Dr. Stefan Weigl

Dr. Thomas Rück

Förderprojekt: BreathSens

Fördergeldgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Koordination: VDI Technologiezentrum GmbH

Durch Herzinsuffizienz (HI) sterben jährlich etwa 45.000 Patienten. Damit gehört diese Krankheit zu den häufigsten Todesursachen in Deutschland. Oft kann HI erst in einem späten Stadium mittels teurer und oft nicht patientenfreundlicher Diagnoseverfahren wie Computertomographie oder Röntgen festgestellt werden. Die photoakustische Atemgasanalyse bietet demgegenüber erstmals die Möglichkeit einer frühzeitigen Erkennung von HI in einem mobilen und patientenfreundlichen Verfahren.

Mithilfe der Atemgasanalyse können sehr geringe Konzentrationen bestimmter Stoffe, sogenannte Biomarker, gemessen werden um nicht-invasiv, schnell und patientenfreundlich Stoffwechseländerungen und Krankheiten frühzeitig zu detektieren und Therapieverläufe zu überwachen. Neben der HI sind auch Erkrankungen von Lunge und Nieren sowie Stoffwechselanomalien durch die Änderung der Zusammensetzung bzw. der Konzentration einzelner Stoffe in der Ausatemluft diagnostizierbar.

Obwohl der photoakustische Effekt bereits im Jahre 1881 von A. G. Bell entdeckt und untersucht wurde, geriet er mangels geeigneter Lichtquellen, Elektronik und Detektoren bis Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts in Vergessenheit.

Die photoakustische Spektroskopie (PAS) beruht wie alle photothermalen Techniken auf einer Photonenanregung des Analyten und anschließender Detektion einer Temperaturänderung bzw. der Änderung einer anderen thermodynamischen Größe, die ihrerseits mit der Temperatur korreliert.

Bei der PAS werden durch Absorption elektromagnetischer Wellen direkt oder indirekt Molekülschwingungen initiiert, welche über inelastische Stöße mit umgebenden Molekülen in einer lokalen Wärmeproduktion innerhalb des Mediums resultieren. Wird die Lichtquelle elektronisch oder mechanisch, durch Verwendung eines Choppers, moduliert, erfolgt dieser Wärmeeintrag in das System periodisch und kann als Schallwelle detektiert werden. Durch die Wahl der Modulationsfrequenz wird somit die Frequenz des periodischen Drucksignals festgelegt.
Die Amplitude des Messsignals ist direkt proportional zur Konzentration des Analyten.

pa: Schalldruck, r: Teilchendichte, σ: Absorptionsquerschnitt,

P0: Optische Leistung der Lichtquelle, γ: thermischer Volumenausdehnungskoeffizient,

A: Querschnittsfläche des akustischen Resonators, Q: Güte der Resonanzverstärkung, w: Kreisfrequenz der Modulation

Photoakustisches Messprinzip: Durch eine amplitudenmodulierte Lichtquelle können Biomarker in der Messzelle angeregt werden. Die entstehende Schallwelle wird mit einem Mikrofon gemessen.