Визуально-колористический метод индикации аммиака в выдыхаемом воздухе и устройство для его реализации

АННОТАЦИЯ

Предлагается визуально-колористический метод индикации аммиака в выдыхаемом воздухе и устройство для его реализации. Метод заключается в сорбции аммиака на бумажном фильтре, смоченным 0,01 н. раствором серной кислоты, с последующим проявлением окрашенного пятна при нанесении на фильтр реактива Несслера. Оценка присутствия аммиака в выдыхаемом воздухе производится сравнением интенсивности окрашивания в желто-коричневый цвет пятен. Описывается устройство для проведения анализа. Конструкция устройства проста и допускает модификацию. Устройство применимо для скрининга больных с подозрением наличия у них бактерии Helicobacter pylori  с использованием «уреазного теста».

ABSTRACT

A visual-coloristic method for indicating ammonia in exhaled air and a device for its implementation are proposed. The method consists in the sorption of ammonia on a paper filter moistened with 0.01 n. sulfuric acid solution, followed by the appearance of a colored spot when applying Nesler's reagent to the filter. Assessment of the presence of ammonia in exhaled air is made by comparing the intensity of staining in the yellow-brown color of the spots. A device for analysis is described. The design of the device is simple and modifiable. The device is applicable for screening patients with suspected presence of Helicobacter pylori bacteria using the urease test.

Ключевые слова: выдыхаемый воздух, аммиак, визуально-колористический метод, уреазный тест, Helicobacter pylori.  

Keywords: exhaled air, ammonia, visual-coloristic method, urease test, Helicobacter pylori.

Введение

Газообмен живых организмов с окружающей средой, в простейшей модели которого лежит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, является главным фактором их существования и напрямую связан с их функциональным состоянием [1-4]. Присутствующие в выдохе другие легкие газы, образующиеся в организме в концентрациях 10^-4 – 10^-6 % могут служить биомаркерами [5-8].

После открытия Уорреном (J. R. Warren) и Маршаллом (B. J. Marshall) бактерии Helicobacter pylori и определения ее роли в формировании тяжелых заболеваний желудочно-кишечного тракта, исследователи стали обращать внимание на концентрацию аммиака в выдыхаемом воздухе, изменяющуюся в ходе проведения, так называемого, уреазно-дыхательного теста [9-11].  Метод основан на специфической способности фермента уреазы H. Рylori разлагать мочевину на углекислый газ и аммиак.

То есть, и аммиак, и диоксид углерода могут служить биомаркерами для обнаружения H. Pylori [12]. Однако диоксид углерода, наряду с азотом, является макрокомпонентом выдыхаемого воздуха, так как является проявлением газообмена живых организмов с окружающей средой [2,4]. Поэтому в медицинской диагностике H. Pylori возможно использование различных подходов, например, масс-спектрометрический и фотоколориметрический. Первый - основан на измерении изотопа С¹³ в выдохе диоксида углерода после приема пациентом 1% раствора мочевины, меченной изотопом С¹³ [2, 13-15] , второй – на сравнении длины окрашенного участка индикаторной трубки, заполненной специальным сорбентом, до и после мочевинной нагрузки [9]. Как видно, каждый из предлагаемых методов базируется на специфическом оборудовании, требующих определенной квалификации лаборанта.

Целью настоящей статьи является описание предлагаемого нами упрощенного варианта уреазно-дыхательного теста и устройства для визуально-колористической индикации аммиака в выдыхаемом воздухе.

Материалы и методы

В работе были использованы недефицитные реактивы и оборудование.

Раствор 0,01 н. серной кислоты готовили из соответствующих фиксаналов, с последующим разведением дистиллированной водой, не содержащей следов NH₄⁺ - ионов. Реактив Несслера готовили в соответствии с пунктом п.4.134 ГОСТа 4517-2016 [16] и хранили в склянке из темного стекла.

В качестве сорбента-носителя использовали диски из фильтровальной бумаги «синяя лента». Анализируемый воздух собирали в эластичную емкость, для чего использовали неокрашенный воздушный шар. В ходе эксперимента отрабатывали оптимальный режим забора выдыхаемого воздуха.  Объем выдыхаемого воздуха, пропущенного через измерительное устройство, определяли с помощью газового счетчика барабанного типа ГСБ-400. Поправку на объем анализируемого газа проводили с учетом температуры окружающей среды и атмосферного давления.

Результаты и обсуждение

«Уреазный тест» основан на специфическом действии фермента уреазы, продуцируемой бактерией Helicobacter pylori

CO(NH₂)₂ + H₂O  2NH₃ + CO₂

Аммиак относится к щелочным газам, в то время как диоксид углерода – к кислотным. Поэтому прямое измерение аммиака с помощью ХЕЛИК-тест, использующего в качестве окрашивания сорбента индикаторной трубки кислотно-щелочной индикатор – бромтимоловый синий, может привносить значительную ошибку.

В этом случае наиболее предпочтительным является разделение аммиака и диоксида углерода, путем поглощения последнего кристаллическим едким кали. Контакт газообразного аммиака с фильтром, увлажненным 0,01 н. H₂SO₄ приводит к образованию сульфата аммония.

На рисунке 1 приводится схема измерительного устройства.

Рисунок 1. Схема устройства для выполнения анализа.

1-эластичная емкость, заполненная выдыхаемым воздухом; 2- кран регулировки скорости подачи выдыхаемого воздуха; 3- клапан ввода калибровочного аммоний содержащего раствора; 4 – патрон с КОН; 5- мембрана - фильтр, смоченный 0,01 н. H₂SO₄; 6 – газовый счетчик барабанного типа ГСБ-400.

Принцип действия заключается в следующем: мембрана (5) диаметром 10 мм из плотной фильтровальной бумаги, смоченной 0,01 н. H₂SO₄, плотно зажимается между двумя трубками, первая из которых – входная, содержит патрон (4) с кристаллическим КОН и соединена с эластичной емкостью (1), объемом ~ 2,5 - 3,0 л с образцом выдыхаемого воздуха, а вторая - выходная – с газовым счетчиком (6) барабанного типа ГСБ-400. Скорость подачи (не более 200 мл/мин) регулируется краном (2).

После завершения измерений отмечают объем газа, извлекают мембрану-фильтр и наносят на нее каплю реактива Несслера. Испытания проводят дважды: до и после мочевинной нагрузки.

Визуальное изменение интенсивности окрашивания мембраны после мочевинной нагрузки свидетельствует о потенциальном наличии H. Pylori.

Выводы

Предложены и апробированы в лабораторных условиях визуально-колористический метод индикации аммиака в выдыхаемом воздухе пациентов с кишечно-желудочными заболеваниями и устройство для его реализации.

Конструкция устройства проста и допускает модификацию, а, учитывая то, что для медицинского неинвазивного скрининга достаточно лишь доказательство присутствия H. Pylori, значительно облегчает проведение такой диагностики.

Список литературы:
1. Лукаш С.Л. Проблемы диагностики некоторых заболеваний по выдыхаемому воздуху // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 - С.62-70.
2. Степанов Е.В. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Труды института общей физики им. А.М. Прохорова. - 2005. т.61. - С.5-47.
3. Сидоренко Г.И. , Колядько М.Г., Золотухина С.Ф. Неинвазивные методы диагностики по конденсату выдыхаемого воздуха и их значение на примере определения холестерина // Международный медицинский журнал. - 2009. - №1.- С.31-35.
4. Raimkulova C.A., Aronbaev S.D., Vasina S.M., Aronbaev D.M. Exhaled air as an object of studying the functional state of the organism // The Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, 2020- №1-2. – P.47-51.
5. Биомаркеры и оценка риска. концепция и принципы. - Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1996.
6. Букреева Е.Б., Буланова А.А., Кистенев Ю.В. Возможности применения газоанализа выдыхаемого воздуха при бронхолегочных заболеваниях // Бюллетень сибирской медицины. - 2014 г. - т. 13, № 5. - С.122-129
7. Копылов Ф.Ю. Перспективы диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха // Клиническая медицина. -2013. -№ 10. -С. 16-21.
8. Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Рыжаков Н.И., Коган В.Т., Козленок А.В., Рассадина А.А. Метод высокочувствительной неинвазивной диагностики функционального состояния организма // Вестник новых медицинских технологий. Электронный журнал - 2013 - № 1 / htpp: https://cyberleninka.ru. Дата обращения: 19.06.2020.
9. Бардин Д.С., Эмбутниекс Ю. В., Хомерики С.Г., Войнован И. Н. Методы диагностики инфекции Helicobacter pylori. Методические рекомендации. - М.: ГБУЗ «Московский клинический научно-практический центр им. А.С. Логинова», 2019. - 36 с.
10. Корниенко Е.А., Милейко В.Е., Самокиш В.А. я доктор Неинвазивные методы диагностики инфекции, вызванной Helicobacter pylori. // Педиатрия, 1999, №1. - С.37-4.1
11. Гришина М.Е., Баженова И.И., Володина О.А., Корнопелева Л.С., Пашкова Н.В., Пиняева Е.Г., Чернова А.А. Новый метод выявления хеликобактера пилори у детей // Российский педиатрический журнал 1998.-№ 5.-С.65-67
12. Патент 2184781 РФ. Способ диагностики хеликобактериоза по оценке уреазной активности биологического материала и устройства для его существования / Дмитриенко М.А., Корниенко Е.А., Милейко В.Е. - №97117123; Заявл..30.09.97; Опубл. 10.07.2002. Бюл. 19 - С.494.
13. Плавник Р. Г., Невмержицкий В. И., Буторова Л. И., Плавник Т. Е. Сравнительная оценка масс-спектрометрии и инфракрасной спектрометрии при проведении 13С-уреазного дыхательного теста на Helicobacter pylori // Клиническая медицина.- 2015.-т. 93 (9). -С. 42-45.
14. Степанов Е.В., Касоев С.Г. Многокомпонентный анализ биомаркеров в выдыхаемом методе диодной лазерной спектроскопии // Оптика и спектроскопия - 2019, том 126, вып. 6. - С. 810-819.
15. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А., Черняева М.Б. Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика // Успехи физических наук. - 2014.-т.184.№7.- С.739-758.
16. ГОСТ 4517-2016 Реактивы. Методы приготовления вспомогательных реактивов и растворов, применяемых при анализе. - М.: Стандартинформ, 2019.