RU2328213C2 - Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment - Google Patents
Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328213C2 RU2328213C2 RU2005140699/14A RU2005140699A RU2328213C2 RU 2328213 C2 RU2328213 C2 RU 2328213C2 RU 2005140699/14 A RU2005140699/14 A RU 2005140699/14A RU 2005140699 A RU2005140699 A RU 2005140699A RU 2328213 C2 RU2328213 C2 RU 2328213C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analysis
- gas
- input
- mass
- diaphragm
- Prior art date
Links
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Способ неинвазивного сбора и анализа транскутантного газа из живого организма в режиме реального времени предназначен для медицинских, физиологических или иных исследований, включая медицинскую и физиологическую экспресс-диагностику, определение динамики кожного дыхания, системных отклонений в организме, выявление маркеров заболеваний, токсических и иных поражений организма, следов воздействия лекарственных и иных веществ в организме, контактов со специфическими агентами, например анестетиками, взрывчатыми веществами и т.п. Область техники включает в себя: измерение для медицинских диагностических целей со сбором воздуха и направлением его через измерительное устройство (А61В 5/097); получение и подготовку образцов для исследования (G01N 35/00); исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 27/00); электрические измерения для определения состава газовых смесей путем исследования ионизации газов (G01N 27/62); исследование свойств частиц, определение размеров частиц и их распределения по размерам, в том числе масс-спектрометрическим методом (G01N 15/02); исследование или анализ материалов путем разделения на компоненты, разделение и ввод образцов (G01N 30/00); использование масс-спектрометра (G01N 30/72).The method of non-invasive collection and analysis of transcutaneous gas from a living organism in real time is intended for medical, physiological or other studies, including medical and physiological rapid diagnostics, determining the dynamics of skin respiration, systemic abnormalities in the body, identifying markers of diseases, toxic and other injuries of the body , traces of exposure to drugs and other substances in the body, contact with specific agents, such as anesthetics, explosives, etc. The technical field includes: measurement for medical diagnostic purposes with air collection and its direction through the measuring device (А61В 5/097); obtaining and preparing samples for research (G01N 35/00); research or analysis of materials using electrical, electrochemical or magnetic means (G01N 27/00); electrical measurements to determine the composition of gas mixtures by studying gas ionization (G01N 27/62); investigation of particle properties, determination of particle sizes and their size distribution, including by mass spectrometric method (G01N 15/02); research or analysis of materials by separation into components, separation and injection of samples (G01N 30/00); use of a mass spectrometer (G01N 30/72).
В основе транскутантных методов лежит положение о том, что парциальные значения концентрации газов, растворенных в крови, сохраняются в процессе неинвазивной диффузии из живого организма, и, следовательно, могут быть измерены снаружи после прохождения слоя подкожных тканей, жидкостей и кожного покрова [1]. Масс-спектральный анализ транскутантного газа становится эффективным неинвазивным экспресс-методом выявления патологий в организме. Для развития этого метода необходимо создание новых способов и устройств.The basis of transcutaneous methods is the position that the partial values of the concentration of gases dissolved in the blood are preserved during non-invasive diffusion from a living organism, and, therefore, can be measured externally after passing through a layer of subcutaneous tissues, fluids, and skin [1]. Mass spectral analysis of transcutant gas becomes an effective non-invasive express method for identifying pathologies in the body. To develop this method, it is necessary to create new methods and devices.
Известны аналоги изобретения, включающие входной интерфейс с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, через которую поступает транскутантная газовая смесь, прижимаемый в рабочем состоянии указанной входной поверхностью к участку кожи человека или животного, и систему транспортировки газовой смеси к анализатору, в качестве которого используется масс-спектрометр [2-3].Analogs of the invention are known, including an input interface with an input surface and an input diaphragm in it, through which a transcutant gas mixture is received, pressed in working condition by the specified input surface to a region of human or animal skin, and a gas mixture transportation system to the analyzer, which uses mass spectrometer [2-3].
Аналоги [4-5] основаны на использовании герметичного контейнера, в котором собранную с помощью интерфейса транскутантную газовую смесь переносят в масс-спектрометр.Analogs [4-5] are based on the use of a sealed container in which the transcutant gas mixture collected via the interface is transferred to a mass spectrometer.
В способах-аналогах могут быть сохранены, в принципе, простые газы в пропорциях, близких к исходным в экстрагируемой парогазовой смеси. Однако для многих компонентов эти пропорции нарушаются из-за адсорбционно-десорбционного взаимодействия со стенками трубопровода или контейнера, наличия натеканий атмосферного воздуха, утечек на двух этапах: сбора газа из входного модуля и инжекции в масс-спектрометр. Сорбционные и иные потери примесных компонентов летучей органики, присутствующих в исходной пробе на следовом уровне миллиграмм - нанограмм на литр и ниже, принципиально препятствуют их обнаружению в газовой смеси, поступающей в масс-спектрометр. Неконтролируемое натекание примесных компонентов летучей органики из атмосферного воздуха в контейнер, в системы забора смеси и инжекции ее в масс-спектрометр, смешение натекающего газа с анализируемой газовой смесью также искажают исследование. Исследования требуют большой продолжительности, нет возможности обеспечить режим реального времени, выявить динамику кожного дыхания, произвести экспресс-обследования. Кроме того, транскутантная диффузия в устройствах-аналогах не обладает достаточной интенсивностью.In analogue methods, in principle, simple gases can be stored in proportions close to the source in the extracted gas-vapor mixture. However, for many components, these proportions are violated due to adsorption-desorption interaction with the walls of the pipeline or container, the presence of atmospheric air leakage, and leaks at two stages: gas collection from the input module and injection into the mass spectrometer. Sorption and other losses of impurity components of volatile organics present in the initial sample at a trace level of milligrams — nanograms per liter and below, fundamentally hinder their detection in the gas mixture entering the mass spectrometer. The uncontrolled leakage of impurity components of volatile organic matter from atmospheric air into the container, into the mixture intake and injection systems into the mass spectrometer, and the mixing of the leaking gas with the analyzed gas mixture also distort the study. Studies require a long duration, it is not possible to provide a real-time mode, to reveal the dynamics of skin respiration, to conduct express examinations. In addition, transcutaneous diffusion in analog devices does not have sufficient intensity.
Известен способ, по которому используется входной интерфейс для сбора транскутантного газа, к интерфейсу подключены трубопроводы для доставки указанного газа в масс-спектрометр, а также резистивный нагреватель [6]. По трубопроводам доставляют неионизованную смесь газов и паров воды в масс-спектрометр, и на участке транспортировки происходит изменение структуры пробы за счет взаимодействия со стенками. Указанные недостатки аналогов частично устранены в прототипе данного изобретения [7].There is a method by which an input interface is used to collect transcutant gas, pipelines are connected to the interface for delivering said gas to a mass spectrometer, as well as a resistive heater [6]. A non-ionized mixture of gases and water vapor is delivered via pipelines to the mass spectrometer, and the sample structure changes at the transportation site due to interaction with the walls. These disadvantages of analogues are partially eliminated in the prototype of the present invention [7].
Прототипом является способ неинвазивного транскутантного сбора и исследования биологической пробы - газовой смеси - в режиме реального времени. Согласно прототипу в канале транспортировки создается вакуумное разрежение вместе с камерой масс-спектрометра, и ионизация поступающей газовой смеси, прошедшей указанный канал транспортировки, производится в ионном источнике масс-спектрометра в указанной камере. Вместо трубопроводов используется прямолинейный короткий канал. Канал напрямую соединяет участок кожного покрова и указанный ионный источник. Натекания атмосферного воздуха и их смешение с анализируемой газовой смесью понижены до минимальных значений, существенно увеличено быстродействие, обеспечен режим сбора, транспортировки и получения масс-спектральных характеристик транскутантной газовой смеси в режиме реального времени.The prototype is a method of non-invasive transcutaneous collection and study of a biological sample - a gas mixture - in real time. According to the prototype, a vacuum rarefaction is created in the transport channel together with the mass spectrometer chamber, and the ionization of the incoming gas mixture passing the specified transport channel is carried out in the ion source of the mass spectrometer in the specified chamber. Instead of pipelines, a straight, short channel is used. The channel directly connects the skin site and the specified ion source. Leakage of atmospheric air and their mixing with the analyzed gas mixture is reduced to the minimum values, the speed is significantly increased, the mode of collection, transportation and obtaining mass spectral characteristics of the transcutaneous gas mixture in real time is ensured.
Недостатком прототипа является отсутствие изоляции парогазовой смеси от стенок канала. Искажение структурного состава транскутантной газовой смеси в канале транспортировки происходит из-за взаимодействий частиц указанной смеси со стенками канала транспортировки, а также между собой на стенках канала и с другими частицами, имеющимися на стенках канала. Указанные взаимодействия могут приводить к потерям примесных компонентов малой концентрации, преобразованиям химического состава смеси, изменениям размеров частиц из-за синтеза или фрагментации. Искажение структурного состава транскутантной газовой смеси в канале транспортировки приводит к потере аналитической информации и снижению эффективности исследования биологической пробы с поверхности кожи в целом. Согласно прототипу используется поверхностный нагрев за счет повышения температуры входного интерфейса. С помощью нагрева ускоряют транскутантную неинвазивную диффузию газов, однако при нагреве всего интерфейса ускоряются также и потери транскутантного газа на большой поверхности кожного покрова вокруг интерфейса, что вызывает обеднение газовой смеси в области измерения. Тепловая волна от поверхностного нагревателя не проникает в глубь подкожного слоя и не инициирует диффузию из удаленных слоев.The disadvantage of the prototype is the lack of isolation of the gas mixture from the walls of the channel. The distortion of the structural composition of the transcutant gas mixture in the transport channel occurs due to the interactions of the particles of this mixture with the walls of the transport channel, as well as between themselves on the channel walls and with other particles present on the channel walls. These interactions can lead to loss of impurity components of low concentration, transformations of the chemical composition of the mixture, changes in particle size due to synthesis or fragmentation. Distortion of the structural composition of the transcutaneous gas mixture in the transportation channel leads to a loss of analytical information and a decrease in the effectiveness of the study of biological samples from the skin surface as a whole. According to the prototype, surface heating is used by increasing the temperature of the input interface. By means of heating, the transcutaneous non-invasive diffusion of gases is accelerated, however, when the entire interface is heated, the losses of transcutant gas on the large surface of the skin around the interface are also accelerated, which causes depletion of the gas mixture in the measurement area. The heat wave from the surface heater does not penetrate deep into the subcutaneous layer and does not initiate diffusion from the removed layers.
Сущность изобретения состоит в том, что оптимизируют нагрев кожного покрова и подкожного слоя путем применения высокочастотного электрического поля и возникающих при этом токов, нагрев происходит в глубь подкожного слоя локально вблизи входной диафрагмы, производят ионизацию непосредственно вблизи входной диафрагмы и фокусируют полученный ионный поток с помощью электрического поля, тем самым улучшают условия изоляции потока пробы от стенок канала и сбора пробы в анализаторе масс-спектрометра. Указанный положительный эффект достигается тем, что с помощью установленных во входном интерфейсе электродов и контактных линий передачи, подключенных к генераторам электрических сигналов, создают электрическое поле, посредством которого производят разряд и ионизацию транскутантной газовой смеси во входном интерфейсе непосредственно в области входной диафрагмы, и осуществляют направленный дрейф полученных ионов в канале транспортировки. Конструкция входного интерфейса с входной поверхностью и входной диафрагмой с установленными в нем электродами, служащими для создания электрического поля, и каналом транспортировки ионов показана на чертеже. Конструкция состоит из следующих основных частей. Входной электрод с диафрагмой Д1 прижат к участку кожного покрова и служит анодом разрядной камеры. Постоянное положительное напряжение на аноде составляет несколько единиц вольт. Катодом является электрод К с диафрагмой. При подаче на катод высокочастотного напряжения в области входной диафрагмы в подкожном слое возникают высокочастотные токи, стимулирующие диффузию парогазовой смеси и ее поступление в разрядную камеру. Основная составляющая смеси - водяной пар. В высокочастотном поле разряда происходит его ионизация с образованием активных ионов. Нейтральные компоненты газа вместе с активными ионами распространяются вдоль оси системы в дрейфовом пространстве ДП. В диэлектрической трубке ДТ дрейфовое пространство ДП образовано набором кольцевых электродов с отверстиями на оси системы. С помощью делителя напряжения в ДП создается дрейфовое электрическое поле с напряженностью порядка 100 В/см для обеспечения совместного дрейфа активных ионов и ионов, образующихся при протонировании ЛОК. Безмасляный форнасос ФН создает во входном интерфейсе в области Д1-ДП вакуумное разрежение порядка 10 Topp. При открытом положении входного шибера Ш ионы попадают на диафрагму напуска ДН. Прошедшие через диафрагму ионы поступают в камеру, откачиваемую турбомолекулярным насосом ТМН, и далее - в основной ионизатор ИИ с ЭУ и квадрупольный масс-анализатор КвАн.The essence of the invention lies in the fact that they optimize the heating of the skin and subcutaneous layer by applying a high-frequency electric field and the resulting currents, heating occurs deep into the subcutaneous layer locally near the inlet diaphragm, ionizes directly near the inlet diaphragm and focuses the resulting ion flux using electric fields, thereby improving the conditions for isolating the sample stream from the channel walls and collecting the sample in the mass spectrometer analyzer. The indicated positive effect is achieved by using the electrodes and contact transmission lines installed in the input interface connected to electric signal generators to create an electric field by which the transcutant gas mixture is discharged and ionized in the input interface directly in the area of the input diaphragm, and directed drift of received ions in the transport channel. The design of the input interface with the input surface and the input diaphragm with electrodes installed in it, which serve to create an electric field, and an ion transport channel is shown in the drawing. The design consists of the following main parts. The input electrode with a diaphragm D1 is pressed against the area of the skin and serves as the anode of the discharge chamber. A constant positive voltage at the anode is several volts. The cathode is an electrode K with a diaphragm. When a high-frequency voltage is applied to the cathode in the region of the input diaphragm, high-frequency currents arise in the subcutaneous layer, stimulating the diffusion of the vapor-gas mixture and its entry into the discharge chamber. The main component of the mixture is water vapor. In the high-frequency field of the discharge, its ionization occurs with the formation of active ions. The neutral components of the gas, together with active ions, propagate along the axis of the system in the drift space of the DP. In the dielectric tube DT, the drift space of the DP is formed by a set of ring electrodes with holes on the axis of the system. Using a voltage divider in the DP, a drift electric field is created with an intensity of the order of 100 V / cm to ensure the joint drift of active ions and ions formed during protonation of an LOC. The oil-free fornas pump FN creates a vacuum rarefaction of the order of 10 Topp in the input interface in the D1-DP region. With the open position of the input gate Ш, ions fall on the diaphragm of the inlet of the DN. The ions passing through the diaphragm enter the chamber pumped by the ТМН turbomolecular pump, and then to the main ionizer of the AI with EI and the KvAN quadrupole mass analyzer.
Область разряда и траектория ионов показаны кружком и стрелкой, ИС - ионный сигнал на выходе масс-анализатора.The discharge region and the ion trajectory are shown by a circle and an arrow; IP is the ion signal at the output of the mass analyzer.
В результате достигаются экстракция, ионизация и транспортировка ионизованной компоненты для анализа. В этом режиме накал катода ионного источника с электронным ударом масс-спектрометра отключен. При включенном накале возможен второй режим анализа транскутантной пробы: при отключении напряжений на электродах интерфейса возможна транспортировка нейтралов напрямую в ионный источник с электронным ударом, и производится динамический анализ концентрации простых газов: кислорода, двуокиси углерода и других.As a result, extraction, ionization and transportation of the ionized component for analysis are achieved. In this mode, the cathode of the ion source with the electron impact of the mass spectrometer is off. When the incandescence is on, a second mode of analysis of the transcutant sample is possible: when the voltages at the interface electrodes are turned off, neutrals can be transported directly to an ion source with electron impact, and a dynamic analysis of the concentration of simple gases: oxygen, carbon dioxide and others is performed.
Согласно формуле изобретения предлагается способ неинвазивного сбора и анализа транскутантного газа из живого организма в режиме реального времени, по которому используют входной интерфейс с входной поверхностью и входной диафрагмой в ней, имеющий вакуумированный канал транспортировки газовой смеси к анализатору, в качестве которого используется масс-спектрометр, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что с помощью установленных во входном интерфейсе электродов и контактных линий передачи, подключенных к генераторам электрических сигналов, создают электрическое поле, посредством которого производят разряд и ионизацию транскутантной газовой смеси во входном интерфейсе непосредственно в области входной диафрагмы, и осуществляют направленный дрейф в канале транспортировки полученных ионов в масс-анализатор.According to the claims, a method for non-invasive collection and analysis of transcutant gas from a living organism in real time, using the input interface with the input surface and the input diaphragm in it, having a vacuum channel for transporting the gas mixture to the analyzer, which is used as a mass spectrometer, CHARACTERIZED in that, using the electrodes and contact transmission lines installed in the input interface, connected to the electric signal generators, a critical field by which the transcutant gas mixture is discharged and ionized in the input interface directly in the area of the input diaphragm, and directional drift is carried out in the channel for transporting the obtained ions to the mass analyzer.
Способ реализуют следующим образом.The method is implemented as follows.
Входной интерфейс с входной поверхностью и входной диафрагмой прижимают указанной входной поверхностью к участку кожи человека или животного, в канале транспортировки вместе с камерой масс-спектрометра создают вакуумное разрежение, с помощью контактных линий подают электрические сигналы на электроды, установленные во входном интерфейсе непосредственно в области входной диафрагмы и в канале транспортировки, регулируют генераторы электрических сигналов, устанавливают требуемые параметры указанных электрических сигналов, тем самым создают электрическое поле, посредством которого производят разряд и ионизацию транскутантной газовой смеси во входном интерфейсе непосредственно в области входной диафрагмы, и осуществляют направленный дрейф в канале транспортировки полученных ионов в масс-анализатор, получают поток ионов в анализаторе масс-спектрометра, производят масс-спектрометрический структурный анализ поступающего в анализатор потока ионов, осуществляют интерпретацию полученного масс-спектра и делают вывод о результатах исследования.The input interface with the input surface and the input diaphragm is pressed by the specified input surface to the area of human or animal skin, a vacuum vacuum is created in the transportation channel together with the mass spectrometer camera, and electrical signals are applied to the electrodes installed in the input interface directly in the input interface using contact lines diaphragms and in the transport channel, regulate the generators of electrical signals, set the required parameters of these electrical signals, thereby create an electric field by which the discharge and ionization of the transcutant gas mixture is performed in the input interface directly in the area of the input diaphragm, and carry out directional drift in the channel for transporting the obtained ions to the mass analyzer, obtain an ion flow in the analyzer of the mass spectrometer, produce a mass spectrometric structural analysis of the ion flow entering the analyzer, they interpret the resulting mass spectrum and draw conclusions about the results of the study.
Рассмотрим сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.Consider the information confirming the possibility of carrying out the invention.
Глубинный нагрев подкожного слоя осуществляется с помощью высокочастотного тока, наведенного электрическим полем, провисающим через входную диафрагму. Применение высокочастотного тока и его эффективное тепловое воздействие, а также сопутствующее повышение скорости кровотока и диффузии газов в области нагрева хорошо известны в медицине (Токи Д′Арсонваля). Использованный в данном изобретении метод ионизации посредством электрического поля основан на следующей последовательности операций:Deep heating of the subcutaneous layer is carried out using high-frequency current induced by an electric field sagging through the input diaphragm. The use of high-frequency current and its effective thermal effect, as well as the concomitant increase in blood flow velocity and gas diffusion in the heating area are well known in medicine (Toki D'Arsonval). The electric field ionization method used in the present invention is based on the following sequence of operations:
- вакууммирование входного интерфейса вместе с каналом транспортировки;- vacuuming the input interface along with the transportation channel;
- создание электрического поля напряженностью до 1000 В/см в полосе частот до 10 МГц в области входной диафрагмы Д1 при подаче напряжения на катод К;- the creation of an electric field with a voltage of up to 1000 V / cm in the frequency band up to 10 MHz in the region of the input diaphragm D1 when voltage is applied to the cathode K;
- стимулированная созданным электрическим полем диффузия, возникновение разряда, ионизация с образованием активных ионов;- diffusion stimulated by the created electric field, the occurrence of a discharge, ionization with the formation of active ions;
- ионизация в разряде и в канале транспортировки, поступление ионов в анализатор;- ionization in the discharge and in the transport channel, the flow of ions into the analyzer;
- запись, анализ и интерпретация масс-спектра.- recording, analysis and interpretation of the mass spectrum.
Транскутантная газовая смесь содержит значительное количество паров воды. Во входном интерфейсе в присутствии транскутантного пара воды в электрическом поле получается поток активных ионов с высоким содержанием Н3О+. Активные ионы взаимодействуют с транскутантным газом (в котором содержатся анализируемые примеси ЛОК на следовом уровне). Ионы Н3O+ с большой вероятностью производят недиссоциативную реакцию ионизации (передачу протона) при столкновениях с атомами, имеющими сродство к протону выше, чем у молекул Н2О (166.5 ккал/моль). Поскольку основные атомы и молекулы компонентов воздуха (Не, Н2, Ne, Ar, О2, Kr, N2, Xe, СО2, СО) имеют более низкие значения сродства к протону, они не ионизуются передачей протона и не дают ионного фона. Летучие органические молекулярные компоненты обычно имеют более высокое сродство к протону, чем молекула Н2О, поэтому они в реакциях взаимодействия с ионом Н3О+ приобретают протон с высокой вероятностью. Поскольку метод ионизации передачей протона является мягким, недиссоциативным, каждому нейтралу примеси соответствует только один образующийся ион.The transcutant gas mixture contains a significant amount of water vapor. In the input interface in the presence of transcutaneous water vapor in an electric field, a stream of active ions with a high content of H 3 O + is obtained. Active ions interact with a transcutant gas (which contains the trace impurities of the LOA to be analyzed). H 3 O + ions are most likely to produce a non-dissociative ionization reaction (proton transfer) in collisions with atoms having a proton affinity higher than that of H 2 O molecules (166.5 kcal / mol). Since the main atoms and molecules of the air components (He, H 2 , Ne, Ar, О 2 , Kr, N 2 , Xe, СО 2 , СО) have lower proton affinities, they are not ionized by proton transfer and do not give an ionic background . Volatile organic molecular components usually have a higher affinity for the proton than the H 2 O molecule, so they acquire protons with high probability in reactions with the H 3 O + ion. Since the proton transfer ionization method is soft, non-dissociative, only one ion is formed for each neutral impurity.
В канале транспортировки обеспечивается дрейфовое движение полученных ионов, а также продолжение реакции ионизации передачей протона. Ионы ускоряются в электрическом поле (порядка 102 В/см) при давлении порядка 1 Торр. При использовании в качестве масс-анализатора магнитного сектора или квадруполя достигается разрешение порядка 1000-5000 в диапазоне масс 1-400 Да с чувствительностью анализа порядка ppm-ppb-ppt. Приведенные параметры характеризуют данный способ как высокоэффективный способ медицинской экспресс-диагностики.In the transport channel, the drift motion of the obtained ions is ensured, as well as the continuation of the ionization reaction by proton transfer. Ions are accelerated in an electric field (of the order of 10 2 V / cm) at a pressure of the order of 1 Torr. When using a magnetic sector or quadrupole as a mass analyzer, a resolution of the order of 1000-5000 is achieved in the mass range of 1-400 Da with an analysis sensitivity of the order of ppm-ppb-ppt. The above parameters characterize this method as a highly effective method of medical rapid diagnosis.
Масс-спектральный состав транскутантной газовой смеси содержит большой объем медико-биологической информации, на основе которой могут быть сделаны диагностические заключения по широкому комплексу направлений исследования [8-9]. Информация содержится в значениях и динамике парциальной концентрации простых газов: кислород, оксид и диоксид углерода, азот, а также уровня содержания изотопа углерода С13. Критическим параметром в масс-спектрометрии является способ ионизации. Традиционное применение ионизации электронным ударом (МС ЭУ) в масс-спектрометрах для анализа следовых количеств газовых примесей существенно ограничено, поскольку трудно избежать фрагментации молекул, и интерпретация спектров смесей зачастую невозможна. МС ЭУ позволяет измерять относительную концентрацию обычных, беспримесных составляющих газовых смесей. Анализ примесей летучих органических компонентов (ЛОК) в воздухе затруднен, поскольку компоненты воздуха также ионизуются и дают высокий уровень фона. Наиболее информативным является измеряемый уровень содержания и динамика этого уровня примесей летучих органических компонентов на следовом уровне, имеют большой потенциал для клинической диагностики и терапевтического мониторинга, особенно для быстрого скрининга больших групп пациентов с целью выявления факторов риска заболеваний.The mass spectral composition of the transcutant gas mixture contains a large amount of biomedical information, based on which diagnostic conclusions can be made in a wide range of research areas [8-9]. The information is contained in the values and dynamics of the partial concentration of simple gases: oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide, nitrogen, as well as the level of carbon isotope C 13 . A critical parameter in mass spectrometry is the ionization method. The traditional use of electron impact ionization (MS EI) in mass spectrometers for analyzing trace amounts of gas impurities is significantly limited, since it is difficult to avoid fragmentation of molecules, and interpretation of the spectra of mixtures is often impossible. MS EU allows you to measure the relative concentration of conventional, pure components of gas mixtures. The analysis of impurities of volatile organic components (VOCs) in air is difficult, since the air components also ionize and give a high background level. The most informative is the measured level and dynamics of this level of impurities of volatile organic components at the trace level, they have great potential for clinical diagnosis and therapeutic monitoring, especially for rapid screening of large groups of patients in order to identify risk factors for diseases.
Анализ ЛОК в выдыхаемых и транскутантных газах применяется для научных исследований и диагностики заболеваний, а также эффектов применения лекарств. Эндогенные ЛОК (более чем 3000 регистрируемых субстанций) производятся в организме человека метаболическими процессами и бактериями. В выдыхаемом и транскутантном газах измеряют динамику метанола, этанола, изопрена, ацетона, кетона, изопропанола и других эндогенных ЛОК на следовом уровне.Analysis of VOCs in exhaled and transcutaneous gases is used for scientific research and diagnosis of diseases, as well as the effects of the use of drugs. Endogenous LOCs (more than 3,000 registered substances) are produced in the human body by metabolic processes and bacteria. In the exhaled and transcutant gases, the dynamics of methanol, ethanol, isoprene, acetone, ketone, isopropanol and other endogenous VOCs is measured at a trace level.
Рассмотрим конкретный пример осуществления заявленного способа для определения концентрации ЛОК, например ацетона, в транскутантном газе пациента (все ссылки ниже даны на чертеже описания заявки).Consider a specific example of the implementation of the claimed method for determining the concentration of VOC, for example acetone, in a patient's transcutaneous gas (all references below are given in the drawing of the description of the application).
Начиная измерения по заявляемому способу, подают постоянное положительное напряжение порядка несколько единиц вольт на входной электрод, изготовленный, например, из нержавеющей стали, с диафрагмой Д1 диаметром порядка 50 мкм в нем, и прижимают указанный электрод к участку кожного покрова (например, к внутренней поверхности локтевого сгиба) человека или животного. С помощью форнасоса ФН создают в области Д1-ДП (протяженностью порядка 3-10 см), ограниченную диэлектрической трубкой ДТ (диаметром порядка 1-2 см), вакуумное разрежение порядка 10 Top, откачивают турбомолекулярным насосом ТМН камеру масс-анализатора КвАн, например квадрупольного, до давления порядка 10-5 Topp, открывают входной шибер Ш. Подают на катод К отрицательное импульсное напряжение длительностью 1-10 мкс амплитудой 1-5 кВ, а на делитель напряжения в ДП, соединенный с цепочкой электродов (например, 3-10 штук), подают постоянное напряжение 300-500 В. Как вариант подают указанное импульсное напряжение положительной полярности на указанный входной электрод. Получают локализованный импульсный разряд между указанным входным электродом и катодом К, в котором ионизуют преимущественно молекулы воды, получают протонированные первичные активные ионы, а в дрейфовом пространстве ДП получают ионы примеси ЛОК, например ацетона, которым первичные активные ионы передают протоны (область разряда и траектория ионов показаны кружком и стрелкой). Полученные в дрейфовом пространстве ДП ионы пропускают через диафрагму напуска ДН в камеру масс-анализатора КвАн. Получают поток ионов в анализаторе масс-спектрометра, производят масс-спектрометрический структурный анализ поступающего в анализатор потока ионов, получают ионный сигнал ИС на выходе масс-анализатора, записывают масс-спектр, осуществляют интерпретацию полученного масс-спектра и делают вывод о результатах исследования. Например, сравнивают измеренный уровень содержания примеси ацетона в транскутантном газе пациента с уровнем, который измерен для контрольной группы здоровых людей, и делают медицинское заключение. Подобную процедуру можно проделать и с иными компонентами газов крови, например с глюкозой.Starting measurements according to the claimed method, apply a constant positive voltage of the order of several units of volts to the input electrode, made, for example, of stainless steel, with a diaphragm D1 with a diameter of about 50 μm in it, and press the specified electrode to the skin area (for example, to the inner surface elbow bend) of a person or animal. Using a fornas pump, FNs create in the D1-DP region (length of the order of 3-10 cm), bounded by a dielectric tube DT (diameter of the order of 1-2 cm), a vacuum rarefaction of the order of 10 Top, the chamber of the KvAn mass analyzer, for example, quadrupole , to a pressure of the order of 10 -5 Topp, open the input gate Ш. Apply a negative pulse voltage of 1-10 μs with an amplitude of 1-5 kV to the cathode K, and to the voltage divider in the DP connected to the electrode chain (for example, 3-10 pieces ), apply a constant voltage of 300-500 V. Ka the option serves the specified pulse voltage of positive polarity to the specified input electrode. A localized pulsed discharge is obtained between the specified input electrode and the cathode K, in which mainly water molecules are ionized, protonated primary active ions are obtained, and LO impurity ions, for example acetone, to which primary active ions transfer protons (discharge region and ion trajectory) are obtained in the drift space of the DP shown by a circle and an arrow). The ions obtained in the drift space of the DP are passed through the diaphragm of the inlet of the DN into the chamber of the KvAn mass analyzer. An ion stream is obtained in the mass spectrometer analyzer, a mass spectrometric analysis of the ion flux entering the analyzer is performed, an ion ion signal is received at the output of the mass analyzer, the mass spectrum is recorded, the resulting mass spectrum is interpreted, and conclusions are drawn about the results of the study. For example, a measured level of an acetone impurity in a patient’s transcutaneous gas is compared with a level measured for a control group of healthy people, and a medical report is made. A similar procedure can be done with other components of blood gases, such as glucose.
Предлагаемый способ является неинвазивным и высокоэффективным для анализа практически всех газовых компонентов, растворенных в крови, лимфе и находящихся в подкожном слое.The proposed method is non-invasive and highly effective for the analysis of almost all gas components dissolved in blood, lymph and located in the subcutaneous layer.
Список цитированной литературыList of references
1. S.Dawson, C.Cave, I.Pavord, and J.F.Potter. Transcutaneous monitoring of blood gases. Respiratory Medicine, 1998, 92, 584-587.1. S. Dawson, C. Cave, I. Pavord, and J. F. Potter. Transcutaneous monitoring of blood gases. Respiratory Medicine, 1998, 92, 584-587.
2. Parker D., Delpy, Reynolds E.O. Transcutaneous bloof gas measurements by mass spectrometry. Acta Anaesthesiol Scand Suppl. 1978, 68&131-6.2. Parker D., Delpy, Reynolds E.O. Transcutaneous bloof gas measurements by mass spectrometry. Acta Anaesthesiol Scand Suppl. 1978, 68 & 131-6.
3. Baumgardner J.D., Quinn J.A., Neufeld G.R. Micropore membrane inlet mass spectrometer probes suitable for measurement of tissue surface gas tensions. J Mass Spectrom 30: 563-571, 1995.3. Baumgardner J.D., Quinn J.A., Neufeld G.R. Micropore membrane inlet mass spectrometer probes suitable for measurement of tissue surface gas tensions. J Mass Spectrom 30: 563-571, 1995.
4. Patent US 2004147885, publ. 2004-07-29.4. Patent US 2004147885, publ. 2004-07-29.
5. Левшанков А.И., Пушкина М.А., Слуцкая М.Е., Уваров Б.С. / Определение локального газообмена поверхности тела методом масс-спектрометрии. // Медицинская техника. М., Медицина, №1, 1983. С.21-26.5. Levshankov A.I., Pushkina M.A., Slutskaya M.E., Uvarov B.S. / Determination of local gas exchange of the body surface by mass spectrometry. // Medical equipment. M., Medicine, No. 1, 1983. S.21-26.
6. Patent US 4439679, publ. 1984-03-27.6. Patent US 4439679, publ. 1984-03-27.
7. Цыбин О.Ю., Цыбина М.Л., Маркелов И.М. / Способ исследования биологической пробы с поверхности кожи. А.С. №1772745, рег. 01.07.1992 г.7. Tsybin O.Yu., Tsybin M.L., Markelov I.M. / Method for the study of biological samples from the surface of the skin. A.S. No. 1772745, reg. 07/01/1992
8. F.Di Francesco, R.Fuoco, M.G.Trivella, A.Ceccarini. Breath analysis: trends in techniques and clinical applications. Microchemical Journal, 79 (2005), 405-410.8. F. Di Francesco, R. Fuoco, M. G. Trivella, A. Ceccarini. Breath analysis: trends in techniques and clinical applications. Microchemical Journal, 79 (2005), 405-410.
9. Левшанков А.И., Озеров Л.Н., Павленко В.А. и др. / Медицинская техника, 1977, №1, С.19-22.9. Levshankov A.I., Ozerov L.N., Pavlenko V.A. and others / Medical technology, 1977, No. 1, S. 19-22.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005140699/14A RU2328213C2 (en) | 2005-12-26 | 2005-12-26 | Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005140699/14A RU2328213C2 (en) | 2005-12-26 | 2005-12-26 | Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005140699A RU2005140699A (en) | 2007-07-10 |
| RU2328213C2 true RU2328213C2 (en) | 2008-07-10 |
Family
ID=38316244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005140699/14A RU2328213C2 (en) | 2005-12-26 | 2005-12-26 | Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2328213C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558884C2 (en) * | 2009-05-27 | 2015-08-10 | Майкромасс Юк Лимитед | System and method for biological tissue identification |
-
2005
- 2005-12-26 RU RU2005140699/14A patent/RU2328213C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| F.Dr FRANCESCO et al. Breath analysis: trends in techniques and clinical applications, Microchemical Journal, 79 (2005), 405-410. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558884C2 (en) * | 2009-05-27 | 2015-08-10 | Майкромасс Юк Лимитед | System and method for biological tissue identification |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005140699A (en) | 2007-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11903707B2 (en) | Enclosed desorption electrospray ionization probes and method of use thereof | |
| Herbig et al. | On-line breath analysis with PTR-TOF | |
| Ruzsanyi et al. | Detection of human metabolites using multi-capillary columns coupled to ion mobility spectrometers | |
| Smith et al. | The challenge of breath analysis for clinical diagnosis and therapeutic monitoring | |
| CN108780063B (en) | Mass spectrometer and method for analyzing biological sample using same | |
| US20110313306A1 (en) | Method and apparatus for monitoring stress levels or sudden changes of humor in humans or other individuals in real time by means of vapor analysis | |
| Critchley et al. | The proton transfer reaction mass spectrometer and its use in medical science: applications to drug assays and the monitoring of bacteria | |
| JP4316883B2 (en) | Method and apparatus for assessing the state of organisms and natural products, and for analyzing gas mixtures containing major and minor components | |
| Gong et al. | Real-time quantitative analysis of valproic acid in exhaled breath by low temperature plasma ionization mass spectrometry | |
| Badjagbo | Exhaled breath analysis for early cancer detection: principle and progress in direct mass spectrometry techniques | |
| Li | Applications of a confined DART (direct analysis in real time) ion source for online in vivo analysis of human breath | |
| RU2328213C2 (en) | Method of non-invasive gathering and analysis of transcoutaneous gas sampled from living organism within on-line environment | |
| JP4452783B2 (en) | Cirrhosis test method and apparatus using breath analysis apparatus | |
| RU2436506C1 (en) | Gas medical mass-spectrometer for diagnostics of live organism in real time mode | |
| Vaks et al. | Methods and instruments of high-resolution transient THz spectroscopy for diagnostics of socially important diseases | |
| CN111220682A (en) | A method for online monitoring of exhaled breath anesthetics by ion mobility spectrometry | |
| Li et al. | Real-time continuous measurement of intraoperative trace exhaled propofol by planar differential mobility spectrometry | |
| US20230207300A1 (en) | System and method for analysing volatile organic compounds (voc) by low-temperature plasma and mass spectrometry (ltp-ms) | |
| CN117110411A (en) | Device system for in-situ analysis and identification of biological sample, method and application thereof | |
| RU1772745C (en) | Method of investigating biological sample from the skin surface | |
| PHAM et al. | Analytical Approaches for | |
| Pham et al. | Analytical Approaches for Disease Detection | |
| WO2020165579A1 (en) | Method for diagnosing or for providing a prognosis of a subject suffering from oesophagogastric cancer, or a pre-disposition thereto. | |
| Langejuergen et al. | A Simple Atmospheric Pressure Ionization Source Coupled to a Timeof-Flight Mass Spectrometer for Breath Analysis | |
| Willis | Development of Chemical Ionisation Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry for the Analysis of Volatile Organic Compounds in Exhaled Breath |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111227 |