Kombinovaná telegrafia na monitorovanie chémie ľudského tela vedecké správy

Kombinovaná telegrafia na monitorovanie chémie ľudského tela vedecké správy

Anonim

predmety

  • biomarkery
  • metabolomiky
  • senzory

abstraktné

Analýza prchavých organických zlúčenín (VOC) je sľubný prístup pre neinvazívnu, rýchlu a potenciálne lacnú diagnostiku. Tu uvádzame novú metodológiu profilovania teórie tela pomocou prchavej frakcie molekúl v rôznych telových tekutinách. Pomocou hmotnostnej spektrometrie a krížovo reaktívnych nanomateriálových senzorov demonštrujeme, že súčasná detekcia VOC z dychu a pokožky by poskytla doplnkové, nekorelované informácie o profile prchavých metabolitov v tele. V prípade ďalších rozsiahlych štúdií validácie populácie by takáto metodika mohla poskytnúť presnejšie monitorovanie patologických zmien v porovnaní s informáciami poskytnutými jednou telesnou tekutinou. Kvalitatívne a kvantitatívne metódy uvedené v tomto dokumente ponúkajú rôzne možnosti nového mapovania metabolických vlastností komplexných organizmov vrátane ľudí.

úvod

Analýza prchavých organických zlúčenín (VOC), ktoré sú organickými zlúčeninami s vysokým tlakom pár, je novou hranicou v neinvazívnom, rýchlom a potenciálne lacnom monitorovaní chémie ľudského tela, ako aj pri monitorovaní zdravotných stavov súvisiacich s rakovinou, obličkami. choroby a neurodegeneratívne choroby 1, 2 . Tieto VOC sa vyrábajú v dôsledku zmeny špecifických biochemických ciest v tele, z ktorých väčšina je spojená s oxidačným stresom, cytochrómom p450, pečeňovými enzýmami, metabolizmom uhľohydrátov a metabolizmom lipidov 2 . VOC sa po ich produkcii emitujú do rôznych telesných tekutín, okrem iného vrátane: i) priestoru nad hlavou buniek súvisiacich s chorobou; (ii) močový priestor; (iii) krvný priestor; (iv) kožný priestor hlavy; alebo (v) vydýchnutý dych 3, 4, 5, 6 . Z týchto telových tekutín sú vydýchané dychy a kožný priestor hlavy najužitočnejšími zdrojmi VOC na monitorovanie telesnej chémie alebo zdravotného stavu na zlepšenie personalizovanej liečby. Je to preto, že vydychovaný dych a hlavový priestor pokožky je možné získať neinvazívne, sú vhodné na vysoký poddaj a poskytujú matricu s relatívne nízkou komplexnosťou 2, 7, 8 . Použitie vzoriek z jednej telovej tekutiny 9, 10 bolo napriek tomu obmedzené miernou presnosťou v podmienkach v reálnom svete a / alebo mätúcimi faktormi 1, 11 .

V tejto štúdii sme vyvinuli metodológiu, ktorá umožňuje simultánny zber VOC zo vzoriek dychu aj pokožky - ďalšie podrobnosti pozri na obrázku 1a v časti Ilustrácia a metódy. Ukazujeme, že vyvinutý prístup umožňuje skúmať širšie spektrum VOC, ako je spektrum získané z jedinej vzorky telesnej tekutiny, čo vedie k vyšším detekčným schopnostiam v skutočných podmienkach. K týmto záverom dospievame pomocou laboratórneho analytického nástroja (plynová chromatografia / hmotnostná spektrometria, GC / MS) a nástroja miesta starostlivosti (nanomateriálny rad chemických senzorov).

Image

a) Schematické znázornenie procesu odberu vzoriek z dychu aj z kože pomocou sorbentových skúmaviek a analyzovaných pomocou senzorového poľa a GC / MS (ilustrácia urobená autorom, s výnimkou figuríny hlavy (68898031), sa znova vytlačí s licenciou zo strany shutterstock.com). b) Korelačná matica s farebnou mapou, ktorá obsahuje množstvo VOC v dychu a koži. Analýza zdieľanej zlúčeniny GC / MS (19 VOC) pomocou: (c) korelačnej matice s farebnou mapou, že korelácia v rámci matice rôznych VOC. Riadky boli usporiadané na základe korelačných hodnôt tak, že vysoká alebo nízka korelácia bude susediť. B) dych; S) koža; 1) acetón; 2) heptán; 3) dodekán; 4) Octanal; 5) Nonanal; 6) dekanal; 7) 1, 3-butadién, 2-metyl; 8) bután, 2, 2-dimetyl; 9) benzén; 10) benzén, 1, 3-dimetyl; 11) pentán, 3-metyl; 12) hexán; 13) cyklopentán, metyl; 14) kyselina octová; 15) Sulfid uhličitý; 16) acetofenón; 17) alfa-pinén; 18) benzaldehyd; 19) toluén. d) analýza PCA podľa troch skupín vzoriek: dych, pokožka a miestnosť.

Obrázok v plnej veľkosti

výsledok

Vyvinutý prístup sa testoval na vzorkách dychu a kože, ktoré sa súčasne odobrali od 30 dobrovoľníkov, ktorých podrobnosti sú uvedené v doplnkovej tabuľke S1. GC / MS analýza týchto vzoriek ukázala výrazné rozdiely medzi profilmi VOC vo vydýchnutom dychu a profilmi vo vzorke kože. V jednotlivých vzorkách dychu bolo identifikovaných tridsaťsedem VOC, spoločné pre všetkých účastníkov, bez ohľadu na ich rozdiely vo veku, pohlaví, etnicite, histórii fajčenia alebo zdravotnom stave. VOC s bežným dychom boli predbežne identifikované pomocou spektrálnej zhody knižnice ( pozri doplnkovú tabuľku S2). Jednotlivé vzorky kože vykazovali 217 VOC, spoločné pre všetkých účastníkov ( pozri doplnkovú tabuľku S3).

Všeobecný vzťah medzi týmito VOC sa študoval pomocou korelačnej matice. Obrázok 1b predstavuje tepelnú mapu množstva VOC v rôznych vzorkách (1 / -1: maximálna pozitívna / negatívna korelácia; nula: žiadna korelácia). Táto analýza ukázala, že dva zdroje VOC (koža a dych) spolu navzájom len slabo korelujú, zatiaľ čo reakcia v rámci každého zdroja je vysoko korelovaná. Po tejto analýze sa preskúmala podobnosť a korelácia medzi VOC z obidvoch zdrojov (tj počet VOC zistený v obidvoch zdrojoch). Je pozoruhodné, že prekrývanie medzi VOC pokožky a dychu bolo dosť malé - vo vzorkách dychu aj pokožky bolo nájdených iba 19 VOC. V skutočnosti bolo menej ako 10% VOC pokožky nájdených pri vydýchnutom dychu, tj. viac ako 90% bolo jedinečných pre vzorku kože. S výnimkou izoprénu bola koncentrácia bežných VOC vo vzorkách kože podstatne vyššia ako vo vzorkách dychu. Obrázok 1c zobrazuje korelačnú maticu medzi množstvom 19 bežných VOC nachádzajúcich sa vo vzorkách dychu a pokožky. Pre väčšinu bežných VOC sa našla skôr všeobecná korelácia vo vzorkách dychu a vo vzorkách kože, ale nie medzi vzorkami dychu a kože. Tri VOC (dekanal, nonanal a oktanol) vykazovali pomerne vysoké korelácie, v dychu (nonanal: oktanol - 0, 71; dekanal: oktanol - 0, 66; nonanal: dekanal → 0, 86) a v koži (nonanal: oktanal → 0, 94; dekanal: oktanal → 0, 67; neanal: decanal → 0, 70) vzorky. Je zaujímavé, že nonanal a dekanal boli predtým identifikované ako dva z najvýznamnejších kožných zápachov u ľudí 12 . Analýza hlavných zložiek (PCA) kože a dychu viedla k dobre oddeleným zhlukom bez ohľadu na demografické rozdiely ( pozri obrázok 1d). Tieto podpisy sa navyše neprekrývali so zhlukom PCA vzoriek vzduchu v miestnosti, čo naznačuje, že okolité ovzdušie neboli viditeľne ovplyvnené ani VOC pokožky ani VOC z dychu.

Vzorky dychu a kože od tých istých 30 dobrovoľníkov sa študovali aj pomocou nanomateriálneho senzorového poľa, ktoré by mohlo poskytnúť budúci diagnostický nástroj v mieste starostlivosti ( pozri metódy). Elektrický odpor snímačov, ktoré sú súčasťou, sa po vystavení vzorkám rýchlo a reverzibilne zmenil. Typické odozvy pre dva reprezentatívne senzory sú znázornené na obrázkoch 2a a 2b. U rôznych senzorov boli medzi dobrovoľníkmi zistené rôzne úrovne variability odpovede. Obrázky 2c a 2d znázorňujú reprezentatívnu odpoveď na variabilitu medzi snímacími meraniami dychu a vzoriek kože pre každého dobrovoľníka. Vo väčšine prípadov bol senzorový signál vzorky pokožky, až na niektoré výnimky, vyšší ako signál vzorky tvoriacej dych. U každého senzora sa testovala variabilita vzoriek dychu a pokožky analýzou párovaných párov (t-test) (podľa subjektu) medzi všetkými vzorkami dychu a všetkými vzorkami kože (pozri doplnkovú tabuľku S4). V analýze GC / MS sme analyzovali VOC osobitne. V prípade (krížovo reaktívnych) senzorov sa odozva získa zo všetkých VOC v zmesi. Inými slovami, každý senzor má jednu reakciu na všetky VOC každej vzorky. Senzory vykazujúce vysokú variabilitu medzi vzorkami kože a dychu zvyčajne vykazujú vyššiu variabilitu medzi jednotlivými osobami ako senzory, ktoré mali nízku variabilitu medzi pokožkou a dychom.

Image

Reprezentatívne odozvy v sedaní (a) snímača GNP (č. 31) a (b) snímača RN-CNT (č. 34) na vzorky VOC z dychu a pokožky; prvý cyklus predstavuje reakciu na expozíciu čistému dusíku a druhý cyklus predstavuje reakciu na vzorku VOC. c) Odchýlka v každej dvojici vzoriek (dych verzus koža) konkrétneho testovaného jednotlivca (os x) na základe plochy pod signálom v senzore 31 a (d) senzoru 34. (e) Korelačná matica: farebná mapa predstavuje koreláciu odozvy senzora so stupnicou od 1 do -1, čo je maximálna pozitívna korelácia (žltá) alebo negatívna (modrá). Nulové hodnoty (svetlo zelená) predstavujú nízku koreláciu. f) Hierarchické zoskupovanie s farebnou mapou na základe kombinácie údajov o dychu a koži. Riadky predstavujú rôzne vzorky, ktoré boli zoskupené do deviatich hlavných klastrov. Stĺpce predstavujú rôzne údaje senzora / funkcie v dychu a koži. g) volatolomický čiarový kód založený na normalizovanej odpovedi. Na zjednodušenie prezentácie uvádzame údaje o dychu a pokožke v tandeme. Každá čiara predstavuje špecifickú vzorku, zatiaľ čo rôzne farebné obdĺžnikové stĺpce predstavujú rôzne odozvy snímača; veľkosť stĺpca predstavuje relatívny rozsah odozvy senzora pre konkrétnu vzorku zo všetkých reakcií. (MAZ02 a MAZ08 chýbali vo vzorke kože alebo dychu, a preto nie sú uvedené na obrázku) (h) strojom čitateľný čiarový kód informácií získaných z viacerých vzoriek tela. Čiarový kód bol vypočítaný pomocou bezplatného online generátora QR kódu.

Obrázok v plnej veľkosti

Vzťah medzi odozvou senzorov sa ďalej študoval pomocou korelačnej matice. Obrázok 2e zobrazuje tepelné znázornenie korelácií (1 / -1: maximálna pozitívna / negatívna korelácia; nula: žiadna korelácia). Dáta boli zoskupené (riadky boli zoradené na základe korelačných hodnôt tak, aby vysoká alebo nízka korelácia bola priľahlá) pre informatívnu prezentáciu. Bola pozorovaná silná vnútroskupinová korelácia medzi reakciami snímania na rovnaký typ telesnej tekutiny (medzi vzorkami dychu a medzi vzorkami kože), ale pozorovalo sa len veľmi málo korelácií medzi skupinami. Vnútroskupinové korelácie senzorovej odozvy v rôznych vzorkách boli väčšinou pozitívne (žltá), pričom niekoľko prípadov malo negatívnu koreláciu (modrá). Nedostatok korelácie medzi dychom a vzorkami kože je naznačený odtieňmi zelenej na obrázku 2e. Tieto výsledky sú v súlade s analýzou GC / MS. Preto dve študované telesné tekutiny poskytli komplementárne profily VOC s malým prekrývaním.

Berúc do úvahy tieto výsledky, je odôvodnené tvrdiť, že kombinácia komplementárnych informácií z dvoch rôznych vzoriek poskytne širšie okno do patológie patologického ochorenia v porovnaní s tými, ktoré sa získali z jednej klinickej vzorky. Na overenie tohto tvrdenia sa vytvorilo a predstavilo hierarchické zoskupovanie, ktoré je kombinované s tepelnou mapou (obrázok 2f). Táto analýza zoskupuje riadky dátovej matice do zhlukov, ktorých hodnoty sú blízko seba. Dáta zo všetkých senzorov pre vzorky dychu aj vzorky kože boli zoskupené do deviatich podskupín, čo predstavuje najvyššiu podobnosť medzi testovanými vzorkami. Inými slovami, každý klaster predstavuje podobný profil VOC, čo naznačuje vyššiu podobnosť medzi vzorkami (subjektmi) konkrétneho klastra. Táto metodika by mohla propagovať možnosť personalizovanej medicíny. Aj keď sme nemohli určiť konkrétne bežné dôvody pre zoskupenia klastrov, pravdepodobne kvôli malej populácii skúmanej v tejto štúdii, pozorovali sme jednu výnimku. Vekový parameter v hornom zoskupení (červený) vykazoval v priemere 34, 2 roka a medián 35 rokov, zatiaľ čo ostatné klastre vykazovali priemer 27, 4 rokov a medián 27 rokov. Toto pozorovanie naznačuje, že profil VOC svedčí o metabolických procesoch súvisiacich s vekom, hoci je stále potrebná ďalšia validácia s väčšími populáciami. Analýza spárovaných párov na reakcii dychu na kožu ukázala významné rozdiely (vo väčšine prípadov hodnota P <0, 0001), s výnimkou štyroch subjektov, ktoré vykázali hlavný rozdiel od ostatných (004; 010; 025; 027), tieto boli tiež zoskupené osobitne na hierarchickom zoskupení. S výnimkou šiestich senzorov ukázalo obojsmerné zhlukovanie jasný rozdiel medzi kožou a dychom (os x). Podobný prístup klastrovania s výsledkami GC / MS neodhalil podobné výsledky. Toto sa dá vysvetliť takto: každý senzor v nanoarray meria všetky (alebo časť) VOC v skúmanej zmesi. Naproti tomu GC / MS analyzuje každý VOC osobitne. Nakoniec sme normalizáciou údajov vytvorili reprezentáciu čiarového kódu, ktorá slúži ako rýchla, vysoko výkonná metóda profilovania. Obrázok 2g sumarizuje údaje o dychu a koži posudzované v zobrazení čiarového kódu. Strojovo čitateľný zápachový profil jednotlivca sa teda dá zostaviť na základe celkových odpovedí z dvoch (alebo viacerých) rôznych vzoriek ( pozri obrázok 2h).

diskusia

Na elimináciu potenciálnych experimentálnych artefaktov a / alebo chýbajúcich štandardizácií sme použili rovnaké zložky na odber vzoriek (sorpčný materiál) a analýzu vzoriek na telové tekutiny pokožky aj dychu (pozri metódy) 1, 2, 13 . Preto rozdiely získané v rôznych profiloch VOC alebo medzi nimi nemôžu byť pripisované (chýbajúcim) aspektom štandardizácie. Na skúmanie kombinovaného volatolomického prístupu sa použili dve metodiky. Prvá metodika sa opiera o analýzu GC / MS na identifikáciu chemickej povahy a zloženia volatolomického profilu rôznych telových tekutín skúmaných v tomto výskume. GC / MS je však zložitá a nemusí sa dať požičiavať technológii point-of-care. Naopak, súčasná štúdia obsahuje rad senzorov na báze nanomateriálov, ktoré sa spoliehajú skôr na kolektívne vzorce VOC, ako na identifikáciu konkrétnych VOC (ako je to v prípade GC / MS) 14 . V týchto senzoroch sú zmerané signály zmesi VOC zo vzoriek kože a / alebo dychu aditívne, takže celkový signál jedného senzora pochádza z niekoľkých ~ ppm koncentrácie VOC. Odozva kombinovaných senzorov z dychu a pokožky je teda zanedbateľne ovplyvnená (alebo nie je ovplyvnená) malými variáciami VOC a / alebo koncentrácie, ktoré sú spojené so špecifickými mätúcimi faktormi, ako je fajčenie 15 . Stále je však potrebná väčšia populácia, aby sa táto kombinovaná metodika lepšie potvrdila zmätočným účinkom zložiek.

Malý počet VOC (v dychu) získaný v našej štúdii, v porovnaní s inými štúdiami v literatúre 16, 17, 18, 19, možno pripísať metóde zberu vzoriek, ako aj použitému sorpčnému materiálu. Skutočnosť, že sa našlo iba 19 bežných VOC (z viac ako 250 VOC) naznačuje, že veľká časť VOC v špecifickej telesnej tekutine by mohla pochádzať z rôznych metabolických ciest alebo z mätúcich podmienok / VOC. Napriek malému počtu štatisticky validovaných VOC, získané výsledky naznačujú, že kombinované volatolomické údaje poskytujú širší profil VOC v porovnaní so samotnou každou telesnou tekutinou.

Naša štúdia má niekoľko obmedzení. Prijali sme návrh na kontrolu prípadov, ktorý môže nadhodnocovať citlivosť a špecifickosť, takže naše výsledky sa musia interpretovať opatrne. Dizajn je však vhodný v tomto predbežnom štádiu vyšetrovania a naše výsledky teraz pripravujú cestu pre štúdiu s použitím pacientov alebo ľudí s diagnostikovanou chorobou. Aj keď sme použili rôzne štatistické nástroje (napr. All Pairs, Tukey HSD test; Matched pair (t-test) analýza), aby sme sa vysporiadali s danou otázkou a riešili možné obmedzenia, ako je miera chybovosti v rodine, sme si vedomí obáv, ktoré sa objavia kvôli obmedzenému počtu vzoriek a viacnásobnému testovaniu. Konečná štatistická validácia sa musí vykonať v budúcich štúdiách vrátane veľkej študijnej populácie. Okrem toho sú na potvrdenie tohto predpokladu potrebné konkrétne humánne / klinické štúdie s použitím viacerých vzoriek. S ďalším výskumom a vývojom by táto volatilná metodika súboru údajov mohla zlepšiť osobný blahobyt na úrovni Spoločenstva, ako aj prístupy k verejnému zdraviu a riadeniu.

Stručne povedané, naše experimenty ukazujú, že nový volatolomický prístup by mohol v blízkej budúcnosti viesť k vývoju výkonného diagnostického nástroja. Techniky spektrometrie sú výkonné nástroje na zisťovanie kvantitatívnych profilov koncentrácie VOC. Na to, aby sa do telematickej diagnostiky mohla dostať klinická prax, je však potrebné prijať také prístupy, ktoré by umožnili implementáciu zariadení v mieste starostlivosti, ako je detekcia VOC založená na chemosenzoroch. Tento prístup nie je iba citlivý a špecifický, ako je uvedené v našich predbežných údajoch, ale veľmi ľahko sa tiež hodí do formátu miesta dostupnosti a cenovej dostupnosti.

metódy

Zápis dobrovoľníka

Heterogénna skupina 30 dobrovoľníkov (vo veku 29 - 44 rokov; obaja pohlavia s rôznou etnickou príslušnosťou, fajčiarskymi návykmi a zdravotným stavom) boli zapísaní na štúdium na Technion - Izraelský technologický inštitút (Haifa, Izrael), po odovzdaní ich písomných informovaný súhlas a vyplnenie krátkeho dotazníka o všeobecných základných informáciách (napr. vek, pohlavie, fajčenie; pozri doplnkovú tabuľku S1) v súlade so schválenými usmerneniami. Vylučovacie kritériá pre túto štúdiu boli konzumácia jedla, nápojov alebo fajčenia menej ako jednu hodinu pred testom. Zápis dobrovoľníkov bol schválený etickou komisiou (číslo žiadosti o schválenie, 02/13) Technion - Israel Institute of Technology (Haifa, Israel).

Odber vzoriek dychu

Vydychovaný alveolárny dych sa zhromažďoval kontrolovaným, reprodukovateľným spôsobom v rovnakej miestnosti od všetkých dobrovoľníkov. Vdýchnutý vzduch bol očistený od okolitých kontaminantov opakovaným vdýchnutím na celkovú pľúcnu kapacitu po dobu 3 minút cez náustok pripojený k práčkovej patróne nastavenej na vstupnom porte (zakúpený od spoločnosti Eco Medics, Duerten, Švajčiarsko), čím bol odstránený 99, 99% exogénnych zlúčenín z vzduch v miestnosti počas inšpirácie a zníženie koncentrácie potenciálnych exogénnych VOC. Z nefiltrovaného okolitého vzduchu v zbernej miestnosti sa odobrali vzorky a identifikované kontaminanty sa v našej následnej analýze nezohľadnili. Ihneď po vymývaní pľúc sa subjekty vydýchli cez výdychový port náustka. Vydýchnutý dych sa skladá z alveolárneho vzduchu a vzduchu z mŕtvych dýchacích ciest. Mŕtvy priestor sa automaticky naplnil do samostatného vaku a alveolárny dych z konca výdychu sa naplnil do 750 ml Mylar vaku (Quintron Instrument Co., Inc., Milwaukee, WI, USA). Opísaný zber dychu je jednostupňový proces, ktorý nevyžaduje, aby dobrovoľník vykonal akúkoľvek akciu, okrem vdychovania a výdychu cez náustok. Od každého dobrovoľníka boli odobraté dva vaky na analýzu plynovou chromatografiou / hmotnostnou spektrometriou (GC / MS) a senzormi založenými na nanomateriáloch. Ihneď po odbere dychu sa VOC vo vzorkách dychu zachytili a predkoncentrovali sa v dvoj lôžkových sorpčných skúmavkách Tenax® TA / Carboxen® 1018 (sklenená skúmavka TD, predkondicionovaná, OD × L 1/4 palca × 3 1). / 2 in., Utesnené koncovými armatúrami Swagelok® zakúpenými od Sigma-Aldrich, Izrael) prečerpaním obsahu každého zberného vaku cez sorbentovú skúmavku (prietok: 100 ml / min). Vzorky vzduchu v miestnosti boli zozbierané čerpaním okolitého vzduchu do zbernej miestnosti cez sorbentovú trubicu počas 7 minút. rýchlosťou 100 ml / min. Sorbčné skúmavky boli skladované za chladenia pri 4 ° C, kým neboli analyzované; maximálna doba skladovania bola jeden týždeň. Jedna sorbentová skúmavka s VOC zo vzorky dychu bola zničená v dôsledku rozbitia počas skladovania.

Odber vzoriek kožného priestoru

Paralelne s opísaným odberom vzorky dychu sa od každého dobrovoľníka odoberala vzorka priestoru pre pokožku z dlane ruky kontrolovaným spôsobom a v rovnakej miestnosti ako odber vzorky dychu. Každý dobrovoľník bol bezprostredne pred testom požiadaný, aby si dôkladne umyl ruky pod prúdom čerstvej vody najmenej jednu minútu. Potom bol dobrovoľník požiadaný, aby nechal ruky vyschnúť bez kontaktu s papierom alebo uterákom. VOC vo vzorkách kože sa zachytili a vopred skoncentrovali v dvoj lôžkových sorpčných skúmavkách Tenax® TA / Carboxen® 1018 (sklenená skúmavka TD, predkondicionovaná, OD x L 1/4 palca × 3 1/2 palca; kúpil sa) od Sigma-Aldrich, Izrael) s použitím systému odberu vzoriek tepelnej desorpčnej trubice TDS 3 ™ (zakúpeného od Sigma-Aldrich, Izrael) priamym čerpaním z ruky každého dobrovoľníka cez sorbentovú skúmavku (prietok: 100 ml / min.). TDS 3 sa držal v uzavretej ruke každého dobrovoľníka s otvorom držaným priamo nad kožou. Skúmavky boli utesnené koncovými armatúrami Swagelok® a skladované za chladenia pri 4 ° C, až jeden týždeň, kým neboli analyzované. Jedna sorbentová skúmavka s VOC zo vzorky kože bola zničená v dôsledku poškodenia počas skladovania.

Charakterizácia vzorky

Vzorky dychu a pokožky boli charakterizované pomocou dvoch úplne nezávislých, doplnkových charakterizačných metód. Prvou metódou je analýza VOC pomocou plynovej chromatografie / hmotnostnej spektrometrie (GC / MS). Tu sa uskutočnila chemická analýza vzoriek dychu a kože na identifikáciu VOC, ktoré vykazujú štatisticky odlišné koncentrácie v porovnávaných populáciách. Použil sa prístroj GC / MS-QP2010 (Shimadzu Corporation), ktorý bol vybavený kapilárnou kolónou SLB-5ms (s 5% fenylmetylsiloxánom; dĺžka 30 m; vnútorný priemer 0, 25 mm; hrúbka 0, 5 um; od Sigma-Aldrich), a bol kombinovaný so systémom tepelnej desorpcie (TD) (TD20; Shimadzu Corporation). Desorpcia sa uskutočnila zahrievaním TD skúmaviek počas 5 minút. pri 270 ° C a ich zachytenie v chladiacom zariadení Tenax pri -10 ° C. Vzorky sa vstrekli do systému GC v nerozdelenom režime pri konštantnej lineárnej rýchlosti 30 cm / s a ​​pod prietokom kolóny 0, 70 ml / min. Bol nastavený nasledujúci teplotný profil pece: (a) 10 minút pri 35 ° C; (b) rampa 4 ° C / min do 150 ° C; (c) rampa 10 ° C / min do 300 ° C; a (d) 5 minút pri 300 ° C. Chromatogramy GC / MS sa analyzovali s použitím programu GCMS pre následné analýzy (roztoky GC / MS, verzia 2.53SU1, Shimadzu Corporation) a zlúčeniny sa predbežne identifikovali pomocou zhody spektrálnych knižníc (Knižnica zlúčenín Národného inštitútu pre normy a technológie, Gaithersburg, MD 20899-1070 USA, 2008). Druhou metódou je analýza VOC s 25 nanomateriálnymi senzormi kombinovaná so štatistickým algoritmom na analýzu viacerých údajov ( pozri nižšie). Senzory boli založené na vrstvách nanočastíc zlata (GNP) s jedenástimi rôznymi organickými ligandami a kvázi 2D náhodných sieťach jednostenných uhlíkových nanorúrok (RN-SWCNT) pokrytých štyrmi rôznymi organickými vrstvami 20, 21 .

Druhá trubica TD zo skla Tenax® TA / Carboxen ™ 1018 na dobrovoľníka bola zavedená do komory senzorového poľa, ktorá bola špeciálne zostavená do systému TD, čo umožnilo priame vystavenie skúmavky TD senzorovému zoskupeniu. Desorpcia sa uskutočnila zahrievaním TD skúmaviek počas 10 minút. pri 250 ° C a ich zachytenie v chladiacom zariadení Tenax pri 0 ° C. Vzorky sa vstrekli do systému GC v priamom (nerozdeľovacom) režime pri konštantnom celkovom prietoku 3 ml / min. Vzorka dychu z TD bola potom dodaná šesťcestným ventilom Valco ™, vybaveným 10 ml slučky z nehrdzavejúcej ocele (VICI®, Valco Instruments Company Inc., USA), do testovacej komory z nehrdzavejúcej ocele obsahujúcej krížovo reaktívne nanomateriály na báze pole senzorov. Testovacia komora bola evakuovaná medzi expozíciami, aby sa vypustili všetky VOC adsorbované na organickej vrstve senzorov. Na meranie odporu všetkých senzorov súčasne ako funkcia času bol použitý systém na zaznamenávanie a zaznamenávanie údajov DMM Keithley 2701 DMM. Základné odozvy snímačov sa zaznamenávali 5 minút vo vákuu, 5 minút pod čistým dusíkom (99, 999%), 5 minút vo vákuu, 5 minút pri vystavení vzorky, a potom ďalších 5 minút vo vákuu. Aby sa dali zistiť možné poruchy snímačov a pôsobiť proti nepatrným odchýlkam ich základných podmienok v dôsledku starnutia a / alebo otravných účinkov, boli senzory kalibrované každý deň, keď sa experiment uskutočňoval, vystavením senzorov známym koncentráciám, 10 ppm izobutylenového kalibračného plynu (Calgaz, Cambridge, Maryland, USA) a zaznamenávanie zmien ich rezistencie sa podobá postupu pri vzorke.

Každý senzor reagoval na všetky (alebo na určitú podskupinu) VOC nachádzajúcich sa vo vzorkách vydýchnutého dychu alebo vo vzorkách kože. Vystavenie rôznych senzorov vzorkám VOC malo za následok rýchle a úplne reverzibilné zmeny elektrického odporu. Z časovej závislosti odporovej odozvy každého sesnoru sa odčítali dva snímacie vlastnosti. Jedna funkcia sedning sa týka normalizovanej zmeny odporu na začiatku expozície (vzhľadom na hodnotu odporu senzorov vo vákuu pred expozíciou), zatiaľ čo druhá funkcia snímania súvisí s oblasťou pod časovo závislou odozvou odporu. počas doby expozície. Každý senzor reagoval na všetky (alebo na určitú podskupinu) VOC nachádzajúcich sa vo vzorkách vydýchnutého dychu alebo vo vzorkách kože.

Opis súboru senzorov na báze nanomateriálov

Súbor nanomateriálnych senzorov, ktorý sa použil na analýzu vzoriek VOC, obsahoval krížovo reaktívne, chemicky odlišné chemirezistory, ktoré boli založené na dvoch typoch nanomateriálov: (i) organicky stabilizované sférické nanočastice zlata (GNP, priemer jadra: 3–4 nm) a ii) jednostenné uhlíkové nanotrubice (RN-SWCNT). Chemická diverzita senzorov sa dosiahla pomocou 25 rôznych senzorov s podobnými alebo rôznymi základnými organickými funkciami (19 pre senzory GNP a 6 pre senzory SWCNT). Organické ligandy GNP poskytovali všeobecne krížovo selektívne absorpčné miesta pre VOC 15, 20 . HNP boli syntetizované tak, ako je opísané v odkazoch č. 20, 22 a obvykle dispergované buď v chloroforme alebo toluéne. Chemirezistentné vrstvy sa vytvorili kvapkaním roztoku na polkruhové mikroelektronické meniče, až kým sa nedosiahol odpor niekoľkých MQ. Zariadenie sa sušilo 2 hodiny pri laboratórnej teplote a potom sa pečilo cez noc pri 50 ° C vo vákuovej peci. Mikroelektronické meniče pozostávali z desiatich párov kruhových interdigitovaných (ID) zlatých elektród na kremíku s 300 nm tepelným oxidom (Silicon Quest International, Nevada, USA). Vonkajší priemer plochy kruhovej elektródy bol 3 mm a medzera medzi dvoma susednými elektródami a šírka každej elektródy boli 20 nm.

Senzory RN-SWCNT boli založené na elektricky kontinuálnych náhodných sieťach SWCNT, ktoré boli vytvorené kvapkaním roztoku SWCNT (od ARRY International LTD, Nemecko; ~ 30% kov, ~ 70% polovodič, priemerný priemer = 1, 5 nm, dĺžka = 7 mm) v dimetylformamide (DMF, Sigma-Aldrich Ltd., > 98% čistota) na vopred pripravené elektrické prevodníky. Po nanesení sa zariadenia pomaly sušili cez noc pri okolitých podmienkach, aby sa zlepšila vlastná montáž SWCNT a odparilo sa rozpúšťadlo. Postup sa opakoval, až kým sa nedosiahol odpor 100 k 10 MQ. Mikroelektronické prevodníky pre senzory SWCNT pozostávali z desiatich párov 4, 5 mm širokých interdigitovaných Ti / Pd elektród na kremíku s dvoma mikrónmi tepelného oxidu (Silicon Quest International, Nevada, USA). Medzera medzi dvoma susednými elektródami bola 100 nm. Senzory SWCNT boli organicky funkcionalizované krycími vrstvami, ktoré boli zložené zo štyroch derivátov polycyklických aromatických uhľovodíkov (PAH, aka HBC). PAH-1, PAH-2, PAH-3 a PHA-5 obsahujú hydrofóbne mezogény, ktoré sú zakončené alkylovými reťazcami a funkcionalizované éterom, alkoholom a karboxylovou kyselinou 21 . Senzory GNP a SWCNT / PAH alebo SWCNT / HBC použité v tejto štúdii reagovali rýchlo a reverzibilne, keď boli vystavené typickým VOC vo vzorke 21, 23 . Ďalej sme potvrdili, že majú veľmi nízku reakciu na vodu 20, 21, 24, 25 .

Štatistická analýza (GC / MS)

Variabilita VOC vo vzorke dychu a pokožky bola skontrolovaná u subjektov a medzi subjektmi pomocou analýzy spárovaného páru (t-test) (podľa subjektu) bola skontrolovaná medzi všetkými vzorkami dychu a všetkými vzorkami kože. V prípade potreby sa na viacnásobné porovnania uskutočnil test HSD všetky páry, Tukey. Okrem toho bola vykonaná korelačná matica s použitím Pearsonovej korelácie produkt-okamih. Za medzné p-hodnoty sa považovali významné rozdiely pre jednosmerný a / alebo párový test: 0, 05 medzi kontrolovanými podskupinami, ako bolo stanovené z výsledkov pomocou JMP, verzia 9.0.0 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA, 1989 - 2005).

Štatistická analýza (pole senzorov)

Senzorové pole pôvodne pozostávalo zo 40 senzorov. Po spustení vzoriek a testovaní prijatých elektrických signálov, tj odporu rôznych senzorov, bolo rozhodnuté odstrániť 15 senzorov, ktoré nevykazovali žiadnu odozvu, vykazovali nepravidelné odozvy signálu alebo odčítané šumy. Všetkých zvyšných 25 senzorov v poli reagovalo na všetky (alebo na určitú podskupinu) VOC nachádzajúcich sa vo vzorkách vydýchnutého dychu a vo vzorkách kože. Študovali sa špecifické vzory a prediktívne modely pre prchavú tlač každého dobrovoľníka a odvodené z výstupu zo senzorového poľa, s použitím korelačnej matice založenej na Pearsonových koreláciách medzi produktom a okamihom, farebných máp, analýzy hlavných komponentov (PCA) a porovnaného páru (t- test) analýza (podľa subjektu) sa skontrolovala pre každý senzor osobitne medzi všetkými vzorkami dychu a všetkými vzorkami kože. Tam, kde to pripadalo do úvahy, sa uskutočnil test All Pairs, Tukey HSD pre viacnásobné porovnania ako štatistický algoritmus. Variabilita sa kontrolovala u subjektov a medzi subjektmi pomocou korelačnej matice a hierarchického zoskupovania pomocou JMP, verzia 9.0.0 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA, 1989–2005). Hierarchické zoskupovanie je metóda, ktorá začína každým bodom vo vlastnom zoskupení. V každom kroku sa dva zhluky, ktoré sú najbližšie k sebe, skombinujú do jedného klastra. Táto metóda pokračuje, až kým nebude existovať iba jeden klaster obsahujúci všetky body. Tieto dva snímacie vlastnosti sa navyše týkali normalizovanej zmeny odporu na začiatku expozície (vzhľadom na hodnotu odporu senzorov vo vákuu pred expozíciou) a oblasti pod krivkou (AUC) časovo závislej odozva odporu počas doby expozície, ako je opísané v časti Nanomateriálne senzorové pole.

Doplnková informácia

Word dokumenty

  1. 1.

    Doplnková informácia

    Doplnková informácia

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.