Name: real-time breath analysis by using secondary nanoelectrospray ionization coupled to high resolution mass spectrometry
Uploaded: 2018-03-09T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry at JoVE.com

Quest'opera è stata sostenuta finanziariamente dalla Fondazione nazionale di scienze naturali della Cina (No. 91543117).

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1. impostare l'origine di Sec-nanoESI
<ol><li>Impostare un'origine Sec-nanoESI secondo il processo SESI, vale a dire, il gas di respiro è introdotto per intersecare un pennacchio di electrospray e ionizzato dalle goccioline ca...

<ol>
	<li>De Lacy Costello, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+the+volatiles+from+the+healthy+human+body.">A review of the volatiles from the healthy human body.</a> J. Breath Res. 8 (1), 014001-014030 (2014).</li><li>Phillips, M., Greenberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion-trap+detection+of+volatile+organic+compounds+in+alveolar+breath.">Ion-trap detection of volatile organic compounds in alveolar breath.</a> Clin. Chem. 38 (1), 60-65 (1992).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circadian+variation+of+the+human+metabolome+captured+by+real-time+breath+analysis.">Circadian variation of the human metabolome captured by real-time breath analysis.</a> PLoS One. 9 (12), 0114422-0114438 (2014).</li><li>Garcia-Gomez, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Secondary+electrospray+ionization+coupled+to+high-resolution+mass+spectrometry+reveals+tryptophan+pathway+metabolites+in+exhaled+human+breath.">Secondary electrospray ionization coupled to high-resolution mass spectrometry reveals tryptophan pathway metabolites in exhaled human breath.</a> Chem. Common. 52 (55), 8526-8528 (2016).</li><li>Garcia-Gomez, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+quantification+of+amino+acids+in+the+exhalome+by+secondary+electrospray+ionization-mass+spectrometry:+A+proof-of-principle+Study.">Real-time quantification of amino acids in the exhalome by secondary electrospray ionization-mass spectrometry: A proof-of-principle Study.</a> Clin. Chem. 62 (9), 1230-1237 (2016).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., Kohler, M., Brown, S. A., Zenobia, R., Dallmann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gauging+circadian+variation+in+ketamine+metabolism+by+real-time+breath+analysis.">Gauging circadian variation in ketamine metabolism by real-time breath analysis.</a> Chem. Common. 53 (14), 2264-2267 (2017).</li><li>Gamez, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time,+in+vivo+monitoring+and+pharmacokinetics+of+valproic+acid+via+a+novel+biomarker+in+exhaled+breath.">Real-time, in vivo monitoring and pharmacokinetics of valproic acid via a novel biomarker in exhaled breath.</a> Chem. Common. 47 (17), 4884-4886 (2011).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drug+pharmacokinetics+determined+by+real-time+analysis+of+mouse+breath.">Drug pharmacokinetics determined by real-time analysis of mouse breath.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (27), 7815-7818 (2015).</li><li>Amorim, L. L. A., Cardeal, Z. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breath+air+analysis+and+its+use+as+a+biomarker+in+biological+monitoring+of+occupational+and+environmental+exposure+to+chemical+agents.">Breath air analysis and its use as a biomarker in biological monitoring of occupational and environmental exposure to chemical agents.</a> J. Chromatogr. B. 853 (1-2), 1-9 (2007).</li><li>Bajtarevic, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+detection+of+lung+cancer+by+analysis+of+exhaled+breath.">Noninvasive detection of lung cancer by analysis of exhaled breath.</a> BMC Cancer. 9, 348 (2009).</li><li>Smith, D., Wang, T. S., Pysanenko, A., &#352;pan&#283;l, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+selected+ion+flow+tube+mass+spectrometry+study+of+ammonia+in+mouth-+and+nose-exhaled+breath+and+in+the+oral+cavity.">A selected ion flow tube mass spectrometry study of ammonia in mouth- and nose-exhaled breath and in the oral cavity.</a> Rapid Commun. Mass Spectrom. 22 (6), 783-789 (2008).</li><li>Li, X., Huang, L., Zhu, H., Zhou, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+human+breath+analysis+by+secondary+nano-electrospray+ionization+ultrahigh+resolution+mass+spectrometry:+Importance+of+high+mass+resolution+and+mass+accuracy.">Direct human breath analysis by secondary nano-electrospray ionization ultrahigh resolution mass spectrometry: Importance of high mass resolution and mass accuracy.</a> Rapid Commun. Mass Spectrom. 31 (3), 301-308 (2017).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano, P., Fernandez de la Mora, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospray+ionization+of+volatiles+in+breath.">Electrospray ionization of volatiles in breath.</a> Int. J. Mass Spectrom. 265 (1), 68-72 (2007).</li><li>Zeng, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+creatinine+in+exhaled+breath+of+humans+with+chronic+kidney+disease+by+extractive+electrospray+ionization+mass+spectrometry.">Detection of creatinine in exhaled breath of humans with chronic kidney disease by extractive electrospray ionization mass spectrometry.</a> J. Breath Res. 10 (1), 016008-016015 (2016).</li><li>Chen, H. W., Wortmann, A., Zhang, W. H., Zenobi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+in+vivo+fingerprinting+of+nonvolatile+compounds+in+breath+by+extractive+electrospray+ionization+quadrupole+time-of-flight+mass+spectrometry.">Rapid in vivo fingerprinting of nonvolatile compounds in breath by extractive electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 46 (4), 580-583 (2007).</li><li>Benoi, F. M., Davldson, W. R., Lovett, A. M., Nacson, S., Ngo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breath+analysis+by+atmospheric+pressure+ionization+mass+spectrometry.">Breath analysis by atmospheric pressure ionization mass spectrometry.</a> Anal. Chem. 55 (4), 805-807 (1983).</li><li>Bregy, L., Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., Nudnova, M. M., Zenobi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+breath+analysis+with+active+capillary+plasma+ionization-ambient+mass+spectrometry.">Real-time breath analysis with active capillary plasma ionization-ambient mass spectrometry.</a> J. Breath Res. 8 (2), 027102-027110 (2014).</li><li>Gaugg, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Expanding+metabolite+coverage+of+real-time+breath+analysis+by+coupling+a+universal+secondary+electrospray+ionization+source+and+high+resolution+mass+spectrometry-a+pilot+study+on+tobacco+smokers.">Expanding metabolite coverage of real-time breath analysis by coupling a universal secondary electrospray ionization source and high resolution mass spectrometry-a pilot study on tobacco smokers.</a> J. Breath Res. 10 (1), 016010-016020 (2016).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano, P., Zingaro, L., Finiguerra, A., Cristoni, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Secondary+electrospray+ionization-mass+spectrometry:+breath+study+on+a+control+group.">Secondary electrospray ionization-mass spectrometry: breath study on a control group.</a> J. Breath Res. 5 (1), 016002-016012 (2011).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., Zenobi, R., Kohler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+exhalome+a+diagnostic+tool+of+the+future.">Analysis of the exhalome a diagnostic tool of the future.</a> Chest. 144 (3), 746-749 (2013).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., Fernandez de la Mora, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+analysis+of+fatty+acid+vapors+in+breath+by+electrospray+ionization+and+atmospheric+pressure+Ionization-Mass+Spectrometry.">Direct analysis of fatty acid vapors in breath by electrospray ionization and atmospheric pressure Ionization-Mass Spectrometry.</a> Anal. Chem. 80 (21), 8210-8215 (2008).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breath+analysis+in+real+time+by+mass+spectrometry+in+chronic+obstructive+pulmonary+disease.">Breath analysis in real time by mass spectrometry in chronic obstructive pulmonary disease.</a> Respiration. 87 (4), 301-310 (2014).</li><li>Mart&#237;nez-Lozano Sinues, P., Kohler, M., Zenobi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+diurnal+changes+in+exhaled+human+breath.">Monitoring diurnal changes in exhaled human breath.</a> Anal. Chem. 85 (1), 369-373 (2013).</li><li>Chen, H. W., Zenobi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutral+desorption+sampling+of+biological+surfaces+for+rapid+chemical+characterization+by+extractive+electropray+ionization+mass+spectrometry.">Neutral desorption sampling of biological surfaces for rapid chemical characterization by extractive electropray ionization mass spectrometry.</a> Nat. Protoc. 3 (9), 1467-1475 (2008).</li><li>Li, X., Hu, B., Ding, J., Chen, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+characterization+of+complex+viscous+samples+at+molecular+levels+by+neutral+desorption+extractive+electrospray+ionization+mass+spectrometry.">Rapid characterization of complex viscous samples at molecular levels by neutral desorption extractive electrospray ionization mass spectrometry.</a> Nat. Protoc. 7 (6), 1010-1025 (2011).</li><li>Gordon, S. M., Szidon, J. P., Krotoszynski, B. K., Gibbons, R. D., O'Neill, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Volatile+organic+compounds+in+exhaled+air+from+patients+with+lung+cancer.">Volatile organic compounds in exhaled air from patients with lung cancer.</a> Clin. Chem. 31 (8), 1278-1282 (1985).</li><li>Ding, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+extractive+electrospray+ionization+ion+trap+mass+spectrometry+in+vivo+breath+analysis.">Development of extractive electrospray ionization ion trap mass spectrometry in vivo breath analysis.</a> Analyst. 134 (10), 2040-2050 (2009).</li><li>Basum, G., Dahnke, H., Halmer, D., Hering, P., M&#252;rtz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Online+recording+of+ethane+trances+in+human+breath+via+infrared+laser+spectroscopy.">Online recording of ethane trances in human breath via infrared laser spectroscopy.</a> J. Appl. Physiol. 95 (6), 2583-2590 (2003).</li><li>T&#248;ien, &. #. 2. 1. 6. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+open+flow+respirometry+in+continuous+and+long-term+measurements:+design+and+principles.">Automated open flow respirometry in continuous and long-term measurements: design and principles.</a> J. Appl. Physiol. 114 (8), 1094-1107 (2013).</li><li>Huang, L., Li, X., Xu, M., Huang, Z. X., Zhou, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+relatively+high+molecular+weight+compounds+in+human+breath+using+secondary+nano+electrospray+ionization+ultrahigh+resolution+mass+spectrometry.">Identification of relatively high molecular weight compounds in human breath using secondary nano electrospray ionization ultrahigh resolution mass spectrometry.</a> Chem. J. Chinese U. 38 (5), 752-757 (2017).</li></ol>

Costruire la fonte di Sec-nanoESI basata su un'origine commerciale nanoESI, l'efficienza di ionizzazione è superiore a quello dell'utilizzo di un' origine ESI30. Inoltre, l'efficienza di ionizzazione è ulteriormente migliorata in una camera chiusa, come si isola il processo dall'aria sfondo dell'ambiente e allo stesso tempo facilita la miscelazione tra il campione di gas e il pennacchio di spruzzo. Utilizzando un Sec-nanoESI, meno i parametri devono essere ottimizzati rispetto ad una sorgente ES...

Con il rapido sviluppo di moderne tecniche analitiche, centinaia di composti organici volatili (COV) è state identificate nel condensato del respiro umano1. Questi COV derivano principalmente da aria alveolare (~ 350 mL per un adulto sano) e spazio morto anatomico aria (~ 150 mL)2, che sono influenzati da corpo metabolismo3,4,5,6,7 ,8 e inquinamento ambientale9, rispettivamente. Di conseguenza, se identificato, questi composti organici volatili sono promettenti per essere utilizzate come biomarcatori per la diagnosi di malattia e l'esposizione ambientale in modo non invasivo.
Anche se la gas cromatografia spettrometria di massa (GC-MS) è la tecnica più ampiamente usata per l'analisi qualitativa e quantitativa di espirata COV2, tecniche dirette di MS, che sono stati sviluppati per l'analisi in tempo reale respiro, presentano i vantaggi di elevata risoluzione temporale e pre-preparazione semplice del campione. Tecniche dirette di MS, come reazione di trasferimento di protone (PTR-MS) MS10, selezionato tubo di flusso dello ione MS (SIFT-MS)11, (anche denominato come electrospray estrattive secondaria electrospray ionizzazione MS (SESI-MS)12,13 ionizzazione MS, EESI-MS14,15), traccia gas atmosferico analyzer (TAGA)16 e plasma ionizzazione MS (PI-MS)17 sono stati studiati anni recenti.
Tra tutte le tecniche di MS dirette, SESI è ben noto come un'ionizzazione morbida universale tecnica19,20,21; e la fonte è facile da essere personalizzati e accoppiato a diversi tipi di spettrometri di massa, ad esempio, il tempo di volo spettrometro di massa8,15, presa dello ione di massa spettrometro14 e orbitrap spettrometro di massa12 ,18. Fino ad ora, SESI-MS è usato con successo nella diagnosi di malattie respiratorie22, ritmo circadiano3,6,23, farmacocinetica7,8, di misura e rivelando le vie metaboliche4, ecc. Più recentemente, una fonte commerciale di SESI è diventato disponibile.
In questo studio, una sorgente di ionizzazione facile e compatto nanoelectrospray secondario (Sec-nanoESI) è stata istituita e accoppiata ad uno spettrometro di massa ad alta risoluzione. Misurazioni in tempo reale di COV nell'aria espirata in respiro sono stati presentati.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ultrapure water</td>
			<td>Merck Millipore, USA</td>
			<td>MPGP04001</td>
			<td>Resistance &#62;18.2 M&#937;&#183;cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich, USA</td>
			<td>F0507</td>
			<td>Corrosive to the respiratory tract.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen gas</td>
			<td>Guangzhou Shiyuan Gas Co. Ltd., China</td>
			<td>N.A.a</td>
			<td>Purity &#62;99.99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q Exactive hybrid quadrupole-orbitrap mass spectrometer</td>
			<td>Thermo Scientific, USA</td>
			<td>02634L(S/N)</td>
			<td>Beware of high voltage and high temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoESI source</td>
			<td>Thermo Scientific, USA</td>
			<td>ES002373(S/N); ES071(P/N)</td>
			<td>Beware of high voltage and high temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nano LC pump</td>
			<td>Thermo Scientific, USA</td>
			<td>5041.0010A(P/N)</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xcalibur software (Version 3.0)</td>
			<td>Thermo Scientific, USA</td>
			<td>BRE0008596</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dino-Lite Digital Microscope</td>
			<td>Tech Video System (SuZhou) Co.Ltd., China</td>
			<td>CQ401833R(S/N)</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nafion tubing</td>
			<td>Perma Pure LLC, USA</td>
			<td>ME60</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTFE tubing (I.D. 4 mm)</td>
			<td>Dongguan Hongfu Insulating Material Co. Ltd., China</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Beware of the possible loss of polar compounds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow controller</td>
			<td>Line-Tech, Korea</td>
			<td>M15122007 (S/N)</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow meter</td>
			<td>Yuyao Industrial Automation Meter Factory, China</td>
			<td>40784</td>
			<td>/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>aN.A.: not available.</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time breath analysis by using secondary nanoelectrospray ionization coupled to high resolution mass spectrometry

Espirata composti organici volatili (COV) hanno suscitato notevole interesse, dal momento che possono servire come biomarcatori per la diagnosi della malattia e l'esposizione ambientale in modo non invasivo. In questo lavoro, vi presentiamo un protocollo per caratterizzare i COV espirati in tempo reale tramite ionizzazione secondaria nanoelectrospray accoppiata alla spettrometria di massa ad alta risoluzione (Sec-nanoESI-HRMS). L'origine di Sec-nanoESI fatti in casa è stato prontamente istituito basata su un'origine commerciale nanoESI. Centinaia di picchi sono stati osservati negli spettri di massa sottratta a sfondo di respiro esalato, e i valori di accuratezza di massa sono -4,0-13,5 ppm e -20,3-1,3 ppm in modalità di rilevamento di ioni positivi e negativi, rispettivamente. I picchi sono stati assegnati con accurata composizione elementare secondo il modello isotopico e massa accurata. Meno di 30 s è utilizzata per la misurazione di una espirazione, e si impiegano circa 7 minuti per sei misurazioni replicate.

La figura 3 Mostra le impronte di respiro nella gamma massa di m/z 50-750 iscritti tra le due modalità di rilevamento di ioni positivi e negativi. 291 picchi (intensità di picco > 5.0 X104) e 173 picchi (intensità di picco > 3.0x104) sono stati osservati in impronte digitali respiro sottratto di sfondo in modalità di rilevamento di ioni positivi e negativi, rispettivamente. Per identificare picchi negli spettri di massa, far...

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Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry

Un protocollo per la caratterizzazione di composizione chimica di respiro esalato in tempo reale tramite ionizzazione secondaria nanoelectrospray accoppiato ad alta risoluzione in spettrometria di massa è dimostrata.

Analisi dell'espirato in tempo reale tramite ionizzazione secondaria Nanoelectrospray accoppiata alla spettrometria di massa ad alta risoluzione

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental ...

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Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

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