Gasmessung Teil 2: Sauerstoff, Kohlendioxid & Volatila

In Teil 1 ging es um die Messung von Sauerstoff und Kohlendioxid in Flüssigkeiten. Letztlich Blut. Nun geht es um die Messung in Atemgasgemischen und zwar von Sauerstoff, Kohlendioxid und Inhalationsnarkotika wie Desfluran oder Sevofluran. Braucht man nicht? Doch – die ESA will genau das gelegentlich von euch wissen.

Gängige Narkosegeräte bzw. Narkosemonitorsysteme tragen Einheiten mit Messeinrichtungen für die in- und expiratorische Sauerstofffraktion (FiO2), für in- und endexpiratorisches Kohlendioxid als Partialdruck (mmHg oder kPa, meist auch graphisch als Verlauf dargestellt) und sie zeigen die gängigen Volatila (aktuell v.a. Desfluran, Sevofluran) als Volumenprozent oder relative MAC an.

Teil 1 sind die Blutgasanalysen, Teil 2 nun die Atemgasanalysen.

Die gängigen Messmethoden sind:

  • für Sauerstoff paramagnetische Gasmessung
  • für Volatila, Stickstoff und Kohlendioxid IR-Spektroskopie

Galvanometrische („Brennstoffzellen“) oder polarographische Messungen sind möglich, sind aber aufgrund der notwendigen Diffusion vergleichsweise zeitintensiv und störanfällig (Wasserdampf, Stickstoffgehalt…). Ihr findet die Inhalte dazu in obigem Link.

Paramagnetische Messung

Was wir unter Magnetismus verstehen, also die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern findet sich als „Ferromagnetismus“ bei Umgebungstemperatur nur bei Eisen, Nickel und Cobalt. Mit dem Paramagnetismus von zum Beispiel Sauerstoff gemeinsam haben Ferromagnete, dass ein äusseres Magnetfeld auf atomarer Ebene durch eine Ausrichtung der Teilchen am Magnetfeld eine Verstärkung erfährt. Während diese Ausrichtung bei den ferromagnetischen Substanzen jedoch erhalten bleibt, bricht durch Molekularbewegung die in sich schwache Gleichrichtung der Teilchen z.B. bei Sauerstoff zusammen. Paramagnetismus ist ein quantenphysikalisches Phänomen und tritt bei ungeladenen Teilchen nur auf wenn sie ein magnetisches Moment besitzen. Ungepaarte Elektronen (Sauerstoff hat dieser zwei!) sind ebenfalls eine Voraussetzung für Paamagnetismus. Ich erspare euch (und mir) mein Gestümper zur Theorie der spinabhängigen quantenmechanischen Grundlage des Paramagnetismus… wichtig ist: Sauerstoff reagiert im Gegensatz zu den anderen Gasen der Raumluft auf ein anliegendes Magnetfeld, er ist ablenkbar, die damit einhergehenden Abweichungen der Messeinrichtungen sind abhängig vom Volumenprozentanteil, das macht den Sauerstoffanteil mess- und quantifizierbar.

Aktuelle paramagnetische Messgeräte (und sie sind die häufigsten Vertreter ihrer Art im modernen OP) arbeiten über drucksensible Transducer. Dabei werden zwei Gaskammern in einem magnetischen Feld angeregt. Die Referenzkammer enthält in der Regel Raumluft, also 21 Prozent Sauerstoff, die Testkammer Atemgas des Patienten. Unter gepulster magnetischer Anregung erfolgt die Auslenkung der zwischen den Kammern liegenden Membran in Abhängigkeit von der Stärke der Anregung, also in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzetration. Die magnetisch induzierte Druckdifferenz über die Transducermembran ist also direkt proportional zum Sauerstoffgehalt der Probe. Der Vorteil dieser Einheiten ist die kurze Reaktionszeit, die hohe Sensitivität und ihre Unverwüstlichkeit. Sie erlauben bei kleinem Probenvolumen (wichtig v.a. bei kleinen Tidalvolumina!) schneller Messungen von Atemzug zu Atemzug. Für die Grössenordnung: wir reden von Frequenzen um 110 Hz und Druckdifferenzen bei 20–50 µbar.

Auch hier führt Wasserdampf zu Fehlmessungen, Wasserfallen sind obligater Teil der Messeinrichtung.

Frühere Geräte arbeiteten mit einem „dumbbell“-Design. Zwei Kammern – die Messkammer mit der Atemgasprobe und eine stickstoffgefüllte Referenzkammer waren hantelgleich miteinander verbunden. Ein auf dieser „Hantel“ angebrachter Spiegel zeigte durch Ablenkung eines Lichtstrahls und Erfassung mit einem Fotodetektor eine Auslenkung an. Die Auslenkung der Hantel erfolgte durch Anregung des Sauerstoffs als paramagnetischem Element im Magnetfeld. Auch hier war die Auslenkung zum Sauerstoffgehalt proportional.

Falls jetzt jemand denk: „Und Massenspektroskopie?“ Jawoll, geht auch, allerdings sind die passenden Geräte kaum einsetzbar im OP, so grössen-, vacuum-, feldstärken- und preisseitig.

Kohlendioxid/ Stickstoff/ Volatila

Gase kann man auf viele Arten messen:

  • Infrarotabsorptionsspektroskopie – das wäre dann auch gleich das häufigst genutze Medium
  • Fotoakustische Absorption
  • Piezoelektrische Silikon/ Gummi-Absorption
  • Refraktometrie
  • Raman Scattering
  • und wieder: Massenspektroskopie

Die häufigst angewandte Form und bauseits am einfachsten und verlässlichsten ist die Infrarotabsorptionsspektroskopie. Moleküle mit mindestens zwei verschiedenen Atomen (also mindestens einer Bindung) sind in der Lage Infrarotlicht zu absorbieren und in Molekularschwingungen umzusetzen. Die verschiedenen Moleküle absorbieren dabei in für sie spezifischen Wellenlängen und lassen sich so entsprechend unterscheiden. Tatsächlich schwingen Bindungen verschiedener Gruppen in Abhängigkeit von bestimmten Infrarotwellenlängen, was man sich in der chemischen Strukturanalyse zunutze machen kann! Zurück zu unserer Absorption am Kohlendioxid: Wir denken jetzt wieder kurz an Lambert-Beer und schon stehen Absorption und Gaskonzentration wieder in logarithmischer Beziehung. In praxi werden bestimmte Wellenlängen selektiv durch Referenz- und Probenkammern geschickt, über Fotozellen detektiert, verstärkt und in Form von Volumenprozent (Volatila) oder kPa (Kohlendioxid) ausgegeben. Druck und Temperatur werden dabei übrigens als Störfaktoren beigerechnet.

Wir haben gerade gehört, das Infrarotabsorption Schwingungen molekularer Bindungen auslöst. Diese Schwingungen lassen sich, löst man sie durch einen gepulsten Laser aus, mit Mikrofonen auffangen und verstärkt hörbar machen… wir sprechen dann von fotoakustischer Spektroskopie. Inwieweit das Gebrabbel auf der anderen Seite der BHS störend auswirkt kann ich leider nicht beantworten.

Wenn wir Licht einer Wellenlänge durch ein Medium schicken dann wird es an der Grenze zweier Medien gebrochen. Der Brechungsindex und das Interferenzmuster ist dabei spezifisch für Kombinationen verschiedener Medien, bzw. abhängig von der Konzentration der Probengase in unserer Testkammer. Macht man sich dies als Messprinzip zu nutze, spricht man von Refraktometrie (der Badner kennt das als Oechslemeter im Weinberg). In der Medizin kam v.a. das sogenannte das Raleigh-Prismen-Refraktometer zum Einsatz, das primär für Halothan geeicht, aber über Konversionstabellen auch für andere Gase möglich war.

Piezoelektrische Absorption Piezokristalle sind Quarze, die entweder unter anliegendem Strom schwingen oder unter Druck Strom erzeugen. Der Blitz am Grillanzünder ist so ein Beispiel für piezoelektrische Sinnhaftigkeit im Alltag. Nun, wenn man zwei identische Quarze kombiniert, die in ihrer Urform mit der gleichen Resonanzfrequenz vibrieren, kann man damit halogenierte Kohlenwasserstoffe im Atemgas messen. Dazu hüllt man einen Kristall in Silikonöl ein, welches unsere Volatila absorbiert und tatsächlich ändert sich nun die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Menge resorbierten Gases, also dem Partialdruck. Lachgas stört aufgrund seiner Silikonlöslichkeit die Messung. Falls man das mal googlen will: Engstrom EMMA analyzer wär das Suchwort.

Wenn Licht auf Körper trifft, wird es gestreut. Soweit so gut. Dass es dabei elastische und un-elastische Streuung gibt, ist dem Nichtphysiker eher neu. Elastische Streuung oder Raleigh-Streuung ist sozusagen die Allerweltsstreuung ohne Veränderung des Energieniveaus. Wir verwenden aber den Raman-Effekt, bzw. als Verfahren die Raman-Streuung: Dabei nimmt ein von unserem Lichtquant getroffenes Molekül Energie auf. Das gestreute Lichtquant hat also einen geringeren Energiegehalt als vor der Interaktion, damit ändert sich seine Wellenlänge. Das lässt sich messen. Wir durchstrahlen in praxi unsere Testkammer mittels eines starken Argonlasers, in Abhängigkeit von der Konzentration unseres spezifisch anregbaren Gases entstehen Raman-gestreute Quanten, die unsere Filter im Gegensatz zum „Restlicht“ passieren können und damit einen Detektor erreichen können. Die Zahl der spezifischen Photonen ist der Gaskonzentration proportional. Leider sind diese schnellen und hochgenauen Analysatoren für verschiedene Gase vergleichsweise teuer.

Zum Schluss nochmal: die Massenspektroskopie , eine schöne und sehr genaue Technik, leider etwas lahm und kostenintensiv. Beides sind eher Abtörner für den OP-Betrieb. Aber wie funktioniert`s?

Unsere Gasprobe wird in eine Einspritzkammer gepumpt, aufgrund des dort herrschenden Vakuums zerstäubt, über einen Engpass via Hochspannungsanode ionisiert. Aus unseren Gasmolekülen sind nun Ionen geworden. Ladung sei dank bewegen diese sich nun beschleunigt auf die Kathode am anderen Ende der Messkammer zu. Auf dem Weg führt ein Magnetfeld zur Ablenkung in Abhängigkeit von Masse und Ladung, so dass es zur Auftrennung unserer Gase kommt. Nachteilig ist die Zeitverzögerung, der Aufwand für Vakuum und Magnetfeld und damit der Preis und die Tatsache, dass die Probe nicht zurückgeführt werden kann, da dank der Ionisierung mit schädlichen Effekten der Degradationsprodukte (NO, Ozon, Stickstoff- und Sauerstoffradikale…) zu rechnen ist. Kurz: in der Forschung gut, im Wald- und Wieseneinsatz zu umständlich und träge.

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