This thesis deals with the development of photoacoustic sensor systems designed to detect specific VOC biomarkers, with the focus on acetone and isoprene, in human breath. These VOCs are of particular interest because of their relatively high abundance and correlation with known metabolic processes. The research presented here begins with a review of the current state of breath analysis and ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis deals with the development of photoacoustic sensor systems designed to detect specific VOC biomarkers, with the focus on acetone and isoprene, in human breath. These VOCs are of particular interest because of their relatively high abundance and correlation with known metabolic processes. The research presented here begins with a review of the current state of breath analysis and sampling techniques, with a focus on the physiological and metabolic effects that influence the composition of exhaled VOCs. The underlying principles of photoacoustic signal generation are explored in detail, followed by a description of the specifications for photoacoustic sensor development in terms of breath analysis. Key challenges include the development of robust sensor systems that account for cross-sensitivities of environmental factors such as temperature, humidity, and pressure, as well as spectral interference from other compounds in breath. Besides, the experimental work includes the verification and characterization of various sensor systems, with a special focus on a cost-effective approach using an UV-LED for acetone detection. The performance of the systems is validated through measurements of real breath samples, with results compared against those obtained using a real-time mass spectrometer (PTR-ToF-MS). These findings represent a significant step towards the development of a future PoC device capable of non-invasive breath analysis. Additionally, topics such as the explanation of relaxation effects and the investigation of biomarkers like methane, ethane, acetylene, ethanol, and OCS are also examined. In summary, this thesis contributes to the growing field of breath analysis by presenting a comprehensive approach to develop photoacoustic sensor systems for VOC detection. The work demonstrates the potential of PAS as a cost-effective, sensitive, and selective technology for use in non-invasive diagnostics, paving the way for future PoC devices.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung photoakustischer Sensorsysteme zur Detektion spezifischer VOC-Biomarker in der menschlichen Atemluft, insbesondere Aceton und Isopren. Diese flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) sind von besonderem Interesse, da sie in vergleichsweise hohen Konzentrationen vorkommen und mit bekannten Stoffwechselprozessen korrelieren. Zunächst erfolgt eine ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung photoakustischer Sensorsysteme zur Detektion spezifischer VOC-Biomarker in der menschlichen Atemluft, insbesondere Aceton und Isopren. Diese flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) sind von besonderem Interesse, da sie in vergleichsweise hohen Konzentrationen vorkommen und mit bekannten Stoffwechselprozessen korrelieren. Zunächst erfolgt eine Übersicht über den aktuellen Stand der Atemgasanalyse und Probenahmetechniken, wobei insbesondere physiologische und metabolische Einflüsse auf die Zusammensetzung ausgeatmeter VOCs betrachtet werden. Anschließend werden die grundlegenden Prinzipien der photoakustischen Signalerzeugung detailliert erläutert, gefolgt von einer Beschreibung der Anforderungen an die Entwicklung photoakustischer Sensoren für die Atemanalyse.
Zu den zentralen Herausforderungen zählen die Entwicklung robuster Sensorsysteme, die Querempfindlichkeiten gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck berücksichtigen, sowie spektrale Interferenzen durch andere in der Atemluft enthaltene Verbindungen minimieren. Im experimentellen Teil werden verschiedene Sensorsysteme verifiziert und charakterisiert, wobei ein besonderer Fokus auf eine kostengünstige Lösung mit einer UV-LED zur Acetondetektion gelegt wird. Die Leistungsfähigkeit der Systeme wird durch Messungen an realen Atemproben validiert und mit Ergebnissen eines Echtzeit-Massenspektrometers (PTR-ToF-MS) verglichen.
Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung eines zukünftigen Point-of-Care-(PoC)-Geräts für die nicht-invasive Atemgasanalyse dar. Darüber hinaus werden Themen wie Relaxationseffekte sowie die Untersuchung weiterer Biomarker wie Methan, Ethan, Acetylen, Ethanol und OCS behandelt.
Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur wachsenden Forschungsdisziplin der Atemgasanalyse, indem sie einen umfassenden Ansatz zur Entwicklung photoakustischer Sensorsysteme für die VOC-Detektion präsentiert. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der Photoakustischen Spektroskopie (PAS) als kosteneffiziente, empfindliche und selektive Technologie für die nicht-invasive Diagnostik und ebnen den Weg für zukünftige PoC-Geräte.
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