Анализ выдыхаемого воздуха методом газовой хроматографии

ВВЕДЕНИЕВ современном мире диагностика заболеваний – процесс достаточно быстрый и точный по сравнению с технологиями десятилетней давности. Но в связи с ухудшением экологической обстановки, возникновением новых патогенных заболеваний быстрота постановки диагноза и повышение экспрессности методов – главные проблемы различных сфер науки.Актуальность темы исследования заключается в теоретической значимости анализа выдыхаемого воздуха методом газовой хроматографии.Целью курсовой работы является приобретение новых знаний при анализе статей и нормативных документов по теме газовой хроматографии и анализа выдыхаемого воздуха с применением газовой хроматографии.Задачи курсовой работы:- провести самостоятельную работу с литературными источниками по темам газовой хроматографии в медицине, анализа выдыхаемого воздуха методом газовой хроматографии и диагностики заболеваний по компонентам в выдыхаемом воздухе;- выявить актуальные проблемы при выполнении анализа воздушной вытяжки газохроматографическим методом;- изучить современные тенденции анализа воздушных вытяжек биологических проб, описать некоторые виды заболеваний, диагностируемых по результатам интерпретации данных с прибора.Объектом исследования является газохроматографический метод анализа. Предмет исследования – выдыхаемый воздух.При создании курсовой работы были использованы следующие методы исследования:- метод изучения и анализа литературы (сбор информации из статей отечественных и зарубежных авторов, нормативных документов, описание и выводы из проделанной работы);- метод аналогии (описание процессов без практической работы с образцами);- метод классификации (описание видов газовой хроматографии, виды оборудования для работы газохроматографическим методом);- метод сравнительного анализа (сравнение классических методов и современных технологий). 1 ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯПонятие и разновидности методов газовой хроматографииХроматография — метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, основанный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов []. При этом разделяемые вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижной и неподвижной.По признакам, описанных Гиндуллиной Т.М., в таблице представлены основные виды хроматографических анализов [].Таблица 1 – Классификация хроматографических методов по признакамПризнакиХроматографические методыАгрегатное состояние фазГазовая (газожидкостная, газотвердофазная)Жидкостная (жидкостно-жидкостная, жидкостно-твердофазная)Механизм взаимодействия сорбент – сорбатАдсорбционнаяРаспределительнаяИонннообменнаяЭксклюзионнаяАфиннаяОсадочнаяАдсорбционно-комплексообразовательнаяАппаратурное оформление (техника выполнения) процесса хроматографированияКолоночнаяПлоскостная (бумажная)ТонкослойнаяЦель хроматографированияАналитическаяПрепаративнаяПромышленнаяСпособы проведения хроматографического анализаФронтальный методПроявительный методВытеснительный методВ курсовом проекте будет описан в общем виде хроматографический метод по агрегатному состоянию фаз – газовая хроматография. Газовая хроматография (ГХ) – хроматография, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара-инертный газ (газ-носитель) []. В виде неподвижной фазы выступает высокомолекулярная жидкость, закрепленная на пористый носитель или на стенки капиллярной трубки определенной длины. Газовая хроматография является универсальным методом разделения смесей разнообразных по составу веществ, испаряющихся без разложения. При проведении испытаний компоненты разделяемой смеси переносятся по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. Разделяемая смесь по мере продвижения многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Из-за неодинакового сродства веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке происходит разделение. Компоненты смеси выборочно задерживаются стационарной фазой, поскольку растворимость их в этой фазе отличается. Компонентам с большей растворимостью требуется больше времени для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью. Затем вещества под давлением перемещаются из колонки и попадают на детектор. Сигнал от детектора отображается на мониторе компьютера в виде графика зависимости концентрации от времени (хроматограммы).Хроматография является одним из широко применяемых физико-химических методов исследования. Подобные методы зачастую используются в химии и биохимии, находят применение в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. С каждым годом возрастает и расширяется спектр требований к окружающей среде, пищевым продуктам, лекарственным препаратам, и, конечно же, диагностикой различного рода заболеваний. Соответственно, область исследования, количество решаемых задач и практическое использование хроматографии непрерывно растет и усложняется.Газовая хроматография в медицинской сфереМетод газовой хроматографии получил широкое распространение в медицине. Зачастую изготовители хроматографов делают упор на область применения в медицине и оснащают приборы, способные в самых малых количествах определить концентрации простых и сложных органических веществ.Диагностика алкоголя в биологических объектах – одно из популярных направлений для наркологии и судебно-медицинской экспертизы. Алкилнитритный метод определения алкоголя, разработанный в 60-х годах двадцатого века, на сегодняшний день пользуется популярностью в медицинских лабораториях, лабораториях судебно-медицинской экспертизы и др. Наряду с другими новыми направлениями в сфере хроматографии внедряются новые методы парофазного анализа, не требующие применения реактивов. Методом ГХ возможно диагностировать отравление угарным газом.Метод газовой хроматографии с масс-спектрометрией применяется для разработки методов ранней диагностики рака, легочных заболеваний. В выдыхаемом человеком воздухе большое количество летучих органических соединений (ЛОС). Часть компонентов ЛОС является показателем различных процессов в организме. Над подобными методиками работают отечественные и зарубежные ученые [].2 АНАЛИЗ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ2.1. Процесс отбора и подготовки проб к анализуПроцесс анализа выдыхаемого воздуха с применением различного вида газовых хроматографов в обобщенном варианте можно представить в виде схемы (рис.1).Рис. 1 Обобщенный вид процесса анализа пробы выдыхаемого воздуха методом ГХПробу отбирают в пакет объемом, которого будет достаточно для количественного анализа. Далее пробу подвергают нагреву, либо без нагрева переводят в жидкую или твердую фазу – это зависит от вида анализа (жидкостный или твердофазный) и типа хроматографа. 2.2. Проведение анализа и интерпретация данных хроматографаСовременные производители оборудования для хроматографии предлагают огромный выбор продукции, которая соответствует специфике анализа и потребностям пользователей: селективность методов, чувствительность, точность. Одними из самых распространённых марок хроматографов, применяемых в медицине являются Shimadzu (Япония) и Хроматек (Россия) [,]. Оба производителя предоставляют линейку газовых хроматографов, способных регистрировать содержание компонентов в диапазоне от 10-10 – 10-12 и выше. На рис. 2 приведена принципиальная схема газового хроматографа.Рисунок 2 – Принципиальная схема газового хроматографа:1 – система подготовки газов; 2 – система дозирования; 3 – колонка; 4 – система термостатирования; 5 – система детектирования; 6 – блок питания детектора; 7 – усилитель сигнала детектора; 8 – регистратор (самописец, компьютер); 9 – измерители режима хроматографа (расход газов, стабилизация температур и электрического питания детекторов).Проба преобразуется в приборе, сигналы регистрируются детектором, результаты детектирования отображаются на мониторе компьютера, либо на дисплее прибора. После измерения на приборе переходят к интерпретации данных хроматограммы. Информацию, отображённую на хроматограмме описывают, исходя из требований к определяемому компоненту, матрицы пробы и типа хроматографа.Заключительный этап – обработка результатов. По итогу результаты исследования проб представлены в количественном виде – аналит с указанием единиц измерения (мкг/кг, ppm, мг/см и др.).3 ДИАГНОСТИКА ЗАБОЛЕВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ3.1. Подходы к анализу выдыхаемого воздуха газохроматографическим методомМетоды, применяемые в определенных исследованиях подбираются так, чтобы аналитические возможности данных методов были сопоставимы с решаемой диагностической задачей и ее направленности. Степанов Е.В. выделил несколько методических подходов, часто используемых при анализе состава выдыхаемого воздуха:использование накопления и конденсации выдыхаемого воздуха, позволяющих повысить концентрационную чувствительность анализа;регистрация процессов в реальном времени и проведение долговременного и непрерывного мониторинга;минимизация объема анализируемой пробы воздуха для локализации области продукции исследуемого соединения;отбор и анализ многократных проб для определения динамики выделения исследуемого соединения;проведение относительных измерений;одновременный анализ нескольких соединений [].Применение метода ГХ для анализа состава выдыхаемого воздуха ограничено, как правило, исследовательскими лабораториями из-за сложности и громоздкости оборудования и необходимости квалифицированного обслуживания.3.2. Обнаружение заболеваний по биомаркерам в выдыхаемом воздухеВ работе [] автором (Esterbauer) раскрыта тема применение ГХ для исследования процессов перекисного окисления липидов в организме человека посредством мониторинга выдыхаемых летучих углеводородов, таких как этилен (С2Н4), этан (С2Н6) и пентан (С5Н12), которые являются маркерами разрушений, вызываемых свободными радикалами. Для достижения требуемой чувствительности детектирование этих гидрокарбонов осуществляется с применением концентрирования проб выдыхаемого воздуха на твердых сорбентах. Выбор нужного сорбента достаточно сложен, а проницаемость материалов стенок, абсорбция и загрязнения холостой пробы делают результаты анализа неподдающимися расшифровке []. При помощи метода ГХ эффективно удается детектировать выделение с выдыхаемым воздухом ацетона, что применялось для исследований секреторной функции поджелудочной железы при остром панкреатите []. Высокие концентрации ацетона обнаруживаются при нарушении диетического питания [] и сильной сердечной недостаточности, наличие ацетона, метилкетона и n-пропанола — при раке легких []. Необычное исследование в области психиатрии показало, что наличие у пациентов в анамнезе признаков шизофрении обуславливает появление в выдыхаемом воздухе фенилаланина [].Анализ выдыхаемого воздуха интересен и с точки зрения профессиональной патологии, т.к. позволяет обнаружить предпосылки профзаболеваний. К примеру, у работников резинотехнического производства наблюдалось повешенное содержание акрилонитрила в выдыхаемом воздухе []. Повышенные концентрации акрилотрила в тканях организма могут способствовать развитию патологий щитовидной железы.Наличие в выдыхаемом воздухе определённых метаболитов позволяет диагностировать не только хронические заболевания, но и сезонные респираторные заболевания, в том числе и проявление новых мутациях вирусов. Исследования двухлетней давности в области вирусологии показали, что у пациентов с подтвержденной формой SARS-CoV-2 в выдыхаемом воздухе наблюдаются метаболиты: бензальдегид, 1-пропанол; 3,6-диметилундекан, терпен, камфен и бета-кубебен [].За последние десять лет исследования в области медицины продвинулись далеко вперед, позволяя с высокой точностью определять в биологических пробах наличие тех или иных соединений, свойственным течению некоторых заболеваний.ЗАКЛЮЧЕНИЕПрименение газовой хроматографии в медицине носит как прикладной (для клинических анализов), так и исследовательский характер для изучения нарушений метаболизма. Из обзора литературных данных видно, что методом газовой хроматографии можно диагностировать многочисленные заболевания, в том числе такие, как сердечно-сосудистые, онкологические, диабет и другие. Современные газовые хроматографы позволяют анализировать биохимические соединения на концентрациях 10–11 – 10–12 г, что дает возможность проводить диагностику на ранних стадиях заболеваний, при которых в большинстве случаев возможно полное излечение. Кроме выявления заболеваний, газовая хроматография может быть использована для определения эффективности лечения.При выполнении курсовой работы был проведен анализ литературных источников – учебных пособий, статей и нормативных документов по теме газовой хроматографии и анализа выдыхаемого воздуха с применением газовой хроматографии, выявлении заболеваний по биомаркерам, присутствующим в выдыхаемом воздухе у людей с такими диагнозами как диабет, рак лёгких, респираторные вирусные инфекции и т.п. В работе рассмотрены виды газовой хроматографии, в обобщенном виде представлен процесс анализа выдыхаемого воздуха.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBeccaria M., Mellors T.R., Petion J.S., et al (Eds.) Preliminary investigation of human exhaled breath for tuberculosis diagnosis by multidimensional gas chromatography – Time of flight mass spectrometry and machine learning, Journal of Chromatography B vol. 1074–1075, 2018, Pages 46-50.Breath acetone concentration: biological variability and the influence of diet / P. Spanel [et.al] // Physiological Measurement. 2011. V. 32, № 8. P. 23-31.Esterbauer H. Estimation of peroxidative damage. A critical review // Pathol. Biol. 1996. Vol. 44. P. 25–28.Foschino-Barbaro M.P., Carpagnano G.E. et al. Endothelin Is Increased in the Breath Condensate of Patients with Non-Small-Cell Lung Cancer // Oncology. 2004. № 66 (3), P. 180–184.Grassin-Delyle, S., et al., Metabolomics of exhaled breath in critically ill COVID-19 patients: A pilot study. EBioMedicine, 2021. 63: p. 103154.Ibrahim W., Cordell R.L., Wilde M.J., et al. Diagnosis of COVID-19 by exhaled breath analysis using gas chromatography-mass spectrometry (https://doi.org/10.1183/23120541.00139-2021 ).Kolb B. Applied Head Space Gaschromatography. — Hayden, 1980. — Р. 224.Phillips, M., Herrera, J., Krishnan, S., Zain, M., Greenberg, J., Cataneo, R.N., 1999. Variation in volatile organic compounds in the breath of normal humans. Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences and Applications 729, 75–88.Ruszkiewicz, D.M., et al., Diagnosis of COVID-19 by analysis of breath with gas chromatography-ion mobility spectrometry - a feasibility study. EClinicalMedicine, 2020: p.100609.Wilde M.J., Cordell R.L., Salman D., et al (Eds.) Breath analysis by two-dimensional gas chromatography with dual flame ionisation and mass spectrometric detection – Method optimisation and integration within a large-scale clinical study / Journal of Chromatography A, 2019. – vol. 1594. – P. 160–172. www.elsevier.com/locate/chromaАнохина Т.Н. [и др.] Диагностическая значимость среднелетучих органических соединений в конденсате выдыхаемого воздуха при бронхиальной астме и хронической обструктивной болезни легких / Пульмонология. 2011. № 4. С. 71-75.Астахов А.В., Бражников В.В., Лапин В.А., Муравская Н.П. Применение и метрологическое обеспечение газовой хроматографии для целей здравоохранения, «Лаборатория ЛПУ», Спецвыпуск № 5, 2014 С. 20-21. Балдин М.Н. Разработка портативного экспрессного хроматографа с воздухом в качестве газа-носителя для определения следовых количеств органических веществ на месте взятия пробы: дис.. канд. техн.наук. Томск; Новосибирск, 2014. С. 26–48.Барадиева А.Э. Использование метода ГЖХ в химико-токсикологическом анализе, ФГБОУ ВО ИГМУ Минздрава России, Сборник статей межвузовской научной студенческой конференции (23-24 мая 2017 г.)Буланова А. В., Полякова Ю. Л. Хроматография в медицине и биологии: учеб. пособие для студ. вузов. — 2-е изд. — Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2006. — 115 с.Быкова А.А., Малиновская Л.К., Чомахидзе П.Ш., Трушина О.В., Шалтаева Ю.Р., Беляков В.В., Головин А.В., и др. Анализ выдыхаемого воздуха в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний, 2019. С.: 61-67. Журнал «Кардиология», выпуск №7, т.59.В.И. Скоморощенко, О.В. Пенкова, Ю.В. Кистенев, А.В. Борисов Национальный исследовательский Томский государственный университет (Россия, г. Томск) Выявление наиболее специфичных летучих метаболитов методом газовой хроматографии в пробах выдыхаемого воздуха больных раком легких и здоровых добровольцев, Вестник Томского государственного университета. Химия. 2017. № 7. С. 45–54.Ватолина Н.А., Тихомирова О.В. Газохроматографическое определение летучих галогенорганических соединений в воде питьевой методом равновесной паровой фазы // Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2016; 3(66): 174–179.Внелабораторный экспрессный газохроматографический способ анализа выдыхаемого человеком воздуха с автоматизированной градуировкой Малышева А.О., Балдин М.Н., Грузнов В.М., Блинова Л.В. Аналитика и контроль. 2018. Т. 22, № 2. С. 177-185.Вяхирев Д.А., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – 335с.Газовые хроматографы Shimadzu Europa [Электронный ресурс]: https://www.shimadzu.ru/gazovye-hromatografy (дата обращения 28.04.2022).Гиндуллина Т.М. Хроматографические методы анализа: учебно-методическое пособие /Т.М. Гиндуллина, Н.М. Дубова – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 80 с.Горбачева А.Р., Родинков О.В., Хроматомембранное генерирование стандартных газовых смесей летучих органических соединений на уровне ppm // Аналитика и контроль. 2018. Т. 22, № 1. С. 75-82.ГОСТ 17567-81 Хроматография газовая. Термины и определения.ГОСТ 26703-93 Хроматографы аналитические газовые. Общие технические требования и методы испытаний.ГОСТ 32915-2014 Молоко и молочная продукция. Определение жирнокислотного состава жировой фазы методом газовой хроматографии.Грузнов В.М., Балдин М.Н., Малышева А.О. Ввод пробы ароматических соединений с концентраторов в поликапиллярную колонку методом термической десорбции // Аналитика и контроль. 2019. Т. 23. № 3. С. 370–376.Грузнов В.М., Балдин М.Н., Науменко И.И., Коденев Г.Г. Портативная поликапиллярная газовая хроматография: история и реализация идей. Часть 2. Лаборатория и производство. 2021. № 3-4 (18). С. 52-64. Иванова Н.И. Разработка фотоионизационного генераторного детектора газов и паров ВАК РФ 05.11.13Ивашова Ю.А., Устинова О.Ю., Лужецкий К.П., Власова Е.М., Белицкая В.Э., Нурисламова Т.В. Состояние щитовидной железы у работников резинотехнического производства в условиях комплексного воздействия производственных факторов Медицина труда и промышленная экология. 2016. № 8. С. 15-20.Карцова Л.А., Соловьёва С.А. Применение хроматографических и электрофоретических методов в метаболомных исследованиях, Журнал аналитической химии, 2019, том 74, № 4, с. 243–253.Килимник В. А., Чекменева А. А. Оценка состава выдыхаемого воздуха с помощью газовых датчиков Сборник вычислительные системы и программирование, 2022. С: 62-64.Красавин Г.А., Ермолаев В.С. Летучие органические соединения в биологических средах у пациентов с шизофренией и другими заболеваниями. Социальная и клиническая психиатрия 2019, т. 29 № 3 С.: 78-83.Курс лекций [Электронный ресурс]: https://studentoriy.ru/xromatografiya-lekciya-5-gazovaya-xromatografiya (дата обращения 27.04.2022).Логинов А.С., Бендиков Е.А., Петраков А.В. Маркеры перекисного окисления липидов в выдыхаемом воздухе и микросомальное окисление у больных хроническими диффузионными болезнями печени // Терап. Архив. 1995. Т. 67, № 4. C. 50–53.Малышева А.О. Балдин М.Н. Грузнов В.М. Определение коэффициентов распределения летучих органических веществ в системе жидкость-воздух для создания градуировочных газообразных образцов со следовыми концентрациями веществ // Журн. аналит. химии. 2017. Т. 72, № 10. С. 3-7.Михарев Е.А., Лунев А.Ю. Современные методы анализа биомаркеров в выдыхаемом воздухе. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» 2019 С.: 333-335.ПНД Ф 13.1:2:3.24-98 Методика выполнения измерений массовой концентрации индивидуальных парафиновых углеводородов С6-С10 в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах методом газовой хроматографии.Промышленная газовая хроматография [Электронный ресурс]: https://chromatec.ru/products/pgc (дата обращения 28.04.2022).Савина Ю.С., Язынин С.В., Третьякова С.В., Андреев К.В., Андреева М.И., Аношкин Ю.В. Разработка методик измерений массовой доли основного вещества в ГСО состава фосфорорганических отравляющих веществ газохроматографическим методом Филиал федерального бюджетного учреждения «Федеральное управление по безопасному хранению и уничтожению химического оружия при Министерстве промышленности и торговли РФ (войсковая часть 70855) - 1206 объект по хранению и уничтожению химического оружия (войсковая часть 21222)».Способ калибровки системы газовой хроматографии – масс спектрометрии (ГХ-МС), оснащенной специальным ПО, для определения маркеров микроорганизмов в исследуемой пробе материала биологического происхождения [Текст]: пат. 2501011 Рос. Федерация : МПК G01N 33/48, G01N 30/00.Способ количественного определения акрилонитрила в крови методом газохроматографического анализа [Текст]: пат. 2452961 Рос. Федерация : МПК G01N 33/50.Способ контроля концентрации ацетона в воздухе, выдыхаемом человеком, и устройство для его реализации [Текст]: пат. 2697809 Рос. Федерация : МПК G01N 33/497.Способ уточняющей лабораторной диагностики почечно-клеточного рака [Текст]: пат. 2766295 Рос. Федерация : МПК G01N 33/68, G01N 33/70, G01N 33/574.Степанов Е. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха [Электронный ресурс] : https://old.gpi.ru/trudiof/Vol_61/1_stepanov.pdf (дата обращения 28.04.2022).Столяров Б. В. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии: учебное пособие / Б. В. Столяров, И. М. Савинов, А. Г. Витенберг.– Л.: Химия, 1988.– 335 с.Уланова Т. С., Нурисламова Т. В., Попова Н.А., Мальцева О.А. Оценка уровня контаминации выдыхаемого воздуха и крови работников резинотехнического производства в условиях профессиональной экспозиции акрилонитрилом / Медицина труда и промышленная экология. 2016. № 8. С. 37-42.Хромато-десорбционные микросистемы для количественного определения биомаркеров сердечно-сосудистых заболеваний в выдыхаемом воздухе / И.А. Платонов [и др.] // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2017. №1. С. 14-16.Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. Практическая газовая хроматография // Учебно-методическое пособие Издательство Алтайского государственного университета Барнаул, 2000.Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. Хроматографические методы анализа, Методическое пособие для специального курса, МГУ, 2007.Шилов В.Н., Яковченко В.А., Сергиенко В.И. Диагностическая ценность газохроматографического исследования выдыхаемого воздуха // Клин. лаб. диагн., 1994, Т. 5., C. 9–10.