title: Volatile emissions in human health applications: sampling and standardisation endeavours in relation to exogenous compounds in inhaled and exhaled breath
title: Flüchtige Emissionen im Bereich der menschlichen Gesundheit: Probenahme und Standardisierung in Bezug auf exogene Verbindungen in der ein- und ausgeatmeten Luft
Creators: name: Pham, Y Lan
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Volatile Organic Compounds
subject: Standardization
subject: Exhaled Breath
subject: Sampling
subject: Volatile Emissions
subject: Exposure
subject: Instrumental Analysis
subject: Quality Assurance
subject: Consumer Protection
subject: Health Research
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::54 Chemie::543 Analytische Chemie

description: The early diagnosis of health issues at disease onset is of particular importance to ensure an effective and timely patient treatment and improve the resulting outcome success. The discovery and exploitation of biomarkers that act as indicators of deleterious pathophysiological processes, medication efficacy or exposures to environmental stressors not only provides an opportunity for diagnosis and treatment monitoring, but also for prediction and prevention of adverse health outcomes. Exhaled breath represents a biofluid that is of potential use for biomarker exploitation via its rich mixture of volatile organic compounds (VOCs). The premise of breath-based diagnostics is to utilise representative VOC constituents or their patterns in the exhaled breath of an individual as indicators of physiological imbalances. A handful of volatile breath biomarkers are already utilised in practical and/or clinical applications, demonstrating the potential of this approach, yet there are a number of obstacles that limit the development and routine adoption of breath tests. These include disparate sampling and analytical methodologies, as well as poor reproducibility of independent study outcomes. The main objective of the present research was to address current limitations and uncertainties in breath sampling and analysis by developing novel techniques to sample and analyse volatiles in breath and from sampling interface materials, as well as to assess standardisation procedures by comparing common analytical techniques in widespread use in the field of breath research. In the first part of this work, a novel breath sampling interface was designed as a compatible alternative to the conventional silicon mask used in a commercial breath sampling system. The new interface was designed to overcome specific shortcomings of the mask and consisted of a 3D-printed adapter mouthpiece and a pulmonary function filter. This interface represents a costeffective, reusable and sustainable solution for breath sampling. The suitability of this interface for use in breath sampling applications was assessed in terms of volatiles emitted from the material in relation to biocompatibility (inhalation toxicology) and potential biomarker confounders, as well as the degree of adsorption of potential biomarkers by the adapter materials. These assessments were made in comparison with the conventional mask. Volatile emissions from the different materials were determined after (hydro)thermal treatment, whereby a reduction of total VOC emissions in the adapter (by 99%) and in the filter (by 89%) compared to the mask (62%) could be achieved. In terms of compound uptake, the degree of losses by adsorption to the wetted surfaces of the interfaces was found to be compound-dependent, with negligible uptake of some compounds but marked losses of others across all materials. Generally, uptake levels were lowest for the adapter and most pronounced in the mask. The need to characterise volatile emissions from the materials motivated the task of developing a suitable novel online extraction and analysis method that allowed a rapid assessment of such emissions. This was achieved through use of a microchamber/thermal extractor (μ-CTE) coupled to a proton transfer reaction-mass spectrometer (PTR-MS). This configuration enabled the dynamic VOC emissions to be monitored online and provided data to determine emission rates and evaluate these in relation to their toxicological relevance. These analyses were complemented by thermal desorption comprehensive two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry (TDGC×GC-MS) analyses to confirm VOC identities. Results showed that two of the materials investigated were of no concern, whereas the third material emitted compounds at a rate that would exceed the daily tolerance if it were used in breath sampling. As well as characterising the aforementioned sampling components, other aspects of breath testing in relation to standardisation and quality assurance were also explored in this work. Specifically, the degree of variability across a range of sampling and analytical platforms when simultaneously analysing common breath samples was assessed by means of the Peppermint Experiment benchmarking protocol. This study was conducted using a PTR-MS, a gas chromatography-ion mobility spectrometer (GC-IMS) and a GC×GC-MS in combination with the respective dedicated breath sampling interfaces. The experiments with a cohort of 11 healthy volunteers followed the washout profile of peppermint compounds in breath within six hours after ingestion of a peppermint oil capsule. It was demonstrated that intra- and inter-individual differences were the many drivers for variability in the datasets compared to differences in instrument performance, which played only a minor role. Overall, this work contributes to a number of aspects of the field of breath research. The novel breath sampling interface developed in this work represents a configuration that reduces the risks associated with disruption of breath sample integrity and minimises the health hazards related to cross-contamination during the sampling procedure and exposure to toxic substances from sampling materials. Further, the newly developed analysis configuration to evaluate the dynamic VOC emissions from materials in real-time will facilitate quicker screening of potential toxicological and confounding volatiles, which represent critical aspects of consumer protection and sample integrity, respectively. Ultimately, standardisation of sampling and analysis methods will help to increase the reproducibility of research outcomes and pave the way towards the widespread applicability of breath-based tests in human health research.
description: Die frühzeitige Diagnose von Gesundheitsproblemen bei Krankheitsbeginn ist von besonderer Bedeutung, um eine wirksame und frühzeitige Behandlung der Patienten zu gewährleisten und den Erfolg der Behandlung zu steigern. Die Entdeckung und Nutzung von Biomarkern, die als Indikatoren für pathophysiologische Prozesse, die Wirksamkeit von Medikamenten oder die Exposition gegenüber Umweltstressoren fungieren, bietet nicht nur die Möglichkeit zur Diagnose und Überwachung von therapeutischen Maßnahmen, sondern auch zur Vorhersage und Vorbeugung nachteiliger Gesundheitsfolgen. Die ausgeatmete Luft ist ein biologisches Medium, das eine reichhaltige Mischung aus flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) als potenzielle Biomarker darstellt. Die Prämisse der atembasierten Diagnostik besteht darin, repräsentative VOCs oder deren Muster, die in der Ausatemluft vorhanden sind, als Indikatoren für physiologische Ungleichgewichte zu nutzen. Eine Handvoll Biomarker aus der Atemluft werden bereits in praktischen und/ oder klinischen Anwendungen eingesetzt, was das Potenzial dieses Ansatzes belegt, doch gibt es eine Reihe von Herausforderungen, die die Entwicklung und routinemäßige Einführung von Atemtests einschränken. Dazu gehören die große Auswahl an unterschiedlichen Probenahme- und Analysemethoden sowie die schlechte Reproduzierbarkeit der Studienergebnisse. Das Hauptziel der vorliegenden Forschungsarbeit bestand darin, die derzeitigen Limitierungen bei der Probenahme und -analyse von Atemluftproben durch die Entwicklung neuartiger Techniken für die Atemgasanalytik und zur Analytik von VOCs aus Probenahmematerialien, sowie die derzeitige Standardisierungsbestrebungen in der Forschung durch den Vergleich herkömmlicher Analysetechniken in diesem Feld zu bewerten. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein neuartiger Atemprobenahmeadapter als kompatible Alternative zur herkömmlichen Silkonmaske entwickelt, die in einem kommerziellen Atemprobensystem verwendet wird. Die neue Konfiguration wurde entwickelt, um spezifische Mängel der Maske zu überwinden, und besteht aus einem 3D-gedruckten Adaptermundstück und einem Lungenfunktionsfilter. Diese Entwicklung stellt eine kostengünstige, wiederverwendbare und nachhaltige Lösung für die Atemprobe dar. Die Eignung dieser Schnittstelle für die Verwendung bei Atemprobenahmen wurde im Hinblick auf die aus dem Material freigesetzten flüchtigen Stoffe in Bezug auf die Biokompatibilität (Inhalationstoxikologie) und potenzielle Biomarker als Störfaktoren sowie den Grad der Adsorption potenzieller Biomarker durch das Adaptermaterial selbst bewertet. Diese Bewertungen wurden im Vergleich zu einer herkömmlichen Maske vorgenommen. Die Emissionen flüchtiger Stoffe aus den verschiedenen Materialien wurden nach der (hydro)thermischen Behandlung bestimmt, wobei eine Verringerung der gesamten VOC-Emissionen im Adapter (um 99 %) und im Filter (um 89 %) im Vergleich zur Maske (62 %) erreicht werden konnte. Im Hinblick auf die Aufnahme von Verbindungen war der Grad der Verluste durch Adsorption an den Oberflächen von der jeweiligen Verbindung abhängig, wobei die Aufnahme einiger Verbindungen vernachlässigbar war, während die Verluste bei anderen Verbindungen bei allen Materialien deutlich stärker ausgeprägt waren. Im Allgemeinen war die Aufnahme bei dem Adapter am geringsten und bei der Maske am stärksten ausgeprägt. Die Notwendigkeit, die flüchtigen Emissionen aus den Materialien zu charakterisieren, motivierte zur Entwicklung einer geeigneten neuartigen Online-Extraktions- und Analysemethode, die eine schnelle Bewertung dieser dynamischen Emissionen in Echtzeit ermöglicht. Dies wurde durch den Einsatz eines Mikrokammer-Thermoextraktors (μ-CTE) erreicht, der mit einem Protonentauschreaktions-Massenspektrometer (PTR-MS) gekoppelt ist. Dies ermöglichte die Online-Überwachung der dynamischen VOC-Emissionen und lieferte Daten zur Bestimmung der Emissionsraten und deren Bewertung im Hinblick auf ihre toxikologische Relevanz. Diese Analysen wurden durch umfassende zweidimensionale Thermodesorptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Analysen (TD-GC×GC-MS) ergänzt, um die Identität der VOCs zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigten, dass zwei der untersuchten Materialien unbedenklich waren, während das dritte Material Verbindungen in einem Ausmaß emittierte, das die tägliche Toleranzgrenze überschreiten würde, wenn es bei Atemproben verwendet würde. Neben der Charakterisierung der oben genannten Probenahmekomponenten wurden im Rahmen dieser Arbeit auch andere Aspekte der Atemluftuntersuchung im Zusammenhang mit der Standardisierung und Qualitätssicherung untersucht. Insbesondere wurde der Grad der Variabilität über eine Reihe von Probenahme- und Analyseplattformen bei der gleichzeitigen Analyse gängiger Atemproben mit Hilfe des Benchmarking-Protokolls des Pfefferminz-Experiments bewertet. Die Humanstudie wurde unter Verwendung eines PTR-MS, eines Gaschromatographie-Ionenmobilitätsspektrometers (GC-IMS) und eines GC×GC-MS in Kombination mit den jeweiligen speziellen Atemprobenahmesystemen durchgeführt. Das Auswaschungsprofil von Pfefferminzverbindungen in der Atemluft innerhalb von sechs Stunden nach Einnahme einer Pfefferminzölkapsel wurde in einer Kohorte von 11 Personen bestimmt. Es zeigte sich, dass intra und interindividuelle Unterschiede die Hauptursache für die Variabilität in den Datensätzen waren, während die Variabilität zwischen den Geräten nur eine untergeordnete Rolle spielte. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einer Reihe von Aspekten auf dem Gebiet der Atemforschung bei. Das neuartige Atemprobenahmesystem, das in dieser Arbeit entwickelt wurde, verringert die Risiken, die mit einer Störung der Integrität der Atemproben verbunden sind, und minimiert die Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit Kreuzkontaminationen während des Probenahmeverfahrens und der Exposition gegenüber toxischen Substanzen aus dem Probenahmematerial. Darüber hinaus wird die neu entwickelte analytische Konfiguration zur Bewertung von VOC-Emissionen aus Materialien ein schnelleres Screening potenzieller toxikologischer und verwechslungsfähiger VOC-Emissionen ermöglichen, die kritische Aspekte des Verbraucherschutzes bzw. der Probenintegrität darstellen. Letztendlich wird die Standardisierung von Probenahme- und Analysemethoden dazu beitragen, die Reproduzierbarkeit von Forschungsergebnissen zu erhöhen und den Weg für eine breite Anwendbarkeit von atembasierten Tests in der Gesundheitsforschung zu ebnen.