Методы анализа состава выдыхаемого воздуха

Для регистрации качественного и количественного составов выдыхаемого воздуха в настоящее время нашли широкое применение методы, основанные на использовании электрохимических и оптических датчиков, инфракрасных спектрометров, а также масс-спектрометров.

Электрохимические датчики [4] предназначены главным образом для анализа углекислого газа и ограничены диапазоном рабочих концентраций от 0,1×10−6 до 100×10−6. Принцип работы устройства на основе таких датчиков базируется на химической реакции анализируемого газа с электролитом, приводящей к возникновению заряженных ионов и электрического тока. Величина электрического тока пропорциональна концентрации анализируемого компонента в пробе. Устройство отличает надежность и простота. Слабыми сторонами являются невысокая чувствительность и недостаточная селективность анализа. Кроме того, срок службы электрохимических сенсоров невелик, что требует постоянной замены, как правило, каждые 2 года.

Оптические датчики [5] основаны на зависимости ряда оптических свойств среды, как, коэффициент преломления, коэффициент отражения, от концентрации кислорода. Такие датчики обладают лучшей чувствительностью и селективностью по отношению к электрохимическим датчикам. Но при наличии в выдыхаемом воздухе веществ с совпадающими спектральными характеристиками проблема точного измерения качественного и количественного составов исследуемой среды остается актуальной. Кроме того, конструктивные и функциональные особенности электрохимических и оптических датчиков не позволяют точно оценивать концентрацию химических соединений выдыхаемого воздуха помимо кислорода и углекислого газа.

В инфракрасной спектроскопии [6, 7] исследуется зависимость коэффициента пропускания излучения в инфракрасной области от содержания в ней определенного газа. Недостаток метода в его невысокой чувствительности, которая составляет не более 0,1×10−6.

По мнению авторов статьи, наиболее актуальным среди затронутых представляется метод масс-спектрометрии [8]. В медицинской практике сегодня активно используются методы анализа потребления кислорода и выделения углекислого газа. Но для проведения комплексной оценки функционального состояния человеческого организма в целях точного выявления очага галитоза требуется измерение в выдыхаемом воздухе концентраций таких соединений, как окись азота, диоксид азота, аммиак помимо кислорода и углекислого газа. Эти молекулы составляют десятые и сотые от единицы процентного содержания воздуха (концентрация менее 1×10−6). При анализе таких соединений сталкиваются с определенными сложностями. Метод измерения столь малых концентраций должен быть высокочувствительным, точным в детектировании, быстродействующим, обеспечивающим селективность детектирования. Таким образом, по данным различных исследований подход на основе масс-спектрометрии претендует на роль высокоэффективного метода анализа выдыхаемого воздуха благодаря высокой точности, селективности детектирования и чувствительности вплоть до 1×10−9 [9].

В основе масс-спектрометрической системы лежит магнитная ионно-оптическая установка, работающая по следующему принципу. Исследуемая проба вводится в вакуумный ионизатор, где подвергается бомбардировке электронного пучка, движущегося от катода к аноду. Под воздействием электронов образуются ионы молекул анализируемого вещества, которые далее, через специальную щель, направляются на электростатический конденсатор, ускоряющий и направляющий их движение к магнитному полю, также преломляющему пучок. Величина преломления в магнитном поле зависит от отношения массы иона к его заряду, поэтому на выходе пучка ионов из магнитного поля установлены детекторы, определяющие молекулу и ее концентрацию. Так как выдыхаемый воздух имеет многомолекулярный состав, каждый из ионов отдельно взятой молекулы воздуха будет иметь свою собственную уникальную траекторию движения в ионно-оптической установке.

С последним методом оценки выдыхаемого воздуха связана проблема громоздкого оборудования для проведения исследования. Изучение состава воздуха, как правило, проводят в химической лаборатории на пробах, полученных на приеме у врача либо при кардиопульмональном нагрузочном тестировании [10]. То есть для проведения анализа необходима дополнительная индустрия сбора, транспортировки, хранения и утилизации образцов.

В настоящее время авторы статьи решают задачу разработки портативного масс-спектрометра, способного проводить анализ выдыхаемого воздуха в режиме времени, приближенного к реальному. Основной упор направлен на высокоточное измерение концентраций кислорода, углекислого газа, окиси азота, двуокиси азота, ацетона, которые являются первостепенными естественными биомаркерами заболеваний, признаком которых является галитоз.

Система измерения портативного масс-спектрометра реализуется по следующей схеме (рис. 1):

Рис. 1. ? Блок-схема масс-спектрометрической системы

В состав разрабатываемого масс-спектрометрического прибора входит вакуумный пост с двухступенчатой системой откачки, система ввода газов и летучих соединений, магнитный статический масс-спектрометр, оснащенный источником с электронной ионизацией, блок электроники и пакет программного обеспечения. Предусмотрен прямой ввод газовой пробы через капилляр либо ввод пробы через мембранную систему с возможностью варьирования параметров введения образца. Управление системой осуществляется с помощью компьютера через последовательный или USB порт.

Точное определение состава и концентрации конкретных молекул требует выполнения серии экспериментов на образцах по причине того, что каждый из ионов имеет уникальную траекторию движения в портативном масс-спектрометре. Результаты измерений для кислорода и углекислого газа, полученные на этапе тестирования прибора, представлены на рис. 2. Регистрация процесса дыхания при введении газовой пробы через мембранную систему дает более точные результаты по сравнению с прямым вводом исследуемого образца через капилляр.

Рис. 2. ? Результаты мониторинга процесса дыхания при введении газовой пробы через мембранную систему

Таким образом, предлагаемый подход на основе портативного масс-спектрометра показывает на этапе разработки прибора достаточную точность для выявления содержания кислорода и углекислого газа в процессе дыхания, но требуется усовершенствование системы ввода проб и масс-анализатора для точного определения других важных биомаркеров заболеваний, напрямую связанных с галитозом.