Effectiveness of the MonoTrap Collection Method for VOC Analysis in Exhaled Breath Using GC-MS

Význam tématu

Analýza těkavých organických sloučenin (VOCs) v exhalovaném dechu nabízí neinvazivní přístup k monitorování metabolických stavů a patologických procesů. Vzhledem k tomu, že dech může obsahovat více než tisíc různých VOC, má breathomics potenciál pro screening a sledování zánětlivých onemocnění, nádorových procesů či metabolických poruch. Pro praktické využití v klinické i terénní praxi je klíčová reprodukovatelnost a snadná logistika odběru — tedy metody, které fungují bez složitého vybavení a umožní stabilní přenos vzorků do analytického laboratoře.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem publikovaného Application Note bylo porovnat dva přístupy odběru VOC z dechu — klasický průtokový zachytávací sloupec plněný Tenaxem a pasivní adsorpční MonoTrap — při následné analýze pomocí termické desorpce spojené s plynovým chromatografem a hmotnostním spektrometrem (TD–GC–MS). Studie sledovala počet detekovaných komponent, vliv doby expozice MonoTrapu a vhodnost sběru pro srovnání VOC profilů mezi zdravými osobami a pacienty se zánětlivým onemocněním.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika odběru:

• Tenax metoda: exhalát byl naplněn do 2 L odběrového sáčku, následně byl vzduch z vaku propuštěn skrz Tenax TA trubici při průtoku ~100 mL/min pro zachycení VOC.
• MonoTrap metoda: MonoTrap (silika monolitická adsorpční past) byl vložen do 2 L sáčku; vzorek byl ponechán staticky po dobu 3 h nebo 24 h, poté byla MonoTrap ampule uložena do vialu pro transport a analýzu.

Klíčové instrumentální podmínky (shrnutí):

• Thermal desorber: TD-30R; tube desorb teplota ~250 °C (některé režimy až 350 °C), desorpční tok cca 60 mL/min; ochlazení pasti cca -20 °C; desorpná teplota pasti 250 °C po 5 min.
• GC: GCMS-QP2020 NX s kolónou SH-Rxi-5Sil MS (30 m × 0,25 mm, df = 0,1 µm); program pece: 60 °C (1 min) → 5 °C/min → 200 °C → 30 °C/min → 320 °C (2 min).
• Injekce: split, poměr 10; nosný plyn helium, lineární rychlost ~36,5 cm/s.
• MS: scan mode m/z 35–600; ionizační zdroj 230 °C; interface 280 °C; event time 0,30 s; autotuning +0,2 kV.
• Interní standard: toluen‑d8 dopravovaný do systému (20 mL/min po 0,30 min) pro kontrolu stability měření.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání Tenax vs MonoTrap:

• Tenax: ze stejného odběru dechu bylo detekováno 58 chromatografických píků při průtokovém zachycení.
• MonoTrap: po 3 h inkubace byl počet detekovaných píků srovnatelný s Tenaxem; při 24 h statické expozici však počet píků vzrostl výrazně až na 152, tedy přibližně trojnásobek.

Optimalizace podmínek pro MonoTrap:

• Při 3 h expozici vedlo použití dvou MonoTrapů spíše ke zvýšení intenzit signálů než ke zvýšení počtu detekovaných druhů; při 24 h expozici se pak nezjistily významné rozdíly ani v intenzitě, ani v počtu píků mezi jedním a dvěma MonoTrapy. To naznačuje, že za 24 h je adsorpce většiny relevantních složek dechu na jednom MonoTrapu dostatečná a dosahuje rovnováhy.

Rozdíly mezi skupinami (zdraví vs zánětlivé onemocnění):

• Při použití jedné MonoTrap-ampule s 24 h statickým sběrem byly pozorovány rozdíly v profilech VOC mezi zdravými a pacienty se zánětlivým stavem. Tyto rozdíly se projevily nejen v intenzitě jednotlivých píků, ale i v celkovém chromatografickém profilu. Jako příklady byly uvedeny odlišné signály u dimethyl dodecanu a methyl propyl nonanu.
• Autoři explicitně uvádějí, že výsledky nejsou zamýšleny k diagnostickému hodnocení onemocnění a požadují další validaci při větších kohortách.

Interpretace výsledků:

• MonoTrap umožňuje pasivní akumulaci VOC bez nutnosti pumpy a má výhodu zvýšené citlivosti při delších expozicích. To je výhodné zejména pro vzorkování v terénu nebo v podmínkách, kde není k dispozici přenosná odběrová technika.
• Tenax metoda vyžaduje průtok vzorku přes past a pro zvýšení citlivosti je nutné zvýšit sběrový objem; MonoTrap 24 h sběr tedy nabízí praktickou alternativu z hlediska jednoduchosti a logistické flexibility.

Přínosy a praktické využití metody

• Jednoduchý odběr bez pumpy: MonoTrap umožňuje snadný, levný a nenáročný odběr dechu, vhodný pro vzdálené lokality či studie v terénu.
• Stability a přenos vzorků: získané MonoTrap ampule lze uložit v GC vialu a bezpečně transportovat do analytické laboratoře bez nutnosti okamžitého zpracování.
• Komplexní profiling: systém TD–GC–MS s interním standardem (toluene‑d8) poskytuje reprodukovatelné, citlivé měření širokého spektra VOC, včetně středně a vyššího bodu varu.
• Praktická doporučení: pro rutinní sběr VOC z dechu autoři navrhují statickou expozici jednoho MonoTrapu po dobu 24 h jako efektivní kompromis mezi jednoduchostí odběru a vysokou detekční účinností.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Validace na větších kohortách: vyžaduje se širší klinické ověření, standardizace odběru a normalizace dat pro přesné srovnávání mezi studiemi.
• Kombinace s jinými přístupy: integrace VOC profilů s klinickými daty, metabolomikou a „electronic nose“ senzory může zlepšit selektivitu a robustnost biomarkerů.
• Optimalizace materiálů adsorbentů: další vývoj monolitických adsorbentů a jejich modifikací může rozšířit rozsah zachytitelných sloučenin a zlepšit desorpční účinnost pro těžší nebo polární VOC.
• Terénní platformy: v kombinaci s miniaturizovanými řešeními pro TD a přenos dat je možné vytvářet mobilní screeningové stanice pro epidemiologické a populační studie.

Závěr

Studie ukázala, že MonoTrap v kombinaci s TD–GC–MS poskytuje praktickou a citlivou metodu pro komplexní profilování VOC v exhalovaném dechu. Statická 24hodinová expozice jednoho MonoTrapu se jeví jako efektivní protokol, který zvyšuje počet detekovaných komponent v porovnání s průtokovou Tenax metodou a současně zjednodušuje sběr a transport vzorků. Přestože byly zjištěny rozdíly mezi zdravými a zánětlivými skupinami, další studie s většími datovými soubory jsou nutné pro kvantitativní a diagnostickou aplikaci.

Reference

1. K. Tsutsui et al., GC-MS analysis of exhaled gas for fine detection of inflammatory diseases, Analytical Biochemistry, June 2023.
2. E. Gashimova et al., Exhaled breath analysis using GC-MS and an electronic nose for lung cancer diagnostics, Analytical Methods, Oct. 2021.
3. A. Di Gilio et al., Breath Analysis: Identification of Potential Volatile Biomarkers for Non-Invasive Diagnosis of Chronic Kidney Disease (CKD), Molecules, Oct. 2024.