ОЦЕНКА КОРРЕЛЯЦИИ СИГНАЛОВ «ЭЛЕКТРОННОГО НОСА» ДЛЯ НОСОВОЙ СЛИЗИ И КОНДЕНСАТА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ТЕЛЯТ С КЛИНИЧЕСКИМИ И ЛАБОРАТОРНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

In this article the “electronic nose” system (SNT LLC, Russia) with an array of 8 differently selective piezoelectric sensors (nanobio array) was used to assess the health and functioning of the respiratory organs in young cattle by the fraction of volatile compounds over bioassays (exhaled breath condensate and nasal mucus). The sorption of the volatile fraction of substances vapors from the two types of bioassays was studied for 80s with the frontal effortless injection of vapors into the near-sensor space of the detection cell of the “electronic nose” at 20 ± 1 ºC with the subsequent fixation of the spontaneous desorption for 120s - total measurement time 200s . The simplest analytical signals of the "electronic nose" (SS и Sneg) recorded and calculated in the software for the samples were proposed suitable for assessing the health of the respiratory organs in calves. A significant correlation was found between the analytical signals of the “electronic nose” and the established informative indicators of bovine respiratory diseases: increased activity of aspartate aminotransferase, alanine aminotransferase, creatinine in samples of exhaled breath condensate, respiratory failure index, and leukocyte count. The samples of nasal mucus were better used for the health assessment of the respiratory system using the nanobio array of sensors. Despite the initial small number of samples, the approach is universal and could be extended to the studies of other animals.           Key words: piezosensors, “electronic nose”, correlation coefficient, nasal mucus, exhaled breath condensate, diagnosis, bovine respiratory disease, markers of inflammation(Russian) DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2019.23.4.014T.A. Kuchmenko, A.A. Shuba1, R.U. Umarkhanov1, A.E. Chernitskii21Voronezh State University of Engineering Technologies”, pr. Revolutsii, 19, Voronezh, 394000, Russian Federation2All-Russian Scientific Research Veterinary Institute of Pathology, Pharmacology and Therapy, Research Center of Clinical Pharmacology and Therapy, Quality and Safety of Raw Materials and Products, st. Lomonosova, 114b, Voronezh, Russian FederationОбсуждается взаимосвязь первичных выходных данных массива сенсоров (площади многомерных аналитических сигналов сенсоров – «визуальных отпечатков») в парах биопроб телят (носовая слизь, конденсат выдыхаемого воздуха) с клиническими и лабораторными показателями, связанными с воспалением или наличием возбудителей инфекций, сопровождающим поражение органов дыхания животных. Установлено, что многомерные аналитические сигналы массива сенсоров для разных видов биопроб не коррелируют между собой, но по показателю доли трудно десорбирующихся веществ (кислоты, разветвленные алифатические, циклические амины) в общей смеси легколетучих соединений положительно оценена возможность замены проб конденсата выдыхаемого воздуха на пробы носовой слизи, которая отбирается быстро и менее травматично, для мониторинга состояния здоровья верхних дыхательных путей молодняка крупного рогатого скота. Установлена статистически значимая корреляция между откликами массива сенсоров для проб носовой слизи и биохимическими показателями повреждения клеток респираторного тракта в конденсате выдыхаемого воздуха (активность аспартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы и концентрация креатинина), индексом дыхательной недостаточности, содержанием лейкоцитов в крови. Отклики сенсоров для проб носовой слизи являются более информативными для ранней диагностики респираторных заболеваний у телят.Ключевые слова: пьезосенсоры, «электронный нос», коэффициент корреляции, носовая слизь, конденсат выдыхаемого воздуха, диагностика, респираторные заболевания телят, маркеры воспаленияDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2019.23.4.01

Development of multiple analytical labels for volatile organic compounds based on the results of sorption on CdS quantum dots in chitosan without and with modification with Rhodamine 6G

Обсуждаются аналитические решения с люминесцентными метками для анализа газовых сред и детектирования летучих органических соединений. Такие решения могут быть потенциально применены для разработки оптических, сорбционных газовых сенсоров, наполнителей умных этикеток, тест-систем с различными носителями для детектирования химических биомаркеров в живых системах. Для решения задачи предлагается разработать и изучить свойства модификаторов на основе квантовых точек сульфида кадмия. Цель работы - изучение сорбционных свойств квантовых точек CdS, полученных по улучшенной в направлении «зеленой химии» методике, со стабилизирующей чистой и модифицированной родамином 6Ж оболочками из хитозана. Сорбционные свойства различных фаз на основе квантовых точек изучали при температуре 22±1 оС высоко чувствительным прямым методом пьезокварцевого микровзвешивания с разрешением до 10-9 г по массе сорбента в парах летучих соединений. Оценивали избирательность фаз на основе квантовых точек сульфида кадмия в хитозане малых масс (5-10 мкг) по отношению к летучим органическим соединениям разных классов. Относительную избирательность и чувствительность взвешивания паров на разных фазах оценивали по параметрам A(i/j), показывающим, во сколько раз отличаются сорбционные свойства фаз CdS в хитозане без и с добавлением родамина 6Ж. Установлено, что вещества, входящие в одну группу избирательности по показателям A(i/j), например, вода и этанол, имеют разные скорости сорбции. Метод прямого взвешивания позволяет оценивать скорость сорбции и десорбции, емкость фаз сорбентов. Эта особенность может быть применена для решения задач раздельного детектирования паров, они могут быть идентифицированы в разные моменты экспозиции пьезовесов с фазами на основе квантовых точек CdS в хитозане без и с добавлением родамина 6Ж. Модификация хитозана родамином 6Ж изменяет сорбционные свойства квантовых точек в хитозане, что может быть применено для инжениринга новых сорбентов для сенсорных систем. Предложены простые алгоритмы решения задач распознавания паров летучих соединений по расчетным показателям даже для неселективных сорбционных систем. Программирование подхода может значительно повысить экспрессность принятия решения в интегральных аналитических системах, например, «электронных носов» на основе сенсоров, в том числе с изученными фазами. Установлено, что масса фазы на основе квантовых точек сульфида кадмия в хитозане не влияет на сорбционные свойства в диапазоне микромасс, что является традиционным для наноструктур. Изменение люминесцентных свойств фаз на основе сульфида кадмия, как возможного визуально фиксируемого аналитического отклика, будут обсуждены в следующей работе.Analytical solutions using the luminescent labels for the analysis of gaseous media and the detection of volatile organic compounds are discussed. Such solutions can potentially be applied for the development of optical, sorption gas sensors, smart label fillers, test systems with various carriers for the detection of chemical biomarkers in living systems. To solve the problem it is proposed to develop and study the properties of modifiers based on cadmium sulfide quantum dots. The aim of the work is studying the sorption properties of CdS quantum dots prepared using a method improved in the direction of “green chemistry”, with stabilizing chitosan shells (pure and modified with Rhodamine 6G). Sorption properties of various phases based on quantum dots were studied at a temperature of 22±1°C by a highly sensitive direct piezo-quartz microweighting method with a resolution of up to 10–9 g by the mass of the sorbent in vapors of volatile compounds. The selectivity of phases based on cadmium sulfide quantum dots in low-mass chitosan (5–10 micrograms) with respect to volatile organic compounds of different classes was evaluated. The relative selectivity and sensitivity of vapor weighing on different phases were evaluated using the parameters A(i/j), showing how many times the sorption properties of CdS phases in chitosan differ without and with the addition of Rhodamine 6G. The method of direct weighing allows to estimate the rate of sorption and desorption, and the capacity of the sorbent phases. It was established that substances belonging to the same selectivity group in terms of A(i/j) values, for example, water and ethanol, have different sorption rates. This feature can be applied for solving the problems of separate detection of vapors, they can be identified at different moments of exposure of piezo balances with phases based on CdS quantum dots in chitosan without and with the addition of Rhodamine 6G. The use of cadmium sulfide quantum dots in chitosan as a sorbent of organic compound vapors significantly affects the kinetics and sorption efficiency. Modification of chitosan with Rhodamine 6G changes the sorption properties of quantum dots in chitosan, which can be used for engineering new sorbents for sensor systems. Simple algorithms are proposed for solving problems of vapor recognition of volatile compounds according to calculated parameters even for non-selective sorption systems. Programming the approach can significantly increase the expressiveness of decision-making in integrated analytical systems, for example, “electronic noses” based on sensors, including those with studied phases. It was found that the mass of the phase based on cadmium sulfide quantum dots in chitosan does not affect the sorption properties in the micromass range, which is traditional for nanostructures. Changes in the luminescent properties of phases based on cadmium sulfide, as a possible visually detectable analytical response, will be discussed in the next paper.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. No 23-23-00609, https://rscf.ru/project/ 23-23-00609

Electronic taster applied for identification of a rainbow trout spoilage specifics

The research is aimed at the study of control possibilities of freshness degree and storage technology violation of frozen fish (Rainbow trout) using chemical piezo sensors array in the «e-nose» system. There have been demonstrated the opportunities of qualitative and quantitative determination of priority highly volatile compounds-markers of native and modified state of fish and gills after a 2-minute measuring by sensors array with minimal sample preparation and without additional preparation or odour components concentration. We can fixate early signs of changes in the fish fillet of a trout after three days of storage mode non-compliance and subsequent freezing, using chemical sensors. We can evaluate the storage time of fresh fish in any conditions with an error of measurement of no more than 10 %. We have developed the method of fish odour simple analysis and of obtaining diagnostic information about fish freshness according to fillet and gills state. The application mode of chemical sensors and e-nose «MAG-8» allows acquiring objective information, and is highly sensitive, expressive and economically acceptable for laboratories and mobile monitoring stations of any level

Study of the chemical composition of the smell of the dairy-vegetable extract of lupine on the “Piezoelectronic nose”

A great popularity in the food industry in recent years has received lupins due to a unique combination of technological and food properties and accessibility. Lupine is characterized by a high proportion of proteins, its seeds are dominated by readily soluble protein fractions: 20.65% albumins, 50.5% globulins with a high content of essential amino acids. Enrichment of the milk-vegetable extract with native components of lupine is carried out during extraction with intensification by its low-frequency mechanical oscillations. The high content of proteins in the lupine during processing leads to a negative technological change in the organoleptic properties of products - odor. The measurement of the composition of the volatile fraction of odor in the equilibrium gas phase over the samples was carried out in the NIL on the experimental analyzer of smells "MAG 8" with the methodology "electronic nose" (manufactured by LLC Sensorika - New Technologies, Voronezh). To establish the differences in the composition (qualitative and quantitative) of the volatile fraction of smell, the change in the total content of volatile components in the equilibrium gas phase over the samples was traced. According to the shape of the "visual fingerprint" of the maximum responses of all sensors in the array, there are no significant differences in the chemical composition of the equilibrium gas phase over the samples. The native smell of milk whey remained unchanged, but became more qualitatively softer with a tasting assessment due to the fact that 50% of the composition of the volatile fraction of odor was changed by the method of pasteurization. The study of the smell of the native and pasteurized milk and vegetable extract allows us to conclude that the chosen method of pasteurization can be recommended in food technology using a milky-vegetable extract enriched with lupine proteins

“Electronic nose” signals correlation evaluation for nasal mucus and exhaled breath condensate of calves with the clinical and laboratory indicators

Submitted 18 November 2019, received in revised form 2 December 2019Поступила в редакцию 18 ноября 2019 г., после исправления 2 декабря 2019 г.In this article the “electronic nose” system (SNT LLC, Russia) with an array of 8 differently selective piezoelectric sensors (nanobio array) was used to assess the health and functioning of the respiratory organs in young cattle by the fraction of volatile compounds over bioassays (exhaled breath condensate and nasal mucus). The sorption of the volatile fraction of substances vapors from the two types of bioassays was studied for 80s with the frontal effortless injection of vapors into the near-sensor space of the detection cell of the “electronic nose” at 20 ± 1 .C with the subsequent fixation of the spontaneous desorption for 120s -total measurement time 200s . The simplest analytical signals of the “electronic nose” (S. и S neg) recorded and calculated in the software for the samples were proposed suitable for assessing the health of the respiratory organs in calves. A significant correlation was found between the analytical signals of the “electronic nose” and the established informative indicators of bovine respiratory diseases: increased activity of aspartate aminotransferase, alanine aminotransferase, creatinine in samples of exhaled breath condensate, respiratory failure index, and leukocyte count. The samples of nasal mucus were better used for the health assessment of the respiratory system using the nanobio array of sensors. Despite the initial small number of samples, the approach is universal and could be extended to the studies of other animals.Обсуждается взаимосвязь первичных выходных данных массива сенсоров (площади мно­гомерных аналитических сигналов сенсоров – «визуальных отпечатков») в парах биопроб телят (носовая слизь, конденсат выдыхаемого воздуха) с клиническими и лабораторными показателями, связанными с воспалением или наличием возбудителей инфекций, сопровождающим поражение органов дыхания животных. Установлено, что многомерные аналитические сигналы массива сенсоров для разных видов биопроб не коррелируют между собой, но по показателю доли трудно десорбирующихся веществ (кислоты, разветвленные алифатические, циклические амины) в общей смеси легколетучих соединений положительно оценена возможность замены проб конденсата выдыхаемого воздуха на пробы носовой слизи, которая отбирается быстро и менее травматично, для мониторинга состояния здоровья верхних дыхательных путей молодняка крупного рогатого скота. Установлена статистически значимая корреляция между откликами массива сенсоров для проб носовой слизи и биохимическими показателями повреждения клеток респираторного тракта в конденсате выдыхаемого воздуха (активность аспартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы и концентрация креатинина), индексом дыхательной недостаточности, содержанием лейкоцитов в крови. Отклики сенсоров для проб носовой слизи являются более информативными для ранней диагностики респираторных заболеваний у телят.This work was financially supported by the Russian Science Foundation (grant number 18-76-10015).Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 18-76-10015