Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка аналитических микроконцентрационных систем для количественного определения биомаркеров в выдыхаемом воздухе

Сведения об участнике
ФИО
Лобанова Марина Сергеевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Органическая и элементоорганическая химия. Аналитическая химия органических соединений
Тема
Разработка аналитических микроконцентрационных систем для количественного определения биомаркеров в выдыхаемом воздухе
Резюме
В работе представлены результаты исследований по разработке аналитических микроконцентрационных систем - хромато-десорбционных микросистем (ХДмС) и методических приемов, позволяющих осуществлять концентрирование микропримесей летучих органических соединений (ЛОС) алифатического ряда из проб выдыхаемого воздуха методом твердофазной микроэкстракции.
Ключевые слова
микроконцентрационные системы, газовая хроматография, биомаркеры, неинвазивная диагностика, анализ выдыхаемого воздуха
Цели и задачи
Целью данной работы является разработка аналитических микроконцентрационных систем и методических приемов, позволяющих осуществлять концентрирование микропримесей летучих органических соединений (ЛОС) алифатического ряда из проб выдыхаемого воздуха.
Задачи проекта:
1. Разработать аналитические микроконцентрационные системы;
2. Экспериментально изучить возможность концентрирования ЛОС из газовых смесей с помощью разрабатываемых микросистем;
3. Экспериментально определить сорбционно-десорбционные характеристики исследуемых систем;
4. Экспериментально определить максимальную степень концентрирования, достигаемую при использовании аналитических микроконцентрационных систем.
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания точного экспрессного неинвазивного метода диагностики заболеваний, исключающего физический и эмоциональный дискомфорт пациента, который можно применять в амбулаторных условиях и в условиях реанимации.
Разрабатываемые аналитические микроконцентрационные системы - хромато-десорбционные микросистемы, ранее на практике не применялись.
Введение

     Перспективное направление неинвазивной диагностики - анализ выдыхаемого воздуха [1]. В выдыхаемом воздухе содержится более 20 компонентов, являющихся селективными биомаркерами функционального нарушения здоровья [2,3]. Сдерживающим фактором прямого определения биомаркеров в выдыхаемом воздухе является их содержание на уровне микропримесей. Так, например, концентрация н-пентана – биомаркера перекисного окисления липидов в выдыхаемом воздухе здорового человека составляет 0 - 10 ppb, концентрация этана – маркера разрушений, вызываемых свободными радикалами 0-10 ppb, метана – биомаркера заболеваний желудочно-кишечного тракта 2 - 10 ppm [4]. В связи с этим возникает необходимость проведения стадии подготовки проб - концентрирования.

Методы и материалы

     Концентрирование ЛОС алифатического ряда методом твердофазной микроэкстракции проводили с использованием разработанных хромато-десорбционных микросистем (ХДмС). ХДмС представляют собой медицинские иглы с внутренним диаметром 0,5 мм, заполненные сорбентами Chromaton N-AW-DMCS с нанесенной неподвижной жидкой фазой PMS-1000 (пропитка 15%), оксидом алюминия Al2O3 и полимерным сорбентом MN-202.

     Анализ микроструктуры поверхности исследуемых сорбентов был осуществлен с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA .

     Определение сорбционно-десорбционных характеристик микросистем осуществляли путем пропускания модельной газовой смеси “н-пентан в воздухе” через термостатируемую систему.

     Концентрирование н-пентана из модельных смесей с известным содержанием аналита осуществлялось согласно схеме, представленной на Рисунке 1.

                         Рисунок 1 – Схема концентрирования

     Количественное определение целевого компонента осуществляли методом газовой хроматографии на газовом хроматографе «Кристалл 5000.1» с пламенно-ионизационным детектором.

     В качестве вещества, на котором отрабатывалась методика, был выбран н-пентан – биомаркер перекисного окисления липидов. 

Описание и обсуждение результатов

     На Рис. 2 представлены фотографии поверхностей исследуемых сорбентов. Было установлено, что сорбент Chromaton N-AW-DMCS вследствие модификации 15% PMS-1000 приобретает сильно развитую поверхностную структуру, что значительно увеличивает его удельную поверхность и сорбционные свойства (рис. 2 в). Частицы сорбента Al2O3 малы и имеют неправильную геометрическую форму (рис. 2 а), вследствие чего также обладают сильно развитой поверхностной структурой. Поверхность полимерного сорбента MN-202 (рис. 2 б) характеризуется наличием макро- и микропор.

 

                              Рисунок 2 – Фотографии поверхности сорбентов:

 

                    а - Al2O3 , б - MN-202, в – Chromaton N-AW-DMCS-15% PMS-1000

     На Рисунке 3 представлены сорбционно-десорбционные характеристики микросистем. Согласно кривым насыщения исследуемых ХДмС насыщение сорбента Al2O3 происходит после пропускания 18 мл модельной газовой смеси, для ХДмС с сорбентами Chromaton N-AW-DMCS-15% PMS-1000 и MN-202 после пропускания 10 мл и 8 мл соответственно.

 

                              Рисунок 3 - Кривые насыщения исследуемых микросистем:

 

                           а - Al2O3 , б – Chromaton N-AW-DMCS-15% PMS-1000, в -MN-202

     По кривым насыщения была установлена сорбционная емкость каждой микросистемы (Таблица 1).

Таблица 1. Сорбционная емкость систем

     Из представленных данных можно сделать вывод, что наиболее эффективным сорбентом для концентрирования является Al2O3, поскольку он обладает наибольшей сорбционной емкостью. Малая сорбционная емкость полимерного сорбента связана с геометрией системы, так как эффективный объем сорбента MN-202 составляет всего 32% от общего объема ХДмС.

     Результаты концентрирования н-пентана из модельных смесей с известным содержанием аналита, осуществленного с использованием ХДмС, представлены в Таблице 2.

Таблица 2- Результаты концентрирования н-пентана

   * - коэффициент концентрирования, К=m2/m1  

     Согласно полученным данным, ХДмС позволяют осуществлять концентрирование более чем в 50 раз. Наиболее эффективной системой является ХДмС, заполненная Al2O3, которая позволяет осуществить концентрирование в 54 раза. Достигнутой степени концентрирования достаточно для определения биомаркеров, содержащихся в выдыхаемом воздухе на уровне ppm, но для биомаркеров, содержащихся на уровне ppb, желательна большая степень концентрирования, которую можно достичь, изменяя геометрию ХДмС.

     Разработанные системы могут применяться в медицинских учреждениях для диагностики заболеваний и выявления факторов риска нарушения функционального состояния здоровья.

 

Используемые источники
1. F. Di Francesco, R. Fuoco, M.G. Trivella, A. Ceccarini " Breath analysis: trends in techniques and clinical applications"// Microchemical Journal 79, p.405– 410 (2005)
2. Копылов Ф.Ю., Сыркин А.Л., Чохамидзе П.Ш. и др. Перспективы диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха// Клиническая медицина. 2013. №10. с.16-21
3. Wolfram Miekisch, Jochen K. Schubert1, Gabriele F.E. Noeldge-Schomburg 2 «Diagnostic potential of breath analysis—focus on volatile organic compounds»//Clinica Chimica Acta 347 (2004) 25–39
4. Thalakkotur Lazar Mathew, Prabhahari Pownraj, Sukhananazerin Abdulla and Biji Pullithadathil «Technologies for Clinical Diagnosis Using Expired Human Breath Analysis» // Diagnostics 2015, 5, 27-60
Information about the project
Surname Name
Lobanova Marina
Project title
Developing of analytical micro concentrating systems for biomarker quantitative determination in exhaled air
Summary of the project
Developing of analytical micro concentrating systems - chromato-desorption micro systems and methods is described. These micro systems and methods allow to concentrate trace contaminants of aliphatic volatile organic compounds from exhaled air samples by solid phase microextraction technique.
Keywords
micro concentrating systems, gas chromatography, biomarkers, non-invasive diagnostics, exhaled air analysis