РАЗРАБОТКА ПОДХОДА ПО ОСУШЕНИЮ ПРОБЫ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ЧЕЛОВЕКА

В настоящий момент 6 % людей от всего населения планеты больны сахарным диабетом обоих типов, а 4 % – бронхиальной астмой. Прогнозируется, что количество людей с этими заболеваниями будет расти с каждым годом. Большой процент от всех страдающих вышеупомянутыми заболеваниями – дети. Актуальной задачей является разработка неинвазивного метода диагностирования диабета первого и второго типов, астмы и других болезней. Разработан подход для подготовки проб выдыхаемого человеком воздуха для их последующего анализа с помощью метода, основанного на инфракрасной лазерной спектроскопии. Применяемый метод подробно описан в данной работе. С помощью установки, основанной на инфракрасном квантово-каскадном лазере, проводится анализ спектров пропускания выдыхаемого человеком воздуха. По полученным спектрам можно рассчитать концентрации веществ-биомаркеров, отклонение от нормы которых связано с развитием у пациента определенных заболеваний или патологий. В данной работе проведен анализ таких существующих типов осушителей воздуха, как например, капиллярная колонка, криоловушка, адсорбционные осушители и др. В качестве наиболее оптимального решения для использования в экспериментальной установке с инфракрасным квантово-каскадным лазером был выбран нафионовый осушитель. По результатам исследований спектров выдыхаемого воздуха пациентов, с заранее известными поставленными диагнозами, был разработан и описан метод осушения пробы выдыхаемого человеком воздуха, а также была рассчитана абсолютная влажность осушенной пробы выдыхаемого воздуха.

1. Fufurin I., Berezhanskiy P., Golyak I., Anfimov D., Kareva E., Scherbakova A. Morozov A. Deep Learning for Type 1 diabetes mellitus diagnosis using infrared quantum cascade laser spectroscopy // Materials. 2022. V. 15. № 9. P. 2984. DOI: https://doi.org/10.3390/ ma15092984.

2. Tabalina A. S., Anfimov D. R., Fufurin I. L., Golyak I. S. Infrared quantum cascade laser spectroscopy as non-invasive diagnostic tests for human diseases // Biomedical Spectroscopy, Microscopy, and Imaging, 2020. V. 11359. P. 233–242. DOI: https://doi.org/ 10.1117/12.2555042.

3. Das S., Pal S., Mitra M. Significance of exhaled breath test in clinical diagnosis: a special focus on the detection of diabetes mellitus // Journal of medical and biological engineering, 2016. V. 36. P. 605–624. DOI: https://doi.org/10.1007/s40846-016-0164-6.

4. Kharitonov S.A., Barnes P.J. Exhaled biomar-kers // Chest, 2006. V. 130. № 5, P. 1541–1546. DOI: https://doi.org/10.1378/chest.130.5.1541.

5. Righettoni M., Tricoli A., Pratsinis S.E. Si: WO3 sensors for highly selective detection of acetone for easy diagnosis of diabetes by breath analysis // Analytical chemistry, 2010. V. 82. № 9. P. 3581–3587. DOI: https://doi.org/10.1021/ac902695n.

6. Голяк И.С., Бережанский П.В., Седова А.Ю., Гутырчик Т.А., Небритова О.А., Морозов А.Н., Анфимов Д.Р., Винтайкин И.Б., Коноплева А.А., Демкин П.П., Фуфурин И.Л. Применение машинного обучения для диагностики некоторых социально значимых заболеваний по выдыхаемому человеком воздуху методом инфракрасной лазерной спектроскопии // Оптика и спектроскопия, 2023. T. 131. № 6. C. 825–831. DOI: https://doi.org/10.21883/OS.2023.06. 55917.109-23.

7. Anfimov D. R., Fufurin I. L., Golyak I. S., Morozov A.N. Design of an analyzer based on a quantum cascade laser for substance identification by infrared reflected radiation // Integrated Optics: Design, Devices, Systems and Applications VI, 2021. V. 11775. P. 115–122. SPIE. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2589238.

8. Davies S., Spanel P., Smith D. Quantitative analysis of ammonia on the breath of patients in end-stage renal failure // Kidney international, 1997. V. 52(1). P. 223–228. DOI: https://doi.org/10.1038/ki.1997.324

9. Chu P.M., Guenther F.R., Rhoderick G.C., Lafferty W.J. The NIST quantitative infrared database // Journal of research of the National Institute of Standards and Technology. 1999. V. 104. № 1. P. 59–81. DOI: https://doi.org/10.6028/jres.104.004.

10. Shcherbakova A.V., Anfimov D.R., Fufurin I.L., Golyak I.S., Trapeznikova I.A., Kareva E.R., Morozov A.N. Experimental Setup Based on a Quantum Cascade Laser Tunable in the Wavelength Range of 5.3–12.8 µm for Spectral Analysis of Human Exhaled Air // Optics and Spectroscopy, 2021. V. 129. iss.7. P. 830–837. DOI: https://doi.org/10.1134/S0030400X21060151.

11. Михайлова С.М., Шарифуллина Л.Р. Оценка загрязнения воздуха высокотоксичными соединениями в зоне техногенных чрезвычайных ситуаций, связанных с возгоранием синтетических материалов // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты, 2020. T. 2. № 45. С. 47–55.

12. Сояк Л. Разделение и идентификация изомерных углеводородов методами капиллярной газовой хроматографии и сочетаниями ее с масс-спектро¬метрией и ИК-фурье-спектроскопией // Российский химический журнал, 2003. Т. 47. № 2. С. 51–69.

13. Шерстов И.В., Пустовалова Р.В., Зенов К.Г. Система сбора и подготовки проб выдыхаемого воздуха для медицинского лазерного оптико-акусти-ческого газоанализатора // Оптика атмосферы и океана, 2017. Т. 30. № 5. С. 435–441. DOI: https:// doi.org/10.15372/AOO20170513.

14. Pleil J.D., Oliver K.D., McClenny W.A. Enhanced performance of Nafion dryers in removing water from air samples prior to gas chromatographic analysis // Japca, 1987. V. 37. № 3. P. 244–248. DOI: https://doi.org/10.1080/08940630.1987.10466219.

15. Welp L.R., Keeling R.F., Weiss R.F., Pap-lawsky W., Heckman S. Design and performance of a Nafion dryer for continuous operation at CO2 and CH4 air monitoring sites // Atmospheric Measurement Techniques, 2013. V. 6. № 5. P. 1217–1226. DOI: https://doi.org/10.5194/amt-6-1217-2013.

16. Ye X., LeVan M.D. Water transport properties of Nafion membranes: Part I. Single-tube membrane module for air drying // Journal of Membrane Science, 2003. V. 221. iss. 1–2. P. 147–161. DOI: https:// doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00255-2.

17. Мальцев А. А. Молекулярная спектроскопия. M.: Изд-во Московского университета, 1980. 272 c