Development of new solvent-free microextraction techniques for the analysis of volatile organic compounds: application to the use of breath analysis as a toxicological tool for explosure analysis

Abstract

Hippocrates predicted many years ago that breath could tell something related with our health. On his treaties, he indicated that when the body starts moving after sleeping, and breathe with more frequency, something hot and acid is expelled with air. It is possible to predict a disease from breath, but it has not been until recent years that last developments in breath analysis has allowed to detect compounds precisely and to associate the presence of these compounds to certain diseases. The use of breath analysis in clinical diagnosis and exposure to contaminants presents great advantages as this is a non-invasive technique, compared with other techniques such as blood or urine analyses.

Two new instrumental methodologies have been developed in the present thesis, which are based on adsorbent micro-traps, specifically designed for the analysis of volatile compounds in breath and environmental samples. These equipments are versatile and low cost, compared to other commercially available instrumentations. One of the methodologies developed has been designed for the analysis volatile compounds in breath samples, showing efficiency and resolutions unknown up to know. It has allowed detecting exposure to volatile contaminants in a range of concentrations that the current techniques cannot achieve. The second equipment has been developed for the analysis of the same contaminants in other biological matrixes, in this case blood. It has been used to assess the mechanism followed by the inhaled compounds when entering the human body.

These new methodologies were evaluated in different exposure studies. 2,5-dimethylfurean was detected with a high sensitivity and allowed to determine the smoking habits of a wide group of individuals, also 48 hours after smoking. The levels of contamination due environmental tobacco smoke were also evaluated in different environments. The high sensitivity of the developed techniques allowed us to demonstrate the contamination of passive smokers by environmental tobacco smoke (ETS) after few hours of being in contact with. Breath levels of the smoking biomarker after few hours in contact with ETS where at the same level that those found in smokers who smoke few cigarettes per day

Que l’alè ens deia alguna cosa de la nostra salut ja ho va intuir Hipòcrates. Al Tractat Mèdic hi va escriure: “Així, doncs, quan el cos es posa en moviment després de dormir i respira amb més freqüència, quelcom calent i àcid és expulsat amb l’aire. D’això en venen malalties si hom no pren precaucions.” Sí, de l’olor de l’alè s’intuïen malalties però no ha estat fins als darrers anys, que els nous avanços en les tècniques d’anàlisi no han proporcionat els mecanismes adients per detectar els compostos de forma inequívoca i poder associar la seva presència a l’alè a determinades malalties. Tant des d’un punt de vista mèdic com d’exposició a contaminants, el principal avantatge de poder disposar d’una anàlisi d’alè consisteix en la metodologia diagnòstica, que no és invasiva i, per tant, no presenta els inconvenients associats a altres tècniques convencionals, com son l’anàlisi de sang i d’orina.

En aquesta tesi s’han desenvolupat dos noves metodologies instrumentals, basades en micro-trampes d’adsorció, especialment dissenyades per a l’anàlisi de compostos volàtils en mostres gasoses, principalment mostres ambientals i mostres d’alè humà. Aquests nous equipaments es caracteritzen per la seva versatilitat i molt baix cost, si es comparen amb els equips comercials actuals. Un dels prototips s’ha dissenyat per a l’anàlisi de mostres d’alè, mostrant una eficàcia i resolució desconeguda fins ara, el que ha permès detectar l’exposició a contaminants volàtils a uns nivells que les tecnologies actuals no permeten assolir. El segon equipament ha estat desenvolupat per permetre analitzar els mateixos contaminants en matrius biològiques, en aquest cas sang, i poder determinar de quina manera i en quin percentatge els compostos que inhalem per exposició arriben a entrar en el cos humà.

Aquestes noves metodologies s’han avaluat en diferents estudis d’exposició. S’ha pogut detectar un compost, el 2,5-dimetilfuran, amb una elevada sensibilitat per a la detecció de l’hàbit fumador de les persones, inclús després de més de 48 h d’haver fumat una cigarreta. També s’han estudiat els nivells de contaminació pel fum ambiental del tabac que tenen lloc en diferents ambients (locals de fumadors i no-fumadors). L’elevada sensibilitat de les tècniques desenvolupades ha permès demostrar “in-situ” per primera vegada que els fumadors passius només requereixen unes poques hores de contacte en un ambient contaminat pel fum del tabac per presentar nivells de contaminació a l’alè similars als dels fumadors de poques cigarretes al dia