Solid phase extraction based on nanomaterials for isolation of urinary volatile metabolites

Testing of urinary volatile organic metabolites (VOMs) is recognized as a useful medical approach since they are the end-products of metabolic processes and non-invasively sampling. Among the various techniques conventionally used for metabolic profiling, gas chromatography-quadrupole mass spectrometry (GC-qMS) is viewed as an effective approach for the testing of VOMs in urine due to its high sensitivity, peak resolution and reproducibility. Solid phase extraction (SPE), one of the sample preparation methods, has been proven to be a robust tool for the application in target VOMs concentration and separation from complex matrix. The aims of this study are to explore new nanomaterials (NMs), such as inorganic and carbon-based nanoparticles magnetic NPs (MNPs), combined with GC-qMS in order to isolate and pre-concentrate the target urinary VOMs, reported as possible cancer biomarkers. Concerning to the nanosorbent, the best efficiency of extraction is achieved with nanohydroxyapatite (NHA) and magnetic Fe3O4@SiO2-C18 NPs. Some experimental parameters such as, sorbent amount, adsorption and elution time, as nature of elution solvent, were investigated and compared. Under optimal conditions for nanohydroxyapatite (NHA) and magnetic Fe3O4@SiO2-C18 NPs, the obtained results revealed a good linearity (r2 ≥ 0.988) within the linear dynamic range, for all urinary volatile metabolites under study. The projected strategy showed low limits of detection (LODs), ranging from 9.7 to 69.5 ng/L, and low limits of quantification (LOQs) from 32.4 to 231.6 ng/L. The methodology also afforded suitable results in terms of matrix effect (62.8–96.1%) and accuracy, higher than 70 % for the majority of the investigated VOMs. The precision, expressed as intra- and inter-day repeatability, was lower than 3 and 13 %, respectively. Together, the NHA and Fe3O4@SiO2-C18 NPs-based sorbent extraction combined with GC-qMS in the current study provides a new, reliable and high throughput strategy for the determination of VOMs in human urine.Os metabolitos orgânicos voláteis (VOMs) presentes na urina de pacientes oncológicos são de grande utilidade no diagnóstico da doença e na diferenciação entre diferentes patologias oncológicas, , uma vez que são produtos resultantes de processos metabólicos. Entre as diversas técnicas convencionalmente utilizadas para estabelecer o perfil metabólomico, a cromatografia em fase gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC-qMS) é considerada uma abordagem eficiente para ensaios urinários de VOMs devido à sua elevada sensibilidade, resolução e reprodutibilidade. A extração em fase sólida (SPE), um dos métodos de preparação de amostras, demonstrou ser uma ferramenta robusta para a aplicação no isolamento e pré-concentração de VOMs em matrizes complexas. Os objetivos deste estudo visam explorar novos nanomateriais (NMs), nomeadamente nanopartículas inorgânicas (NPs) e magnéticas à base de carbon (MNPs) , combinadas com GC-qMS com intuito de isolar e pré-concentrar VOMs presentes na urina de indivíduos oncológicos. Relativamente ao nanosorvente, foram estudados a nanohidroxiapatite (NHA) e MNPs Fe3O4@ SiO2-C18. Alguns parâmetros experimentais com influência na eficiência de extração, tais como a quantidade de sorvente, o tempo de adsorção, o tempo de eluição e o solvente de eluição, foram avaliados. Sob condições otimizadas, e para os 2 nanosorventes testados, os resultados obtidos demonstraram uma boa linearidade (r2 ≥ 0,988), na gama de concentrações usadas para todos os metabólitos voláteis urinários investigados. A estratégia proposta permitiu obter limites de deteção (LODs) entre 9,7 a 69,5 ng/L e limites de 12 quantificação (LOQs) entre 32,4 a 231,6 ng/L. O método proporcionou igualmente resultados satisfatórios em termos de efeito de matriz (62,8-96,1%) e recuperações (precisão) superiores a 70 % para a maioria dos VOMs estudados. A precisão intra- e inter-dia foi inferior a 3 e 13%, respetivamente. Verificou-se que os NMs usados como sorventes, NHA e Fe3O4@ SiO2-C18, combinado com GC-qMS forneceram uma estratégia vantajosa, confiável e de alta eficiência de extração na determinação de VOMs alvo na urina