DE102017213483A1

DE102017213483A1 - Apparatus and method for gas analysis with a biomolecule-based filter

Info

Publication number: DE102017213483A1
Application number: DE102017213483.6A
Authority: DE
Inventors: Isabelle Raible; Ingeborg Hospach; Katrin Luckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren (500) zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse, mit einem ersten Sensor (151), insbesondere einem Metalloxidsensor, zur Analyse einer Gasprobe (10). Die Vorrichtung (100) umfasst einen ersten Filter (171) mit Biomolekülen (180) zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies (12) aus der Gasprobe (10).The invention relates to a device (100) and a method (500) for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas, with a first sensor (151), in particular a metal oxide sensor, for analyzing a gas sample (10). The apparatus (100) comprises a first filter (171) with biomolecules (180) for selectively removing a chemical species (12) from the gas sample (10).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Atemgasanalyse gilt als nicht-invasive diagnostische Methode. Durch die Detektion von krankheitsspezifischen Biomarkern im Atem können Rückschlüsse auf eine Krankheit oder einen Therapieerfolg gezogen werden. Verschiedene flüchtige organische Verbindungen, auch „volatile organic compounds“ kurz VOCs genannt, gelten als vielversprechende Biomarker, beispielsweise Stickstoffmonoxid als Marker für einen Entzündungszustand der Lunge bei Asthma.Respiratory gas analysis is considered a non-invasive diagnostic method. Through the detection of disease-specific biomarkers in the breath, conclusions can be drawn about a disease or therapeutic success. Several volatile organic compounds, also called volatile organic compounds (VOCs), are considered to be promising biomarkers, such as nitric oxide as a marker of lung inflammation in asthma.

Solche Biomarker liegen oft nur in sehr geringen Konzentrationen im Atem vor, so dass neben einer Aufkonzentrierung beispielsweise durch Filterung eine Sensorik mit hoher Sensitivität und hoher Selektivität erforderlich ist. In der Regel ist jedoch eine vollständige Selektivität der Sensoren für Biomarker, beispielsweise bei Metalloxid-Sensoren, nicht gegeben. Substanzen, auf welche ein solcher Sensor querempfindlich ist, dürfen daher entweder nicht in der Atemgasprobe vorhanden sein oder müssen vorher abgetrennt werden, um falsch positive Signale zu vermeiden.Such biomarkers are often present only in very low concentrations in the breath, so that in addition to a concentration, for example by filtering a sensor with high sensitivity and high selectivity is required. In general, however, a complete selectivity of the sensors for biomarkers, such as metal oxide sensors, not given. Substances to which such a sensor is cross-sensitive may therefore either not be present in the respiratory gas sample or must be previously separated to avoid false positive signals.

Aus DE 10 2015 211 448 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse eines Gasgemischs bekannt, welche einen Sensor in Form eines porösen Trägermaterials mit in den Poren vorgelagerten biochemischen Substanzen zum Nachweis von Wasserstoffperoxid umfasst.Out DE 10 2015 211 448 A1 a device for analyzing a gas mixture is known, which comprises a sensor in the form of a porous support material with biochemical substances in the pores for the detection of hydrogen peroxide.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse, mit einem ersten Sensor, insbesondere einem Metalloxidsensor, zur Analyse einer Gasprobe. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Filter mit Biomolekülen zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies, insbesondere einer biochemischen Spezies, aus der Gasprobe.Against this background, the invention relates to a device for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas, with a first sensor, in particular a metal oxide sensor, for the analysis of a gas sample. The device comprises a first filter with biomolecules for the selective removal of a chemical species, in particular a biochemical species, from the gas sample.

Unter einer Gasprobe ist insbesondere eine Menge eines Gases oder eine Menge eines Gasgemisches zu verstehen, beispielsweise eine Atemprobe, ein bei einem Industrieprozess vorkommendes Gasgemisch oder Luft aus einer Klimaanlage. Unter Atemgasanalyse ist insbesondere eine Analyse eines Teils oder eines Abschnitts eines von einem Menschen oder Tier ausgeatmeten Gasgemisches zu verstehen. Bei den Biomolekülen kann es sich insbesondere um Enzyme, Aptamere, Antikörper oder Zellen handeln. Unter einer chemischen Spezies ist insbesondere ein Analyt zu verstehen, beispielsweise eine atomare oder molekulare Spezies, eine biochemische Spezies oder eine biologische Entität wie beispielsweise ein Protein, insbesondere ein Enzym, ein Nukleotid oder eine Zelle. Vorzugsweise sind die Biomoleküle auf und/oder in dem Filter immobilisiert, beispielsweise kovalent oder über Physisorption mit dem Filtermaterial gebunden. Unter einer selektiven Entfernung der chemischen Spezies aus der Gasprobe ist insbesondere eine signifikante Reduktion dieser Spezies in der nach der Entfernung verbleibenden Gasprobe zu verstehen, beispielsweise eine Reduktion um eine Konzentration dieser Spezies in der Gasprobe um zumindest 90%, vorzugsweise um zumindest 95%, ganz bevorzugt um zumindest 99%. Alternativ kann unter der selektiven Entfernung eine Reduktion der Konzentration der Spezies auf weniger als 100 parts per billion, vorzugsweise auf weniger als 10 parts per billion, ganz bevorzugt auf weniger als 1 part per billion bezogen auf die Gesamtgasmenge der Gasprobe verstanden werden.A gas sample is understood in particular to mean an amount of a gas or an amount of a gas mixture, for example a breath sample, a gas mixture occurring in an industrial process or air from an air conditioning system. Respiratory gas analysis is understood in particular to mean an analysis of a part or a portion of a gas mixture exhaled by a human or animal. The biomolecules may in particular be enzymes, aptamers, antibodies or cells. By a chemical species is meant in particular an analyte, for example an atomic or molecular species, a biochemical species or a biological entity such as a protein, in particular an enzyme, a nucleotide or a cell. Preferably, the biomolecules are immobilized on and / or in the filter, for example covalently bound or via physisorption with the filter material. By selective removal of the chemical species from the gas sample is meant, in particular, a significant reduction of this species in the gas sample remaining after removal, for example a reduction by a concentration of these species in the gas sample of at least 90%, preferably at least 95%, completely preferably at least 99%. Alternatively, selective removal may be taken to mean a reduction in the concentration of the species to less than 100 parts per billion, preferably less than 10 parts per billion, more preferably less than 1 part per billion, based on the total amount of gas sample.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass störende chemische Substanzen gezielt aus der Gasprobe vor der Analyse der Gasprobe entfernt werden können. Somit kann vorteilhafterweise eine hoch sensitive Messung einer oder mehrere Arten von Analyten durch die erfindungsgemäße Kombination eines hochempfindlichen Sensors mit einem hochselektiven ersten Filter ermöglicht werden. Eine hohe Spezifität des ersten Filters kann somit vorteilhafterweise eine hohe Sensitivität des Sensors ergänzen. Dies ist besonders bei einer Detektion von Moleküle vorteilhaft, wenn die Störsubstanzen sehr ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise bei der Detektion von Aceton mit Störsubstanz Ethanol.The device according to the invention has the advantage that interfering chemical substances can be removed in a targeted manner from the gas sample before the analysis of the gas sample. Thus, a highly sensitive measurement of one or more types of analytes can advantageously be made possible by the combination according to the invention of a high-sensitivity sensor with a highly selective first filter. A high specificity of the first filter can thus advantageously complement a high sensitivity of the sensor. This is particularly advantageous in the case of detection of molecules if the interfering substances have very similar chemical properties, for example in the detection of acetone with interfering substance ethanol.

Bevorzugt weist der erste Filter eine Porosität auf, so dass vorteilhafterweise eine mit der Gasprobe in Kontakt kommende Oberfläche und somit eine Effizienz des ersten Filters zur Zurückhaltung der chemischen Spezies erhöht wird.Preferably, the first filter has a porosity, so that advantageously a coming into contact with the gas sample surface and thus an efficiency of the first filter for the retention of the chemical species is increased.

Vorzugsweise ist der erste Sensor in der Vorrichtung hinter dem ersten Filter angeordnet, so dass die Gasprobe vor einer Kontaktierung mit dem ersten Sensor den ersten Filter passiert. Mit anderen Worten umfasst die Vorrichtung einen ersten fluidischen Pfad, wobei der erste fluidische Pfad eine erste Öffnung der Vorrichtung zum Einbringen der Gasprobe und den ersten Sensor fluidisch verbindet und wobei der erste Filter im ersten fluidischen Pfad zwischen der ersten Öffnung und dem ersten Sensor angeordnet ist. Bei dem fluidischen Pfad kann es sich insbesondere um einen Kanal handeln, durch welchen Gase befördert werden können.Preferably, the first sensor in the device is behind the first filter arranged so that the gas sample passes through the first filter before contacting the first sensor. In other words, the device includes a first fluidic path, wherein the first fluidic path fluidly connects a first port of the gas sample delivery device and the first sensor, and wherein the first filter is disposed in the first fluidic path between the first port and the first sensor , The fluidic path may in particular be a channel through which gases can be conveyed.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter Sensor, insbesondere ein Metalloxidsensor, vor dem ersten Filter angeordnet, so dass die Gasprobe vor einer Kontaktierung mit dem ersten Filter den zweiten Sensor passiert. Mit anderen Worten ist der zweite Sensor zwischen der ersten Öffnung und dem ersten Filter angeordnet. Dies bedeutet, dass der erste Filter zwischen dem zweiten Sensor und dem ersten Sensor angeordnet ist. Alternativ umfasst die Vorrichtung einen zweiten fluidischen Pfad, wobei der zweite fluidische Pfad unter Umgehung des ersten Filters die erste Öffnung mit dem ersten Sensor fluidisch verbindet. Somit ermöglicht der zweite fluidische Pfad unter Umgehung des ersten Filters eine Kontaktierung der Gasprobe mit dem ersten Sensor für eine Analyse der Gasprobe durch den ersten Sensor. Dabei kann der zweite fluidische Pfad direkt mit der ersten Öffnung oder mit dem ersten fluidischen Pfad zwischen der ersten Öffnung und dem ersten Filter verbunden sein. Sowohl die Weiterbildung mit dem zweiten Sensor als auch die Weiterbildung mit dem zweiten fluidischen Pfad zur Umgehung des ersten Filters haben den Vorteil, dass auch eine Analyse der Gasprobe oder eines Teils der Gasprobe vor der selektiven Entfernung der chemischen Spezies möglich ist. Somit ist ein Vergleich der Messungen vor und nach erste Filterung der Gasprobe durch den ersten Filter möglich, wodurch aufgrund der Spezifität des ersten Filters direkt auf das Ausmaß der selektiven Entfernung der chemischen Spezies somit auf die Menge der entfernten chemischen Spezies rückgeschlossen werden kann.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a second sensor, in particular a metal oxide sensor, arranged in front of the first filter, so that the gas sample passes before contacting the first filter, the second sensor. In other words, the second sensor is arranged between the first opening and the first filter. This means that the first filter is arranged between the second sensor and the first sensor. Alternatively, the device comprises a second fluidic path, wherein the second fluidic path, bypassing the first filter, fluidly connects the first port to the first sensor. Thus, bypassing the first filter, the second fluidic path allows contacting the gas sample with the first sensor for analysis of the gas sample by the first sensor. In this case, the second fluidic path can be connected directly to the first opening or to the first fluidic path between the first opening and the first filter. Both the development with the second sensor and the development with the second fluidic path for bypassing the first filter have the advantage that it is also possible to analyze the gas sample or part of the gas sample before the selective removal of the chemical species. Thus, a comparison of the measurements before and after the first filtering of the gas sample through the first filter is possible, whereby due to the specificity of the first filter directly on the extent of selective removal of the chemical species can thus be deduced the amount of chemical species removed.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der erste Filter Biomoleküle zur selektiven Entfernung von mindestens zwei verschiedenen chemischen Spezies. Dies hat den Vorteil, dass gezielt zwei oder mehrere störende Spezies aus der Gasprobe mit nur einem Filter entfernt werden können.In an advantageous embodiment of the invention, the first filter comprises biomolecules for the selective removal of at least two different chemical species. This has the advantage that targeted two or more interfering species can be removed from the gas sample with only one filter.

Vorzugsweise umfasst der erste Filter hydrophiles Material. Da Atem typischerweise eine hohe Feuchtigkeit aufweist, erleichtert das hydrophile Material vorteilhafterweise eine Bindung der zu entfernenden chemischen Spezies mit den Biomolekülen. Ferner ist von Vorteil, dass eine höhere Feuchtigkeit des ersten Filters aufgrund des hydrophilen Materials die Lebensdauer der Biomoleküle und somit die Funktionsfähigkeit des ersten Filters verlängert.Preferably, the first filter comprises hydrophilic material. Since breath typically has high humidity, the hydrophilic material advantageously facilitates binding of the chemical species to be removed with the biomolecules. Furthermore, it is advantageous that a higher humidity of the first filter due to the hydrophilic material prolongs the life of the biomolecules and thus the functionality of the first filter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der erste Filter eine Substanz für eine Farbreaktion bei einer Bindung der chemischen Spezies im Filter. Beispielsweise kann es sich bei der Substanz um chromophore Substrate handeln, beispielsweise um einen pH-Indikator, eine Oxidations-/Reduktions-Indikator, insbesondere einen Elektronmediator und/oder Chinone oder Hydrochinone. Somit kann die Entfernung der chemischen Spezies vorteilhafterweise direkt visualisiert werden. Ferner kann erkannt werden, ob der erste Filter noch funktionsfähig ist. Schließlich ist von Vorteil, dass bei funktionsfähigem Filter keine Änderung der Farbe das Nichtvorhandensein der zu entfernenden Spezies in der Gasprobe direkt angezeigt wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the first filter comprises a substance for a color reaction upon binding of the chemical species in the filter. For example, the substance may be chromophoric substrates, for example a pH indicator, an oxidation / reduction indicator, in particular an electron mediator and / or quinones or hydroquinones. Thus, the removal of the chemical species can advantageously be visualized directly. Furthermore, it can be recognized whether the first filter is still functional. Finally, it is advantageous that, with the filter functioning, no change in color is directly indicated by the absence of the species to be removed in the gas sample.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Feuchtesensor zur Messung einer Feuchtigkeit des ersten Filters. Über die Messung der Feuchtigkeit kann vorteilhafterweise eine Funktionsfähigkeit der Biomoleküle und somit des Filters abgeschätzt werden.Preferably, the device comprises a humidity sensor for measuring a humidity of the first filter. The functionality of the biomolecules and thus of the filter can advantageously be estimated by measuring the moisture.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Sensor zur Messung einer Leitfähigkeit des ersten Filters. Über einen solchen Sensor kann vorteilhafterweise eine Feuchtigkeit des Filters und ein Zustand der Biomoleküle im Filter abgeschätzt werden.In a particular embodiment of the invention, the device comprises a sensor for measuring a conductivity of the first filter. Such a sensor can advantageously be used to estimate a humidity of the filter and a state of the biomolecules in the filter.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten Filter mit Biomolekülen zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies aus der Gasprobe. Vorzugsweise handelt es sich dabei um von den Biomolekülen des ersten Filters verschiedenen Biomolekülen zur selektiven Entfernung einer anderen chemischen Spezies. Dies hat den Vorteil, dass über mehrere Filter stufenweise unterschiedliche störende Spezies aus der Gasprobe entfernt werden können. Insbesondere wenn, wie oben ausgeführt, die Filter Substanzen für eine Farbreaktion bei einer Bindung der chemischen Substanz umfassen, können auch zwei Filter mit gleichen Biomolekülen verwendet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die direkte Kontrolle der Entfernung der chemischen Spezies über ein ausbleibendes oder verringertes Farbsignal des bezüglich der Beförderung der Gasprobe nachgeschalteten Filters.According to an advantageous development of the invention, the device comprises a second filter with biomolecules for the selective removal of a chemical species from the gas sample. Preferably, these are different from the biomolecules of the first filter biomolecules for the selective removal of another chemical species. This has the advantage that it is possible to remove different interfering species from the gas sample step by step over several filters. In particular, if, as stated above, the filters comprise substances for a color reaction in a binding of the chemical substance, two filters with the same biomolecules can also be used. This advantageously allows the direct control of the removal of the chemical species via a missing or reduced color signal of the filter downstream of the transport of the gas sample.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Vorrichtung als ersten oder zweiten Sensor auch ein Array von mehreren Sensoren, insbesondere Gassensoren, aufweisen, beispielsweise zum Nachweis unterschiedlicher Spezies. Ferner kann die Vorrichtung weitere Sensoren zur Bestimmung der Feuchtigkeit und/oder der Temperatur, insbesondere der Gasprobe, umfassen.In advantageous embodiments of the invention, the device as the first or second sensor and an array of multiple sensors, in particular gas sensors, have, for example, to detect different species. Furthermore, the device may comprise further sensors for determining the humidity and / or the temperature, in particular the gas sample.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können der erste und/oder der zweite Filter neben den Biomolekülen zur selektiven Entfernung einer oder mehreren chemischen Spezies weitere Biomoleküle als Stabilisatorbiomoleküle umfassen. Die Präsenz der Stabilisatorbiomoleküle erhöht vorteilhafterweise die Stabilität der Biomoleküle, welche mit der chemischen Spezies eine Bindung eingehen. Die Stabilität wird dabei durch eine Verstärkung der physiologischen Umgebung der Biomoleküle erhöht, insbesondere durch eine Stabilisierung der Struktur der Biomoleküle über eine ionische Wechselwirkung zwischen den Biomolekülen und den Stabilisatorbiomolekülen. Insbesondere kann es sich bei den Stabilisatorbiomolekülen um Biomoleküle der gleichen Art wie die der Biomoleküle zur selektiven Entfernung handeln, so dass somit eine größer als für die Bindung der chemischen Spezies erforderliche Menge an Biomolekülen vorliegt. Alternativ kann es sich auch um andere Biomoleküle handeln. Im Falle von Proteinen als Biomolekülen zur selektiven Entfernung könnte es sich bei den Stabilisatorbiomolekülen beispielsweise um kostengünstige Standard-Proteine wie Albumin handeln.In a further advantageous embodiment of the invention, the first and / or the second filter in addition to the biomolecules for the selective removal of one or more chemical species comprise further biomolecules as stabilizer biomolecules. The presence of the stabilizer biomolecules advantageously increases the stability of the biomolecules which bind to the chemical species. The stability is thereby increased by increasing the physiological environment of the biomolecules, in particular by stabilizing the structure of the biomolecules via a ionic interaction between the biomolecules and the stabilizer biomolecules. In particular, the stabilizer biomolecules may be biomolecules of the same type as those of the biomolecules for selective removal, so that there is thus an amount of biomolecules greater than that required for the binding of the chemical species. Alternatively, it may also be other biomolecules. For example, in the case of proteins as biomolecules for selective removal, the stabilizer biomolecules could be inexpensive standard proteins such as albumin.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse. In einem ersten Schritt wird eine Gasprobe in eine Vorrichtung zur Gasanalyse aufgenommen, wobei die Vorrichtung einen ersten Sensor, insbesondere eine Metalloxidsensor, zur Analyse der Gasprobe aufweist. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Leitung der Gasprobe durch einen ersten Filter der Vorrichtung, wobei der erste Filter Biomolekülen zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies aus der Gasprobe aufweist. In einem dritten Schritt wird die Gasprobe mit dem ersten Sensor analysiert.The invention also provides a method for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas. In a first step, a gas sample is taken up in a device for gas analysis, the device having a first sensor, in particular a metal oxide sensor, for analyzing the gas sample. In a second step, the gas sample is passed through a first filter of the device, the first filter having biomolecules for the selective removal of a chemical species from the gas sample. In a third step, the gas sample is analyzed with the first sensor.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der folgenden vorteilhaften Weiterbildung wird auf die oben ausgeführten korrespondierenden Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.For the advantages of the method according to the invention and the following advantageous development, reference is made to the above-mentioned corresponding developments and refinements of the device according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt eine Analyse zumindest eines Teils der Gasprobe vor einer Leitung des Teils durch den ersten Filter mit einem zweiten Sensor oder, insbesondere unter Umgehung des ersten Filters, mit dem ersten Sensor.According to a preferred development of the method, at least part of the gas sample is analyzed before the part is passed through the first filter with a second sensor or, in particular bypassing the first filter, with the first sensor.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and explained in more detail in the following description. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of the elements is dispensed with.

Es zeigen

1 bis 5 schematische Darstellungen zu Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
6 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Show it

1 to 5 schematic representations of embodiments of the device according to the invention and
6 a flowchart for an embodiment of the method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1a und 1b zeigen schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse. Die Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Sensor 151 zur Analyse einer Gasprobe 10. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 einen ersten Filter 171 mit Biomolekülen 180 zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies 12 aus der Gasprobe 10. 1a and 1b schematically show a first embodiment of the device according to the invention 100 for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas. The device 100 includes a first sensor 151 for the analysis of a gas sample 10 , Furthermore, the device comprises 100 a first filter 171 with biomolecules 180 for the selective removal of a chemical species 12 from the gas sample 10 ,

Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise als in einer Hand eines Patienten tragbares Gerät ausgeführt sein. Der Patient kann über eine erste Öffnung 111 in die Vorrichtung 100 hinein ausatmen, um die Gasprobe 10 zu gewinnen. Der erste Filter 171 und der erste Sensor 151 sind in einem mit der ersten Öffnung 111 der Vorrichtung 100 verbundenen ersten Fluidkanal 131 der Vorrichtung 100 angeordnet. Über eine nach dem ersten Sensor 151 angeordnete zweite Öffnung 112 kann die analysierte Gasprobe 10 wieder aus der Vorrichtung 100 entweichen. Bei dem ersten Sensor 151 handelt es sich vorzugsweise um einem Metalloxidsensor 151, beispielsweise um einen Sensor aus der Serie BME680 von Bosch®, einen TGS-Sensor von Figaro® oder einen Sensor aus der AS-ML-Serie von ams®. Alternativ kann es sich bei dem ersten Sensor 151 um einen Flammenionisationsdetektor handeln. Der erste Filter 171 kann beispielsweise als Trägermaterial poröses Metalloxid, Silika-Gele, Kohlenstoff, Zellulose oder Zeolite umfassen. Alternativ kann der erste Filter 171 auch eine bead-basierte Struktur aufweisen. Auf das Trägermaterial können die Biomoleküle 180 aufgebracht sein, beispielsweise in wässriger Lösung, wobei die Biomoleküle 180 mit dem Trägermaterial beispielsweise kovalent oder über Physisorption gebunden sein können. Bei den Biomolekülen 180 kann es sich insbesondere um Moleküle, Proteine, insbesondere Enzyme oder Antikörper oder Zellen handeln, welche für eine Bindung der aus der Gasprobe 10 zu entfernenden chemischen Spezies 12 geeignet sind. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Filter 171 auch Biomoleküle zur selektiven Entfernung von mindestens zwei verschiedenen chemischen Spezies umfassen. Ferner kann der erste Filter 171 oder direkt das Trägermaterial hydrophiles Material umfassen, beispielsweise Zellulose, Gelatine und oder Poly(Vinyl)Pyridine, um die Lebensdauer der Biomoleküle 180 zu erhöhen und eine Bindung der chemischen Spezies aus der feuchten Gasprobe 10 zu erleichtern. Der erste Filter 171 kann dabei auch weitere Biomoleküle 180 als Stabilisatorbiomoleküle umfassen, welche über eine Wechselwirkung die Biomoleküle 180 stabilisieren.The device 100 For example, it may be embodied as a portable device in a patient's hand. The patient may have a first opening 111 into the device 100 exhale in to the gas sample 10 to win. The first filter 171 and the first sensor 151 are in one with the first opening 111 the device 100 connected first fluid channel 131 the device 100 arranged. About one after the first sensor 151 arranged second opening 112 can the analyzed gas sample 10 back out of the device 100 escape. At the first sensor 151 it is preferably a metal oxide sensor 151 for example, a sensor from the BME680 series from Bosch®, a TGS sensor from Figaro® or a sensor from the AS-ML series from ams®. Alternatively, the first sensor may be 151 to act a flame ionization detector. The first filter 171 For example, it may comprise porous metal oxide, silica gels, carbon, cellulose or zeolites as support material. Alternatively, the first filter 171 also have a bead-based structure. On the carrier material, the biomolecules 180 be applied, for example in aqueous solution, wherein the biomolecules 180 may be bound to the carrier material, for example covalently or via physisorption. At the biomolecules 180 they may in particular be molecules, proteins, in particular enzymes or antibodies or cells, which are responsible for a binding of the gas sample 10 to be removed chemical species 12 are suitable. In a particular embodiment of the invention, the first filter 171 also include biomolecules for the selective removal of at least two different chemical species. Furthermore, the first filter 171 or directly the support material comprise hydrophilic material, for example cellulose, gelatin and or poly (vinyl) pyridines, for the life of the biomolecules 180 increase and bond the chemical species from the wet gas sample 10 to facilitate. The first filter 171 can also include other biomolecules 180 as stabilizer biomolecules which interact via a biomolecule 180 stabilize.

In diesem Beispiel umfasst die Gasprobe 10 als Atemgasprobe einen zu analysierenden Analyten 11, die zu entfernende chemische Spezies 12 und einen weiteren Analyten 13. Beispielsweise sind die beiden Analyten 11, 13 und die Spezies 12 Moleküle. Beispielsweise handelt es sich bei den Biomolekülen 180 um Alkoholoxidase, bekannt unter EC 1.1.1.1 - alcohol dehydrogenase, welche Ethanol als chemischen Spezies 12 aus der Gasprobe 10 entfernen. Bei dem Analyten 11 kann es sich beispielsweise um Aceton handeln.In this example, the gas sample includes 10 as respiratory gas sample an analyte to be analyzed 11 , the chemical species to be removed 12 and another analyte 13 , For example, the two are analytes 11 . 13 and the species 12 Molecules. For example, it is the biomolecules 180 for alcohol oxidase, known as EC 1.1.1.1 - alcohol dehydrogenase, which uses ethanol as a chemical species 12 from the gas sample 10 remove. For the analyte 11 it may, for example, be acetone.

Die Vorrichtung 100 umfasst auch einen Sensor 160 zur Messung der Leitfähigkeit des ersten Filters 171. Beispielsweise kann der Sensor 160 zur Messung der Leitfähigkeit über Elektroden mit dem ersten Filter 171 verbunden sein. Über die Messung der Leitfähigkeit kann auf eine Feuchtigkeit des ersten Filters 171 und somit auf einen Zustand der Biomoleküle 180 rückgeschlossen werden, was wiederum Aufschluss über die Funktionsfähigkeit des ersten Filters 171 gibt. Der erste Filter 171 kann eine Substanz 185 für eine Farbreaktion bei der Bindung der chemischen Spezies 12 im Filter 171 aufweisen, um die Bindung unmittelbar anzuzeigen.The device 100 also includes a sensor 160 for measuring the conductivity of the first filter 171 , For example, the sensor 160 for measuring conductivity via electrodes with the first filter 171 be connected. Over the measurement of the conductivity can on a humidity of the first filter 171 and thus to a state of the biomolecules 180 In turn, conclusions about the functionality of the first filter 171 gives. The first filter 171 can be a substance 185 for a color reaction upon binding of the chemical species 12 in the filter 171 to indicate the binding immediately.

In 1b ist gezeigt, wie die Gasprobe 10 den ersten Filter 171 passiert hat und dabei die chemischen Spezies 12 im ersten Filter 171 gebunden wurde.In 1b is shown as the gas sample 10 the first filter 171 happened while doing the chemical species 12 in the first filter 171 was tied.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbespiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, welches eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels darstellt. Die Vorrichtung umfasst einen zweiten Sensor 152, beispielsweise von der gleichen Art wie der erste Sensor 151. Der erste Filter 171 ist zwischen dem zweiten Sensor 152 und dem ersten Sensor 151 angeordnet, so dass eine Analyse der Gasprobe 10 vor einer Filterung durch den ersten Filter 171 möglich ist. 2 shows a second embodiment of the inventive device 100 which represents a development of the first embodiment. The device comprises a second sensor 152 , for example of the same type as the first sensor 151 , The first filter 171 is between the second sensor 152 and the first sensor 151 arranged so that an analysis of the gas sample 10 before filtering through the first filter 171 is possible.

Alternativ oder zusätzlich kann, wie im in 3 gezeigten dritten Ausführungsbespiel schematisch dargestellt, ein zweiter Fluidkanal 132 den ersten Sensor 151 unter Umgehung des ersten Filters 171 über den ersten Fluidkanal 131 mit der ersten Öffnung 111 verbinden. Dies ermöglicht ebenfalls eine Analyse eines Teils der Gasprobe 10 ohne Filterung durch den ersten Filter 171. Ferner kann der zweite Fluidkanal 132 genutzt werden, um die gefilterte und optional analysierte Gasprobe erneut durch den ersten Filter 171 zu befördern. Optional kann der zweite Fluidkanal 132 eine Steuereinheit 135 umfassen, beispielsweise mit einem Ventil 136 und/oder einer Pumpe 137, um den zweiten Fluidkanal 132 zu schließen beziehungsweise um Fluid in eine oder beide Richtungen entlang des zweiten Fluidkanals 132 pumpen zu können.Alternatively or additionally, as in in 3 shown third Ausführungsbespiel shown schematically, a second fluid channel 132 the first sensor 151 bypassing the first filter 171 over the first fluid channel 131 with the first opening 111 connect. This also allows analysis of part of the gas sample 10 without filtering through the first filter 171 , Furthermore, the second fluid channel 132 used to refill the filtered and optionally analyzed gas sample through the first filter 171 to transport. Optionally, the second fluid channel 132 a control unit 135 include, for example with a valve 136 and / or a pump 137 to the second fluid channel 132 to close or to fluid in one or both directions along the second fluid channel 132 to be able to pump.

4 zeigt ein viertes Ausführungsbespiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, welches ebenfalls eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels darstellt. Die Vorrichtung 100 umfasst in diesem Beispiel einen zweiten Filter 172 mit Biomolekülen 181, welche sich von den Biomolekülen 180 im ersten Filter 171 für eine unterschiedliche Spezifität unterscheiden können. In diesem Beispiel werden durch die beiden Filter 171, 172 die chemischen Spezies 12 und der weitere Analyt 13 aus der Gasprobe 10 entfernt, so dass nur noch der Analyt 11 ein Signal im ersten Sensor 151 verursachen kann. 4 shows a fourth Ausführungsbespiel the device according to the invention 100 , which also represents a development of the first embodiment. The device 100 includes in this example a second filter 172 with biomolecules 181 which differ from the biomolecules 180 in the first filter 171 can differentiate for a different specificity. In this example, filters are through the two 171 . 172 the chemical species 12 and the further analyte 13 from the gas sample 10 removed, leaving only the analyte 11 a signal in the first sensor 151 can cause.

Wie im fünften Ausführungsbeispiel gemäß 5 dargestellt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 auch eine Abfolge von mehreren Filtern 171, 172 und Sensoren 151, 152 aufweisen, insbesondere in abwechselnder Reihenfolge. In diesem Beispiel umfasst die Vorrichtung 100 einen ersten Sensor 151 und einen zweiten Sensor 152 sowie einen ersten Filter 171 und einen zweiten Filter 172, wobei eine durch die erste Öffnung 111 eintretende Gasprobe zunächst den ersten Filter 171, dann den ersten Sensor 151, gefolgt von dem zweiten Filter und dem zweiten Sensor 152 passiert. So kann vorteilhafterweise nach jedem Filter ein Wirkung der Filterung durch den nachfolgenden Sensor ermittelt werden. Wie zu 3 ausgeführt, können stattdessen auch ein oder mehrere Fluidkanäle zur Abzweigung eines Teils der Gasprobe oder zur erneuten Durchführung der Gasprobe durch einen Filter und Sensor vorgesehen werden. In diesem Beispiel umfassen der erste Filter 171 und der zweite Filter 172 jeweils die gleichen Biomoleküle, so dass der ersten Sensor 151 und der zweite Sensor 152 bei optimal funktionierendem ersten Filter 171 das gleiche Messsignal ausgeben, da der erste Filter 171 bereits die gesamte zu entfernende chemische Spezies entfernt. In diesem Fall wirken der zweite Filter 172 und der zweite Sensor 152 als Qualitätskontrolle für den ersten Filter 171 und den ersten Sensor 151. Optional können, wie oben ausgeführt, die Filter 171, 172 Substanzen für eine Farbreaktion bei einer Bindung der chemischen Substanz 180 umfassen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die direkte Kontrolle der Entfernung der chemischen Spezies über ein ausbleibendes oder verringertes Farbsignal des bezüglich der Beförderung der Gasprobe nachgeschalteten Filters.As in the fifth embodiment according to 5 shown, the device of the invention 100 also a sequence of multiple filters 171 . 172 and sensors 151 . 152 have, in particular in alternating order. In this example, the device includes 100 a first sensor 151 and a second sensor 152 and a first filter 171 and a second filter 172 , one through the first opening 111 entering gas sample first the first filter 171 , then the first sensor 151 followed by the second filter and the second sensor 152 happens. Thus, an effect of the filtering by the subsequent sensor can advantageously be determined after each filter. How to 3 Instead, one or more fluid channels may also be provided to branch off a portion of the gas sample or to recycle the gas sample through a filter and sensor. In this example, the first filter includes 171 and the second filter 172 each the same biomolecules, leaving the first sensor 151 and the second sensor 152 with optimally functioning first filter 171 output the same measurement signal as the first filter 171 already removed the entire chemical species to be removed. In this case, the second filter will work 172 and the second sensor 152 as quality control for the first filter 171 and the first sensor 151 , Optionally, as stated above, the filters 171 . 172 Substances for a color reaction in a binding of the chemical substance 180 include. This advantageously allows the direct control of the removal of the chemical species via a missing or reduced color signal of the filter downstream of the transport of the gas sample.

6 zeigt ein Flussdiagramm 500 zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, beispielsweise mit einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In einem ersten Schritt 501 wird die Gasprobe 10 in die Vorrichtung 100 aufgenommen. In einem optional zweiten Schritt 502 erfolgt eine Analyse zumindest eines Teils der Gasprobe 10 vor einer Leitung des Teils durch den ersten Filter 171 mit einem zweiten Sensor 152 oder, insbesondere unter Umgehung des ersten Filters 172, mit dem ersten Sensor 151.In einem dritten Schritt 503 erfolgt eine Leitung der Gasprobe 10 durch den ersten Filter 171 der Vorrichtung 100. In einem vierten Schritt 504 wird die Gasprobe 10 mit dem ersten Sensor 100 analysiert. 6 shows a flowchart 500 to an embodiment of the method according to the invention 500 for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas with a device according to the invention 100 , For example, with one of the above-described embodiments of the device according to the invention 100 , In a first step 501 becomes the gas sample 10 into the device 100 added. In an optional second step 502 an analysis of at least part of the gas sample is carried out 10 before passing the part through the first filter 171 with a second sensor 152 or, in particular bypassing the first filter 172 , with the first sensor 151.In a third step 503 a line of the gas sample takes place 10 through the first filter 171 the device 100 , In a fourth step 504 becomes the gas sample 10 with the first sensor 100 analyzed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102015211448 A1 [0003]DE 102015211448 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (100) zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse, mit einem ersten Sensor (151), insbesondere einem Metalloxidsensor, zur Analyse einer Gasprobe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) einen ersten Filter (171) mit Biomolekülen (180) zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies (12) aus der Gasprobe (10) umfasst.Device (100) for gas analysis, in particular for the analysis of respiratory gas, comprising a first sensor (151), in particular a metal oxide sensor, for analyzing a gas sample (10), characterized in that the device (100) comprises a first filter (171) with biomolecules (180 ) for selectively removing a chemical species (12) from the gas sample (10).

Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung (100) einen zweiten Sensor (152), insbesondere einen Metalloxidsensor, zur Analyse der Gasprobe (10) umfasst, wobei der erste Filter (171) zwischen dem zweiten Sensor (152) und dem ersten Sensor (151) angeordnet ist.Device (100) according to Claim 2 wherein the device (100) comprises a second sensor (152), in particular a metal oxide sensor, for analyzing the gas sample (10), wherein the first filter (171) is arranged between the second sensor (152) and the first sensor (151) ,

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einen fluidischen Pfad (131) umfasst, wobei der fluidische Pfad (131) unter Umgehung des ersten Filters (171) eine Kontaktierung der Gasprobe (10) mit dem ersten Sensor (151) ermöglicht.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the device (100) comprises a fluidic path (131), the fluidic path (131) bypassing the first filter (171) contacting the gas sample (10) with the first sensor (151).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Filter (171) Biomoleküle (180) zur selektiven Entfernung von mindestens zwei verschiedenen chemischen Spezies (12, 13) aus der Gasprobe (10) umfasst.The apparatus (100) of any of the preceding claims, wherein the first filter (171) comprises biomolecules (180) for selectively removing at least two different chemical species (12, 13) from the gas sample (10).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Filter (171) hydrophiles Material umfasst.Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first filter (171) comprises hydrophilic material.

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Filter (171) eine Substanz (185) für eine Farbreaktion bei einer Bindung der chemischen Spezies (12) im ersten Filter (171) umfasst.Apparatus (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first filter (171) comprises a substance (185) for a color reaction upon binding of the chemical species (12) in the first filter (171).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einen Sensor (160) zur Messung einer Leitfähigkeit des ersten Filters (171) umfasst.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the device (100) comprises a sensor (160) for measuring a conductivity of the first filter (171).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einen Feuchtesensor (160) zur Messung einer Feuchtigkeit des ersten Filters (171) umfasst.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the device (100) comprises a humidity sensor (160) for measuring a humidity of the first filter (171).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einen zweiten Filter (172) mit Biomolekülen (180, 181) zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies (12) aus der Gasprobe (10) umfasst.The apparatus (100) of any one of the preceding claims, wherein the apparatus (100) comprises a second filter (172) having biomolecules (180, 181) for selectively removing a chemical species (12) from the gas sample (10).

Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Filter (171) und/oder der zweite Filter (172) neben den Biomolekülen (180, 181) zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies (12) weitere Biomoleküle (180, 181) für eine physiologische Stabilisierung umfassen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the first filter (171) and / or the second filter (172) in addition to the biomolecules (180, 181) for the selective removal of a chemical species (12) further biomolecules (180, 181) for physiological stabilization.

Verfahren (500) zur Gasanalyse, insbesondere zur Atemgasanalyse, umfassend die Schritte: • Aufnahme (501) einer Gasprobe (10) in eine Vorrichtung (100) zur Gasanalyse, wobei die Vorrichtung (100) einen ersten Sensor (151), insbesondere eine Metalloxidsensor, zur Analyse der Gasprobe (10) aufweist. • Leitung (503) der Gasprobe (10) durch einen ersten Filter (171) der Vorrichtung (100) mit Biomolekülen (180) zur selektiven Entfernung einer chemischen Spezies (12) aus der Gasprobe (10). • Analyse (504) der Gasprobe (10) mit dem ersten Sensor (151).Method (500) for gas analysis, in particular for analysis of respiratory gas, comprising the steps: • receiving (501) a gas sample (10) in a device (100) for gas analysis, wherein the device (100) comprises a first sensor (151), in particular a metal oxide sensor for analyzing the gas sample (10). Conduit (503) of the gas sample (10) through a first filter (171) of the device (100) with biomolecules (180) for selectively removing a chemical species (12) from the gas sample (10). Analysis (504) of the gas sample (10) with the first sensor (151).

Verfahren (500) nach Anspruch 11, wobei eine Analyse (502) zumindest eines Teils der Gasprobe (10) vor einer Leitung des Teils durch den ersten Filter (171) mit einem zweiten Sensor (152) oder, insbesondere unter Umgehung des ersten Filters (171), mit dem ersten Sensor (151) erfolgt.Method (500) Claim 11 wherein an analysis (502) of at least a portion of the gas sample (10) before a passage of the part through the first filter (171) with a second sensor (152) or, in particular bypassing the first filter (171), with the first sensor (151).