Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Введение. Одним из важнейших факторов существования живых организмов является их газообмен с окружающей средой

Одним из важнейших факторов существования живых организмов является их газообмен с окружающей средой, основу которого составляют поглощение кислорода и выделение паров воды и углекислого газа, происходящие при внешнем дыхании. Еще одной особенностью газообмена является множество других достаточно легких газообразных соединений, которые в гораздо меньших количествах образуются в организме и присутствуют в виде следов.

Данные о выделении таких веществ являются ценными для изучения и диагностики биохимических и физиологических процессов, происходящих в организме, поскольку они продуцируются в результате разнообразных процессов, связанных с регулированием скоростей биохимических реакций, передачей информации, обновлением или изменением структур организма и течением патологических процессов. Некоторые из таких молекул, обладающие наибольшей специфичностью образования в организме, можно использовать в качестве естественных газообразных биомаркеров.

Изучение газообмена биологических объектов и анализ состава выдыхаемого воздуха являются обширной областью исследований, в которой могут найти применение различные инструментальные подходы с достаточно широким спектром аналитических характеристик. Это обусловлено разнообразием веществ, которые могут быть использованы в качестве биомаркеров, различием их физико-химических свойств, различием диапазона их концентраций в выдыхаемом воздухе, разнообразием механизмов их продукции, транспорта и выделения. Используемые в конкретных исследованиях методы подбираются таким образом, чтобы их аналитические возможности были адекватны решаемой диагностической задаче и ее специфике. Возможности методов, применяемых для аналитических исследований, обусловлены совокупностью целого ряда характеристик, наиболее важными из которых являются концентрационная чувствительность, точность и скорость анализа, которые в основном определяются используемым физическим принципом детектирования вещества. Кроме того, существенными являются требуемый для анализа объем газовой пробы, селективность анализа, необходимость предварительного обогащения и разделения, специфика отбора пробы, а также необходимость разрушения объекта в процессе анализа.

Идеальный инструментальный метод, предназначенный для высокочувствительного анализа состава выдыхаемого воздуха, должен обладать следующим набором характеристик:

1. Концентрационная чувствительность – в зависимости от исследуемого молекулярного объекта она должна составлять от 10 млрд^-1 до 0,1 млн^-1(примечание: 1 млн^-1 = 1 ppmV = 10^-6, 1 млрд^-1 = 1 ppbV = 10^-9 – это мера относительной концентрации данного газа в смеси);

2. Точность детектирования – при регистрации отдельных соединений и их относительного содержания достаточно точности порядка 3-5%. При одновременном детектировании целого спектра соединений приемлема точность до 10-30%;

3. Быстродействие – анализ состава выдыхаемого воздуха в реальном временном масштабе требует быстродействия на уровне 0,1с. Анализ с усреднением по нескольким выдохам – 5 - 10с. Для анализа с накоплением пробы воздуха и концентрированием допустима скорость измерения ~ 10-30 мин;

4. Селективность детектирования – поскольку выдыхаемый воздух представляет собой сложную газовую смесь, для анализа его микросостава требуется высокая селективность детектирования исследуемых веществ. Применяемый метод должен быть прежде всего нечувствительным к азоту и кислороду, концентрации которых составляют десятки процентов, а также к парам воды и CO₂;

5. Требуемый объем газовой пробы – для контроля изменений концентрации исследуемого вещества в реальном времени, который применяется, как правило, при исследовании так называемых патернов дыхания, необходимый для анализа объем пробы выдыхаемого воздуха должен составлять не более 10 мл. Анализ с усреднением по нескольким выдохам возможен с использованием одного-двух литров газовой смеси. При использовании накопления газовой пробы может понадобиться от 10 до 100 л газовой смеси;

В настоящее время ни один из существующих подходов не может обеспечить совокупности указанных аналитических характеристик. Поэтому на практике для повышения чувствительности и/или селективности жертвуют менее значимыми быстродействием и/или точностью. Это реализуется при применении различных методов отбора пробы выдыхаемого воздуха и пробоподготовки. Для этого используются:

1. Концентрирование на различных сорбентах, в целях преодоления проблем недостаточной чувствительности;

2. Химическая или физическая фильтрация с применением специальных сорбентов для устранения из смеси воды и двуокиси углерода;

3. Хроматографическое разделение с целью повышения селективности;

4. Циркулирование по замкнутому контуру для накопления эффекта при использовании неразрушающих методов анализа.

Отметим, что манипуляции такого рода могу приводить к искажению качественной картины спектра соединений в выдыхаемом воздухе.