СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВВОДА ПРОБЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УРЕАЗНОГО ДЫХАТЕЛЬНОГО ТЕСТА НА МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ HELICOMASS

Масс-спектрометрическое измерение изотопных отношений в газовой фазе с использованием электронной ионизации предполагает необходимость подачи пробы в высокий вакуум аналитической камеры прибора. Обычно проба подается из области атмосферного давления, где она создается или генерируется тем или иным способом [1]. В зависимости от химического состава пробы, ее разнообразия и физико-химических свойств используется большое количество технических решений [2].

Несмотря на указанные различия, имеется ряд общих характеристик, присущих всем системам ввода пробы, применяемым для изотопного анализа. Во-первых, проба должна подаваться так, чтобы не перегрузить систему высоковакуумной откачки; во-вторых, она должна подаваться в количестве, достаточном для точностных измерений; в-третьих, изотопные дискриминации при пробопо-даче должны мыть минимизированы или, по крайней мере, постоянны; и в-четвертых, должна иметься возможность попеременной подачи пробы и изотопного стандарта желательно через один и тот же канал с минимальной памятью прибора. Концентрация углекислого газа в изотопном стандарте примерно равна концентрации углекислого газа в выдохе. В-пятых, система ввода пробы должна поддерживать в рабочем состоянии изотопный масс-спектрометр в нерабочее время.

Именно наличие специализированной системы ввода пробы превращает стандартный изотопный масс-спектрометр в прибор медицинского назначения, а корректность работы системы и алгорит- ма ее использования являются важнейшими характеристиками масс-спектрометра, обеспечивающими как саму возможность его медицинского использования, так и показатели назначения.

Целью настоящей работы является описание специализированной системы ввода пробы, созданной нами для масс-спектрометра Helicomass производства компании MS-Bio, и результатов тестирования ее работы. Сам масс-спектрометр описан в работах [4, 5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Система напуска является самостоятельным узлом прибора, интегрированным в его конструкцию и располагающимся в непосредственной близости от его вакуумно-аналитической части и связанным с ней пробоподающей трубкой. Она обеспечивает следующие функции:

• 1.    Забор пробы из специальной пробирки, куда помещается выдох пациента. Проведение пробы через сменный осушающий фильтр с силикагелем.

• 2.    Подачу пробы в ионный источник через специальный коммутирующий клапан с учетом перепада давлений в 9 порядков и обеспечения ее подачи в течение времени измерения.

• 3.    После завершения цикла измерения очистку всех коммутационных патрубков и клапанов от пробы и подачу в прибор дозированного количества газа-эталона из баллона для автокалибровки прибора.

• 4.    После завершения цикла автокалибровки очистку всех коммутационных патрубков и клапанов от эталона и подготовку системы к забору новой пробы.

Все процессы транспортировки пробы и эталона должны проводиться в режимах, обеспечивающих минимально возможные изотопные дискриминации. Система ввода пробы должна работать в автоматическом режиме под управлением специального программно-аппаратного блока. Подача пробирки с пробой осуществляется в ручном режиме. В режиме настройки система должна иметь возможность ручного управления всеми клапанами и устройствами узла напуска.

Поскольку при реализации изотопного дыхательного теста работа идет с нетоксичными и неагрессивными газами — выдохом человека, в приборе используется открытая система ввода пробы с удалением остатков пробы и эталона в атмосферу.

Дополнительные экономические требования состоят в необходимости использования по возможности ненастраиваемых узлов, которые не могут быть выведены из строя неквалифицированным пользовательским обслуживанием.

ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Нами использован подход, основанный на прямом вводе получаемой пробы в вакуум без какого-либо обогащения и без использования специального газа-носителя. Это возможно, т.к. абсолютное количество углекислого газа в выдохе человека варьирует не более чем в 1.5–2 раза от пациента к пациенту.

Структурная схема системы ввода пробы показана на рис. 1. Она представляет собой металлический манифолд (9) с шестью входами, соединенными каналами диаметром 1 мм. Шесть каналов закрыты электромагнитными клапанами с проходным диаметром 2 мм, управление которыми осуществляется с ЦАПов платы (National Instruments) по специальному алгоритму. По каналу (F) подключен высоковакуумный натекатель, канал (B) заглушен и является резервным.

К каналу (A) подключена пробозаборная игла, с помощью которой забирается проба из пробирки 10 мл, закрытой крышкой из мягкой резины. Также после иглы может располагаться сменный фильтр, наполненный силикагелем и позволяющий осушать пробу. В момент начала измерения, в манифолде создается вакуум, и проба втягивается в систему, поступая на вход высоковакуумного натекателя, а через него — в камеру ионизации источника ионов.

В качестве высоковакуумного натекателя используется "натекатель Мамырина", работающий на принципе пережатия нержавеющего капилляра. Натекатель обладает очень высокой устойчивостью, обеспечивая работу без подстройки в течение десятков лет. С его помощью легко получается перепад давлений в 9 порядков между аналитической камерой масс-спектрометра и манифолдом. Натекатель обладает ручным управлением и настраивается однократно при юстировке прибора.

К третьему входу (канал С на рис. 1) манифол-да через электромагнитный клапан подключена магистраль для форвакуумной откачки, которая состоит из форвакуумного насоса, форвакуумного датчика и баллона. Откачка бака осуществляется мембранным насосом компании Pfeiffer MVP 003-2 до давления 2 Торр и позволяет поддерживать необходимое давление в системе ввода пробы при измерениях и в неработающем состоянии. По каналу E (на рис. 1) подсоединяется магистраль, поставляющая в систему изотопный стандарт, которым является смесь 4% CO 2 с 96% азота. Масс-спектрометр был откалиброван по отношению к международному стандарту PDB путем измерений изотопного состава стандарта, используемого в наших экспериментах, на масс-спектрометре "DELTA+" компании Thermo Scientific. Изотопное

Рис. 1. Вакуумная схема системы ввода пробы.

Пробоотборная игла со сменным осушающим фильтром из силикагеля — 1; нормально закрытый электромагнитный клапан — 2; форвакуумный баллон 5 л — 3; форвакуумный насос Pfeiffer MVP 003-2 — 4; форвакуумный датчик МТ-6 — 5; редуктор-лягушка — 6; баллон с азотом — 7; баллон с изотопным стандартом — 8; коммутационный корпус-манифолд — 9; натекатель Мамырина для подачи пробы в камеру ионизации — 10; масс-спектрометр Helicomass — 11; канал для подачи пробы — A; запасной канал (заглушен) — B; канал форвакуумной откачки — C; канал подачи азота — D; канал для подачи эталона — E; канал к масс-спектрометру Helicomass — F

отношение используемого нами лабораторного стандарта ¹³С/¹²С составило 48.2 ⁰/ 00 , а точность калибровки составляла 0.1 ⁰/ 00 . Газ подается через редуктор-лягушку с избыточным давлением 1.1 атм. По каналу D (на рис. 1) тоже через электромагнитный клапан подсоединяется магистраль с чистым азотом для продувки системы. Газ также подается через редуктор-лягушку с избыточным давлением порядка 1.1 атм.

АЛГОРИТМ ПОДГОТОВКИ К ПОДАЧЕ ПРОБЫ ИЛИ ЭТАЛОНА

Для обеспечения отсутствия памяти прибора используется многоходовой алгоритм очистки системы ввода. Обычной откачки недостаточно, т.к. после нее в манифолде остается проба или эталон в концетрации примерно 1% от исходной, что может существенно исказить результаты измерений. Методика реализации теста предполагает последовательность измерений "проба – эталон" или при точных измерениях "проба – проба – эталон", что необходимо для обеспечения точности с учетом возможных дрейфов аппаратуры.

Алгоритм очистки работает следующим образом. После отсоединения пробозаборной пробирки манифолд продувается сжатым сухим азотом в течение 30 с, и продукты продувки выдуваются наружу через пробозаборную иглу. Затем проводится откачка до давления 10–2 Торр в течение 60 с, затем снова продувка и снова откачка, после чего система готова к следующему измерению. Время одного цикла "очистка - измерение" составляет 7 мин. Тестирование показало, что после такой очистки "память" прибора не превышает 0.05% по изотопу 13С.

ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НАПУСКА

Тестирование системы ввода пробы проводилось с целью определения временнóго диапазона переходных процессов. В режиме измерения давление в аналитической камере масс-спектрометра составляет 3·10–6 Торр. Исходя из газовых проводимостей, можно оценить, что давление в подводящем капилляре с диаметром 1 мм составит примерно 10–2–10–3 Торр. Даже при давлении 10–2 Торр длина свободного пробега для нейтрального газа

Рис. 2. Изменения сигнала изотопа ¹²С (а) и изотопного отношения ¹³С/¹²С (б) при напуске выдоха человека через систему ввода пробы масс-спектрометра Helicomass

б

Рис. 3. Запись сигнала на массе 44 (12С) при 4 последовательных циклах очистки (продув азотом в течение 30 с и откачка форвакуумным насосом) системы ввода пробы от выдоха человека составляет порядка 5 мм, т.е. в капилляре на всей его длине реализуется высоковакуумный молекулярный режим натекания. В этой ситуации на начальном этапе проба будет обогащена легким изотопом из-за разности в средних скоростях молекулярного движения. Кроме того, в момент подачи газа на выходе натекателя формируется струя Джоуля – Томсона, способная сильно понизить локальную температуру газа. Все это создает потенциальные источники изотопных дискриминаций, совокупное воздействие которых является нерасчетным.

На рис. 2 представлены изменения интенсивности сигнала на массе 44 (кривая а) и отношения сигналов на массах 45/44 во время напуска пробы (кривая б). На кривой рис. 2, а, показано изменение интенсивности сигнала изотопа 12С после момента подачи пробы. Видно, что кривая имеет широкий максимум ориентировочно при t = 50 с, но при t > 120 с выходит на плато и остается на нем с точностью не хуже 1%. Интересна кривая рис. 2, б, показывающая измеренное отношение сигналов с массовыми числами 44 и 45, которое является изотопным отношением 12С/13С. Как видно, это отношение тоже сугубо немонотонно в начале напуска, но к 30-й секунде также выходит на плато. Точность этого плато соответствует примерно 0.1%, что и требуется для реализации целевых показателей прибора.

На рис. 3 представлено последовательное изменение интенсивности сигнала на массовом числе 44 на разных стадиях реализации алгоритма очистки системы ввода пробы. При t = 0 представлена интенсивность сигнала, соответствующая выдоху человека. Затем включается откачка, которая приводит к падению сигнала примерно в 10 раз. На следующем шаге при t = 50–70 производится продув системы: при этом интенсивность паразитного сигнала растет, т.к. входящий азот сдувает загрязнения со стенок манифолда. Затем снова включается откачка, понижающая сигнал еще примерно в 10 раз, и проводится еще один продув, а после этого еще 2 таких цикла. Видно, что уже после второго цикла интенсивность паразитного сигнала падает более чем в 20 раз, что достаточно для достижения целевой точности. Именно такой режим очистки и внесен в рабочий алгоритм, реализуемый программно.