Портативный масс-спектрометр с мембранным вводом пробы для анализа чрезкожного выделения CO2

Масс-спектрометрия стала мощным методом для химического анализа благодаря применимости к широкому диапазону химических соединений, а также высокой селективности и чувствительности. В основном масс-спектрометры используются в аналитических лабораториях, занимающихся безопасностью пищевых продуктов, клиническим анализом и т.д., и отличаются большими габаритными размерами, трудоемкостью и сложностью в анализе и пробоподготовке (например, предварительная обработка образца и хроматографическое разделение). Однако возрастающий запрос на анализ в режиме реального времени в различных областях, например, безопасности [1, 2], экологическом мониторинге [3, с. 242–288], медицинских исследованиях [4] требует разработки простого портативного анализатора. Для проведения экс-пресс-анализа масс-спектрометр должен иметь адекватные характеристики по чувствительности и воспроизводимости [5, 6].

Для анализа нелетучих веществ применяются сложные методы ионизации при атмосферном давлении и позволяют обходиться без предварительной подготовки образцов и хроматографического разделения. Для летучих веществ возможно использование масс-спектрометра с мембранным вводом пробы (MIMS), который позволяет производить анализ в режиме in situ .

MIMS — это метод, который впервые был продемонстрирован более 50 лет назад. Позже он получил распространение в полевых работах благодаря уменьшению габаритов масс-анализаторов и средств вакуумной откачки. Принцип действия мембранного сепараторного интерфейса основан на диффузии через силиконовую мембрану химических соединений. Высокополярные соединения, такие как жидкая вода, не диффундируют через мембрану, что делает силиконовую мембрану гидрофобной.

Такой метод способен минимизировать вес и размер прибора [7, 8]. В то же время программные возможности сканирования и обработки спектров, а также анализ отдельных пиков в режиме реального времени позволяют упростить процедуру работы и минимизировать технические проблемы.

Газообмен через кожу и слизистые оболочки тела играет важную роль в жизнедеятельности организма. В нормальных условиях он составляет около 2–3 % легочного газообмена и значительно возрастает при различных экстремальных состояниях.

Для изучения чрезкожного газообмена существуют различные методики, однако одни из них громоздки и неудобны для клинического использования, другие не обладают хорошей воспроизводимостью. В 1970–1980-е гг. впервые была показана топография и значимость исследования регионарного газообмена через различные участки кожи и слизистых оболочек с помощью масс-спектрометрии [9].

Однако до сих пор не выявлены значимость и изменения газообмена через кожу у больных и пострадавших; не отработана методика контроля и оценки чрезкожного газообмена в процессе лечения больных; отсутствуют работы о влиянии анестезии на газообмен. Решение этих задач

Рис. 1. Внешний вид мембранного интерфейса (МИ)

Рис. 2. МИ — мембранный интерфейс, МС — масс-спектрометр, БЭ — блок электроники, ТМН — турбомолекулярный насос, ФВН — форвакуумный мембранный насос

имеет важное значение в лечении больных.

Мониторинг чрезкожного выделения CO 2 является важным параметром оценки глубины анестезии при гипоксии — состояния пациента при задержке дыхания. Чрезкожное выделение CO 2 является индикатором метаболических процессов, таких как доставка кислорода к тканям.

Создание простого, неинвазивного метода измерения позволит определить характер изменения чрезкожного выделения CO 2 здоровых людей в состоянии покоя и при физической нагрузке в аэробном и анаэробном режимах, показать зависимость интенсивности чрезкожного выделения CO 2 на различных участках поверхности тела и от возраста людей, обосновать целесообразность использования предлагаемой методики измерения чрезкожного газообмена при лечении больных.

Необходимо усовершенствовать неинвазивную методику оценки и контроля состояния чрезкож-ного газообмена, используя новую конструкцию мембранного сепараторного интерфейса.

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

В работе был использован квадрупольный масс-спектрометр ("Prisma", PfeifferVacuum, Германия) с диапазоном массовых чисел 2–300 а.е.м., в исполнении с закрытым ионным источником электронного удара (70 эВ). Преимуществом закрытого источника ионов является высокая чувствительность, которая достигается за счет ввода исследуемого вещества непосредственно в область ионизации. Сопряжение ионного источника с системой ввода пробы в масс-спектрометр осуществ- ляется за счет подпружиненной керамической трубки. В этом случае имеется возможность все исследуемое вещество без потерь транспортировать из интерфейса ввода пробы в область ионизации масс-спектрометра. Детектирование ионов осуществляется двойным детектором, включающим цилиндр Фарадея и вторичный электронный умножитель (ВЭУ) с непрерывным динодом. Вакуумная камера откачивалась при помощи гибридного турбомолекулярного насоса (Hipace 80 PfeifferVacuum, Германия) со скоростью откачки 67 л/с по азоту. Высоковакуумный насос поддерживался мембранным насосом (MVP 006 Pfeiffer-Vacuum, Германия). Рабочее давление при проведении анализа 8.4∙10–6 Торр. Вакуумная камера соединялась с мембранным интерфейсом фторопластовой трубкой длиной 2 м и внутренним диаметром 1.5 мм. Мембранный интерфейс представляет собой откачиваемый объем 0.008 м3, выполненный в корпусе с прижимным фланцем с отверстием площадью 1 см2. В качестве материала корпуса выбрана высокопрочная пластмасса (PEEK).

Силиконовая мембрана (polydimethylsiloxane) толщиной 75 мкм фиксируется под фланцем на титановой пластине с отверстиями диаметром 1 мм, коэффициент заполнения — 50 %. Фланец, контактирующий с кожей, имеет цилиндрический выступ высотой 10 мм, тем самым минимизирует нарушение кровотока на участке измерения по сравнению с использованным ранее [10]. Вид мембранного интерфейса показан на рис. 1. Конфигурация прибора показана на рис. 2. Вес прибора составил 19 кг, потребляемая мощность — не более 80 Вт.

Для калибровки масс-спектрометра использо-

Рис. 3. Измерение концентрации винилацетата в режиме реального времени.

Указатели на кривой — в мг/м3

Винилацетат |

Рис. 4. Графическая зависимость интенсивности ионных токов микропримеси в диапазоне 4.1–49.4 мг/м³

вался сертифицированный источник микропотока винилацетата (ООО "Мониторинг"). Измерение концентрации винилацетата проводилось в потоке азота 100–1200 мл/мин, который обеспечивался генератором газовых смесей ГГС-Т (ООО "Мониторинг"). Зависимость ионного тока от концентрации винилацетата была получена по массовому пику m/z = 86 в диапазоне концентраций от 4.1 до 49.4 мг/м3. Результаты проведенных измерений зависимости ионного тока микропримеси от ее концентрации в азоте в режиме реального времени представлены на рис. 3. На рис. 4 показана графическая зависимость интенсивности ионных токов микропримеси в диапазоне измеряемых концентраций.

Использование новой конструкции мембранного интерфейса, более тонкой мембраны и измененной фторопластовой трубки сравнительно с применяемыми ранее [10] снизило постоянную времени. Для измерения постоянной времени использовался баллон с газовой смесью N 2 95 об.% + СО 2 5 об.%. Мембранный интерфейс соединялся с баллоном трубкой 6/4 мм. Постоянная времени для СО 2 , которая определяется временем прохождения СО 2 через мембрану и капилляр, составила 20 с (рис. 5).

Рис. 6. Стабилизация ионного тока при измерении CO 2 с момента включения прибора

Рис. 5. Измерение постоянной времени для СО₂

Рис. 7. Проверка воспроизводимости результатов на примере измерения CO₂

Рис. 8. Калибровочная прямая для СО₂

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Стабильность сигнала является важной характеристикой масс-спектрометров, особенно компактных, которые будут использоваться на месте, а не стационарно в лаборатории. Для стабильности ионного тока необходимо постоянное давление в вакуумной камере. Рабочее давление при проведении анализа 8.4∙10–6 Торр достигалось в течение 10 мин после запуска вакуумных насосов и включения масс-анализатора. После чего ионный ток оказывался стабилен с относительным отклонением менее 1.5 %. Пример выхода прибора на режим работы показан на примере измерения CO2 в режиме реального времени (рис. 6).

Воспроизводимость проверялась измерением CO₂ при серии напусков двух газовых смесей: (N₂ 98 об. % + СО 2 2 об. %) и (N 2 95 об. % + СО 2 5 об. %) (рис. 7). Относительное отклонение ионного тока составило менее 1.7 % для каждой газовой смеси. По результатам измерений строилась калибровочная прямая для СО 2 (рис. 8).

Анализ чрезкожного выделения СО2 проводился в 3 точках: подбородок, левое и правое запястья. Для подтверждения воспроизводимости результатов измерения было выполнено 5 циклов

Рис. 9. Измерение выделения СО 2 с кожи в режиме реального времени

Табл. 1. Скорость выделения CO 2 для людей различного возраста на 1см² площади кожи

Возраст, лет	Подбородок, ×10–5 мл/мин	Левое запястье, ×10–5 мл/мин	Правое запястье, ×10–5 мл/мин
30–40	28.80 ± 0.51	9.23 ± 0.46	9.30 ± 0.43
45–50	30.20 ± 0.54	10.20 ± 0.46	9.74 ± 0.45
55–60	28.50 ± 0.50	10.70 ± 0.48	10.40 ± 0.49

Табл. 2. Скорость выделения CO₂ при различной нагрузке на 1см² площади кожи

Состояние Скорость выделения CO2 (×10–5 мл/мин) В спокойном состоянии 29.1 ± 0.52 Умеренная нагрузка 32.3 ± 0.57 Высокая нагрузка 70.7 ± 1.06 измерений. Разброс результатов измерений концентрации СО2 составлял не более 5 %. На рис. 9 показан пример измерения СО2 в режиме реального времени.

В табл. 1 показаны результаты выделения CO₂ для людей различного возраста на 1 см² площади кожи. На подбородке с увеличением возраста с 30 до 60 лет выделение СО 2 существенно не изменилось. На симметричных точках запястий с увеличением возраста выделения СО 2 составили 16 %.

Анализ чрезкожного выделения СО2 в спокойном состоянии и при различной физической нагрузке проводился во время педалирования вело- гонщиком на велотренажере, который имеет встроенный измеритель мощности. Мембранный узел ввода пробы крепился к подбородку. Во время умеренной нагрузки (1 Вт/кг веса тела велосипедиста) газообмен усилился на 11 %, во время тяжелой нагрузки (3.5 Вт/кг веса тела велосипедиста) газообмен усилился на 142 %. В табл. 2 показаны результаты измерений выделения CO2 на 1 см2 площади кожи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Целью разработки компактного прибора явля- ется расширение применения масс-спектрометрии в медицине и адаптация конструкции для анализа на месте в режиме реального времени. Разработка представляет собой модернизацию предшествующего прибора с лучшими характеристиками по скорости анализа, воспроизводимости, времени подготовки к работе и удобству использования.

В работе описана методика неинвазивного измерения чрезкожного выделения CO 2 в режиме реального времени на основе масс-спектрометра.

Показана воспроизводимость результатов применения методики. Представлены результаты измерения чрезкожного выделения CO 2 здоровых людей в трех точках тела в возрасте от 30 до 60 лет. У здоровых людей с увеличением возраста наблюдается усиление газообмена через кожу в районе запястий. На подбородке с увеличением возраста выделение СО 2 существенно не изменилось. Проведены измерения концентрации СО 2 , выделенного через кожу во время умеренной и тяжелой физических нагрузок. Показано, что интенсивность газообмена возрастает с увеличением нагрузки: во время тяжелой физической работы усиливается в 2.4 раза.

Газообмен через кожу резко увеличивается в трудных для организма ситуациях, приобретая практическую значимость в смысле восполнения недостаточности легочного газообмена. Предложенный метод неинвазивного мониторинга в режиме реального времени позволяет оценить состояние чрезкожного дыхания при проведении анестезии, позволит усовершенствовать экспресс-диагностику нарушений газообмена и кровообращения. Показана возможность создания прибора с широкими перспективами диагностики различных заболеваний на ранней стадии, а также для оценки влияния различных факторов окружающей среды. Данные по газообмену через кожу могут привлечь внимание производителей специальных материалов и тканей для нужд медицины и спорта.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 16-08-00537.