Snel en nauwkeurig de uitgeademde lucht Ammoniak Meting

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 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.

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 …

Representative Results

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 wa…

Discussion

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…

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