The determination of ammonia concentration in the exhaled breath by means of diode laser absorption spectrometry

Peretyagin, V.S., Tomskii K.A., Borovkov D.A., Baev S.S., Shchur D.E.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Перетягин В.С., Томский К.А., Боровков Д.А., Баев С.С., Щур Д.Е. Измерение концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе методом диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 12. С. 21–31. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-21-31

Peretyagin V.S., Tomsky K.A., Borovkov D.A., Baev S.S., Shchur D.E. The determination of ammonia concentration in the exhaled breath by means of diode laser absorption spectrometry [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 12. P. 21–31. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-12-21-31

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of the study. An optical module for the quantitative determination of ammonia concentration in exhaled air using the ammonia breath test. Purpose of work. To research and develop an optical module, as well as to create a preventive diagnostic technique for detecting subclinical deviations in ammonia concentration in exhaled air. Method. The procedure for the quantitative determination of ammonia in exhaled air using diode laser absorption spectroscopy involved passing the test gas sample (exhaled air) through an optical cell, where it interacted with laser radiation resonant with the characteristic absorption band of ammonia. The intensity of laser radiation absorption by the gas sample was used as an indicator of its concentration. Main results. A prototype of the optical module has been developed, and a new approach to early diagnostics and preventive medicine based on an innovative method of ammonia detection has been proposed. Practical significance. A preventive diagnostic technique for the effective management of chronic gastrointestinal diseases (e.g. irritable bowel syndrome and inflammatory bowel diseases) is proposed, allowing for early identification of risks and the adoption of measures to prevent exacerbations.

Keywords:

diode laser spectroscopy, non-invasive medical diagnostics, the infrared range, exhaled air analysis, ammonia breath testing, tunable diode lasers

OCIS codes: 300.6260, 170.2680.

References:

1. Раимкулова Ч.А., Аронбаев С.Д., Аронбаев Д.М. К проблеме определения аммиака в выдыхаемом воздухе // Universum: химия и биология. 2021. Т. 79. № 1. С. 26–34. https://doi.org/10.32743/UniChem.2021.79.1-1

Raimkulova Ch.A., Aronbaev S.D., Aronbaev D.M. To the problem of determining ammonia in exhaled air // Universum: chemistry and biology. 2021. V. 79. № 1. P. 26–34. https://doi.org/10.32743/UniChem.2021.79.1-1

2. Понуровский Я.Я., Надеждинский А.И., Ставровский Д.Б. и др. Диодный лазерный спектрометр для скрининг-диагностики компонентов выдыхаемого воздуха // Современные технологии в медицине. 2020. Т. 12. № 5. С. 36–42. https://doi.org/10.17691/stm2020.12.5.08
Ponurovsky Ya.Ya., Nadezhdinsky A.I., Stavrovsky D.B. et al. Diode laser spectrometer for diagnostic assessment of exhaled air components // Modern technologies in medicine. 2020. V. 12. № 5. P. 36–42. https://doi.org/10.17691/stm2020.12.5.08
3. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А. и др. Применение методов и средств нестационарной спектроскопии субтерагерцовых и терагерцовых диапазонов частот для неинвазивной медицинской диагностики // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 2. С. 9–14.
Vaks V.L., Domracheva E.G., Sobakinskaya E.A. et al. Using the methods and facilities of nonsteady-state spectroscopy of the subterahertz and terahertz frequency ranges for noninvasive medical diagnosis // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. № 2. P. 66–69. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000066
4. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б. и др. Терагерцовая нестационарная спектроскопия высокого разрешения: современное состояние и направления развития // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 1. С. 39–48. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-39-48
Vaks V.L., Domracheva E.G., Chernyaeva M.B. et al. Terahertz nonstationary high resolution spectroscopy: State of art and trends of development // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 1. P. 23–28. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000023
5. Кульбакин Д.Е., Обходская Е.В., Обходский А.В. и др. Исследование эффективности метода диагностики заболеваний дыхательной системы по анализу выдыхаемого воздуха с применением газоаналитического комплекса // Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины. 2023. Т. 38. № 4. С. 260–269. https://doi.org/10.29001/2073-8552-2023-653
Kulbakin D.E., Obkhodskaya E.V., Obkhodskiy A.V. et al. Study of the effectiveness of diagnostic method for respiratory system diseases by analyzing the exhaled air using a gas analytical complex // Siberian Journal of Clinical and Experimental Medicine. 2023. V. 38. № 4. P. 260–269. https://doi.org/10.29001/2073-8552-2023-653
6. Дмитриенко М.А., Дмитриенко В.С., Корниенко Е.А. и др. Основные биохимические и клинические аспекты неинвазивного теста Хелик // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2016. № 8. С. 75–81.
Dmitrienko M.A., Dmitrienko V.S., Kornienko E.A. et al. Basic biochemical and clinical aspects of noninvasive tests HELIC // Eksp Klin Gastroenterol. 2016. № 8. P. 75–81.
7. Стариков В.И. Анализ и аналитическое представление коэффициентов уширения линий водяного пара давлением воздуха, азота, кислорода и углекислого газа для спектрального диапазона 380–26000 см–1 // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. № 9. С. 1316–1326. https://doi.org/10.21883/OS.2022.09.53290.3135-22
Starikov V.I. Analysis and analytical modeling of air, N2, O2 and CO2 broadening coefficients of water vapor lines in the 380–26 000 cm–1 spectral range // Optics and Spectroscopy. 2022. V. 130. № 9. P. 1316–1326. https://doi.org/10.21883/OS.2022.09.53290.3135-22
8. Austin C.C., Roberge B., Goyer N. Cross-sensitivities of electrochemical detectors used to monitor worker exposures to airborne contaminants: false positive responses in the absence of target analytes // Journal of Environmental Monitoring. 2006. V. 8 (1). P. 161–166. https://doi.org/10.1039/b510084d

9. Клименко В.А. Криворотько Д.Н. Анализ выдыхаемого воздуха как маркер биохимических процессов в организме // Здоровье ребёнка. 2011. Т. 38. № 1. С. 138–143.
Klimenko V.A. Krivorotko D.N. Analysis of expiratory air as marker of biochemical processes in the organism // Child health. 2011. V. 38. № 1. P. 138–143.
10. Назаров В.Е., Карасева Г.Т., Джагацпанян И.Э. Методика измерений газового состава выдыхаемого воздуха // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. 2015. Т. 176. С. 135–142.
Nazarov V.E., Karaseva G.T., Jahatspanian I.A., Panina A. The methods of measurement of gaseous composition of exhaled human breath // The Bulletin of the Herzen State Pedagogical University of Russia. 2015. V. 176. P. 135–142.
11. Копылов Ф.Ю., Сыркин А.Л., Чомахидзе П.Ш. и др. Перспективы диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха // Клиническая медицина. 2013. № 10. С. 16–21.
Kopylov F.Yu., Syrkin A.L., Chomakhidze P.Sh. et al. Pathology diagnostics by human breath analyze // Klin Med (Mosk). 2013. № 10. P. 16–21.
12. Быкова А.А., Малиновская Л.К., Чомахидзе П.Ш. и др. Анализ выдыхаемого воздуха в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний // Кардиология. 2019. Т. 59. № 7. С. 61–67. https://doi.org/10.18087/cardio.2019.7.10263
Bykova A.A., Malinovskaya L.K., Chomakhidze P.Sh. et al. Exhaled breath analysis in diagnostics of cardiovascular diseases // Cardiology. 2019. V. 59. № 7. P. 61–67. https://doi.org/10.18087/cardio.2019.7.10263
13. Чубченко Я.К., Колобова А.В., Ларош А.В., Афанасьев Г.А. Разработка эталонной установки для метрологического обеспечения измерений дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухе // Эталоны. Стандартные образцы. 2024. Т. 20. № 2. С. 5–22. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2024-20-2-5-22
Chubchenko I.K., Kolobova A.V., Larosh A.V., Afanasyev G.A. Development of a reference installation for metrological support of the Delta value measurements of the ratio of carbon and oxygen isotopes in exhaled air // Measurement Standards. Reference Materials. 2024. V. 20. № 2. P. 5–22. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2024-20-2-5-22
14. Чередникова А.А., Кузьмин А.Г., Гузенко М.М. и др. Исследование состава выдыхаемого воздуха в период восстановления после респираторного заболевания методом масс-спектрометрического анализа // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физикоматематические науки. 2023. Т. 16. № 1.2. С. 277–281. https://doi.org/10.18721/JPM.161.242

Cherednikova A.A., Kuzmin A.G., Guzenko M.M. et al. Study of exhaled air composition during recovery after respiratory disease by mass spectrometric analysis // St. Petersburg Polytechnic University Journal: Physics and Mathematics. 2023. V. 16. № 1.2. P. 277–281. https://doi.org/10.18721/JPM.161.242

15. Томский К.А., Перетягин В.С. Дыхательная диагностика Helicobacter Pylori с использованием прибора «ГАСТРОТЕСТ» // Главный врач Юга России. 2021. Т. 79. № 4. С. 18–19.
Tomsky K.A., Peretyagin V.S. Respiratory diagnostics of Helicobacter Pylori using the Gastrotest device // Chief Physician of the South of Russia. 2021. V. 79. № 4. P. 18–19.
16. Дмитриенко М.А., Гинак А.И. Аммиак как газообразный биомаркер инфекции Helicobacter Pylori // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института. 2016. Т. 59. № 33. С. 56–63.
Dmitrienko M.A., Ginak A.I. Ammonia as gaseous biomarker of Helicobacter Pylori infection // Bulletin of the Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University). 2016. V. 59. № 33. P. 56–63.
17. Чиркин А.А., Данченко Е.О. Биохимия: учебное руководство / Учебное пособие для студентов и магистрантов высших учебных заведений по биологическим и медицинским специальностям. Москва: Медицинская литература, 2010. 605 с.
Chirkin A.A., Danchenko E.O. Biochemistry: a tutorial / A tutorial for students and postgraduates of higher educational institutions in biological and medical specialties. Moscow: Medical Literature, 2010. 605 p.
18. Cassidy D.T., Reid J. Atmospheric pressure monitoring of trace gases using tunable diode lasers // Applied Optics. 1982. V. 21(7). P. 1185–1190. https://doi.org/10.1364/ao.21.001185

19. Werle P., Slemr F., Maurer K., Kormann R., Mücke R., Bernd Jänker. Near- and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis // Optics and Lasers in Engineering. 2002. V 37. № 2–3. P. 101–114. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(01)00092-6

20. Чернин С.М. Многоходовые системы в оптике и спектроскопии. Москва: Физматлит, 2010. 237 с.
Chernin S.M. Multipass systems in optics and spectroscopy. Moscow: Fizmatlit, 2010. 237 p.