מערכות חמירה מבוקרות של ריח מחקה להכשרת ריח ובדיקות שטח

Summary

מערכת החיקוי מבוקרת היא שיטה פשוטה, ניידת בשטח בעלות נמוכה של אספקת ריח לבדיקות ואימונים של ריח הריח. הוא בנוי של ריחן נשמר על חומר adsorbent והוא כלול בתוך שקית פולימר חדיר המאפשר שחרור מבוקר של אדי ריח לאורך זמן.

Abstract

מערכת חקבר ריח מבוקרת (COMPS) פותחה כדי לספק שיטת בדיקת שדה נוחה של אספקת ריח בשיעורים מבוקרים ותו לא. COMPS מורכבים ריח של עניין על חומר סופג אטום בתוך שקית פולימר חרנטית. השכבה הניתחלת מאפשרת שחרור קבוע של ריחן על פני כמות נתונה של זמן. התיק הניתן לכך מאוחסן עוד יותר בשקית משנית ובלתי ניתנת לעצירה. הליך הבלימה הכפולה מאפשר שיווי משקל של האודורנט מהשקית החדירה אך בתוך השכבה החיצונית הבלתי חדיר, וכתוצאה מכך מקור מיידי וניתן לשחזור של אדי ריח בעת ההסרה מהאריזה החיצונית. COMPS משמשים הן בבדיקות חוש הריח לתרחישים ניסיוניים והן באימון זיהוי חוש הריח, כגון עם כלבי זיהוי. COMPS יכול לשמש כדי להכיל מגוון רחב של ריחות (למשל, אבקות סמים) ולספק שחרור מבוקר של ריחות הקשורים. זמינות ריח מ-COMPS באה לידי ביטוי במונחים של קצב חחלה (כלומר, קצב אדי ריחות המשתחררים מ-COMPS ליחידה) ונמדדת בדרך כלל על ידי אמצעים כבידתיים. ניתן לכוונן את קצב חחלה עבור מסה נתונה או נפח של ריחן לפי הצורך על ידי שינוי עובי התיק, שטח הפנים ו/או סוג הפולימר. ריכוז הריח הזמין מCOMPS יכול להימדד גם על ידי טכניקות ניתוח headspace כגון מיקרו-extraction שלב מוצק עם כרומטוגרפיה גז / ספקטרומטריה מסה (SPME-GC / MS).

Introduction

Olfaction הוא חיוני, אך לעתים קרובות התעלמו, מנגנון חישה בשימוש על ידי רוב בעלי החיים. עבור רבים זהו המנגנון העיקרי לאיתור מזון, מציאת בן זוג, או חישה בסכנה¹. יתר על כן, יכולות הריח של בעלי חיים מסוימים, בעיקר ציפורים, מנוצלות באופן קבוע על ידי בני אדם לזיהוי מוברחים (לדוגמה, סמים או חומרי נפץ), או חפצים אחרים בעלי עניין, כגון נעדרים, מינים פולשניים או^{מחלות 2,3}. עבור מחקר זיהוי דרכים או נושאי מחקר אחרים של חוש הריח, חוקרים לעתים קרובות ללמוד את תהליך הריח ואת החוזקות והמגבלות של מערכת הריח. ככזה, זה בדרך כלל רצוי לשלוט בשחרור של אדי ריח לסביבה כדי לספק באופן רפרוספקטיבי כמויות ידועות של ריח במהלך הבדיקה. אי מתן דין וחשבון על שינויים בזמינות הריח בשל גורמים כגון לחץ אדים או השפעות סביבתיות לעתים קרובות מסבך את פרשנות הנתונים ואת הישימות⁴. כמו כן רצוי לספק כמות מוגדרת של ריח במהלך תרחישי אימון לזיהוי גלגלי. לדוגמה, מחקרים של Hallowell ואח^{'5 ועל} ידי Papet^{6 הצביעו} על החשיבות של עוצמת ריח בתפיסת ריח, וששינוי עוצמת ריח יכול להשפיע על איך זה נתפס לבד או בתערובת.

בהגדרות מעבדה, השימוש בציוד אנליטי כגון צינורות חחלה עם תנורים הניתנים לשליטה, גנרטורי אדים או olfactometers עשוי לשמש לשליטה באספקת ריח. עם זאת, סוג זה של ציוד אינו מעשי לשימוש במהלך בדיקות שדה ותרחישי אימון⁴. מערכת החיקוי של ריח מבוקר (COMPS) פותחה כשיטה פשוטה, בעלות נמוכה וחד-פעמית לאספקת ריח מבוקרת שאינה דורשת חשמל חיצוני. לכן, הם יכולים בקלות להיות משולבים במגוון רחב של תרחישי בדיקה והכשרה^{שונים 7}. יחידות COMPS פשוט מורכבות מרעון של עניין על חומר סופג אטום בתוך שקית פולימר חרנטית, המאוחסנת במערכת בלימה משנית. ניצול COMPS מפחית את השונות בין בדיקות ומשפר את העקביות במהלך תרגילי^{אימון 8}.

מסירת ריח או זמינות מ-COMPS נמדדת במונחים של קצב חחלה, כפי שנקבע על ידי ניתוח כבידתי במונחים של מסה של אדים שפורסמו לאורך זמן. שיעורי חחלה יכול להיות נשלט על ידי מספר גורמים, כולל את העובי של תיק הפולימר, שטח הפנים הזמין שלה, סוג החומר סופג (השקוע) בשימוש, ואת כמות ריח. שיעור חחלה הוא קבוע לתקופה נתונה של זמן (שעות או ימים) בהתאם לאודורנט בשימוש. הדבר מאפשר שונות מינימלית בהספקת ריח במהלך בדיקה או אימון. במהלך האחסון, COMPS מגיעים לשיווי משקל בתוך מיכל חיצוני בלתי חדיר, וכתוצאה מכך מקור מיידי של אדי ריח בקצב חודר ידוע.

COMPS תוכננו בתחילה להכיל ריחות הקשורים לחומרי נפץ וישמשו כחיקוי ריח^7. כפי שהוגדר על ידי Macias ואח ', ריח מחקה חומר של עניין, כגון חומר נפץ, על ידי מתן תרכובות נדיפות דומיננטיות, או ריחות, נמצא במרחב הראש של חומר זה ללא נוכחות של חומר^{האב עצמו 8}. כדי ליצור חיקוי ריח, יש לקבוע את ריחות החומר האב. ריח פעיל, בתרחיש זה, מתואר כתרכובת הפכפכה שכלב מיומן לזיהוי חומרי נפץ מזהה, מתוך אמונה שיש חומר נפץ ממשי. לאחר שזיהו תרכובות נדיפות דומיננטיות במרחב הראש של מספר חומרי נפץ, COMPS היו מוכנים לשחרר ריחות בודדים אלה בקצב מבוקר למשך ניסויים שדה זיהוי חוש הריח של ים ולקבוע את ריחן פעיל הקשורים מספר חומרי נפץ. COMPS שימשו בהצלחה למטרה זו^7,9 ומאז שימשו כחיקוי ריח עבור אימון נוסף לזיהוי חומר נפץ.

Macias ואח '. השתמש COMPS המכיל piperonal, מוצק כימי טהור בטמפרטורת החדר כי, בשלב האדים, כבר הראה להיות ריחן פעיל עבור MDMA (3,4-מתילן-מתימטאמפטמין), התרופה הפסיכואקטיבית המכונה אקסטזי. החוקרים השתמשו בעוביים שונים ובשטחים של שקיות פוליאתילן בצפיפות נמוכה כדי להתאים את קצב ההחלחלה של אדי piperonal. סדרה זו של COMPS שימשה לאחר מכן להערכת סף זיהוי piperonal עבור אנשים מאולפים לזיהוי סמים⁸. לעומת זאת, במחקר נפרד, עוביי שקית COMPS הותאמו כדי למזער את סטיית שיעורי חודר בין כל תרכובת בסדרה הומולוגית למרות שהיו ברשותם לחצים אדים שונים באופן דרסטי. אם עובי שקית אחת היה בשימוש במחקר זה, תרכובות אלה עם לחצים אדים גבוהים יותר היו מניבים שיעורי חחלה הרבה יותר גבוהים. על ידי הגדלת עובי התיק עבור תרכובות תנודתיות גבוהה יותר, שיעורי חחלות הותאמו כך שהם היו דומים עבור כל^{תרכובות 4}. שני המחקרים מדגימים את התועלת ויכולת ההסתגלות של COMPS כדי לשלוט בשחרור אדים. מחקרים דומים אופטימיזציה עובי שקית פולימר, כמו גם חומר סופג בוצעו ביצירת ריח מחקה עבור cathinones סינתטי (כלומר, מלחי אמבט)^10,סמים אחרים (כולל^{הרואין ומריחואנה 11),ותרכובות ריח אנושי 12,13}. בדוגמה אחרונה, סיימון ואח' חקר את האודורנטים הפעילים הקשורים למין פטריות פולשני^14. חתיכות שלמות של קליפת עץ נגועה, במקום ריחות שחולצו, הונחו ישירות לתוך שקית הפולימר כדי לשלוט בשחרור במהלך בדיקת olfaction^{כלבים 14}. ניתן לנצל COMPS עבור מגוון תרחישים, ואת הפרוטוקולים שנדונו בזאת נבחרו כדי להדגים את המגוון של כלי זה.

Protocol

1. הרכבה של COMPS (איור 1)

1. לתרכובת מסודרת (נוזלית) על החתמה (איור 1A)
   1. כדי להפרות את הצוללת עם ריח, השתמש פיפטה מכויל להוסיף 5 μL של תרכובת מסודרת 2 x 2 אינץ' כותנה גזה כרית או מצע אחר של בחירה (ראה טבלת חומרים).
   2. מקפלים את משטח הגזה לשניים ומניעים את זה (או חומר חלופי) לתוך שקית פוליאתילן בצפיפות נמוכה 2 x 3 אינץ' חודר. עובי התיק המוצע הוא בין 1 MIL, עבור קצב חריץ המהיר ביותר, כדי 8 MIL, עבור קצב חריץ איטי יותר.
      הערה: ניתן להשתמש בווריאציות בחומרים סופגים, גודל תיק חודר, כימיה פולימרית ועובי, אך שינויים אלה משפיעים על קצב ההחלחלה של ריחות (ראה דיון נוסף בסעיף התוצאות).
   3. אטמו מיד את תיק הפולימר סגור עם איטום חום, ומבטלים כמה שיותר אוויר מתוך השקיות.
   4. לאחסן את התיק בשקית שאינה ניתנת לתכלית, או אם ייווצר בה באופן מיידי, מניחים אותה בסירה נקייה בשקילה במכסה אדים(איור 1B).
2. לחומר מוצק, אין צורך בצע(איור 1C)
   1. לשקול את הכמות הרצויה של חומר מוצק, אשר עשוי להיות תרכובת טהורה או חומר היעד בפועל, ולמקם 2 x 3 אינץ' פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE) שקית חודרת. שוב, עובי התיק המוצע נע בין 1 MIL ל 8 MIL.
   2. אטום חום מיידי של תיק הפולימר נסגר, תוך חיסול כמה שיותר אוויר מתוך התיק, ומאחסנים או מניחים בצד בסירה שוקלת.

2. ניתוח כבידתי כדי לקבוע את שיעור חריג COMPS

הערה: טמפרטורת סביבה קבועה חשובה למדידות מדויקות ותו לא, הן כבידתיות והן מרחב ראש. יש לשמור על טמפרטורה קבועה במהלך כל הבדיקות. מומלץ לבצע את כל המדידות האנליטיות בטמפרטורות הרצויות במהלך הבדיקה.

1. כדי לקבוע את שיעור ההחלחלה של האדורנטים דרך התיק הניתן לתחלחל, מניחים COMPS חדש בסירה שקילה בתוך מכסה המנוע אדים.
2. מניחים סירה נקייה ונפרדת על איזון אנליטי, ואפס האיזון.
3. הסר את COMPS ממכסה האדים והניע על כף המאזניים. להקליט את המסה ומיד לחזור למכסה המנוע אדים.
4. המשך להקליט את המסה של COMPS על פני מרווחי זמן קבועים עד המסה של COMPS לא ישתנה עוד (±5%). בשלב זה הריח של COMPS הוא התרוקן.
5. כשליטה שלילית, ליצור COMPS ריק המורכב רק חומר הצוללת ללא ריחות אטומים לתוך התיק חדירות. התייחסו לשליטה שלילית זו באותו אופן כמו COMPS עם ריחן כדי להבטיח תנודות מינימליות במסה לאורך זמן.
6. חשב את קצב ההחלחלה מה- COMPS.
   1. התווה את המסה של COMPS לעומת זמן על עלילת X-Y בתוכנה מתאימה לניתוח סטטיסטי.
   2. התאם קו מגמה ליניארי רק לחלק הליניארי של הגרף והצג משוואה בתרשים. אין להגדיר את קו המגמה כך שיכלול את המקור. השיפוע של הקו (כלומר, m ב- y = m+ b) הוא שיעור ההחלחלה במסה לכל זמן יחידה.

3. ניתוח מרחב ראש על ידי מיקרו-extraction שלב מוצק עם כרומטוגרפיה גז / ספקטרומטריה מסה (SPME-GC / MS) (אופציונלי)

1. הכינו COMPS טרי בעקבות ההוראות לעיל ולאפשר לו לשוויון בסירה פתוחה במשקל בתוך מכסה המנוע אדים במשך 30 דקות.
2. מוציאים את ה-COMPS מסירת השקילה, מניחים אותה במיכל מתכת מרופד באפוקסי של ליטר אחד ללא מכסה, והכניסו אותה למכל מתכת מרופד באפוקסי של 1 ליטר. יש לשמור את המכולות במכסה אדים למשך הניסוי.
3. אפשר לפחות 30 דקות לשיווי משקל במכולה לפני הדגימה.
4. לדגום לאחר שיווי משקל, מניחים מכסה עם חור 1 ס"מ שנקדח בעבר על גבי המיכל החוץ. הכנס סיב SPME מתאים דרך החור על המכסה כדי לחלץ את האנליטיט של עניין. כאשר סיבי SPME אינו בשימוש, לכסות את החור עם סרט פרפין או משהו כזה. זמן החילוץ וציפוי הסיבים יהיו תלויים בסוג ובכמות אדי האנליטיים הנוכחיים, כמו גם בגודל כלי הדגימה והתנאים הסביבתיים¹⁵.
5. הסר את סיבי SPME לאחר זמן החילוץ המוקצב ומקום במקום מחומם של GC/MS לצורך תספיגה תרמית וניתוח.
   1. הפעל את שיטת GC/MS המתאימה למתחם המשמש ב- COMPS¹⁶.
6. עבור כמות, השווה את אזור השיא שנוצר לעקומת כיול^{חיצונית 16 ו/או תקן פנימי 17 בהתאם} לשיטה ולעיצוב הניסיוני.
   הערה: 1) בדוגמה זו, נעשה שימוש במכולות מדגם מתכת מרופדות אפוקסי, אך סוגים אחרים של מכולות יהיו מתאימים גם הם. כדי להשוות ישירות את זמינות הריח להערכות חוש הריח של שדה, עדיף להשתמש באותו מיכל, שנוקה בין כל בדיקה, עבור שני הניסויים; 2) לקבלת תוצאות לשחזור, יש לשמור על כל ההיבטים של הליך הדגימה בכל ניסויי השכפול, כולל אך לא רק זמן שיווי משקל, זמן החילוץ של SPME, סוג וגודל מיכל ותנאים סביבתיים (כלומר, טמפרטורה ולחות).

4. אחסון COMPS

1. מניחים COMPS יחיד בשקית מחסום מתכתית (3.5 x 4.5 אינץ') וחום-אטם לסגור, הסרת אוויר רב ככל האפשר מהשקית לפני איטום(איור 1B).
2. יש לאחסן בתנאי סביבה קרירים או בקירור, אך לא מתחת או קרוב להקפאה כדי למנוע היווצרות של עיסוק כאשר ה-COMPS מפשיר.
3. אם בדיקת odorants מרובים או שיעורי משלוח ריחן בניסוי אחד, בלימה משנית מומלץ לחסל כל זיהום צולב אפשרי במהלך תחבורה ואחסון.
   1. מקום לשכפל שקיות מחסום מרובות כל המכיל COMPS בודדים של אותו analyte וקצב חודר בשקית חיצונית, גדולה יותר מתכת או צנצנת זכוכית לאחסון והובלה.

5. בדיקת חוש הריח שדה

הערה: בדיקות חוש הריח יכולות להתבצע בדרכים רבות ושונות בהתאם לחיה שנבדקו, למטרת הניסוי ולתנאים הסביבתיים. הפרוטוקול שלהלן מתאר דרך בדיקה אחת כזו. יש לבחון תחילה את כל הניסויים בבעלי חיים ואושרו על ידי ועדה מוסדית לטיפול בבעלי חיים ולשימוש (IACUC).

1. תחילה, צור COMPS שליטה ריקה או שלילית כמתואר לעיל. הפוך מספיק כדי שכל מכולה בתרחיש הבדיקה תכיל COMPS חילוף (2-3 בהתאם למספר בעלי החיים המעורבים בניסוי). ארזו את כל COMPS הריק יחד בבלימה משנית (כלומר, שקית מתכת גדולה יותר או צנצנת זכוכית עם מכסה איטום).
2. צור COMPS טרי לפי הצורך עבור פרוטוקול בדיקת השדה המיועד. לחסל את כל מקורות הזיהום האפשריים בין COMPS והשקית מתכתית. זה יכול להתבצע על ידי שינוי קבוע של כפפות וניקוי של משטח העבודה במעבדה.
3. אחסן את COMPS למשך יום אחד לפחות לפני השימוש כדי לאפשר שוויון. אחסן את כל השכפולים באותו גורם מכיל משני. עם זאת, COMPS שונים צריכים להיות בגורמים מכילים משניים נפרדים.
4. כדי להגדיר בדיקת חוש הריח הבסיסית של הכלבים, קבעו שורות מרובות של לפחות חמישה מכולות זהות (לדוגמה, מיכלי מתכת, תיבות), כאשר מספר הקווים תלוי במספר המשתנים שנבדקו.
   1. הגדר את הניסיון כך שכל שורה תכיל גורם מכיל אחד עם COMPS היעד וארבע עם COMPS ריק. קווי בקרה חיוביים, שהוכנו באותו אופן אך עם ריח יעד ידוע, עשויים לשמש בהתאם לתרחיש הניסוי, האימון או הבדיקה. פקד שלילי נוסף או שורה ריקה אמורים להכיל חמישה COMPS ריקים ולא יעדים. הזמן קו בקרה שלילי זה, קו בקרה חיובי (אם משתמש) וקווי בדיקה באקראי, ושנה את הסדר באמצעות מחולל מספרים אקראי עבור כל בדיקת חוש הריח של הכלב כמעשית עבור תרחיש הבדיקה.
      1. כלול גם ריח מסיח דעת/חומר אחד לכל שורה.
      2. אקראי את הסדר והמיקום של היעד ואת ריחות מסיח את הדעת בכל שורה עבור כל נבדק באמצעות מחולל מספרים אקראי.
5. כדי להכין את המכולות, הסר COMPS מהמכלים המשניים והחוץיים, והנח רק את התיק הניתן לתקרה במיכל הניסיון.
   1. אפשר COMPS לשוויון במכל לפחות 30 דקות לפני הבדיקה.
   2. חזור על שלבים עבור כל COMPS בשימוש בבדיקה, החל כדורי סרק, ואחריו פקדים חיוביים (אם משתמשים), ולאחר מכן בדיקת ריחות, החלפת כפפות בכל פעם.
      הערה: דוגמאות מפורטות של תרחישי בדיקת ים ניתן^{למצוא סיימון} ואח '.

תוצאות

המטרה העיקרית של שימוש COMPS בבדיקות ריח / אימון היא לשלוט על שחרורם של odorants שנבחר ולספק כמות מבוקרת של ריח על פני משך הבדיקה או אימון. שחרור Odorant נמדד על ידי ניתוח כבידתי במונחים של אובדן המוני לכל זמן יחידה. איור 2 נותן דוגמה לתוצאות כבידתיות מחלחל של שלושה COMPS זהים שהוכנו מ 5 μL...

Discussion

מערכות חריצים מבוקרות של ריח מחקה (COMPS) נוצרות בקלות על ידי איטום ריח של עניין לתוך שקית חדיר. ניתן לעשות זאת על ידי הצבת תרכובת נוזלית מסודרת על חומר סופג ולאחר מכן הכנסת החומר סופג לתוך התיק; על ידי הצבת תרכובת טהורה^{ומוצקה ישירות לתוך התיק 4,}כפי שנעשה במקרה של piperonal⁸

Materials

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