Entwicklung von Sensorsystemen zur kontinuierlichen Diagnostik im Atemgas

Betreuer: B. Mizaikoff

Kreislaufschock auf Basis unterschiedlichster Ursachen kann zu akutem metabolischen Stress führen, der sich in einem erhöhten Energieumsatz widerspiegelt, welcher üblicherweise durch die Erfassung der O2-Aufnahme (VO2) bzw. CO2-Produktion (VCO2) im Atemgas bestimmt wird. Die Quantifizierung des 13CO2/12CO2-Verhältnisses während einer Isotopeninfusion ermöglicht zusätzlich die direkte Messung der Glukoseoxidationsraten und – bei gleichzeitiger Analyse der Glukose-Isotopenanreicherung im Blut – die Bestimmung der endogenen Glukosefreisetzung. Konventionell wird das 13CO2/12CO2-Verhältnis diskontinuierlich mittels nicht-dispersiver Infrarotspektroskopie (NDIR) oder gaschromatographisch mit massenspektrometrischer Detektion (GC-MS) erfasst. Um den Verlauf der Veränderung des Energieumsatzes sowie der assoziierten metabolischen Parameter mit unterschiedlichen Ursachen korrelieren zu können, wäre es jedoch ideal, diese vitalen Messgrößen direkt und kontinuierlich währen der künstlichen Beatmung des Mausmodells erfassen zu können. Hierzu ist es jedoch notwendig analytische Verfahren zu entwickeln, die sowohl mit dem niedrigen Atemminutenvolumen der Maus (wenige hundert Mikroliter) umgehen können, wie auch molekulare Differenzierbarkeit der relevanten Metaboliten, sowie die notwendige Zeitauflösung und Messgenauigkeit bieten.

Ziel dieses Dissertationsprojektes ist somit (i) die Entwicklung der nächsten Generation miniaturisierter und integrierter infrarotspektroskopischer Sensorverfahren zur kontinuierlichen Bestimmung von 13CO2/12CO2 und inspiratorischem O2 unter künstlicher Beatmung unter Nutzung innovativer am IABC entwickelter Lichtwellenleiter (substrat-integrierte hohler Lichtwellenleiter - iHWGs), (ii) die Anwendung von fortschrittliche Quantenkaskaden- und Interbandkaskadenlasertechnologien (QCLs, ICLs) sowie optimierten multivariaten Statistikverfahren zur Verbesserung der Nachweisgrenze, und (iii) die Kombination von IR-spektroskopischen Verfahren  mit Fluoreszenzsensorik und Ionenmobilitätsspektrometrie zur umfassenden Multikomponentendiagnostik im Atemgas.