Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-27838
Title: Quantifizierung von volatilen Aceton-Oligomeren in Raum- und Atemluft mittels multikapillarsäulengekoppelter Ionenmobilitätsspektrometrie
Author(s): Klumpp, Ramona
Language: German
Year of Publication: 2018
Place of publication: Homburg/Saar
SWD key words: Ionenbeweglichkeitsspektroskopie
DDC notations: 610 Medicine and health
Publikation type: Doctoral Thesis
Abstract: Nicht invasive Diagnosemöglichkeiten, die sich die menschliche Ausatemluft zunutze machen, stellen eine Weiterentwicklung der seit Jahrhunderten bekannten Diagnostik über die Geruchswahrnehmung dar. Neue Analysemethoden sollen die Analysezeiten verringern, eine schnellere Diagnose und ein frühzeitiges Einleiten einer Therapie ermöglichen. Die Ausatemluftanalyse mittels multikapillarsäulen-gekoppelter Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) stellt ein solches Verfahren dar. Sie bietet Vor-teile durch den kostengünstigen, bettseitigen Einsatz, sowie kurze Analysezeiten, wodurch serielle On-line-Messungen mit unmittelbarer Darstellung der detektierten flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit soll das Verhalten von Aceton in der Raum- und in der Ausatemluft mittels MCC-IMS erörtert werden. Aceton stellt einen wichtigen Biomarker dar, der bei unterschiedlichen Krankheiten und Stoffwechselzuständen erhöht ist. Es erfolgt die Untersuchung der Raumluft eines experimentellen Labors und einer Intensivstation. Im Vergleich wird die Inspirationsluft der Intensiv-patienten nach Passage eines Intensivrespirators und eines Filtersystems betrachtet. Es werden Ausa-temluftproben von 100 gesunden Probanden, von zehn beatmeten, kritisch kranken Intensivpatienten und von zehn narkotisierten, maschinell beatmeten Sprague-Dawley-Ratten untersucht. Zur Kalibra-tion wird reinstes Aceton in Konzentrationen von 5 – 45 ppbv mittels des Gasgenerators HovaCAL ver-dampft und anschließend mit dem MCC-IMS analysiert. Die Raumluft der Intensivstation (4,1 ppbv ± 95% KI 4,01-4,14; p <0,001) weist signifikant niedrigere Aceton-Konzentrationen auf als die Raumluft des experimentellen Labors (5,6 ppbv ± 95% KI 5,1-6,2). In der Inspirationsluft der Intensivpatienten kann ebenfalls eine niedrigere mittlere Aceton-Konzent-ration von 3,7 ppbv ± 95% KI 3,68 – 3,71 festgestellt werden. Gesunde Probanden (10,7 ppbv ± 95% KI 9,7-11,7) atmen vergleichbare Aceton-Konzentrationen wie kritisch kranke Patienten (9,5 ppbv ± 95% KI 7,9-11,1) und narkotisierte Sprague-Dawley-Ratten (10,3 ppbv ± 95% KI 9,7-10,9; p <0,001) ab. Der Dimeranteil in der Raumluft liegt auf der Intensivstation im Mittel bei 23% und im Labor bei 44%, wo-hingegen in der Ausatemluft von Tier und Mensch ein Dimeranteil von 90 – 95% nachgewiesen werden kann. Die Verdampfung von reinstem Aceton zur Kalibration ergibt ebenfalls Monomere (1,3-5,3 mV) und Dimere (1,4-621 mV). Es besteht eine positive Korrelation der Aceton-Konzentrationen und der entsprechenden Aceton-Monomer- und Dimer-Intensitäten (R2 = 0,96). Die Kalibrierungskurve der Aceton-Konzentration und der Gesamt-Aceton-Intensität kann durch eine Exponentialfunktion mit R2 = 0,98 beschrieben werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass mittels MCC-IMS und einer Kalibration durch einen HovaCAL eine Messung der Aceton-Konzentrationen in Raum- und Ausatemluftproben möglich ist. In den durchgeführten Messungen wird deutlich, dass die Gesamtkonzentration von Aceton, ebenso wie die Konzentration von Aceton-Monomer und -Dimer betrachtet werden muss. Es besteht die Möglich-keit, dass bisher unbekannte Informationen im Aceton-Monomer-Dimer-Muster liegen.
Non-invasive diagnostic methods that exploit human exhaled air represent a further development of the odour perception diagnostics that have been known for centuries. New methods of analysis are designed to reduce analysis times, enable faster diagnosis and early initiation of therapy. Exhaled air analysis using multicapillary column-coupled ion mobility spectrometry (MCC-IMS) is such a method. It offers advantages through cost-effective bedside use, as well as short analysis times, allowing online serial measurements with immediate visualization of the detected volatile organic compounds (VOCs). In the present work, the behaviour of acetone in the room and in the exhaled air is to be investigated by means of MCC-IMS. Acetone is an important biomarker that is elevated in various diseases and metabolic states. The room air of an experimental laboratory and an intensive care unit is examined. The inspiratory air of intensive care patients after passage of an intensive care ventilator and a filter system is assessed in comparison. Exhaled air samples from one hundred healthy volunteers, ten ven-tilated, critically ill intensive care patients and ten anesthetized, mechanically ventilated Sprague-Daw-ley rats are explored. For calibration, pure acetone in concentrations of 5-45 ppbv is vaporized by means of the gas generator HovaCAL and then analysed with the MCC-IMS. ICU room air (4.1 ppbv ± 95% CI 4,01-4,14, p <0.001) has significantly lower acetone concentrations than indoor laboratory air (5.6 ppbv ± 95% CI 5.1-6,2). In the inspiratory air of intensive care patients, a significantly lower mean acetone concentration of 3.7 ppbv ± 95% CI 3.68 - 3.71 can be determined. Healthy subjects (10.7 ppbv ± 95% CI 9.7-11.7) exhale comparable acetone concentrations similar to critically ill patients (9.5 ppbv ± 95% CI 7.9-11.1) and anesthetized Sprague-Dawley rats (10.3 ppbv ± 95% CI 9.7-10.9, p <0.001). The dimer content in indoor air is 23% on average in the intensive care unit and 44% in the laboratory, whereas in the exhaled air of animals and humans, a dimer content of 90-95% can be detected. The evaporation of pure acetone for calibration also produces monomers (1.3-5.3 mV) and dimers (1.4-621 mV). There is a positive correlation of the acetone concentrations and the corresponding acetone monomer and dimer intensities (R2 = 0.96). The calibration curve of the ace-tone concentration and the total acetone intensity can be described by an exponential function with R2 = 0.98. The investigations carried out show that it is possible to measure the acetone concentrations in room and exhaled air samples with MCC-IMS and calibration by HovaCAL. In the measurements made it be-comes clear that the total concentration of acetone as well as the concentration of acetone monomer and dimer must be considered. There is a possibility that previously unknown information lies in the acetone monomer-dimer pattern.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-278381
hdl:20.500.11880/28772
http://dx.doi.org/10.22028/D291-27838
Advisor: Kreuer, Sascha
Date of oral examination: 13-Dec-2018
Date of registration: 21-Feb-2020
Faculty: M - Medizinische Fakultät
Department: M - Anästhesiologie
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