Name: fast and accurate exhaled breath ammonia measurement
Uploaded: 2014-06-11T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 27 s
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著者らは、全米科学財団（NSF）からの財政支援は、「健康と環境のための中間赤外線テクノロジー（MIRTHE）」と題されたEEC-0540832を付与認める

楽器の1。準備<ol><li>アンモニア光学センサープラットフォーム、レーザーダイオード·コントローラ、カスタム構築された制御電子ユニット（CEU）、ブレスサンプラー、空気ポンプ、およびラップトップに外部電源をオンにします。 </li><li>アンモニアセンサーの両方の排気と冷却ファンが動作していることを確認してください。注：一つは、センサの背面に位置しており、第二は、簡単にアクセスでき、センサ内に発見された。 </li><li>音響検出モジュールとニードル弁の温度は、アンモニアセンサボックスの側に位置するデジタル表示を確認することによって38.0℃であることを確認します。センサーは、温度が安定するまでの電力を供給されてから約35分待ちます。 </li><li>息サンプラーのデスクトップに見られるアイコン名「ChangeT」をクリックして、55℃に入口チューブとマウスピースの温度を設定します。その後、温度を「UPDをクリックして、続いて、上または下矢印をクリックすることで変更することができます&quot;温度を食べた。デスクトップに戻るには、「終了」をクリックしてください。温度が安定するためのシステムは、少なくとも5分を許可します。 55℃でのサンプラとチューブの温度を維持することは、アンモニアの表面損失を最小限にする。 </li><li>アンモニアセンサーを制御ノートパソコンにソフトウェアを開きます。プログラムは、デスクトップ上の「NH 3ブレスセンサープログラム」という名前のフォルダ内でアクセスすることができます。このフォルダの中には、ユーザーはアイコン「主LabVIEWソフトウェア」を選択する必要があります。このフォルダには、いくつかのアプリケーションが含まれていますが、ユーザは、所望のインタフェースにアクセスするには、 &quot;Mainsequence.vi」を選択する必要があります。画面の左上隅に「ファイル名を指定して実行」を選択します。注：これは、キャリブレーション·シーケンスをロックする行を開始します。 QEPASモニターのレーザーは、自動化ラインロック手順の間に選択された最適な電流、で動作します。このプロセスには、約25分かかります。 </li><li>サンプラー上で新しいセッションを作成するように、EACH対象セッションが接続されたフラッシュドライブに保存されている独自のファイルを持っています。注：これは、サンプラーのデスクトップ上に見られるプログラム「ブレスサンプラー」を開くことによって実行されます。適切にセッションを識別するためにスペースがあります。セッション中に生成されたすべてのデータは、この識別子の下にフラッシュドライブに保存されます。実験の日は、典型的には、ファイル名の一部として使用される。入口とマウスピースの温度が息サンプリングプログラムに入る前に調整する必要があります。 </li><li>インレットパイプに新たな使い捨てのマウスピースを挿入します。指からのアンモニアでマウスピースの汚染を避けるため使い捨て手袋を着用してください。 </li></ol> 2。呼気サンプル集注：関連する治験審査委員会（倫理委員会）は、ヒト被験者を含む任意の研究を承認する必要があります。大幅に息アンモニアに影響を与えることができる多くの要因がある。これらの要因は、直接で息アンモニア測定を変更することができます全身アンモニアレベルをffectingまたは計測への肺からの呼気の代謝産物の旅に影響を与えることによって。 <ol><li>被験者が到着時に約12時間、彼らが試験前に練習から朝を控えていることは、食品を消費していないた、絶食状態で研究室に到着したことを確認してください。 </li><li>全く物質がデータ収集の前に、少なくとも1時間、口の中に導入されていないことを確認してください。被験者は試験前より大きく、1時間歯を磨くことを確認してください。 </li><li>アンモニアセンサの前方に被写体を着座。インレットパイプを保持し、彼らはアンモニアの混入を避けるために、マウスピースには触れていないことを確認するために対象を指示する。 </li><li>サンプラーインターフェイス上で「スタート」をクリックします。対象は限りができますようにのためにマウスピースに息を吐く、またはオペレータは、試料が十分であることがあると判断されるまできた。注：これは、少なくとも10秒間持続する単一のフル呼気である。口の圧力が代理としてリアルタイムで測定される流量用。色分けされた圧力計は、対象の食材を助けるし、50ml /秒の呼気流量を表し水10cmの所望の呼気圧力を維持する。それは、Fe NOを決定するためのプロトコルのためにATS / ERSによって採用されているので、この流量を選択した。この呼気流量は、子供と大人で達成可能である。同様に再現可能な呼気3は、10％未満だけ異なることを得られるべきである。 </li><li>呼気サンプルが完了すると、サンプラーインターフェイス上で「停止」をクリックしてください。 </li></ol> 3。呼気サンプル測定<ol><li>呼気サンプルが分析された後、モニタを動作させる検査技師は、その呼吸プロファイルの任意のセグメントを分析する能力を有する。関心のある息の一部が第III相セグメントです。これは、二酸化炭素の濃度の「プラトー」を特徴とし、ティンバーの後期に中央に見出されるATH。 </li><li>二酸化炭素台地を開始し、息の圧力低下が前に右停止するサンプラーインターフェイス上で縦線をドラッグすることで、試料の第III相の部分を選択します。明確化のため、図1を参照してください。 </li><li>サンプラータッチスクリーンインターフェース上で「ストア」をクリックして、フラッシュドライブにデータを保存します。 </li><li>呼気データが格納されると、ユーザは、新たな呼気サンプルを開始するために「開始」を選択することができる。 </li></ol> 4。ブレスアンモニアに口リンスし、pHの影響を示す<ol><li>ベースラインのアンモニアレベルを確立する3呼吸をサンプリングします。呼吸が離れてから少なくとも5分を取っていることを確認します。 </li><li> 60秒間、30mlの水の分量で十分に口をすすぐ。 </li><li>リンス（第2）の60秒以内に呼気サンプルを収集します。時間をかけてアンモニアの変化を観察するために次の1時間にわたって呼気サンプルを収集します。注：サムplesは毎分ほど頻繁に撮影することができますが、長い間隔は、一般的に使用されている。 </li><li> 60秒を繰り返し4.2.1のための基本的な溶液（水中の炭酸水素ナトリウム）の30ミリリットル分量で十分に口をすすぐ。 </li><li> 60秒を繰り返し4.2.1酸性溶液30ml分量で十分に口をすすぐ。 </li></ol> 5。ブレスアンモニアに入口と輸送管温度の影響を示す<ol><li>入口温度を15分かけてサンプルを3呼吸、体温、約30℃未満に設定</li><li>息サンプラーのタッチスクリーンインターフェース上でデスクトップアイコンを使用して、それぞれ55℃に入口と輸送管の温度を上げる。少なくとも5分間、システムが定常状態に達することを可能にする。 </li><li>サンプル3呼吸、加熱された注入口に離れて5分。 </li></ol>

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Dr. Risby serves as a consultant for Loccioni Humancare the manufacturer of the breath sampler.

リアルタイムで微量代謝物を検出することが可能な非侵襲的手順の利点は明白である。しかし、息研究のフィールドは、この潜在能力を発揮するために苦労している。息の測定は、多くの交絡因子に対して脆弱動的なプロセスである。我々のアプローチは重要な強みを持っている：具体的には、息をサンプラーに接続されたライスQEPAS基づくアンモニアモニターの感度および速度を正確に測定するに密接息コレクション因子を評価し、特定することが可能となっています。このアプローチは非常に信頼性が高い。例えば、いくつかの予備実験の後、最近の実験のために収集し、ほぼ500個々の呼吸データ点の各々は、予想される結果と一致していた9。 呼気アンモニアに影響を与える様々な要因がよりよく理解されるまでには、到着前に被験者に徹底的かつ均一な指示を提供することが重要である。現在、我々は一般的に被験者に依頼速い朝の収集のための真夜中の後に、前の表示に1時間よりも大きな歯を磨いて、運動、喫煙、または石油燃料で自動車を充填を避ける。データ収集（ 例えば 、高繊維Vの低い繊維）は、我々が確立していない前に、私たちは様々な食品の夜をレジメンを評価しているものの、そのダイエット納得のいくように影響を与えるベースライン·データのテストの朝。朝のコレクションには、未知の理由13で発生するように見える見かけ日変化の影響を最小限に抑える。 呼気アンモニア収集のための他の同様に有効であるかの優れた方法があるかもしれません。これは、前の呼気コレクションに設定された時点での標準的なすすぎはまた、全身レベルを反映している可能性があり、口腔粘膜、アンモニアの有用な測定をもたらすことができること、例えば、可能である。別の経路は、口腔内を放棄し、鼻アンモニアまたは両方10,14を測定することであるかもしれません。この後者のアプローチは、foの必要性をなくすことができRインターフェイスサンプラー。関係なく、任意の方法を慎重に湿度、温度、pH、流量、並びに口腔咽頭生物を含む、この揮発性代謝産物に関連する技術的な種々の要因を考慮する必要がある。 当然、測定方法についての仮定および判断は、データ分析上の重要なベアリングを持っています。私たちは、圧力と二酸化炭素が品質管理の重要な側面であると考えています。しかしながら、測定された、または二酸化炭素調整されたアンモニアは、ppb以下ピコモルなどの単位で報告されるべきかどうか、例えば、一定ではない。より多くの経験と自信は、エラーの様々な技術的な情報源で得ているように、データ分析における現職複雑な考察は大きな焦点に来て、この非常に挑戦的な生物学のよりよい理解を推進します。 （ 図2：ランダムおよび非ランダムエラーA生物付帯現象またはBに対する真の生物学的変動を測定する異常な呼吸。。。口腔/鼻因子またはCとD。機器の性能。） <img alt="図2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51658/51658fig2highres.jpg" width="500" /> 図2。アンモニアモニタに息インターフェイスに患者のダイアグラム。 A）試験し、されるべき患者はまた、呼気収集プロセスのほとんど予測できない部分である。患者の食事、運動、喫煙習慣データ収集に大きな影響を持つことができます。B）呼気呼気ので呼吸を標準化する方法が重要であり、人から人への変数です。肺からの空気の望ましい流れを提供するために視覚的な手がかりを提供すること。C）ブレスインタフェース装置が密接に呼気一貫性Bに関連して、均一な呼気を維持するためにうまく機能する被験体と比較する上で重要な因子である。息サンプラーINTEデータポートは、ユーザーがリアルタイムで様々な呼気サンプルのパラメータを表示することができます。D）アンモニアモニタは異なる技術で現れ得る。石英強化光音響分光法は、呼気分析のための理想的であると考えられ、多くの固有の利点を持っています。 <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/51658/51658fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> 本発明の方法に重要な制限は確認をする必要があります。サンプラーは、比較的安価でポータブルですが、現在設定され、アンモニアモニタは、、もありません。その結果、対象者は、我々が簡単に診療所に当社の機器を移動することはできませんように、私たちの専用ブレス研究スペースに来る必要があります。この要因は、被験者の呼吸が単一の長い息を吐くことを要件と一緒に、被験者は研究することができる影響（肝硬変、キーターゲット人口すなわち病気の患者は、多くの場合、PRACですtically）は除外。我々は唯一つのモニタを持っているので、さらに、我々は現実的に与えられたプロトコルで研究することができる対象の数が限られている。次に、これは、サンプルサイズおよび電力に影響を与える。 上述したように、一酸化窒素のコレクションは米国胸部学会と欧州呼吸器学会の共同の努力によって標準化されました。複数のグループが息のアンモニア測定の発展に重要な貢献をしているかの息のアンモニアのための同等の条項には、現在ありません。全般、特にアンモニア中の微量の呼吸代謝測定に関する文献は15を進化させ続けており、確かに多くの修正や今後の改善があるでしょう。 、小さく、よりポータブルで安価なモニタが成功した多施設臨床試験のために重要である。

アンモニアは、タンパク質代謝の1ユビキタス副産物である。アンモニア測定は、したがって、臨床医は、様々な疾患と健康状態2の評価に役立つことができます。しかし、アンモニアは、非常に反応性であるので、血液または呼気を介して、正確に測定することは困難である。一般的に使用されるものの、血アッセイ精度3についての基本的な問題を含む多数の欠点を有する。しかし、血アッセイの主要な問題は、彼らが唯一のこれまで気まぐれに収集現実である。アンモニア生理学は、多くの血中グルコースおよび他の多くの代謝プロセスと同様に、流体、これまで4を変化させるので、これは重要である。対照的に、息アッセイは容易反復測定を可能にする、完全に非侵襲的かつ迅速である。それはユニークな方法で深刻なアンメットニーズに対処することができるので、このようにして、息のアンモニア測定は魅力的です。 呼気収集しかしながら、ユニークな問題を提示する。瀉血は本質jeoを運ぶ一方、呼吸の変動、口腔粘膜による汚染：いくつかの予測できない方法（などなど 、止血時間、汗汚れ、血球溶血、実験室での測定が遅れ、5）、呼気測定の研究者が新たな挑戦の別のグループと競合しなければならないの誤差のpardyまたは細菌、アンモニア、周囲の空気と装置湿度や温度の影響など6。確かに、それは未知の生物を発見する実験手順を使用して人間に実験装置を接続する作業を過小評価することは賢明ではありません。これらの障害に起因する部分では、息のアンモニアは、まだその可能性を満たしていません。 ここで、我々は、高速かつ正確な結果を得るために私たちの息のアンモニア測定プロトコルを提示する。モニター、インターフェイスサンプラー、人間の影響に注意：我々のプロトコルは、3つの分野での強さを持っています。モニターは、前述の7のようにライス大学の同僚によって建てられました。 MEAの基礎surementは、石英強化光音響分光法（QEPAS）音響トランスデューサ圧電水晶音叉を採用している手法である。音響波が目標微量ガス種によって変調されたレーザー放射の吸収により生成されるときに光音響効果が生じる。微量気体を音響的に変調された周波数に共振する音響セルを用いて検出される。アンモニアの吸収波長は息種を妨害するからスペクトル干渉がないことを選択しました。人間の呼気測定の目的のためには、モニターの主な特徴は、広い測定範囲（十億分〜50部から、少なくとも5000 PPBにPPB）と速度（1秒の測定）が含まれています。モニターの速度は呼吸サイクル全体で時間分解能を可能にします。 モニタは、特別に設計された呼気サンプラに結合される。サンプラーは、圧力センサとカプノグラフから構成されています。これは、リアルタイムで表示され、アーカイブ口の圧力と二酸化炭素だけでなく、センサーによって決定アンモニア濃度を測定。このサンプラは、したがって、呼気が収集されるように呼吸努力の品質を評価する技術者を可能にする。これは米国胸部学会/欧州呼吸器学会（ATS / ERS）8のタスクフォースによって提案された呼気の一酸化窒素（NO鉄） を分析するための勧告を超えてすることを可能にします。すべての息サンプリングのため、使い捨てのワンウェイのインラインバルブが息サンプラーの口ポートで使用されました。 なぜならサンプラーが提供するモニターと品質管理の速度、我々は慎重に9人の影響を評価することができました。呼吸するように指示されると、ほとんどの被験者は、例えば、当初は過換気。このような経口のpHや口リンス、サンプラー、モニターおよび関連するすべての配管の温度、および呼吸のモードなど、他の重要な影響は、後に研究し、FO基礎である下記R実例実験。 最後に、そしておそらく最も顕著には、複数の経験豊富な基は完全に異なるセンサ及び測定手順を用いて呼気アンモニアを測定していることを強調しなければならない。これらは重要な利点と有効性を持つことができる。完全な比較は本研究10,11,12の範囲を超えている。

<table><tbody><tr><td>Rice Ammonia Monitor System</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Not available for commercial purchase</td></tr><tr><td>Loccioni Breath Sampler</td><td>Loccioni Humancare</td><td>N/A</td><td>Single breath version</td></tr><tr><td>Disposable Mouth Piece</td><td>WestPrime Healthcare</td><td>G011-200</td><td>Manufacturer is AlcoQuant</td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Lenovo</td><td>N/A</td><td>Old model no longer sold by manufacturer</td></tr><tr><td>Acid Rinse</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Household acidic drink (coffee, soft drink, citrus juices, etc)</td></tr><tr><td>Base Rinse</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Water mixed with a nonexact amount of sodium bicarbonate (Arm &amp;amp; Hammer Baking Soda)</td></tr><tr><td>Neutral Rinse</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Water</td></tr></tbody></table>

fast and accurate exhaled breath ammonia measurement

This exhaled breath ammonia method uses a fast and highly sensitive spectroscopic method known as quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) that uses a quantum cascade based laser. The monitor is coupled to a sampler that measures mouth pressure and carbon dioxide. The system is temperature controlled and specifically designed to address the reactivity of this compound. The sampler provides immediate feedback to the subject and the technician on the quality of the breath effort. Together with the quick response time of the monitor, this system is capable of accurately measuring exhaled breath ammonia representative of deep lung systemic levels. 
Because the system is easy to use and produces real time results, it has enabled experiments to identify factors that influence measurements. For example, mouth rinse and oral pH reproducibly and significantly affect results and therefore must be controlled. Temperature and mode of breathing are other examples. As our understanding of these factors evolves, error is reduced, and clinical studies become more meaningful. This system is very reliable and individual measurements are inexpensive. 
The sampler is relatively inexpensive and quite portable, but the monitor is neither. This limits options for some clinical studies and provides rational for future innovations.

被験者は、ベースライン呼気アンモニアレベルの広い範囲を生成することが期待できる。健康な人は、100〜1,000 PPBの呼気アンモニア測定で一日を始めることができる。任意の流体で口をすすぐことは、すぐに検出可能な呼気アンモニアの量を変更します。中性および酸性の液は、通常、半分以上で観察されるアンモニアの量を削減する。すすぎの効果が切れるようにこれらのレベルは、その後ベースラインに戻る。水の影響は、酸が2以上の時間を最小限に検出可能な息のアンモニアを保つことができますが、15分以内に放散しているようだ。重炭酸ナトリウムなどの塩基性リンスは、20分かけてベースラインに戻る前に、検出可能な呼気アンモニアの量を二倍または三倍になります。注目すべきことに、過酸化水素は複数の他の回のすすぎより呼気アンモニアに影響を与えていないようです。このように、口腔内細菌は息アンモニア測定に大きく寄与していることをしていないようです。 注意AとしてBOVE、アンモニアセンサに結合されたサンプラーは、技術者が呼気サンプルの品質を評価するために使用できる連続データを提供する。口の圧力と二酸化炭素が呼気サンプルの検証に使用される呼気の二つの特徴があります。口の圧力がサンプラーに肺からの空気の流れを代理として機能します。技術者は、被験者が、モニターには、目的の代謝物を含む、肺胞の空気の十分な流れを提供していることを確実にする必要があります。技術者は、水の9〜10.5センチメートルの正常な口の圧力範囲を想定する必要があります。呼気は、口腔内圧の標準偏差で現れる10月20日秒にわたって非常に安定している必要があります。品質の息の標準偏差は、水1、CM下にする必要があります。 それは呼気の過程を詳しく評価することができるように炭酸ガス測定も重要である。フェーズIの間に、呼気が開始され、吐き出されたガスの組成は、事前で構成されています支配的な解剖学的死腔空気（約21％の酸素、0.03％の二酸化炭素、78％窒素、および0.5％の水）、すなわち 、前回の呼吸周期の吸入相の間で空気が吸い込まれた。フェーズIIの間、肺胞ガスが解剖学的死腔に入り、その二酸化炭素の濃度が上昇する結果が急速に残留デッドスペースの空気と混合する。呼気中の二酸化炭素濃度は、フェーズIIIの呼気ピーク値（終末呼気濃度）の間に、よりゆっくりではあるが、上昇し続けて静脈血中の二酸化炭素濃度に対応する。第III相中の二酸化炭素濃度のこの段階的な上昇は、デッドスペースの空気の残りは、肺胞ガスの混合によるものであり、歯槽嚢の排出を遅らせることになっている。フェーズIIIの終わりに息の組成物は、約13％の酸素、5％二酸化炭素、窒素78％、および4％の水である。ティンバーのフェーズIII部分の間の二酸化炭素濃度ATHは30〜40 mmHgの範囲であり得る。第III相は、これらのCO 2濃度が（ 図1A〜D）をプラトー場所に対応します。 <img alt="図1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51658/51658fig1highres.jpg" width="500" /> 図1：種々の条件のための呼吸データの位相III部分を統合呼気サンプル。 1A）の呼吸データの第III相部分を統合し、一般的な呼気サンプル。緑と赤の垂直線は、線が分析されるべきであるスパンを設定する。呼気の最初の部分は無視されます。1B）を酸性のリンスは息のアンモニアに及ぼす影響。 NH 4 +へのNH 3の転換は劇的に検出可能なアンモニアの量を低下させる。 1Cに見られるようにサンプリングされた呼気中の肺胞アンモニアの減少が流れ、結果を減少させた。減少した流れは、nを行いますotのできるだけ多く肺胞の空気が図1d）相I、II、およびIIIを統合呼気サンプルをサンプリングすることを可能にする。解析における位相IとIIを含めることは、かなりアンモニアと二酸化炭素を低下させる。これは、全身のアンモニアの不正確な反映である。 <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/51658/51658fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> ほとんどの被験者は最初の試行で許容息を生成することができる。しかし、一部の被験者は息の繰り返しが必要になります。また、圧力および二酸化炭素これらはまた、データ解析で考慮することができ、記録されている。

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Fast and Accurate Exhaled Breath Ammonia Measurement

Ammonia is an important physiologic metabolite relevant to various disease and wellness states. It is also a difficult molecule to measure in breath, which demands particular precautions be taken to obtain accurate results. Not all factors influencing ammonia are known, but progress can be difficult without accounting for these factors.

高速かつ正確な呼気アンモニア測定

This exhaled breath ammonia method uses a fast and highly sensitive spectroscopic method known as quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) that ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Medicine

13.2K ビュー.  St. Luke's University Hospital. Ammonia is an important physiologic metabolite relevant to various disease and wellness states. It is also a difficult molecule to measure in breath, which demands particular precautions be taken to obtain accurate results. Not all factors influencing ammonia are known, but progress can be difficult without accounting for these factors.

ビデオ: Fast and Accurate Exhaled Breath Ammonia Measurement

The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

Ruminant animals (domesticated or wild) emit methane (CH4) through enteric fermentation in their digestive tract and from decomposition of manure during storage. These processes are the major sources of greenhouse gas (GHG) emissions from animal production systems. Techniques for measuring enteric CH4 vary from direct measurements (respiration chambers, which are highly accurate, but with limited applicability) to various indirect methods (sniffers, laser technology, which are practical, but with variable accuracy). The sulfur hexafluoride (SF6)&#160;tracer gas method is commonly used to measure enteric CH4 production by animal scientists and more recently, application of an Automated Head-Chamber System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), which is the focus of this experiment, has been growing. AHCS is an automated system to monitor CH4 and carbon dioxide (CO2) mass fluxes from the breath of ruminant animals. In a typical AHCS operation, small quantities of baiting feed are dispensed to individual animals to lure them to AHCS multiple times daily. As the animal visits AHCS, a fan system pulls air past the animal&#8217;s muzzle into an intake manifold, and through an air collection pipe where continuous airflow rates are measured. A sub-sample of air is pumped out of the pipe into non-dispersive infra-red sensors for continuous measurement of CH4 and CO2 concentrations. Field comparisons of AHCS to respiration chambers or SF6 have demonstrated that AHCS produces repeatable and accurate CH4 emission results, provided that animal visits to AHCS are sufficient so emission estimates are representative of the diurnal rhythm of rumen gas production. Here, we demonstrate the use of AHCS to measure CO2 and CH4 fluxes from dairy cows given a control diet or a diet supplemented with technical-grade cashew nut shell liquid.

The Use of an Automated System GreenFeed to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

Accuracy and precision of the techniques used to measure methane emissions from ruminant animals are critically important for the success of greenhouse gas mitigation efforts. This manuscript describes the principles and operation of an automated system to monitor methane and carbon dioxide mass fluxes from the breath of ruminant animals.

腸内のメタンと反芻動物からの二酸化炭素排出量を監視するために、自動システム（GreenFeed）の使用

Ruminant animals (domesticated or wild) emit methane (CH4) through enteric fermentation in their digestive tract and from decomposition of manure during ...

環境学

Calibrated Passive Sampling - Multi-plot Field Measurements of NH3 Emissions with a Combination of Dynamic Tube Method and Passive Samplers

Agricultural ammonia (NH3) emissions (90% of total EU emissions) are responsible for about 45% airborne eutrophication, 31% soil acidification and 12% fine dust formation within the EU15. But NH3 emissions also mean a considerable loss of nutrients. Many studies on NH3 emission from organic and mineral fertilizer application have been performed in recent decades. Nevertheless, research related to NH3 emissions after application fertilizers is still limited in particular with respect to relationships to emissions, fertilizer type, site conditions and crop growth. Due to the variable response of crops to treatments, effects can only be validated in experimental designs including field replication for statistical testing. The dominating ammonia loss methods yielding quantitative emissions require large field areas, expensive equipment or current supply, which restricts their application in replicated field trials. This protocol describes a new methodology for the measurement of NH3 emissions on many plots linking a simple semi-quantitative measuring method used in all plots, with a quantitative method by simultaneous measurements using both methods on selected plots. As a semi-quantitative measurement method passive samplers are used. The second method is a dynamic chamber method (Dynamic Tube Method) to obtain a transfer quotient, which converts the semi-quantitative losses of the passive sampler to quantitative losses (kg nitrogen ha-1). The principle underlying this approach is that passive samplers placed in a homogeneous experimental field have the same NH3 absorption behavior under identical environmental conditions. Therefore, a transfer co-efficient obtained from single passive samplers can be used to scale the values of all passive samplers used in the same field trial. The method proved valid under a wide range of experimental conditions and is recommended to be used under conditions with bare soil or small canopies (&#60;0.3 m). Results obtained from experiments with taller plants should be treated more carefully.

Calibrated Passive Sampling - Multi-plot Field Measurements of NH3 Emissions with a Combination of Dynamic Tube Method and Passive Samplers

Ammonia emissions are a major threat to the environment by eutrophication, soil acidification and fine particle formation and stem mainly from agricultural sources. This method allows ammonia loss measurements in replicated field trials enabling statistical analysis of emissions and of relationships between crop development and emissions.

キャリブレーションされたパッシブサンプリング - NHのマルチプロット場計測<sub&gt; 3</sub&gt;ダイナミックチューブ法の組み合わせによる排出量およびパッシブサンプラー

Agricultural ammonia (NH3) emissions (90% of total EU emissions) are responsible for about 45% airborne eutrophication, 31% soil acidification and 12% ...

Automated, High-resolution Mobile Collection System for the Nitrogen Isotopic Analysis of NOx

Nitrogen oxides (NOx = NO + NO2) are a family of atmospheric trace gases that have great impact on the environment. NOx concentrations directly influence the oxidizing capacity of the atmosphere through interactions with ozone and hydroxyl radicals. The main sink of NOx is the formation and deposition of nitric acid, a component of acid rain and a bioavailable nutrient. NOx is emitted from a mixture of natural and anthropogenic sources, which vary in space and time. The collocation of multiple sources and the short lifetime of NOx make it challenging to quantitatively constrain the influence of different emission sources and their impacts on the environment. Nitrogen isotopes of NOx have been suggested to vary amongst different sources, representing a potentially powerful tool to understand the sources and transport of NOx. However, previous methods of collecting atmospheric NOx integrate over long (week to month) time spans and are not validated for the efficient collection of NOx in relevant, diverse field conditions. We report on a new, highly efficient field-based system that collects atmospheric NOx for isotope analysis at a time resolution between 30 min and 2 hr. This method collects gaseous NOx in solution as nitrate with 100% efficiency under a variety of conditions. Protocols are presented for collecting air in urban settings under both stationary and mobile conditions. We detail the advantages and limitations of the method and demonstrate its application in the field. Data from several deployments are shown to 1) evaluate field-based collection efficiency by comparisons with in situ NOx concentration measurements, 2) test the stability of stored solutions before processing, 3) quantify in situ reproducibility in a variety of urban settings, and 4) demonstrate the range of N isotopes of NOx detected in ambient urban air and on heavily traveled roadways.

Automated, High-resolution Mobile Collection System for the Nitrogen Isotopic Analysis of NOx

Previous work suggests that the nitrogen isotopic composition of atmospheric nitrogen oxides might distinguish the influence of different sources in the environment. We report on an automated, mobile, field-based method for the high collection efficiency of atmospheric NOx for N isotopic analysis at an hourly time resolution.

NOの窒素同位体分析のための自動化、高解像度モバイル収集システム<sub&gt; X</sub

Nitrogen oxides (NOx = NO + NO2) are a family of atmospheric trace gases that have great impact on the environment. NOx concentrations directly influence ...

Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas industry faces continued scrutiny for methane emissions from across the supply chain, due to methane&#39;s relatively high global warming potential (25-84x that of carbon dioxide, according to the Energy Information Administration). Currently, a variety of techniques of varied uncertainties exists to measure or estimate methane emissions from components or facilities. Currently, only one commercial system is available for quantification of component level emissions and recent reports have highlighted its weaknesses.
In order to improve accuracy and increase measurement flexibility, we have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases based on transportation emissions measurement principles. The FFS is a modular system that consists of an explosive-proof blower(s), mass airflow sensor(s) (MAF), thermocouple, sample probe, constant volume sampling pump, laser based greenhouse gas sensor, data acquisition device, and analysis software. Dependent upon the blower and hose configuration employed, the current FFS is able to achieve a flow rate ranging from 40 to 1,500 standard cubic feet per minute (SCFM). Utilization of laser-based sensors mitigates interference from higher hydrocarbons (C2+). Co-measurement of water vapor allows for humidity correction. The system is portable, with multiple configurations for a variety of applications ranging from being carried by a person to being mounted in a hand drawn cart, on-road vehicle bed, or from the bed of utility terrain vehicles (UTVs). The FFS is able to quantify methane emission rates with a relative uncertainty of &#177; 4.4%. The FFS has proven, real world operation for the quantification of methane emissions occurring in conventional and remote facilities.

Design and Use of a Full Flow Sampling System FFS for the Quantification of Methane Emissions

We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas ...

工学

Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental exposure in a non-invasive manner. In this work, we present a protocol to characterize the exhaled VOCs in real time by using secondary nanoelectrospray ionization coupled to high resolution mass spectrometry (Sec-nanoESI-HRMS). The homemade Sec-nanoESI source was readily set up based on a commercial nanoESI source. Hundreds of peaks were observed in the background-subtracted mass spectra of exhaled breath, and the mass accuracy values are -4.0-13.5 ppm and -20.3-1.3 ppm in the positive and negative ion detection modes, respectively. The peaks were assigned with accurate elemental composition according to the accurate mass and isotopic pattern. Less than 30 s is used for one exhalation measurement, and it takes approximately 7 min for six replicated measurements.

A protocol for characterizing chemical composition of exhaled breath in real time by using secondary nanoelectrospray ionization coupled to high resolution mass spectrometry is demonstrated.

高分解能質量分析に結合された二次 Nanoelectrospray イオン化を用いたリアルタイム呼吸解析

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental ...

化学

Measurement of the Potential Rates of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium Based on 14NH4+/15NH4+ Analyses via Sequential Conversion to N2O

The importance of understanding the fate of nitrate (NO3&#8722;), which is the dominant N species transferred from terrestrial to aquatic ecosystems, has been increasing because global nitrogen loads have dramatically increased following industrialization. Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) and denitrification are both microbial processes that use NO3&#8722; for respiration. Compared to denitrification, quantitative determinations of the DNRA activity have been carried out only to a limited extent. This has led to an insufficient understanding of the importance of DNRA in NO3&#8722; transformations and the regulating factors of this process. The objective of this paper is to provide a detailed procedure for the measurement of the potential DNRA rate in environmental samples. In brief, the potential DNRA rate can be calculated from the 15N-labeled ammonium (15NH4+) accumulation rate in 15NO3&#8722; added incubation. The determination of the 14NH4+ and 15NH4+ concentrations described in this paper is comprised of the following steps. First, the NH4+ in the sample is extracted and trapped on an acidified glass filter as ammonium salt. Second, the trapped ammonium is eluted and oxidized to NO3&#8722; via persulfate oxidation. Third, the NO3&#8722; is converted to N2O via an N2O reductase deficient denitrifier. Finally, the converted N2O is analyzed using a previously developed quadrupole gas chromatography&#8211;mass spectrometry system. We applied this method to salt marsh sediments and calculated their potential DNRA rates, demonstrating that the proposed procedures allow a simple and more rapid determination compared to previously described methods.

Measurement of the Potential Rates of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium Based on 14NH4+/15NH4+ Analyses via Sequential Conversion to N2O

A series of methods to determine the potential DNRA rate based on 14NH4+/15NH4+ analyses is provided in detail. NH4+ is converted into N2O via several steps and analyzed using quadrupole gas chromatography&#8211;mass spectrometry.

N2Oへの逐次変換による14NH4+/154+ 1415NH4++分析に基づくアンモニウムへの非シミラトリー硝酸還元の電位率の測定

The importance of understanding the fate of nitrate (NO3&#8722;), which is the dominant N species transferred from terrestrial to aquatic ecosystems, has ...

Breath Collection from Children for Disease Biomarker Discovery

Breath collection and analysis can be used to discover volatile biomarkers in a number of infectious and non-infectious diseases, such as malaria, tuberculosis, lung cancer, and liver disease. This protocol describes a reproducible method for sampling breath in children and then stabilizing breath samples for further analysis with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The goal of this method is to establish a standardized protocol for the acquisition of breath samples for further chemical analysis, from children aged 4-15 years. First, breath is sampled using a cardboard mouthpiece attached to a 2-way valve, which is connected to a 3 L bag. Breath analytes are then transferred to a thermal desorption tube and stored at 4-5 &#176;C until analysis. This technique has been previously used to capture breath of children with malaria for successful breath biomarker identification. Subsequently, we have successfully applied this technique to additional pediatric cohorts. The advantage of this method is that it requires minimal cooperation on part of the patient (of particular value in pediatric populations), has a short collection period, does not require trained staff, and can be performed with portable equipment in resource-limited field settings.

This protocol describes a simple method for the acquisition of breath samples from children. Briefly, samples of mixed air are pre-concentrated in sorbent tubes prior to gas chromatography-mass spectrometry analysis. Breath biomarkers of infectious and non-infectious diseases can be identified using this breath collection method.

疾患バイオ マーカーの探索のための子供から息コレクション

Breath collection and analysis can be used to discover volatile biomarkers in a number of infectious and non-infectious diseases, such as malaria, ...

Evaluation of Capnography Sampling Line Compatibility and Accuracy when Used with a Portable Capnography Monitor

Capnography is commonly used to monitor patient&#8217;s ventilatory status. While sidestream capnography has been shown to provide a reliable assessment of end-tidal CO2 (ETCO2), its accuracy is commonly validated using commercial kits composed of a capnography monitor and its matching disposable nasal cannula sampling lines. The purpose of this study was to assess the compatibility and accuracy of cross-paired capnography sampling lines with a single portable bedside capnography monitor. A series of 4 bench tests were performed to evaluate the tensile strength, rise time, ETCO2 accuracy as a function of respiratory rate, and ETCO2 accuracy in the presence of supplemental O2. Each bench test was performed using specialized, validated equipment to allow for a full evaluation of sampling line performance. The 4 bench tests successfully differentiated between sampling lines from different commercial sources and suggested that due to increased rise time and decreased ETCO2 accuracy, not all nasal cannula sampling lines provide reliable clinical data when cross-paired with a commercial capnography monitor. Care should be taken to ensure that any cross-pairing of capnography monitors and disposable sampling lines is fully validated for use across respiratory rates and supplemental O2 flow rates commonly encountered in clinical settings.

The goal of this study was to evaluate the accuracy of capnography sampling lines used in conjunction with a portable bedside capnography monitor. Sampling lines from 7 manufacturers were evaluated for tensile strength, rise time, and ETCO2 accuracy as a function of respiratory rate or supplemental oxygen flow rate.

ポータブル・キャプノグラフィー・モニターで使用した場合の、キャポグラフィー・サンプリング・ラインの適合性と精度の評価

Capnography is commonly used to monitor patient&#8217;s ventilatory status. While sidestream capnography has been shown to provide a reliable assessment ...

医学

Chemiluminescence-based Assays for Detection of Nitric Oxide and its Derivatives from Autoxidation and Nitrosated Compounds

Nitric oxide (NO) activity in vivo is the combined results of its direct effects, the action of its derivatives generated from NO autoxidation, and the effects of nitrosated compounds. Measuring NO metabolites is essential to studying NO activity both at vascular levels and in other tissues, especially in the experimental settings where exogenous NO is administered. Ozone-based chemiluminescence assays allow precise measurements of NO and NO metabolites in both fluids (including plasma, tissue homogenates, cell cultures) and gas mixtures (e.g., exhaled breath). NO reacts with ozone to generate nitrogen dioxide in an excited state. The consequent light emission allows photodetection and the generation of an electric signal reflecting the NO content of the sample. Aliquots from the same sample can be used to measure specific NO metabolites, such as nitrate, nitrite, S-nitrosothiols, and iron-nitrosyl complexes. In addition, NO consumed by cell-free hemoglobin is also quantified with chemiluminescence analysis. An illustration of all these techniques is provided.

Here, we present protocols for detecting nitric oxide and its biologically relevant derivatives using chemiluminescence-based assays with high sensitivity.

自動酸化およびニトロソ化化合物からの一酸化窒素およびその誘導体の検出のための化学発光ベースのアッセイ

Nitric oxide (NO) activity in vivo is the combined results of its direct effects, the action of its derivatives generated from NO autoxidation, and the ...

運動中の肺胞毛細血管予備能の評価

Dual Test Gas Pulmonary Diffusing Capacity Measurement During Exercise in Humans Using the Single-Breath Method

The combined single-breath measurement of the diffusing capacity of carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) is a useful technique to measure pulmonary alveolar-capillary reserve in both healthy and patient populations. The measurement provides an estimate of the participant&#39;s ability to recruit and distend pulmonary capillaries. The method has recently been reported to exhibit a high test-retest reliability in healthy volunteers during exercise of light to moderate intensity. Of note, this technique permits up to 12 repeated maneuvers and only requires a single breath with a relatively short breath-hold time of 5 s. Representative data are provided showing the gradual changes in DL,NO and DL,CO from rest to exercise at increasing intensities&#160;of up to 60% of maximal workload. The measurement of diffusing capacity and evaluation of alveolar-capillary reserve is a useful tool to evaluate the lung&#39;s ability to respond to exercise both in the healthy population as well as in patient populations such as those with chronic lung disease.

著者スポットライト:運動適応と治療戦略における肺胞毛細血管予備能測定の統合

This protocol presents a method to assess pulmonary alveolar-capillary reserve measured by combined single-breath measurement of the diffusing capacity to carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) during exercise. Assumptions and recommendations for using the technique during exercise form the foundation of this article.

単呼吸法を用いたヒトの運動中の二重試験ガス肺拡散容量測定

The combined single-breath measurement of the diffusing capacity of carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) is a useful technique to measure ...

高速かつ正確な呼気アンモニア測定

要約

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腸内のメタンと反芻動物からの二酸化炭素排出量を監視するために、自動システム（GreenFeed）の使用

キャリブレーションされたパッシブサンプリング - NHのマルチプロット場計測

NOの窒素同位体分析のための自動化、高解像度モバイル収集システム

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

高分解能質量分析に結合された二次 Nanoelectrospray イオン化を用いたリアルタイム呼吸解析

_N2Oへの逐次変換による14NH4+/15₄⁺ ¹⁴¹⁵_NH4+⁺分析に基づくアンモニウムへの非シミラトリー硝酸還元の電位率の測定

疾患バイオマーカーの探索のための子供から息コレクション

ポータブル・キャプノグラフィー・モニターで使用した場合の、キャポグラフィー・サンプリング・ラインの適合性と精度の評価

自動酸化およびニトロソ化化合物からの一酸化窒素およびその誘導体の検出のための化学発光ベースのアッセイ

単呼吸法を用いたヒトの運動中の二重試験ガス肺拡散容量測定

高速かつ正確な呼気アンモニア測定

要約

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腸内のメタンと反芻動物からの二酸化炭素排出量を監視するために、自動システム（GreenFeed）の使用

キャリブレーションされたパッシブサンプリング - NHのマルチプロット場計測

NOの窒素同位体分析のための自動化、高解像度モバイル収集システム

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

高分解能質量分析に結合された二次 Nanoelectrospray イオン化を用いたリアルタイム呼吸解析

N2Oへの逐次変換による14NH4+/154+ 1415NH4++分析に基づくアンモニウムへの非シミラトリー硝酸還元の電位率の測定

疾患バイオ マーカーの探索のための子供から息コレクション

ポータブル・キャプノグラフィー・モニターで使用した場合の、キャポグラフィー・サンプリング・ラインの適合性と精度の評価

自動酸化およびニトロソ化化合物からの一酸化窒素およびその誘導体の検出のための化学発光ベースのアッセイ

単呼吸法を用いたヒトの運動中の二重試験ガス肺拡散容量測定

_N2Oへの逐次変換による14NH4+/15₄⁺ ¹⁴¹⁵_NH4+⁺分析に基づくアンモニウムへの非シミラトリー硝酸還元の電位率の測定

疾患バイオマーカーの探索のための子供から息コレクション