CC BY
4INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
NAFAS OLISH MONITORINGI USULLARI TAHLILI
Raximov Baxtiyorjon Nematovich1 , Kengesbayev Salauat Kuanishbayevich2
1Muhammad al-Xorazmiy nomidagi Toshkent axborot texnologiyalari universiteti , «Teleradioeshittirish tizimlari» kafedrasi professori ,
2Muhammad al-Xorazmiy nomidagi Toshkent axborot texnologiyalari universiteti , «Teleradioeshittirish tizimlari» kafedrasi doktoranti https://doi.org/10.5281/zenodo.7858086
Abstract. Since the determination of the amount of gases in the breath is non-invasive, it has received much attention as a modern diagnostic method and as a painless and simple way to detect physiological diseases early. Exhalated breath analysis is a rapidly developing field of research with great potential to improve health care. Exhaled breath analysis involves the identification and quantification of volatile organic compounds (VOCs) in respiration, which can provide valuable information about the state of human respiratory health. In this work, each breath analysis method has its advantages and limitations, and it is shown that the choice of method depends on a special program and available resources.
Keywords: exhaled breath biomarkers; spectrometry; VOCs; sensors; disease diagnosis.
Kirish
Ekshalatsiyalangan nafasda uchuvchi organik birikmalarni (VOC) aniqlash zamonaviy diagnostika usuli bo'lib, insonning turli kasalliklarini diagnostika qilish uchun tezkor, selektiv, ehtiyotkorlik va noinvaziv yondashuvdir. So'nggi paytlarda VOC-ga asoslangan diagnostika texnologiyalari butun dunyoda katta e'tiborni tortdi. Ular erta tashxis qo'yish va terapiya samaradorligi bilan birga yuqori xavfli populyatsiyalarni bir zumda kuzatish imkonini beradi. Eng muhimi, VOClar inson organizmida karbongidrat metabolizmi, jigar fermentlari, lipid metabolizmi, oksidlovchi stress va sitoxrom P450 bilan bog'liq metabolik yo'llarni o'zgartirish orqali ishlab chiqariladi. Nafas olishning bu kontsentratsiyasi inson salomatligi holatining ishonchli va qimmatli ko'rsatkichi bo'lishi mumkin[1].
1990-yillarda muayyan kasalliklar uchun biomarkerlarni aniqlash va uni aniqlash usullariga qaratilgan nafas tahlili biotibbiyot sohasida muhim tadqiqot markaziga aylandi . 1000 ga yaqin VOClar inson nafasida bir qancha surunkali kasalliklarga, jumladan diabet, saraton, surunkali buyrak kasalliklari, sil va kognitiv kasalliklarga mos keladi [2,3]. Biroq, kasallik diagnostikasi uchun nafasni tahlil qilish ishonchli bo'lmagan optimallashtirish va kamroq ma'lumotlar to'plami tufayli ahamiyatsiz.
Ekshalatsiyalangan nafasni tahlil qilish uchun biomarkerlarning kelib chiqishi
Odamlarning ekshalatsiyalangan nafasida minglab VOClar kuzatiladi. Uchuvchi birikmalar hujayralar va to'qimalarning biokimyoviy faolligi holatini ifodalaydi va inson salomatligi rejasini ko'rsatadi. Ushbu VOClar odatda uchta manbadan kelib chiqadi, ular quyida tushuntiriladi[4].
Birinchisi, o'pka kasalliklari bilan bog'liq bo'lgan havo yo'llari to'qimalarida bevosita metabolik faollik. Genetik usullar bilan solishtirganda, metabolitlar kontsentratsiyasining o'zgarishi bitta genning o'zgarishi bilan bog'liq bo'lib, yuzlab turli xil uchuvchi birikmalarning emissiyasiga olib keladi. Qonga asoslangan tekshiruvda aniqlanmaydi. Keyinchalik, qon aylanish tizimi bilan kimyoviy moddalar almashinuvi sifatida xavfli bo'lmagan kasalliklarning dastlabki
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
bosqichlariga tegishli VOC biomarkerlari aniqlandi. Insonning qon aylanish tizimi butun tanada qon aylanishi uchun taxminan bir daqiqa vaqt oladi. Xuddi shu davr uchun ekshalatsiyalangan nafas namunasi doimiy ravishda tananing sog'lig'i holatining tafsilotlarini invaziv bo'lmagan holda ochib beradi. Hatto qon namunalariga asoslangan kasallik diagnostikasi ham mavjud bo'lgan kimyoviy moddalarning kamroq konsentratsiyasini aniqlay olmaydi, ammo invaziv bo'lmagan texnikada sezgirlik kamroq bo'ladi. Uchinchidan, tashqi muhit ekshalatsiyalangan nafasda mikroblar va boshqa VOClar kabi ekzogen molekulalarni ko'rsatishi mumkin.
Biomarkerlarning biokimyoviy yo'llariga qo'shimcha ravishda, bu biomarkerlar qanday ishlab chiqarilganligini tahlil qilish kerak. Nafas olish biomarkerida turli xil VOClar, jumladan uglevodorodlar, kislorod va oltingugurt o'z ichiga olgan birikmalar mavjud. Ushbu VOClar inson tanasida hosil bo'lishini va kasallik bilan bog'liqligini bilish juda muhimdir. Masalan, odam nafasida asetonning chiqishi asetoatsetat dekarboksillanishi bilan bog'liq. Metanol va etanol uglevodlarning mikrob fermentatsiyasi tufayli oshqozon-ichak traktida paydo bo'ladi. Xuddi shunday, inson tanasida lipid peroksidatsiyasi etan va pentanlarni hosil qiladi. Metioninning to'liq bo'lmagan almashinuvi natijasida oltingugurt birikmalari hosil bo'ladi. Nafasda ammiakning chiqishi oqsil parchalanishining yon mahsulotidir. Ushbu biomarkerlarni va ularning kelib chiqishini tushunish orqali ekshalatsiyalangan nafasni tahlil qilish invaziv bo'lmagan tashxisda muhim rol o'ynashi mumkin. [5].
Ekshalatsiyalangan nafas VOClarni aniqlashning turli usullarini baholash So'nggi besh o'n yillikda VOCni aniqlash uchun bir nechta aniqlash usullari qo'llanildi. Ushbu aniqlash usullari asosan fizik va kimyoviy usullarga bo'linadi.
Har bir usul o'zining afzalliklari va kamchiliklariga ega va usulni tanlash maxsus dastur va mavjud resurslarga bog'liq. Bundan tashqari ular ko'chma, foydalanish qulayligi va real vaqtda aniqlashni taklif qiladi. Quyidagi jadvalda ekshalatsiyalangan nafas VOClarni aniqlash usullarining ishlash tamoillari , afzalliklari va kamchiliklari keltirilgan[6-13].
1 jadval.
Usullarni baholash
Aniqlash usullari Prinsip Afzalliklari Kamchiliklari
Lazer spektroskopiyasi
Gaz molekulasi
yoki ma'lum bir
PAS to'lqin uzunligidagi erkin atomlar tomonidan yutilgan yorug'lik miqdori Juda sezgir, oson, samarali va mustahkam analitik usul Uskunaning narxi
MID-IR Funktsional guruhlarda intensivlik o'zgarishini o'lchash Ultra iz sezuvchanligi, yuqori spektral ruxsat, buzilmaydigan, yorliqsiz Nurning divergentsiyasi
Massa spektroskopiyasi
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
SIFT-IMS Har bir ionning qo'llaniladigan elektr maydoniga asoslangan harakatchanligi ionning tezligi bilan bog'liq Namuna tayyorlash va oldindan miqdorni aniqlash, real vaqt rejimida o'lchash zaruriyatini bartaraf etish VOClarni identifikatsiya qilish har doim ham mumkin emas, GC-MS kabi keng qamrovli birikma kutubxonasi mavjud emas
PTR-MS Uchuvchi birikmalar gaz fazasi H3O+ ionlari yordamida ionlashtiriladi, keyinchalik ular m/z nisbati asosida massa spektrometri yordamida ajratiladi. Yuqori sezuvchanlik va tez miqdorni aniqlash imkoniyati Suv molekulasidan kattaroq proton yaqinligini faqat aniqlash mumkin
GC-MS Analitlar ajratildi va ionlash usuli yordamida aniqlandi Yuqori sezuvchanlik; yuqori selektivlik Katta hajmli; qimmat; vaqt oluvchi
Elektr
Kimyo rezistorlar Qarshilik yoki o'tkazuvchanliknin g o'zgarishi Arzon; qisqa javob vaqti, uzoq muddatli Nisbatan past sezuvchanlik; yuqori energiya iste'moli
FET Elektr harakatining o'zgarishi O'ta sezgir; adsorbsiya qobiliyati; miniatyuralashtirilgan; barqarorl ik Ishlab chiqarishdagi qiyinchiliklar; takrorlanuvchanlik; yuqori narx
Optik
Evanescent Absorbtsiya intensivligining o'zgarishi Yuqori sezgirlik, oson ishlab chiqarish, arzon narx Tanlanganlik, takrorlanuvchanlik
SPR Rezonans chastotasining o'zgarishi Yuqori sezgir, selektiv Ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan materiallarning narxi, polarizatorlar, spektrometrlarning narxi
LMR Rezonans chastotasining o'zgarishi Oson ishlab chiqarish, polarizatorlarsiz Spektrometrlarning nar xi
Elektrokimyoviy
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Ampero metrik Elektro kimyoviy tizimdagi kimyoviy reaktsiyalar natijasida hosil bo'lgan elektr tokini o'lchash. Juda kam quvvat iste'moli; arzon; yaxshi selektivlik; past aniqlash chegarasi; keng maqsadli gazlar; miniatyura uchun yaxshi Suyuq elektrolitlar ishlatilsa, yuqori parvarishlash; ba'zi gazlar uchun shovqin paydo bo'lishi mumkin; sekin javob vaqti
Akustik
SAW To'lqin tezligi va chastotasi tashqi muhitning o'zgarishi sifatida sirt siljishida harakat qiladi Yuqori sezuvchanlik, tezkor javob, xona haroratida ishlash, arzon narx Past chastota bilan cheklangan, suyuqlik namunalari uchun mos emas
BAW To'lqin tezligi va chastotasi tashqi muhitning o'zgarishi sifatida ommaviy drift bo'ylab harakatlanadi Yuqori sezuvchanlik, mustahkamlik Selektivlik, qimmat
Kolorimetrik
Kolorimetri k Tahlil qiluvchi moddalar orasidagi kimyoviy reaktsiyaga asoslanib , rang o'zgarishi kuzatiladi Tejamkor va oddiy Qaytarib bo'lmaydigan va bir martalik foydalanish
Xulosa
Xulosa qilib aytganda, kasallik diagnostikasi uchun turli xil texnologiyalarining imkoniyatlari ko'rib chiqildi va nafasni tahlil qilish bo'yicha turli tadqiqotlar muhokama qilindi. Nafas olishda uchuvchi organik birikmalar (VOC) turli kasalliklar uchun potentsial biomarkerlar sifatida tan olingan. Ekshalatsiyalangan nafasdagi VOClarni aniqlashning har bir usul sezgirlik, selektivlik, narx va foydalanish qulayligi nuqtai nazaridan o'zining afzalliklari va kamchiliklariga ega. Ekshalatsiyalangan nafas VOClarini aniqlash usulini tanlash turli omillarga, jumladan, kerakli sezuvchanlik va selektivlikka, uskunaning narxiga, foydalanish qulayligiga va malakali operatorlarning mavjudligiga bog'liq. To'g'ri va ishonchli natijalarni ta'minlash uchun muayyan dastur uchun eng mos usulni tanlash muhimdir.
REFERENCES
1. Bouza, M.; Gonzalez-Soto, J.; Pereiro, R.; De Vicente, J.C.; Sanz-Medel, A. Exhaled Breath and Oral Cavity VOCs as Potential Biomarkers in Oral Cancer Patients. J. Breath Res. 2017, 11, 016015.
2. Campanella, A.; De Summa, S.; Tommasi, S. Exhaled breath condensate biomarkers for lung cancer. J. Breath Res. 2019, 13, 044002.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
3. Kim, K.-H.; Jahan, S.A.; Kabir, E. A review of breath analysis for diagnosis of human health. TrAC Trends Anal. Chem. 2012, 33, 1-8.
4. Huang, J.; Li, Y.; Sood, S.; Gouma, P. Breath Biomarker Detection by Chemical Sensors. In Semiconductor-Based Sensors; World Scientific: Singapore, 2016; pp. 355-393.
5. Vishinkin, R.; Haick, H. Nanoscale Sensor Technologies for Disease Detection via Volatolomics. Small 2015, 11, 6142-6164.
6. Jung, Y.J.; Seo, H.S.; Kim, J.H.; Song, K.Y.; Park, C.H.; Lee, H.H. Advanced Diagnostic Technology of Volatile Organic Compounds Real Time analysis Analysis From Exhaled Breath of Gastric Cancer Patients Using Proton-Transfer-Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry. Front. Oncol. 2021, 11, 560591.
7. Ruzsanyi, V.; Mochalski, P.; Schmid, A.; Wiesenhofer, H.; Klieber, M.; Hinterhuber, H. Ion mobility spectrometry for de-tection of Skin Volatiles. J. Chromatogr. B 2012, 911, 84-92.
8. Rodrigues, J.; Amin, A.; Raghushaker, C.R.; Chandra, S.; Joshi, M.B.; Prasad, K.; Nayak, S.G.; Ray, S.; Mahato, K.K. Exploring photoacoustic spectroscopy-based machine learning together with metabolomics to assess breast tumor progression in a xen-ograft model ex vivo. Lab. Investig. 2021, 101, 952-965.
9. Acharyya, S.; Nag, S.; Kimbahune, S.; Ghose, A.; Pal, A.; Guha, P.K. Selective Discrimination of VOCs Applying Gas Sensing Kinetic Analysis over a Metal Oxide-Based Chemiresistive Gas Sensor. ACS Sensors 2021, 6, 2218-2224.
10. Mukherjee, A.; Rosenwaks, Y. Recent Advances in Silicon FET Devices for Gas and Volatile Organic Compound Sensing. Chemosensors 2021, 9, 260.
11. Prasanth, A.; Meher, S.; Alex, Z. Metal oxide thin films coated evanescent wave based fiber optic VOC sensor. Sensors Actuators A: Phys. 2022, 338, 113459.
12. Devkota, J.; Ohodnicki, P.R.; Greve, D.W. SAW Sensors for Chemical Vapors and Gases. Sensors 2017, 17, 801.
13. Azzouz, A.; Vikrant, K.; Kim, K.-H.; Ballesteros, E.; Rhadfi, T.; Malik, A.K. Advances in colorimetric and optical sensing for gaseous volatile organic compounds. TrAC Trends Anal. Chem. 2019, 118, 502-516.
