Ammoniak is een belangrijk fysiologisch metaboliet dat relevant is voor verschillende ziekte- en welzijnstoestanden. Het is ook een moeilijk molecuul om in adem te meten, wat bepaalde voorzorgsmaatregelen vereist om nauwkeurige resultaten te verkrijgen. Niet alle factoren die ammoniak beïnvloeden, zijn bekend, maar vooruitgang kan moeilijk zijn zonder rekening te houden met deze factoren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Snel en nauwkeurig de uitgeademde lucht Ammoniak Meting
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Deze uitgeademde adem ammoniak-methode gebruikt een snelle en zeer gevoelige spectroscopische methode die bekend staat als quartz-verbeterde foto-akoestische spectroscopie (QEPAS) die gebruikmaakt van een quantum-cascade laser. De monitor is gekoppeld aan een sampler die monddruk en kooldioxide meet. Het systeem wordt temperatuur gecontroleerd en speciaal ontworpen om de reactiviteit van deze verbinding aan te pakken. De sampler geeft onmiddellijk feedback aan het onderwerp en de technicus over de kwaliteit van de ademhalingsinspanning. Samen met de snelle responstijd van de monitor, is dit systeem in staat om nauwkeurig de uitgeademde adem ammoniak te meten die representatief is voor systemische niveaus in de diepe longen.
Omdat het systeem gemakkelijk te gebruiken is en realtime resultaten oplevert, heeft het experimenten mogelijk gemaakt om factoren te identificeren die metingen beïnvloeden. Mondspoeling en orale pH hebben bijvoorbeeld reproduceerbaar en significant effect op de resultaten en moeten daarom worden gecontroleerd. Temperatuur en ademhalingsmodus zijn andere voorbeelden. Naarmate ons begrip van deze factoren evolueert, wordt de fout verminderd en worden klinische onderzoeken zinvoller. Dit systeem is zeer betrouwbaar en individuele metingen zijn goedkoop.
De sampler is relatief goedkoop en vrij draagbaar, maar de monitor is dat niet. Dit beperkt de opties voor sommige klinische studies en biedt een rationale voor toekomstige innovaties.
Inleiding
Ammoniak is een bijproduct van alomtegenwoordige eiwitmetabolisme 1. Ammoniak meting kan dus helpen clinici beoordelen diverse ziekten en wellness staten 2. Echter, ammoniak moeilijk nauwkeurig te meten via bloed of adem, omdat het zeer reactief. Hoewel vaak gebruikt, bloed testen hebben talrijke nadelen, waaronder fundamentele zorgen over de nauwkeurigheid 3. Maar het grote probleem met bloed testen is de realiteit dat ze alleen maar episodisch verzameld. Dit is belangrijk omdat ammoniak fysiologie, net als bloedglucose en vele andere metabole processen zijn soepel en steeds veranderende 4. Daarentegen adem assays zijn volledig niet-invasieve en snel, zo gemakkelijk mogelijk herhaalde maatregelen. Zo adem ammoniak meting is aantrekkelijk omdat het een ernstige onvervulde behoefte kan richten op een unieke manier.
Adem verzamelen echter weer specifieke problemen. Overwegende aderlaten inherent draagt de jeopardy van fouten in verschillende onvoorspelbare manieren (bijv. tourniquet tijd, zweet besmetting, bloedcel hemolyse, vertraging in het laboratorium meten, etc 5), moet de meting adem onderzoekers kampen met een andere groep van nieuwe uitdagingen: variabiliteit in de ademhaling, besmetting met het mondslijmvlies of bacteriële ammoniak, invloed van luchtkwaliteit en apparaten vochtigheid en temperatuur, etc 6. Inderdaad, is het onverstandig om de taak te onderschatten in het verbinden experimentele apparatuur voor de mens met behulp van experimentele procedures om onbekende biologie ontdekken. Mede door deze obstakels, adem ammoniak nog niet zijn potentieel ontmoet.
Hierin presenteren we onze adem ammoniak meetprotocol voor snelle en nauwkeurige resultaten. Ons protocol heeft kracht in drie gebieden: de monitor, de interface sampler, en aandacht voor de menselijke invloeden. De monitor werd gebouwd door collega's van Rice University zoals eerder beschreven 7. De basis van de measurement is een kwarts verbeterde fotoakoestische spectroscopie (QEPAS) techniek die een piëzo-elektrische kwarts stemvork telt als een akoestische transducer. Fotoakoestische effect treedt op wanneer akoestische golven worden geproduceerd door de absorptie van gemoduleerde laserstralen door doelspoor gas soorten. De trace gas wordt gedetecteerd met een akoestische cel die akoestisch resonant de gemoduleerde frequentie. Een absorptie golflengte voor ammoniak werd geselecteerd die vrij is van spectrale storingen bemoeien soorten in de adem. Voor de toepassing van menselijke uitgeademde meting adem, de belangrijkste kenmerken van de monitor omvatten een breed meetbereik (van ~ 50 delen per miljard, ppb tot minstens 5000 ppb) en snelheid (1 sec metingen). De snelheid van de monitorfunctie kan gedurende de ademhalingscyclus tijdsresolutie.
De monitor is gekoppeld met een speciaal ontworpen adem sampler. De sampler bestaat uit een druksensor en capnograaf. Het toont en archieven real timemetingen van mond druk en kooldioxide en ammoniak concentraties, bepaald door de sensor. Deze sampler Daardoor kunnen de technicus de kwaliteit van de ademhaling inspanning evalueren de adem wordt verzameld. Dit stelt ons in staat om de aanbevelingen voor het analyseren van de adem stikstofmonoxide (Fe NO) door de Task Force van de American Thoracic Society / European Respiratory Society (ATS / ERS) 8 voorgestelde overschrijden. Voor alle adem steekproef, werd een wegwerp one-way in-line ventiel gebruikt op de mond poort van de adem sampler.
Vanwege de snelheid van de monitor en de kwaliteitscontroles door de sampler, waren we in staat om zorgvuldig te evalueren menselijke invloeden 9. De meeste proefpersonen bijvoorbeeld eerst hyperventilate op commando ademen. Andere belangrijke invloeden, zoals orale pH en mondspoelingen, temperaturen van de sampler, monitor en alle bijbehorende slangen, en de wijze van ademhaling, werden vervolgens bestudeerd, en zijn de basis for de illustratieve experimenten hieronder.
Ten slotte, en misschien wel het belangrijkst, moet worden benadrukt dat meerdere zeer ervaren groepen meet adem ammoniak met behulp van geheel verschillende sensoren en meetprocedures. Deze kunnen belangrijke voordelen en geldig zijn. Een volledige vergelijking valt buiten het bestek van de onderhavige werk 10,11,12.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorbereiding van instrumenten
- Schakel de externe stroomtoevoer naar de ammoniak optische sensor platform, laserdiode controller, een custom-built controle-elektronica-eenheid (CEU), de adem sampler, luchtpomp, en laptop.
- Controleer dat zowel de uitlaat en ventilatoren van de ammoniak sensor werken. OPMERKING: Een daarvan is gelegen aan de achterzijde van de sensor, wordt de tweede gevonden in de sensor, die gemakkelijk toegankelijk is.
- Zorg ervoor dat de akoestische detectie module en naaldventiel temperatuur zijn dan 38,0 ° C door het controleren van de digitale display aan de zijkant van de doos ammoniak sensor. Wacht ongeveer 35 minuten vanaf het moment dat de sensor wordt geleverd vermogen voor de temperatuur te stabiliseren.
- Stel inlaat slangen en mondstuk temperatuur tot 55 ° C door te klikken op een pictogram naam "ChangeT" op het bureaublad van de adem sampler. De temperatuur kan dan door te klikken op de pijl omhoog of omlaag, gevolgd door te klikken op "Upd worden veranderdaten Temp ". Klik op "Exit" om terug te keren naar het bureaublad. Laat het systeem tenminste 5 minuten om de temperatuur te stabiliseren. De temperatuur van de sampler en slangen bij 55 ° C minimaliseert het oppervlak verloren ammoniak.
- Open de software op de laptop die de ammoniak sensor regelt. Het programma kan worden geraadpleegd binnen een map met de naam "NH 3 Breath Sensor Program" op het bureaublad. Binnen deze map, moet de gebruiker op het pictogram "main LabVIEW software" te selecteren. Deze map bevat verschillende toepassingen, maar de gebruiker moet "Mainsequence.vi" selecteren om toegang te krijgen tot de gewenste interface. Selecteer "run" in de linker bovenhoek van het scherm. OPMERKING: Dit begint de lijn vergrendeling ijkingsequentie. De laser van de QEPAS monitor werkt op een optimale stroom, die wordt geselecteerd tijdens een geautomatiseerde online vergrendeling procedure. Dit proces zal ongeveer 25 minuten duren.
- Maak een nieuwe sessie op de sampler zodanig dat each onderwerp sessie heeft zijn eigen bestand dat is opgeslagen op een aangesloten flash drive. OPMERKING: Dit wordt uitgevoerd door het openen van het programma "Breath Sampler" op het bureaublad van de sampler. Er is speelt de sessie adequate wijze. Alle gegevens die tijdens de sessie zal worden opgeslagen in de flash drive onder deze 'identifier. De datum van het experiment wordt meestal gebruikt als onderdeel van de bestandsnaam. De inlaat-en mondstuk temperatuur moet worden aangepast voordat de adem-sampling programma.
- Plaats een nieuwe disposable mondstuk in de inlaat pijp. Draag wegwerphandschoenen te voorkomen dat besmetting van mondstuk met ammoniak uit de vingers.
2. Breath Sample Collection
OPMERKING: De relevante Institutional Review Board (Ethics Board) moet alle onderzoek dat proefpersonen gaat goedkeuren. Er zijn vele factoren die drastisch kan beïnvloeden adem ammoniak. Deze factoren kunnen adem ammoniak metingen te veranderen door direct eenffecting systemische ammoniak niveaus of door het beïnvloeden van de reis van de adem metabolieten van de longen naar de instrumentatie.
- Zorgen onderwerpen komen naar het lab in een nuchtere toestand, geen eten hebben verbruikt voor ongeveer 12 uur bij aankomst en dat ze de ochtend voorafgaand aan het testen van afgezien oefening.
- Controleer of er geen stof is geïntroduceerd in de mond voor minstens 1 uur voorafgaand aan het verzamelen van gegevens. Zorg ervoor dat de proefpersonen hun tanden poetsen meer dan 1 uur voor het testen.
- Seat het onderwerp voor de ammoniak-sensor. Instrueer het onderwerp aan de inlaat pijp te houden, en zorg ervoor dat ze niet het mondstuk aan te raken om ammoniak te voorkomen.
- Klik op "Start" op de sampler interface. Zijn het onderwerp uitademen in het mondstuk zo lang mogelijk, of totdat de operator acht het monster volstaan. OPMERKING: Dit is een volledige uitademing van ten minste 10 sec. Mond druk wordt gemeten in real time als een surrogaatvoor debiet. Een gekleurde manometer helpt de onderwerp producten en de gewenste uitademing druk van 10 cm water, waarvan een uitademing stroomsnelheid van 50 ml / sec vertegenwoordigt handhaven. Deze stroomsnelheid werd gekozen omdat het door de ATS / ERS is vastgesteld voor het protocol te bepalen Fe NO. Deze uitademing debiet is haalbaar door kinderen en volwassenen. Ook drie reproduceerbare uitademingen worden verkregen die verschillen met minder dan 10%.
- Klik op "Stop" op de sampler-interface als de adem monster is voltooid.
3. Ademtest Meting
- Zodra een ademtest is geanalyseerd, de laborant die de monitor heeft dan de mogelijkheid om elk segment van die adem profiel analyseren. Het gedeelte van de adem die van belang is de fase III segment. Dit wordt gekenmerkt door een "plateau" in de concentratie van kooldioxide en in het midden aan de late fase van de breath.
- Selecteer de fase III gedeelte van het monster door de verticale lijnen te slepen op de sampler-interface om te beginnen wanneer kooldioxide plateaus en stoppen vlak voor de drukval van de adem. Zie Figuur 1 voor verduidelijking.
- Sla de data op de stick door te klikken op "Opslaan" op de sampler touch screen interface.
- Zodra de adem gegevens zijn opgeslagen, kan de gebruiker "start" te selecteren om een nieuwe ademtest initiëren.
4. Ter illustratie van de effecten van de mond spoelen en pH op Breath Ammoniak
- Proef 3 ademhalingen aan de basislijn ammoniak niveau. Zorg dat adem tenminste 5 minuten van elkaar worden genomen.
- Mond goed spoelen met 30 ml van water gedurende 60 sec.
- Verzamel een ademtest binnen 60 seconden van de spoelen (paragraaf 2). Verzamel ademmonsters in de loop van het volgende uur om de verandering in ammoniak in de tijd te observeren. OPMERKING: Samselen kunnen zo vaak worden genomen elke minuut maar langere intervallen worden doorgaans gebruikt.
- Mond goed spoelen met 30 ml van basische oplossing (natriumbicarbonaat in water) gedurende 60 seconden en herhaal 4.2.1.
- Mond goed spoelen met 30 ml van zure oplossing gedurende 60 seconden en herhaal 4.2.1.
5. Ter illustratie van de effecten van Inlet en Transport Tubing Temperaturen op Breath Ammoniak
- Voorbeeld drie ademhalingen in de loop van 15 min met de inlaattemperatuur ingesteld onder de lichaamstemperatuur ongeveer 30 ° C.
- Verhoog de temperatuur van de inlaat-en transport buizen tot 55 ° C respectievelijk met behulp van een pictogram op het bureaublad op het touch screen interface van de adem sampler. Laat het systeem tenminste 5 minuten tot steady state te bereiken.
- Sample 3 ademhalingen, 5 min van elkaar in de verwarmde inlaat.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Onderwerpen kunnen worden verwacht om een breed scala van de baseline adem ammoniak niveaus te produceren. Gezonde personen kunnen de dag beginnen met een adem ammoniak meting van 100-1000 ppb. Het spoelen van de mond met elke vloeistof verandert onmiddellijk de hoeveelheid detecteerbaar adem ammoniak. Neutrale en zure vloeistoffen meestal snijd de hoeveelheid waarneembare ammoniak door meer dan de helft. Deze niveaus dan terug naar de uitgangswaarde als de effecten van de spoelen verdwijnt. De effecten van het water ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De voordelen van een niet-invasieve methode voor het opsporen van sporen metabolieten in real time zijn duidelijk. Echter, op het gebied van adem onderzoek heeft moeite om dit potentieel te vervullen. Adem meting is een dynamisch proces aan velerlei verstorende factoren. Onze aanpak heeft belangrijke troeven: in het bijzonder, hebben de gevoeligheid en snelheid van de Rice QEPAS gebaseerd ammoniak-monitor gekoppeld aan de adem sampler ons in staat om te evalueren en te identificeren adem collectie factoren relevant voor...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Dr. Risby fungeert als adviseur voor Loccioni Humancare, de fabrikant van de ademmonsternemer.
Dankbetuigingen
De auteurs erkennen financiële steun van een National Science Foundation (NSF) verlenen EEG-0540832 getiteld "Mid-Infrared Technologies voor Volksgezondheid en Milieu (Mirthe)"
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Rice Ammonia Monitor System | N/A | N/A | Niet beschikbaar voor commerciële aankoop |
| Loccioni Breath Sampler | Loccioni Humancare | N/A | Single breath versie |
| Disposable Mouth Piece | WestPrime Healthcare | G011-200 | Fabrikant is AlcoQuant |
| Laptop | Lenovo | N/A | Oud model wordt niet langer verkocht door de fabrikant |
| Acid Rinse | N/A | N/A | Huishoudelijke zure drank (koffie, frisdrank, citrus sappen, enz) |
| Base Rinse | N/A | N/A | Water gemengd met een niet exacte hoeveelheid natriumbicarbonaat (Arm & Hammer Baking Soda) |
| Neutral Rinse | N/A | N/A | Water |
Referenties
- Adeva, M. M., Souto, G., Blanco, N., Donapetry, C. Ammonium metabolism in humans. Metabolism: clinical and experimental. 61 (11), 1495-1511 (2012).
- Auron, A., Brophy, P. D. Hyperammonemia in review: pathophysiology, diagnosis, and treatment. Pediatric nephrology. 27 (2), 207-222 (2012).
- Blanco Vela, C. I., Bosques Padilla, F. J. Determination of ammonia concentrations in cirrhosis patients-still confusing after all these years. Annals of hepatology. 10 Suppl 2, (2011).
- Mpabanzi, L., Ol de Damink, S. W. M., van de Poll, M. C. G., Soeters, P. B., Jalan, R., Dejong, C. H. C. To pee or not to pee: ammonia hypothesis of hepatic encephalopathy revisited. European journal of gastroenterology & hepatology. 23 (6), 449-454 (2011).
- Goggs, R., Serrano, S., Szladovits, B., Keir, I., Ong, R., Hughes, D. Clinical investigation of a point-of-care blood ammonia analyzer. Veterinary clinical pathology / American Society for Veterinary Clinical Pathology. 37 (2), 198-206 (2008).
- Huizenga, J. R., Tangerman, A., Gips, C. H. Determination of ammonia in biological fluids. Annals of clinical biochemistry. 31 (Pt 6), 529-543 (1994).
- Lewicki, R., et al. Real time ammonia detection in exhaled human breath with a quantum cascade laser based sensor. 2009 Conference on Lasers and ElectroOptics and 2009 Conference on Quantum electronics and Laser Science Conference. 1, (2009).
- American Thoracic Society. European Respiratory Society. Recommendations for Standardized Procedures for the Online and Offline Measurement of Exhaled Lower Respiratory Nitric Oxide and Nasal Nitric Oxide. American journal of respiratory and critical care medicine. 171 (8), 912-930 (2005).
- Solga, S. F., et al. Factors influencing breath ammonia determination. Journal of breath research. 7 (3), (2013).
- Schmidt, F. M., et al. Ammonia in breath and emitted from skin. Journal of breath research. 7 (1), (2013).
- Spaněl, P., Dryahina, K., Smith, D. A quantitative study of the influence of inhaled compounds on their concentrations in exhaled breath. Journal of breath research. 7 (1), (2013).
- Boots, A. W., van Berkel, J. J. B. N., Dallinga, J. W., Smolinska, A., Wouters, E. F., van Schooten, F. J. The versatile use of exhaled volatile organic compounds in human health and disease. Journal of breath research. 6 (2), (2012).
- Hibbard, T., Killard, A. J. Breath ammonia levels in a normal human population study as determined by photoacoustic laser spectroscopy. Journal of breath research. 5 (3), (2011).
- Wang, T., Pysanenko, A., Dryahina, K., Spaněl, P., Smith, D. Analysis of breath, exhaled via the mouth and nose, and the air in the oral cavity. Journal of breath research. 2 (3), (2008).
- Amann, A., Smith, D. Volatile Biomarkers. 1st Edition. , (2013).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
