Измерительная установка с дифференциальным генераторным фотоионизационным детектором для определения биомаркеров в выдыхаемом газе

УДК 615.47

Л. В.Илясов, Н. И. Иванова

Измерительная установка с дифференциальным генераторным фотоионизационным детектором для определения биомаркеров в выдыхаемом газе

Ключевые слова: биомаркер, дыхательная диагностика, фотоионизация, детектор, контактная разность потенциалов, измерительная установка.

Keywords: biomarker, respiratory diagnostics, photoionization detector, a contact potential difference measuring apparatus.

Описанная измерительная установка предназначена для определения концентрации биомаркеров в процессе дыхательной диагностики. Работа установки основана на использовании метода преобразования анализируемой среды путем селективного поглощения определяемого компонента и высокочувствительного измерения концентрации этого компонента с помощью нового дифференциального фотоионизационного генераторного детектора.

В настоящее время интенсивно развивается направление медицинской диагностики, которое базируется на измерении концентрации молекул — биомаркеров, содержащихся в газовом потоке, выдыхаемом человеком. Это направление часто называют дыхательной диагностикой. Преимуществами такой диагностики являются неинвазив-ность, экспрессность и относительная простота реализации.

Известно, что в потоке выдыхаемого газа содержится около 600 летучих соединений с концентрациями 1 ррт и менее [1]. Появление молекул этих соединений связано с разнообразными процессами, протекающими в организме человека и несущими информацию о биохимических реакциях, изменении структур организма и возникновении патологических процессов.

В работе [1] на основе анализа современных публикаций представлены обобщенные сведения о связи ряда заболеваний с наличием в выдыхаемом газовом потоке характерных молекул — биомаркеров, таких как: Н2, Со, N^3, СН4, Н2О2, С2Н4, С2Н6, СН3ОН, С4Н10, а также ряда алканов, ароматических углеводородов, спиртов и т. д.

В настоящее время наиболее существенные результаты достигнуты в дыхательной диагностике

желудочно-кишечного тракта. Для этой цели используется измерение концентрации аммиака в выдыхаемом газе.

В общем случае задача определения биомаркеров в выдыхаемом газовом потоке связана с необходимостью высокочувствительного селективного измерения концентрации его молекул. Для этого сейчас используются [1]: газовая хроматография, масс-спектроскопия в сочетании с газовой хроматографией, электрохимические и хемилюминес-центные датчики, средства инфракрасной, оптико-акустической, Фурье- и лазерной спектроскопии. Кроме электрохимических и хемилюминесцентных датчиков, перечисленные средства аналитической техники представляют собой сложные измерительные установки, использование которых в условиях медицинских учреждений затруднительно.

Как следует из всего сказанного выше, непременным условием реализации дыхательной диагностики является возможность измерения микроконцентраций молекул — биомаркеров. В настоящее время наиболее чувствительными, простыми и универсальными детекторами газов являются фотоионизационные детекторы (ФИД).

Известен ряд конструкций этих детекторов [2, 3]. Причем во всех упомянутых ФИД для сбора ионов газа, образующихся в камере детектора, применяется отдельный стабилизированный источник питания, подключенный к его электродам, что усложняет конструкцию детектора.

Авторами [4] разработан принципиально новый ФИД, в котором сбор ионов, возникающих в его камере, осуществляется под действием контактной разности потенциалов, возникающей между двумя электродами, изготовленными из различных металлов. Исследованиями этого фотоионизационного детектора, названного фотоионизационным генераторным детектором (ФИГД), было доказано [4],

что он может быть использован в качестве высокочувствительного и универсального детектора в на-садочной и капиллярной газовой хроматографии.

В статье рассматривается возможность использования ФИГД для измерения концентрации биомаркеров в выдыхаемом газе. Для увеличения стабильности ФИГД, а также для получения возможности измерения концентрации биомаркеров был создан дифференциальный ФИГД (ДФИГД) [5]. На основе этого детектора и использования метода, известного в аналитической технике как метод преобразования анализируемой среды [6], была создана измерительная установка для определения биомаркеров в выдыхаемом газе, схема которой показана на рисунке.

Установка содержит ДФИГД — I; средство измерений и регистрации сигналов ДФИГД — II; вспомогательные устройства — III, обеспечивающие подачу анализируемого газа и его подготовку к анализу.

ДФИГД состоит из двух идентичных по параметрам фотоионизационных генераторных ячеек, содержащих никелевые и алюминиевые кольцевые электроды, разделенные друг от друга кольцевыми фторопластовыми изоляторами. Эти ячейки отделены друг от друга кварцевым диском-окном и просвечиваются одним потоком излучения, созда-

ваемого ультрафиолетовой лампой тлеющего разряда (УФ-лампа). Причем верхняя ячейка (см. рисунок), являющаяся измерительной, просвечивается ультрафиолетовым излучением непосредственно, а нижняя, являющаяся сравнительной, — через кварцевый диск-окно. В каждой из ячеек ДФИГД происходит следующий процесс. Молекулы смеси газов, протекающей через измерительную и сравнительную ячейки, ионизируются ультрафиолетовым излучением, создаваемым УФ-лампой. В результате различных работ выхода электронов из электродов, изготовленных из никеля и алюминия, возникает контактная разность потенциалов [4], под действием которой происходит сбор ионов в измерительной и сравнительной ячейках, а между их электродами протекает ионный ток, которым определяются сигналы этих ячеек. Электрически ячейки ДФИГД включены встречно, поэтому его результирующий сигнал, равный разности сигналов названных ячеек, измеряется с помощью электрометрического усилителя и регистрируется автоматическим потенциометром или компьютером, снабженным аналого-цифровым преобразователем.

С помощью вспомогательных устройств обеспечивается подача части выдыхаемого газа через

i \

1 14

1

13 12 i

btf- ¡Выдыхаемый газ

Рис.

Установка для определения биомаркеров в выдыхаемом газе:

1 — источник питания лампы ультрафиолетового излучения; 2 — лампа ультрафиолетового излучения; 3 и 9 — кольцевые алюминиевые электроды; 4 и 8 — фторопластовые прокладки; 5 и 7 — кольцевые никелевые электроды; 6 — кварцевый диск-окно; 10 — электрометрический усилитель; 11 — регистратор; 12 — мундштук; 13 — соединительная трубка; 14 — коллектор для сбора слюны и конденсата; 15 — фильтр-осушитель газового потока; 16 и 17 — переменные дроссели; 18 — фильтр-поглотитель определяемого компонента анализируемого потока; 19 — 22 — штуцеры; 23 — побудитель расхода; 24 — фторопластовый стакан-изолятор; 25 — стакан; 26 — фторопластовые диски

№ 1(43)/201Б |

биотехносфера

мундштук, коллектор для сбора слюны и конденсата в фильтр для осушки газового потока и далее к переменным дросселям. Перед поступлением в сравнительную ячейку поток газа проходит через фильтр-поглотитель определяемого компонента, где этот компонент исключается из потока газа. Для транспортировки газовых потоков через ячейки ДФИГД используется побудитель расхода, представляющий собой мембранный микрокомпрессор.

Установка работает следующим образом. Выдыхаемый газ через мундштук и соединительную трубку поступает в коллектор для сбора слюны и конденсата. С помощью побудителя расхода, создающего небольшое разряжение на выходных штуцерах ячеек ДФИГД, через камеры ячеек протекают газовые потоки, а именно: малая часть выдыхаемого газа из коллектора поступает в осушитель потока, который представляет собой пластиковую трубку длиной 0,5 м и внутренним диаметром 8 мм, заполненную СаС12, а затем через переменные дроссели, служащие для установки значений расходов газовых потоков, в ячейки ДФИГД. Причем поток в измерительную ячейку поступает непосредственно, а в сравнительную — через фильтр-поглотитель определяемого компонента. В соответствии с моделью сигнала ФИГД [7] сигналы измерительной и сравнительной ячеек ДФИГД могут быть описаны выражениями:

U1 = К1стсм1; U2 = К2стсм2,

где Щ и U2 — сигналы измерительной и сравнительной ячеек ДФИГД; ^ и k2 — коэффициенты преобразования измерительной и сравнительной ячеек ДФИГД по физико-химическому свойству; стсм1 и стсм2 — эффективные сечения фотоионизации газовых смесей, протекающих через измерительную и сравнительную ячейки ДФИГД.

Известно, что сумма объемных концентраций определяемого и неопределяемых компонентов описывается выражением

1 = а0 + ан

где ао и ан — объемные доли определяемого и неопределяемых компонентов в анализируемом газе.

С учетом выражения (3) эффективные сечения фотоионизации стсм1 и стсм2 можно представить в виде:

стсм1 = стоао + стн (1 - ао); стсм2 = °нао + (1 - ао).

Если коэффициенты преобразования по физико-химическому свойству измерительной и сравнительной ячеек ДФИГД одинаковы (^ = k2 = К), то сигнал ДФИГД описывается выражением

Когда состав неопределяемых компонентов, содержащихся в выдыхаемом газе, изменяется незначительно, выражение (6) можно представить в виде

Ul - Щ = Ка0,

где К = К(ст0 — стн) — коэффициент преобразования ДФИГД по концентрации.

Приведенное выше выражение описывает сигнал ДФИГД при встречном включении его ячеек ФИГД (см. рисунок).

В том случае, когда в выдыхаемом газе может значительно изменяться состав неопределяемых компонентов, необходимо отдельно измерять сигналы измерительной и сравнительной ячеек ДФИГД, а для расчета концентрации определяемого компонента использовать выражение

а0 =

и - и2

kCTо - и2

и1 - и2 = К^о - СТн)ао.

В описанной измерительной системе с ДФИГД для поглощения определяемых компонентов в газовом потоке, поступающем в сравнительную ячейку, предусматривается использование индикаторных трубок, которые в настоящее время продаются в широком ассортименте.

В экспериментах измерительная установка использовалась для измерения концентрации аммиака, по наличию которого осуществляется диагностика хеликобактерной инфекции, и концентрации гексана, по наличию которого диагностируется рак легких [1]. При измерении концентрации аммиака в качестве фильтра-поглотителя использовались пластмассовые индикаторные трубки РЮАЖ 415522.505, а при измерении концентрации гекса-на — трубки РЮАЖ 415522.505-11.

В опытах на описанной установке расходы газовых потоков через измерительную и сравнительную камеры ДФИГД составили 2 л/ч. В ячейках использовались кольцевые никелевые и алюминиевые электроды с внешнем диаметром 20 мм, диаметром отверстия 6 мм и толщиной 0,2 мм, фторопластовые прокладки с внешним диаметром 20 мм, диаметром отверстия 10 мм и толщиной 0,5 мм. Объем камер ячеек детектора — около 40 мкл. Для измерения сигнала ДФИГД использовались электрометрический усилитель ИМТ-05 и автоматический потенциометр КСП-4. Эксперименты показали, что установка способна измерять концентрацию аммиака в диапазоне 10-200 ррт, а концентрацию гексана — в диапазоне 0,5-1 ррт с погрешностью ±10 %.

Таким образом, создана установка для экспрессного измерения концентрации биомаркеров в выдыхаемом газе, обладающая высокой чувствительностью и позволяющая путем замены индикаторных трубок определять концентрацию различных биомаркеров при дыхательной диагностике.

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

Литература

1. Степанов Е. В. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Тр. Ин-та общей физики им. А. М. Прохорова. 2005. Т. 61. С. 5-47.

2. Бражников В. В. Детекторы для хроматографии. М.: Машиностроение, 1992. 320 с.

3. Будович В. Л., Адамия Т. В., Бондарев И. В. Фотоионизационный детектор с регулируемой селективностью для капиллярной газовой хроматографии // Завод. лаборатория. 1993. № 5. С. 17-20.

4. Пат. РФ на полезную модель № 64345 от 20.05.2010 г. Фотоионизационный детектор газов и паров / Л. В. Иля-сов, Н. И. Евланова. Бюл. № 14.

5. Пат. РФ на полезную модель № 122179 от 20.11.2012 г. Фотоионизационный детектор газов / Л. В. Илясов, Н. И. Ев-ланова. Бюл. № 32.

6. Тхоржевский В. П. Автоматический анализ химического состава газов. М.: Химия, 1969. С. 323.

7. Илясов Л. В., Евланова Н. И. Математическая модель статической характеристики фотоинизационного генераторного детектора // Вестн. ТвГТУ. 2013. Вып. 24, № 2. С. 4549.

г

л

АО «Издательство «Политехника» представляет: комплект из двух книг по теме «Биомедицинская инженерия»

БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

П. И. Бегун

Учебное пособие для вузов ISBN 978-5-7325-0914-4 Объем 464 с. Цена: 410 руб.

Учебное пособие составлено в соответствии с государственными образовательными стандартами для подготовки магистров по программе «Биотехнические системы и технологии управления состоянием человека и окружающей среды» по профилю «Биотехнические системы и технологии в протезировании и реабилитации».

В учебном пособии изложены теоретические основы математического и физического моделирования объектов протезирования и методы их моделирования с использованием пакетов прикладных программ в различных областях медицинской деятельности: кардиологии, ортопедии, отоларингологии, офтальмологии, урологии, герниологии, нейрологии.

БИОМЕДИЦИНСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА Л. В. Илясов

Учебное пособие для вузов ISBN 978-5-7325-1012-6 Объем 350 с. Цена: 450 руб.

В книге изложены принципы действия и описаны наиболее распространенные схемы современных механических, спектральных, электрохимических, хроматографических, электро-ферических, цитологических и других средств аналитической техники, применяемых медико-биологических исследованиях.

Предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия».

АКЦИЯ! ПРИ ПОКУПКЕ ДВУХ КНИГ КОМПЛЕКТОМ — цена 774 руб.

Эти и другие книги по медицине, биологии, а также науке и технике продаются по наличному и безналичному расчетам в издательстве «Политехника» по адресу: 191023, г. Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Возможен заказ книг в другой город. Тел.: (812) 312-44-95; факс: (812) 312-57-68 E-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru. Сайт: http://polytechnics.ru/

J

№ 1(433/2016 |

биотехносфера