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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Atemgaskondensat, das für eine Analyse vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Atemgaskondensat.
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Stand der Technik
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Die Analyse der Bestandteile des Atemgases ist zur Diagnose des Gesundheitszustandes des Menschen bekannt. Es handelt sich hierbei um eine nicht-invasive, schmerzfreie, robuste und kostengünstig einsetzbare Methode, mit der beispielsweise bestimmte Markersubstanzen, die diagnostische Rückschlüsse erlauben, nachzuweisen. Zur Gewinnung der Atemluftprobe werden in der Regel sogenannte Absorptionsröhrchen verwendet, in die der Patient über einen längeren Zeitraum ausatmen bzw. einblasen muss.
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Zwischen 400 und 600 flüchtige organische Substanzen sind in den Atemgasen nachweisbar. Auch das Atemgaskondensat kann für eine Analyse herangezogen werden. Die Untersuchung des Kondensats hat gegenüber einer Untersuchung der gasförmigen Atemluft den Vorteil, dass die schwankende Luftfeuchtigkeit im Atem, die bei der Analyse der Atemgase zu Signalverfälschungen führen kann, keine Probleme bereitet. Für die Gewinnung von Atemgaskondensaten werden üblicherweise Wärmetauscher eingesetzt, um durch eine Kühlung des Atemgases eine Kondensierung zu bewirken (Kühlfallen).
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Gewinnung von Atemgaskondensat bereit, wobei die Vorrichtung einen Sammelbehälter für das Atemgaskondensat und wenigstens ein Mittel zur Verdrängung des gewonnenen Atemgaskondensats aus dem Sammelbehälter in eine Analyseeinrichtung für das Atemgaskondensat umfasst. Bei dem Mittel zur Verdrängung des gewonnenen Atemgaskondensats handelt es sich vorzugsweise um einen Verdrängungskolben. In alternativen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Atemgaskondensat beispielsweise auch mittels der Schwerkraft, über eine Kapillarwirkung oder durch Einleitung von Spülgasen oder Spülflüssigkeiten in die Analyseeinrichtung überführt werden. Herkömmliche Vorrichtungen zur Sammlung von Atemgas und insbesondere zur Sammlung von Atemgaskondensat haben das Problem, dass zwar durch moderne, empfindliche Sensoren die Atemgassensorik in platzsparender und für eine mobile Anwendung geeigneter Form bereitgestellt werden kann. Entsprechend kleine Sammelvorrichtungen, in denen das Atemgas entweder zuverlässig entfeuchtet wird oder Kondensat gewonnen wird, waren bisher jedoch nur schwer zu realisieren, da sich beispielsweise kleine Wärmetauscher, die hierfür erforderlich sind, durch enge Querschnitte auszeichnen, die sehr schnell von dem anfallenden Kondensat geflutet werden und aufgrund der Kapillarkräfte nur sehr schwer wieder freigespült werden können. Eine Beschichtung mit beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE, Handelsname z.B. Teflon®) würde die Kondensate zwar besser ablaufen lassen, jedoch würde die isolierende PTFE-Oberfläche einen Wärmeübergang verschlechtern und damit die Wirkung eines Wärmeaustausches schmälern. Darüber hinaus sind derartige Oberflächen in der Regel hydrophob bis superhydrophob, so dass die energetische Barriere für das Kondensat erhöht ist und dadurch eine Kondensation erschwert wird. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem der Bereich für eine Kondensation des Atemgases und der Analysebereich, der eine oder mehrere Atemgassensoren enthält, räumlich entkoppelt werden. Die Überführung des gewonnenen Atemgaskondensates in die Analyseeinrichtung erfolgt erfindungsgemäß mit einem Mittel zur Verdrängung des gewonnenen Atemgaskondensats aus dem Sammelbehälter, wobei hierfür mit besonderem Vorteil ein Verdrängungskolben eingesetzt wird, mit dem in sehr effektiver Weise auch kleine Mengen Kondensat aus dem Sammelbehälter gewissermaßen herausgeschoben werden können und der zudem sehr einfach in der Handhabung ist. Durch die räumliche Entkopplung der Kondensatgewinnung von der Analyse und durch die effektive Überführung von auch kleinen Kondensatmengen in die Analyseeinrichtung ist es möglich, den Sammelbehälter für das Atemgaskondensat verhältnismäßig klein bzw. mit einem kleinen Volumen zu realisieren. Die Kombination mit kleinen Sensoren für die Atemgasanalyse, beispielsweise in Form eines Lab-on-Chip, erlaubt die Integration der Analyseeinrichtung beispielsweise in ein mobiles Gerät, wobei die verhältnismäßig kleine Menge des Atemgaskondensats ausreichend ist, um Analysen durchzuführen. Auf große Systeme, die mit aufwendigen Kühlfallen arbeiten, kann erfindungsgemäß verzichtet werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch nicht erforderlich, dass ein Patient über längere Zeit in das System hinein ausatmet. Gerade dieses längere Ausatmen, das bei herkömmlichen Geräten vor allem auch kontinuierlich erfolgen sollte, ist gerade bei Patienten mit Atemwegserkrankungen oder auch bei Kindern in der Regel schwierig. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die effektive Überführung des gewonnenen Atemgaskondensats insbesondere in Kombination mit kleinen und sensitiven Sensoren auf größere Probenmengen verzichten kann, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für viele Anwendungen sehr geeignet, da die Probennahme im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen für den Patienten oder Anwender sehr einfach und unproblematisch ist. Weiterhin entfällt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch das „Durchpusten“ von kleinen Kanälen, das bei herkömmlichen Vorrichtungen oftmals erforderlich ist und insbesondere für bereits erkrankte Patienten sehr anstrengend ist.
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Zweckmäßigerweise weist der Sammelbehälter der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Transportöffnung auf, über die das gewonnene Atemgaskondensat in die Analyseeinrichtung überführt wird. Bei der Transportöffnung handelt es sich beispielsweise um eine Öffnung zum Einsetzen einer Nadel oder eines Schlauches oder einer Kapillare (z.B. Kapillarröhrchen), wobei die Nadel oder der Schlauch oder die Kapillare eine Verbindung zu der Analyseeinrichtung herstellt. Die Transportöffnung befindet sich vorzugsweise an dem Ende des beispielsweise zylinderförmigen Sammelbehälters, das dem Ende zum Einsetzen des Mittels zur Verdrängung des Atemgaskondensates (z. B. Verdrängungskolben) entgegengesetzt ist. Bei der Analyseeinrichtung handelt es sich um eine herkömmliche Analyseeinrichtung, die je nach Anwendung mit verschiedenen Sensoren für die Analyse des Atemgases bzw. des Atemgaskondensats ausgestattet ist, und mit der verschiedene Analysen des Atemgases bzw. des Atemgaskondensates durchgeführt werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem Sammelbehälter um den Spritzenkörper einer Spritze, beispielsweise um den Spritzenkörper einer üblichen Einwegspritze. Der Sammelbehälter kann im Prinzip auch anders gestaltet sein, wobei vorzugsweise der Sammelbehälter zylinderförmig ist. Die Verwendung des Spritzenkörpers einer üblichen Spritze erlaubt eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Je nach Bedarf und geplanter Analyse können Spritzen mit variablem Volumen als Behälter eingesetzt werden, um gegebenenfalls unterschiedliche Probenvolumina bereitzustellen. Es ist besonders bevorzugt, dass es sich bei dem Sammelbehälter um einen Einwegartikel handelt. Es ist eine sehr einfache und kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die beispielsweise für einen mobilen Einsatz sehr geeignet ist.
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Nachdem der Patient oder Anwender in den Sammelbehälter ausgeatmet bzw. eingehaucht hat, benetzt sich die Innenseite des Sammelbehälters mit dem Atemgaskondensat. Auch wenn es sich hierbei nur um eine kleine Menge handelt, kann das so gewonnene Atemgaskondensat insbesondere mit dem Verdrängungskolben in effektiver Weise (z.B. durch eine Drehbewegung des Verdrängungskolbens beim Verdrängen) in die Analyseeinrichtung überführt werden. Als Verdrängungskolben kann hierfür beispielsweise der übliche Kolben einer Einwegspritze verwendet werden. Die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hierbei extrem einfach. Zudem können sehr kostengünstige Einwegbauteile verwendet werden. Es ist keine regelmäßige Reinigung erforderlich, da die Bauteile vorzugsweise nur einmal verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat damit auch im Hinblick auf die Hygiene große Vorteile. Dadurch, dass das gewonnene Atemgaskondensat durch Verdrängung in die Analyseeinrichtung eingeführt wird, ist kein Ablauf des Kondensats zum Sensor wie bei herkömmlichen Einrichtungen erforderlich. Es treten also keine Probleme mit verstopften Kanälen oder zu engen Kanälen auf.
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Weiterhin ist eine ungewollte Überströmung eines Sensors ausgeschlossen, da die Gewinnung des Atemgaskondensats und die Analyse des Kondensats räumlich getrennt sind. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäß gewonnene Atemgaskondensat im Prinzip für jede mögliche Analyse verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also nicht auf bestimmte Sensoren beschränkt. Es ist dabei auch möglich, dass das Atemgaskondensat mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnen wird und anschließend zwischengelagert (z. B. gekühlt oder gefroren) wird, bevor es später für eine Analyse eingesetzt wird.
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Vorzugsweise ist der Sammelbehälter kühlbar. Durch die Kühlung des Sammelbehälters wird die Kondensation gefördert, sodass in besonders effektiver Weise die Ausbeute des Atemgaskondensats erhöht wird. Beispielsweise kann der Sammelbehälter vor der Verwendung in einem Kühlschrank oder in einem Tiefkühlschrank gekühlt werden. In einer anderen, besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dem Sammelbehälter wenigstens ein Peltier-Element zugeordnet.
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Zur Erhöhung der Ausbeute an Atemgaskondensat kann weiterhin die Innenseite des Sammelbehälters zumindest teilweise strukturiert sein, beispielsweise angeraut. Hierdurch wird die Anzahl an Kondensationskeimen erhöht, sodass die Ausbeute gesteigert wird. Durch eine Strukturierung kann weiterhin die innere Oberfläche des Sammelbehälters vergrößert werden, wodurch sich ebenfalls die Ausbeute an Kondensat erhöhen lässt. Darüber hinaus kann die Innenseite des Sammelbehälters beschichtet sein, insbesondere mit einer hydrophilen oder mit einer hydrophoben Beschichtung, wodurch ebenfalls die Kondensationsausbeute erhöht werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in dem Sammelbehälter Substanzen vorgelegt, die insbesondere für die Durchführung von Analysen des Atemgaskondensats erforderlich bzw. vorgesehen sind. Medizinische Tests und eine entsprechende Diagnostik erfordern oftmals bestimmte Trägerlösungen oder Lösungsmittel oder beispielsweise reaktive Precursor oder Nährlösungen. Diese können vorteilhafterweise bereits in dem Sammelbehälter vorhanden sein, sodass eine anschließende entsprechende Analytik direkt nach Überführung des Kondensats in die Analyseeinrichtung vorgenommen werden kann, ohne dass die Probe noch mit weiteren Zusätzen versehen werden müsste. In dem Sammelbehälter kann darüber hinaus eine Trägerlösung vorgelegt werden, die für die Kondensatbildung und für die Kondensatausbeute vorteilhaft ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit an eine große Palette von verschiedenen Untersuchungen angepasst werden, wobei das Verfahren zur Gewinnung der Atemgasprobe bzw. des Atemgaskondensats für den Anwender oder Patienten immer sehr einfach bleibt. Es kann beispielsweise bevorzugt sein, mehrere Sammelbehälter, die in unterschiedlicher Weise mit Substanzen bestückt sind, für verschiedene analytische Untersuchungen bereitzustellen, sodass die verschiedenen Sammelbehälter je nach der erforderlichen Analytik für die Atemgaskondensatgewinnung eingesetzt werden können.
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Bei dem Sammelbehälter der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen konditionierten Sammelbehälter, der zum einen im Hinblick auf die Gewinnung von Kondensat beispielsweise durch eine Beschichtung optimiert ist. Auf der anderen Seite kann der Sammelbehälter im Hinblick auf die durchzuführende Analyse des Atemgases konditioniert sein, indem beispielsweise geeignete Trägerflüssigkeiten oder Precursor in dem Sammelbehälter vorgelegt sind, oder indem die Innenseite des Sammelbehälters entsprechend beschichtet ist. Insgesamt kann die Form und die Oberflächenbeschaffenheit des Sammelbehälters an die jeweiligen Anwendungen insbesondere im Hinblick auf die Konditionierung und auch im Hinblick auf das Volumen angepasst werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Sammelbehälter ein Mundstück auf, über das der Patient in den Sammelbehälter ausatmet bzw. einbläst oder einhaucht. Das Mundstück kann beispielsweise trichterförmig sein. Das Mundstück kann fest mit dem Sammelbehälter verbunden sein oder es kann auswechselbar sein. Das Mundstück kann beispielsweise für ein Aufsetzen an dem einen oder dem anderen Ende des beispielsweise zylinderförmigen Sammelbehälters vorgesehen sein. Das Mundstück kann beispielsweise auf der Seite des beispielsweise zylinderförmigen Sammelbehälters aufgesetzt werden oder angefügt sein, an dem sich auch die Transportöffnung befindet. Andererseits ist es auch möglich, dass das Mundstück an der Seite des beispielsweise zylinderförmigen Sammelbehälters aufgesetzt wird, an der später auch der Verdrängungskolben oder ein anderes Mittel zur Verdrängung des gewonnenen Atemgaskondensats angesetzt wird.
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Vorzugsweise besteht das Mundstück zumindest teilweise aus thermisch wenig oder nicht leitendem Material, sodass der Mundbereich des Anwenders beim Kontakt mit dem Mundstück nicht festfrieren kann, sofern die Vorrichtung sehr kalt ist. Geeignet ist beispielsweise Silikon.
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Der Sammelbehälter und/oder das Mittel zur Verdrängung des Atemgaskondensats der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit wenigstens einer Druckausgleichsöffnung, beispielsweise einem Druckausgleichsventil, ausgestattet sein, um einen Druckausgleich zu ermöglichen, wenn der Anwender in den Sammelbehälter einbläst. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Einblasen der Ausatemluft nicht von der Seite des Sammelbehälters erfolgt, der der Transportöffnung entgegengesetzt ist. Wenn also beispielsweise der Verdrängungskolben bereits in dem Sammelbehälter eingeführt ist und von der entgegengesetzten Seite in den Sammelbehälter eingeblasen wird, kann beispielsweise in der Seitenwandung des Sammelbehälters und/oder auch im Bereich des Verdrängungskolbens ein Druckausgleichsventil vorgesehen sein.
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Die Materialien für die erfindungsgemäße Vorrichtung bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, da hierdurch eine besonders kostengünstige und einfache Herstellung möglich ist. Es ist im Prinzip jedoch auch möglich, dass eine oder mehrere Bauteile aus anderen Materialien, wie beispielsweise Glas gefertigt sind.
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Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung eines Spritzenkörpers einer Spritze, insbesondere einer Einwegspritze, als Sammelbehälter für die Gewinnung von Atemgaskondensat. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Atemgaskondensat, bei dem eine Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung zum Einblasen oder Einhauchen von Atemgas verwendet wird. Bezüglich weiterer Merkmale der Verwendung des Spritzenkörpers bzw. des Verfahrens zur Gewinnung von Atemgaskondensat wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmal jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Atemgaskondensat; und
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2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Atemgaskondensat.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einem zylinderförmigen Sammelbehälter 11 und einem Verdrängungskolben 12, der als Mittel zur Verdrängung des mittels der Vorrichtung 10 gewonnenen Atemgasgaskondensats in eine Analyseeinrichtung für das Atemgaskondensat verwendet wird. An dem Ende des Sammelbehälters 11, das dem Verdrängungskolben 12 gegenüber liegt, befindet sich eine Transportöffnung 13, in die in dieser Ausgestaltung eine Einwegnadel 14 eingesetzt ist. Der Sammelbehälter 11 ist von einem Gehäuse 15 umgeben, wobei das Gehäuse 15 Peltier-Elemente 16 als Kühlelemente enthält. Die Peltier-Elemente 16 ummanteln den Sammelbehälter 11. Das Gehäuse 15 ist vorzugsweise an die hier nicht näher dargestellte Analyseeinrichtung angepasst, sodass nach der Gewinnung von Atemgaskondensat die Kondensatprobe in sehr einfacher Weise in die Analyseeinrichtung gewissermaßen eingespritzt werden kann. Der Pfeil auf der linken Seite der Darstellung deutet die Einblasrichtung an. Der Pfeil auf der rechten Seite deutet die Richtung des Transports des Kondensats zur Analyseeinrichtung an.
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Für die Verwendung der Vorrichtung 10 zur Gewinnung von Atemgaskondensat wird der Sammelbehälter 11 zunächst ohne den Verdrängungskolben 12 eingesetzt. Der Patient oder Anwender haucht vorzugsweise langsam in die Öffnung des Sammelbehälters 11, in die später der Verdrängungskolben 12 einzusetzen ist. An der Innenseite des Sammelbehälters 11 schlägt sich dabei das Atemkondensat 18 nieder. Zur Unterstützung der Kondensierung ist in dieser Ausgestaltung die Innenseite des Sammelbehälters 11 mit einer Beschichtung oder mit einer Trägerlösung 17 für das Kondensat 18 versehen. Der Vorgang des Einhauchens kann je nach Anwendung mehrmals durchgeführt werden. Durch die Kühlung des Sammelbehälters 11 mittels der Peltier-Elemente 16 wird die Kondensation verstärkt. Alternativ kann der Sammelbehälter 11 vor der Probennahme beispielsweise in einer Kühltruhe oder in einem Kühlschrank zur Kühlung gelagert werden, wobei in der Regel eine kurze Zeit hierfür ausreichend ist. Nachdem die Innenseiten des Sammelbehälters 11 mit Kondensat 18 benetzt sind, wird in die in dieser Darstellung links liegende Öffnung des Sammelbehälters 11 der Verdrängungskolben 12 eingeführt. Das gesammelte Kondensat wird über die Transportöffnung 13 und die Einwegnadel 14 in eine übliche, hier nicht dargestellte Analyseeinrichtung transportiert. Vorab kann der Sammelbehälter 11 mit dem darin enthaltenen Kondensat gegebenenfalls auch längere Zeit vorzugsweise unter Kühlung gelagert werden. Nach der Überführung des Kondensats in die Analyseeinrichtung kann der gebrauchte Sammelbehälter 11 zusammen mit der Einwegnadel 14 aus dem Gehäuse 15 entfernt und entsorgt werden.
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2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, die ebenfalls einen Sammelbehälter 21, einen Verdrängungskolben 22 und eine Trägerlösung 27 für das zu gewinnende Kondensat 28 umfasst. Im Vergleich mit der anhand der 1 erläuterten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung 20 zusätzlich ein (z.B. trichterförmiges) Mundstück 31, das an dem Verdrängungskolben 22 entgegengesetzten Ende der Vorrichtung 20 aufgesetzt ist. Das Mundstück kann beispielsweise aus nicht leitfähigem Silikon gefertigt sein, damit der Anwender nicht festfriert, wenn die Vorrichtung vorab beispielsweise im Kühlfach lag. Anders als bei der unter 1 erläuterten Vorrichtung wird bei der Vorrichtung 20 auf der dem Verdrängungskolben 22 entgegengesetzten Seite des Sammelbehälters 21 in die Vorrichtung 20 eingeblasen bzw. eingehaucht. Die Pfeile deuten hierbei die Luftstromrichtung an. Der Verdrängungskolben 22 befindet sich während des Einblasens in dem Sammelbehälter 21. Die Ausatemluft gelangt durch eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Öffnung, die sich innerhalb des Mundstücks 31 befindet, in das Innere des Sammelbehälters 21. Diese Öffnung kann mit der Transportöffnung identisch sein. Um bei dem Einblasen der Ausatemluft in die Vorrichtung 20 einen Druckausgleich zu gewährleisten, sind in der Vorrichtung 20 zwei Druckausgleichsventile 32 und 33 vorgesehen, die sich in der Wandung des Sammelbehälters 21 bzw. im Bereich des Verdrängungskolbens 22 befinden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Patient oder Anwender nicht gegen einem großen Widerstand in den Sammelbehälter blasen muss. Weiterhin ist ein gegebenenfalls kontinuierliches Durchströmen des Sammelbehälters 21 mit der Ausatemluft möglich. Nachdem sich das Kondensat 28 an der Innenwandung des Sammelbehälters 21 niedergeschlagen hat, wird die unterhalb des Mundstücks angeordnete Transportöffnung beispielsweise mittels einer Einwegnadel oder eines Schlauches mit einer Zuführeinrichtung einer Analyseeinrichtung verbunden. Das gewonnene Atemgaskondensat wird mittels einer Betätigung des Verdrängungskolbens 22 aus dem Sammelbehälter 21 verdrängt und in die Analyseeinrichtung überführt werden.
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Die Zufuhr des Atemgases erfolgt in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen axial. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, dass eine tangentiale Atemgaszufuhr vorgesehen ist.