DE2343097A1

DE2343097A1 - Die fotometrische bestimmung von konzentrationsverhaeltnissen

Info

Publication number: DE2343097A1
Application number: DE19732343097
Authority: DE
Inventors: Dietrich W Prof Dr Me Luebbers; Reinhard Dr Rer Nat Dr Wodick
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1973-08-27
Filing date: 1973-08-27
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1478058A; FR2242680B1; FR2242680A1; JPS5051779A; US3922088A

Description

J)io 1'¹OTOMETiUSClIE BESTlMMIiNG VON KOXZEXI HAT IOXS-VElUUETN ESSEX

Die Ei¹Tiiiduii/i: be trii'i" t oiu Vorfahren zur Messung dos Koazentra tionsvcrhäl lnisscs ,<_ff χ^ ΐΛ?η J'o Loiue Lrierbaroti Zwoikompoiion ten^ys teineii A^₁-Ii_2- des Types ICCkJi-kCki)= ki-hK*"l

Will man die Veränderung eines Farbstoffes bzw. eines farbigen Lndikators oder die Mischung von zwei Komponenten des Farbstoffes in einem klaren oder trüben Medium in durchfallendem oder reflektiertem

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_ o_

Licht messen, so können die fotometrisehen Gesetze, die für Messungen in klaren Lösungen und für durchfallendes Licht gelten (vergl. KORTÜM, do Colorimetric, Photometrie, Spektrometrie, Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg I962) nicht angewandt werden. Die Extinktion GCA) und die Konzentration bzw. das Konzentrationsverhältnis η,-ίΤ hängen in komplizierten optischen Systemen nicht mehr im ganzen Konzentrationsbereich linear voneinander ab. Ausserdem gibt es wellenlängenabhängige Einflüsse, im folgenden als Störfunktion SCA) bezeichnet, die die Messresultate erheblich verfälschen können.

Das Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die SauerstoffSättigung im Kapillarblut der menschlichen Flaut gemessen werden soll.

Die Reflektionsspektren der menschlichen Haut werden im wesentlichen durch die Spektren des oxygenierten und des desoxygenierten Hämoglobins bestimmt. KRjUIER, MATTIIES und NICOLAI haben in den 3oiger Jahren bereits die fotometrische Messung des Oxygenierungsgrades (Oxymetrie) durchgeführt. Zuerst standen die Verfahren im durchfallenden Licht" im Vordergrund. Es zeigte sich (KRAMER 19^9), dass wegen der Anwesenheit streuender Teilchen

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das BOUGUER-LAMBERt-BEF]RSGHE Gesetz nicht anwendbar ist- jDie meisten Methoden benutzen Messwerte an zwei oder drei Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen. Die Messung an drei Wellenlängen reicht jedoch nicht aus, um die wesentlichen auftretenden Störeffekte zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu entwickeln, das bei nichtlinearer Abhängigkeit der Extinktion von der Konzentration wie beispielsweise durch additive Farbmischung verursacht, bei Anwesenheit wellenlängenabhängiger Störungen SCA) , bei unbekannter Gesamtkonzentration, bei beliebigen Öffnungs- und Einfallswinkeln der Bestrahlungseinrichtung, bei unbekannter Schichtdicke des Messobjektes und beliebigem Graufaktor erlaubt, das Konzentrationsverhältnis ',* zu bestimmen.

Hie Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass" bei. Bestrahlung mit monochromatischem Licht bei fünf unterschiedlichen Wellenlängen hu,nz.» A3/ f>tf Ag· die Extinktion GiA₁) ,£ίλ_ζ) ,

gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch

Λ RL

bestimmbar ist, wobei sich die Konstanten

-V 509811 /0922

— h—

₃ ^-PJ -/14^M £« (4-*) IC

(4-Ο.)G?

? S

too

s~ tOO

Gz —

too

loo f~

too

(G%-G₂ ⁰) N₀" - (Μζ-M_ZVNf

bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema

fflessunQ	λ,	—	K		g;
L· ie⁴⁰⁰}	*/~ Ίσο*	g:		g;	—
K LG⁰J	g:		g;	*M ^lo°*	' m;
A, LM'"]	■—·	M°
£,. CM⁶I	m;	*M₃'*

durch Messungeii G am Messobjekt und M an Messlösungen in Küvetten bei ^f,^z ^* 0°/o und K₁ ,^2« erhalten werden.

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-5/

Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. So eliminiert

to

die Quotientenbildung für£-jr£ ^β β zusammen mit der Differenzenbildung, beispielsweise zur Bestimmung von Ct und β , die durch additive Farbstoffmischung entstandene Verzerrung. Weiterhin sind bei Farbstoffen oder Testmischungen, bei denen im Messbereich dreimal der gleiche Extinktionswert vorkommt -wie LÜBBERS und WODICK nachgewiesen haben (vergl. PFLÜGER ARCH. 3^2, ki - 6o (1973)- die Abweichungen zwischen den Messungen Geh) an der Haut und den Messungen M(K)an der Küvette allein auf wellenlängenabhängige Störfunktionen S(A) zurückführbar. Daher kannSCA) besonders leicht an Wellenlängen gleicher Extinktion ermittelt werden. Solche Wellenlängen werden als "korrespondierende Wellenlängen" bezeichnet.

Die Störfunktion ist nämlich, unter der Voraussetzung, dass sie sich während der Messung nicht oder relativ zur Gesamtreaktion nur wenig ändert, an den Stellen η^,Αι,Αι Konstant mit den Werten

) -Sie kann deshalb an diesen Stellen durch Gewichtsfaktoren U, ,\)_t/ V₃ beseitigt werden. Es ist also

p-SCL) +%_v$ch_z) + fa'S(k) «O ti)

Die Eliminierung ist besonders gut durchzuführen, wenn die Summe der Störfunktionen an zwei Stellen

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-6-

J>ί durch Multiplikation mit einer Konstanten in der Form^^-«. , also durch(tX-S(A,yt-Cf-ci)Sikpo gross wie die Stöifunktion sCA^) an einer dritten Stelle gemacht wird und beide Grossen voneinander abgezogen werden. Dadurch wird aus Ci) die Beziehung la-s(K) * M-CiI-S-(Ai)] - Schi) =■ O . (Z)

Wenn die Stbrfunktionen nach (A) _t(Z) eliminiert sind, lässt sich durch zwei weitere Messwerte bei zwei anderen Wellenlängen AyAy sodann das

k.,

gesuchte Konzentrationsverhältnis -r j~- be-

stimmen.

Queh

Die Stbrfunktion lässt sich aber)dadurch eliminieren, dass aus den Messwerten zwei Differenzen gebildet und dann die eine Differenz mit einer Eliminierungskonstanten multipliziert wird, wenn ^also

In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens wird deshalb bei Bestrahlung mit monochromatischem Licht bei fünf unterschiedlichen Wellenlängen A^^^/Aj/Av/As" die Extinktion

gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch

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bestimmbar, wobei sich die Grossen fi>, nach

fM ye

(X

-/po

too

G₁

tob

G₃

too

-(Mf-

IM?-M?)

G ο

-Gi)

bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema

ITIessunß	K	—	g:	—	/U-
L· Le⁴⁰⁰I		g;		g;
	g:	ΜΓ	*M₃'*	*MJ"*	G/
Jk₄ LM¹⁰⁰J	■—	M₁"		*I l_¥*
A₂. LM⁰I			m;

durch Messungen G am Messobjekt und M an Messlbsungen in Küvetten bei \^i,\L_z-=O% und (C₁ K₂ erhalten werden.

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Der Vorteil dieser Weiterentwicklung liegt darin, dass durch die aus den Einzelmessungen unmittelbar erfolgenden Differenzbildungen die Messgenauigkeit erhöht, die Anforderungen an die elektronischen Verstärker und die Störanfälligkeit verringert ist.

Das Verfahren ist nunmehr im Einzelnen zu beschreiben. Dazu sind in der nachfolgenden Zeichnung in Fig.l ein Küve-^ttenspektrum von Blut dargestellt und in Fig.2 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 1 angegeben.

Bei der Messung an Hämoglobin, einem praktisch sehr wichtigen System von zwei Komponenten A₁= Üb O_z und A_z~ 14h und vom Typ K(A₁)I- (<(&,) = werden zunächst drei geeignete korrespondierende Wellenlängen /S₁₁₁IS^₁I)S- ^an einem Küvettenspektrum M(n) nach Fig.l unter folgenden Gesichtspunkten gewählt: Eine Wellenlänge, nämlich Λ3 , ist als Minimum relativ unempfindlich gegen f\-Fehlmessungen (waagerechte Tangente), A^,ης- ergeben sich sodann aus der Forderung MCn₁),M(n?) ■ Für A^yA₃//I₅- könnten aber auch andere korrespondierende Wellenlängen benutzt werden, ebenso eine grössere Zahl*

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Die beiden restlichen fotometrischen Signale werden wegen der grossen Amplitude und der relativen Unempfindlichkeit gegen A -Fehlmessungen bei den beiden Maxima Λι,Λν bestimmt.

Auch diese Wellenlängen könnten an anderen Stellen des Extinktionsspektrums liegen.

Die Bestimmung der Eliminierungskonstanten kann auch dadurch vereinfacht werden, dacs Az. und

A ψ ebenfalls "korrespondierende Wellenlängen" sindg z.B* belässt man A_L beim ersten Mximum und sucht die entsprechende korrespondierende Wellenlänge Atf im weiteren Bereich des zweiten

Maximums,

An den so bestimmten Wellenlängen A₁, A_t ,n%iA^ ,λ$ werden in bekannter Weise Messungen an der Haut G am Messobjekt, Messungen bei voll-

oxygeniertem Hämoglobin ο und bei_Ovolldesoxy-

G°

geniertem Hämoglobin^ sowie entsprechende Messungen M M^/e>° M° ^an ^^er Küvette vorgenommen.

Während die Messungen am Objekt einfach und ausserordentlich unempfindlich gegen eine grosse Gruppe von Störungen ist, ist der Messaufwand zur Bestimmung der Eliminierungskonstanten grosser, die Konstanten liegen jedoch danach für das

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-lo-

vorgegebene Messobjekt fest.

Die Ermittlung der Eliminierungskonstanten erfolgt nach

_q £37]

P(Q₁OoOo)-Q(P₁Oo-V₀)

(Die Formeln in eckigen Klammern beziehen sich auf WODICK, LÜBBERS; PFLÜGERS Arch. 3^2, kl -6o (1973). Dabei bedeutet:

P= o.G_z + (4-a)&_H — G₃

Nach Einsetzen von Q und P in /377ergeben sich die Eliminierungskonstanten Ri und 3/ durch Koeffi zientenvergleich.

Die Formel [O] lässt sich jedoch weiter vereinfachen, wenn

Q= V-hN

Λ/ = G_z-ße₁ -(4

gesetzt wird. Dann wird aus

9t At

mit vereinfachten Eliminierungskonstanten ffi,ßi . Aus dem Zähler von O ergibt sich

und daraus folgt

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* = No Λ

Entsprechend ergeben sich aus dem Nenner von die anderen Eliminierungskonstanten

Si - α/Vo

Bis auf ft und ß lassen sich alle Konstanten aus den Küvettenspektren des Hämoglobins bzw. des Hb-oxygenierten Hämoglobins ermitteln, β erhält man aus Messungen an der Haut bei oxygeniertem Hämoglobin:

Gf*° — G₃'"⁰

CL

Ebenso wird die Eliminierungskonstante an der Haut am desoxygenierten Spektrum ermittelt.

(6t-Gf) N_O ^M -(Ml-M"^{kl G}

(Gf-GZ)N₀" - (Mt -M

Da in No (Küvettenmessung) und in N₀ (Hautmessung) nur fi vorkommt, kann Q. ermittelt wex'den. Wenn CL

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und /3 ermittelt sind, lassen sieh die EIiminierungHk;)iistanten H^ und -Di nach\oben gegebenen Vorschriften Oy und (S") ermitteln.

Bei einer praktischen Erprobung des Verfahrens an weisser Erwachsenenhaut ergab sich z.B. folgender Satz von Eliminierungskonstanten

fl; - -//5-6 3 - -s

In Fig.2 sind in Additionsanordnungen Io und lljdie mit Gewichtsfaktoren ß₍,R_z iusflyfls- und Β,,-Β^,Φϊ,^ν,3<j· , also den Eliminierungskonstanten versehenen Messwerte Gd₁),_/ addiert. Die aus der Addierungsanordnung Io gewonnenen Summen werden in einer Dividiereinrichtung 12 durch die aus der Addieranordnung 11 gewonnenen Summen dividiert. Damit entsteht kontinuierlich aus den Messwerten

GCh^..-: &(λς) ein dem Oxygenierungsgrad") entsprechender Messwert (die Schaltung der Fig.2 entspricht der Formel [S~HJ aus WODICK und LÜBBERS; PFLÜGER Arch. 3^2, kl - 6o (1973).

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Messung des Konzentrationsverhältnisses ηζ—Tnr von fotometrierbaren Zwei-K tK

komponentensystemen A₁,A_z des Types ₄

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Bestrahlung mit monochromatischem Licht hei fünf unterschiedlichen Wellenlängen h\4,^i > 'Tj/ iSq., Κς die Extinktion G(Ai),GCh^,

gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch

bestimmbar ist, wobei sich die Konstanten

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σ/ν -Du

hl? =6?-β

loo

- (Gl-Gf)N.*-

bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Messungsschema

G.' — er /ir — g; g; g; <SJ" K L6°J K M~ G/ A, CM'"] M₁' M₃' M" A, LH'] M/

durch Messungen G am Messoftjekt und M an Messlösungen in Küvetten bei ι^ι,^ζ ^=⁹O⁰Zo und k_4tK_z erhalten werden.

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2. Verfahren zur Messung des Konzentrations-Verhältnisses ·· von fotonretrierbaren Zweikomponentensystemen A₁₁^i₁ des Types iiCfU) j-IC(fi_t?=s. / dadurch gekennzeichnet, dass

mit monochromatischem Licht bei fünf unterschiedlichen Wellenlängen A^₁A₁.,^,A^,Ας- die Extinktion· _

,,^/_vJh gemessen und das Konzentrationsverhältnis durch

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bestimmbar, wobei sich die Grossen fi>, Ci₁PJ₀ , nach

M h,

/oo

G ο

(GS -G

bestimmen und durch Vorabmessungen nach dem Me ssungsschema

messung A, λ, A₃ /U- 6,"° g; x~ Ισο K LG'2 G." g: g: G.' ■ K M° A₁ CM'] K m;

durch Messungen G am Messobjekt und M an Messlösungen in Küvetten bei \C_1t\C_z=. Q% und IC^ K_z*=-iO0% erhalten werden.

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