Ammoniak ist ein wichtiger physiologischer Metabolit, der für verschiedene Krankheits- und Wellnesszustände relevant ist. Es ist auch ein schwer im Atem zu messendes Molekül, was besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordert, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Nicht alle Faktoren, die Ammoniak beeinflussen, sind bekannt, aber ohne Berücksichtigung dieser Faktoren kann der Fortschritt schwierig sein.
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Methodenartikel
Schnelle und genaue Messung der ausgeatmeten Luft Ammoniak
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Diese Ammoniakmethode für den ausgeatmeten Atem verwendet eine schnelle und hochempfindliche spektroskopische Methode, die als quarzverstärkte photoakustische Spektroskopie (QEPAS) bekannt ist und einen Quantenkaskadenlaser verwendet. Der Monitor ist an einen Probenehmer gekoppelt, der den Munddruck und das Kohlendioxid misst. Das System ist temperaturgesteuert und speziell auf die Reaktivität dieser Verbindung ausgelegt. Der Probenehmer gibt dem Probanden und dem Techniker unmittelbares Feedback über die Qualität der Atemanstrengung. Zusammen mit der schnellen Ansprechzeit des Monitors ist dieses System in der Lage, das ausgeatmete Ammoniak genau zu messen, das für die systemischen Werte der tiefen Lunge repräsentativ ist.
Da das System einfach zu bedienen ist und Echtzeitergebnisse liefert, hat es Experimente ermöglicht, Faktoren zu identifizieren, die Messungen beeinflussen. So beeinflussen beispielsweise die Mundspülung und der orale pH-Wert reproduzierbar und signifikant das Ergebnis und müssen daher kontrolliert werden. Temperatur und Art der Atmung sind weitere Beispiele. Mit zunehmendem Verständnis dieser Faktoren werden Fehler reduziert und klinische Studien werden aussagekräftiger. Dieses System ist sehr zuverlässig und individuelle Messungen sind kostengünstig.
Der Sampler ist relativ preiswert und ziemlich tragbar, aber der Monitor ist keines von beiden. Dies schränkt die Optionen für einige klinische Studien ein und bietet eine Begründung für zukünftige Innovationen.
Einleitung
Ammoniak ist ein Nebenprodukt der allgegenwärtigen Eiweißstoffwechsel ein. Ammoniak-Messung kann somit dazu beitragen, Ärzte beurteilen verschiedene Krankheitszustände und Wellness 2. Allerdings ist Ammoniak schwierig, genau zu messen, über Blut-oder Atem, denn es ist sehr reaktiv. Obwohl häufig verwendet werden, haben Bluttests zahlreiche Nachteile, einschließlich der grundlegenden Bedenken hinsichtlich Genauigkeit 3. Aber das große Problem mit Blut-Tests ist die Realität, dass sie immer nur episodisch gesammelt. Dies ist wichtig, da Ammoniak Physiologie, ähnlich wie Blutzucker und viele andere Stoffwechselprozesse, sind fließend und ständig wechselnden 4. Im Gegensatz dazu sind Atem-Tests vollständig nicht-invasive und schnell, so dass dadurch leicht wiederholten Maßnahmen. So ist Atem Ammoniak Mess attraktiv, weil es eine ernste ungedeckten Bedarf in einer einzigartigen Weise zu adressieren.
Atem-Sammlung stellt jedoch einzigartig Bedenken. Während Aderlass von Natur trägt die jeobei der Atmung mit der Mundschleimhaut Variabilität, Verschmutzung: Pardy Fehler in mehreren unvorhersehbare Weise (zB Tourniquet Zeit, Schweiß Verschmutzung, Blutzell Hämolyse, Verzögerung bei der Labormessung, usw. 5), Atem-Messung müssen die Forscher mit einer anderen Gruppe von neuen Herausforderungen zu kämpfen oder bakterielle Ammoniak, Einfluss der Umgebungsluft und Gerät Feuchtigkeit und Temperatur, usw. 6. In der Tat ist es nicht ratsam, die Aufgabe in Verbindung experimentelle Ausstattung für Menschen mit experimentellen Verfahren zu entdecken, unbekannte Biologie unterschätzen. In Teil wegen dieser Hindernisse hat Atem Ammoniak noch nicht erfüllt sein Potenzial.
Hier präsentieren wir unseren Atem Ammoniak Messprotokoll für die schnelle und genaue Ergebnisse. Unser Protokoll hat Kraft in drei Bereichen: der Monitor, die Schnittstelle Sampler, und die Aufmerksamkeit auf die menschliche Einflüsse. Der Monitor wurde von den Kollegen an der Rice University, wie zuvor beschrieben 7 gebaut. Die Basis der MEAsung ein Quarz verbesserte photoakustische Spektroskopie (QEPAS) Technik, die eine piezoelektrische Quarz Stimmgabel nach einem akustischen Wandler verwendet. Photoakustische Effekt tritt auf, wenn Schallwellen werden durch die Absorption der Laserstrahlung moduliert wird, indem Zielspurengase erzeugt. Das Spurengas unter Verwendung eines akustischen Zelle, die akustisch an die Resonanzfrequenz moduliert wird detektiert. Eine Absorptionswellenlänge für Ammoniak wurde ausgewählt, die frei von spektralen Interferenzen von störenden Arten in Atem. Für die Zwecke der menschlichen Ausatemluft Messung, die wichtigsten Merkmale der Monitor umfassen eine große Messbereich (von ~ 50 Teilen pro Milliarde, ppb bis mindestens 5000 ppb) und Geschwindigkeit (1 sec. Messungen). Die Geschwindigkeit des Monitors ermöglicht Zeitauflösung in der gesamten Atemzyklus.
Der Monitor ist mit einem speziell entwickelten Atem-Sampler gekoppelt. Der Probennehmer besteht aus einem Drucksensor und capnograph. Es zeigt und archiviert EchtzeitMessungen der Munddruck und Kohlendioxid sowie die Ammoniakkonzentration durch den Sensor bestimmt wird. Dieses Tool daher ermöglicht dem Techniker, die Qualität der Atemaufwand zu bewerten, da der Atem gesammelt. Dies ermöglicht uns, die Empfehlungen für die Analyse von Atem Stickstoffmonoxid (NO Fe) von Task Force der American Thoracic Society / European Respiratory Society (ATS / ERS) 8 vorgeschlagen überschreiten. Für alle Atemproben wurde ein Einweg-Einweg-In-Line-Ventil an der Mund-Port des Atem-Sampler verwendet.
Aufgrund der Geschwindigkeit des durch den Abtaster vorgesehen Monitor und die Qualitätskontrollen, waren wir in der Lage, genau zu beurteilen menschliche Einflüsse 9. Die meisten Themen, zum Beispiel, zunächst hyperventilieren, wenn angewiesen, um zu atmen. Andere wichtige Einflüsse, wie oralen pH und Mundspülungen, Temperaturen des Samplers, zu überwachen und alle zugehörigen Schläuche, und die Art der Atmung, wurden dann untersucht, und die Basis for die beispielhaften Experimente unten.
Schließlich, und vielleicht am wichtigsten ist, muß betont werden, daß mehrere Gruppen erfahrenen Mess Atem Ammoniak mit ganz anderen Sensoren und Messverfahren. Diese können wichtige Vorteile und Gültigkeit. Eine vollständige Vergleich würde den Rahmen der vorliegenden Arbeit 10,11,12.
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Protokoll
1. Vorbereitung der Instrumente
- Schalten Sie die externe Stromversorgung des Ammoniak optische Sensorplattform, Laser-Diode-Controller, einem speziell angefertigten Steuerelektronik (CEU), der Atem Sampler, Luftpumpe, und Laptop.
- Überprüfen Sie, dass sowohl die Abgas-und Kühlventilatoren der Ammoniaksensor in Betrieb sind. Hinweis: eine in der Rückseite des Sensors befindet, wird die zweite innerhalb des Sensors, die leicht zugänglich ist, gefunden.
- Sicherstellen, dass die akustischen Erfassungsmodul und das Nadelventil Temperatur bei 38,0 ° C, indem die Digitalanzeige auf der Seite der Ammoniaksensor Kasten. Warten Sie etwa 35 Minuten von der Zeit, der Sensor für die Temperaturleistung zu stabilisieren, zur Verfügung gestellt.
- Stellen Zulaufschlauch und Mundstück Temperatur bis 55 ° C, indem Sie auf ein Icon Name "ChangeT" auf dem Desktop des Atem-Sampler gefunden. Die Temperatur kann dann durch Klicken auf den Pfeil nach oben oder unten, gefolgt von einem Klick auf "Upd geändert werdenaß Temp ". Klicken Sie auf "Exit", um zum Desktop zurückzukehren. Damit das System mindestens 5 min für die Temperatur zu stabilisieren. Aufrechterhalten der Temperatur des Probennehmers und Schläuche auf 55 ° C verringert die Oberflächenverlust von Ammoniak.
- Öffnen Sie die Software auf dem Laptop, die den Ammoniaksensor steuert. Das Programm kann in einem Ordner mit dem Namen "NH 3 Atem-Sensor-Programm" auf den Desktop zugegriffen werden kann. In diesem Ordner, muss der Benutzer auf das Symbol "Haupt LabVIEW-Software" zu wählen. Dieser Ordner enthält mehrere Anwendungen, aber der Benutzer muss "Mainsequence.vi" wählen, um die gewünschte Schnittstelle zugreifen. Wählen Sie "Run" in der oberen linken Ecke des Bildschirms. HINWEIS: Damit beginnt die Sperrlinie Kalibrierungssequenz. Der Laser des QEPAS Monitor arbeitet auf einem optimalen Strom, der während eines automatisierten Leitungssperrprozedur ausgewählt. Dieser Prozess wird etwa 25 Minuten dauern.
- Erstellen Sie eine neue Sitzung auf dem Sampler, so dass each Thema Sitzung hat seine eigene Datei, die auf einem angeschlossenen Flash-Laufwerk gespeichert sind. HINWEIS: Dies wird durch Öffnen des Programms "Breath Sampler" auf dem Desktop des Samplers gefunden durchgeführt. Es gibt Raum, um die Sitzung entsprechend zu identifizieren. Alle während der Sitzung erzeugten Daten werden in dem Flash-Laufwerk unter dieser Kennung gespeichert werden. Das Datum des Experiments ist in der Regel als Teil des Dateinamens verwendet. Die Einlass-und Mundstück Temperatur muss vor dem Eintritt in den Atem-Probenprogramm eingestellt werden.
- Legen Sie eine neue Einweg-Mundstück in das Einlassrohr. Einweghandschuhe tragen, um eine Kontaminierung Mundstück mit Ammoniak aus den Fingern.
2. Atem Probenentnahme
HINWEIS: Die relevante Institutional Review Board (Ethikrat) muss jede Studie, die menschlichen Probanden beinhaltet genehmigen. Es gibt viele Faktoren, die den Atem Ammoniak drastisch beeinflussen können. Diese Faktoren können den Atem Ammoniak-Messungen durch eine direkt ändernffecting systemische Ammoniak-Werte werden oder die Reise der Atem Metaboliten von der Lunge zu den Instrumenten.
- Stellen Sie sicher, Themen kommen an das Labor in einem nüchternen Zustand, nachdem sie keine Nahrung für etwa 12 Stunden bei der Ankunft, und dass sie von der Übung am Morgen vor der Prüfung verzichtet haben verbraucht.
- Sicherzustellen, dass keine Substanz in den Mund für mindestens 1 Stunde vor der Datenerfassung eingeführt. Stellen Sie sicher, dass die Probanden ihre Zähne zu putzen größer als 1 Stunde vor der Prüfung.
- Setzen Sie das Motiv vor der Ammoniaksensor. Weisen Sie das Thema, um das Einlassrohr zu halten, und sicherstellen, dass sie das Mundstück nicht berühren, um Ammoniak Kontamination zu vermeiden.
- Klicken Sie auf "Start" auf dem Sampler-Schnittstelle. Haben das Thema in das Mundstück ausatmen so lange, wie sie können, oder bis der Betreiber hält die Probe ausreichend zu sein. HINWEIS: Dies ist ein Einzelvoll Ausatmung dauert mindestens 10 Sekunden. Munddruck wird in Echtzeit gemessen als Surrogatfür Durchflussrate. Eine farbcodierte Manometer hilft dem Gegenstand herstellen und den gewünschten Ausatmung Druck von 10 cm Wassersäule, die ein Ausatmungsventil Flussrate von 50 ml / sec darstellt. Diese Fließgeschwindigkeit wurde gewählt, da sie von der ATS / ERS für das Protokoll zu bestimmen, Fe NO angenommen wurde. Das Ausatmen Flussrate von Kindern und Erwachsenen zu erreichen ist. Ähnlich sollte drei reproduzierbaren Ausdünstungen erhalten werden, die um weniger als 10% unterscheiden.
- Klicken Sie auf "Stop" auf dem Sampler-Schnittstelle, wenn die Atemprobe ist abgeschlossen.
3. Atem Probenmessung
- Sobald eine Atemprobe analysiert worden ist, hat der Labortechniker den Monitor in Betrieb, dann die Fähigkeit, jede Segment dieses Atem-Profil analysieren. Der Teil der Atem, der von Interesse ist, ist die Phase-III-Segment. Dies wird durch eine "Plateau" in der Konzentration von Kohlendioxid aus und ist in der mittleren bis späten Stadium der bre gefundenath.
- Wählen Sie den Phase-III-Anteil der Probe, indem die vertikalen Linien auf der Abtaster-Schnittstelle nach rechts vor dem Druckabfall der Luft zu beginnen, wenn Kohlendioxid Plateaus und stoppen. Siehe Abbildung 1 für die Klarstellung.
- Speichern Sie die Daten auf dem Flash-Laufwerk, indem Sie auf "Store" auf dem Sampler Touchscreen-Schnittstelle.
- Sobald die Atemdaten gespeichert wurden, kann der Benutzer "Start", um eine neue Atemprobe zu initiieren.
4. Veranschaulichung der Auswirkungen von Mundspülung und pH-Wert auf Ammoniakgeruch
- Probe 3 Atemzüge, um die Grundlinie Ammoniak Ebene zu etablieren. Sicherzustellen, dass Atemzüge mindestens 5 min voneinander gemacht.
- Mund gründlich mit einem 30-ml-Aliquot von Wasser für 60 Sekunden spülen.
- Sammeln Sie eine Atemprobe innerhalb von 60 Sekunden von der Spülung (Abschnitt 2). Sammeln Atemproben im Laufe der nächsten Stunde, um die Änderung in Ammoniak über die Zeit zu beobachten. HINWEIS: Samsätze können so häufig wie jede Minute genommen werden, aber längere Intervalle werden typischerweise verwendet.
- Mund gründlich mit einem 30-ml-Aliquot der Basislösung (Natriumbicarbonat in Wasser) spülen für 60 Sekunden und wiederholen 4.2.1.
- Mund gründlich mit einem 30 ml-Aliquot sauren Lösung für 60 Sekunden Spülen und wiederholen 4.2.1.
5. Veranschaulichung der Auswirkungen von Ein-und Transport-Schläuche Temperaturen auf Ammoniakgeruch
- Beispiel drei Atemzüge im Laufe von 15 Minuten mit der Einlasstemperatur auf unter Körpertemperatur, etwa 30 ° C eingestellt
- Erhöhen Sie die Temperaturen von Einlass-und Transportschlauch bis 55 ° C bzw. mit einem Desktop-Symbol auf dem Touchscreen-Interface des Atems Sampler. Lassen Sie das System mindestens 5 Minuten stabilen Zustand zu erreichen.
- Probe 3 Atemzügen, 5 min auseinander in die erhitzte Einlaß.
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Ergebnisse
Themen zu erwarten, dass eine Vielzahl von Basis Atem Ammoniak-Werte zu erzeugen. Gesunde Personen können den Tag mit einem Hauch von Ammoniak Messung 100-1000 ppb beginnen. Spülen Sie den Mund mit jeder Flüssigkeit sofort ändert sich die Menge an nachweisbarem Atem Ammoniak. Neutrale und saure Flüssigkeiten in der Regel um mehr als die Hälfte reduziert die Menge der beobachtbaren Ammoniak. Diese Niveaus dann zum Ausgangswert zurück, wie die Auswirkungen der Spülung nachlässt. Die Auswirkungen von Wasser scheinen innerh...
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Diskussion
Die Vorteile einer nicht-invasives Verfahren zum Aufspüren von Spuren Metaboliten in Echtzeit auf der Hand. Doch der Bereich der Atem Forschung hat gekämpft, um dieses Potenzial zu erfüllen. Atem-Messung ist ein dynamischer Prozess anfällig für viele Störfaktoren. Unser Ansatz hat wichtige Stärken: nämlich die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Reis QEPAS basierend Ammoniak-Monitor auf den Atem-Sampler gekoppelt haben uns ermöglicht, zu bewerten und zu identifizieren Atem Sammlung relevante Faktoren, um eine genaue...
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Offenlegungen
Dr. Risby ist als Berater für Loccioni Humancare, den Hersteller des Atemprobenehmers, tätig.
Danksagungen
Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung von einem National Science Foundation (NSF) die EWG-0540832 mit dem Titel "Mid-Infrared Technologies für Gesundheit und Umwelt (Mirthe)"
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Rice Ammoniak Monitor System | N/A | N/A | Nicht für den gewerblichen Kauf verfügbar |
| Loccioni Breath Sampler | Loccioni Humancare | N/A | Single Breath Version |
| Einweg-Mundstück | WestPrime Healthcare | G011-200 | Hersteller ist AlcoQuant |
| Laptop | Lenovo | N/A | Altes Modell, das vom Hersteller nicht mehr verkauft |
| wird Säure Spülen | N/A | N/A | Haushaltssäurehaltiges Getränk (Kaffee, Erfrischungsgetränke, Zitrussäfte usw.) |
| Base Rinse | N/A | N/A | Wasser gemischt mit einer ungenauen Menge Natriumbikarbonat (Arm & Hammer Backpulver) |
| Neutral Spülung | N/A | N/A | Wasser |
Referenzen
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