Precise Partial Pressure Determination in Breath Gas Analysis and in Metrology

1 Vorwort 2 Einleitung und Motivation 2.1 Atemgasanalyse in der Medizin 2.2 Metrologische Partialdruckmessung 3 Grundlagen 3.1 Atemgasanalyse und Lungenkrebs 3.2 Protontransferreaktion-Massenspektroskopie (PTR-MS) 3.2.1 Der Quadrupol-Massenfilter 3.2.2 Protonentransferreaktion 3.3 Infrarotspektroskopie 3.3.1 Rotationsspektren 3.3.2 Vibrationsspektren 3.3.3 Rotations-Vibrations-Spektren 3.3.4 Intensitäten 3.3.5 Die asymmetrische CO2-Streckschwingung 3.3.6 Nebenbanden und die Schreibweise der Übergänge 3.3.7 Optische Temperaturbestimmung 3.3.8 Lambert-Beer'sches Gesetz 3.3.9 Form, Breite, Position und Stärke von Absorptionslinien 3.4 Optische Langwegzellen 3.4.1 Verwendung von planen Spiegeln 3.4.2 Ringspiegel 3.4.3 White-Zelle 3.4.4 Gewöhnliche Herriott-Zelle (GHC) 3.4.5 Astigmatische Herriott-Zelle (AHC) 3.5 Die optischen Weglängen in Herriott-Zellen 3.5.1 Berechnung der Weglänge unter Verwendung der Matrixdarstellung von Linsen 3.5.2 Spezielle Herriott-Zelle mit transversaler Kopplung (TAC) 3.6 Korrelationskoeffzient nach Pearson 3.7 Radiokarbonmethode 3.8 LiMAx-Test 4 Spektroskopische Gasanalyse in der AG Heyne (FU-Berlin) 4.1 Online- und Beutelmessung für die Atemgasanalyse mittels PTRMS 4.1.1 Einstellungen des Massenspektrometers und Wichtiges zur Auswertung 4.1.2 Vergleich von Onlinemessungen mit den Literaturwerten bestimmter VOC-Konzentrationen 4.1.3 Reproduzierbarkeit der Onlinemessung für jeweils gleiche Probanden 4.1.4 Konzentrationsverläufe bei der Beutellagerung 4.1.5 Vergleich von Online- und Beutelmessungen 4.2 Einfluss der Gaszusammensetzung auf NDIRS 4.2.1 Quantifizierung des O2-Einflusses anhand von Prüfgasen 4.2.2 CO2-Linienverbreiterungen durch verschiedene Stoßpartner 4.2.3 NDIRS (Non- Dispersive Infrared Spectrometry) 4.2.4 Simulationen: Linienbreiten und Konzentrationen 4.2.5 Kombination der HITRAN-Daten mit den eigenen Ergebnissen zur Simulation des Sauerstoffeinflusses auf den mit NDIRS gemessenen DOB-Wert 4.2.6 Bestimmung der CO2-Isotopenkonzentrationen unbeeinflusst durch Linienbreitenänderungen mittels TLAS 4.3 Planung und Aufbau einer astigmatischen Herriott-Zelle für die Absorptionsspektroskopie 4.3.1 Simulation von astigmatischen Herriott-Zellen 4.3.2 Lichtlaufzeitmessung mit eigener astigmatischer Herriott-Zelle 5 Optische Partialdruckbestimmung in der AG Vakuummetrologie 5.1 Überblick und Ziel meiner Arbeit an der PTB 5.2 Abweichungen vom elliptischen Spotmuster 5.3 Exakte Berechnung der Spiegelabstände geschlossener Konfigurationen 5.3.1 Einkoppelwinkel für kreisförmige Spotmuster auf den Spiegeln der Herriott-Zelle 5.3.2 Ungenäherte optische Weglängen in Herriott-Zellen 5.4 Bestimmung der optischen Weglängen der HC 5.4.1 Die GHC (gewöhnliche Herriott-Zelle mit Ein- und Auskopplung durch ein Loch in einem der Spiegel 5.4.2 Die TAC (Transversal gekoppelte Herriott-Zelle) 5.4.3 Die miniTAC (Miniaturisierte transversal gekoppelte Herriott-Zelle) 5.5 Messung der Linienstärke einer Wasserdampfabsorption 5.5.1 Experimenteller Aufbau 5.5.2 Versuchsdurchführung 5.5.3 Auswertung 5.5.4 Bemerkung zu Querempfindlichkeiten beim Massenspektromer 5.6 Brechzahlmessung für Raumluft 6 Zusammenfassung 131 6.1 Vergleich von Online- und Beutelmessung von Atemproben mittels Massenspektroskopie 6.2 Einfluss vom Restgas auf die mit NDIRS gemessenen Gaskonzentrationen 6.3 Simulation und Aufbau einer astigmatischen Herriott-Zelle 6.4 Der Strahlverlauf in Herriott-Zellen 6.5 Bestimmung optischer Weglängen der verwendeten Herriott-Zellen 6.6 Validierung der opt. Weglängen anhand von Linienstärken 6.7 Brechzahlmessung an Raumluft 7 Ausblick 8 Eidesstattliche Erklärung 9 Danksagung 10 Anhang I: Korrelationen bei der Beutelmessung von Atemgasen 11 Anhang II: Liste menschlicher VOCs mit chemisch-physikalischen Eigenschaften 12 Anhang III: Kurzfassung der Ergebnisse 13 Anhang IV: Lebenslauf und VeröffentlichungenIm Rahmen dieser Arbeit wurden drei Messmethoden zur Bestimmung von Partialdrücken in Gasen verwendet. Die Massenspektroskopie (MS), die nichtdispersive IR-Spektroskopie (NDIRS) und die Absorptionsspektroskopie mit einem in der Emissionsfrequenz durchstimmbarer Laser (TLAS Tunable Laser Absorption Spectroscopy). Die Untersuchungen mit der Massenspektroskopie bezogen sich auf die Analyse von Atemgasproben von 32 Probanden. Bei der direkten Onlinemessung der ausgeatmeten Luft mit einem kommerziell erhältlichen Sampler stimmten die Zählraten bzw. VOC-Konzentrationen von 22 der gemessenen 27 Masse-zu-Ladung-Verhältnissen (Kanälen) mit den entsprechenden Literaturwerten überein. Bei der Lagerung der Atemproben in Tedlarbags bei Raumtemperatur fiel die Zahl der Kanäle mit guter Korrelation (R >0,7) auf acht. Es wurden die Konzentrationsverläufe in vier Beuteln über einen Zeitraum von 150 Stunden vermessen. Die gefundenen Abklingzeiten stimmen lediglich für vier Kanäle mit den Literaturwerten überein. Die Nahrungsaufnahme beeinflusst die Konzentrationsverhältnisse der ausgeatmeten VOCs erheblich. So konnte beispielsweise bestätigt werden, dass die Methanolkonzentration tendenziell geringer ausfällt, je länger die Zeit seit der letzten Mahlzeit her ist. Bezüglich Querempfindlichkeiten wurde gezeigt, dass der Wasserdampfpartialdruck mit der MS zu niedrig bestimmt wird, sofern Stickstoff als Restgas vorhanden ist. Bei den Messungen und Simulationen zur NDIRS ging es ebenfalls um Queremfindlichkeiten. Aus der Literatur ist bekannt, dass Sauerstoff das gemessene 13CO2-zu-12CO2-Verhältnis im Prozentbereich erhöht. Dieser Zusammenhang konnte mit Prüfgasen quantifiziert werden. Wurde Sauerstoff statt Stickstoff als Restgas zu den 3% CO2 hinzu gegeben, so stieg das mit dem NDIRS-Gerät gemessene Isotopenverhältnis um 2,00(1)%. Mittels einer Simulation des Einflusses von Sauerstoff und Stickstoff auf die Linienbreiten von CO2-Absorptionen und den daraus entstehenden Folgen für die Transmissionsspektren in einem theoretischen NDIRS-Model, konnten Größenordnung und Vorzeichen des Effekts bestätigt werden. Mit der TLAS wurde eine Alternative zu der NDIRS aufgezeigt, mit der das Isotopenverhältnis unbeeinflusst durch Sauerstoff, im Rahmen einer Genauigkeit von 0,1%, gemessen werden konnte. Eine Erhöhung der optischen Weglänge hat eine Erhöhung der Konzentrationssensitivität für TLAS zur Folge. Es wurde eine astigmatische Herriott-Zelle simuliert und experimentell umgesetzt. Die über die Lichtflugzeit bestimmte optische Weglänge betrug hierbei 604(3) m. Mit den verwendeten Bauteilen, wie Detektoren, Verstärkern, etc. wurde das Detektionslimit für CO2 entsprechend auf 200 pptv abgeschätzt. Es wurden drei weitere Herriott-Zellen, jedoch mit sphärischen Spiegeln, zur metrologischen Partialdruckbestimmung durch Absorptionsmessungen verwendet. Die neuartige, seitliche Ein- und Auskopplung des Lichtes spielte hierbei eine zentrale Rolle. Die entsprechenden Herriott-Zellen werden „TAC” (transversal access cavity) genannt. Anhand von Linienstärkenmessungen an Wasserdampf bei 10670,121 cm-1 konnte bestätigt werden, dass sowohl die optischen Weglängen der Herriott-Zelle mit herkömmlicher Einkoppelung durch ein Loch im Spiegel, als auch die der beiden TACs, präzise bestimmt werden konnten. Die gemessenen Linienstärken betrugen im Mittel 3,064(36)x10-22 cm/Molekül und stimmten untereinander und mit dem Literaturwert aus der HITRAN 2012-Datenbank von 3,088(62)x10-22 cm/Molekül überein. Ferner konnte mit einer TAC und der genauen Kenntnis ihres freien Spektralbereiches die Brechzahl von Raumluft zu 1,000251(21) bestimmt werden. Der Wert stimmt mit dem nach der Edlén-Formel berechneten Theoriewert von 1,00026474(4) überein. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die von Herriott veröffentlichte Formel zur Bestimmung der Spiegelabstände für sogenannte geschlossene Konfigurationen und damit auch die folgenden Formeln für die optischen Weglängen, aufgrund der verwendeten Näherung, stärker von den tatsächlichen experimentellen Werten abweichen, als die angestrebten Unsicherheiten von wenigen Promille. Daher wurden für die Spiegelabstände D geschlossener Konfigurationen und für die optischen Weglängen L von Herriott-Zellen Formeln ohne Verwendung von Näherungen in der folgenden Form hergeleitet: D=(R-s)(1-cos(pi*U/N))+2s L=2N*sqrt[2r²*(1-cos(pi*U/N)+(R²-r²)(1-cos(pi*U/N))²]This work deals with the determination of partial gas pressures in breath gas analysis and metrology measured with three different methods: Mass spectroscopy (MS), none-dispersive infrared spectroscopy (NDIRS) and tunable laser absorption spectroscopy (TLAS). MS measurements were performed to analyze breath gas samples of 32 subjects. A commercially available sampler was used to take breath samples directly online. The concentrations of volatile organic compounds (VOCs), calculated from counts per second on channels according to specific mass-to-charge ratios, were in agreement with the values from the literature in 22 of 27 cases. Storage of the breath samples in Tedlar bags for several hours at room temperature decreased the number of channels with a good correlation (R >0,7) to 8. The time dependence of the VOC concentrations over a storage time of 150 hours was analyzed. For only four channels do the concentrations behave as described in the literature. The diet has a strong influence on the profile of exhaled VOCs. For instance, one result was that the Methanol concentrations decrease with longer times without food intake. Regarding MS cross sensitivities, it was found, that the measured partial pressure of water vapor was influenced by the partial pressure of nitrogen within the same gas sample. NDIRS measurements and associated simulations were also performed to quantify cross sensitivities and to identify their origins. From the literature it is known, that the amount of oxygen within the residual gas has an influence on the measured 13CO2 to 12CO2 ratio, while using NDIRS. In this work, this correlation has been experimentally quantified using test gases to create gas mixtures of 3% of CO2 with different residual gas compositions. The isotope ratio measured with NDIRS increased by about 2.00(1)%, if Nitrogen was replaced by Oxygen as the residual gas. This result is supported in direction and order of magnitude by the simulations performed. As an alternative method, TLAS was used. With this, it was possible to measure the isotopic carbon dioxide ratio within the uncertainties of 0.1%, without influence from the amount of oxygen. An increased optical path length leads to an increased sensitivity in concentration. Hence, an astigmatic Herriott cell was planned and assembled. Its optical path length was measured with optical time-of-flight to be 604(3) m. With the devices used in the setup, like detectors, amplifiers, etc., the limit of detection for carbon dioxide can be estimated to be better than 200 pptv. Three more Herriott cells have been assembled and used to measure partial pressures for metrology. They were designed with spherical mirrors. A recently proposed way of coupling in the light into the Herriott cell was validated. Here, the light does not enter the cell through a hole in the mirrors, but is instead reflected in and out of the cell by means of a thin plate with parallel reflective surfaces on either side. This design is called “TAC” (transversal access cavity). The calculated optical path lengths for the typical Herriott cell with the hole in the mirror and the two TACs were compared using a measurement of the strength of an absorption line of water vapor at 10670.121 cm-1. The results of the measured line strength were in accordance with each other for the three Herriott cells with a mean value of 3.064(36)x10-22 cm/molecule. The results also matched the value 3.088(62)x10-22 cm/molecule from the HITRAN 2012 Database. Also the TAC with its known free spectral range was used to measure the refractive index of ambient air to be 1.000251(21) in agreement with the theoretical value of 1.00026474(4) obtained by the Edlén formula. It is an important result of this work that the formula published by Herriott et al. for the mirror distances D for so called “closed configurations” results in values greater than the experimental value, by an amount well outside the uncertainties aimed for in this work, i.e. on the order of several tenths of a percent. The same is true for the formula of the optical pathways L of Herriott cells. Hence, both formulas were re-derived without the use of approximations. The results are: D=(R-s)(1-cos(pi*U/N))+2s L=2N*sqrt[2r²*(1-cos(pi*U/N)+(R²- r²)(1-cos(pi*U/N))²