Kontrollierte Geruchsmimik-Permeationssysteme für olfaktorische Schulungen und Feldtests

Zusammenfassung

Das Controlled Odor Mimic Permeation System ist eine einfache, vor Ort tragbare, kostengünstige Geruchsabgabe für geruchsintensive Tests und Schulungen. Es besteht aus einem Geruchsstoff, der auf einem adsorbenden Material zurückgehalten wird und in einem durchlässigen Polymerbeutel enthalten ist, der eine kontrollierte Freisetzung des Geruchsdampfes im Laufe der Zeit ermöglicht.

Zusammenfassung

Das Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) wurde entwickelt, um eine praktische Feldtestmethode der Geruchsabgabe bei kontrollierten und reproduzierbaren Raten zu bieten. COMPS bestehen aus einem Geruch von Interesse auf einem saugfähigen Material, das in einem durchlässigen Polymerbeutel versiegelt ist. Die durchlässige Schicht ermöglicht eine konstante Freisetzung des Geruchsmittels über einen bestimmten Zeitraum. Die durchlässige Tasche wird weiter in einer sekundären, undurchlässigen Tasche gelagert. Das Verfahren der doppelten Einschließung ermöglicht die Gleichlagerung des Geruchsmittels aus dem durchlässigen Beutel, jedoch innerhalb der undurchlässigen äußeren Schicht, was zu einer sofortigen und reproduzierbaren Quelle von Geruchsdampf beim Entfernen aus der äußeren Verpackung führt. COMPS werden sowohl in olfaktorischen Tests für experimentelle Szenarien als auch für geruchstechnische Detektionstrainings, wie z. B. bei Detektionsstellen, eingesetzt. COMPS kann verwendet werden, um eine breite Palette von Geruchsstoffen (z. B. Betäubungsmittelpulver) zu enthalten und eine kontrollierte Freisetzung der zugehörigen Geruchsstoffe zu ermöglichen. Die Geruchsverfügbarkeit von COMPS wird in Derpermeationsrate ausgedrückt (d. h. die Rate des Geruchsdampfes, der aus einem COMPS pro Zeiteinheit freigesetzt wird) und wird in der Regel mit gravimetrischen Mitteln gemessen. Die Permeationsrate für eine bestimmte Masse oder ein bestimmtes Geruchsvolumen kann je nach Bedarf angepasst werden, indem die Beuteldicke, die Oberfläche und/oder der Polymertyp variiert werden. Die verfügbare Geruchskonzentration eines COMPS kann auch durch Headspace-Analysetechniken wie festphasenmikroextraktion mit Gaschromatographie/Massenspektrometrie (SPME-GC/MS) gemessen werden.

Einleitung

Olfaction ist ein entscheidender, aber oft übersehener Sensormechanismus, der von den meisten Tieren verwendet wird. Für viele ist es der Hauptmechanismus, um Nahrung zu lokalisieren, einen Partner zu finden oder Gefahr zu wahrnehmen¹. Darüber hinaus werden die olfaktorischen Fähigkeiten einiger Tiere, insbesondere Hunde, regelmäßig vom Menschen zum Nachweis von Schmuggelware (z. B. Betäubungsmitteln oder Sprengstoffen) oder anderen von Interesse sindden Gegenständen wie Vermissten, invasive npezies oder Krankheiten^2,3) genutzt. Für Die Hundeerkennungsforschung oder andere Olfaction-Forschungsthemen untersuchen die Forscher oft den Prozess der Olfaction und die Stärken und Grenzen des Geruchssystems. Daher ist es im Allgemeinen wünschenswert, die Freisetzung eines Geruchsdampfes in die Umwelt zu kontrollieren, um während der Prüfung bekannte Geruchsmengen reproduzierbar zu liefern. Die Nichtberücksichtigung von Schwankungen der Geruchsverfügbarkeit aufgrund von Faktoren wie Dampfdruck oder Umwelteinflüssen erschwert häufig die Dateninterpretation und Anwendbarkeit⁴. Ebenso wünschenswert ist es, während der Trainingsszenarien für die Erkennung von Hunde eine festgelegte Geruchsmenge zu liefern. Zum Beispiel haben Studien von Hallowell et al.⁵ und von Papet⁶ die Bedeutung der Geruchsintensität in der Geruchswahrnehmung gezeigt, und dass die Änderung der Intensität eines Geruchsmittels beeinflussen kann, wie es allein oder in einer Mischung wahrgenommen wird.

In Laborumgebungen kann die Verwendung von Analysegeräten wie Permeationsrohren mit steuerbaren Öfen, Dampfgeneratoren oder Olfaktorometern zur Kontrolle der Geruchsabgabe verwendet werden. Diese Art von Geräten ist jedoch für den Einsatz in Feldtests und Trainingsszenarien nicht praktikabel⁴. Das Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) wurde als einfache, kostengünstige und Einwegmethode für eine kontrollierte Geruchsabgabe entwickelt, die keine externe Stromversorgung erfordert. Daher können sie leicht in eine Vielzahl von verschiedenen Test- und Trainingsszenarien integriert werden⁷. COMPS-Einheiten bestehen einfach aus einem Geruch von Interesse auf einem saugfähigen Material, das in einem durchlässigen Polymerbeutel versiegelt ist und in einem sekundären Containment-System gelagert wird. Die Verwendung von COMPS reduziert die Variabilität zwischen den Tests und verbessert die Konsistenz bei Trainingsübungen⁸.

Die Geruchsabgabe oder Verfügbarkeit von COMPS wird in Bezug auf die Permeationsrate gemessen, die durch gravimetrische Analyse in Bezug auf die im Laufe der Zeit freigesetzte Dampfmasse bestimmt wird. Die Permeationsraten können durch eine Reihe von Faktoren gesteuert werden, einschließlich der Dicke des Polymerbeutels, seiner verfügbaren Oberfläche, der Art des verwendeten saugfähigen Materials (Substrats) und der Menge des Geruchs. Die Permeationsrate ist für einen bestimmten Zeitraum (Stunden oder Tage) konstant, abhängig vom verwendeten Geruchsmittel. Dies ermöglicht eine minimale Variabilität der Geruchsabgabe während des Tests oder Trainings. Während der Lagerung kommen COMPS innerhalb des undurchlässigen äußeren Behälters zum Gleichgewicht, was zu einer sofortigen Quelle von Geruchsdampf mit einer bekannten Permeationsrate führt.

COMPS wurden ursprünglich entwickelt, um Geruchsstoffe zu enthalten, die mit explosiven Materialien in Verbindung stehen, und als Geruchsnachahmungen verwendet werden⁷. Im Sinne von Macias et al. simuliert eine Geruchsmimik ein Material von Interesse, wie z. B. einen Explosivstoff, indem es die dominanten flüchtigen Verbindungen oder Geruchsstoffe bereitstellt, die im Kopfraum dieses Materials ohne das Vorhandensein des Ausgangsmaterials selbst gefunden werden⁸. Um eine Geruchsmimik zu erzeugen, müssen die aktiven Geruchsstoffe des Ausgangsmaterials bestimmt werden. Ein aktives Geruchsmittel wird in diesem Szenario als flüchtige Verbindung beschrieben, die ein ausgebildeter Sprengstoffdetektor hund erkennt, da er glaubt, dass tatsächlich explosives Material vorhanden ist. Nachdem COMPS dominante flüchtige Verbindungen im Kopfraum mehrerer explosiver Materialien identifiziert hatte, war es bereit, diese einzelnen Geruchsstoffe für die Dauer der Geruchserkennungsversuche von Hundeen kontrolliert freizusetzen und das mit mehreren explosiven Materialien verbundene aktive Geruchsmittel zu bestimmen. COMPS wurden zu diesem Zweck erfolgreich^{eingesetzt 7,9} und werden seitdem als Geruchsmimik für weitere Sprengstofferkennungstrainings eingesetzt.

Macias et al. verwendeten COMPS, die piperonal enthielten, einen reinen chemischen Feststoff bei Raumtemperatur, der sich in der Dampfphase als aktives Geruchsmittel für MDMA (3,4-Methylendioxymethamphetamin), das psychoaktive Medikament, das als Ecstasy bekannt ist, erwiesen hat. Die Forscher verwendeten unterschiedliche Dicken und Oberflächen von Polyethylenbeuteln mit geringer Dichte, um die Permeationsrate von piperonalen Dampf anzupassen. Diese Serie von COMPS wurde dann verwendet, um piperonal Entektionsschwelle für ausgebildete Betäubungsmittel-Erkennung Santieder⁸zu schätzen. Umgekehrt wurden in einer separaten Studie die CompS-Beuteldicken angepasst, um die Abweichung der Permeationsraten zwischen den einzelnen Verbindungen in einer homologen Reihe zu minimieren, obwohl sie drastisch unterschiedliche Dampfdrücke besaßen. Wenn in dieser Studie eine dicke dicke einzelne Beutel verwendet worden wären, hätten diese Verbindungen mit höheren Dampfdrücken viel höhere Permeationsraten ergeben. Durch die Erhöhung der Beuteldicke für die höheren Volatilitätsverbindungen wurden die Permeationsraten so angepasst, dass sie für alle Verbindungen ähnlich waren⁴. Beide Studien zeigen die Nützlichkeit und Anpassungsfähigkeit des COMPS zur Steuerung der Dampffreisetzung. Ähnliche Studien zur Optimierung der Polymerbeuteldicke sowie des saugfähigen Materials wurden bei der Herstellung von Geruchsmimik für synthetische Cathinones (d. h. Badesalze)^{10 ,}andere Betäubungsmittel (einschließlich Heroin und Marihuana¹¹) und menschliche Geruchsverbindungen^12,13durchgeführt. In einem letzten Beispiel untersuchten Simon et al. die aktiven Geruchsstoffe, die mit einer invasiven Pilzart assoziiert sind¹⁴. Ganze Stücke der infizierten Baumrinde, anstelle der extrahierten Geruchsstoffe, wurden direkt in den Polymerbeutel gelegt, um die Freisetzung während der Hunde-Olfaction-Prüfung¹⁴zu kontrollieren. COMPS kann für eine Vielzahl von Szenarien verwendet werden, und die hier beschriebenen Protokolle wurden ausgewählt, um die Vielfalt dieses Tools zu demonstrieren.

Protokoll

1. Montage von COMPS (Abbildung 1)

1. Für saubere (flüssige) Verbindung auf einem Substrat (Abbildung 1A)
   1. Um das Substrat mit Geruchsstoff zu imprägnieren, verwenden Sie eine kalibrierte Pipette, um 5 l ordentliche Verbindung zu einem 2 x 2 Zoll Baumwoll-Gazepad oder einem anderen Substrat der Wahl hinzuzufügen (siehe Tabelle der Materialien).
   2. Falten Sie das Gazepad in der Hälfte und legen Sie dieses (oder ein alternatives Substratmaterial) in eine 2 x 3 Zoll niedrige Dichte Polyethylen durchlässige Tasche. Die vorgeschlagenen Beuteldicken liegen zwischen 1 MIL, für die schnellste Permeationsrate, bis 8 MIL, für eine langsamere Permeationsrate.
      HINWEIS: Variationen in saugfähigen Materialien, durchlässige Beutelgröße, Polymerchemie und Dicke können verwendet werden, aber diese Veränderungen beeinflussen die Permeationsrate der Geruchsstoffe (siehe weitere Diskussion im Abschnitt Ergebnisse).
   3. Versiegeln Sie den mit einem Wärmeversiegeler verschlossenen Polymerbeutel sofort, wodurch so viel Luft wie möglich aus den Beuteln herausentfällt.
   4. Bewahren Sie die Tasche in einer äußeren, nicht durchlässigen Tasche auf, oder legen Sie sie in ein sauberes Wägeboot in eine Rauchhaube(Abbildung 1B).
2. Für Feststoff kein Substrat erforderlich (Abbildung 1C)
   1. Wiegen Sie die gewünschte Menge an Feststoff, das eine reine Verbindung oder ein tatsächliches Zielmaterial sein kann, und legen Sie sie in einen 2 x 3 Zoll niedrigen Polyethylen (LDPE) durchlässigen Beutel. Auch hier reicht die empfohlene Beuteldicke von 1 MIL bis 8 MIL.
   2. Sofortige Hitze-Dichtung des Polymerbeutels geschlossen, so dass so viel Luft aus dem Beutel wie möglich zu beseitigen, und lagern oder beiseite in einem Wiegenboot.

2. Gravimetrische Analyse zur Bestimmung der COMPS-Permeationsrate

HINWEIS: Eine konstante Umgebungstemperatur ist wichtig für genaue und reproduzierbare Messungen, sowohl gravimetrische als auch Kopfraum. Bei allen Tests muss eine konstante Temperatur beibehalten werden. Es wird empfohlen, alle analytischen Messungen bei den gewünschten Temperaturen während der Prüfung durchzuführen.

1. Um die Permeationsrate der Gerüche durch den durchlässigen Beutel zu bestimmen, legen Sie ein neu hergestelltes COMPS in ein Wägeboot in eine Dunstabzugshaube.
2. Legen Sie ein sauberes, separates Wägeboot auf eine analytische Waage und null das Gleichgewicht.
3. Entfernen Sie den COMPS von der Dunstabzugshaube und legen Sie ihn auf die Waage. Nehmen Sie die Masse auf und kehren Sie sofort zur Dunstabzugshaube zurück.
4. Fahren Sie mit der Aufzeichnung der Masse des COMPS über regelmäßige Zeitschritte fort, bis sich die Masse des COMPS nicht mehr ändert (±5 %). An dieser Stelle ist der Geruch aus dem COMPS aufgebraucht.
5. Als Negativkontrolle erstellen Sie ein leeres COMPS, das nur aus dem Substratmaterial ohne Geruchsstoffe besteht, die in den durchlässigen Beutel versiegelt sind. Behandeln Sie diese Negative Kontrolle auf die gleiche Weise wie die COMPS mit Geruchsgeruch, um minimale Schwankungen in der Masse im Laufe der Zeit zu gewährleisten.
6. Berechnen Sie die Permeationsrate aus dem COMPS.
   1. Zeichnen Sie die Masse des COMPS im Vergleich zur Zeit auf einem X-Y-Plot in einer geeigneten statistischen Analysesoftware.
   2. Passen Sie eine lineare Trendlinie nur an den linearen Teil des Diagramms an, und zeigen Sie eine Gleichung in einem Diagramm an. Die Trendlinie sollte NICHT so eingestellt werden, dass sie den Ursprung einschließt. Die Steigung der Linie (d.h. m in y = m+ b) ist die Permeationsrate in Masse pro Zeiteinheit.

3. Headspace-Analyse durch Festphasen-Mikroextraktion mit Gaschromatographie/Massenspektrometrie (SPME-GC/MS) (optional)

1. Bereiten Sie ein frisches COMPS nach den obigen Anweisungen vor und lassen Sie es in einem offenen Wägeboot innerhalb einer Dunstabzugshaube für 30 min aushalten.
2. Entfernen Sie den COMPS vom Wägeboot, legen Sie es ohne Deckel in einen 1 Pint epoxygefütterten Metallprobenbehälter und legen Sie ihn in einen 1 Gallonen epoxygefütterten Metallbehälter. Die Behälter sollten für die Dauer des Experiments in einer Dunstabzugshaube aufbewahrt werden.
3. Mindestens 30 min für den Ausgleich im Behälter vor der Probenahme zulassen.
4. Zur Probenahme nach dem Ausgleich einen Deckel mit einem zuvor gebohrten 1 cm Loch auf den äußeren Behälter legen. Legen Sie eine geeignete SPME-Faser durch das Loch auf dem Deckel, um den Analyten von Interesse zu extrahieren. Wenn die SPME-Faser nicht verwendet wird, bedecken Sie das Loch mit Paraffinfolie oder dergleichen. Die Extraktionszeit und faserbeschichtung hängt von der Art und Menge des vorhandenen Analytdampfes sowie der Größe des Probenahmegefäßes und den Umgebungsbedingungen¹⁵ab.
5. Entfernen Sie die SPME-Faser nach der zugeteilten Extraktionszeit und legen Sie sie zur thermischen Desorption und Analyse in den beheizten Einlass eines GC/MS.
   1. Führen Sie die GC/MS-Methode aus, die für die im COMPS¹⁶verwendete Verbindung geeignet ist.
6. Vergleichen Sie zur Quantifizierung die resultierende Spitzenfläche mit einer externen Kalibrierkurve¹⁶ und/oder internem Standard^17, je nach Methode und Versuchsdesign.
   HINWEIS: 1) In diesem Beispiel wurden epoxygefütterte Metallprobenbehälter verwendet, aber auch andere Arten von Behältern wären geeignet. Um die Geruchsverfügbarkeit direkt mit geruchsolfaktorischen Auswertungen zu vergleichen, wäre es am besten, für beide Experimente denselben Behälter zu verwenden, der zwischen jedem Test gereinigt wurde. 2) Für reproduzierbare Ergebnisse sollten alle Aspekte des Probenahmeverfahrens in allen Replikationsversuchen beibehalten werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Ausgleichszeit, SPME-Extraktionszeit, Behältertyp und -größe sowie Umgebungsbedingungen (d. h. Temperatur und Luftfeuchtigkeit).

4. COMPS-Speicher

1. Legen Sie einen einzelnen COMPS in einen metallisierten Barrierebeutel (3,5 x 4,5 Zoll) und wärmeabdichten Sie ihn zum Schließen, wodurch so viel Luft wie möglich aus dem Beutel vor dem Abdichten entfernt wird (Abbildung 1B).
2. Unter kühlen Umgebungs- oder gekühlten Bedingungen, jedoch nicht unter oder nahe dem Gefrierpunkt aufbewahren, um die Kondensation zu vermeiden, während der COMPS auftaut.
3. Wenn mehrere Geruchs- oder Geruchszufuhrraten in einem einzigen Experiment getestet werden, wird eine sekundäre Einschließung empfohlen, um eine mögliche Kreuzkontamination während des Transports und der Lagerung zu beseitigen.
   1. Platzieren Sie mehrere Barrierebeutel, die jeweils einzelne COMPS mit der gleichen Analyt- und Permeationsrate enthalten, in einem äußeren, größeren metallisierten Beutel oder Glas für die Lagerung und den Transport.

5. Feld-Olfaktor-Tests

HINWEIS: Olfaktorische Tests können auf viele verschiedene Arten durchgeführt werden, abhängig von dem zu testenden Tier, dem Ziel des Experiments und den Umweltbedingungen. Das folgende Protokoll beschreibt eine solche Art des Testens. Alle Tierversuche sollten zunächst von einem Institutionellen Ausschuss für Tierpflege und -nutzung (IACUC) überprüft und genehmigt werden.

1. Erstellen Sie zunächst leere oder negative Kontroll-COMPS wie oben beschrieben. Machen Sie genug, damit jeder Container im Testszenario Ersatz-COMPS enthält (2–3 abhängig von der Anzahl der am Experiment beteiligten Tiere). Verpacken Sie alle leeren COMPS in sekundärer Containment (d.h. eine größere metallisierte Tasche oder Glas mit Dichtdeckel).
2. Erstellen Sie bei Bedarf neue COMPS für das vorgesehene Feldtestprotokoll. Beseitigen Sie alle möglichen Verschmutzungsquellen zwischen dem COMPS und dem metallisierten Beutel. Dies kann durch regelmäßiges Handwechseln der Handschuhe und Reinigung der Laborarbeitsoberfläche erreicht werden.
3. Bewahren Sie das COMPS mindestens 1 Tag vor der Verwendung auf, um eine Ausgeglichenheit zu ermöglichen. Speichern Sie alle Replikationen im selben sekundären Container. Verschiedene COMPS sollten sich jedoch in separaten sekundären Containern befinden.
4. Um einen grundlegenden Geruchsgeruchstest für den Kanister einzurichten, legen Sie mehrere Linien von mindestens fünf identischen Behältern (z. B. Metalldosen, Schachteln) an, wobei die Anzahl der Leitungen von der Anzahl der getesteten Variablen abhängt.
   1. Richten Sie die Testversion so ein, dass jede Zeile einen Container mit dem Ziel-COMPS und vier mit leerem COMPS enthält. Positivkontrolllinien, die auf die gleiche Weise, aber mit einem bekannten Zielgeruch vorbereitet werden, können als geeignet für das Experiment-, Trainings- oder Testszenario verwendet werden. Ein zusätzliches Negativsteuerelement oder eine leere Zeile sollte fünf leere COMPS und keine Ziele enthalten. Ordnen Sie diese negative Steuerlinie, positive Steuerlinie (falls verwendet) und Testzeilen nach dem Zufallsprinzip, und ändern Sie die Reihenfolge mit einem Zufallszahlengenerator für jeden Canine-Olfaktortest als praktisch für das Testszenario.
      1. Fügen Sie auch ein Ablenker-Geruchs-/Material pro Linie ein.
      2. Randomisieren Sie die Reihenfolge und Position des Ziels und der Ablenkergeruchsstoffe in jeder Linie für jeden Canine, der mit einem Zufallszahlengenerator getestet wird.
5. Um die Container vorzubereiten, entfernen Sie COMPS aus den sekundären und äußeren Behältern, und legen Sie nur den durchlässigen Beutel in den Testbehälter.
   1. Lassen Sie das COMPS vor dem Testen mindestens 30 min im Container ausdemieren.
   2. Wiederholen Sie die Schritte für jedes COMPS, das im Test verwendet wird, beginnend mit Leerzeichen, gefolgt von positiven Kontrollen (falls verwendet) und anschließender Prüfung von Geruchsstoffen, wobei die Handschuhe jedes Mal gewechselt werden.
      HINWEIS: Detaillierte Beispiele für Canine-Testszenarien finden Sie in Simon et al.⁴ oder Macias et al.⁸.

Ergebnisse

Das primäre Ziel der Verwendung von COMPS in olfaktorischen Tests/Training ist es, die Freisetzung der gewählten Geruchsstoffe zu kontrollieren und eine kontrollierte Menge des Geruchs über die Dauer der Prüfung oder Schulung zu liefern. Die Geruchsfreisetzung wird durch gravimetrische Analyse in Bezug auf den Massenverlust pro Zeiteinheit gemessen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für gravimetrische Ergebnisse aus der Permeation von drei identischen COMPS, die aus 5 l Pentanosäure auf B...

Diskussion

Kontrollierte Geruchsmimik Permeationssysteme (COMPS) lassen sich leicht erstellen, indem ein Geruch von Interesse in einen durchlässigen Beutel versiegelt wird. Dies kann geschehen, indem eine saubere flüssige Verbindung auf ein saugfähiges Material gepipetbelt und dann das saugfähige Material in den Beutel legt; durch Das Einlegen einer reinen, festen Verbindung direkt in den Beutel⁴, wie es bei piperonal⁸der Fall war; oder indem sie das Zielmaterial, das mehrere oder...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
16 oz economy jars (70-450 finish)	Fillmore container	A16-08C-Case 12
7890A gas chromatograph / 5975 mass selective detector	Agilent
Analytical balance	Mettler Toledo	01-911-005
Ball regualr bands and dome lids	Fillmore container	J30000
Cotton gauze (2" x 2")	Dukal
Disposable weighing boats	VWR	10803-148
Epoxy-lined sample containers, 1 gallon	TriTech Forensics	CANG-E
Epoxy-lined sample containers, 1 pint	TriTech Forensics	CANPT-E
Low density polyetheylene bag	Uline	S-5373
Rtx-Volatiles (30 m x 0.32 mmID) column	Restek	10901
Silver metalized mylar barrier bag (3.5" x 4.5")	ESP Packaging	95509993779
Silver metalized mylar barrier bag (5" x 8.5" x 3")	ESP Packaging	95509993793
Solid phase microextration fiber assembly (PDMS/DVB/CAR)	Sigma-Aldrich	57328-U
Solid phase microextration holder	Sigma-Aldrich	57330-U
Tabletop Impulse Sealer	Uline	H-190	Heat sealer