Dokument: Infrarot Laserspektroskopie zum hochempfindlichen Nachweis von CO und NO in biomedizinischen Anwendungen
| Titel: | Infrarot Laserspektroskopie zum hochempfindlichen Nachweis von CO und NO in biomedizinischen Anwendungen | |||||||
| Weiterer Titel: | High Sensitive Infrared Laser Spectroscopy for CO and NO Analysis in Biomedical Applications | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=9607 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20081112-092639-0 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Fritsch, Thomas [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | CRDS, Laserspektroskopie, CALOS, CO, NO, Spectroscopy | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an den Molekülen Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NO) in der biomedizinischen Forschung stetig gewachsen. Inzwischen ist bekannt, dass beide Moleküle vielfältige Aufgaben in verschiedenen Bereichen wie Blutdruckregulierung, Immunabwehr, Signalübertragung und Zellschutz übernehmen.
Mit steigendem Interesse an diesen Molekülen wächst auch die Notwendigkeit der Entwicklung von höchst empfindlichen und selektiven Nachweismethoden. Dieser Herausforderung stellt sich die vorliegende Arbeit durch die Weiterentwicklung von zwei Laserspektrometern im Wellenlängenbereich um 5 Mikrometer. Bei den verwendeten Spektroskopiemethoden handelt es sich um die Faraday-Modulations Spektroskopie (FAMOS) und die Cavity Leak-Out Spektroskopie (CALOS). Beide Spektrometer verbinden eine gute Zeitauflösung mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit. Nach der Verbesserung der Spektrometer weist CALOS eine Nachweisgrenze von 0,34 ppb (parts per billion) 13CO, 0,029 ppb 14NO und 0,023 ppb 15NO bei einer Sekunde Integrationszeit auf, und ist damit das empfindlichste Laserspektrometer im mittleren Infrarot für den Nachweis dieser Moleküle. Der systematische Vergleich des CALO-Spektrometers mit dem "Gold-Standard" der NO-Analytik, einem Chemilumineszenzdetektor (CLD), zeigt eine nahezu identische Empfindlichkeit der Methoden, wobei CALOS den bedeutenden Vorteil hat, zwischen den Isotopologen differenzieren zu können. Das FAMO-Spektrometer wurde durch den Einsatz eines Zimmertemperatur-Quantenkaskadenlasers um die Möglichkeit des Nachweises von 15NO erweitert und erreicht nun eine Nachweisgrenze von 6 ppb 15NO in einer Sekunde Integrationszeit. Mit den verbesserten Spektrometern werden verschiedene Fragestellungen untersucht. Die isotopologenselektive Analyse ermöglicht den Nachweis eines Transports von 15NO, das mittels einer Salbe auf die Haut aufgebracht wird, in die Blutbahn. Die experimentelle und theoretische Untersuchung des zeitlichen Verlaufs der CO-Konzentration in der ausgeatmeten Luft zeigt eine starke bislang unbekannte Abhängigkeit von verschiedenen Atemparametern. Das CO in der Atemluft kommt zum größten Teil aus dem Blut, wo es als Carboxyhämoglobin vorliegt. Es wird untersucht, ob die Carboxyhämoglobin-Konzentration mittels eines Atemtests bestimmt werden kann, worauf eine nichtinvasive Methode zur Bestimmung der Hämoglobinmasse aufbaut. Eine Untersuchung des Zusammenhangs der CO-Konzentration im Atem mit einer erhöhten Blutzuckerkonzentration kommt zu dem Ergebnis, dass die CO-Konzentration um etwa 5% des Ausgangswertes sinkt. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass FAMOS durch den Einsatz eines modernen QCL zu einem querempfindlichkeitsfreien, empfindlichen und isotopologenselektiven Nachweissystem wird, das mit vergleichsweise geringem experimentellem Aufwand verbunden ist. CALOS weist im mittleren Infrarot nicht nur eine vergleichbare oder sogar bessere Empfindlichkeit wie etablierte Methoden auf, sondern ist diesen durch die Möglichkeit des isotopologenselektiven Nachweises in biomedizinischen Anwendungen deutlich überlegen.Growing interest in the physiological role of small molecules like Carbonmonoxide (CO) and Nitric Oxide (NO) rises the necessity of the development of highly sensitive and selective gas analyzing methods. This work meets this challenge by improving two laser spectrometers in the 5 micrometer wavelength region, based on Faraday Modulation Sepctroscopy (FAMOS) and Cavity Leak-Out Spectroscopy (CALOS). Both spectrometers combine high sensitivity with selectivity and a time resolution below 1 s. After improvement, CALOS shows a detection limit of 0.34 ppb (parts per billion) 13CO, 0.029 ppb 14NO and 0.023 ppb 15NO at a 1 s integration time. This is the best sensitivity of a laser spectrometer in the mid IR reported to the present day. The systematic comparison to a state of the art chemiluminescence detector (CLD) proves the practically equal sensitivity of the both methods. The possibility of isotopologue selective measurements makes CALOS a far more valuable method. The FAMO-spectrometer is improved by implementing a room-temperature Quantum Cascade Laser (QCL), which enables isotopologue selective analysis without any cross sensitivity. The detection limit of this spectrometer is 6 ppb with a 1 s integration time. The improved spectrometers enable the investigation of a variety of questions. By analyzing the isotopologue ratio of 15NO and 14NO in blood samples after application of nitrite containing lotion, the NO transport through the skin is shown. Investigation of CO concentration in breath during exhalation shows a strong dependence of exhaled CO on breath parameters. The dependence is well reproduced by a mathematical model developed in this work. The exhaled CO mainly originates from blood carboxyhemoglobin. Promising results are obtained investigating the question, whether the blood carboxyhemoglobin concentration can be determined by breath tests. Based on these results a non-invasive method of total hemoglobin mass determination using a 13CO breath test is discussed. The investigation of the relation of blood glucose concentration to exhaled CO concentration by an oral glucose tolerance test shows a significantly decreased CO concentration at the maximum of blood glucose level. As a conclusion, this work shows that FAMOS becomes a sensitive and isotopologue selective method without any cross-sensitivity by implementation of a state-of-the-art QCL with the benefit of relative small experimental effort. CALOS in the mid infrared spectral region is comparable or even better than established methods regarding sensitivity and time resolution. The possibility of isotopologue selective analysis is an outstanding advantage of CALOS in biomedical applications. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Lasermedizin | |||||||
| Dokument erstellt am: | 12.11.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.11.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 13.10.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 06.11.2008 |
