DOI: 10.17586/2226-1494-2015-15-2-218-226


УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ РАМАНОВСКИЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ АНЕСТЕЗИРУЮЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Шлютер С. ., Асбах С. ., Поповска-Лейперц Н. ., Зеегер Т. ., Лейперц А. .


Читать статью полностью 
Язык статьи - Английский

Ссылка для цитирования: Шлютер С., Асбах С., Поповска-Лейперц Н., Зеегер Т., Лейперц А. Усовершенствованный портативный рамановский анализатор для анестезирующих газовых смесей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. № 2. С. 218–226.

Аннотация

Спонтанное рамановское рассеяние представляет собою прекрасный метод количественного анализа многокомпонентных газовых смесей. Это неразрушающий оптический метод идентификации состава вещества и измерения концентрации компонентов газа, включающих в себя рамановские активные молекулы. При этом интенсивность специфического рамановского сигнала прямо пропорциональна концентрации. При использовании лазерного излучения в непрерывном режиме при комнатной температуре требуется всего несколько секунд для получения рамановского спектра газовой смеси. В то же самое время серьезным недостатком метода является малая интенсивность рамановского сигнала. По этой причине существует проблема детектирования состава газовой смеси по рамановским спектрам при низких давлениях компонентов газа с временным разрешением порядка сотен миллисекунд. В данной работе представлена конкретная работающая система газового анализа на основе рамановского рассеяния при низких давлениях компонентов (абсолютное давление p≥980 гПа). Применение многопроходной полости позволяет компенсировать слабую величину рамановского сигнала. Более того, работоспособность представленной сенсорной системы продемонстрирована измерениями в ходе процедуры анестезии в конкретных клинических условиях и при сопоставлении результатов измерений с обычно применяемыми средствами газового анализа.


Ключевые слова: рамановское рассеяние, многокомпонентный анализатор газов, низкое давление, контроль процесса анестезии, многопроходная полость, малое время анализа, информация о концентрации газа в реальном режиме времени

Благодарности. Проект осуществлен при поддержке Федерального министерства по образованию и науке ФРГ, номера грантов гранты № 13EX1015A, 13EX1015B и 13EX1015L. Особую благодарность авторы выражают Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT) и Medical Valley EMN.

Список литературы
1. Egermann J., Jonuscheit J., Seeger T., Leipertz A. Investigation of diode laser-based multi-species gas sensor concepts // Technisches Messen. 2001. V. 68. N 9. P. 401–405.
2. Eichmann S.C., Kiefer J., Benz J., Kempf T., Leipertz A., Seeger T. Determination of gas composition in a biogas plant using a Raman-based sensor system // Measurement Science and Technology. 2014. V. 25. N 7. Art. 075503. doi: 10.1088/0957-0233/25/7/075503
3. Kiefer J., Seeger T., Steuer S., Schorsch S., Weikl M.C., Leipertz A. Design and characterization of a Raman- scattering-based sensor system for temporally resolved gas analysis and its application in a gas turbine power plant // Measurement Science and Technology. 2008. V. 19. N 8. Art. 085408. doi: 10.1088/0957- 0233/19/8/085408
4. Schlüter S., Seeger T., Popovska-Leipertz N., Leipertz A. Laser basierte on-line-analyse von biogasen mit einer Raman-sonde // Technisches Messen. 2014. V. 81. N 11. P. 546–553. doi: 10.1515/teme 2014-1050
5. Wilhelm W., Khuenl-Brady K., Beaufort A.M., Tassonyi E., Meistelman C. Neuromuscular monitoring: instructions of various national professional societies and their practical realization // Anaesthesist. 2000. V. 49. N 1. P. S7–S8.
6. Basics of Anesthesia / Eds R.D. Miller, M.C. Pardo. 6th ed. Elsevier, 2011. 832 p.
7. Needham M.J., Denton M. Failure of medical air gas outlet // Anaesthesia. 2014. V. 69. N 5. P. 523–524. doi: 10.1111/anae.12693
8. Cassidy C.J., Smith A., Arnot-Smith J. Critical incident reports concerning anaesthetic equipment: analysis of the UK National Reporting and Learning System (NRLS) data from 2006-2008 // Anaesthesia. 2011. V. 66. N 10. P. 879–888. doi: 10.1111/j.1365-2044.2011.06826.x
9. Schlüter S., Popovska-Leipertz N., Leipertz A., Seeger T. Concept for an anesthetic gas sensor based on Raman scattering // Proc. 7th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering. Erlangen, 2011.
10. Schlueter S., Krischke F., Popovska-Leipertz N., Seeger T., Breuer G., Jeleazcov C., Schuettler J., Leipertz A. Quantitative measurement of the volatile anesthetic agents and respiratory gases during anesthesia by a compact, robust and mobile sensor based on linear Raman scattering // Proc. Laser Applications to Chemical, Security and Environmental Analysis (LACSEA 2014). Seattle, USA, 2014.
11. Deublein D., Steinhauser A. Biogas from Waste and Renewable Resources. 2nd ed. Wiley-VCH, 2010. 578 p.
12. Taschek M., Egermann J., Schwarz S., Leipertz A. Quantitative analysis of the near-wall mixture formation process in a passenger car direct-injection diesel engine by using linear Raman spectroscopy // Applied Optics. 2005. V. 44. N 31. P. 6606–6615. doi: 10.1364/AO.44.006606
13. Egermann J., Koebcke W., Ipp W., Leipertz A. Investigation of the mixture formation inside a gasoline direct injection engine by means of linear Raman spectroscopy // Proc. 28th Int. Symposium on Combustion. Edinburg, UK, 2000. V. 28. N 1. P. 1145–1151.
14. Zhao H., Zhang S. Quantitative measurements of in-cylinder gas composition in a controlled auto-ignition combustion engine // Measurement Science and Technology. 2008. V. 19. N 1. Art. 015409. doi:
10.1088/0957-0233/19/1/015409
15. Kiefer J., Kozlov D.N., Seeger T., Leipertz A. Local fuel concentration measurements for mixture formation diagnostics using diffraction by laser-induced gratings in comparison to spontaneous Raman scattering // Journal of Raman Spectroscopy. 2008. V. 39. N 6. P. 711–721. doi: 10.1002/jrs.1965
16. Egermann J., Seeger T., Leipertz A. Application of 266-nm and 355-nm Nd:YAG laser radiation for the investigation of fuel-rich sooting hydrocarbon flames by Raman scattering // Applied Optics. 2004. V. 43. N 29. P. 5564–5574. doi: 10.1364/AO.43.005564
17. Meier W., Keck O. Laser Raman scattering in fuel-rich flames: background levels at different excitation wavelengths // Measurement Science and Technology. 2002. V. 13. N 5. P. 741–749. doi: 10.1088/0957- 0233/13/5/312
18. Meier W., Barlow R.S., Chen Y.-L., Chen J.-Y. Raman/Rayleigh/LIF measurements in a turbulent CH4/H2/N2 jet diffusion flame: experimental techniques and turbulence-chemistry interaction // Combustion and Flame. 2000. V. 123. N 3. P. 326–343. doi: 10.1016/S0010-2180(00)00171-1
19. Kojima J., Nguyen Q.-V. Single-shot rotational Raman thermometry for turbulent flames using a lowresolution bandwidth technique // Measurement Science and Technology. 2008. V. 19. N 1. Art. 015406. doi: 10.1088/0957-0233/19/1/015406
20. Gregonis D., van Wagenen R., Coleman D., Mitchell J. Commercial anesthetic. Respiratory gas monitor utilizing Raman spectroscopy // Proceedings of SPIE – The International Society of Optical Engineering. 1990. V. 1336. P. 247–255.
21. Wagenen R.A., Westenskow D.R., Benner R.E., Gregonis D.E., Coleman D.L. Dedicated monitoring of anesthetic and respiratory gases by Raman scattering // Journal of Clinical Monitoring. 1986. V. 2. N 4. P. 215– 222. doi: 10.1007/BF02851168
22. Lockwood G.G., Landon M.J., Chakrabarti M.K., Whitwam J.G. The Ohmeda Rascal II. A new gas analyser for anaesthetic use // Anaesthesia. 1994. V. 49. N 1. P. 44–53.
23. Westenskow D.R., Coleman D.L. Can the Raman scattering analyzer compete with mass spectrometers: an affirmative reply // Journal of Clinical Monitoring. 1989. V. 5. N 1. P. 34–36. doi: 10.1007/BF01618368
24. Schrader B., Bougeard D. Infrared and Raman Spectroscopy: Methods and Applications. NY: Wiley-VCH, 1995. 808 p.
25. Tobin M.C. Laser Raman Spectroscopy. In: Elving P.J., Kolthoff I.M. Chemical Analysis, a Series of Monographs on Analytical Chemistry and Its Application. V. 35. NY: Wiley-Interscience, 1971. P. 1–30.
26. Leipertz A. Nutzung von laser-Raman-verfahren in der verbrennungstechnik // Chemie-Ingenieur-Technik. 1989. V. 61. N 1. P. 39–48.
27. Seeger T. Moderne Aspekte der linearen und nichtlinearen Raman-streuung zur bestimmung thermodynamischer zustandsgrössen in der gasphase // ESYTEC Energie- und Systemtechnik. 2006. V. 6.3.
28. Herzberg G. Molecular Spectra and Molecular Structure. V. 1. Spectra of Diatomic Molecules. Krieger, Malabar, 1963. 672 p.
29. Kiefer W., Bernstein H.J., Wieser H., Danyluk M. The vapor-phase Raman spectra and the ring-puckering vibration of some deuterated analogs of trimethylene oxide // Journal of Molecular Spectroscopy. 1972. V.43. N 3. P. 393–400. doi: 10.1016/0022-2852(72)90050-1 
30. Hill R.A., Mulac A.J., Hackett C.E. Retroreflecting multipass cell for Raman scattering // Applied Optics. 1977. V. 16. N 7. P. 2004–2006. doi: 10.1364/AO.16.002004
31. Hill R.A., Hartley D.L. Focused, multiple-pass cell for Raman scattering // Applied Optics. 1974. V. 13. N 1. P. 186–192. doi: 10.1364/AO.13.000186
32. Daams H.-J., Hassel E.P. Multipass cavity: collinear and self-focusing // Applied Optics. 1983. V. 22. N 14. P. 2066–2067. doi: 10.1364/AO.22.002066
33. Santavicca D.A. A high energy, long pulse Nd: Yag laser multipass cell for Raman scattering diagnostics // Optics Communications. 1979. V. 30. N 3. P. 423–425. doi: 10.1016/0030-4018(79)90385-7
34. Waldherr G.A., Lin H. Gain analysis of an optical multipass cell for spectroscopic measurements in luminous environments // Applied Optics. 2008. V. 47. N 7. P. 901–907. doi: 10.1364/AO.47.000901
35. Losev L.L., Yoshimura Y., Otsuka H., Hirakawa Y., Imasaka T. A multipass hydrogen Raman shifter for the generation of broadband multifrequencies // Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73. N 5. P. 2200. doi:10.1063/1.1468686
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика