A new temperature stabilization of the measurement cavity based on compact Peltier elements was developed. This new stabilization allows for a temperature precision of ±0.01 C over a period of more than 5.5 days. By that, the long-term stability of the system was further increased by approximately 30%. The system’s ability to perform isotopologue selective measurements was used for the development of a non-invasive method to determine the total hemoglobin mass. By using the rare 13CO-isotopologue, the amount of CO the test person had to inhale was reduced to approximately 1/100 of the CO amount used by other research groups. The amount of CO used in this work is absolutely harmless for humans. The applied volume per measurement was 1ml. The new method was positively evaluated regarding the reproducibility of the data and regarding induced variations of the total hemoglobin mass. The induced variation in the total hemoglobin mass originated from a normal blood donation. The amount corresponds to the variation as it can be expected when performing blood doping for endurance enhancing purposes. This means that the detection of homologous blood doping is possible with this noninvasive method. A further aspect of this thesis was the evaluation of the suitability to utilize CO as a marker molecule. For the first time, a long term analysis of the CO basis-level in the exhaled air could be performed. This was possible due to the properties of the Cavity Leak-Out Spectroscopy, namely the high sensitivity and the calibration free measurement technique. The precision of the results of a second study scrutinizing the changes in the exhaled CO concentration due to sports has not been matched yet by other research groups. Both studies have revealed remarkable results which can be used for future CO breath analysis studies in order to prevent misinterpretation of the data. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 15.12.2011 | |||||||
| Dateien geändert am: | 15.12.2011 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 19.10.2011 | |||||||
| Datum der Promotion: | 28.11.2011 |
