Химики научились очищать дыхание от воды

Коллектив исследователей из России (Новосибирский государственный университет) и Германии разработали способ удалять водяные пары из воздуха, собранного у пациента на выдохе. Процедура не меняет количество летучих органических веществ в образце и позволяет сделать анализ состава дыхания намного точнее. Это важно, так как наличие ряда соединений в выдыхаемом человеком воздухе указывает на определенные заболевания. Научная статья опубликована в Journal of Breath Research.

Продукты жизнедеятельности человека наружу из тела выводит не только выделительная система, но и дыхательная. В выдыхаемом воздухе содержатся летучие органические вещества, которые образовались при протекании различных процессов обмена веществ. Когда ход каких-нибудь из этих процессов нарушается, меняется и состав выдыхаемого воздуха. Наиболее известные примеры — повышение содержания уксусного альдегида в дыхании при похмелье и ацетона при сахарном диабете. Таким образом, по содержанию в нем определенных соединений можно выявлять различные болезни — если знать, какие патологии метаболизма за ними стоят. Анализировать состав выдоха может инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием (ИК-Фурье спектроскопия), но существенные искажения в ее результаты вносит наличие водяного пара в образце.

Авторы статьи предложили способ снизить содержание воды в выдыхаемом воздухе. Он основан на разнице в физических свойствах газообразных веществ в каждом образце. Для отдельного летучего соединения можно найти точку с такой температурой и парциальным давлением, что оно начнет конденсироваться — переходить в жидкую фазу. Таким образом, создавая нужные условия, из смеси газов можно удалять за раз по одному компоненту. А выдыхаемый воздух при комнатной температуре уже насыщен водой (т.е. обладает предельно высоким парциальным давлением), но не летучей органикой. Соответственно, остается только охладить его, и большая часть воды перейдет в жидкое состояние, а затем и в твердое. Исследователи сконструировали охлаждающее устройство для конденсации водяного пара и проверили его работу на образцах искусственного воздуха, а после успешного завершения этого этапа — на реальных выдохах пяти здоровых людей 35−77 лет.

Объем воздуха от каждого добровольца составлял один литр. Сбор такого количества газов занимал примерно минуту, а очищение от воды — 25 минут. Это достаточно быстро, а скорость важна для удобства пациентов и клинической диагностики. Конденсатор снижал содержание водяного пара в выдыхаемом воздухе в 2 500 раз. После «осушения» ИК-Фурье спектроскопия позволяла обнаружить в образцах метан, угарный газ, углекислый газ, ацетон, уксусный альдегид и изопрен. Спектральные линии ряда этих веществ, обычно замаскированные водой (она имеет очень широкий спектр, перекрывающий несколько других), благодаря конденсации водяного пара стали хорошо заметны. А испытания с образцами искусственного воздуха, состав которых известен заранее, показали, что от удаления воды количество летучих органических соединений в смеси газов не меняется.

Авторы разработки собираются усовершенствовать свой конденсатор и удалять с его помощью еще больше воды из воздуха. Для этого понадобится снизить рабочую температуру прибора с -60 до -90 градусов Цельсия.