Мобильный диагностический комплекс для экспрессного количественного определения ацетона в выдыхаемом воздухе
Аннотация
Анализ летучих соединений в выдыхаемом воздухе является основой неинвазивной диагностики биомаркеров метаболических нарушений здоровья и выявления факторов риска развития патологических процессов с целью выявления заболеваний на ранних стадиях. Ацетон в выдыхаемом воздухе является биомаркером диабета, содержание его в количестве более 0.9 ррm является признаком развития болезни. Представлен мобильный диагностический комплекс на основе портативного газового микрохроматографа «ПИА и разработана методика экспрессного количественного определения ацетона в пробах выдыхаемого воздуха. Конфигурация аналитической системы включает в себя планарные микрофлюидные колонки внутренним сечением 0.8 мм2, заполненные сорбентом Carbopack B (фракция 80-100 МЕШ). и термокаталитический детектор и оснащена термодесорбером. Методика предназначена для количественного определения ацетона в диапазоне концентраций от 0.1 ррm до
10 ррm, время анализа составляет 3 минуты. Проведена оценка возможных источников неопределенностей стадий отбора пробы, подготовки и калибровки. Изучены возможности и ограничения применения различных калибровочных смесей: поверочные газовые смеси, газовые смеси, приготовленные в статических условиях методом анализа равновесной паровой фазы, статическим волюметрическим методом и хромато-десорбционным способом в дискретном режиме. Установлено, что целесообразно приготовление калибровочных смесей непосредственно перед проведением анализа. Установлено, что для диагностики функциональных нарушений (0.9-2 ррm) и нормотипичного уровня (менее 0.9 ррm) ацетона в выдыхаемом воздухе при его количественном определении необходимо использовать калибровочные газовые смеси, получаемые волюметрическим или хромато-десорбционным способом, обеспечивающих снижение вклада этапа калибровки в общий бюджет неопределенности методики до 10-30%. Даны рекомендации по установлению прослеживаемости и аттестации массовой доли ацетона в калибровочных газовых смесях с использованием динамической установки «Микрогаз» в термодиффузионном режиме с источниками микропотоков. Выявлены методические приемы снижения суммарной неопределенности методики. Даны рекомендации по перспективам использования хромато-десорбционных систем для пробоподготовки и концентрирования проб выдыхаемого воздуха в условиях идентичных калибровочным и снижения предела обнаружения методики.
Скачивания
Литература
Vsemirnaya organizaciya zdra-voohraneniya. Global'nyj doklad po dia-betu. ZHeneva, 2018, 88 p. (In Russ.)
Sagnik Das, Mrinal Pal. Non-Invasive Monitoring of Human Health by Exhaled Breath Analysis: A Comprehensive Re-view, Journal of The Electrochemical So-ciety, 2020; 167: 037562. https://doi.org/10.11491945-7111/ab67a6
Kopylov F.Yu., Syrkin A.L., Chomahidze P.Sh., Bykova A.A., Shaltaeva Yu.R., Belyakov V.V., Pershenkov V.S., Samotaev N.N., Golovin A.V., Vasil'ev V.K., Malkin E.K., Gromov E.A., Ivanov I.A., Lipatov D.YU., YAkovlev D.Yu.Perspektivy diagnostiki razlichnyh zabolevanij po sostavu vydyhaemogo vozduha, Klinicheskaya medicina. 2013; 10: 16-21. (In Russ.)
Kulikov V.Yu., Ruyatkina L.A., So-rokin M.Yu., Shabanova E.S., Baldin M.N., Gruznov V.M., Efimenko A.P., Petrovskij D.V., Shnajder E.P., Moshkin M.P. Vzai-mosvyaz' mezhdu soderzhaniem v vydy-haemom vozduhe acetona i osobenno-styami metabolicheskih narushenij u bol'n-yh saharnym diabetom pervogo i vtorogo tipov [Elektronnyj resurs] Medicina i obra-zovanie v Sibiri: elektronnyj nauchnyj zhurnal. 2011; 1: 2. (In Russ.)
Rydosz A. Micropreconcentrator in LTCC Technology with Mass Spectrometry for the Detection of Acetone in Healthy and Type-1 Diabetes Mellitus Patient Breath. Metabolites. 2014; 4(4): 921-931. https://doi.org/10.3390/metabo4040921
Toyooka T., Hiyama S., Yamada Y. A prototype portable breath acetone analyzer for monitoring fat loss. J Breath Res. 2013; 7(3): 036005. https://doi.org/10.1088/1752-7155/7/3/036005
Anderson J.C. Measuring breath ace-tone for monitoring fat loss: Review. Obe-sity (Silver Spring). 2015; 23(12): 2327-2334. https://doi.org/10.1002/oby.21242
Issitt Th., Wiggins L., Veysey M., Sweeney S.T., Brackenbury W.J., Redeker K. Volatile compounds in human breath: critical review and meta-analysis. Journal of Breath Research. 2022; 16(2): 024001. https://doi.org/10.1088/1752-7163/ac5230
Miekisch W., Schubert J.K., Noeldge-Schomburg G.F.E. Diagnostic potential of breath analysis--focus on volatile organic compounds. Clin Chim Acta. 2004; 347(1-2): 25-39. https://doi.org/10.1016/j.cccn.2004.04.023
Gashimova E.M., Temerdashev A.Z., Porhanov V.A., Polyakov I.S., Pe-runov D.V. Letuchie organicheskie soedi-neniya v vydyhaemom vozduhe kak bi-omarkery raka legkih. Dostizheniya i vozmozhnye problem. ZHurnal analitich-eskoj khimii. 2022; 77(7): 585-615. (In Russ.)
Gashimova E.M., Temerdashev A.Z., Porhanov V.A., Polyakov I.S., Pe-runov D.V., Osipova A.K., Dmitrieva E.V. Ocenka vozmozhnosti differencirovaniya gi-stologicheskogo tipa i lokalizacii opuholi u pacientov s rakom legkih po sostavu vydyhaemogo vozduha. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2021; 76(8): 723-729. (In Russ.)
Ryabtsev S.V., Shaposhnick A.V., Lukin A.N., Domashevskaya E.P. Applica-tion of semiconductor gas sensors for med-ical diagnostics. Sensors and Actuators B: Chemical. 1999; 59(1): 26-29.
Shaposhnik A., Zviagin A., Sizask E., Vasiliev A. Acetone and Ethanol Selec-tive Detection by a Single MOX-sensor. Procedia Engineering. 2014; 87: 1051-1054.
Zvyagin A.A., SHaposhnik A.V., Ryabcev S.V., SHaposhnik D.A., Vasil'ev A.A., Nazarenko I.N. Opredelenie parov acetona i etanola poluprovodnikovymi sen-sorami. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2010; 65(1): 96-100. (In Russ.)
Saasa V., Malwela Th., Beukes M., Mokgotho M., Liu Ch.-P., Mwakikunga B. Sensing Technologies for Detection of Acetone in Human Breath for Diabetes Diag-nosis and Monitoring. Diagnostics. 2018; 8 (1): 12. https://doi.org/10.3390/diagnostics8010012
Hashoul D, Haick H. Sensors for de-tecting pulmonary diseases from exhaled breath. Eur Respir Rev. 2019; 28: 190011. https://doi.org/10.1183/16000617.0011-2019
Malysheva A.O., Baldin M.N., Gruznov V.M., Blinova L.V. Vnelaboratornyj ekspressnyj gazohromatograficheskij metod analiza vydyhaemogo chelovekom vozduha s avtomatizirovannoj graduirovkoj. Analitika i kontrol'. 2018; 22(2): 177-185. (In Russ.)
Gashimova E.M., Temerdashev A.Z., Porhanov V.A., Polyakov I.S., Pe-runov D.V., Azaryan A.A., Dmitrieva E.V. Ocenka vozmozhnosti gazohromato-graficheskogo opredeleniya letuchih organicheskih soedinenij v vydyhaemom vozduhe dlya neinvazivnoj diagnostiki raka legkih. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2019; 74(5): 365-372. (In Russ.)
Gashimova E.M., Temerdashev A.Z., Porhanov V.A., Polyakov I.S., Pe-runov D.V., Azaryan A.A., Dmitrieva E.V. Primenenie analiza vydyhaemogo vozduha dlya identifikacii markerov raka legkih. Zlokachestvennye opukholi. 2019; 9(3): 1-66. (In Russ.)
Baldin M.N., Simakov V.A., Gruz-nov V.M., Moshkin M.P., Kozlov V.A., Firsov A.P. Probootbornik dlya gazovogo analiza vydyhaemogo vozduha. Patent na poleznuyu model' RU 117078 U1, 20.06.2012. Zayavka № 2012106953/15 ot 27.02.2012.
Di Francesco F., Loccioni C., Fio-ravanti M., Russo A., Pioggia G., Ferro M., Roehrer I., Tabucchi1 S., Onor M. Imple-mentation of Fowler’s method for endtidal air sampling. Journal of Breath Research. 2008; 2(3): 037009. https://doi.org/10.1088/1752-7155/2/3/037009
Di Gilio A., Palmisani J., Ventrella G., Facchini L., Catino A., Varesano N., Pizzutilo P., Galetta D., Borelli M., Barbie-ri P., Licen S., de Gennaro G. Breath Anal-ysis: Comparison among Methodological Approaches for Breath Sampling. Mole-cules. 2020; 25(24): 5823. https://doi.org/10.3390/molecules25245823
Harshman S.W., Pitsch R.L., Da-vidson C.N., Lee E.M., Scott A.M., Hill E.M., Mainali P., Brooks Z.E., Strayer K.E., Schaeublin N.M., Wiens T.L., Broth-ers M.C., Drummond L.A., Yamamoto D.P., Martin J.A. Evaluation of a Standard-ized Collection Device for Exhaled Breath Sampling onto Thermal Desorption Tubes. Journal of Breath Research. 2020; 14: 036004. https://doi.org/10.1088/1752-7163/ab7e3b
Chuchalin A.G., Kudryavcev V.B., Alekseev D.V., Anaev E.H., Anohina T.N., Nosov M.V., Revel'skij A.I., Revel'skij I.A., Rodionov A.A. Matematiko-komp'yuternaya obrabotka kvveksperimentov po raspoznavaniyu legochnyh zabolevanij. Intellektual'nye sistemy. 2011; 15(1-4): 265-290. (In Russ.)
Malysheva A.O., Baldin M.H., Gruznov B.M. Opredelenie koefficientov raspredeleniya letuchih organicheskih veshchestv v sisteme zhidkost'vozduh dlya sozdaniya graduirovochnyh gazoobraznyh obrazcov so sledovymi koncentraciyami veshchestv. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2017; 72(10): 867-871. (In Russ.)
Španěl P., Dryahina K., Smith D. A quantitative study of the influence of in-haled compounds on their concentrations in exhaled breath. Journal of Breath Re-search. 2013; 7(1): 017106. https://doi.org/10.1088/1752-7155/7/1/017106
Herbig J. Buffered end–tidal (BET) sampling – a novel method for real–time breath–gas analysis. Journal of Breath Re-search. 2008; 2(3):037008. https://doi.org/
1088/1752-7155/2/3/037008
Anderson J. Modeling soluble gas exchange in the airways and alveoli. An-nals of Biomedical Engineering. 2003; 31(11): 1402-22. https://doi.org/10.1114/1.1630600
Schubert J. CO2-controlled sampling of alveolar gas in mechanically ventilated patients. Journal of Applied Physiology. 2001; 90(2): 486-492.
Phillips M. Method for the Collec-tion and Assay of Volatile Organic Com-pounds in Breath. Analytical Biochemistry. 1997; 247(2): 272-278.
Miekisch W. Impact of sampling procedures on the results of breath analysis. Journal of Breath Research. 2008; 2(2): 026007. https://doi.org/10.1088/1752-7155/2/2/026007
Sukul P. Immediate effects of breath holding maneuvers onto composition of exhaled breath. Journal of Breath Re-search. 2014; 8(3): 037102. https://doi.org/10.1088/1752-7155/8/3/037102
Rodinkov O.V., Bugajchenko A.S., Moskvin L.N. Staticheskij parofaz-nyj ana-liz i ego sovremennoe sostoyanie. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2020; 75(1): 3-23. (In Russ.)
GOST R ISO 6144-2008. Nacional'nyj standart rossijskoj federacii analiz gazov. Prigotovlenie graduirovochnyh gazovyh smesej. Staticheskij ob"emnyj metod. Gas analysis. Preparation of calibra-tion gas mixtures. Static volumetric meth-od. (In Russ.)
Platonov I.A., Kolesnichenko I.N., Novikova E.A., Pavlova L.V. Ispol'zovanie sorbcionnyh mikrosistem dlya sozdaniya obrazcov sostava letuchih organicheskih soedinenij. Izmeritel'naya tekhnika. 2019; 7: 62-66. (In Russ.)
Platonov I.A., Kolesnichenko I.N., Novikova E.A., Muhanova I.M. po-luchenie gazovyh smesej izvestnogo sosta-va dinamicheskimi metodami. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2017; 17(3): 378-387. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2017.17/391 (In Russ.)
ZHuravleva G.A. Zakonomernosti uderzhivaniya N, O, S-soderzhashchih or-ga-nicheskih soedinenij iz gazovoj fazy sorbentami na osnove solej perekhodnyh metallov // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2017; 17(5): 750-755. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2017.17/435 (In Russ.)
Vitenberg A.G., Konopel'ko L.A. Parofaznyj gazohromatograficheskij analiz: metrologicheskie prilozheniya. ZHurnal analiticheskoj khimii. 2011; 66(5): 452-472. (In Russ.)
