i praktiken är det omöjligt att hitta en sann spektral match mellan AU och mänsklig urin, men graden av likhet är en tillförlitlig åtgärd. Tre AU-satser jämförs i termer av SG, pH och IR-spektrum som mätning av match till human urin. En statistisk analys tillämpas också på IR-spektra. Efter vatten är huvudkomponenten i urinen urea., I själva verket är urea spektrala bidrag till AU dominerande jämfört med andra komponenter (Fig. 1 och Kompletterande Fig. S2). Kreatinin och natriumcitrat är de andra och tredje komponenterna med djupa spektrala bidrag.
infraröd absorbansspektra av nio föreningar som används i MP-AU-formuleringen. Skalning av de vertikala axlarna är inte lika. Relativa absorbanser ges i 3D tomt i kompletterande Fig. S2., Signal-brusförhållandet är begränsat i ATR diamond i 2600-2000 cm – 1-regionen och är därmed uteslutet från displayen. NaCl, KCl och CaCl2 hade ingen absorption i det uppmätta fönstret och är således uteslutna från båda figurerna. Även absorptionen av K2C2O4 är mycket svag, och därmed är dess spektrum uteslutet från figuren. Toppositioner presenteras i Tilläggstabell S2.
BK-AU, CT-AU och MP-AU framställs enligt beskrivningen i metoden. BK-AU och CT-AU delar gemensamma kemikalier i sina protokoll., Men medan båda innehåller bikarbonat, finns denna förening inte naturligt i hälsosam mänsklig urin1. Bikarbonat användes därför inte i MP-AU-formuleringen. Koncentrationerna av kemikalier är olika när BK-AU och CT-AU jämförs eftersom de två studierna är beroende av olika litteratur om urinsammansättning. Trots skillnaderna i formlerna har alla AUs acceptabla fysikaliska egenskaper när det gäller SG och pH (tabell 3), och alla ingredienser ligger inom de fysiologiska områdena baserat på Mayo Clinic testkatalog., Å andra sidan är urin en komplex lösning av naturen och att jämföra någon AU-formulering med mänsklig urin baserat på bara två parametrar (SG och pH) är i bästa fall en blind strategi. Därför använde vi en spektroskopisk analys med hjälp av FTIR för att påpeka likheter och/eller skillnader mellan AUs och jämförde dem med humana urinprover.
mänsklig urin
absorbansspektra av urinprover från 28 friska individer visas i Fig. 2. I allmänhet visar spektret av mänsklig urin samma profil, särskilt i 1800-1200 cm−1-fönstret i spektrumet. Det finns emellertid signifikanta variationer bland individerna i 1200-800 cm – 1-intervallet. Det kan bero på kost, kön och metabolismskillnader. När variansen beräknas ses de mest framträdande topparna vid 1644, 1574, 1436, 1105 och 1065 cm−1., Enligt vår databas av spektra som erhållits från enskilda ingredienser (Fig. 1), variationer i nivån av kreatinin, citrat, urea, fosfat och urinsyra kan ha bidragit till dessa skillnader tillsammans med andra urinkomponenter. Medelvärdet av 28 urinprover beräknas och används härefter för jämförelse (Fig. 2).
infraröd absorbansspektra av 28 friska individer i åldern 20-40 år., B) beräknat genomsnittligt spektrum av human urin visas i svart och variansen bland 28 urinspektra visas i rött.
konstgjorda uriner
den beräknade genomsnittliga mänskliga urinen jämförs med de tre AU-spektra som visas i Fig. 3. Bandprofilerna och positionerna ses vara lika på många punkter, nämligen 1657, 1609, 1447, 1143 och 783 cm−1 (Fig. 3). Dessa band kommer huvudsakligen från urea. Det finns emellertid också betydande variationer och avvikelser från dessa positioner som diskuteras i detalj i vad som följer.,
infraröd absorbansspektrum MP-AU (röd), CT-AU (grön), BK-AU (blå) tillsammans med spektrumet av den genomsnittliga friska urinen från 28 deltagare (svart) i fingeravtrycksregionen. Inloppsfiguren visar samma spektra i 3800-2500 cm – 1-regionen.
alla spektra delar gemensamma funktioner i det högre frekvensområdet (4000-2500 cm-1) (Fig. 3-inlopp)., De två högsta absorbanserna centrerade runt 1600 cm – 1 och 1445 cm-1 beror främst på urea med relativt litet bidrag från kreatinin. De små skillnaderna i absorbansen av AUs beror huvudsakligen på skillnaderna i ureakoncentration i respektive formuleringar. Å andra sidan visar regionen mellan 1200 cm−1 och 800 cm-1 betydande variationer. Den mest framträdande skillnaden är absorbansen vid 975 cm−1 i BK-AU (Fig. 3). I denna position har alla AU spectra olika antal toppar på olika positioner., Denna region är samlingen av ett antal toppar som huvudsakligen härrör från urea, urinsyra, kreatinin och natriumfosfat (Fig. 1 och Kompletterande Fig. S2). Därför ger de små variationerna i koncentrationen av dessa föreningar en mycket annan profil i spektrumet.
huvudkomponentanalys (PCA) används för differentiering av tre genomsnittliga artificiella urinspektra med avseende på genomsnittlig mänsklig urin i hela vågnumreringsområdet (4000-600 cm−1) (Fig. 4A). Den första huvudkomponenten (PC1) (72,7%) och den andra huvudkomponenten (PC2) (19.,5%) står för 92% av den totala variansen. Poängen plot visar att MP-AU visar större likhet med genomsnittlig human urin jämfört med andra AU formuleringar när hela spektra beaktas. Denna analys tillämpas också på alla tre mätningar för AUs och alla mänskliga urinmätningar av 28 friska individer. Jämförelser visas i två regioner av IR-spektrumet, dvs 1400-1200 cm−1 (Fig. 4B) och 1000-800 cm−1 (Fig. 4C). I båda regionerna är MP-AU mer framgångsrik för att imitera spektrala egenskaper hos mänsklig urin., Medan BK-AU är mer framgångsrik jämfört med CT-AU i 1400-1200 cm−1−regionen, är det motsatsen i 1000-800 cm-1-regionen. Vilka band eller föreningar som står för dessa skillnader diskuteras i följande avsnitt.
Score plot of principal component analysis applied to average spectrum of human urine (HU) and artificial urin measurements. Plot jämför spektra i hela vågantal intervall (4000-600 cm−1) (a)., Poäng plot av alla IR mätningar jämfört i 1400 cm-1 intervall (B) och i 1000-800 cm−1 intervall (C).
human urin och MP-AU jämförelse
det finns en tillfredsställande matchning mellan spektrumet av MP-AU och human urin när absorption (grå spår) och andra derivatprofiler (röd spår) jämförs (Fig. 5A,B). Två spektra är inte signifikant olika på 0.05-nivån baserat på Mann-Whitney-testet (Z = -1) (Tilläggstabell S3). Regionen mellan 1800-1400 cm-1 är nästan vanlig som föreslagits av andra derivatprofiler., Toppen på 1390 cm – 1 är dock annorlunda. Absorptionen (grå spår) vid denna punkt i MP-AU är inte lika hög som i urinen. Denna absorption beror på närvaron av natriumcitrat (Fig. 1 och Tilläggstabell S2). Även om mängden citrat är medelvärdet av det fysiologiska området, kan felmatchen indikera en stor mängd citrat hos volontärer. Citratkoncentrationen i urinen kan variera beroende på kost., Till exempel, i DASH (kost metoder för att stoppa högt blodtryck)-stil diet (rik på grönsaker, frukt, fullkorn, låg-lipid livsmedel, fisk, kött, nötter och bönor; begränsad i rött-kött, socker-sötad frukt, drycker och fetter) mängden citrat ökar i urinen37.
topparna på 1343, 1301, 1278 och 1242 cm – 1 är nästan lika i läge (Fig. 5B−grå spår) och när det gäller det relativa förhållandet mellan amplituder, förutom att toppen vid 1301 cm-1 är mindre uppenbart från absorbansspektrumet. MP-AU ger den bästa matchen i denna 1350-1200 cm – 1-region jämfört med andra AUs., I 1200-1000 cm−1-regionen, istället för 1031 och 1045 cm−1-toppen i den mänskliga urinen (Fig. 5A-röd spår), det finns en topp på 1039 cm – 1 i MP-AU (Fig. 5B-röd spår). Spektralmatchen mellan de två spektra i regionen 1000-600 cm-1 är tillfredsställande. En skillnad är i position 928 cm-1 i urinabsorptionsspektrumet. Detta band ligger på 922 cm−1 i MP-AU. När andra derivatprofiler undersöks ses denna topp vara överlagringen av två toppar. Den största bidragsgivaren är en topp vid 929 cm-1, med mindre bidrag från en annan topp vid 916 cm−1 i urinspektrumet., Men i MP-AU är amplituden på 929 cm-1-absorptionen lägre, vilket skiftar Kuvertets läge ner till 922 cm-1. Detta kan bero på det rika innehållet av mänsklig urin som ger ytterligare absorptionsmedel vid 929 cm-1 som inte ingår i MP-AU.
human urin och CT-AU jämförelse
1800-1400 cm−1-regionen av absorbansspektrumet är mycket lik urinspektret i samma region, vilket huvudsakligen är korrelerat med urea-halten (Fig. 5A,C). CT-AU-spektrumet lyckas också matcha axeln vid 1390 cm-1., Det normala fysiologiska intervallet för citrat är 0,2-1,2 g / D31. I CT-AU formulering motsvarar mängden citrat 2 G/d (förutsatt 1,5 l urinering per dag), vilket är mer än den maximala punkten för det fysiologiska området. Det verkar som om det genomsnittliga urinspektrumet återspeglar en stor mängd citrat som anges i föregående avsnitt. När hela fingeravtrycksområdet av CT-AU-spektrum jämförs med humant urinspektrum med användning av Mann-Whitney-test, på 0,05-nivån är två spektra signifikant olika (Z = -13,5) (kompletterande tabell S4).,
i det mänskliga urinspektrumet ses bandet vid 1238 cm−1 vara beläget vid 1246 cm – 1 i CT-AU-spektrumet (Fig. 5C-röd spår). Det som fortfarande är oklart är dock om de två banden speglar vibrationen i samma molekylära grupp, eller de är orelaterade absorptioner. Mänsklig urin har flera absorbanser i 1200-1000 cm-1-regionen. Även om de flesta av komponenterna är vanliga mellan urin och CT-AU, finns det signifikanta skillnader när det gäller bandens relativa förhållanden och sålunda är den övergripande profilen annorlunda., Topppositioner är i allmänhet lika, förutom den vid 1045 cm-1 i urinspektrum, som ligger vid 1050 cm−1 i CT-AU. Dessutom saknas toppen vid 1031 cm – 1 i CT-AU-spektrumet. Den mest framträdande amplitudskillnaden är vid 1107 och ~ 1070 cm-1. En otillräcklig mängd fosfatföreningar, kreatinin och urinsyra kunde ha bidragit till skillnaden vid dessa positioner. Regionen är en superposition av många vibrationella grupper som finns i olika molekylära formationer som lipider, proteiner, glukos och dess derivat och i nukleinsyror., Därför är det nästan omöjligt att matcha ett AU-spektrum med det av mänsklig urin i denna 1200-1000 cm – 1-region. En annan viktig skillnad är toppen vid 965 cm-1 sett i CT-AU, men inte i humant urinspektrum. Vi har inte tillräckligt med data för att diskutera den möjliga orsaken till detta band eftersom ingen av urinkomponenterna vi mätte absorberar vid denna position. Den sista punkten i jämförelsen av CT-AU med mänsklig urin är frånvaron av 928 och 866 cm−1 toppar i CT-AU.,
human urin och BK-AU jämförelse
den allmänna spektralprofilen för BK-AU liknar också mänsklig urin vid många punkter (Fig. 3). De tre högsta absorbanserna vid positionerna 1657, 1609 och 1447 cm-1 i människans urinspektrum matchar när det gäller allmänt utseende, men varierar något i toppläge i spektrumet av BK-AU (Fig. 5A, d-grå spår). Toppen på 1491 cm−1 (ses som en axel på 1446 cm−1-toppen i absorbansspektrumet) är dock mer uttalad i BK-AU. Denna position kan hänföras till kreatinin (Fig. 1 och Tilläggstabell S2)., Mängden kreatinin som används i BK-AU-formuleringen ligger inom det normala fysiologiska området, även om det är mindre än medelvärdet. Faktum är att mängden kreatinin i MP-AU-formuleringen är mer, men absorbansen vid ~ 1490 cm-1 är mindre. Därför kan en sådan uttalad topp inte förklaras av mängden kreatinin. Å andra sidan observerade vi en ökning av amplituden vid denna position när natriumsulfat tillsätts till lösningen medan man förbereder MP-AU, även om natriumsulfat inte har någon absorbansen i denna region. Magnesiumsulfat skapar inte denna effekt., Baserat på denna erfarenhet tror vi att den ökade absorbansen vid ~1490 cm−1 är relaterad till mängden natrium i formuleringen av BK-AU. Den totala natriumkoncentrationen som används i BK-AU-formuleringen ligger utanför det fysiologiska området och är den högsta bland de tre AUs. En detaljerad jämförelse av kemiskt innehåll presenteras i nästa avsnitt.
en obalans av spektrala profiler mellan BK-AU och urin ses vid ~1390 cm−1 (Fig. 3). Amplituden vid denna position är mer i urinspektrumet. Denna topp tillskrevs citrat i tidigare avsnitt., Men många c-h vibrationella lägen absorberar också i denna region, såsom den symmetriska deformationsläget för metylgrupp vid 1380-1390 cm-138,39. I human urin finns ett antal CH3-källor tillsammans med kreatin1, såsom 3-Metylhistidin, ättiksyra, aceton, Alfa-Hydroxiisosmörsyra, 5-Metyl-2-hexanon etc. som bidrar till absorptionen vid 1390 cm-1. Bristen på sådana föreningar kan ha resulterat i den lägre amplituden vid 1390 cm−1.
1345 cm−1-toppen i det mänskliga urinspektrumet ligger vid 1341 cm – 1 I BK-AU-spektrum (Fig. 5A, d-röda spår)., Detta band härstammar huvudsakligen från urea (1331 cm−1), urinsyra (1346 cm−1) och kreatinin (1333 cm−1) och får mindre bidrag från natriumcitrat (kompletterande tabell S2). I formuleringen av BK-AU ligger koncentrationen av urea inom den första 20% – delen av det normala fysiologiska området, vilket är ganska mindre än medelvärdet. Koncentrationerna av urinsyra och kreatinin är också mindre än genomsnittet, dvs 13,5% respektive 33,5% del., Skillnaden vid bandets position beror på de olika förhållandena för dessa komponenter i förhållande till varandra, så att det överlagda bandet flyttas något på plats. En annan skillnad i spektrumet av BK-AU är toppen belägen vid 1246 cm – 1 (Fig. 5D). I human urinspektrum ligger denna topp vid 1238 cm-1. Tyvärr är det inte klart om de två banden beror på samma molekylära grupp och det finns en förskjutning i position, eller de två banden kommer från olika molekylära grupper. Samma topp observeras också i CT-AU, som tidigare påpekats., Dessutom observeras också problemet i 1200-1000 cm−1-regionen som ses i CT-AU I BK-AU. Som tidigare nämnts är en perfekt match i detta fönster av spektrumet nästan omöjligt på grund av antalet ingredienser som är nödvändiga för en ekonomisk AU.
den största skillnaden i spektrumet av BK-AU är den relativt överdrivna absorptionen centrerad vid ~975 cm−1. Detta band är en superposition av fem olika komponenter vid 999, 984, 963, 945 och 909 cm−1 som avslöjas av den andra derivatprofilen av spektrumet., En liknande topp observeras också i CT-AU vid 965 cm-1, men bandamplituden är mycket mindre än den i BK-AU-spektret. I intervallet 940-1020 cm−1 har bikarbonat, di-natriumvätefosfat och urea absorptioner (Fig. 1 och Kompletterande Fig. S3). När de individuella absorptionsspektra av dessa tre föreningar tillsätts (spektral tillsats) är den resulterande amplituden i motsvarande region mycket mindre än vad som observeras i BK-AU. Detta visar bildandet av en förening bland beståndsdelarna.,
toppen vid 866 cm−1 i urinspektrumet saknas i BK-AU, vilket var fallet i CT-AU. Den sista skillnaden mellan de två spektra är 841 cm – 1 I BK-AU-spektrumet. Denna topp är mer uttalad i BK-AU-spektrum i förhållande till CT-AU och Human urinspektra. Det beror främst på kreatinin (842 cm-1). Magnesiumsulfat bidrar också med en baslinje, vilket ger bandet sin slutliga position och profil så långt som vi observerade under våra experiment., I BK-och CT-AU absorberar bikarbonat också vid 832 cm-1 som bidrar till amplituden men ändrar inte positionen för 841 cm−1-toppen.
i hela fingeravtrycksregionen är BK-AU och Human urinspektra signifikant olika på 0.05-nivån baserat på Mann-Whitney-testet (Z = -10.8) (Tilläggstabell S5).
jämförelse av artificiella uriner i termer av kemisk halt
listan över kemikalier som används i alla tre AUs är huvudsakligen densamma; koncentrationen av varje komponent är emellertid olika (Tilläggstabell S1)., Figur 6 visar mängden av varje komponent i förhållande till dess normala fysiologiska område31. MP-AU består av tretton komponenter, vardera i nivå med 50%, vilket är medelvärdet av det normala fysiologiska intervallet. Ett negativt värde i figuren representerar otillräcklig mängd motsvarande kemikalie. Den kemiska sammansättningen av CT-AU formulering har brister. Till att börja med överstiger mängden citrat det normala intervallet (~125%). I samma ven är mängden kalcium och klorid mer än medelvärdena, 90% respektive 64%., Medan kreatinin och fosfat är otillräckliga ligger mängden urea, urinsyra, ammonium, magnesium och sulfat nära minimivärdena för normala intervall. I formuleringen av BK-AU är mängden natrium, kalcium och klorid mer än medelvärdena, 87%, 75% respektive 76%. Å andra sidan är urea, urinsyra, kalium, magnesium, sulfat och fosfat ganska mindre än medelvärdet för det normala fysiologiska området. Även om dessa föreningar fortfarande ligger inom det normala intervallet för en frisk människa, är mängden oxalat otillräckligt.,
relativ mängd vanliga föreningar som används i alla AUs. Horisontell axel representerar molaritetsprocenten av det normala fysiologiska området för varje förening. Alla normala intervallvärden normaliseras så att normalområdets minsta punkt är inställd på 0% och normalområdets maximala punkt motsvarar 100%.