Prélèvement et analyse des composés organiques volatils dans l’air expiré : apport des microtechnologies et de la chromatographie multidimensionnelle

Breath sampling and analysis, benefits of microtechnologies and comprehensive chromatography

• Auteur / Autrice : Thomas Chappuis
• Direction : Didier Thiébaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 08/11/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris) - Chimie-Biologie-Innovation
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Launay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Thiébaut, Franck Launay, Valérie Peulon-Agasse, Jean-Paul Viricelle, Soumeya Bekri, Emmanuelle Laurenceau, Bertrand Bourlon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Peulon-Agasse, Jean-Paul Viricelle

Mots clés

Mots clés libres

Air expiré

Microtechnologies

Chromatographie multidimensionelle

Cov

Breath

Microtechnology

Multidimensional chromatography

VOCs

Résumé

L’air expiré présente un intérêt pour des applications médicales comme le dépistage, le suivi de pathologies ou d’expositions. En effet, cet échantillon contient des marqueurs volatils endogènes ou exogènes et son prélèvement est non invasif. Même si le prélèvement est simple, la complexité et la variabilité de l’air expiré expliquent le peu de tests autorisés par les autorités sanitaires.Cette thèse s’est intéressée à deux outils analytiques pour l’analyse de l’air expiré : une puce de préconcentration et la chromatographie en phase gazeuse intégralement bidimensionnelle. Ces deux techniques, peu explorées jusqu’à présents dans ce domaine, peuvent présenter un intérêt en simplifiant le prélèvement et en permettant une analyse plus exhaustive des marqueursLe travail effectué sur la puce de préconcentration a montré que les micropréconcentrateurs fabriqués au laboratoire prélèvent et injectent des mélanges de gaz modèles et des échantillons d’air expiré avec des variabilités proches des systèmes de laboratoires. De plus, nos travaux ont montré que ces micropréconcentrateurs présentent deux avantages majeurs en réduisant les volumes d’échantillon nécessaires et en s’intégrant dans des systèmes simples, portables et fonctionnant sur batterie. Afin d’illustrer leur intérêt sur un cas réel simple, nous avons utilisé ces micropréconcentrateurs pour étudier trois marqueurs du tabagisme dans l’air expiré de trois fumeurs et de trois non-fumeurs et suivre les cinétiques de ces composés dans l’air expiré d’une personne. Finalement, nous avons effectué un travail préliminaire d’intégration dans des échantillonneurs dédiés afin d’exploiter les avantages des micropréconcentrateurs pour le prélèvement de l’air expiré et tenter d’obtenir un prélèvement sur une expiration unique.Nous avons ensuite choisi et reproduit une architecture de modulateur fluidique simple, pertinente pour la miniaturisation, basée sur un Dean’s switch. Nous avons montré que ce modulateur décrit en 2016 était compatible avec une injection par thermodésorption et comparé ses performances à la GC simple pour l’analyse d’un même échantillon d’air expiré. Ceci a montré que cette architecture présente un intérêt en modulant des composés exhalés très volatils ce qui permet de nombreuses levées de coélution. Finalement, nous avons montré, grâce à des plans d’expériences, que l’amélioration des performances de ce modulateur nécessitait un contrôle minutieux des paramètres.Enfin, nous avons confronté nos outils à des échantillons d’une malade atteinte d’une maladie rare, la phénylcétonurie. Des échantillons d’espace de tête d’urine et d’air expiré de la patiente ont été prélevés. Les résultats, incomplets à ce stade, sont discutés dans le manuscrit.

Breath is of interest for medical applications such as screening, monitoring pathologies or exposures. Indeed, this sample contains endogenous or exogenous volatile markers and its sampling is non-invasive. Although the sampling is simple, the complexity and variability of breath explain the few tests authorized by the health authorities.This thesis focused on two analytical tools for the analysis of breath: a preconcentration chip and two-dimensional gas chromatography. These two techniques, little explored so far in this area, may be of interest by simplifying sampling and allowing a more comprehensive analysis of markersWork on the preconcentration chip has shown that micropreconcentrators manufactured in the laboratory sample and inject model gas mixtures and expired air samples with variability close to laboratory systems. In addition, our work has shown that these microproconcentrators have two major advantages in reducing the necessary sample volumes and integrating into simple, portable and battery-powered systems. In order to illustrate their interest in a simple real-world case, we used these microproconcentrators to study three smoking markers in the exhaled breath of three smokers and three non-smokers, and to track the kinetics of these compounds in a person’s breath. Finally, we performed preliminary integration work in dedicated samplers in order to exploit the benefits of micropreconcentrators for the collection of breath and attempt to obtain a single expiratory sampling.We then chose and reproduced a simple fluidic modulator architecture, relevant for miniaturization, based on a Dean's switch. We showed that this modulator described in 2016 was compatible with a thermodesorption injection and compared its performance to GC for the analysis of the same breath sample. This has shown that this architecture is of interest in modulating very volatile exhaled compounds which allows many coelution lifts. Finally, we showed, thanks to experimental designs, that the improvement of the performances of this modulator required a meticulous control of the parameters.Finally, we confronted our tools with samples of a patient suffering from a rare disease, phenylketonuria. Samples of urine head space and exhaled air from the patient were taken. The results, incomplete at this stage, are discussed in the manuscript.