The new approach to a pattern recognition of volatile compounds: the inflammation markers in nasal mucus swabs from calves using the gas sensor array

This paper discusses the application of two approaches (direct and inverse) to the identification of volatile substances by means of a gas sensor array in a headspace over nasal mucus swab samples taken from calves with differing degrees of respiratory damage. We propose a unique method to visualize sensor array data for quality analysis, based on the spectra of cross mass sensitivity parameters. The traditional method, which requires an initial sensor array trained on the vapors of the individual substances (database accumulation)-with their further identification in the analyzed bio-samples through the comparison of the analysis results to the database-has shown unsatisfactory performance. The proposed inverse approach is more informative for the pattern recognition of volatile substances in the headspace of mucus samples. The projection of the calculated parameters of the sensor array for individual substances in the principal component space, acquired while processing the sensor array output from nasal swab samples, has allowed us to divide animals into groups according to the clinical diagnosis of their lung condition (healthy respiratory system, bronchitis, or bronchopneumonia). The substances detected in the gas phase of the nasal swab samples (cyclohexanone, butanone-2,4-methyl-2-pentanone) were correlated with the clinical state of the animals, and were consistent with the reference data on disease markers in exhaled air established for destructive organism processes

Features ofweb-publications for promotion of information services of UrFU

В статье проанализированы публикации Дирекции информационных технологий УрФУ, посвященные продвижению информационных сервисов. Показаны стилистические различия текстов, распространяемых по разным каналам и рассчитанных на разную целевую аудиторию.Thearticle analyzes the publications of the Directorate of information technology, Ural Federal University, dedicated to advancing information services. The article shows the stylistic differences of the texts that are distributed through different channels and for different target audience

ИНФОРМАТИВНОСТЬ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ «ЭЛЕКТРОННОГО НОСА» НА ПЬЕЗОСЕНСОРАХ

The purpose of this research was assessing the influence of the various factors on the output signals of the static "electronic nose" based on the piezoelectric sensors, and determining the informative nature of these signals for the identification and determination of the marker-substances related to the pathogenic processes in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions. Individual substances contained in bio samples in the presence of pathogenic and neoplastic processes, such as ammonia, amines, carboxylic acids, ethanol, 1-butanol, acetone, ethyl acetate, phenol, hydrogen sulfide and water were selected as the marker-substances. The selective coating of sensors was chosen based on the results of the numerous studies for the living systems of different nature in order to determine the deviations from the norm, which included standard chromatographic phases and specific sorbents (indicators, crown ethers). It was shown that the analytical information of the electronic nose based on the piezoelectric sensors no more dependent on the experimental conditions than other popular, widely used methods of analysis. The informative value of the sensors array’ output signals which were used to identify the substances was described. The array set of piezoelectric sensors identification parameters was established in order to detect amines, organic acids, alcohols, ethyl acetate, acetone in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions. The influence of the sensors order in the array on the values of three-element identification parameters has been demonstrated. The scheme of the identification parameters application, including nonselective ones, has been proposed for detecting the organic substances coincidentally at least two parameters. The possibility of an application of these parameters to identify amines, acids, alcohols, ketones in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions of mixtures from these substances has been proven. This approach was characterized by high sensitivity and specificity, and may be used for the identification of substances in equilibrium gas phase over the samples with high water content (blood, urine, lymph, perspiration, juices, beverages).Key words: piezoelectric sensors, electronic nose, analytical signals, marker-substances, identification parameters, informativenessDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2017.21.2.001T.A. Kuchmenko and A.A. Shuba* Voronezh State University of Engineering Technologies, faculty of ecology and chemical technology, Revolution Avenue, 19, Voronezh, 394036, Russian Federation Обсуждается влияние температуры, влажности, режимов измерения, собственных характеристик пьезорезонаторов, природы и массы сорбента, природы и содержания аналита, типа проб на выходные данные массива пьезосенсоров, в том числе на параметры, используемые для идентификации веществ в смесях, и пути устранения или минимизации этого влияния. Показано, что аналитическая информация «электронного носа» на пьезосенсорах не более зависима от условий эксперимента, чем популярные, широко распространенные методы анализа. Описана информативность выходных сигналов массива сенсоров, используемых для идентификации веществ. Установлены идентификационные параметры массива пьезосенсоров для обнаружения аминов, органических кислот, спиртов, этилацетата, ацетона в равновесной газовой фазе над водными растворами. Продемонстрировано влияние порядка расположения сенсоров в массиве на значения трехэлементных идентификационных параметров. Предложена схема применения идентификационных параметров, в том числе неселективных, для обнаружения органических веществ по совпадению не менее двух параметров. Доказана возможность применения данных параметров для идентификации аминов, кислот, спиртов, кетонов в равновесной газовой фазе над водными растворами их смесей. Данный подход характеризуется высокой чувствительностью и специфичностью и может быть использован для идентификации веществ в равновесной газовой фазе над пробами с большим содержанием воды (кровь,  моча, лимфа, пот, соки, напитки).Ключевые слова: пьезосенсоры, электронный нос, вещества-маркеры, аналитический сигнал, идентификационные параметры, информативность.DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2017.21.2.001

Квантовые точки: опыт и перспективы применения в аналитических системах

The article is of a review nature, in which the dynamics of publication activity is analyzed and the possibilities of using quantum dots to solve various analytical problems are evaluated. The attention is paid to both traditional and relatively rare areas of analytical application of these nanostructures. A brief review of the types, advantages and disadvantages of synthesis methods, the influence of external factors on the band gap and luminescence intensity of inorganic nanosized phosphors, quantum dots of different nature, is presented. The areas of application and the main tasks solved with the use of quantum dots are systematized. Their analytical characteristics, operational properties and ways of regulating them are discussed. An effective way to control the analytical properties of the systems based on quantum dots is a directional change of the affinity for components by varying the nature of the stabilizing or modifying shell. Semiconductor colloidal quantum dots coated with a larger bandgap shell were selected for analytical use as the most commonly used systems due to their good photostability and fluorescence quantum yield. The advantages and disadvantages of other types of shells, as well as ways of modifying them, are shown. Solutions for organic analysis and medical diagnostics are considered. Systems of quantum dots used as biosensors with various guiding agents are considered, and their properties, advantages and disadvantages compared. Little studied issues and solutions in the direction of using quantum dots for developing sensor systems and their use for non-invasive analysis of living systems based on the results of detection of volatile organic compounds are identified.Keywords: quantum dots, application, analysis, reviewСтатья носит обзорный характер, в ней анализируется динамика публикационной активности, оцениваются возможности применения квантовых точек для решения различных аналитических задач. При этом внимание уделяется как традиционным, так и сравнительно редким направлениям аналитического применения этих наноструктур. Представлен краткий обзор типов, достоинств и недостатков способов синтеза, влияния внешних факторов на ширину запрещенной зоны и интенсивность люминесценции неорганических наноразмерных люминофоров - квантовых точек разной природы. Систематизированы области применения и основные задачи, решаемые с применением квантовых точек. Обсуждаются их аналитические характеристики, эксплуатационные свойства и способы управления ими. Показано, что эффективным способом управления аналитическими свойствами систем на основе квантовых точек является направленное изменение сродства к компонентам за счет варьирования природы стабилизирующей или модифицирующей оболочки. Для использования в аналитических целях выделены полупроводниковые коллоидные квантовые точки, покрытые оболочкой с большей шириной запрещенной зоны, как наиболее часто используемые системы, благодаря их хорошим фотостабильности и квантовому выходу флуоресценции. Показаны преимущества и недостатки других типов оболочек, а также способы их модификации. Рассмотрены решения для органического анализа и медицинской диагностики. Рассмотрены системы квантовых точек, применяемые в качестве биосенсоров, с различными направляющими агентами, сопоставлены их свойства, достоинства и недостатки. Определены мало проработанные вопросы и решения в направлении применения квантовых точек для разработки сенсорных систем, использования их для неинвазивного анализа живых систем по результатам детектирования легко летучих органических соединений.Ключевые слова: квантовые точки, применение, анализ, обзо

ЭКСПРЕССНЫЙ СПОСОБ АНАЛИЗА КРЕПКИХ СПИРТНЫХ НАПИТКОВ МАССИВОМ ПЬЕЗОСЕНСОРОВ «ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС»

A new way of express analysis of alcohol-containing liquids with the possibility of identification of fusel oil set components using chemical gas sensors has been developed. The sorption of the volatile organic components of the basic alcohol-containing liquids’ volatile fraction has been studied. The optimum set of piezosensors was chosen, and most importantly, it was adapted to the basic test substances (propanone, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, ethanol, butanone, acetaldehyde, ethyl acetate, butyl acetate, water). The possibility of applying an express method of piezoelectric quartz crystal micro-weighing for the identification of gross falsification of alcohol-containing beverages with the high ethanol content was positively evaluated. Several methodical approaches were offered to identify the individual vapor components in the mixture of fusel oils. The sample analysis of the alcohol-containing liquids was done simultaneously by the method of gas chromatography. The correlation between the area of the “visual print” signals, the optimized composition of chemical sensors and the parameters of gas chromatography was established. The newly developed method significantly reduces the time and the economic costs allowing you to quickly identify volatile organic substances in alcoholic beverages, and it is also helpful and suitable for the routine analysis.Keywords: the component of fusel oil, alcohol-containing liquids, quality, electronic nose, chemical sensorsDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2017.21.3.003 T.A. Kuchmenko, E.V. Bodrenko, E.P. AnokhinaVoronezh state university of engineering technologies, pr. Revoliutsii, 19, Voronezh, 394036, Russian FederationРазработан экспрессный способ анализа спиртосодержащих жидкостей набором химических газовых сенсоров с установлением проб низкого качества, фальсификатов и возможностью идентификации компонентов сивушного масла без разделения. Изучена сорбция легколетучих органических компонентов, входящих в  основную легколетучую фракцию спиртосодержащих жидкостей. Выбран оптимальный набор пьезосенсоров, который адаптирован к основным тест-веществам (пропанон, пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1, бутанол-2, этанол, бутанон, ацетальдегид, этилацетат, бутилацетат, вода). Положительно оценена возможность применения экспрессного способа пьезокварцевого микровзвешивания для выявления грубых фальсификатов спиртосодержащих напитков с высоким содержанием этанола. Предложены методические подходы для идентификации в смеси паров отдельных компонентов сивушного масла. Установлена корреляция между площадью «визуального отпечатка» сигналов химических сенсоров и параметрами газовой хроматографии. Разработанный способ существенно уменьшает временные и экономические затраты рутинного анализа, позволяет в короткие сроки выявить фальсификаты и пробы, не соответствующие нормам, определить легколетучие органические вещества сивушного масла в алкогольных напитках без разделения и иной пробоподготовки.Ключевые слова: компоненты сивушного масла,  спиртосодержащие жидкости, качество, электронный нос, химические сенсорыDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2017.21.3.00

Informative nature of the electronic nose output signals based on the piezoelectric sensors

The purpose of this research was assessing the influence of the various factors on the output signals of the static “electronic nose” based on the piezoelectric sensors, and determining the informative nature of these signals for the identification and determination of the marker-substances related to the pathogenic processes in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions. Individual substances contained in bio samples in the presence of pathogenic and neoplastic processes, such as ammonia, amines, carboxylic acids, ethanol, 1-butanol, acetone, ethyl acetate, phenol, hydrogen sulfide and water were selected as the marker-substances. The selective coating of sensors was chosen based on the results of the numerous studies for the living systems of different nature in order to determine the deviations from the norm, which included standard chromatographic phases and specific sorbents (indicators, crown ethers). It was shown that the analytical information of the electronic nose based on the piezoelectric sensors no more dependent on the experimental conditions than other popular, widely used methods of analysis. The informative value of the sensors array’ output signals which were used to identify the substances was described. The array set of piezoelectric sensors identification parameters was established in order to detect amines, organic acids, alcohols, ethyl acetate, acetone in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions. The influence of the sensors order in the array on the values of three-element identification parameters has been demonstrated. The scheme of the identification parameters application, including nonselective ones, has been proposed for detecting the organic substances coincidentally at least two parameters. The possibility of an application of these parameters to identify amines, acids, alcohols, ketones in the equilibrium gas phase over the aqueous solutions of mixtures from these substances has been proven. This approach was characterized by high sensitivity and specificity, and may be used for the identification of substances in equilibrium gas phase over the samples with high water content (blood, urine, lymph, perspiration, juices, beverages).Обсуждается влияние температуры, влажности, режимов измерения, собственных характеристик пьезорезонаторов, природы и массы сорбента, природы и содержания аналита, типа проб на выходные данные массива пьезосенсоров, в том числе на параметры, используемые для идентификации веществ в смесях, и пути устранения или минимизации этого влияния. Показано, что аналитическая информация «электронного носа» на пьезосенсорах не более зависима от условий эксперимента, чем популярные, широко распространенные методы анализа. Описана информативность выходных сигналов массива сенсоров, используемых для идентификации веществ. Установлены идентификационные параметры массива пьезосенсоров для обнаружения аминов, органических кислот, спиртов, этилацетата, ацетона в равновесной газовой фазе над водными растворами. Продемонстрировано влияние порядка расположения сенсоров в массиве на значения трехэлементных идентификационных параметров. Предложена схема применения идентификационных параметров, в том числе неселективных, для обнаружения органических веществ по совпадению не менее двух параметров. Доказана возможность применения данных параметров для идентификации аминов, кислот, спиртов, кетонов в равновесной газовой фазе над водными растворами их смесей. Данный подход характеризуется высокой чувствительностью и специфичностью и может быть использован для идентификации веществ в равновесной газовой фазе над пробами с большим содержанием воды (кровь, моча, лимфа, пот, соки, напитки)

Quantum dots: experience and prospects of application in analytical systems

Статья носит обзорный характер, в ней анализируется динамика публикационной активности, оцениваются возможности применения квантовых точек для решения различных аналитических задач. При этом внимание уделяется как традиционным, так и сравнительно редким направлениям аналитического применения этих наноструктур. Представлен краткий обзор типов, достоинств и недостатков способов синтеза, влияния внешних факторов на ширину запрещенной зоны и интенсивность люминесценции неорганических наноразмерных люминофоров - квантовых точек разной природы. Систематизированы области применения и основные задачи, решаемые с применением квантовых точек. Обсуждаются их аналитические характеристики, эксплуатационные свойства и способы управления ими. Показано, что эффективным способом управления аналитическими свойствами систем на основе квантовых точек является направленное изменение сродства к компонентам за счет варьирования природы стабилизирующей или модифицирующей оболочки. Для использования в аналитических целях выделены полупроводниковые коллоидные квантовые точки, покрытые оболочкой с большей шириной запрещенной зоны, как наиболее часто используемые системы, благодаря их хорошим фотостабильности и квантовому выходу флуоресценции. Показаны преимущества и недостатки других типов оболочек, а также способы их модификации. Рассмотрены решения для органического анализа и медицинской диагностики. Рассмотрены системы квантовых точек, применяемые в качестве биосенсоров, с различными направляющими агентами, сопоставлены их свойства, достоинства и недостатки. Определены мало проработанные вопросы и решения в направлении применения квантовых точек для разработки сенсорных систем, использования их для неинвазивного анализа живых систем по результатам детектирования легко летучих органических соединений.The article is of a review nature, in which the dynamics of publication activity is analyzed and the possibilities of using quantum dots to solve various analytical problems are evaluated. The attention is paid to both traditional and relatively rare areas of analytical application of these nanostructures. A brief review of the types, advantages and disadvantages of synthesis methods, the influence of external factors on the band gap and luminescence intensity of inorganic nanosized phosphors, quantum dots of different nature, is presented. The areas of application and the main tasks solved with the use of quantum dots are systematized. Their analytical characteristics, operational properties and ways of regulating them are discussed. An effective way to control the analytical properties of the systems based on quantum dots is a directional change of the affinity for components by varying the nature of the stabilizing or modifying shell. Semiconductor colloidal quantum dots coated with a larger bandgap shell were selected for analytical use as the most commonly used systems due to their good photostability and fluorescence quantum yield. The advantages and disadvantages of other types of shells, as well as ways of modifying them, are shown. Solutions for organic analysis and medical diagnostics are considered. Systems of quantum dots used as biosensors with various guiding agents are considered, and their properties, advantages and disadvantages compared. Little studied issues and solutions in the direction of using quantum dots for developing sensor systems and their use for non-invasive analysis of living systems based on the results of detection of volatile organic compounds are identified.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-23-00609, https://rscf.ru/project/ 23-23-00609.This work was supported by the Russian Science Foundation (grant no. № 23-23-00609, https://rscf.ru/project/ 23-23-00609

Artificial smell sensor systems in the diagnostics of neurodegenerative diseases

Нейродегенеративные заболевания представляют собой группу заболеваний нервной системы, которые характеризуются многолетней латентной стадией, многообразностью проявлений, связанных с неоднородностью симптомов, различной агрессивностью течения и прогрессирующей гибелью нейронов. Нейродегенеративные заболевания в основном диагностируются на основании клинических данных и дорогостоящих инвазивных и неинвазивных методов визуализации. Определенного лабораторного теста для диагностики нейродегенеративных заболеваний не существует. Выдыхаемый воздух является секрецией организма, и процесс его отбора прост и экономичен. Анализ выдыхаемого газа предлагает недорогой, неинвазивный метод для выявления большого количества заболеваний, в том числе нейродегенеративных. Молекулярные профили легколетучих органических соединений выдыхаемого воздуха для диагностики ряда нейродегенеративных заболеваний можно получить, анализируя дыхание человека с помощью «электронного носа». Идентификация легколетучих органических соединений и применение их в качестве специфичных биомаркеров нейродегенеративных заболеваний для получения точной, воспроизводимой и быстрой диагностики может служить альтернативой традиционным инвазивным методам. Обзор посвящен проблемам и достижениям последнего десятилетия (2014-2023 гг.) в сфере применения технологии «электронный нос» для определения и идентификации потенциальных легколетучих органических соединений нейродегенеративных процессов. В обзоре представлены исследования по обнаружению потенциальных летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе пациентов с болезнями Альцгеймера, Паркинсона, рассеянного склероза, бокового амиотрофического склероза с помощью «электронного носа», газовой хроматографии-масс-спектрометрии. Обсуждаются тенденции развития и применения технологии «электронный нос» для оказания медицинской помощи, способной выполнять точные чувствительные определения ключевых летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе.Neurodegenerative diseases are a group of diseases of the nervous system that are characterized by a long-term latent stage, a variety of manifestations associated with heterogeneity of symptoms, different aggressiveness of the course, and progressive death of neurons. Neurodegenerative diseases are mainly diagnosed on the basis of clinical data and expensive invasive and non-invasive imaging techniques. There is no specific laboratory test for diagnosing neurodegenerative diseases. Exhaled air is the secretion of the body, and the process of its selection is simple and economical. Exhaled gas analysis offers an inexpensive, non-invasive method for detecting a wide range of diseases, including neurodegenerative ones. Molecular profiles of volatile organic compounds in exhaled air for the diagnosis of a number of neurodegenerative diseases can be obtained by analyzing human breath using an “electronic nose”. Identification of volatile organic compounds and their use as specific biomarkers of neurodegenerative diseases for obtaining accurate, reproducible and rapid diagnostics can serve as an alternative to traditional invasive methods. The review is devoted to the problems and achievements of the last decade (2014–2023) in the field of application of the "electronic nose" technology for determination and identification of potential highly volatile organic compounds of neurodegenerative processes. The review presents studies on the detection of potential volatile organic compounds in the exhaled air of patients with Alzheimer's disease, Parkinson's disease, multiple sclerosis, and amyotrophic lateral sclerosis using “electronic nose”, gas chromatography-mass spectrometry. Trends in the development and the use of "electronic nose" technology to provide medical care capable of performing accurate, sensitive determinations of key volatile organic compounds in the exhaled air are discussed

Express analysis of hard alcohol drinks using the “electronic nose” piezosensors array

A new way of express analysis of alcohol-containing liquids with the possibility of identification of fusel oil set components using chemical gas sensors has been developed. The sorption of the volatile organic components of the basic alcohol-containing liquids’ volatile fraction has been studied. The optimum set of piezosensors was chosen, and most importantly, it was adapted to the basic test substances (propanone, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, ethanol, butanone, acetaldehyde, ethyl acetate, butyl acetate, water). The possibility of applying an express method of piezoelectric quartz crystal micro-weighing for the identification of gross falsification of alcohol-containing beverages with the high ethanol content was positively evaluated. Several methodical approaches were offered to identify the individual vapor components in the mixture of fusel oils. The sample analysis of the alcohol-containing liquids was done simultaneously by the method of gas chromatography. The correlation between the area of the “visual print” signals, the optimized composition of chemical sensors and the parameters of gas chromatography was established. The newly developed method significantly reduces the time and the economic costs allowing you to quickly identify volatile organic substances in alcoholic beverages, and it is also helpful and suitable for the routine analysis.Разработан экспрессный способ анализа спиртосодержащих жидкостей набором химических газовых сенсоров с установлением проб низкого качества, фальсификатов и возможностью идентификации компонентов сивушного масла без разделения. Изучена сорбция легколетучих органических компонентов, входящих в основную легколетучую фракцию спиртосодержащих жидкостей. Выбран оптимальный набор пьезосенсоров, который адаптирован к основным тест-веществам (пропанон, пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1, бутанол-2, этанол, бутанон, ацетальдегид, этилацетат, бутилацетат, вода). Положительно оценена возможность применения экспрессного способа пьезокварцевого микровзвешивания для выявления грубых фальсификатов спиртосодержащих напитков с высоким содержанием этанола. Предложены методические подходы для идентификации в смеси паров отдельных компонентов сивушного масла. Установлена корреляция между площадью «визуального отпечатка» сигналов химических сенсоров и параметрами газовой хроматографии. Разработанный способ существенно уменьшает временные и экономические затраты рутинного анализа, позволяет в короткие сроки выявить фальсификаты и пробы, не соответствующие нормам, определить легколетучие органические вещества сивушного масла в алкогольных напитках без разделения и иной пробоподготовки