Rask og nøyaktig utåndet pust Ammoniakk Måling

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

Ammoniakk er en allestedsnærværende biprodukt av protein metabolismen ^en. Ammoniakk måling kan derfor hjelpe klinikere vurdere ulike sykdommer og velvære stater ^to. Imidlertid er ammoniakk vanskelig å måle nøyaktig, via blod-eller ånde, fordi det er svært reaktiv. Selv brukte, blod analyser har mange ulemper, blant annet grunnleggende spørsmål om nøyaktighet ^tre. Men det store problemet med blodanalyser er realiteten at de bare har samlet episodisk. Dette er viktig fordi ammoniakk fysiologi, omtrent som blodglukose og mange andre metabolske prosesser, er flytende og stadig skiftende ^4.. I kontrast, pusten assays er fullstendig ikke-invasiv og hurtig, for derved lett å aktivere gjentatt tiltak. Således er pusten ammoniakk måling attraktivt fordi det kan løse et alvorlig udekket behov på en unik måte.

Breath samling, men gir unike problemer. Mens blodprøvetaking iboende bærer JeoPardy av feil på flere uforutsigbare måter (f.eks tourniquet tid, svette forurensning, blodlegemer hemolyse, forsinkelse i laboratoriemåling, etc ^5), må pusten måleforskere stri med en annen gruppe av nye utfordringer: variasjon i puste, forurensning med munnslimhinnen eller bakteriell ammoniakk, påvirkning av omgivende luft og en anordning fuktighet og temperatur, etc ^6.. Faktisk, er det uklokt å undervurdere oppgaven i å koble eksperimentelt utstyr til mennesker ved hjelp av eksperimentelle prosedyrer for å oppdage ukjente biologi. Delvis på grunn av disse hindringene, har pust ammoniakk ennå ikke oppfylt sitt potensial.

Heri presenterer vi våre pusten ammoniakk måleprotokoll for raske og nøyaktige resultater. Vår protokollen har styrke i tre områder: monitoren, grensesnittet sampler, og oppmerksomhet til de menneskelige påvirkninger. Skjermen ble bygget av kolleger ved Rice University som tidligere beskrevet ^syv. Grunnlaget for measurement er et kvarts forbedret fotoakustisk spektroskopi (QEPAS) teknikk som anvender en piezoelektrisk kvarts stemmegaffel som en akustisk transduser. Foto-akustisk effekt oppstår når akustiske bølger fremstilles ved absorpsjon av modulerte laserstråling ved måltrasen gassarter. Den sporgass blir detektert ved hjelp av en akustisk celle som er akustisk resonans til den modulerte frekvens. En absorpsjonsbølgelengde for ammoniakk er valgt som er fritt for spektral interferens fra interfererende arter i pusten. Ved anvendelsen av menneskelig utåndet pust måling, de viktigste funksjoner på skjermen inkluderer et bredt måleområde (fra ~ 50 deler per milliard, ppb til minst 5000 ppb) og hastighet (1 sek målinger). Hastigheten på monitoren muliggjør tidsoppløsningen i løpet av pustesyklusen.

Monitoren er koplet til et spesielt utformet pust sampler. Prøvetakeren består av en trykksensor og kapnografen. Den viser og arkiverer sanntidmålinger av munn trykk og karbondioksid, i tillegg til ammoniakk-konsentrasjonen bestemmes ved hjelp av føleren. Dette sampler, og derfor gjør det mulig for teknikeren å vurdere kvaliteten av puste krefter som pusten blir oppsamlet. Dette gjør oss i stand til å overstige anbefalingene for å analysere pusten nitrogenoksid (Fe _NO) foreslått av Task Force av American Thoracic Society / European Respiratory Society (ATS / ERS) ^8. For alle pust sampling, ble en engangs enveis in-line ventilen brukes på munningen port av pusten sampler.

På grunn av hastigheten på skjermen og kvalitetskontrollene levert av sampler, var vi i stand til å nøye vurdere menneskelige påvirkninger ^ni. De fleste fag, for eksempel, i utgangspunktet hyperventilere når du får beskjed om å puste. Andre viktige påvirkninger, slik som oral pH og munnskylle, temperaturer på sampler, monitor og alle tilhørende slange, og modusen for å puste, ble deretter undersøkt, og er grunnlaget for de illustrerende eksperimenter under.

Til slutt, og kanskje aller viktigst, det må understrekes at flere svært erfarne grupper måler pusten ammoniakk ved hjelp av helt ulike sensorer og måleprosedyrer. Disse kan ha viktige fordeler og validitet. En fullstendig sammenligning er utenfor rammen av dette arbeidet ^10,11,12.

Protocol

En. Utarbeidelse av Instruments Slå på den eksterne strømforsyningen til ammoniakk optisk sensorplattform, laser diode-kontrolleren, en spesialbygget styreelektronikk enhet (CEU), pusten sampler, luftpumpe, og laptop. Kontroller at både eksos og kjølevifter av ammoniakken sensor opererer. MERK: En er plassert på baksiden av sensoren, blir den andre innenfor føleren, som er lett tilgjengelig. Sikre den akustiske deteksjonsmodulen og nåleventilen temperatur er ved 38,0 ° C ved å ko…

Representative Results

Emner kan forventes å produsere et bredt spekter av baseline pusten ammoniakknivåer. Friske personer kan starte dagen med en pust ammoniakk måling av samtidig inntar 100-1000 ppb. Skylling av munnen med en hvilken som helst fluid endrer seg umiddelbart mengden av påvisbart ånde ammoniakk. Nøytrale og sure fluider typisk redusere mengden av observer ammoniakk med mer enn halvparten. Disse nivåene deretter tilbake til baseline som virkningene av skylle slites av. Virkningene av vann synes å forsvinne i løpet av 1…

Discussion

Fordelene med en ikke-invasiv fremgangsmåte i stand til å detektere spor metabolitter i sanntid er åpenbare. Men, har feltet pusten forskning kjempet for å realisere dette potensialet. Breath måling er en dynamisk prosess sårbar for mange konfunderende faktorer. Vår tilnærming har viktige styrker: spesifikt, har følsomhet og hastighet av Rice QEPAS basert ammoniakk-skjerm koblet til pusten sampler gjort oss i stand til å vurdere og identifisere pusten samling faktorer germane til nøyaktig måling. Denne tiln?…

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