химический сенсор для определения пропанона-2 в воздухе, устройство для определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе и способ диагностики гиперкетонемии

Формула изобретения

1. Химический сенсор для определения пропанона-2 в воздухе, содержащий чувствительную поверхность, связанную с физико-химическим преобразователем, отличающийся тем, что в качестве чувствительной поверхности используют фторсодержащий сополимер в виде поливинилиденфторидгексафторпропилена, а в качестве преобразователя пьезоэлектрический резонатор АТ-среза с частотой колебаний 20 МГц, при этом масса чувствительной поверхности на электродах пьезоэлектрического резонатора составляет 50 100 мкг, а объем реакционной ячейки 0,4 см³.

2. Устройство для анализа выдыхаемого воздуха, содержащее связанные между собой воздухозаборник, химический сенсор и регистратор, отличающееся тем, что в качестве химического сенсора используют химический сенсор по п.1.

3. Способ диагностики гиперкетонемии, включающий определение содержания пропанона-2 в продуктах жизнедеятельности, отличающийся тем, что пропанон-2 определяют в выдыхаемом воздухе с использованием устройства по п.2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе, в химическом производстве органических соединений, для мониторинга газовых сред.

Известны каталитические, электрохимические, массметрические, химические сенсоры для определения органических веществ, в том числе кетонов в воздухе, основанные на способах каталитического окисления на чувствительной поверхности -ЧП, измерении проводимости ЧП, на микровзвешивании сорбированного ЧП анализируемого компонента. Основными недостатками химических сенсоров с чувствительными покрытиями является низкая селективность обнаружения, невысокая чувствительность и точность проводимых анализов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению подходит химический сенсор ОХС массметрического типа с чувствительным покрытием на основе Carbowax-20M (полиоксиэтиленгликоль-прототип) [1] Недостатком химического сенсора прототипа является низкая чувствительность к определяемым кетонам (например: чувствительность определения пропанона-2 280 кг/м ), влияние на результаты анализов паров воды, оксидов серы, азота, хлорпроизводных органических веществ, неспособность определения пропанона-2 в составе выдыхаемого человеком воздуха, невысокая точность и низкая селективность проводимых анализов.

Известно устройство для измерения напряжения углекислого газа в биологических средах и газах, содержащие резервуар с раствором щелочи, регулятор количества раствора и регистрирующий прибор (SU,авторское свидетельство N 270337, G 01 N 33/48, 1969).

Однако известное устройство не пригодно для анализа ацетона в выдыхаемом воздухе.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к изобретению является устройство для анализа выдыхаемого воздуха, содержащее связанные между собой химический сенсор, воздухозаборник и регистратор [2]

Недостатком известного устройства является низкая точность определения ацетона в составе выдыхаемого воздуха.

Известны способы диагностики кетоанемии (КА), основанные на полуколичественном определении кетоновых тел (КТ) в крови и моче больного сахарным диабетом (СД). В частности существует метод диагностики КА, основанный на взаимодействии озона с двойными связями органического соединения в эквимолекулярных соотношениях. Расход озона на химическую реакцию регистрируется спектрофотометрически. Количество озона, прореагировавшего с двойными связями липидной фракции плазмы крови, экстрагированный по упрощенному методу Фолька, является мерой ее ненасыщенности. Однако данный метод сложен в реализации, требует специального оборудования, связан с нанесением микротравмы при проведении забора крови и не решает главной проблемы селективного определения пропанона-2 в составе крови, вследствие чего он не нашел широкого применения в клинической практике.

В настоящее время применяются способы диагностики кетоацидоза под названием "проба Ланге" и "проба Легаля" прототип [3]

Недостатками методов являются необходимость забора мочи для анализа, использование лабораторного оборудования, реактивов; невозможность количественного определения пропанона-2 в моче больного для оценки эффективности проводимого лечения; большое (15-60 мин и более) время анализа; сравнительно высокая стоимость анализа (один анализ 3$), что снижает ценность данных методов.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности определения пропанона-2.

Сущность изобретения заключается в достижении упомянутого технического результата химическим сенсором для определения пропанона-2 в воздухе, содержащим чувствительную поверхность, связанную с физико-химическим преобразователем, при этом в качестве чувствительной поверхности используют фторсодержащий сополимер поливинилиденфторидагексафторпропилен, а в качестве физико-химического преобразователя пьезоэлектрический резонатор АТ-среза с частотой колебаний 20 МГц, причем масса чувствительной поверхности на электродах составляет 50-100 мкг, а объем реакционной ячейки 0,4 см³; устройством для определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе, содержащим связанные между собой воздухозаборник, химический сенсор и электрический блок, при этом в качестве химического сенсора используют сенсор, описанный выше: способом диагностики гиперкетонемии, включающим определение пропанона-2 в продуктах жизнедеятельности, при этом пропанон-2 определяют в выдыхаемом воздухе с использованием устройства, описанного выше.

Подбор вышеописанных характеристик химического сенсора (ХС) был произведен по следующей методике.

Для анализа выдыхаемого воздуха ЧП ХС должно характеризоваться следующими свойствами: пассивным отношением к высокой (до 100%) влажности анализируемой пробы, инертным, на уровне физической и химической сорбции, отношением к аммиаку и аминам, оксидам серы, азота, углерода, спиртам, хлорорганическим соединениям ряда метана, меркаптанам, предельным углеводородам, парам соляной кислоты. Активно и обратимо сорбировать пропанон-2 с температурой стабильностью в интервале 15-40^oС.

Для демонстрации методики выбора ЧП и физико-химического преобразователя ХС, удовлетворяющих в сочетании перечисленным требованиям, рассмотрим примеры.

Пример 1. На электроды пьезоэлектрического преобразователя АТ-среза (ПР) с частотой колебаний 5 МГц нанесли в качестве ЧП из раствора полиоксиэтиленгликоля (Carbowax-20M) в хлороформе при концентрации 5 г/л на электроды 50 мкг, из однопроцентных растворов в ацетоне на электроды ПР по 50 мкг сополимеров политетрафторэтиленвиниленфторид, политрифторхлорэтиленвинилиденфторид, поливинилиденфторидгексафторпропилен, поливинилиденфторид, поливинилиденфторидтрифторхлорэтилен. ХС помещали в газодинамическую установку "Вихрь" (ТУ 561.370-65) и испытывали при параметрах парогазовой смеси (ПГС):

а) влажность 2-98% температура 20^oС, расход 1 л/мин;

б) влажность 98% температура 20^oС, расход 1 л/мин c_{пропанона-2} 300 мг/м³.

Результаты испытаний представлены в табл.1.

На основании анализа данных, представленных в табл.1, инертным к изменению влажности и наиболее чувствительным к парам пропанона-2 в составе анализируемой ПГС, является ХС с ЧП на основе поливинилиденфторидгексаторпропилена. В последующих примерах в качестве ЧП будет применяться поливинилиденфторидгексафторпропилен.

Пример 2. Для оптимизации массы ЧП на основе поливинилиденфторидгексафторпропилена нанесли на электроды ЧП частотой колебаний 5 МГц соответственно 10, 20, 50, 100, 150 мкг ЧП. Выбор массы ЧП проводили на основе результатов анализа ПГС:

а) при изменении влажности от 2 до 98%

б) при влажности 98% концентрации пропанона-2 в анализируемом воздухе 300 мг/м³.

Параметры ПГС для проведения эксперимента: расход ПГС 1 л/мин, температура 20^oС. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

На основании анализа данных, представленных в табл.2, целесообразно на электроды ПР наносить ЧП на основе поливинилиденфторидгексафторпропилена в количестве 50-100 мкг.

Пример 3. На основе проведенных исследований для ранней диагностики гиперкетонемии, чувствительность определения пропанона-2 в воздухе должна соответствовать значениям от 10 мг/м³. С целью выбора частоты колебаний ПР для определения названной чувствительности определения в воздухе пропанона-2 провели испытания ХС с ЧП на основе поливинилиденфторидгексафторпропилена при частотах колебаний пьезоэлектрических резонаторов соответственно 5, 10 и 20 МГц. Условия проведения анализа: влажность 2% температура 20^oС, расход ПГС 1 л/мин; c_{пропанона-2} 300 мг/м³.

Результаты испытаний представлены в табл.3.

На основании проведенных экспериментов выбран для изготовления ХС ПР с частотой колебаний 20 МГц. Для определения параметров ПГС и методики проведения анализа выдыхаемого воздуха выбраны ХС на основе ПР с частотой колебаний 20 МГц и ЧП типа поливинилиденфторидгексафторпропилен массой 50-100 мкг.

При анализе ПГС, которая подается в реакционную ячейку с различными расходами, изменение частоты колебаний ПР с нанесенным ЧП происходит по разным законам, а именно: при анализе ПГС с влажностью 2-98% частота колебаний изменяется прямо пропорционально расходу; при анализе ПГС с влажностью 2 и 98% в в присутствии пропанона-2 в концентрации 300 мг/м³ F является величиной постоянной.

С целью выбора оптимальной величины расхода ПГС проведены исследования по схеме: влажность ПГС 2-98% расход 100, 50, 30, 20, 10, 5 мл/мин; влажность ПГС 2 и 98% расход 100, 50, 30, 20, 10, 5 мл/мин, c_{пропанона-2} 300 мг/м³.

Результаты испытаний представлены в табл.4.

На основании анализа данных, представленных в табл. 4, оптимальным расходом анализируемой ПГС, при котором F имеет постоянное значение, является расход, равный 4020 мл/мин.

Последующие испытания ХС проводились при расходе анализируемой ПГС 40 мл/мин.

Результаты испытаний ХС (химического сенсора) на селективное определение пропанона-2 в воздухе представлены в табл.5. Из анализа данных, представленных в табл.5, следует, что ХС с ЧП на основе поливинилиденфторидгексафторпропилена способны обеспечить селективное обнаружение пропанона-2 в составе анализируемой ПГС на фоне примесей, приведенных в таблице, что невозможно в случае проведения анализа ХС прототипом.

С целью определения реакции ХС при анализе выдыхаемого воздуха провели исследование 30 проб воздуха, взятых у практически здоровых людей.

Результаты исследований представлены в табл.6.

Из анализа результатов, представленных в табл.6, следует, что ХС реагирует на компонентный состав выдыхаемого воздуха практически здорового человека. Отклонение характеристики ХС в интервале от 10 до 12 относительных единиц и не превышает 12 единиц. Величину, равную 12 единицам, приняли за характеристику пробы, взятую у практически здоровых людей.

С целью определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе провели исследования проб воздуха, взятых у больных сахарным диабетом с кетонурией.

Результаты исследований представлены в табл.7.

Из анализа результатов, представленных в табл.7, следует, что с помощью ХС определение пропанона-2 в выдыхаемом воздухе у больных СД с кетонурией в интервале концентраций 10-300 мг/м³ за время не более 30 с.

Для ХС при различных концентрациях пропанона-2 в анализируемом воздухе время сорбции не превышает 30 с (интервал концентраций 10-300 мг/м³), время десорбции (последействия) возрастает в 10-50 раз с увеличением концентрации пропанона-2 по сравнению с временем сорбции (быстродействием). Для уменьшения времени последействия до 30 с необходимо увеличить расход чистого воздуха в период десорбции.

С целью оптимизации расхода воздуха в период десорбции, равного 30 с, провели исследования, при которых расход в период последействия изменяли в интервале от 0,1 до 10 л/мин.

Результаты исследований представлены в табл.8.

На основании анализа данных, представленных в табл.8, оптимальный расход "чистого" воздуха в период десорбции равен не менее 5 л/мин.

Объем ячейки, в которой находится ХС, влияет на время проведения анализа (быстродействие) и последействия.

С целью оптимизации объема провели испытания реакционных ячеек, характеризующихся объемом 3, 2, 1, 0,4 см³; направление потока анализируемой ПГС характеризуется углами, которые равны 0 и 90^o к плоскости ПР и выдерживаются одинаковыми во всех экспериментах.

Результаты исследований представлены в табл.9.

Из анализа данных, представленных в табл.9, следует,что объем реакционной ячейки, при котором обеспечивается минимальное быстродействие и последействие, достигается при V 0,4 cм³.

Для количественного определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе необходимо выбрать метод оценки концентрации определяемого компонента.

Для этих целей провели анализ форм кривых, описывающих зависимость F при концентрации пропанона-2 в составе ПГС равными соответственно 10,20,50,100,250, 300 мг/м³.

Результаты исследований представлены в табл.10.

На основании анализа данных, представленных в табл.10, определение концентрации пропанона-2 предлагается оценивать по абсолютному значению величины F, потому что характеристика F/t изменяется нелинейно при изменении концентрации пропанона-2, что затрудняет оценку концентрации и толкование результатов анализа для диагностики состояния человека.

В результате проведенных исследований выбрали в качестве ЧП ХС - фторсодержащий сополимер поливинилиденфторидгексафторпропилен, в качестве физико-химического преобразователя пьезоэлектрический резонатор с частотой колебаний 20 МГц. Масса ЧП, наносимого на электроды ПР 50-100 мкг, расход ПГС при сорбции 40 мл/мин, при десорбции 5 л/мин, объем реакционной ячейки 0,4 см³. Оценку концентрации пропанона-2 в анализируемом воздухе проводить по абсолютному значению величины F..

В настоящее время не решены вопросы ранней диагностики нарушений обмена веществ, сопровождающихся повышением содержания в крови кетоновых тел (КТ): бета-оксимасляной, ацетоуксусной кислот, пропанона-2, а также оценки эффективности проводимого по этому поводу лечения. Одним из тяжелых осложнений сахарного диабета (СД) является кетоацидотическая кома (КК), которая наблюдается у 1-6% больных, госпитализированных по поводу этого заболевания. СД в экономически развитых странах страдает от 3 до 8% населения, КК развивается постепенно, в период от 12-24 ч до нескольких суток. Различают несколько стадий ее развития кетоацидоз кетоацидотическое состояние (легкое, выраженное, тяжелое) кетоацидотическая кома. При почечной глюкозурии, глюкогенозах, тяжелых интоксикациях, инфекционных заболеваниях, травмах черепа, тяжелом послеоперационном периоде, особенно у детей, вследствие нарушения обмена веществ, нередко развивается кетонемия, что осложняет течение основного заболевания. Повышение содержания кетоновых тел в крови (в норме содержание КТ в сыворотке крови 0,2-2,5 мг/% по пропанону-2, при КК возрастает до 1000 мг/% ) сопровождается выделением их почками и легкими, причем в выдыхаемом воздухе пропанон-2 повышается раньше,чем в моче. Следствием кетононемии является нереспираторный ацидоз и резкое угнетение деятельности центральной нервной системы. Токсическое влияние КТ на организм зависит не только от выраженной кетонемии, но и от ее деятельности, поэтому очень важна диагностика кетоацидоза на ранних стадиях его развития для предупреждения КК.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен химический сенсор, включающий кристалл пьезоэлектрического резонатора (ПР) 1, электроды пьезоэлектрического резонатора 2, чувствительное покрытие (ЧП) 3, пружины 4, площадку для крепления (ПР) 5.

На фиг. 2 изображено устройство для определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе.

Устройство включает химический сенсор 1, газовый тракт 2, состоящий из мягкой емкости для забора пробы 3, запорного крана 4, входного штуцера 5, противоаэрозольного фильтра 6, реакционной камеры-ячейки для химического сенсора 7, электронного измерителя расхода 8, электромагнитного клапана 9, механического измерителя расхода 10, поглотительного патрона 11, штуцера 12 сброса, побудителя 13 расхода воздуха, регулятора 14 питающего напряжения побудителя расхода воздуха, источника 15 питания, интерфейса ввода-вывода 16 и ЭВМ 17.

Устройство работает следующим образом. Устройство включают через источник питания 15 в электрическую сеть и прогревают в течение 15 мин. Затем в мягкую емкость для забора пробы 3, изготовленную из синтетической пленки высокой плотности объемом 0,5 л, пациентом выдыхается воздух. Мягкую емкость 3 подсоединяют через запорный кран 4 к входному штуцеру 5 на 30 с, а затем его отсоединяют. Проба воздуха последовательно проходит через противоаэрозольный фильтр 6, камеру-ячейку 7 с химическим сенсором 1, электронный измеритель расхода 8, электромагнитный клапан 9, механический измеритель 10 расхода, поглотительный патрон 11 и сбрасывается через штуцер 12 сброса в атмосферу.

Результаты анализа считываются с экрана монитора ЭВМ 17.

Пример 1. Метод диагностики по прототипу (проба Легаля). У больного СД отбирается проба мочи. К моче в количестве 4 мл, помещенной в пробирку, прибавляют 10-12 капель свежеприготовленного 5%-ного нитропруссида натрия и 0,5-1,0 мл концентрированной уксусной кислоты. По истечении 3 мин на границе раздела жидкостей при отрицательной пробе окраска исчезает креатининовые комплексы распадаются, при положительной появляется вишнево-красное кольцо. Цвет последнего сравнивается по колориметрической шкале с этанолом. По интенсивности окраски кольца и быстроте возникновения ориентировочно судят о выраженности ацетонурии.

Предлагаемый метод.

Больной СД выдыхает воздух в мягкую емкость для отбора пробы, которая присоединяется к устройству сенсорного типа для определения пропанона-2 в выдыхаемом воздухе. Через 30 м концентрация пропанона-2 прописывается на экране монитора ЭВМ.

В табл. 11 приведена сравнительная характеристика метода-прототипа и заявляемого метода для определения пропанона-2 в моче и в выдыхаемом воздухе.

Пример 2. У больного П, с впервые выявленным СД 1 типа, при поступлении в стационар методами клинического и лабораторного анализов (аналог) диагностировано кетоацидотическое состояние средней степени тяжести (предкома). При исследовании мочи выявлена глюкозурия и резко положительная реакция на пропанон-2 (++++). Больному было назначено комплексное лечение, включающее дробное введение простого инсулина каждые 2-4 ч в течение 5-7 сут (при контроле за уровнем сахара в крови), на фоне которого определяли содержание пропанола-2 в составе выдыхаемого воздуха каждые 2 ч, в моче каждые 4 ч, оценивали состояние больного. Результаты проведенных исследований представлены в табл.12.

На основании анализа данных, представленных в табл.12, следует, что на фоне проводимого лечения концентрация пропанона-2 в выдыхаемом воздухе снижается через 8 ч до уровня 260 мг/м³; концентрация пропанона-2 в моче не изменяется через 2, 4, 6, 8 ч (++++). Исследование ацетонурии по методупрототипу не позволяет выявить динамику течения кетонемии в ранние сроки при повторных исследованиях. Предлагаемый метод позволяет оценивать динамику кетонемии в ранние сроки на фоне лечения, что дает возможность оценить эффективность проводимой терапии.

На основании полученных результатов исследований можно сделать вывод о том, что разработанный метод определения пропанон-2 в выдыхаемом воздухе позволяет диагностировать у больных СД (и при других заболеваниях) кетонемию в короткие сроки, на ранних стадиях развития, когда для купирования ее потребуются небольшие материальные затраты, а также оценивать эффективность лечения у больного КС, КК и прогнозировать исход этих осложнений.