Snabb och noggrann utandningsluft Ammoniak Mätning

Summary

Ammonia is an important physiologic metabolite relevant to various disease and wellness states. It is also a difficult molecule to measure in breath, which demands particular precautions be taken to obtain accurate results. Not all factors influencing ammonia are known, but progress can be difficult without accounting for these factors.

Abstract

This exhaled breath ammonia method uses a fast and highly sensitive spectroscopic method known as quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) that uses a quantum cascade based laser. The monitor is coupled to a sampler that measures mouth pressure and carbon dioxide. The system is temperature controlled and specifically designed to address the reactivity of this compound. The sampler provides immediate feedback to the subject and the technician on the quality of the breath effort. Together with the quick response time of the monitor, this system is capable of accurately measuring exhaled breath ammonia representative of deep lung systemic levels.

Because the system is easy to use and produces real time results, it has enabled experiments to identify factors that influence measurements. For example, mouth rinse and oral pH reproducibly and significantly affect results and therefore must be controlled. Temperature and mode of breathing are other examples. As our understanding of these factors evolves, error is reduced, and clinical studies become more meaningful. This system is very reliable and individual measurements are inexpensive.

The sampler is relatively inexpensive and quite portable, but the monitor is neither. This limits options for some clinical studies and provides rational for future innovations.

Introduction

Ammoniak är ett allestädes närvarande biprodukt av proteinmetabolism ^1. Ammoniak mätning kan därför hjälpa läkare att bedöma olika sjukdomar och wellness stater ^2. Dock är ammoniak svåra att mäta exakt, via blod eller andedräkt, eftersom det är mycket reaktiva. Även vanligt förekommande, blodanalyser har många nackdelar, bland annat grundläggande oro noggrannhet ^3. Men det stora problemet med blodanalyser är verkligheten den att de alltid bara samlas episodiskt. Detta är viktigt eftersom ammoniak fysiologi, ungefär som blodsocker och många andra metaboliska processer, är flytande och ständigt föränderliga ^4. Däremot utandnings analyser är helt icke-invasiv och snabb, därigenom enkelt möjliggöra upprepade mätningar. Således är andetag ammoniakmätning attraktivt eftersom det kan ta upp en allvarlig icke tillgodosett behov på ett unikt sätt.

Breath samling dock presenterar unika bekymmer. Skäl flebotomi bär inneboende den JeoPardy för fel på flera oförutsägbara sätt (t.ex. tryckförband tid, svett kontamination, blodkroppar hemolys, försening i laboratoriemätning, etc. ⁵⁾ måste forskare andetag mätnings brottas med en annan grupp av nya utmaningar: variabilitet i andning, förorening med munslemhinnan eller bakterie ammoniak, inverkan av luft och apparater luftfuktighet och temperatur, etc ^6. I själva verket är det oklokt att underskatta uppgiften i anslutning experimentell utrustning för människor med hjälp av experimentella förfaranden för att upptäcka okända biologi. Delvis på grund av dessa hinder har andas ammoniak ännu inte träffat sin potential.

Häri presenterar vi våra andetag ammoniak mätprotokoll för snabba och korrekta resultat. Vår protokoll har styrka inom tre områden: monitorn, gränssnittet provtagaren, och uppmärksamhet på mänsklig påverkan. Monitorn byggdes av kollegor vid Rice University som tidigare beskrivits ^7. Grunden för MEAsurement är en kvarts förbättrad fotoakustisk spektroskopi (QEPAS) teknik som använder en piezoelektrisk kvarts stämgaffel som en akustisk transduktor. Fotoakustiska effekten uppstår när ljudvågor produceras av absorptionen av modulerad laserstrålning genom mål spår gastyp. Den spårgas detekteras med hjälp av en akustisk cell som är akustiskt resonant till den module frekvens. En absorptionsvåglängd för ammoniak valdes som är fri från spektrala interferenser från störande arter i andetag. I utandningsluften mätning människa, huvuddragen i monitorn inkluderar ett brett mätområde (från ~ 50 delar per miljard, ppb till minst 5,000 ppb) och hastighet (1 sek mätning). Hastigheten på bildskärmen möjliggör tidsupplösning genom hela andningscykeln.

Monitorn är kopplad till en speciellt utformad andetag sampler. Provtagaren består av en trycksensor och kapnograf. Den visar och arkiverar realtidmätningar av mun trycket och koldioxid samt ammoniakkoncentrationer som bestäms av sensorn. Denna sampler, därför gör det möjligt för teknikern att utvärdera kvaliteten på andningen ansträngning som andningen samlas. Detta gör att vi kan överskrida rekommendationerna för analys andetag kväveoxid (Fe _NO) som föreslagits av arbetsgruppen för American Thoracic Society / European Respiratory Society (ATS / ERS) ^8. För alla andningsprovtagningsades en disponibel en-vägs in-line-ventil som används vid mynningen port andetag provtagaren.

På grund av hastigheten på bildskärmen och de kvalitetskontroller som tillhandahålls av provtagaren, kunde vi noggrant utvärdera mänsklig påverkan ^9. De flesta ämnen, till exempel, till en början hyperventilera när du uppmanas att andas. Andra viktiga influenser, t ex oralt pH och munnen sköljningar, temperaturer på provtagaren, övervaka och alla tillhörande slangar, och läget av andning, sedan studerade, och ligger till grund for de illustrativa experiment nedan.

Slutligen, och kanske ännu viktigare, det måste understrykas att flera mycket erfarna grupper mäter andetag ammoniak med hjälp av helt olika sensorer och mätning. Dessa kan ha viktiga fördelar och giltighet. En fullständig jämförelse ligger utanför ramen för detta arbete ^10,11,12.

Protocol

1. Beredning av instrument Slå på den externa strömförsörjningen till ammoniak optiska sensorplattform, laserdiod controller, en specialbyggd styrelektronikenhet (CEU), andningen provtagaren, luftpump, och laptop. Kontrollera att både avgas och kylfläktar av ammoniaksensorn fungerar. ANMÄRKNING: En är placerad i den bakre delen av sensorn är det andra som finns inom den sensor, som är lättillgängligt. Se till den akustiska detekteringsmodulen och nålventilen temperatur är vi…

Representative Results

Ämnen kan förväntas ge ett brett utbud av baslinjen andetag ammoniaknivåer. Friska individer kan börja dagen med en andedräkt ammoniakmätning 100-1000 ppb. Skölja munnen med vätska omedelbart ändrar mängden detekterbar andetag ammoniak. Neutrala och sura vätskor skär typiskt mängden observer ammoniak med mer än hälften. Dessa nivåer återgår sedan till baslinjen som effekterna av sköljningen avtar. Effekterna av vatten verkar försvinna inom 15 min, medan en syra kan hålla detekterbar andetag ammonia…

Discussion

Fördelarna med en icke-invasiv förfarande som kan spåra spår metaboliter i realtid är uppenbara. Däremot har området andnings forskning kämpat för att uppfylla denna potential. Breath mätning är en dynamisk process utsatta för många felkällor. Vårt tillvägagångssätt har viktiga styrkor: specifikt, har känsligheten och hastigheten på Rice QEPAS baserad ammoniak bildskärm kopplad till andnings provtagaren möjligt för oss att utvärdera och identifiera andedräkt insamlings faktorer relevant för exa…

Materials

Rice Ammonia Monitor System	N/A	N/A	Not available for commercial purchase
Loccioni Breath Sampler	Loccioni Humancare	N/A	Single breath version
Disposable Mouth Piece	WestPrime Healthcare	G011-200	Manufacturer is AlcoQuant
Laptop	Lenovo	N/A	Old model no longer sold by manufacturer
Acid Rinse	N/A	N/A	Household acidic drink (coffee, soft drink, citrus juices, etc)
Base Rinse	N/A	N/A	Water mixed with a nonexact amount of sodium bicarbonate (Arm & Hammer Baking Soda)
Neutral Rinse	N/A	N/A	Water