Портативный масс-спектрометр для диагностики состояния здоровья человека

УДК 615.471

А. В. Козленок, А. В. Березина, В. Т. Коган, Д. С. Лебедев, Е. Б. Григорьев, А. С. Красичков

Портативный масс-спектрометр для диагностики состояния здоровья человека

Ключевые слова: масс-спектрометр, анализ выдыхаемого воздуха, летучие органические соединения. Keywords: mass spectrometer, breath gas analysis, volatile organic compounds.

Рассмотрено устройство портативного масс-спектрометра, предназначенного для диагностики заболеваний на основе анализа выдыхаемого человеком воздуха. Описано устройство прибора. Благодаря наличию капиллярной и мембранной систем ввода возможно как изучение динамики изменения соотношений основных компонентов выдыхаемого воздуха, так и определение низких концентраций летучих органических соединений. Произведена экспериментальная проверка работы масс-спектрометра.

Сердечно-сосудистые заболевания являются одной из основных причин смертности в России и странах Европы. Согласно статистике Всемирной организации здравоохранения ежегодно от сердечно-сосудистых заболеваний в мире умирает 17 млн человек, что составляет 31 % всех смертей. Поэтому раннее выявление и предупреждение патологических изменений сердечно-сосудистой системы чрезвычайно важны.

При неинвазивном исследовании состояния сердечно-сосудистой системы с помощью специальных датчиков записываются определенные биосигналы, после чего врач анализирует полученные записи и делает заключение о состоянии здоровья пациента.

В медицине для выявления патологий сердечно-сосудистой системы широко используются нагрузочные пробы. Во-первых, они характеризуются более высоким уровнем чувствительности и позволяют более точно оценить функциональное состояние сердечно-сосудистой системы относительно состояния покоя. Во-вторых, многие серьезные сердечные патологии выявляются только под нагрузкой. В-третьих, именно такой подход позволяет определить многие заболевания на ранних стадиях.

Помимо уже хорошо известных и широко распространенных методов диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, таких как электрокардиографический нагрузочный тест и стресс-

эхокардиография, набирает популярность кардио-пульмональный нагрузочный тест — нагрузочное тестирование с дополнительным измерением параметров газообмена: потребление кислорода, продукция углекислого газа и показатели вентиляции. Совместный анализ показателей вентиляции и газообмена с электрокардиографическими параметрами (частотой сердечных сокращений и уровнем артериального давления) позволяет получить много диагностически важной информации.

В процессе газообмена, помимо обмена организма с окружающей средой кислородом и углекислым газом, из организма также выделяется незначительное количество других соединений, возникающих в результате различных процессов, связанных с регулированием скоростей биохимических реакций, передачей информации, обновлением или изменением структур организма и течением патологических процессов. При нормальном состоянии человека такие вещества присутствуют в выдыхаемом воздухе в довольно небольших количествах (от долей ppb до сотен ppm).

Сведения о содержании подобных веществ в выдыхаемом воздухе нужны для изучения биохимических и физиологических процессов, происходящих в организме. Изменение содержания этих веществ в выдыхаемом воздухе может свидетельствовать о наличии у человека тех или иных заболеваний [1], а молекулы этих веществ можно использовать в качестве естественных биомаркеров. Например, повышенное содержание ацетона в выдыхаемом воздухе свидетельствует о хронической сердечной недостаточности [2].

Из-за сложности определения состава выдыхаемого человеком воздуха могут быть использованы лишь некоторые методы определения следовых количеств газообразных веществ, такие как газовая хроматография, различные виды масс-спектрометрии, хромато-масс-спектрометрия, электрохимия, УФ-хемолюминисценция, ИК-спектроскопия. С помощью этих методов можно с большей или меньшей точностью определить конкретное вещество в смеси.

Однако определение количеств соединений в многокомпонентных смесях при изучении процессов с характерными временами порядка секунды возможно только с помощью масс-спектрометра.

Для диагностики заболеваний органов дыхания, кровообращения и желудочно-кишечного тракта на основе анализа состава воздуха, выдыхаемого человеком, был разработан мобильный масс-спектрометр. Он включает капиллярную и мембранную системы ввода пробы, источник ионов с электронной ионизацией, статический масс-ана-лизатор, а также блок питания и управления системами прибора.

Система ввода пробы. При исследовании состава выдыхаемого человеком воздуха с помощью масс-спектрометра важно, чтобы прибор обладал высокой чувствительностью, а также быстро анализировал выдыхаемый воздух на наличие специфических летучих органических соединений. Эти требования связаны с необходимостью анализа не только общего содержания летучих соединений, но и динамики изменения содержания этих соединений в выдыхаемом воздухе, причем интересные для анализа соединения могут содержаться в выдыхаемом воздухе в довольно малых концентрациях.

Разработанный масс-спектрометр имеет три системы ввода пробы. Выбор конкретной системы ввода определяется исходя из специфики анализируемого процесса.

Капиллярная система ввода пробы позволяет осуществлять быстрый прямой ввод пробы в прибор без существенного изменения ее состава и обеспечивает время отклика на изменение содержания газов в пробе в пределах 0,1 с. Она предназначена для изучения динамики изменения соотношений основных компонентов выдыхаемого воздуха ^2 и СО2).

Мембранная система ввода пробы может использоваться при анализе процессов, требующих повышенной чувствительности прибора и не предъявляющих особых требований к экспрессности.

Двухмембранная система ввода пробы предназначена для высокочувствительного анализа исследуемых летучих соединений с ограниченной проникающей способностью через мембрану.

Масс-анализатор. Ионно-оптическую схему масс-спектрометра выбирают исходя из компромисса между требованиями высокой чувствительности, хорошей разрешающей способности, небольших массогабаритных параметров и высокой энергоэффективности.

Параметры масс-анализатора были рассчитаны по методике [3]. Параметры схемы выбирали по результатам компьютерного моделирования. Предварительное моделирование траекторий ионов в секторных полях масс-анализатора с различающимися секторными углами для разных диапазонов масс ионов производили с помощью соответствующей программы, модифицированной для магнита с единой криволинейной границей выхода.

На основе полученных результатов определяли области оптимальных соотношений параметров системы, после чего с помощью программного комплекса Simion производили итоговое моделирование. По результатам компьютерного моделирования была определена разрешающая способность масс-анализатора, равная 250 при трансмиссии 50.

С помощью разработанной конструкции масс-анализатора можно реализовать последовательный режим измерения масс-спектра (режим сканирования), а также режим одновременного измерения пиков масс-спектра (режим масс-спектрографа).

Благодаря использованию в приборе статического масс-анализатора (вместо динамических аналогов) удается достичь большей стабильности параметров за счет использования в системе постоянного магнита вместо ВЧ-генератора, применяемого в динамических аналогах, к параметрам выходного сигнала которого предъявляются повышенные требования. В результате этого удается достичь большей надежности масс-спектрометра в эксплуатации. Кроме того, при использовании масс-анализатора в режиме масс-спектрографа можно одновременно измерять концентрации нескольких соединений, что обеспечивает высокое быстродействие при многокомпонентном анализе.

Блок питания и управления. Были созданы блоки электронного управления, контроля и питания капиллярной и мембранной систем ввода пробы, ионного источника, энергоанализатора и детектора масс-анализатора, а также разработан алгоритм управления прибором.

Блок электроники (БЭ) служит для питания и управления базовым блоком портативного масс-спектрометра (рис. 1).

В состав БЭ входят: ВИП — вторичный источник питания, блок управления (CPU 08 RD), блок питания ионного источника (PSIS 08 RD), блок источника сканирующих напряжений (MSV 08 RD), усилители-формирователи сигналов детекторов (УФ1 и УФ2), а также блоки управления турбомолекуляр-ным и форвакуумным насосами, некоторые вспомогательные узлы термостабилизации системы напуска и помехоподавляющие фильтры цепей питания.

После включения и выхода на исходный режим БЭ работает под управлением команд оператора ПЭВМ. Команды поступают через стандартный последовательный интерфейс в блок управления (CPU 08 RD).

Блок управления обеспечивает преобразование команд ПЭВМ в микрокоманды процессора ATXMega32A4U, который связан с другими блоками БЭ через последовательный интерфейс, совместимый с SPI. Микрокоманды поступают в соответствующие цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), а те уже управляют надлежащей функцией с помощью своего выходного напряжения.

Программное обеспечение. Для управления масс-спектрометром была разработана программа,

42

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

Рис. 1 \ Блок-схема базового блока

поддерживающая режим настройки, постоянный контроль параметров прибора и режимы измерения, а также обеспечивающая предварительную обработку и отображение данных. Программное обеспечение, помимо поддержания режимов дискретного или долговременного и непрерывного изучения состава проб, обеспечивает автономный контроль состояния инструмента, включающий настройку, калибровку и диагностирование всех его узлов. Оно также выполняет автоматическую блокировку работы узлов в случае возникновения их неисправности.

После включения прибора все реальные значения подаваемых на масс-спектрометр токов и напряжений выводятся в рабочее окно монитора и обновляются в заданном оператором режиме. По этим значениям осуществляется автоматическая диагностика состояния систем масс-спектрометра, а ее результатом является информация либо об исправной, либо о неисправной работе прибора, сопровождающаяся отключением некоторых или всех систем.

Корректировка шкалы масс, установленной в окне монитора с помощью программного обеспечения, до соответствия массам регистрируемых ионов проводится по характерным пикам остаточного масс-спектра. Калибровка на соответствие ин-

тенсивности пика в спектре масс значению концентрации соединения, для которого этот пик характерен, проводится с использованием стандартов.

Концентрация исследуемого соединения определяется как в режиме избирательного анализа отдельных проб, так и в режиме долговременного автоматического in situ, online-контроля.

При избирательном анализе в случае необходимости определения примесей малых концентраций в многокомпонентных смесях, качественный состав которых не определен, применяется режим сканирования, позволяющий получить масс-спектр любого участка диапазона масс с последующим его детальным изучением. При определении количественного состава соединений в смесях с предсказуемым качественным составом используется режим точного измерения. В этом режиме регистрируется ограниченное количество пиков масс-спектра (до 20), характерных для всех ожидаемых в исходной смеси соединений. Этот режим позволяет существенно повысить чувствительность и точность измерения при сохранении времени проведения анализа.

Режим непрерывного контроля состава подаваемой в прибор пробы (режим мониторинга) отличается от режима точного измерения тем, что реализуется автоматически, без участия оператора.

а) Для динамического теста

б)

Рис. 2 \ Блок-схема (а) и внешний вид (б) разработанного масс-спектрометра

После стартовой настройки и калибровки прибора, выбора параметров режима измерения и введения прибора в этот режим измерительный комплекс работает по заданной циклограмме, измеряя и предварительно обработывая полученную информацию, записывая ее в файл и одновременно предоставляя на экране монитора сведения об изменении во времени концентраций целевых соединений. В этом

режиме также предусмотрена автоматическая подстройка шкалы масс прибора.

Компоновка и характеристики прибора. На рис. 2 представлены блок-схема и внешний вид разработанного масс-спектрометра, в состав которого входят:

а) масс-анализатор с ионным источником (описаны ранее) и детекторы Magnum-5901 фирмы Photonics.

а)

б)

0,22

0,18

0,04

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

10

15

20

25

30

Время, с

Рис. 3

Зависимости изменения кислорода и углекислого газа от времени для капиллярной (а) и одномембранной (б) систем ввода пробы

а)

30 40 50 60 70 80

Масса/заряд, и/е

90

100

110

б)

л 1,0--

0,5

30

40

50

60 70 80

Масса/заряд, и/е

90

100 110

Рис. 4

Обзорные спектры, полученные с помощью разработанного устройства [в качестве пробы использован атмосферный воздух без примесей (а) и с примесью бензола, толуола, п-ксилола и стирола (б)]

0

5

0

0

б) система откачки фирмы Edwards, включающая форвакуумный насос XDD1, турбомолеку-лярный насос EXT75DX, датчик давления низкого вакуума APG100-XLC, датчик контроля высокого вакуума APG-M, электромагнитный вентиль NW16 LCPV, контроллер вакуумной системы TIC 200W;

в) капиллярная система ввода пробы, описанная в настоящей работе;

г) мембранная система ввода пробы [4];

д) диафрагменный микронасос 5002 VD DC фирмы Thomas, обеспечивающий прокачку пробы в системах ввода;

е) блок электроники с процессором для поддержания функционирования всей масс-спектрометри-ческой системы и постоянного контроля ее состо-

яния.

Основные параметры прибора

Масса, кг, не более......................................30

Габаритные размеры, см................................250x450x650

Мощность, Вт..............................................200

Условия эксплуатации:

температура, °С........................................10—35

влажность, %, не более............................80

Диапазон измеряемых масс, а. е. м., не более. . . 300

Разрешающая способность по массе................300

Для испытания разработанного прибора были проведены динамические испытания на лабораторном стенде. В результате установлено, что и капиллярная, и одномембранная системы ввода отслеживают изменения состава кислорода и углекислого газа в пределах каждого дыхательного движения (рис. 3).

Были произведены испытания систем ввода, обладающих способностью избирательного пропускания летучих органических соединений, которые показали возможность понизить пределы масс-спектрометрического обнаружения ряда целевых соединений до уровня единиц ррЬ. На рис. 4 представлены обзорные спектры, полученные на прибо-

ре с двухмембранной системой ввода пробы. В качестве пробы использован атмосферный воздух без примесей (рис. 4, а) и с примесью бензола, толуола, п-ксилола и стирола (рис. 4, б). При концентрациях примесей на уровне единиц ppm их вклад в масс-спектр пробы составил единицы процентов благодаря высокой избирательной проницаемости мембраны для этих веществ (от 500 до 1000). Этот результат позволил оценить пределы обнаружения наблюдаемых примесей на уровне единиц ppb.

Заключение

В статье представлен портативный статический масс-спектрометр, предназначенный для диагностики нарушений в работе органов дыхания, кровообращения, желудочно-кишечного тракта и эндокринной системы на основе анализа состава выдыхаемого воздуха. Благодаря наличию капиллярной и одномембранной систем ввода пробы прибор пригоден как для динамических исследований основных компонентов выдыхаемой смеси, так и для определения следовых количеств специфичных летучих биомаркеров.

Литература

1. Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases / B. Buszewski, M. Kesy, T. Ligor, A. Amann // Biomedical Chromatography. 2007. Vol. 21, is. 6. P. 553-566.

2. Breath acetone in congestive heart failure / M. Kupari, J. Lommi, M. Ventila, U. Karjalainen / / The American Journ. of Cardiology. 1995. Vol. 76, is. 14. P. 1076-1078.

3. Коган В. Т., Гладков Г. Ю., Викторова О. С. Ионно-опти-ческая схема портативного масс-спектрометра // ЖТФ. 2001. Т. 71(4). С. 130-132.

4. Journul of Membrane Science / M. A. LaPack, J. C. Tou, V. L. Mc Guffin, C. G. Enke. 1994. Vol. 86. P. 263-280.