DE29803485U1 - Device for determining at least one substance contained in the exhaled air of a living being - Google Patents
Device for determining at least one substance contained in the exhaled air of a living beingInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung mindestens einer in der Ausatemluft eines Lebewesens enthaltenen Substanz, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sensormittel, welches mit der zu untersuchenden Ausatemluft belegbar ist und als ein Maß für die Konzentration der zu ermittelnden Substanz, darstellende Meßsignale liefert.The invention relates to a device for determining at least one substance contained in the exhaled air of a living being, with a sensor means arranged in a housing, which can be covered with the exhaled air to be examined and which supplies measuring signals representing a measure of the concentration of the substance to be determined.
Eine solche, als „elektronische Nase" benannte Vorrichtung kommt beispielsweise in Form eines Alkoholtesters zum Einsatz. Mittels dieser Vorrichtung wird die eingeblasene Ausatemluft dahingehend untersucht, ob und in welcher Konzentration Alkoholmoleküle in der Luft enthalten sind, um hieraus die Blutalkoholkonzentration bestimmen zu können. Dies geschieht mittels eines Sensormittels, welches mit der Ausatemluft belegbar ist und das vom Adsorptionsgrad der Alkoholmoleküle am Sensormittel abhängige Meßsignale liefert. Der Einsatzbereich dieser Vorrichtung ist auf die Alkoholdetektion begrenzt. Aus medizinischer Sicht ist es im Rahmen einer Therapie äußerst wichtig zu wissen, ob und in welcher Konzentration ein dem Patienten gegebenes Präparat am Behandlungsort, also dem Zielorgan vorliegt und nachweisbar ist, um auf diese Weise Kenntnis hinsichtlich der tatsächlich erfolgten Applikation zu erhalten.Such a device, known as an "electronic nose", is used, for example, in the form of a breathalyzer. This device examines the exhaled air to determine whether and in what concentration alcohol molecules are contained in the air in order to be able to determine the blood alcohol concentration. This is done using a sensor that can be used with the exhaled air and that delivers measurement signals that depend on the degree of adsorption of the alcohol molecules on the sensor. The area of application of this device is limited to alcohol detection. From a medical point of view, it is extremely important in the context of therapy to know whether and in what concentration a preparation given to the patient is present and detectable at the treatment site, i.e. the target organ, in order to obtain knowledge of whether the application has actually taken place.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die auf einfache Weise die Detektion und Ermittlung der Konzentration von medizinisch relevanten, vorher applizierten Stoffen ermöglicht.The invention is therefore based on the problem of specifying a device which enables the detection and determination of the concentration of medically relevant, previously applied substances in a simple manner.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Sensormittel eine Sensorschicht aufweist, die für einen oder mehrere in der Ausatemluft führbare pharmazeutisch wirksame Stoffe oder deren Derivate oder Zersetzungsprodukte sensitiv ist.To solve this problem, in a device of the type mentioned at the outset, the invention provides that the sensor means has a sensor layer which is sensitive to one or more pharmaceutically active substances or their derivatives or decomposition products which can be carried in the exhaled air.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ein eine Sensorschicht aufweisendes Sensormittel, welches schwerpunktmäßig für die gas- oder dampfförmigen Moleküle des oder der applizierten Stoffe bzw. Derivate oder Zersetzungsprodukte sensitiv ist, wobei dies auf der Grundlage basiert, daß ein oral aufgenommener pharmazeutisch wirksamer Stoff in geringer Konzentration auch in der Atemluft vorhanden ist. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der zu detektie-The device according to the invention has a sensor means with a sensor layer, which is primarily sensitive to the gaseous or vaporous molecules of the substance or substances or derivatives or decomposition products applied, whereby this is based on the fact that a pharmaceutically active substance taken orally is also present in the breathing air in low concentration. By means of the device according to the invention, the substance to be detected can
rende pharmazeutisch wirksame Stoff durch einfache Untersuchung der Atemluft festgestellt und in seiner Konzentration bestimmt werden, so daß vorteilhaft eine Kenntnis einerseits dahingehend erlangt werden kann, daß der Stoff beispielsweise tatsächlich im Bereich der Atemwege, also der Bronchien oder der Lunge vorliegt bzw. an diese gelangt, zum anderen, in welcher Menge und auch für wie lange, da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine kontinuierliche Detektion und basierend hierauf mittels nachgeschalteter Verarbeitung eine Konzentrationsbestimmung ermöglicht. Dabei hat es sich insbesondere betreffend der für die Behandlung der Atemwege relevanten pharmazeutischen Stoffe als vorteilhaft erwiesen, wenn erfindungsgemäß die Sensorschicht für ein oder mehrere etherische Öle bzw. einen oder mehrere etherische Derivate als Bestandteil des oder der Öle oder deren Zersetzungsprodukte sensitiv ist. Bei solchen etherischen Ölen bzw. entsprechenden Derivaten kann es sich beispielsweise um Thymol oder Cineol handeln. Die Sensoruntersuchung der Atemluft ist auch für Tablettenbeimischungen interessant, um z.B. die Applikationszeit zu beeinflußen, z.B. zu verzögern oder zeitlich zu strecken, und die 24-Stunden-Wirkung zu ermitteln oder zu erreichen. Sie kann auch zur Testung von Tabletten, Kapseln oder Schmelzüberzügen dienen.The pharmaceutically active substance can be detected by simply examining the breath and its concentration can be determined, so that it is advantageous to know that the substance is actually present in the area of the respiratory tract, i.e. the bronchi or the lungs, or has reached them, and in what quantity and for how long, since the device according to the invention enables continuous detection and, based on this, a concentration determination by means of downstream processing. It has proven to be advantageous, particularly with regard to the pharmaceutical substances relevant to the treatment of the respiratory tract, if the sensor layer is sensitive to one or more essential oils or one or more essential derivatives as a component of the oil or oils or their decomposition products. Such essential oils or corresponding derivatives can be, for example, thymol or cineole. The sensor analysis of the breath is also interesting for tablet admixtures in order to influence the application time, e.g. to delay or extend it, and to determine or achieve the 24-hour effect. It can also be used to test tablets, capsules or melt coatings.
Da pharmazeutisch wirksame Substanzen in der Regel in sehr geringen Konzentrationen appliziert werden, ist es erforderlich, daß auch das Sensormittel bzw. die Sensorschicht sehr empfindlich reagiert, um möglichst geringe Konzentrationen messen zu können. Um ein optimales Verhältnis von physikochemischen Reaktionen und Sensorsignalen zu erhalten wird erfindungsgemäß eine Sensorschicht aus organischen Halbleitern verwendet. Bei diesen organischen Halbleiterschichten handelt es sich um Polymere, an deren Oberfläche die Atemluft und auch die pharmazeutisch wirksamen Substanzen adsorbieren. Dies führt dazu, daß die Ladungsträger der Schicht, hier &pgr;-Elektronen der sich überlappenden &pgr;-Orbitalsysteme der Polymerketten, mobilisiert oder immobilisiert werden, abhängig von der Art und Konzentration der adsorbierten Moleküle und der Sensorschicht. Dies führt zu einer Erhöhung oder Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. umgekehrt des Widerstandes. Der besondere Vorteil dieser organischen Halbleiterschichten liegt darin, daß bei Raumtemperatur oder Körpertemperatur gemes-Since pharmaceutically active substances are usually applied in very low concentrations, it is necessary that the sensor medium or the sensor layer also reacts very sensitively in order to be able to measure the lowest possible concentrations. In order to obtain an optimal ratio of physicochemical reactions and sensor signals, a sensor layer made of organic semiconductors is used according to the invention. These organic semiconductor layers are polymers on whose surface the breathing air and also the pharmaceutically active substances are adsorbed. This leads to the charge carriers of the layer, here π electrons of the overlapping π orbital systems of the polymer chains, being mobilized or immobilized, depending on the type and concentration of the adsorbed molecules and the sensor layer. This leads to an increase or decrease in the electrical conductivity or, conversely, the resistance. The particular advantage of these organic semiconductor layers is that measurements can be made at room temperature or body temperature.
sen werden kann, ohne daß das Sensormittel beheizt werden muß, wie dies bei bisher bekannten Atemluftdetektoren der Fall ist. Dies ist insbesondere betreffend die Detektion pharmazeutisch wirksamer Substanzen von besonderem Vorteil, da sich diese häufig bei erhöhter Temperatur verändern und nicht mehr in ihrer wirksamen Form vorliegen und mithin möglicherweise nicht mehr detektierbar sind. Auch erfolgt keine Temperaturbelastung des zu untersuchenden Patienten, da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine on-line-Messung in feuchtem Milieu ohne Temperaturerhöhung möglich ist, anders als bei bekannten Vorrichtungen. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Sensorschicht ein PoIyarylen-vinylen oder ein Poly-(hetero)-arylen-vinylen ist. Die Sensorschicht sollte erfindungsgemäß eine hohe Sensitivität für den oder die zu ermittelnden pharmazeutisch wirksamen Stoffe insbesondere das oder die etherischen Öle bzw. Derivate oder Zersetzungsprodukte bei gleichzeitig gegebener geringer Querempfindlichkeit zu anderen, in der Ausatemluft enthaltenen Substanzen besitzen, um die wie beschrieben in der Regel in sehr geringen Konzentrationen vorliegenden Stoffe hinreichend sicher detektieren zu können. Die Sensitivität sollte dabei derart sein, daß ein Molekülgehalt der zu ermittelnden Substanz im ppb-Bereich meßbar ist, insbesondere von < 1 ppb, vorzugsweise von < 0,1 ppb, wobei darauf hinzuweisen ist, daß insbesondere etherische Öle bzw. deren Derivate oder Zer-Setzungsprodukte in diesen geringen Konzentrationen vorliegen. Wie beschrieben liefert das Sensormittel Meßsignale, die als Maß für das Vorliegen und für die Konzentration der zu detektierenden Substanz dienen. Dabei kann basierend auf diesen Meßsignalen neben der Leitfähigkeit auch der elektrische Widerstand, die elektrische Austrittsarbeit und/oder Impedanz des Sensormittels dienen, welche wie beschrieben infolge der Moleküladsorption und der Beeinflussung der Ladungsträgerbewegung in Abhängigkeit der adsorbierten Gasmoleküle verändert werden.can be measured without the sensor medium having to be heated, as is the case with previously known breath detectors. This is particularly advantageous with regard to the detection of pharmaceutically active substances, since these often change at elevated temperatures and are no longer present in their active form and may therefore no longer be detectable. There is also no temperature stress on the patient being examined, since the device according to the invention enables online measurement in a moist environment without increasing the temperature, unlike with known devices. It has proven to be particularly useful if the sensor layer is a polyarylene vinylene or a poly(hetero)arylene vinylene. According to the invention, the sensor layer should have a high sensitivity for the pharmaceutically active substance or substances to be determined, in particular the essential oil or oils or derivatives or decomposition products, while at the same time having a low cross-sensitivity to other substances contained in the exhaled air in order to be able to detect the substances, which are generally present in very low concentrations, with sufficient certainty. The sensitivity should be such that a molecular content of the substance to be determined can be measured in the ppb range, in particular of < 1 ppb, preferably of < 0.1 ppb, whereby it should be pointed out that essential oils or their derivatives or decomposition products in particular are present in these low concentrations. As described, the sensor means delivers measurement signals that serve as a measure of the presence and concentration of the substance to be detected. Based on these measurement signals, in addition to the conductivity, the electrical resistance, the electrical work function and/or impedance of the sensor medium can also be used, which, as described, are changed as a result of the molecular adsorption and the influence of the charge carrier movement depending on the adsorbed gas molecules.
Das Sensormittel kann erfindungsgemäß ein Trägerelement, zwei darauf angebrachte Elektroden und die diese überdeckende Sensorschicht aufweisen, wobei zweckmäßigerweise die beiden Elektroden eine Kammstruktur besitzen sollten, um eine möglichst große Elektrodenfläche bei gleichzeitig geringem Elektroden-According to the invention, the sensor means can comprise a carrier element, two electrodes mounted thereon and the sensor layer covering them, whereby the two electrodes should expediently have a comb structure in order to achieve the largest possible electrode surface with a low electrode area.
abstand realisieren zu können. Die Dicke der Sensorschicht sollte erfindungsgemäß < 20 &mgr;&eegr;&tgr;&igr;, insbesondere < 10 &mgr;&pgr;&igr;, vorzugsweise < 5&mgr;&eegr;&igr; sein.distance. According to the invention, the thickness of the sensor layer should be < 20 μηι, in particular < 10 μι, preferably < 5 μηι.
Als besonders zweckmäßig hat sich ferner erwiesen, wenn erfindungsgemäß mehrere gehäuseseitig angeordnete Sensormittel vorgesehen sind, die jeweils separate verarbeitbare Meßsignale liefern, da auf diese Weise mehrere miteinander vergleichbare Meßsignale vorliegen und ein verifizierbares Ergebnis erhalten werden kann.It has also proven particularly useful if, according to the invention, several sensor means are provided on the housing side, each of which delivers separate, processable measurement signals, since in this way several comparable measurement signals are available and a verifiable result can be obtained.
Die mehreren Sensormittel können jeweils für ein und dieselbe(n) Substanz(en) sensitiv sein, oder aber, wie erfindungsgemäß ferner vorgesehen ist, für verschiedene Substanzen, wobei die Sensormittel in beiden Fällen nach Art eines Sensorarrays miteinander kombiniert sind. Hierdurch können parallel verschiedene Substanzen ermittelt und ihr zeitlicher Verlauf überwacht werden. Gemäß einer zweckmäßigen Erfindungsausgestaltung können dabei wenigstens vier Sensormittel vorgesehen sein, von denen ein erstes für die Atemluftfeuchtigkeit, ein zweites für alkoholische und etherische Substanzen, ein drittes für aliphatische Substanzen und ein viertes für aliphatische und etherische Substanzen sensitiv ist. Aufgrund der Kombination dieser Sensormittel ist es durch Vergleich der einzelnen Sensoren, die in Ihrer Spezifität teilweise überlappend sind, möglich, eine stärker spezifische Stofferkennung zu realisieren und die Meßergebnisse der Einzelsensoren miteinander in Verbindung zu bringen. Dabei kann erfindungsgemäß die Sensitivität eines Sensormittels geringer oder stärker als die der übrigen Sensormittel sein.The multiple sensor means can each be sensitive to one and the same substance(s) or, as is further provided by the invention, to different substances, whereby in both cases the sensor means are combined with one another in the manner of a sensor array. In this way, different substances can be detected in parallel and their course over time monitored. According to an expedient embodiment of the invention, at least four sensor means can be provided, of which a first is sensitive to the humidity of the breath, a second to alcoholic and ethereal substances, a third to aliphatic substances and a fourth to aliphatic and ethereal substances. Due to the combination of these sensor means, it is possible to realize a more specific substance detection and to link the measurement results of the individual sensors with one another by comparing the individual sensors, which partially overlap in their specificity. According to the invention, the sensitivity of a sensor means can be lower or higher than that of the other sensor means.
Das oder die Sensormittel können erfindungsgemäß in einem rohrförmigen Gehäuse, welches mit der zu untersuchenden Atemluft beströmbar ist, angeordnet sein. Das oder die im wesentlichen flächigen Sensormittel sind zweckmäßigerweise mittels wenigstens einer netzartigen Halterung in quer zur Längsachse des Gehäuses gerichteter Lage angeordnet, da auf diese Weise eine vollflächige Beaufschlagung mit Atemluft möglich ist. Zweckmäßigerweise sind aus Stabilitätsgründen die Sensormittel zwischen zwei netzartigen Halterungen angeordnet.According to the invention, the sensor means or means can be arranged in a tubular housing, through which the breathing air to be examined can flow. The essentially flat sensor means or means are expediently arranged by means of at least one net-like holder in a position directed transversely to the longitudinal axis of the housing, since in this way the full surface can be exposed to breathing air. For reasons of stability, the sensor means are expediently arranged between two net-like holders.
Zusätzlich kann mindestens ein Drucksensor vorgesehen sein, welcher den Druck der einströmenden Atemluft mißt. Mittels des Druckmessers kann die Atemfrequenz aufgezeichnet werden und auch das Volumen der vorbeiströmenden Atemluft ermittelt werden kann. Anhand der Volumendaten und der gemessenen Stoffkonzentration können dann Aussagen zur Bioverfügbarkeit gemacht werden.In addition, at least one pressure sensor can be provided, which measures the pressure of the incoming breathing air. The pressure gauge can be used to record the breathing frequency and also to determine the volume of the passing breathing air. Based on the volume data and the measured substance concentration, statements can then be made about bioavailability.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, daß am Gehäuse eine die Meßdaten speichernde und/oder auswertende Einrichtung vorgesehen ist, und/oder daß Mittel zum Übertragen der gegebenenfalls gespeicherten und/oder ausgewerteten Meßwerte an eine externe Rechnereinrichtung vorgesehen sind, die dann die eigentliche Auswertung vornimmt. Die Vorrichtung selbst kann erfindungsgemäß an oder in eine von oder an einem Lebewesen anlegbare Atemmaske integriert oder integrierbar sein.In a further development of the inventive concept, it can be provided that a device for storing and/or evaluating the measurement data is provided on the housing and/or that means are provided for transmitting the possibly stored and/or evaluated measurement values to an external computer device, which then carries out the actual evaluation. The device itself can be integrated or can be integrated into or on a breathing mask that can be put on by or on a living being.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigenFurther advantages, features and details of the invention emerge from the embodiment described below and from the drawings.
Fig. 1 eine Prinzipskizze, teilweise im Schnitt, einer erfindungsgemäßenFig. 1 is a schematic diagram, partly in section, of an inventive
Vorrichtung,Contraption,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung aus Fig. 1,Fig. 2 is a section through the device of Fig. 1,
Fig. 3 eine Atemmaske mit integrierter Vorrichtung,Fig. 3 a breathing mask with integrated device,
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Widerstandsverlaufs über die ZeitFig. 4 a diagram showing the resistance curve over time
bei Einnahme eines Pharmazeutikums mit etherischen Ölen,when taking a pharmaceutical containing essential oils,
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Widerstandsverlaufs zweier fürFig. 5 is a diagram showing the resistance curve of two
verschiedene Substanzen sensitiver Sensormittel sowie eine Mas-various substances of sensitive sensor agents as well as a mass
senspektrometer-Vergleichsmessung, undsensor spectrometer comparison measurement, and
Fig. 6 eine Darstellung der einzelnen Verläufe der Widerstände von vier fürFig. 6 shows the individual resistance curves of four
unterschiedliche Substanzen sensitive Sensoren.Sensors sensitive to different substances.
Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze die erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 1, das einen Rohrdurchmesser von mindestens 1 cm und ein Länge von mindestens 0,5 cm aufweisen sollte, um hinreichend Platz für die Integration der Sensormittel zu haben. Wie durch den Pfeil I dargestellt wird, die Atemluft durch das Gehäuse geführt. Außenseitig am Gehäuse befindet sich eine Einrichtung 2 mit einem integrierten Schaltkreis, in dem die von den Sensormitteln gelieferten Meßdaten entweder gespeichert und ausgewertet werden, oder aber direkt über den Übertragungsanschluß 3 an eine externe Recheneinrichtung übertragen werden können. Die Sensormittel im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Sensormittel A, B, C, D, sind zwischen zwei netzartigen Halterungen 4 mechanisch gehaltert. Ihre Anschlußkabel sind zur Einrichtung 2 geführt. Zwischen den Netzen ist ferner ein Sensorelement 6 zur Messung der Druckdifferenz vor und hinter den Netzen integriert, dessen Meßwerte ebenfalls an die Einrichtung 2 gegeben werden. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann, wie in Fig. 3 gezeigt, in eine Atemmaske 7 integriert sein. Wie Fig. 3 zeigt, besteht diese aus einem am Gesicht des Patienten anzubringenden Kopfteil, dem ein Auslaßstutzen zugeordnet ist, in dem die Vorrichtung angeordnet ist. Mittels dieser Atemmaske wird sichergestellt, daß tatsächlich nur die Ausatemluft des Patienten zu den Sensormitteln gelangt.Fig. 1 shows the device according to the invention in the form of a schematic diagram. This consists of a tubular housing 1, which should have a tube diameter of at least 1 cm and a length of at least 0.5 cm in order to have sufficient space for the integration of the sensor means. As shown by the arrow I, the breathing air is led through the housing. On the outside of the housing there is a device 2 with an integrated circuit in which the measurement data provided by the sensor means are either stored and evaluated or can be transmitted directly to an external computer device via the transmission connection 3. The sensor means in the embodiment shown, four sensor means A, B, C, D, are mechanically held between two net-like holders 4. Their connecting cables are led to the device 2. A sensor element 6 for measuring the pressure difference in front of and behind the nets is also integrated between the nets, the measured values of which are also sent to the device 2. The device shown in Fig. 1 can, as shown in Fig. 3, be integrated into a breathing mask 7. As Fig. 3 shows, this consists of a head part that is attached to the patient's face and to which an outlet nozzle is assigned in which the device is arranged. This breathing mask ensures that only the patient's exhaled air actually reaches the sensor means.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Widerstandsverlaufs eines Sensormittels. Längs der Ordinate ist der Widerstand in MOhm des Sensormittels bzw. der organischen Halbleiterschicht dargestellt, längs der Abszisse die Zeit.Fig. 4 shows a diagram showing the resistance curve of a sensor over time. The resistance in MOhm of the sensor or the organic semiconductor layer is shown along the ordinate, and time is shown along the abscissa.
Als Sensormittel wurde ein Sensor mit einer spezifischen Sensitivität für Thymol verwendet. Die Sensorschicht ist eine Beschichtung aus Poly-furylen-vinylen, also einem Po!y-(hetero)-arylen-vinyl.A sensor with a specific sensitivity for thymol was used as the sensor. The sensor layer is a coating made of poly-furylene-vinylene, i.e. a poly-(hetero)-arylene-vinyl.
Zum Zeitpunkt T1 nahm der Proband vier Tabletten des Arzneimittels „Bronchipret" der Firma Bionorica Arzneimittel GmbH mit 100 ml Wasser zu sich. Jede Tablette enthält ca. 3,9 mg Thymol, in der Summe wurden also ca. 15,6 mg Thymol aufgenommen. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, zeigt sich nach ca. 30 Minuten nach Einnahme des Präparates ein deutlicher Anstieg des Widerstandes, welcher darauf zurückzuführen ist, daß die Inhaltsstoffe (u.a. Thymol) der Tabletten resorbiert worden sind und sich jetzt anteilig in der Atemluft befinden. Der erhöhte Widerstand konnte für ca. 75 Minuten beobachtet werden. Anschließend nahm der Widerstand ab. Die Änderung des Widerstands ist auf die Adsorption der Thymolmoleküle an der Sensorschicht zurückzuführen, die zu einer Leitfähigkeitsänderung, hier also einer Leitfähigkeitsabnahme, führen.At time T1, the test subject took four tablets of the drug "Bronchipret" from Bionorica Arzneimittel GmbH with 100 ml of water. Each tablet contains approx. 3.9 mg of thymol, so a total of approx. 15.6 mg of thymol was absorbed. As can be seen from the diagram, after approx. 30 minutes after taking the preparation, there is a clear increase in resistance, which is due to the fact that the ingredients (including thymol) of the tablets have been absorbed and are now partially present in the breath. The increased resistance could be observed for approx. 75 minutes. Afterwards, the resistance decreased. The change in resistance is due to the adsorption of the thymol molecules on the sensor layer, which leads to a change in conductivity, in this case a decrease in conductivity.
Zum Zeitpunkt T2 wurden zwei Tabletten des Arzneimittels „Bronchipret" mit 100 ml Wasser eingenommen. Auch hier konnte nach einer entsprechenden Zeit bis die Tabletten aufgelöst waren, ein deutlicher Anstieg des Widerstands festgestellt werden. Der Meßeffekt zeigte sich auch hier relativ lange.At time T2, two tablets of the drug "Bronchipret" were taken with 100 ml of water. Here too, after a corresponding time until the tablets had dissolved, a clear increase in resistance was observed. Here too, the measurement effect was evident for a relatively long time.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Widerstände zweier Sensormittel, von denen eines für Thymol sensitiv ist, das andere für Luftfeuchtigkeit, also Wassermoleküle. Die Kurve K1 gibt den Verlauf der Thymol-Sensormittels, die Kurve K2 den des Feuchtesensormittels wieder. Zum Zeitpunkt T nahm der Proband acht „Bronchipref-Tabletten zu sich, also eine Thymolmenge von ca. 31,2 mg. Nach bereits ca. 30 Minuten zeigten sich deutliche Änderungen im Widerstandsverlauf. Während der Widerstand des Feuchtesensormittels abnahm, nahm der des Thymolsensors im Gegenzug zu, beide Kurven verlaufen im wesentlichen gegengleich. Dies ist in beiden Fällen auf das Vorhandensein des Thymols in der Atemluft zurückzuführen. Nach ca. 75 Minuten klang der Effekt ab.Fig. 5 shows the resistance curve of two sensors, one of which is sensitive to thymol, the other to air humidity, i.e. water molecules. Curve K1 shows the curve of the thymol sensor, curve K2 that of the humidity sensor. At time T, the test subject took eight "Bronchipref" tablets, i.e. a thymol amount of approx. 31.2 mg. After just 30 minutes, clear changes in the resistance curve were apparent. While the resistance of the humidity sensor decreased, that of the thymol sensor increased in return; both curves run essentially in opposite directions. In both cases, this is due to the presence of thymol in the breathing air. After approx. 75 minutes, the effect subsided.
Daneben zeigt Fig. 5 eine Kurve M, die als Mittelwertkurve das Meßergebnis einer Massenspektrometeruntersuchung, die zu Vergleichszwecken erfolgte, wiedergibt. Der Kurvenverlauf ist dem der Kurve K1 ähnlich und bestätigt, daß Thymol in der Atemluft ist.In addition, Fig. 5 shows a curve M, which represents the mean value of the measurement result of a mass spectrometer test that was carried out for comparison purposes. The curve is similar to that of curve K1 and confirms that thymol is present in the breath.
Wiedergegeben sind ferner die beiden Basislinien B1 und B2 zu den beiden Sensomitteln, Kurve B1 für das Thymol-, Kurve B2 für das Feuchtesensormittel. Ferner ist die Basislinie BM des Massenspektrometers gezeigt. Die Basislinien stellen die Basis-Leitfähigkeitswerte des jeweiligen Sensormittels dar. Diese Leitfähigkeitswerte gehen in die Berechnung der Konzentration der mit dem jeweiligen Sensormittel zu detektierenden Substanz ein. Die Berechnung erfolgt anhand folgender Formeln:Also shown are the two baselines B1 and B2 for the two sensor agents, curve B1 for the thymol, curve B2 for the moisture sensor agent. The baseline BM of the mass spectrometer is also shown. The baselines represent the base conductivity values of the respective sensor agent. These conductivity values are used to calculate the concentration of the substance to be detected with the respective sensor agent. The calculation is carried out using the following formulas:
Die allgemeine Gleichung für die Berechnung der Leitfähigkeit lautet:
10The general equation for calculating conductivity is:
10
&sgr; = aei · e(a"N) σ = aei · e (a " N)
mit:with:
&sgr; = gemessene Leitfähigkeit
aBasis = Basis-Leitfähigkeit
a = Konstante
N = Anzahl der adsorbierten Moleküleσ = measured conductivity
aBasis = basic conductivity
a = constant
N = number of adsorbed molecules
Hieraus ergibt sich für die Berechnung der Molekülzahl:
20This gives us the following formula for calculating the number of molecules:
20
is) = a · Nis) = a · N
Setzt man an Stelle der Leitfähigkeitswerte die gemessenen Widerstandswerte
und die Basis-Widerstandswerte ein, so ergibt sich
25If the measured resistance values and the base resistance values are substituted for the conductivity values, the result is
25
ln(RBaSis/R) = a · Nln(R BaS is/R) = a · N
mitwith
R = gemessener Widerstandwert
Rßasis = Basis-WiderstandwertR = measured resistance value
Rßasis = base resistance value
Die Konstante a gilt innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs für ein definiertes Substanz-Polymer-System. Diese Konstante muß zuvor für das jeweils verwendete Halbleiterpolymer bei definierter Stoffkonzentration bestimmt werden.The constant a applies within a certain temperature range for a defined substance-polymer system. This constant must be determined beforehand for the semiconductor polymer used at a defined substance concentration.
In Fig. 5 sind an der rechten Ordinate die zu den gezeigten Widerstandskurven anhand obiger Gleichung ermittelten Konzentrationswerte angegeben. Die detektierte Thymol-Konzentration liegt im Bereich zwischen ca. 1,5 ppb und ca. 2,75 ppb, also bei extrem geringen Konzentrationen. Diese Konzentrationen wurden mittels der massenspektrometrischen Untersuchung verifiziert. Es zeigt sich die hervorragende Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung. Festzuhalten ist noch, daß die Basislinien anstelle des normalerweise waagerechten Verlaufs ansteigen. Dies ist auf eine Querempfindlichkeit gegenüber Reinigungsmitteln (Alkohole) zurückzuführen, die in der Umgebungsluft vorlagen.In Fig. 5, the concentration values determined for the resistance curves shown using the above equation are given on the right ordinate. The detected thymol concentration is in the range between approx. 1.5 ppb and approx. 2.75 ppb, i.e. at extremely low concentrations. These concentrations were verified using mass spectrometric testing. This shows the excellent sensitivity of the sensor device. It should also be noted that the base lines rise instead of the normally horizontal course. This is due to cross-sensitivity to cleaning agents (alcohols) that were present in the ambient air.
Schließlich zeigt Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Widerstandsverlaufs von vier unterschiedlichen Sensormitteln, wie sie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 integriert sind. Das Sensormittel A reagiert auf Feuchtigkeit, Sensormittel B bevorzugt auf alkoholische und etherische Substanzen, Sensormittel C mit geringer Empfindlichkeit auf alkoholische und aliphatische Moleküle, Sensormittel D detektiert demgegenüber aliphatische Substanzen. Der Proband nahm in einer Kapsel Thymol in einer Menge von 3,5 mg oral zu sich. Nach ca. 60 Minuten zeigte sich im wesentlichen bei allen Sensoren eine mehr oder weniger starke Leitfähigkeitsänderung, welche auf die Einnahme von Thymol zurückgeführt werden kann. Sensormittel A zeigt eine deutliche Widerstandsabnahme, während Sensormittel B eine Widerstandszunahme zeigt. Sensormittel B reagiert wie beschrieben bevorzugt auf alkoholische und etherische Substanzen, d. h., an ihm ist das Vorhandensein von Thymol in der Atemluft unmittelbar zu erkennen. Auch Sensormittel C reagiert mit einer deutlichen Widerstandszunahme, die des Sensormittels D hingegen ist relativ gering. Der Meßeffekt konnte für die Dauer von ca. 80 Minuten nachgewiesen werden.Finally, Fig. 6 shows a diagram showing the resistance curve over time of four different sensor devices, as they are integrated in the device according to Fig. 1. Sensor device A reacts to moisture, sensor device B prefers to alcoholic and essential substances, sensor device C is less sensitive to alcoholic and aliphatic molecules, and sensor device D, on the other hand, detects aliphatic substances. The test subject took a capsule of thymol orally in an amount of 3.5 mg. After about 60 minutes, all sensors showed a more or less strong change in conductivity, which can be attributed to the intake of thymol. Sensor device A shows a clear decrease in resistance, while sensor device B shows an increase in resistance. Sensor device B reacts as described preferentially to alcoholic and essential substances, i.e. the presence of thymol in the breath can be immediately recognized. Sensor medium C also reacts with a significant increase in resistance, whereas that of sensor medium D is relatively small. The measuring effect could be demonstrated for a period of approx. 80 minutes.
Die Korrelation zwischen den Meßergebnissen der einzelnen Sensormittel läßt eine bessere Auswertung des Meßergebnisses zu, da infolge des Vergleichs derThe correlation between the measurement results of the individual sensor devices allows a better evaluation of the measurement result, since the comparison of the
einzelnen Sensoren eine stärker spezifische Stofferkennung möglich ist. Der Einsatz organischer Halbleiter als Sensorschicht ermöglicht eine sichere Detektion von etherischen Ölen bzw. entsprechenden Derivaten derselben, in Form von alkoholischen oder aliphatischen Substanzen, wobei diese infolge der geringen Menge, wie sie in der Regel in Arzneimitteln enthalten sind, in Molekülkonzentrationen im ppb-Bereich vorliegen. Infolge der hohen Sensitivität der organischen Halbleiterschichten ist eine Messung auch dieser geringen Konzentrationen möglich. individual sensors enable more specific substance detection. The use of organic semiconductors as a sensor layer enables reliable detection of essential oils or corresponding derivatives thereof in the form of alcoholic or aliphatic substances, whereby these are present in molecular concentrations in the ppb range due to the small amount that is usually contained in pharmaceuticals. Due to the high sensitivity of the organic semiconductor layers, it is also possible to measure these low concentrations.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29803485U DE29803485U1 (en) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | Device for determining at least one substance contained in the exhaled air of a living being |
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Publications (1)
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|---|---|
| DE29803485U1 true DE29803485U1 (en) | 1998-05-14 |
Family
ID=8053326
Family Applications (1)
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| DE29803485U Expired - Lifetime DE29803485U1 (en) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | Device for determining at least one substance contained in the exhaled air of a living being |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29803485U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10137564A1 (en) * | 2001-07-30 | 2003-02-27 | Filt Lungen Und Thoraxdiagnost | Screening for drugs in a human or animal, comprises taking the condensation from exhaled breath, to be prepared for quantitative and qualitative analysis on site or to give a sample for a laboratory |
| DE102004009545A1 (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Filt Lungen- Und Thoraxdiagnostik Gmbh | Sampling method for exhaled air, urine or blood, whereby a cooled probe is placed in the flow that is to be examined so that water vapor and any other substances of interest condense out |
| DE102005020102B3 (en) * | 2005-04-25 | 2006-11-30 | Universität Potsdam | Method and device for obtaining and analyzing respiratory condensates |
| DE102009038238A1 (en) * | 2009-08-20 | 2011-02-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Sensor platform for respiratory gas analysis |
-
1998
- 1998-03-04 DE DE29803485U patent/DE29803485U1/en not_active Expired - Lifetime
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Effective date: 20040510 |
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Effective date: 20060407 |
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