呼气中痕量挥发性有机物的质子转移反应质谱在线检测研究

摘 要 [HS]通过对自主研制的大气成分在线检测质子转移反应质谱的进样管路系统进行改造，建立了可在线检测呼气中痕量挥发性有机物的质子转移反应质谱装置。通过对呼气进样系统的旁路流量控制，实现对进样速度的调控，既可提高进样速度，以满足实时监测呼气中指定成分浓度变化；也可适时关闭旁路，以降低进样速度，从而对呼气成分进行全谱分析，避免采样袋采样和浓缩的复杂程序和潜在干扰。以作者呼出气体作为研究对象，对装置性能进行测试，结果表明：装置最快响应时间可达1 s，对呼气中丙酮的探测灵敏度高达每10－9（V/V）浓度的信号强度为14.6 counts/s，多次呼气测量重复性好，有望广泛应用于呼气疾病诊断研究。

[KH*3/4D][H]关键词 [HS]呼气； 挥发性有机物； 实时监测； 质子转移反应质谱； 在线质谱

[HT][HK]

[FQ（4２,X,DY－Ｗ][CD15] 20110829收稿; 20111022接受

本文系中国科学院知识创新工程重要方向项目（No.KGCX2YW917）、国家863计划（No.2007AA06Z420）、国家自然科学基金（Nos.20577049, 21107112）、安徽省自然科学基金（No.11040606Q60）、中国科学院仪器研制（No.Y2005015）及安徽省优秀青年科技基金（No. 06045098）资助

* Email：ychu@aiofm.省略

[HT]

1 引 言

人的呼出气体中含有大量挥发性有机物（Volatile organic compounds, VOCs），这些VOCs与人体健康状况及代谢过程相关。如呼气中的丙酮与糖尿病相关，乙醇和丙醇等与尿毒症相关；异戊二烯、丙酮和甲醇等可能与肺癌相关\[1,2\]。近年来，研究人呼出气体的VOCs与疾病的关联，发展呼气疾病辅助诊疗技术越来越受到重视\[3\]。而目前常用的呼气VOCs检测方法是单点采样后，利用色谱或色谱质谱离线分析，这种方法费时费力，不能满足实时在线检测的需求\[4\]。此外，现有分析方法的采样或浓缩过程还可能对结果产生干扰\[5\]。质子转移反应质谱（PTRMS）\[6～8\]因其响应时间短、探测高、绝对浓度测量等优点，在呼气中指定VOCs实时在线监测方面尤为出色，在呼气VOCs痕量检测方面有着广阔的研究前景\[9,10\]，但由于呼气成分全谱分析难以在一次呼气时间内完成，目前仍需采样袋采集多次呼气,以满足长时间的全谱分析。

本研究根据呼气成分全谱分析的特殊要求，对自主研制的大气成分在线检测PTRMS的进样系统进行了改造，建立了呼气VOCs在线检测装置，介绍了装置对呼气中指定成分的实时监测和呼气成分的全谱图分析方法，研究了呼气检测的响应时间、重复性和灵敏度等。2 实验部分

2.1 原理

呼气VOCs检测装置是在PTRMS的研究基础上建立的\[11～16\]，详细的原理及内部结构见文献\[11,16\]。装置主要由离子源、漂移管和质谱探测系统构成。离子源中H2O放电产生初始反应离子H3O＋，H3O＋作为质子供体进入漂移管，与呼出气体中的质子亲和势大于H2O的VOCs发生如式（1）的质子转移反应：

H3O＋＋VOCsVOCsH＋＋H2O（1）

待测VOCs由此被质子化后形成VOCsH＋，与反应离子H3O＋共同在漂移管电场作用下迁移至质谱探测系统，从而得到离子强度和质荷比信息。根据离子强度和反应的相关参数，还可以计算出VOCs浓度，不需要定标。

2.2 呼气进样系统

对指定几种呼气成分实时监测，以及对呼气成分全谱分析是呼气研究中常用方法。前者要求进样速度快，而后者则需要进样速度慢或有大量样气（如采样袋采样）。根据呼气研究的这些特殊要求，对PTRMS原有的进样系统进行了改造。图1为呼气进样系统示意图，采样泵（Pump 1）和真空泵（Pump 2）两级抽气方法控制进样速度。对呼气中指定成分实时监测时，质量流量控制器（Mass flow controller, MFC）控制流量一般为400 mL/min，以提高响应速度；对呼气成分进行全谱分析时，先保持MFC流量为400 mL/min，压力控制器旁路关闭。当管路内充满呼出气体后，快速关闭MFC旁路，降低进样速度，从而实现直接呼气即可全谱分析，避免采样袋采样的复杂程序和潜在干扰。

呼气处采用三通排空，从而避免直接向进样管路吹气而引起管内气压的不稳。管路均由4 mm内径的PFA管连接，且伴热约70 ℃，避免呼气中痕量成分粘附和水蒸汽凝结。

实验中选用典型的呼气成分丙酮（（CH3）2CO, MW＝58）作为研究对象，在质谱的多离子扫描模式下对呼气VOCs检测装置的重复性和响应时间等进行测试。给出的呼气中丙酮浓度均已扣除环境空气的背景浓度。为了减少质谱本身的响应时间，准确测试装置响应速度，实验中呼气成分实时监测所设定的离子扫描驻留时间均为100 ms；呼气成分全谱分析时所设定的离子扫描驻留时间均为1 s。

图1 呼气进样系统示意图

Fig．1 Schematic diagram of breath sampling system[HT][）]

分 析 化 学第40卷

第5期沈成银等： 呼气中痕量挥发性有机物的质子转移反应质谱在线检测研究

3 结果与讨论

3.1 呼气成分实时监测

图2a给出了同一人7次呼气中的丙酮浓度监测结果。7次呼气的峰值浓度分别为6.19×10－7, 5.91×10－7, 5.71×10－7, 5.80×10－7, 5.71×10－7, 5.69×10－7和5.34×10－7（V/V），呈微弱的下降趋势，这可能是由于连续深呼气导致肺泡内代谢产物气体浓度下降\[17\]。即便忽略肺泡内丙酮浓度下降趋势，7次测量的相对标准偏差也仅为4.4%。可见呼气VOCs检测装置具有较好的重复性。由浓度与信号强度的关系可知，装置对呼气中丙酮的探测灵敏度为每10－9（V/V）浓度的信号强度为14.6 counts/s。

为考察装置的响应时间，将图2a中的第5次呼气监测结果（虚框内）放大得到图2b。由图2b可见，丙酮浓度在呼气1 s后开始升高，约2.5 s后达到浓度平台；继续保持呼气则浓度缓慢升高（89～94.5 s），停止呼气1 s后，丙酮浓度开始迅速下降。由此可见，呼气VOCs检测装置的最快响应时间可达1 s。每次呼气中，丙酮浓度刚开始迅速升高是由于口腔及气管内气体进入漂移管被测到。之后的缓慢升高（如89～94.5 s）的原因是代谢产物气体浓度较高的肺泡气体慢慢被呼出。这与Miekisch等\[18\]监测呼气中CO2的浓度变化结果相似。

3.2 呼气成分全谱分析

为了实现直接对呼气进行全谱分析，实验中关闭了压力控制器旁路，通过MFC的开和关从而达到快速抽取并保存样气的目的，保存在进样管内的样气则在漂移管负压作用下慢慢被吸入。而持续呼气过程中何时关闭MFC直接影响抽取样气的浓度。图3给出了关闭MFC的时间点（0, 3, 4, 5, 7, 9和11 s）对测得丙酮浓度的影响，其中时间零点为开始呼气点。结果显示，呼气4 s后关闭MFC，测得呼气浓度即可达到浓度平台。根据普通人的持续呼气能力及实际检测的可靠性要求，一般在开始呼气后5～7 s关闭MFC，之后开始全谱扫描分析。

图2 同一人7次呼气中的丙酮浓度监测结果（a），（b）图为（a）图中第5次呼气结果的放大图

Fig．2 Concentration of acetone in one′s seven breaths, （b） shows the detailed result of the fifth breath in （a）[HT][）]

图3 开始呼气到MFC关闭的时间间隔与测得丙酮浓度的关系

Fig．3 Concentration of acetone in breath as a function of time between breath and mass flow controller （MFC） turn off[HT][）]

为了考察抽取的样气量是否满足长时间的全谱图分析，并了解此条件下成分监测的时间响应，打开MFC并呼气4次，第5次呼气7 s后关闭MFC，监测的丙酮浓度变化如图4所示。前4次呼气检测丙酮浓度基本相当，但峰形较差，且所需的时间约为160 s ，而图2中相同时间内则测了7次呼气，且峰形较好。由图4还可见，关闭MFC后，所抽取的样气量可以维持约365 s，之后缓慢下降。全谱分析时，典型的离子扫描驻留时间设为1 s，扫描范围为m/z 20～150， 扫描步长Δm＝1，则365 s内可完成两次全谱扫描。按照此方法扫描的呼气全谱如图5所示。可见呼气成分非常复杂，其中m/z 30，37和55处离子分别为NO＋, （H2O）2H＋和（H2O）3H＋，主要是仪器和空气背景的贡献；m/z 37和55处离子信号一部分来源于呼气中的水蒸汽。测得呼气中VOCs的产物离子主要有m/z ＝45，59和61等，根据质子转移反应原理推测可能是乙醛、丙酮和丙醇，呼气中更多的痕量VOCs及其与新陈代谢的关系有待进一步研究。

[（6*2][H”] 图4 压力控制器旁路关闭情况下呼气丙酮浓度监测结果

Fig．4 Concentration of acetone in one′s five breaths with pressure controller turned off

1～4． MFC开； 5． 开始呼气7 s后MFC关。MFC is on for breath 1－4, and MFC is off at the 7th s of breath 5.[HT][）]

[（6*2][H”] 图5 呼气VOCs全谱扫描结果（m/z 20～150）

Fig．5 Mass spectrum of volatile organic compounds （VOCs） in breath （m/z 20－150）

[HT][）]

结果表明，通过对自主研制的PTRMS改造后，成功建立了可在线检测呼气VOCs的PTRMS装置。装置既可实时监测呼气中指定成分浓度变化，也可对呼气成分进行快速全谱分析，避免了采样袋采样和浓缩的复杂程序和潜在干扰。该装置最快响应时间可达1s，对呼气中丙酮的探测灵敏度为每10－9（V/V）浓度的信号强度为14.6 counts/s; 多次呼气测量重复性好，有望广泛应用于呼气疾病诊断研究。

References

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Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry for Online

Detection of Trace Volatile Organic Compounds in Breath

EN ChengYin1,2, LI JianQuan1,2, WANG HongZhi2, ZHI ZhongHua1,2, WANG HongMei1,2,

HUANG ChaoQun1,2, LIU Sheng1, JIANG HaiHe1,2, CHU YanNan*1,2

1（Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031， China）

2（Center of Medical Physics and Technology, Hefei institutes of Physical Science,

Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031， China）

Abstract Based on the independently developed proton transfer reaction mass spectrometry （PTRMS）, a new tester of volatile organic compounds （VOCs） in breath was built. The bypass flow rate in the breath sampling inlet is controlled by mass flow controller （MFC） in this breath tester. Not only can it monitor the concentration of the concerned VOCs in real time when the MFC is opening, but detect the VOCs with full mass scan when the MFC is closed. This avoids the potential effect from the sample bag and preconcentration. The breath gas of the first author was used as the sample gas to test the performance of breath tester. The result shows that the best response time of breath tester is 1 s, and the sensitivity for acetone in breath is 14.6 counts/s per 10－9（V/V）. Its repeatability is also good. The breath tester holds a potential of a wide studies in the auxiliary medical diagnosis with breath.

Keywords Breath; Volatile organic compounds; Realtime monitor; Proton transfer reaction mass spectrometry; Online mass spectrometry

（Received 29 August 2011; accepted 22 October 2011）

2012年全国有机质谱学术会议

（第一轮通知）

由中国分析测试协会主办，清华大学分析中心承办的2012年全国有机质谱学术会议，将于2012年10月11～16日在云南省西双版纳召开。会议设有大会报告、专题报告、质谱公司技术新发展和应用报告、优秀论文评选。热诚邀请广大学者、相关单位代表及相关仪器厂商参会。

本届学术会论文将在《分析实验室》增刊刊登，有意参会代表请在网上在线投稿、注册。有关会议注册、投稿要求、论文格式等，请登录会议网址查阅： www.省略/

一、会议主题和征文内容

（1）有机质谱在生命科学、生物技术中的应用；（2）有机质谱在药物分析研究中的应用；（3）有机质谱在环境分析研究中的应用；（4）有机质谱在食品安全分析研究中的应用；（5）有机质谱在石油化工分析研究中的应用；（6）有机质谱在疾病预防控制中的应用；（7）有机质谱在法庭科学中的应用；（8）有机质谱基础与新技术研究。

二、来稿要求：

凡未在刊物上发表和未在学术会议上宣读过的反映近期有机质谱基础研究，新技术、 新方法的发展，以及在各个领域的分析应用论文或综述均可投稿。论文请务必提供稿件联系人电话、通讯地址和Email，并于2012年6月30日前在线投稿（网址： www.省略/）

三、联系人：

梁建华，电话：010－62771139，Email: jhliang@mail.tsinghua.省略

张炜奋，电话：010－62792607，Email: zhangweifen@mail.tsinghua.省略

张 颖，电话：010－59202133，Email: zhangy.省略

有关会议的详细介绍、组织机构、征文格式、日程安排、宾馆住宿等相关信息，请登录会议网址（www.省略/）查询。敬请关注！