Gecontroleerde geur Mimic Permeation Systems voor Olfactorische training en veldtesten

Samenvatting

De Controlled Odor Mimic Permeation System is een eenvoudige, veld-draagbare, low-cost methode van geur levering voor reuktesten en training. Het is opgebouwd uit een geurstof bewaard op een adsorberend materiaal en bevat binnenkant van een doorlaatbare polymeer zak waardoor gecontroleerde afgifte van de geurdamp na verloop van tijd.

Samenvatting

Het Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) is ontwikkeld om een handige veldtestmethode te bieden voor geurlevering tegen gecontroleerde en reproduceerbare snelheden. COMPS bestaat uit een geurige geur van belang op een absorberend materiaal verzegeld binnenkant van een doorlaatbare polymeer zak. De doorlatende laag zorgt voor een constante afgifte van de geurstof over een bepaalde hoeveelheid tijd. De doorlatende zak wordt verder opgeslagen in een secundaire, ondoordringbare zak. De dubbele insluitingsprocedure maakt het mogelijk om de geurstof uit de permeabele zak te equiliberen, maar binnen de ondoordringbare buitenste laag, wat resulteert in een onmiddellijke en reproduceerbare bron van geurdamp bij verwijdering uit de buitenverpakking. COMPS worden gebruikt in zowel reuktesten voor experimentele scenario's als voor reukdetectietraining, zoals bij detectiehonden. COMPS kan worden gebruikt om een breed scala aan geurstoffen (bijvoorbeeld verdovende middelen poeders) bevatten en zorgen voor een gecontroleerde afgifte van de bijbehorende geurstoffen. Geurbeschikbaarheid van COMPS wordt uitgedrukt in permeatiesnelheid (d.w.z. de snelheid van de geurdamp die vrijkomt uit een COMPS per eenheidstijd) en wordt meestal gemeten met gravimetrische middelen. De permeatiesnelheid voor een bepaalde massa of volume geurstof kan naar behoefte worden aangepast door de dikte van de zak, het oppervlak en/of het polymeertype te variëren. De beschikbare geurconcentratie van een COMPS kan ook worden gemeten aan de door headspace analysetechnieken zoals vaste fasemicro-uittreding met gaschromatografie/massaspectrometrie (SPME-GC/MS).

Inleiding

Olfaction is een cruciaal, maar vaak over het hoofd gezien, sensing mechanisme gebruikt door de meeste dieren. Voor velen is het het belangrijkste mechanisme voor het lokaliseren van voedsel, het vinden van een partner, of sensing gevaar¹. Bovendien worden de reukvermogens die sommige dieren, met name honden, regelmatig door de mens gebruiken voor de detectie van smokkelwaar (bijvoorbeeld verdovende middelen of explosieven), of andere voorwerpen die van belang zijn, zoals vermiste personen, invasieve soorten of ziekten^2,3. Voor hondendetectieonderzoek of andere olfactieonderzoeksonderwerpen bestuderen onderzoekers vaak het proces van olfactie en de sterke en beperkingen van het reuksysteem. Als zodanig is het over het algemeen wenselijk om het vrijkomen van een geurdamp in het milieu te controleren om tijdens het testen op reproducibly bekende hoeveelheden geurstof te leveren. Het niet verantwoorden van variaties in geurbeschikbaarheid als gevolg van factoren zoals dampdruk of milieueffecten bemoeilijkt vaak de interpretatie van gegevens en de toepasbaarheid⁴. Het is ook wenselijk om een vastgestelde hoeveelheid geur te bieden tijdens trainingsscenario's voor detectie van hoektanden. Bijvoorbeeld, studies door Hallowell et al.⁵ en door Papet⁶ hebben aangegeven het belang van geur intensiteit in geur perceptie, en dat het veranderen van de intensiteit van een geur kan beïnvloeden hoe het alleen wordt waargenomen of in een mengsel.

In laboratoriumomgevingen kan het gebruik van analytische apparatuur, zoals permeatiebuizen met regelbare ovens, dampgeneratoren of lynometers, worden gebruikt om de geurlevering te controleren. Dit type apparatuur is echter onpraktisch voor gebruik tijdens veldtesten en trainingsscenario's⁴. Het Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) is ontwikkeld als een eenvoudige, goedkope en wegwerpmethode voor gecontroleerde geurlevering zonder externe stroom. Daarom kunnen ze gemakkelijk worden opgenomen in een verscheidenheid van verschillende test-en trainingsscenario's⁷. COMPS-eenheden bestaan eenvoudigweg uit een geurige aanmerkelijke aanhang op een absorberend materiaal dat in een doorlaatbare polymeerzak is verzegeld, opgeslagen in een secundair insluitingssysteem. Het gebruik van COMPS vermindert de variabiliteit tussen de tests en verbetert de consistentie tijdens trainingsoefeningen⁸.

Geur levering of beschikbaarheid van COMPS wordt gemeten in termen van permeatiesnelheid, zoals bepaald door gravimetrische analyse in termen van massa van damp vrijgegeven na verloop van tijd. Permeatiesnelheden kunnen worden gecontroleerd door een aantal factoren, waaronder de dikte van de polymeerzak, het beschikbare oppervlak, het type absorberend materiaal (substraat) dat wordt gebruikt en de hoeveelheid geurstof. Permeatie tarief is constant voor een bepaalde periode (uren of dagen) afhankelijk van de geur die wordt gebruikt. Dit zorgt voor minimale variabiliteit in geur levering tijdens het testen of training. Tijdens de opslag komt COMPS tot evenwicht in de ondoordringbare buitenste container, wat resulteert in een onmiddellijke bron van geurdamp bij een bekende permeatiesnelheid.

COMPS werden in eerste instantie ontworpen om geurstoffen geassocieerd met explosieve materialen bevatten en te worden gebruikt als geur bootst⁷. Zoals gedefinieerd door Macias et al., een geur na te bootsen simuleert een materiaal van belang, zoals een explosief, door het verstrekken van de dominante vluchtige verbindingen, of geurstoffen, gevonden in de hoofdruimte van dat materiaal zonder de aanwezigheid van het oudermateriaal zelf⁸. Om een geur na te bootsen, moeten de actieve geurstoffen van het oudermateriaal worden bepaald. Een actieve geurstof, in dit scenario, wordt beschreven als een vluchtige verbinding die een getrainde explosievendetectie hond detecteert, gelovend dat er een daadwerkelijk explosief materiaal aanwezig is. Na het identificeren van dominante vluchtige stoffen in de hoofdruimte van verschillende explosieve materialen, waren COMPS bereid om deze individuele geurstoffen in een gecontroleerde snelheid vrij te geven voor de duur van hondenreukdetectieveldproeven en de actieve geurstof te bepalen die geassocieerd is met verschillende explosieve materialen. COMPS werden met succes gebruikt voor dit doel^7,9 en zijn sindsdien gebruikt als geur nabootsingen voor verdere explosieve detectie training.

Macias et al. gebruikten COMPS met piperonal, een zuivere chemische vaste stof bij kamertemperatuur waarvan in de dampfase is aangetoond dat het de actieve geurstof voor MDMA is (3,4-methylenedioxymethamfetamine), de psychoactieve drug die bekend staat als ecstasy. De onderzoekers gebruikten verschillende diktes en oppervlaktes van polyethyleenzakken met een lage dichtheid om de permeatiesnelheid van piperonale damp aan te passen. Deze reeks COMPS werd vervolgens gebruikt om de drempel voor piperonale detectie voor getrainde drugsdetectie-hoektanden⁸te schatten. Omgekeerd werden comps-zakdiktes in een afzonderlijke studie aangepast om de afwijking van de permeatiesnelheden tussen elke verbinding in een homologe reeks te minimaliseren, hoewel ze drastisch variërende dampdruk bezaten. Als een enkele zak dikte was gebruikt in deze studie, die verbindingen met een hogere dampdruk zou hebben opgeleverd veel hogere permeatie tarieven. Door de dikte van de zak voor de hogere volatiliteitsverbindingen te verhogen , werden de permeaties aangepast zodat ze voor alle verbindingen vergelijkbaar waren⁴. Beide studies tonen het nut en het aanpassingsvermogen van de COMPS aan om de afgifte van damp te controleren. Soortgelijke studies optimaliseren polymeer zak dikte evenals absorberend materiaal zijn uitgevoerd in de creatie van geur nabootst voor synthetische cathinones (dat wil zeggen, badzout)¹⁰, andere verdovende middelen (met inbegrip van heroïne en marihuana¹¹), en menselijke geur verbindingen^12,13. In een laatste voorbeeld onderzochten Simon et al. de actieve geurstoffen geassocieerd met een invasieve schimmelsoort¹⁴. Hele stukken geïnfecteerde boomschors, in plaats van de geëxtraheerde geurstoffen, werden direct in de polymeerzak geplaatst om de afgifte tijdens het testen van honden olfactie¹⁴te controleren. COMPS kan worden gebruikt voor een verscheidenheid van scenario's, en de hierin besproken protocollen werden gekozen om de diversiteit van deze tool aan te tonen.

Protocol

1. Vergadering van COMPS (figuur 1)

1. Voor nette (vloeibare) verbinding op een substraat(figuur 1A)
   1. Om het substraat te impregneren met geurstof, gebruik dan een gekalibreerde pipet om 5 μL nette verbinding toe te voegen aan een 2 x 2 inch katoenen gaaspad of ander substraat naar keuze (zie Tabel van materialen).
   2. Vouw het gaaskussen doormidden en plaats dit (of een alternatief substraatmateriaal) in een 2 x 3 inch polyethyleen permeabele zak met lage dichtheid. De voorgestelde zakdiktes liggen tussen de 1 MIL, voor de snelste permeatiesnelheid, tot 8 MIL, voor een tragere permeatiesnelheid.
      OPMERKING: Variaties in absorberende materialen, permeabele zakgrootte, polymeerchemie en dikte kunnen worden gebruikt, maar deze veranderingen beïnvloeden de permeatiesnelheid van de geurstoffen (zie verdere discussie in de sectie Resultaten).
   3. Sluit de polymeerzak onmiddellijk af met een warmteafdichter, waardoor er zoveel mogelijk lucht uit de zakken wordt verwijderd.
   4. Bewaar de zak in een buitenste niet-permeabele zak, of als het onmiddellijk zal worden gebruikt, plaats het in een schone weegboot in een rookkap(Figuur 1B).
2. Voor vast materiaal is geen substraat nodig (figuur 1C)
   1. Weeg de gewenste hoeveelheid vast materiaal, dat een zuivere verbinding of daadwerkelijk doelmateriaal kan zijn, en plaats in een 2 x 3 inch polyethyleen (LDPE) met lage dichtheid (LDPE) permeabele zak. Nogmaals, de voorgestelde zak dikte varieert van 1 MIL tot 8 MIL.
   2. Verwarm onmiddellijk de polymeerzak dicht, waardoor er zoveel mogelijk lucht uit de zak wordt verwijderd en op te slaan of opzij te zetten in een weegboot.

2. Gravimetrische analyse om de PERMEATIEsnelheid van COMPS te bepalen

OPMERKING: Een constante omgevingstemperatuur is belangrijk voor nauwkeurige en reproduceerbare metingen, zowel gravimetrische als hoofdruimte. Tijdens alle tests moet een constante temperatuur worden gehandhaafd. Het wordt aanbevolen om alle analytische metingen uit te voeren bij de gewenste temperaturen tijdens het testen.

1. Om de permeatiesnelheid van de geurstoffen door de doorlaatbare zak te bepalen, plaatst u een nieuw gemaakte COMPS in een weegboot in een rookkap.
2. Plaats een schone, aparte weegboot op een analytische balans, en nul de balans.
3. Haal de COMPS uit de rookkap en plaats op de balans. Neem de massa op en keer onmiddellijk terug naar de rookkap.
4. Blijf de massa van de COMPS registreren gedurende regelmatige tijdsstappen totdat de massa van de COMPS niet meer verandert (±5%). Op dit punt is de geur van de COMPS uitgeput.
5. Als een negatieve controle, maak een lege COMPS bestaande uit alleen het substraat materiaal zonder geurstoffen verzegeld in de permeabele zak. Behandel deze negatieve controle op dezelfde manier als de COMPS met geurstof om minimale schommelingen in massa na verloop van tijd te garanderen.
6. Bereken de permeatiesnelheid van de COMPS.
   1. Plot de massa van de COMPS versus tijd op een X-Y plot in de juiste statistische analyse software.
   2. Pas een lineaire trendlijn in op alleen het lineaire gedeelte van de grafiek en geef een vergelijking weer op een grafiek. De trendlijn mag NIET worden ingesteld om de oorsprong op te nemen. De helling van de lijn (d.w.z., m in y = m+ b) is de permeatiesnelheid in massa per eenheidstijd.

3. Headspace analyse door vaste fase microextractie met gaschromatografie/massaspectrometrie (SPME-GC/MS) (optioneel)

1. Bereid een verse COMPS volgens de bovenstaande instructies en laat het in evenwicht in een open weegboot binnenkant van een rookkap gedurende 30 min.
2. Haal de COMPS uit de weegboot, plaats het in een 1 pint epoxy-gevoerde metalen monster container zonder deksel, en zet het in een 1 liter epoxy-gevoerde metalen container. De containers moeten gedurende het experiment in een rookkap worden bewaard.
3. Laat ten minste 30 minuten voor evenwicht in de container voorafgaand aan de bemonstering.
4. Voor bemonstering na evenwicht plaatst u een deksel met een eerder geboord gat van 1 cm bovenop de buitenste container. Steek een geschikte SPME vezel door het gat op het deksel om de analyt van belang te extraheren. Wanneer de SPME vezel niet wordt gebruikt, bedek het gat met paraffine film of iets dergelijks. De extractietijd en vezelcoating zijn afhankelijk van het type en de hoeveelheid analytdamp die aanwezig zijn, evenals de grootte van het bemonsteringsvat en de omgevingsomstandigheden¹⁵.
5. Verwijder de SPME vezel na de toegewezen extractie tijd en plaats in de verwarmde inlaat van een GC / MS voor thermische desorptie en analyse.
   1. Voer de GC/MS-methode uit die geschikt is voor de verbinding die in de COMPS¹⁶wordt gebruikt .
6. Vergelijk voor kwantificering het resulterende piekgebied met een externe kalibratiecurve¹⁶ en/of interne norm^17, indien passend voor de methode en het experimentele ontwerp.
   OPMERKING: 1) In dit voorbeeld werden epoxy-gevoerde metalen monstercontainers gebruikt, maar ook andere soorten containers zouden geschikt zijn. Om de geurbeschikbaarheid direct te vergelijken met veldreukevaluaties, zou het het beste zijn om dezelfde container te gebruiken, gereinigd tussen elke test, voor beide experimenten; 2) Voor reproduceerbare resultaten moeten alle aspecten van de bemonsteringsprocedure in alle replicerende experimenten worden gehandhaafd, met inbegrip van maar niet beperkt tot de evenwichtstijd, de SPME-extractietijd, het type en de grootte van de container en de omgevingsomstandigheden (d.w.z. temperatuur en vochtigheid).

4. COMPS-opslag

1. Plaats een enkele COMPS in een gemetalliseerde barrière zak (3,5 x 4,5 inch) en warmte-afdichting te sluiten, het verwijderen van zoveel mogelijk lucht uit de zak voorafgaand aan het verzegelen (Figuur 1B).
2. Bewaar in koele omgevings- of gekoelde omstandigheden, maar niet onder of dicht bij het vriespunt om condensvorming te voorkomen als de COMPS ontdooit.
3. Als meerdere geurstoffen of geurige leveringspercentages in één experiment worden getest, wordt secundaire insluiting aanbevolen om eventuele kruisbesmetting tijdens transport en opslag te elimineren.
   1. Plaats meerdere barrièrezakken met elk individuele COMPS van dezelfde analyt- en permeatiesnelheid in een buitenste, grotere gemetalliseerde zak of glazen pot voor opslag en transport.

5. Veld olfactorische testen

OPMERKING: Reuktests kunnen op veel verschillende manieren worden uitgevoerd, afhankelijk van het dier dat wordt getest, het doel van het experiment en de omgevingsomstandigheden. Het onderstaande protocol beschrijft een dergelijke manier van testen. Alle dierproeven moeten eerst worden beoordeeld en goedgekeurd door een Institutioneel Comité voor dierverzorging en -gebruik (IACUC).

1. Maak eerst lege of negatieve controleSAMS zoals hierboven beschreven. Maak voldoende zodat elke container in het testscenario reserve-COMPS (2-3, afhankelijk van het aantal dieren dat bij het experiment betrokken is) bevat. Verpak alle blanco COMPS samen in secundaire insluiting (d.w.z. een grotere gemetalliseerde zak of glazen pot met afdichtingsdeksel).
2. Maak verse COMPS indien nodig voor het beoogde veldtestprotocol. Elimineer alle mogelijke bronnen van verontreiniging tussen de COMPS en de gemetalliseerde zak. Dit kan worden bereikt door regelmatig handschoenen te verwisselen en het laboratoriumoppervlak schoon te maken.
3. Bewaar de COMPS ten minste 1 dag voor gebruik om evenwicht mogelijk te maken. Bewaar eventuele replicaties in dezelfde secundaire container. Verschillende COMPS moet echter in afzonderlijke secundaire containers zitten.
4. Voor het instellen van een basis reuktest voor honden, leg je meerdere lijnen op van ten minste vijf identieke containers (bijvoorbeeld metalen blikjes, dozen), waarbij het aantal lijnen afhankelijk is van het aantal variabelen dat wordt getest.
   1. Stel de proefversie zo in dat elke regel één container bevat met de doelSAMS en vier met lege COMPS. Positieve controlelijnen, bereid op dezelfde manier, maar met een bekende doelgeur, kunnen worden gebruikt als geschikt voor het experiment, training of testscenario. Een extra negatieve controle of lege regel moet vijf lege COMPS en geen doelen bevatten. Bestel deze negatieve controlelijn, positieve controlelijn (indien gebruikt) en test lijnen willekeurig, en verander de volgorde met behulp van een random number generator voor elke canine olfactorische test als praktisch voor het testscenario.
      1. Neem een afleider geur/materiaal per lijn ook.
      2. Randomiseer de volgorde en locatie van het doel en afleider geurstoffen in elke regel voor elke hond wordt getest met behulp van een random number generator.
5. Om de containers voor te bereiden, verwijdert u COMPS uit de secundaire en buitenste containers en plaatst u alleen de doorlatende zak in de proefcontainer.
   1. Laat de COMPS ten minste 30 minuten in de container equiliberen voordat u het testt.
   2. Herhaal stappen voor elke COMPS die in de test wordt gebruikt, te beginnen met spaties, gevolgd door positieve controles (bij gebruik) en vervolgens geurstoffen te testen en elke keer van handschoen te wisselen.
      OPMERKING: Gedetailleerde voorbeelden van scenario's voor hondentesten zijn te vinden in Simon et al.⁴ of Macias et al.⁸.

Resultaten

Het primaire doel van het gebruik van COMPS in reuktesten/training is het controleren van het vrijkomen van de gekozen geurstoffen en het leveren van een gecontroleerde hoeveelheid van de geurstof gedurende de duur van de test of training. Geurige afgifte wordt gemeten door gravimetrische analyse in termen van massaverlies per eenheidstijd. Figuur 2 geeft een voorbeeld van gravimetrische resultaten van de permeatie van drie identieke COMPS bereid uit 5 μL pentanoïnezuur op katoengaas door ee...

Discussie

Controlled Odor Mimic Permeation Systems (COMPS) zijn gemakkelijk gemaakt door het verzegelen van een geur van belang in een doorlaatbare zak. Dit kan worden gedaan door een nette vloeibare verbinding op een absorberend materiaal te spuiten en vervolgens het absorberende materiaal in de zak te plaatsen; door een zuivere, vaste verbinding rechtstreeks in de zak⁴te plaatsen , zoals bij piperonal⁸is gebeurd ; of door het doelmateriaal met meerdere of onbekende geurstoffen in e...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
16 oz economy jars (70-450 finish)	Fillmore container	A16-08C-Case 12
7890A gas chromatograph / 5975 mass selective detector	Agilent
Analytical balance	Mettler Toledo	01-911-005
Ball regualr bands en dome deksels	Fillmore container	J30000
Kasjuffer (2" x 2")	Dukal
Wegwerp weegschalen	VWR	10803-148
Epoxy-lined sample containers, 1 gallon	TriTech Forensics	CANG-E
Epoxy-lined sample containers, 1 pint	TriTech Forensics	CANPT-E
Polyethyleen zak met lage dichtheid	Uline	S-5373
Rtx-Volatiles (30 m x 0.32 mmID) column	Restek	10901
Zilver gemetalliseerde mylar barrièrezak (3.5" x 4.5")	ESP Packaging	95509993779
Zilver gemetalliseerde mylar barrièrezak (5" x 8.5" x 3")	ESP Packaging	95509993793
Solid phase microextration fiber assembly (PDMS/DVB/CAR)	Sigma-Aldrich	57328-U
Solid phase microextration holder	Sigma-Aldrich	57330-U
Tabletop Impulse Sealer	Uline	H-190	Heat sealer