Article de méthode

Systèmes contrôlés de perméation d’imitation d’odeur pour la formation olfactive et l’essai sur le terrain

DOI :

10.3791/60846

⸱

28 janvier 2021

 ,  ,  ,  , 
1Chemistry Division, US Naval Research Laboratory, 2International Forensic Research Institute, Florida International University, 3Formerly of International Forensic Research Institute, Florida International University, 4Formerly of National Research Council Post-Doctoral Fellowship Program, US Naval Research Laboratory

Dans cet article

Résumé

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Le système de perméation d’imitation d’odeur contrôlée est une méthode simple, portable sur le terrain et peu coûteux de livraison d’odeurs pour les essais olfactifs et la formation. Il est construit à partir d’un odorant conservé sur un matériau adsorbent et contenu à l’intérieur d’un sac en polymère perméable permettant la libération contrôlée de la vapeur d’odorant au fil du temps.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le système de perméation des odeurs contrôlées (COMPS) a été développé pour fournir une méthode pratique d’essai sur le terrain de la livraison des odeurs à des taux contrôlés et reproductibles. Comps sont composés d’un odorant d’intérêt sur un matériau absorbant scellé à l’intérieur d’un sac en polymère perméable. La couche perméable permet une libération constante du odorant sur une période donnée. Le sac perméable est ensuite rangé dans un sac secondaire imperméable. La procédure de double confinement permet l’équilibrage du odorant du sac perméable, mais à l’intérieur de la couche extérieure imperméable, ce qui entraîne une source instantanée et reproductible de vapeur d’odorant lors de l’enlèvement de l’emballage extérieur. Comps sont utilisés à la fois dans les tests olfactifs pour les scénarios expérimentaux et pour la formation de détection olfactive, comme avec les canines de détection. Le COMPS peut être utilisé pour contenir un large éventail d’odorants (p. ex., poudres de stupéfiants) et pour fournir une libération contrôlée des odorants associés. La disponibilité des odeurs du COMPS est exprimée en termes de taux de perméation (c.-à-d. le taux de vapeur d’odorant libérée par un COMPS par temps unitaire) et est généralement mesurée par des moyens gravimétriques. Le taux de perméation d’une masse ou d’un volume donné d’odorant peut être ajusté au besoin en variant l’épaisseur du sac, la surface et/ou le type de polymère. La concentration d’odeurs disponible à partir d’un COMPS peut également être mesurée par des techniques d’analyse de l’espace de tête telles que la microextraction de phase solide avec chromatographie gazeuse/spectrométrie de masse (SPME-GC/MS).

Introduction

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L’olfaction est un mécanisme de détection crucial, mais souvent négligé, utilisé par la plupart des animaux. Pour beaucoup, c’est le principal mécanisme pour localiser la nourriture, trouver un compagnon, ou sentir le danger1. En outre, les capacités olfactives de certains animaux, notamment les canines, sont régulièrement exploitées par l’homme pour détecter la contrebande (p. ex., stupéfiants ou explosifs) ou d’autres objets d’intérêt, tels que les personnes disparues, les espèces envahissantes ou lesmaladies 2,3. Pour la recherche sur la détection canine ou d’autres sujets de recherche sur l’olfaction, les chercheurs étudient souvent le processus d’olfaction et les forces et les limites du système olfactif. En tant que tel, il est généralement souhaitable de contrôler la libération d’une vapeur d’odorant dans l’environnement pour livrer reproductiblement des quantités connues d’odorant pendant les essais. Le défaut de tenir compte des variations de la disponibilité des odeurs dues à des facteurs tels que la pression de vapeur ou les effets environnementaux complique souvent l’interprétation des données et l’applicabilité4. Il est également souhaitable de fournir une quantité établie d’odeur pendant les scénarios de formation pour la détection des canines. Par exemple, des études menées par Hallowell et coll.5 et par Papet6 ont indiqué l’importance de l’intensité des odeurs dans la perception des odeurs, et que la modification de l’intensité d’un odorant peut influer sur la façon dont il est perçu seul ou dans un mélange.

En laboratoire, l’utilisation d’équipements analytiques tels que des tubes de perméation avec des fours contrôlables, des générateurs de vapeur ou des olfactomètres peut être utilisée pour contrôler la livraison des odeurs. Toutefois, ce type d’équipement n’est pas pratique pour une utilisation lors des essais sur le terrain et des scénariosd’entraînement 4. Le système de perméation des odeurs contrôlées mimic (COMPS) a été développé comme une méthode simple, peu coûteux et jetable pour la livraison contrôlée des odeurs ne nécessitant aucune puissance externe. Par conséquent, ils peuvent facilement être incorporés dans une variété de différents scénarios de test et de formation7. Les unités COMPS sont simplement composées d’un odorant d’intérêt sur un matériau absorbant scellé à l’intérieur d’un sac en polymère perméable, stocké dans un système de confinement secondaire. L’utilisation du COMPS réduit la variabilité entre les tests et améliore la cohérence lors des exercicesd’entraînement 8.

La livraison des odeurs ou la disponibilité du COMPS est mesurée en termes de taux de perméation, tel que déterminé par l’analyse gravimétrique en termes de masse de vapeur libérée au fil du temps. Les taux de perméation peuvent être contrôlés par un certain nombre de facteurs, y compris l’épaisseur du sac polymère, sa surface disponible, le type de matériau absorbant (substrat) utilisé et la quantité du odorant. Le taux de perméation est constant pendant une période donnée (heures ou jours) selon l’odorant utilisé. Cela permet une variabilité minimale dans la livraison des odeurs pendant les essais ou la formation. Pendant le stockage, comps viennent à l’équilibre dans le récipient extérieur imperméable, ayant pour résultat une source instantanée de vapeur d’odorant à un taux connu de perméation.

Comps ont été initialement conçus pour contenir des odorants associés à des matériaux explosifs et pour être utilisé comme odeur imite7. Tel que défini par Macias et coll., une imitation d’odeur simule un matériau d’intérêt, tel qu’un explosif, en fournissant les composés volatils dominants, ou odorants, trouvés dans l’espace libre de ce matériau sans la présence du matériau parent lui-même8. Pour créer une imitation d’odeur, les odorants actifs du matériel parent doivent être déterminés. Un odorant actif, dans ce scénario, est décrit comme un composé volatil qu’un canin de détection d’explosifs formé détecte, croyant qu’il existe un matériau explosif réel présent. Après avoir identifié des composés volatils dominants dans l’espace libre de plusieurs matières explosives, le COMPS était prêt à libérer ces odorants individuels à un rythme contrôlé pendant toute la durée des essais sur le terrain de détection olfactive canine et à déterminer le odorant actif associé à plusieurs matières explosives. Comps ont été utilisés avec succès à cette fin7,9 et ont depuis été utilisés comme imitations d’odeur pour une formation supplémentaire de détection d’explosifs.

Macias et coll. ont utilisé le COMPS contenant du piperonal, un solide chimique pur à température ambiante qui, dans la phase de vapeur, s’est révélé être l’odorant actif de la MDMA (3,4-méthylènedioxyméthamphétamine), la drogue psychoactive connue sous le nom d’ecstasy. Les chercheurs ont utilisé différentes épaisseurs et surfaces de sacs en polyéthylène de faible densité pour ajuster le taux de perméation de la vapeur piperonal. Cette série de COMPS a ensuite été utilisée pour estimer le seuil de détection piperonal pour les canines de détection de stupéfiantsformées 8. Inversement, dans une étude distincte, les épaisseurs des sacs COMPS ont été ajustées afin de minimiser l’écart des taux de perméation entre chaque composé dans une série homologue, bien qu’ils aient possédé des pressions de vapeur radicalement variables. Si une seule épaisseur de sac avait été utilisée dans cette étude, les composés ayant des pressions de vapeur plus élevées auraient donné des taux de perméation beaucoup plus élevés. En augmentant l’épaisseur du sac pour les composés à volatilité plus élevée, les taux de perméation ont été ajustés de sorte qu’ils étaient similaires pour tous lescomposés 4. Les deux études démontrent l’utilité et l’adaptabilité du COMPS pour contrôler la libération de vapeur. Des études similaires optimisant l’épaisseur des sacs en polymère ainsi que le matériel absorbant ont été réalisées dans la création d’imitations d’odeurs pour les cathinones synthétiques (c.-à-d. les sels debain) 10, d’autres narcotiques (y compris l’héroïne et la marijuana11),et les composés d’odeur humaine12,13. Dans un dernier exemple, Simon et coll. ont étudié les odorants actifs associés à une espèce envahissante de champignons14. Des morceaux entiers d’écorce d’arbre infectée, au lieu des odorants extraits, ont été placés directement dans le sac de polymère pour contrôler la libération pendant le test d’olfaction canine14. Comps peut être utilisé pour une variété de scénarios, et les protocoles discutés ci-après ont été choisis pour démontrer la diversité de cet outil.

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Protocole

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1. Assemblée du COMPS (Figure 1)

  1. Pour composé propre (liquide) sur un substrat (Figure 1A)
    1. Pour imprégner le substrat d’odorant, utilisez une pipette calibrée pour ajouter 5 μL de composé soigné à un tampon de gaze de coton de 2 x 2 pouces ou à un autre substrat de choix (voir tableau des matériaux).
    2. Pliez la garniture de gaze en deux et placez ceci (ou un matériau alternatif de substrat) dans un sac perméable de polyéthylène de 2 x 3 pouces de basse densité. Les épaisseurs de sac suggérées se situent entre 1 MIL, pour le taux de perméation le plus rapide, à 8 MIL, pour un taux de perméation plus lent.
      REMARQUE : Des variations dans les matériaux absorbants, la taille des sacs perméables, la chimie des polymères et l’épaisseur peuvent être utilisées, mais ces changements affectent le taux de perméation des odorants (voir la section Résultats).
    3. Sceller immédiatement le sac en polymère fermé à l’aide d’un scellant thermique, en éliminant autant d’air de l’intérieur des sacs que possible.
    4. Rangez le sac dans un sac extérieur non perméable, ou s’il sera utilisé immédiatement, placez-le dans un bateau de pesage propre dans un capot de fumée (Figure 1B).
  2. Pour les matériaux solides, aucun substrat n’est nécessaire( Figure 1C)
    1. Pesez la quantité désirée de matériau solide, qui peut être un composé pur ou un matériau cible réel, et placez-le dans un sac perméable en polyéthylène de faible densité (LDPE) de 2 x 3 pouces. Encore une fois, l’épaisseur suggérée du sac varie de 1 MIL à 8 MIL.
    2. Sceller immédiatement le sac en polymère fermé, en éliminant autant d’air de l’intérieur du sac que possible, et entreposer ou mettre de côté dans un bateau de pesage.

2. Analyse gravimétrique pour déterminer le taux de perméation du COMPS

REMARQUE : Une température ambiante constante est importante pour des mesures précises et reproductibles, à la fois gravimétriques et de l’espace libre. Une température constante doit être maintenue pendant tous les essais. Il est recommandé d’effectuer toutes les mesures analytiques aux températures souhaitées pendant les essais.

  1. Pour déterminer le taux de perméation des odorants à travers le sac perméable, placez un COMPS nouvellement fabriqué dans un bateau de pesage à l’intérieur d’un capot de fumée.
  2. Placez un bateau de peser propre et séparé sur un équilibre analytique, et zéro l’équilibre.
  3. Retirez le COMPS du capot de fumée et placez-le sur la balance. Enregistrez la masse et retournez immédiatement au capot de fumée.
  4. Continuez d’enregistrer la masse du COMPS par incréments réguliers jusqu’à ce que la masse du COMPS ne change plus (±5 %). À ce stade, l’odeur du COMPS est épuisée.
  5. Comme un contrôle négatif, créer un COMPS vide composé seulement du matériau de substrat sans odorants scellés dans le sac perméable. Traitez ce contrôle négatif de la même manière que le COMPS avec odorant pour assurer des fluctuations minimales de masse au fil du temps.
  6. Calculez le taux de perméation à partir du COMPS.
    1. Tracez la masse du COMPS par rapport au temps sur une parcelle X-Y dans un logiciel d’analyse statistique approprié.
    2. Adapter une ligne de tendance linéaire à la partie linéaire du graphique et afficher une équation sur un graphique. La ligne de tendance ne doit PAS être définie pour inclure l’origine. La pente de la ligne (c.-à-d. m en y = m+ b) est le taux de perméation en masse par temps unitaire.

3. Analyse de l’espace de tête par microextraction de phase solide avec chromatographie gazeuse/spectrométrie de masse (SPME-GC/MS) (facultatif)

  1. Préparez un COMPS frais suivant les instructions ci-dessus et laissez-le équilibrer dans un bateau de pesage ouvert à l’intérieur d’un capot de fumée pendant 30 min.
  2. Retirez le COMPS du bateau de pesage, placez-le dans un récipient d’échantillon en métal époxy-doublé de 1 pinte sans couvercle, et mettez-le dans un récipient en métal époxy-doublé de 1 gallon. Les contenants doivent être conservés dans un capot de fumée pendant toute la durée de l’expérience.
  3. Prévoyez au moins 30 min pour l’équilibrage dans le contenant avant l’échantillonnage.
  4. Pour l’échantillonnage après l’équilibrage, placez un couvercle avec un trou de 1 cm préalablement foré au sommet du récipient extérieur. Insérez une fibre SPME appropriée à travers le trou sur le couvercle pour extraire l’analyte d’intérêt. Lorsque la fibre SPME n’est pas utilisée, couvrir le trou avec du film de paraffine ou autres. Le temps d’extraction et le revêtement en fibres dépendront du type et de la quantité de vapeur d’analyte présente, ainsi que de la taille du récipient d’échantillonnage et des conditionsenvironnementales 15.
  5. Retirer la fibre SPME après le temps d’extraction alloué et le placer dans l’entrée chauffée d’un GC/MS pour la désorption thermique et l’analyse.
    1. Exécutez la méthode GC/MS appropriée pour le composé utilisé dans le COMPS16.
  6. Pour la quantitation, comparez la zone de pointe résultante à une courbe d’étalonnageexterne 16 et/ou à la normeinterne 17, le cas échéant pour la méthode et la conception expérimentale.
    REMARQUE : 1) Dans cet exemple, des contenants d’échantillons métalliques tapissés d’époxy ont été utilisés, mais d’autres types de contenants seraient également appropriés. Pour comparer directement la disponibilité des odeurs aux évaluations olfactives sur le terrain, il serait préférable d’utiliser le même récipient, nettoyé entre chaque test, pour les deux expériences; 2) Pour les résultats reproductibles, tous les aspects de la procédure d’échantillonnage doivent être maintenus dans toutes les expériences de reproduction, y compris, sans s’y limiter, le temps d’équilibrage, le temps d’extraction du SPME, le type et la taille des conteneurs, ainsi que les conditions environnementales (c.-à-d. la température et l’humidité).

4. Stockage COMPS

  1. Placer un seul COMPS dans un sac barrière métallisé (3,5 x 4,5 pouces) et sceller la chaleur pour fermer, en enlevant autant d’air que possible du sac avant l’étanchéité (figure 1B).
  2. Conserver dans des conditions ambiantes fraîches ou réfrigérées, mais pas en dessous ou près du point de congélation pour éviter la formation de condensation à mesure que le COMPS dégèle.
  3. Si vous testez plusieurs taux d’administration d’odorants ou d’odorants en une seule expérience, il est recommandé d’éliminer toute contamination croisée possible pendant le transport et l’entreposage.
    1. Placez la réplique de plusieurs sacs de barrière contenant chacun comps individuels du même taux d’analyte et de perméation dans un sac ou un bocal en verre métallisé extérieur et plus grand pour le stockage et le transport.

5. Essais olfactifs sur le terrain

REMARQUE : Les tests olfactifs peuvent être effectués de différentes façons selon l’animal testé, l’objectif de l’expérience et les conditions environnementales. Le protocole ci-dessous décrit une telle façon de tester. Tous les tests sur les animaux devraient d’abord être examinés et approuvés par un Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux (IACUC).

  1. Tout d’abord, créez le COMPS de contrôle blanc ou négatif tel que décrit ci-dessus. Faites suffisamment pour que chaque conteneur du scénario d’essai contiendra des COMPS de rechange (2-3 selon le nombre d’animaux impliqués dans l’expérience). Emballer tous les COMPS vierges ensemble dans un confinement secondaire (c.-à-d. un sac métallisé plus grand ou un bocal en verre avec couvercle d’étanchéité).
  2. Créez un COMPS frais au besoin pour le protocole d’essai sur le terrain prévu. Éliminer toutes les sources possibles de contamination entre le COMPS et le sac métallisé. Ceci peut être accompli en changeant régulièrement des gants et en nettoyant la surface de travail de laboratoire.
  3. Conservez le COMPS pendant au moins 1 jour avant l’utilisation pour permettre l’équilibrage. Stockez toutes les répliques dans le même contenant secondaire. Toutefois, différents COMPS devraient se faire dans des conteneurs secondaires distincts.
  4. Pour mettre en place un test olfactif canin de base, établissez plusieurs lignes d’au moins cinq contenants identiques (p. ex., boîtes métalliques, boîtes), le nombre de lignes dépendant du nombre de variables testées.
    1. Configurez l’essai de sorte que chaque ligne contient un conteneur avec le COMPS cible et quatre avec comps vierge. Les lignes de contrôle positives, préparées de la même manière mais avec une odeur cible connue, peuvent être utilisées comme il se doit pour l’expérience, la formation ou le scénario de test. Un contrôle négatif supplémentaire ou une ligne blanche doit contenir cinq COMPS vierges et aucune cible. Commandez cette ligne de contrôle négative, ligne de contrôle positive (si vous utilisez), et les lignes de test au hasard, et changer d’ordre en utilisant un générateur de nombres aléatoires pour chaque test olfactif canin comme pratique pour le scénario de test.
      1. Incluez également un odorant/matériau distrayant par ligne.
      2. Randomisez l’ordre et l’emplacement des odorants cible et distrayant dans chaque ligne pour chaque canine testée à l’aide d’un générateur de nombres aléatoires.
  5. Pour préparer les contenants, retirez le COMPS des contenants secondaires et extérieurs, en plaçant seulement le sac perméable dans le conteneur d’essai.
    1. Permettre au COMPS d’équilibrer dans le conteneur pendant au moins 30 minutes avant le test.
    2. Répétez les étapes pour chaque COMPS utilisé dans le test, en commençant par des blancs, suivies de contrôles positifs (si vous utilisez), puis en testant les odorants, en changeant de gants à chaque fois.
      REMARQUE : Des exemples détaillés de scénarios d’essais canins peuvent être trouvés dans Simon et coll.4 ou Macias et coll.8.

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Résultats

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L’objectif principal de l’utilisation du COMPS dans les tests olfactifs/formation est de contrôler la libération des odorants choisis et de fournir une quantité contrôlée de l’odorant pendant toute la durée de l’essai ou de la session de formation. La libération d’odorants est mesurée par analyse gravimétrique en termes de perte de masse par unité de temps. La figure 2 donne un exemple des résultats gravimétriques de la perméation de trois COMPS identiques préparés à partir de 5 μL d’acide p...

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Discussion

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Les systèmes contrôlés de perméation d’imitation d’odeur (COMPS) sont facilement créés en scellant un odorant d’intérêt dans un sac perméable. Ceci peut être fait en pipetting un composé liquide soigné sur un matériel absorbant et puis plaçant le matériel absorbant dans le sac ; en plaçant un composé pur et solide directement dans le sac4, comme cela a été fait dans le cas de piperonal8; ou en plaçant le matériau cible contenant des odorants multiples ou inconnus dans un sa...

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Déclarations de divulgation

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Pas de conflits d’intérêts à signaler.

Remerciements

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Ces travaux ont été financés en partie par l’Office of Naval Research et le National Institute of Justice (2006-DN-BX-K027). Les auteurs souhaitent remercier les nombreux étudiants du « Furton Group » qui ont participé à ce projet, ainsi que les collaborateurs du U.S. Naval Research Laboratory et du Naval Surface Warfare Center (Indian Head EOD Technology Division). Enfin, les auteurs remercient Peter Nunez de l’Académie K-9 des États-Unis, Tony Guzman de Metro-Dade K9 Services et les équipes canines de la région de Miami-Dade.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Bocaux économiques de 16 oz (finition 70-450)Récipient FillmoreA16-08C-Case 12
7890A Chromatographe en phase gazeuse / Détecteur sélectif de masse 5975Agilent
Balance analytiqueMettler Toledo01-911-005
Bandes de régulation à bille et couvercles en dômeConteneurFillmore J30000
Gaze de coton (2 » x 2 »)Dukal
Bateaux de pesage jetablesVWR10803-148
Récipients d’échantillons doublés d’époxy, 1 gallonTriTech ForensicsCANG-E
Conteneurs d’échantillons doublés d’époxy, 1 pinteTriTech ForensicsCANPT-E
Sac en polyéthylène basse densitéUlineS-5373
Rtx-Volatiles (30 m x 0,32 mmID) colonneRestek10901
Sac barrière en mylar métallisé argenté (3,5 » x 4,5 »)Emballage ESP95509993779
Sac barrière en mylar métallisé argenté (5 » x 8,5 » x 3 »)Emballage ESP95509993793
Assemblage de fibres de microextration en phase solide (PDMS/DVB/CAR)Sigma-Aldrich57328-U
Supportde microextration en phase solideSigma-Aldrich57330-U
Scelleuse à impulsion de tableUlineH-190Thermosoudeuse

Références

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Mots-clés

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