Методика определения газового состава подмасочного пространства кислородной маски при проведении барокамерных обследований лиц опасных профессий с помощью масс-спектрометрического комплекса
Романов П.А.1, Федичкин И.Л.1, Дворников М.В.2, Матюшев Т.В.2,Петров М.А.2, Тюкальцев Р.В.1, Филиппов С.В.1
Romanov P.A.1, Fedichkin I.L.1, Dvornikov M.V.2, Matushev T.V.2,Petrov M.A.2, Tukalcev R.V.1, Filippov S.V.1
1.Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург;
2.Научно-исследовательский испытательный центр (авиационно-космической медицины и военной эргономики) (НИИЦ АКМВЭ) Центрального НИИ Военно-воздушных сил Минобороны РФ, Москва
1.Physico-Technical Institute named after A.F. Ioffe RAS, St. Petersburg;
2.Scientific Research Test Center for Aerospace Medicine and MilitaryErgonomic of Central RF Air Forces Scientific Institute, Moscow
Methodology for Determining the Gas Compositionof the Undermask Space of an Oxygen Maskduring Pressure Chamber Examinationsof Persons of Hazardous ProfessionsUsing a Mass-Spectrometric Complex
Аннотация
Была разработана методика, позволяющая анализировать газовый состав подмасочного пространства кислородных масок лётного состава различного типа (КМ-32, КМ-34 или КМ-35) одновременно у двух испытателей при проведении барокамерных подъёмов на различные высоты в процессе обследования или тренировок. Методика включает в себя времяпролётный масс-спектрометр и систему забора пробы, которая предусматривает автоматическое переключение газовых линий между двумя испытателями без перемешивания проб, а также сбор, обработку и регистрацию данных о процентном составе O2, N2, Ar, CO2 в дыхательной смеси, давлении внутри маски, внутри барокамеры и на входе масс-спектрометра, необходимых для расчёта парциального давления газов в режиме реального времени.
Resume
A technique was developed that allows one to analyze the gas composition of the undermask space of oxygen masks of various types of flight personnel (KM-32, KM-34 or KM-35) simultaneously in two testers when conducting pressure chamber ascents to different heights during examination or training. The technique includes a time-of-flight mass spectrometer and a sampling system, which provides for automatic switching of gas lines between two testers without mixing samples, as well as collection, processing and recording of data on the percentage of O2, N2, Ar, CO2 in the breathing mixture, pressure inside masks, inside the pressure chamber and at the inlet of the mass spectrometer, necessary for calculating the partial pressure of gases in real time.
Введение
Специфика опасного воздействия больших степеней гипобарии на лётный состав в полёте при возникновении аварийных ситуаций обусловлена степенью изменения не относительных, а абсолютных значений молекулярного состава газов: кислорода О2 (для количественной оценки гипоксических состояний), азота N2 (для количественной оценки развития высотно-декомпрессионной болезни (ВДБ)) и углекислого газа СО2 (для расчёта энерготрат испытателей и количественной оценки гипотермии).
В связи с этим для контроля параметров работы кислородно-дыхательной аппаратуры и диагностики опасных состояний в высотных полётах разработчики кислородных систем и авиационные врачи используют единые показатели, измеряемые в величинах «парциального давления» газов, рекомендованные специалистами высотной физиологии.
Единственным доступным и отвечающим требованиям быстродействия и точности прибором является масс-спектрометр [1]. Только такого рода измерительная аппаратура способна обеспечить возможность мониторирования уровня газового состава в лёгких человека при любом окружающем давлении [2, 3].
Материалы и методы
Целью данной работы являлась разработка методики, предназначенной для исследования газового состава подмасочного пространства лётного состава и десантников в процессе барокамерных подъёмов, определения парциального давления кислорода, азота и углекислого газа в альвеолярном воздухе человека и контроля диффузионного обмена газов. Реализация данной методики выполнена в масс-спектрометрическом комплексе МС-200 [4, 5].
Газовый состав альвеолярного воздуха, а он содержится в последней порции выдыхаемого воздуха, обладает самой высокой информативностью при изучении режимов кислородного обеспечения организма в изменённой газовой среде. Фактически анализ альвеолярного воздуха является неинвазимным методом оценки газового состава крови человека в сосудах малого круга кровообращения. К сожалению, существующие различные варианты газоаналитической аппаратуры клинического назначения для проведения исследований в условиях меняющегося барометрического давления малопригодны, т. к. требуют проведения очень сложных тарировочных мероприятий. Этих недостатков лишены масс-спектрометры.
Результаты
Подача исследуемого газа в масс-спектрометр осуществлялась с помощью системы забора пробы, представленной на рис. 1. Она включала в себя вакуумный мембранный насос, систему клапанов и блок управления, с помощью которых газовые пробы поступали в масс-спектрометр из различных источников. Блок электроники обеспечивал связь системы забора пробы с управляющим компьютером, сбор данных с датчиков давлений и управление клапанами. Система забора пробы позволяла поочерёдно отбирать исследуемый газ из двух точек.
Контроль между переключениями в автоматическом режиме осуществлялся с помощью управляющей программы. Клапаны 1, 4 открывали и закрывали газовую магистраль, шедшую от первого испытателя, а клапаны 2, 3 — от второго испытателя. Открытие магистралей от первого и второго испытателей происходило последовательно, то есть когда открывались клапаны 1, 4, клапаны 2, 3 закрывались, и наоборот. Задержка в измерениях процентного содержания газа между переключениями от одного испытателя к другому составляла 2,4 секунды.
Анализ газовой пробы происходил во времяпролётном масс-спектрометре отражательного типа (рефлектрон). Разрешающая способность масс-спектрометра на уровне 10% от высоты пика составляла 200, а предельная чувствительность — 0,01%. Ввод пробы осуществлялся с помощью пьезонатекателя, который позволял создавать давление напуска газа с точностью до 10–8 Торр. Давление напуска задавалось и стабилизировалось автоматически с помощью программного обеспечения.
Основными газовыми компонентами для исследования были N2, O2, CO2 и Ar. На рисунке 2 показаны процентные содержания этих компонентов при дыхании человека в маску (2-я точка), подсоединённую по газовому тракту к масс-спектрометру через систему забора пробы. На графике видно изменение соотношения кислорода и углекислого газа.
Заключение
Разработанная методика позволяет контролировать параметры газового состава вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха у обследуемых во всем диапазоне высот (давлений), создаваемых в барокамере, а также при использовании любых газовых смесей, начиная от окружающего воздуха и заканчивая любыми искусственными азотно-аргонно-кислородными смесями, продуцируемыми дыхательной аппаратурой, используемой как лётным составом и десантниками, так и водолазами.
Разработанная методика определения параметров газового состава дыхательных смесей позволяет не только оценивать функциональное состояние обследуемого, выраженность приспособительных реакций, адаптационные возможности организма, но также контролировать режимы работы дыхательной аппаратуры и своевременно выявлять её отказы или опасные ситуации при ошибочных действиях обследуемых.
Список литературы
- Писарев Д.И., Новиков О.О., Фадеева Д.А. и др. Масс-спектрометрия: история и перспективы использования // Молодой учёный. — 2012. — № 10. — С. 99–104.
- Полунина Т.А., Киреев М.Н., Храмченкова Т.А. и др. Масс-спектрометрия в медицине и биотехнологии // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. — 2013. — № 5. — С. 112–119.
- Мильман Б.Л., Журкович И.К. Масс-спектрометрический анализ медицинских объектов и проблемы клинической диагностики // Журнал аналитической химии. — 2015. — Т. 70, № 10. — С. 1026–1039.
- Metabolomics // https://en.wikipedia.org/wiki/Metabolomics.
