Dokument: Hochempfindliche laserspektroskopische Untersuchungen von Ethan und anderen Spurengasen
| Titel: | Hochempfindliche laserspektroskopische Untersuchungen von Ethan und anderen Spurengasen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=9767 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20081202-120054-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Thelen, Sven [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Weinkauf, Rainer [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | CRDS, Laserspektroskopie, CALOS, Ethan, Methan, Formaldehyd | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der hochempfindlichen Analyse des Spurengases Ethan in der Atemluft und anderen für die Medizin und Umwelttechnik interessanten Spurengasen mit Hilfe der Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS) im 3 μm Bereich. Zu diesem Zweck wurde ein Cavity-Leak-Out-Spektrometer mit einem Differenzfrequenz-System (DFG) als Laserquelle aufgebaut. Als ein Hauptbestandteil dieses DFG-Systems wurde ein neuer 500 mW External-Cavity-Diodenlaser (ECDL) in den Aufbau integriert, der erst seit kurzem zur Verfügung steht. Daher wurde der Laser auf seine Eignung für die hochempfindliche Spurengasanalyse getestet. Erstmals wurde eine Crossevaluation zwischen CALOS und dem Gold-Standard in der medizinischen Spurengasanalyse, der Gaschromatographie (GC) durchgeführt. Die Fähigkeit von CALOS zur zeitaufgelösten Analyse wurde genutzt, um erstmals atemzugsaufgelöste Messungen von Ethan und Methan systematisch zu untersuchen.
CALOS bedient sich eines mit zwei hochreflektierenden Spiegeln abgeschlossenen Resonators der mit Licht eines durchstimmbaren Lasers resonant gefüllt wird. Nach Abschalten des Lasers wird das Abklingen des elektromagnetischen Feldes gemessen. Bei Absorption durch ein in den Resonator gefülltes Gas klingt das Signal schneller ab. Aus dem Vergleich von leerer und mit Gas gefüllter Zelle können sehr geringe Konzentrationen mit einer hohen Zeitauflösung bestimmt werden. Der neuartige ECDL zeigte eine 20-fach höhere Ausgangsleistung, ebenso mit 26 GHz einen 3-fach besseren modensprungfreien Abstimmbereich, und mit 1,81 · 10^−8 cm^−1 Hz^−1/2 wurde ein um 37% besserer rauschäquivalenter Absorptionskoeffizient erreicht als mit einem älteren in dieser Arbeit ebenfalls verwendeten Diodenlaser. Die Eignung für die hochempfindliche Spektroskopie zeigte der Laser bei einer Raumluftmessung von Ethan mit einer Nachweisgrenze von 620 ppt (1 s Mittelungszeit) sowie beim Nachweis von vier Wasserisotopologen. Mit dem alten Diodenlaser wurde darüber hinaus die absolute Genauigkeit mehrerer Formaldehyd-Linien im Bereich zwischen 2853 und 2972 Wellenzahlen durch Vergleich mit einer Referenzlinie bei 2831,64 Wellenzahlen um einen Faktor 4 verbessert. Im Rahmen einer Kooperation wurde erstmals die Leistungsfähigkeit von CALOS mit einem Gaschromatographen verglichen. Hierbei zeigte sich bei der Analyse von Ethan-Standards bei Intraday-Messungen eine vergleichbare Präzision, bei Interday-Messungen zeigte CALOS sogar eine um den Faktor 3 bessere Präzision. Eine lineare Regression der Absolutwerte über einen Bereich von 0,5 ppb - 100 ppb ergab mit einem Wert von 1,07 ± 0,03 ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung. Es konnte gezeigt werden, daß die Analyse einer Atemprobe, die während einer Operation an einem Tier genommen wurde, ohne signifikante Einschränkungen möglich ist. Wesentlicher Vorteil von CALOS ist die 30-fach kürzere Analysezeit von 1 Minute. Die Fähigkeit zur atemzugsaufgelösten Analyse wurde eingesetzt um den Auswaschprozess von künstlich eingewaschenem Ethan aus verschiedenen Kompartimenten des Körpers (Lunge, Blut, stark durchblutetes Gewebe) erstmals systematisch zu untersuchen. Es wurden je nach Kompartiment charakteristische Zeitkonstanten zwischen 18 Sekunden und 168 Minuten beobachtet mit intraindividuellen Schwankungen von bis zu 20%. Des weiteren wurden atemzugsaufgelöste Messungen des kontinuierlich endogen produziertem Methans durchgeführt. Intra- bzw. interindividuelle Messungen an verschiedenen Tagen zeigten Schwankungen um einen Faktor 8 bzw. 116. Die Vielseitigkeit der Anwendungsmöglichkeiten mit diesem Spektrometer zeigt das Potential von CALOS für künftige Aufgaben in Medizin und Umwelttechnik.The present thesis reports on the highly sensitive analysis of the trace gas ethane in breath exhalate and further trace gases important for medical and environmental science by means of Cavity-Leak-Out-Spectroscopy (CALOS) in the spectral range of 3 μm. For this purpose a Cavity-Leak-Out-Spectrometer was assembled using a Difference-Frequency-Generation-System (DFG) as laser source. An essential part of this setup was a novel 500 mW External-Cavity-Diode-Laser (ECDL) which has become available recently. For this reason the laser had to be evaluated for its suitability in trace gas analysis. The results of the first ethane crossevaluation comparing CALOS and the gold-standard in medical trace gas analysis, Gas Chromatography (GC) is reported. Furthermore the high time resolution of CALOS was used to perform systematic analyses of breath resolved measurements of ethane and methane. CALOS is implementing a resonator, enclosed with two high reflectivity mirrors, being resonantly filled with the electromagnetic field of a tunable continous wave laser source. After turning off the laser the exponential decay of the laser light is recorded. An absorbing gas inside the cell decreases the decay time. Comparing the decay times of an empty and filled absorption cell enables the detection of concentrations on the ppb-level (parts per billion) and below. The novel ECDL exhibited a 20-fold higher output power, a 3-fold higher Modehop Free Tuning Range (26 GHz) and a 37% better noise equivalent absorption coefficient (1.81 · 10^−8 cm^−1 Hz^−1/2) than was achieved with the old ECDL in this work. The suitability of this novel laser for highly sensitive spectroscopy was demonstrated achieving a detection limit of 620 ppt (1 s averaging time) measuring ethane in ambient air and detecting four water isotopologues. Furthermore the old ECDL was used to improve the absolute accuracy of several formaldehyde absorption lines in the spectral range between 2853 and 2972 wave numbers by a factor of 4 by comparison to a reference line at 2831,64 wave numbers . In the framework of a cooperation the capacity of CALOS was compared for the first time with GC regarding measurements of ethane standards in the range between 0.5 ppb and 100 ppb. Intraday measurements revealed a comparable precision, whereas CALOS showed a 3-fold higher precision with Interday measurements. The scatter plot of GC data versus CALOS data yields a linear regression slope of 1.07 ± 0.03 revealing a very good agreement. In addition, it was demonstrated that the analysis of animal breath samples, taken during an surgery, is possible without significant restrictions. A fundamental advantage of CALOS is the 30-fold shorter analysis time (1 minute). The capability for real-time analysis was used for the systematic evaluation of the washout process of ethane from different human body compartments (lungs, blood, strongly perfused tissue) after inhaling a certified gas mixture of ethane in synthetic air. Depending on the compartment involved characteristic time constants between 18 seconds and 168 minutes were observed with intraindividual variations of up to 20 %. Furthermore breath-resolved measurements of the endogenously produced methane were recorded. Intra- and Interindividual results were analysed on several days with 8-fold and 116-fold fluctuations respectively. The versatility of possible applications with this spectrometer demonstrates the potential of CALOS for future challenges in medical and environmental analytics. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Lasermedizin | |||||||
| Dokument erstellt am: | 02.12.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 01.12.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 16.09.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 28.11.2008 |
