ลมหายใจของมนุษย์ เกิดขึ้นเนื่องจากร่างกายต้องลำเลียงก๊าซออกซิเจนเข้าสู่ปอดและลำเลียงก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์ออกจากร่างกาย ส่วนประกอบในลมหายใจจะมีละอองฝอยที่ประกอบไปด้วยอนุภาคต่างๆ ทั้งขนาดเล็กและใหญ่นอกเหนือจากนั้นสิ่งหนึ่งที่ปะปนออกมาด้วย นั่นก็คือสารอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds, VOCs) ซึ่งเป็นสารที่เกิดจากกระบวนการเมตาบอลิซึม (Metabolism) ของร่างกาย และจะถูกดูดซึมเข้าสู่ระบบหมุนเวียนของเลือดและถูกพาออกมาทางลมหายใจ//บางครั้งสาร VOCs.ที่อยู่ในลมหายใจอาจจะมีที่มาจากสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบๆ ตัว และถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกายได้เช่นเดียวกัน
สาร VOCs ที่อยู่ในลมหายใจมีหลากหลายชนิด ซึ่งจะมีรูปแบบของสารที่ตรวจวัดได้ (Compound Profile) ที่เหมือนหรือแตกต่างกันได้ในแต่ละบุคคล ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยทั้งทางด้านสิ่งแวดล้อม การบริโภค หรือการใช้ยารักษาโรค โดยสาร VOCs บางชนิดที่เกิดขึ้นเฉพาะกลุ่มบุคคลที่แสดงอาการป่วยด้วยโรคเดียวกัน สามารถใช้เป็นตัวชี้วัดทางชีวภาพ (Biomarkers) เพื่อตรวจคัดกรองโรคหรือตรวจติดตามการรักษาโรคได้ เช่น ผู้ป่วยโรคมาลาเรีย จะพบสาร Allyl methyl sulfide และ Propyl methyl sulfide แตกต่างจากผู้ที่มีร่างกายปกติอย่างชัดเจน หรือ ผู้ป่วยโรคมะเร็งจะพบสาร Ketone และ Aldehyde มากกว่าคนปกติ เป็นต้น
การใช้ลมหายใจมาวิเคราะห์ เพื่อใช้ในการตรวจคัดกรองหรือตรวจติดตามการรักษา สามารถตรวจวิเคราะห์ได้อย่างรวดเร็ว โดยที่ผู้ป่วยหรือผู้เข้ารับการตรวจจะไม่เจ็บตัวเมื่อเทียบกับการเก็บตัวอย่างเลือดเพื่อนำมาวิเคราะห์ ข้อดีของการเก็บตัวอย่างลมหายใจสามารถเก็บตัวอย่างซ้ำๆ ได้เป็นจำนวนมาก ทำให้ง่ายต่อการตรวจติดตามความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมื่อได้รับการรักษา เป็นต้น ดังนั้นการใช้ลมหายใจเพื่อเป็นตัวชี้วัดทางชีวภาพ จึงเป็นทางเลือกที่ช่วยให้การวิเคราะห์ วิจัย และวินิจฉัย ทำได้ง่ายมากยิ่งขึ้น แม้ว่าในปัจจุบันวิธีการนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการของการวิจัย แต่แนวโน้มของงานวิจัยที่ประสบความสำเร็จที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ คาดว่าในอนาคตวิธีการนี้จะถูกนำมาใช้ในการตรวจวินิจฉัยอย่างแพร่หลาย ประชาชนสามารถเข้าถึงได้ทุกคน เนื่องจากเป็นวิธีที่ค่าใช้จ่ายไม่สูงและทำได้รวดเร็วอีกด้วย
การวิเคราะห์
สาร VOCs ที่อยู่ในลมหายใจนั้น โดยมากแล้วจะมีความเข้มข้นอยู่ในระดับต่ำ เนื่องด้วยความหลากหลายขององค์ประกอบอื่นๆที่อยู่ในลมหายใจ ดังนั้นวิธีการเตรียมตัวอย่างลมหายใจเพื่อนำสาร VOCs ไปวิเคราะห์จึงจำเป็นต้องใช้วิธีที่มีความจำเพาะเจาะจงต่อสาร VOCs และสามารถเพิ่มความเข้มข้นของสาร VOCs ก่อนที่จะนำไปวิเคราะห์ได้
เทคนิค Thermal Desorption, TD เป็นเทคนิคการเตรียมตัวอย่างเพื่อสกัดสารอินทรีย์ VOCs แล้วนำมาวิเคราะห์ด้วยเทคนิคแก๊สโครมาโทกราฟี (Gas Chromatography, GC) โดยวิธีการเก็บตัวอย่างลมหายใจสามารถใช้อุปกรณ์ที่นำหลอดเก็บตัวอย่าง (Sorbent Tube) มาต่อพ่วงได้ เช่น Tube-and-plunger device หรือ Sampling mask หรือ ถุงเก็บอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 อุปกรณ์ที่ใช้ในการเก็บตัวอย่างลมหายใจ
สาร VOCs จากลมหายใจจะถูกดูดซับที่ตัวดูดซับของหลอดเก็บตัวอย่างเพื่อเพิ่มความเข้มข้มของสาร VOCs ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แสดงขั้นตอนการเก็บตัวอย่างลมหายใจ
เมื่อเก็บตัวอย่างลมหายใจจากผู้ทดสอบเรียบร้อยแล้ว หลอดบรรจุตัวอย่างจะถูกนำเข้าระบบ TD เพื่อเริ่มทำการวิเคราะห์ โดยจะแบ่งขั้นตอนการทำงานเป็น 2 ขั้นตอน ดังนี้
- Tube Desorption เป็นการให้ความร้อนกับหลอดเก็บตัวอย่างเพื่อให้สาร VOCs ถูกชะออกสู่ Focusing trap ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิต่ำได้ในช่วง -30 ถึง 50 องศาเซลเซียส และยังสามารถเลือกแบ่งตัวอย่างที่ถูกชะออกมา (Split) สู่ Sorbent Tube เปล่าเพื่อเก็บตัวอย่างไว้วิเคราะห์ซ้ำ (Recollection) ได้อีกด้วย ดังแสดงในรูปที่ 3A
- Trap Desorption คือการให้ความร้อนกับ Focusing Trap ด้วยความรวดเร็ว โดยสามารถเพิ่มอุณหภูมิได้สูงสุด 425 องศาเซลเซียสด้วยความเร็วสูงสุด 100 องศาเซลเซียสต่อวินาที เพื่อชะสาร VOCs เข้าสู่ระบบ GC ซึ่งการชะสาร VOCs ออกจาก Focusing trap เป็นแบบ Backflush จึงทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการนำสาร VOCs เข้าสู่ระบบ GC และยังสามารถเลือกแบ่งตัวอย่างที่ถูกชะออกมา (Split) สู่ Sorbent Tube เปล่าเพื่อเก็บตัวอย่างไว้วิเคราะห์ซ้ำ (Recollection) ได้อีกด้วย ดังแสดงในรูปที่ 3B
รูปที่ 3 แสดงขั้นตอนการทำงานของระบบ TD
(A) Tube Desorption และ (B) Trap Desorption
เมื่อสาร VOCs ถูกชะเข้าสู่ระบบ GC สาร VOCs ก็จะถูกแยกออกจากกันและตรวจวัดออกมาในรูปแบบโครมาโทแกรม (Chromatogram) ดังรูปที่ 4 แสดงตัวอย่างโครมาโทแกรมของสาร VOCs ที่ตรวจพบได้ในลมหายใจของผู้ป่วยโรคมะเร็งเมื่อเปรียบเทียบกับลมหายใจของผู้ที่มีร่างกายปกติที่มีปริมาณสารบางชนิดแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด แต่ในบางช่วงของโครมาโทแกรมจะพบว่าสาร VOCs ไม่สามารถแยกจากกันได้ชัดเจน ซึ่งอาจจะทำให้ยากต่อการวิเคราะห์ผล แสดงให้เห็นว่าการใช้เทคนิค GC เพื่อแยกสารเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอที่จะนำมาวิเคราะห์สาร VOCs ในลมหายใจ ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาวิธีวิเคราะห์โดยใช้เทคนิคแก๊สโครมาโตกราฟีสองมิติ (GCxGC) ซึ่งเป็นการแยกสารผสมแบบสองขั้นตอนและตอบโจทย์การวิเคราะห์สารผสมที่มีองค์ประกอบหลากหลายและซับซ้อน นอกจากนี้ยังช่วยลดระยะเวลาในการวิเคราะห์อีกด้วย
รูปที่ 4 ตัวอย่างโครมาโทแกรมเปรียบเทียบการวิเคราะห์สาร VOCs ที่ตรวจพบในลมหายใจของผู้ป่วยโรคมะเร็งและผู้ที่มีร่างกายปกติ
เทคนิค GCxGC เป็นเทคนิคการแยกสารผสมในสถานะแก๊สโดยผ่านการแยกจากคอลัมน์สองชนิดที่มีขั้วแตกต่างกัน และเชื่อมต่อกันด้วยระบบโมดูเลเตอร์ (Modulator) โดยสารที่ถูกแยกจากคอลัมน์ที่หนึ่งจะถูกแบ่งส่วนเพื่อส่งเข้าสู่คอลัมน์ที่สองทำให้เกิดการแยกสารอีกครั้งผ่านโมดูเลเตอร์//กระบวนการแยกจะเกิดขึ้นต่อเนื่องตลอดเวลาจนจบการวิเคราะห์//และเมื่อแยกสารผสมแล้วจะถูกตรวจวัดและบันทึกสัญญาณ เพื่อนำมาประมวลผลในรูปแบบโครมาโทแกรมสามมิติดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 ตัวอย่างโครมาโทแกรมสามมิติจากระบบ GCxGC
รูปที่ 6 ตัวอย่างโครมาโทแกรมสามมิติของการวิเคราะห์สาร VOCs ในลมหายใจด้วยเทคนิค TD-GCxGC-TOFMS
สำหรับขั้นตอนการประมวลผลการวิเคราะห์สาร VOCs ในลมหายใจ เพื่อนำมาใช้ในการตรวจคัดกรองหรือตรวจติดตามโรค จำเป็นจะต้องหาชนิดของสาร VOCs ที่สามารถนำมาเป็นสารบ่งชี้ (Marker Compound) โดยการวิเคราะห์เพื่อหาสารบ่งชี้นี้ จะใช้การเปรียบเทียบผลการวิเคราะห์เพื่อหาความแตกต่างของชนิดและปริมาณของสาร VOCs ที่ตรวจวัดได้ในลมหายใจของผู้ป่วยและผู้ที่มีร่างกายปกติ ซึ่งการเลือกใช้ตัวตรวจวัดเป็นชนิดแมสสเปคโตรมิเตอร์ (Mass Spectrometer, MS) จะช่วยให้การวิเคราะห์เพื่อหาชนิดของสาร VOCs ทำได้ง่ายมากยิ่งขึ้น เนื่องจากสามารถนำผลการวิเคราะห์ในรูปแบบแมสสเปคตรัม (Mass Spectrum) ที่ได้จากตัวอย่างไปเปรียบเทียบกับแมสสเปคตรัมของฐานข้อมูล เพื่อทำนายชนิดของสารได้
เมื่อสามารถหาสารบ่งชี้จากตัวอย่างลมหายใจของผู้ป่วยได้แล้ว สามารถนำสารบ่งชี้นั้นมาวิเคราะห์เชิงปริมาณได้โดยการสร้างกราฟมาตรฐานดังแสดงในรูปที่ 7 ซึ่งเป็นตัวอย่างกราฟมาตรฐานของสารบ่งชี้ที่วิเคราะห์ด้วยเทคนิค TD-GCxGC-TOFMS
รูปที่ 7 ตัวอย่างกราฟมาตรฐานของสารบ่งชี้ที่วิเคราะห์ด้วยเทคนิค TD-GCxGC-TOFMS
แต่บางครั้งการใช้เพียงสารบ่งชี้เพียงชนิดเดียว อาจจะไม่เพียงพอต่อการนำมาใช้ในการตรวจคัดกรองหรือตรวจติดตามโรค เนื่องจากสาร VOCs ที่เลือกใช้เป็นสารบ่งชี้ อาจจะมีแหล่งที่มาจากสาเหตุอื่นได้ เช่น การรับประทานอาหาร การกินยารักษาโรค หรือได้รับจากสิ่งแวดล้อม เป็นต้น ในกระบวนการวิเคราะห์ผลจึงจำเป็นต้องใช้ผลการวิเคราะห์สาร VOCs ที่ตรวจวัดได้ลักษณะรูปแบบของสาร (Compound Profile) มาช่วยในการยืนยันความถูกต้องในการตรวจวิเคราะห์ โดยสามารถนำมาแสดงผลในรูปแบบความสัมพันธ์ของข้อมูลหรือการคำนวณทางสถิติต่างๆ เพื่อให้ง่ายต่อการประมวลผล เช่น การแสดงผลในรูปแบบ PCA ซึ่งเป็นการแบ่งกลุ่มตัวอย่างโดยอาศัยความสัมพันธ์ของชุดข้อมูล ไม่ว่าจะเป็นจำนวนชนิดหรือความเข้มข้นของสาร สาร VOCs ที่ตรวจพบในตัวอย่าง ทำให้สามารถแยกกลุ่มตัวอย่างผู้ป่วยและผู้มีร่างกายปกติออกจากกันได้อย่างชัดเจนดังแสดงในรูปที่ 7
รูปที่ 7 การแสดงผลในรูปแบบ PCA ของการวิเคราะห์สาร VOCs ที่ตรวจวัดได้ในตัวอย่างลมหายใจของผู้ป่วย (Group A)
และผู้ที่มีร่างกายปกติ (Group B)
บทสรุป
- การเตรียมตัวอย่างด้วยเทคนิค TD เป็นการเตรียมตัวอย่างที่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์สาร VOCs ในตัวอย่างลมหายใจเนื่องจากเป็นวิธีที่จำเพาะเจาะจงและช่วยเพิ่มความเข้มข้นของสาร VOCs ก่อนการวิเคราะห์
- การวิเคราะห์สาร VOCs ในลมหายใจด้วยเทคนิค GCxGC-TOFMS ช่วยให้สามารถแยกและตรวจวัดสาร VOCs ในลมหายใจได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งทางด้านการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ
- การนำผลการวิเคราะห์มาใช้ในการตรวจคัดกรองโรคหรือตรวจติดตามโรค จำเป็นต้องใช้ข้อมูลแบบเดี่ยวที่ใช้เฉพาะข้อมูลของสารบ่งชี้ร่วมกับข้อมูลที่เป็นรูปแบบและความสัมพันธ์ของข้อมูลที่รวบรวมสาร VOCs ที่ตรวจพบทั้งหมดเพื่อมาช่วยในการวิเคราะห์ผลและช่วยลดความผิดพลาดของข้อมูลที่อาจเกิดจากปัจจัยภายนอก โดยซอฟแวร์ที่เลือกใช้ควรมีฟังก์ชันการทำงานที่ครอบคลุมทุกความต้องการของผู้ใช้งาน
ดาวน์โหลดเอกสาร : www.scispec.co.th/app/2022TH/AN22_GCxGCTOF_Breath.pdf
ขอบคุณที่ติดตามค่ะ