Atemalkoholbestimmung

Ein Sensor zur Atemalkoholbestimmung ist eine Messeinheit zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in der Atemluft. Nach Genuss von alkoholhaltigen Substanzen findet in den Lungenbläschen (Alveolen) ein Gasaustausch zwischen der Atemluft und dem aufgenommenem Alkohol statt. Der im peripheren Blut enthaltene Alkohol wird von der eingeatmeten Frischluft aufgenommen und mit der Ausatmungsluft abgegeben, wodurch eine Messung erfolgen kann.

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Einteilung

Generell gibt es mehrere Verfahren zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in der Atemluft. Nachfolgend werden die drei häufigsten angewendeten Verfahren erläutert.

Halbleitersensor

Wird ein Halbleitersensor einem gasförmigen Stoff aus der Umgebungsluft ausgesetzt, so reagiert dieser mit Änderung der Elektrischen Leitfähigkeit der gasempfindlichen Sensorschicht. Als sensitive Schicht werden oftmals halbleitende Metalloxide eingesetzt. Typisch hierfür sind Zinndioxid, Wolframoxid, Titandioxid und Zinkoxid. Da diese einen großen Bandabstand haben, müssen sie im Betrieb auf Temperaturen zwischen 200ºC und 600 ºC geheizt werden, damit eine gute Eigenleitfähigkeit einsetzt. Dabei findet eine reversible Absorption von Sauerstoffmolekülen an der Oberfläche der Sensorschicht statt. Bei diesen hohen Temperaturen können die absorbierten Sauerstoffmoleküle dem Leitungsband des Detektors Elektronen entziehen, wodurch ein Zustand verringerter Leitfähigkeit entsteht. Treten nun Gase wie z.B. Ethanol mit der Oberfläche des Sensors in Kontakt, findet unter Verbrauch der Sauerstoffmoleküle eine Oxidation statt. Dabei werden die Elektronen wieder an das Leitungsband zurückgegeben und es stellt sich wieder eine erhöhte Leitfähigkeit ein. Alkoholtester mit Halbleitersensoren messen nicht nur Ethanol, unter anderem reagieren sie auch auf:

• Kohlenmonoxid (bei Rauchern)
• Aceton (bei Personen mit Diabetes)
• Ammoniak (bei Personen mit Leber- und Stoffwechselerkrankungen)

Infrarotsensor

Bei diesem Messverfahren kommt das Prinzip der Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) zum Einsatz. Eine Lichtquelle sendet im infraroten Spektralbereich Licht verschiedener Wellenlänge aus. Das Licht durchtritt zwei Fenster und ein Interferenzfilter. Der Interferenzfilter lässt nur eine bestimmte Wellenlänge im Bereich von etwa 9,5 μm durch. Ein Detektor misst die Intensität des ankommenden Lichts und übermittelt das entsprechende Signal an die weiterverarbeitende Elektronik. Befindet sich zwischen den beiden Fenstern ein Gas(Ethanol), absorbiert das Gas diese bestimmte Wellenlänge des Lichts. Somit nimmt die Lichtintensität am Detektor und damit sein elektronisches Ausgangssignal ab. Diese Abnahme ist umso stärker, je länger des Weg des Lichtweges ist und umso größer das Gaskonzentrat (Ethanolkonzentrat).

Elektrochemischer Sensor

Das Verfahren zur Atemalkoholbestimmung mittels elektrochemischen Sensors arbeitet nach dem Prinzip der Brennstoffzelle. In solch einem Messsystem befinden sich eine Messelektrode, eine Gegenelektrode und eine geringe Menge an Elektrolyt. Der Elektrolyt und das Elektrodenmaterial sind so gewählt, dass der zu analysierende Stoff (Alkohol) an der Katalysatorschicht der Messelektrode elektrochemisch oxidiert wird. Auf der Gegenseite wird an der Kathode Umgebungssauerstoff entzogen. Dabei entsteht ein Elektrodenstrom, der über einen Lastwiderstand gemessen werden kann. Auch hier können andere Substanzen fälschlicherweise erkannt werden, wie z.B.:

• Methanol
• Kohlenmonoxid (bei Rauchern)
• Kohlendioxid
• Aceton (bei Personen mit Diabetes)
• Isopropanol
• Acetaldehyd
• Eucalyptol (nach dem Genuss von Süßwaren)
• Ammoniak (bei Personen mit Leber- und Stoffwechselerkrankungen)
• Kohlenwasserstoffe

Datenverarbeitung

In allen Verfahren werden die elektrischen Signale verstärkt und Störungen so gut wie es geht herausgefiltert. Die Signale werden von einer Elektronik verarbeitet und das Ergebnis auf einem Display angezeigt. Beim ersten Verfahren (Halbleitersensor) wird ein Strom gemessen, der sich mit der Leitfähigkeitsänderung des Sensors ändert. Steigt der Alkoholgehalt an, so wird die Leitfähigkeit größer und somit auch der zumessende Strom. Im zweiten Verfahren (Infrarotsensor) wird die ankommende Lichtintensität mit einem Detektor gemessen. Strahlt das Licht durch eine höhere Konzentration an Alkohol wird die ankommende Lichtintensität geringer und somit das Signal. Im letzten Verfahren (Elektrochemischer Sensor) erfolgt eine Messung des Stroms über die Zeit. Somit wird die komplette elektrische Ladung bestimmt, die während der elektrochemischen Reaktion entstehen. Umso größer der Alkoholanteil in der Luft ist, umso größer wird die Ladung.

Anwendungsgebiet

Das Hauptanwendungsgebiet dieser Sensoren zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in der Atemluft ist sicherlich im Straßenverkehr durch Verkehrskontrollen der Polizei. Sie lassen sich aber auch in der Medizin und als sogenannte "Alhoholtester" im privaten Gebrauch wiederfinden.

Gerätebeispiel

Seit 1998 sind in Deutschland vor Gericht Messerergebnisse elektronischer Atemalkoholbestimmungsgeräte zugelassen. Bis heute wird aber nur das Dräger Alcotest 7110 Evidential anerkannt, da mit diesem Gerät sehr präzise durch zwei unterschiedliche Messverfahren, der Atemalkoholgehalt bestimmt werden kann.

Siehe auch

• Alcotest
• Spektroskopie
• IR-Spektroskopie
• Gassensor

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