Hurtig og præcis udåndingsluft Ammoniak 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

Ammoniak er en allestedsnærværende biprodukt af protein metabolisme ^1. Ammoniak-måling kan derfor hjælpe klinikere vurdere forskellige sygdomme og wellness-lande ^2. Imidlertid er ammoniak vanskeligt nøjagtigt at måle via blod eller ånde, fordi det er meget reaktiv. Selvom almindeligt anvendt, blod analyser har mange ulemper, herunder basale bekymringer nøjagtighed ^3. Men det største problem med blod analyser er den virkelighed, som de altid kun indsamlet episodisk. Dette er vigtigt, fordi ammoniak fysiologi, ligesom blodglucose og mange andre metaboliske processer, er flydende og stadigt skiftende ^4. I modsætning hertil ånde assays er fuldstændig ikke-invasiv og hurtig, hvilket let muliggør gentagne foranstaltninger. Således måling ånde ammoniak er attraktivt, fordi det kan afhjælpe en alvorlig udækket behov på en unik måde.

Breath indsamling,, præsenterer dog unikke bekymringer. Betragtninger tapning sagens natur bærer Jeopardy af fejl på flere uforudsigelige måder (f.eks tourniquet tid, sved forurening blodlegemer hæmolyse, forsinkelse i målingen laboratorium, osv. ⁵⁾ skal ånde måling forskere slås med en anden gruppe af nye udfordringer: variation i vejrtrækning, forurening med oralmucosal eller bakteriel ammoniak, påvirkning af omgivende luft og apparater luftfugtighed og temperatur, osv. ^6.. Ja, det er uklogt at undervurdere den opgave i at koble eksperimentelle udstyr til mennesker ved hjælp af eksperimentelle procedurer til at opdage ukendte biologi. Dels på grund af disse hindringer, har ånde ammoniak endnu ikke opfyldt sit potentiale.

Heri præsenterer vi vores åndedræt måling ammoniak protokol for hurtige og præcise resultater. Vores protokol har styrke i tre områder: monitoren, grænsefladen sampler, og opmærksomhed på de menneskelige påvirkninger. Skærmen er bygget af kolleger på Rice University som tidligere beskrevet ^7. Grundlaget for MEAsurement er et kvarts forbedret fotoakustisk spektroskopi (QEPAS) teknik, der anvender en piezoelektrisk kvarts stemmegaffel som en akustisk transducer. Fotoakustisk effekt opstår, når akustiske bølger fremstilles ved absorption af modulerede laserstråling ved målspor gasart. Sporgassen detekteres ved hjælp af en akustisk celle, der er akustisk resonans til modulerede frekvens. En absorption bølgelængde for ammoniak blev valgt, der er fri spektral interferens fra at blande arter i vejret. Ved anvendelsen af ​​udåndingsluft måling menneske, hovedtrækkene i monitoren omfatter en bred måleområde (fra ~ 50 dele pr milliard, ppb til mindst 5.000 ppb) og hastighed (1 sek målinger). Hastigheden af ​​skærmen muliggør tidsopløsning hele åndedrag cyklus.

Skærmen er koblet til en specielt designet ånde sampler. Sampleren består af en tryksensor og capnograph. Det viser og arkiverer realtidmålinger af munden tryk og kuldioxid samt ammoniak koncentrationer bestemt af sensoren. Denne sampler, derfor gør det muligt for teknikeren at evaluere kvaliteten af ​​åndedrættet indsats som åndedrættet opsamles. Dette gør det muligt for os at overskride anbefalingerne for at analysere ånde nitrogenoxid (Fe _NO) foreslået af Task Force af American Thoracic Society / European Respiratory Society (ATS / ERS) ^8.. For alle ånde prøveudtagning blev en engangs envejs in-line ventil bruges på munden port ånde sampler.

På grund af hastigheden på skærmen og den kvalitetskontrol, som sampler, var vi i stand til nøje at vurdere menneskelige påvirkninger ^9. De fleste fag, for eksempel, i første omgang hyperventilere når bedt om at trække vejret. Andre vigtige indflydelser, såsom oral pH og mundskyllemidler, temperaturer af sampler, skærm og alle tilhørende slanger og tilstanden af ​​vejrtrækning, blev derefter undersøgt, og er grundlaget for de illustrative eksperimenter nedenfor.

Endelig, og måske mest markant, det skal understreges, at flere meget erfarne grupper måler ånde ammoniak ved hjælp af helt forskellige følere og målemetoder. Disse kan have vigtige fordele og gyldighed. En komplet sammenligning er uden for rammerne af det nuværende arbejde ^10,11,12.

Protocol

1.. Udarbejdelse af instrumenter Tænd for den eksterne strømforsyning til ammoniak optiske sensor platform, laser diode controller, et specialbygget styreelektronik enhed (CEU), ånde sampler, luftpumpe, og laptop. Kontroller at både udstødning og ventilatorer af ammoniakken sensor opererer. BEMÆRK: Den ene er placeret i den bageste del af sensoren er den anden inden for føleren, som er let tilgængelig. Sørg for den akustiske afsløring modul og nåleventil temperatur er ved 38,0 ?…

Representative Results

Emner kan forventes at producere en bred vifte af baseline ånde ammoniak niveauer. Raske personer kan begynde dagen med en breath ammoniak måling af 100-1.000 ppb. Skylning af munden med enhver væske umiddelbart ændrer mængden af ​​påviselig ånde ammoniak. Neutrale og syreholdige væsker typisk reducere mængden af ​​observerbare ammoniak med mere end halvdelen. Disse niveauer derefter vende tilbage til baseline som virkningerne af skyllevandet aftager. Virkningerne af vand synes at sprede inden for 15 mi…

Discussion

Fordelene ved en ikke-invasiv procedure, der kan detektere spor metabolitter i realtid er indlysende. Imidlertid har inden for ånde forskning kæmpet for at opfylde dette potentiale. Breath måling er en dynamisk proces, sårbare over for mange forstyrrende faktorer. Vores tilgang har vigtige styrker: specifikt har følsomhed og hastighed af Rice QEPAS baseret ammoniak skærm koblet til ånde sampler muligt for os at vurdere og identificere ånde indsamling faktorer germane til nøjagtig måling. Denne fremgangsmåde e…

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