CN106501138A - 呼出气中pm2.5的检测方法和采样设备 - Google Patents

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Jinan University
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Abstract

本发明涉及一种呼出气中PM2.5的检测方法和采样设备，属于粒子物理化学性质的分析技术领域。该检测方法包括以下步骤：样品采集：采集经过呼吸呼出的气体，并在气体采集过程中保持气体于35-39℃恒温；样品检测：将气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪中进行分析，首先使气体样品中的颗粒经过两束距离固定的测径激光进行粒径检测，得到颗粒粒径；随后，颗粒在电离激光的作用下获得能量变成碎片离子，进入飞行时间质量分析器，检测得到碎片离子的荷质比；结果分析：分析检测得到的颗粒粒径和碎片离子的荷质比，获得呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱。该方法实现了实时在线检测其粒径谱和成分谱，克服了现有分析技术的不足。

Description

呼出气中PM2.5的检测方法和采样设备
技术领域
本发明涉及一种颗粒物的物理化学性质的分析方法，特别是涉及一种呼出气中PM2.5的检测方法和采样设备。
背景技术
目前，我国京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区灰霾天气频发，首要污染物PM2.5(空气动力学等效直径≤2.5μm的微小粒子)严重超标。不同来源的PM2.5具有不同的化学成分，因此具有不同的毒性效应以及不同的物理化学性质(如粒径分布、吸湿性等)。
呼吸行为是个体暴露PM2.5的最主要途径，不同粒径的PM2.5会在呼吸过程中沉积在呼吸道的不同位置并深入肺泡，还有可能通过肺泡上皮细胞进入血液循环。研究表明，大气PM2.5污染或可导致肺癌、呼吸道系统疾病、心血管系统疾病等重大急、慢性疾病。
目前，已有许多针对大气中的污染物，特别是PM2.5的测定，得到了关于PM2.5污染物的一些粒径分布等物理性质以及成分等化学性质的信息。
而检测人体呼出气中PM2.5的粒径谱(数浓度随粒径分布图)和成分谱(化学组分)具有非常重要的意义，它对评价环境空气PM2.5在人体内的截留量、沉积位置和毒性效应，至关重要。首先，通过比较环境空气与呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱，可以获取不同化学成分PM2.5在人体内的截留量；进一步，根据粒径谱，以及PM2.5在人体内吸湿增长对粒径的影响(人体体内温度为37℃，相对湿度99.5–100％)，有效预测不同化学成分PM2.5在人体内的沉积位置；最后，综合截留量、沉积位置以及化学成分信息，更加准确地评价个体暴露风险。
但是，对于呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱的分析方法仍然比较少，常规的方法一般是将检测呼出气中PM2.5的粒径谱和检测呼出气冷凝液(Exhaledbreath condensate，EBC)的化学成分谱分别进行。
例如：检测呼出气中PM2.5粒径谱的主要分析手段包括扫描/差分/快速电迁移率粒径谱仪(Scanning/differential/fast mobility particle sizer，SMPS/DMPS/FMPS)和Grimm光学计数器(J.et al，J.Aerosol Med.Pulm.D.，2014；J.et al，Inhal.Toxicol.，2007)。上述分析方法的优点是样品未经前处理、可保留PM2.5原生信息，但是缺点是没有化学成分信息。
检测EBC化学成分的主要分析手段包括光谱、高效液相色谱质谱(P.Kubáň和F.Foret，Anal.Chim.Acta，2013)，该方法的优点是可以根据化学成分评价PM2.5可能的危害效应；缺点包括：(1)无粒径谱，即无法得知不同化学组成PM2.5的沉积位置，这会影响对PM2.5毒性机制的准确理解和解析；(2)非PM2.5原生信息，即检测到的成分谱并非是呼出气中原生形态的PM2.5，呼出气中PM2.5的化学成分可能在冷凝过程中发生变化，因此存在检测结果不准确的可能；(3)冷凝时会富集呼气中的水，使样品稀释(EBC含水量约99.9％)，降低了待测物浓度，对方法灵敏度的要求变高。
单颗粒气溶胶质谱技术可同时检测单个颗粒的粒径和化学成分，同时获得PM2.5的粒径谱和成分谱。目前基于单颗粒气溶胶质谱技术的商品仪器有气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol time of flight mass spectrometer，ATOFMS)和单颗粒气溶胶质谱仪(Single particle aerosol mass spectrometer，SPAMS)。
目前，ATOFMS和SPAMS主要用于大气PM2.5来源解析、大气气溶胶混合状态和和老化过程以及大气颗粒物吸湿性和酸度研究。但基于单颗粒气溶胶质谱仪的呼出气PM2.5的分析方法尚未见报道。
面对我国当前频发的PM2.5重污染事件及其可导致的重大急慢性疾病，亟需对人体呼出气中PM2.5粒径谱和成分谱的直接质谱分析方法进行研究开发，这将对准确评价个体暴露风险具有非常重要的科学和现实意义。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种呼出气中PM2.5的检测方法和采样设备。采用该检测方法，可以对人体呼出气中PM2.5粒径谱和成分谱同时进行检测，并且能够保留呼出气中PM2.5的原生形态，能够准确的同时得到呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱。
一种呼出气中PM2.5的检测方法，包括以下步骤：
样品采集：采集经过呼吸呼出的气体，并在气体采集过程中保持气体于35-39℃恒温；
样品检测：将上述采集得到的气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪中进行分析，首先使气体样品中的颗粒在空气动力学透镜中汇聚成束，并使该颗粒束经过两束距离固定的测径激光进行粒径检测，得到颗粒粒径；随后，经粒径检测后的颗粒进入电离区，在电离激光的作用下获得能量变成碎片离子，碎片离子在电场作用下进入飞行时间质量分析器，检测得到碎片离子的荷质比；
结果分析：分析检测得到的颗粒粒径和碎片离子的荷质比，获得呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱。
上述呼出气中PM2.5的检测方法，克服了现有分析技术无法同时获取人体呼出气中PM2.5粒径谱和成分谱等不足，通过采用单颗粒气溶胶质谱仪直接分析人体呼出气，首先将呼出气中PM2.5在空气动力学透镜中汇聚为单个颗粒束，然后对单个颗粒逐一测径，获得单个颗粒粒径信息；测径后的单颗粒被激光电离成碎片离子，碎片离子在电场作用下进入飞行时间质量分析器，测得其荷质比(mass to charge ratio，m/z)，最后根据元素周期表中各元素原子量，计算得到碎片离子的化学元素组成，进而得到单个PM2.5颗粒的化学成分，实现了实时在线检测其粒径谱和成分谱的目的。而且，所采集得到的呼出气体无需进行任何前处理，就可直接进样检测，既避免了常规方法检测时呼出气中PM2.5化学成分在冷凝过程中可能产生的变化，又解决了冷凝时富集呼气中的水分导致样品稀释的问题。
并且，本发明人在前期考察中发现，温度的变化会对呼气中的气溶胶粒径产生很大的影响，因此，上述检测方法的样品采集中，需对气体采集过程进行温度控制，保持气体温度恒定于35-39℃，尽量与采样对象的体温保持一致，才能确保检测得到的气体中PM2.5的粒径与真实值保持一致。
在其中一个实施例中，所述样品检测中，所述气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪的进样流速为75-100mL min-1，所述测径激光的波长为405-635nm，所述电离激光的波长为198-355nm。对于测径激光，波长越短，对小粒径颗粒物的检测越灵敏；但一方面，波长越短，能量越高，越容易改变颗粒物的化学组成。对于电离激光，波长越短，电离效率越高、热解析效率越低，波长越长则反之；此外，因为波长越短、能量越大，颗粒物碎裂程度越高，不利于定性解析化学成分。测径激光和电离激光，可以根据样品的具体性质进行调节。采用上述检测条件，能够很好的同时测定气体样品中PM2.5的粒径谱和成分谱。
在其中一个实施例中，所述气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪的进样流速为75mL min-1，所述测径激光的波长为532nm，所述电离激光的波长为266nm。采用上述检测条件，具有最佳检测效果。
在其中一个实施例中，所述样品检测中，经粒径检测后在电离激光作用下获得能量变成碎片离子的颗粒个数与进行粒径检测的颗粒个数的比值>20％(即总打击率>20％)；进行粒径检测的测径范围为200-2500nm；检测碎片离子的荷质比扫描范围m/z为1-500，质量分辨率为500(半高全宽)，检测模式为正离子模式和/或负离子模式。采用上述检测条件，能够针对呼出气中空气动力学等效直径≤2.5μm的微小粒子，即PM2.5进行检测，具有更好的针对性。
在其中一个实施例中，所述样品采集中，采集的是经过人体单次呼吸呼出的气体。以单次的呼出气作为检测目标，能够更好的分析PM2.5在人体的沉积行为。
在其中一个实施例中，样品采集后于60秒内进行样品检测。优选在样品采集后30秒内进行检测，样品采集后迅速进行单颗粒气溶胶质谱分析，能够减少样品损失。
本发明还公开了一种检测呼出气中PM2.5的采样设备，用于实现上述的检测方法中的样品采集，包括：
气袋，包括袋体、进气阀、出气阀，所述进气阀和出气阀均固定于袋体上，并与袋体内部相通；
进气管，与进气阀连通，用于收集经过呼吸呼出的气体；
出气管，与出气阀连通，用于将收集到的气体导入单颗粒气溶胶质谱仪；以及
加热装置，其上设有发热装置，用于对气袋进行加热。
上述采样设备，用于配合上述的呼出气中PM2.5的检测方法，实现上述检测方法中保持气体恒温状态的样品采集过程，使检测时所测定的气体样品中颗粒的粒径和状态均保持与呼出时一致，确保了检测的准确性。
在其中一个实施例中，所述袋体由聚氟乙烯或聚全氟乙丙烯制成。采用上述材料，具有减少颗粒物吸附的优点。
在其中一个实施例中，所述进气阀和出气阀由聚四氟乙烯制成。采用上述材料，具有减少颗粒物吸附的优点。
在其中一个实施例中，所述进气管和出气管由导电硅胶或聚全氟乙丙烯制成。采用上述材料，具有减少颗粒物吸附的优点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种呼出气中PM2.5的检测方法，通过采用单颗粒气溶胶质谱仪直接分析人体呼出气，实现了实时在线检测其粒径谱和成分谱。克服了现有分析技术无法同时获取人体呼出气中PM2.5粒径谱和成分谱等不足，并且所采集得到的呼出气体无需进行任何前处理，就可直接进样检测，既避免了常规方法检测时呼出气中PM2.5化学成分在冷凝过程中可能产生的变化，又解决了冷凝时富集呼气中的水分导致样品稀释的问题。
并且，该检测方法还对样品采集和样品检测步骤进行了优化筛选，使该检测方法具有更好的准确性，与真实结果更为一致。
本发明的一种检测呼出气中PM2.5的采样设备，用于配合上述的呼出气中PM2.5的检测方法，实现上述检测方法中保持气体恒温状态的样品采集过程，使检测时所测定的气体样品中颗粒的粒径和状态均保持与呼出时一致，确保了检测的准确性。
附图说明
图1为实施例中采样设备结构示意图；
图2为实施例中呼出气平行样品中含有机碳成分PM2.5在200–2500nm范围内的粒径分布数浓度。
图3为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含元素碳成分的PM2.5的指纹谱图。
图4为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含有机碳成分的PM2.5的指纹谱图。
图5为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含有机胺成分的PM2.5的指纹谱图。
图6为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中富含钾元素的PM2.5的指纹谱图。
图7为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中富含钾、钠元素的PM2.5的指纹谱图。
图8为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含铝元素的PM2.5的指纹谱图。
图9为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含钙元素的PM2.5的指纹谱图。
图10为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含钒元素的PM2.5的指纹谱图。
图11为实施例中正、负离子检测模式下检出呼出气中含铁元素的PM2.5的指纹谱图。
其中：110.袋体；120.进气阀；130.出气阀；200.进气管；300.出气管；400.加热装置。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例
一种呼出气中PM2.5的检测方法，包括以下步骤：
一、样品采集。
1、采集呼出气体样品。
采集经过呼吸呼出的气体，并在气体采集过程中保持气体于37℃恒温。
采用下述检测呼出气中PM2.5的采样设备，如图1所示，该采样设备包括：气袋，进气管200，出气管300和加热装置400。
所述气袋包括袋体110、进气阀120、出气阀130，所述进气阀120和出气阀130均固定于袋体110上，并与袋体110内部相通。
所述进气管200与进气阀120连通，用于收集经过呼吸呼出的气体；所述出气管300与出气阀130连通，用于将收集到的气体导入单颗粒气溶胶质谱仪。
所述加热装置400上设有发热装置，用于对气袋进行加热。在本实施例中，所述加热装置为平板状的加热板，可将气袋直接放置于该加热板上就可对气袋及其内的气体样品进行加热保持37℃恒温。
并且，在本实施例中，所述袋体由聚氟乙烯(Tedlar)或聚全氟乙丙烯(Teflon)制成，且该袋体的规格优选为0.2-2L；所述进气阀和出气阀由聚四氟乙烯制成，所述进气管和出气管由导电硅胶或聚全氟乙丙烯制成，最优选导电硅胶管，且管路内径优选6mm。
该采样设备的使用方法为：
首先，将气袋固定于加热板上，设置加热板的温度为37℃，关闭出气阀的阀门，开启进气阀的阀门，令测试者通过进气管向气袋内吹入单次的呼出气体，随后关闭进气阀的阀门。
然后，在30秒内，将出气管与气体导入单颗粒气溶胶质谱仪的进样口连通，开启出气阀的阀门，将气袋内的气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪。
2、采集空白对照样品。
按照上述方法，采用上述采样设备采集干空气样品，该干空气样品由气瓶提供，其中不含PM2.5，作为空白对照。
3、采集环境空气样品。
直接通过单颗粒气溶胶质谱仪的进样口采集环境空气样品。
二、样品检测。
分别将上述采集得到的气体样品，以75mL/min的进样流速导入单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS 0515-R)中进行分析，其中呼出气体样品平行分析5个平行样。
首先使气体样品中的颗粒在空气动力学透镜中汇聚成束，并使该颗粒束经过两束距离固定的波长为532nm的测径激光进行粒径检测，测径范围为200-2500nm，得到颗粒粒径。
随后，经粒径检测后的颗粒进入电离区，在波长为266nm的电离激光作用下获得能量变成碎片离子，碎片离子在电场作用下进入飞行时间质量分析器，检测碎片离子的荷质比扫描范围m/z为1-500，质量分辨率为500(半高全宽)，检测模式为正离子和负离子模式，检测得到碎片离子的荷质比。
三、结果分析。
采用与仪器配套的数据分析软件(SPAMS_ANALYZE_V1.8.4.1)对检测得到的颗粒粒径和碎片离子的荷质比数据进行分析，包括，根据激光测径结果获得粒径谱；从正、负离子检测模式下的质谱数据中提取单个颗粒物的峰面积，利用ART-2a分类方法对颗粒物进行分类，然后对颗粒进行统计计算，获得成分谱(G.H.Zhang，Atmos.Res.，2015；L.Li，2011，Int.J.Mass Spectrom.)。
1、激光测径结果。
激光测径结果如下表所示。
表1.人体呼出气样品和环境空气样品中PM2.5的被测径和被电离颗粒数
从上述检测分析结果中可以看出，5个单次呼出气平行样品检出PM2.5个数为87-173，低于环境空气样品检出PM2.5个数(836个和1234个)(表1)，表明一部分环境空气中的PM2.5会残留在人体内，而干空气样品中检出PM2.5个数为零。
上述呼出气中的粒径分布谱如图2所示，大部分粒径集中于400-500nm之间。
2、成分检出结果。
根据正、负离子检测模式下的质谱数据，对呼出气和环境空气样品中PM2.5被测径且被电离的颗粒，利用ART-2a分类方法对颗粒物进行分类，结果如下表所示。
表2.人体呼出气和环境空气样品中不同化学成分PM2.5的检出情况(个颗粒物)
上表中：1含元素碳成分的PM2.5；2含有机碳成分的PM2.5；3含有机胺成分的PM2.5；4富含钾元素的PM2.5；5富含钾、钠元素的PM2.5；6含铝元素的PM2.5；7含钙元素的PM2.5；8含钒元素的PM2.5；9含铁元素的PM2.5。
从上述检测分析结果中可以看出，呼出气中PM2.5分类得到9种PM2.5，包括：含元素碳成分的PM2.5(如图3所示)，含有机碳成分的PM2.5(如图4所示)，含有机胺成分的PM2.5(如图5所示)，富含钾元素的PM2.5(如图6所示)，富含钾、钠元素的PM2.5(如图7所示)，含铝元素的PM2.5(如图8所示)，含钙元素的PM2.5(如图9所示)，含钒元素的PM2.5(如图10所示)，含铁元素的PM2.5(如图11所示)。
通过比较各类PM2.5的数浓度(个/L)在环境样品和呼出气样品中的存在情况，可以进一步了解不同化学成分PM2.5在人体内的存在情况。
还需指出的是，在上述9类颗粒物中，有2类PM2.5仅在呼出气样品中检出，即含有机胺成分的PM2.5(图5)和富含钾、钠元素的PM2.5(图7)，推测可能为人体内源性气溶胶，由呼吸道壁粘液膜在气道闭合过程中产生(P.Kubáň和F.Foret，Anal.Chim.Acta，2013；K.Haslbeck，J.Aerosol Sci.)。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种呼出气中PM2.5的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
样品采集：采集经过呼吸呼出的气体，并在气体采集过程中保持气体于35-39℃恒温；
样品检测：将上述采集得到的气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪中进行分析，首先使气体样品中的颗粒在空气动力学透镜中汇聚成束，并使该颗粒束经过两束距离固定的测径激光进行粒径检测，得到颗粒粒径；随后，经粒径检测后的颗粒进入电离区，在电离激光的作用下获得能量变成碎片离子，碎片离子在电场作用下进入飞行时间质量分析器，检测得到碎片离子的荷质比；
结果分析：分析检测得到的颗粒粒径和碎片离子的荷质比，获得呼出气中PM2.5的粒径谱和成分谱。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述样品检测中，所述气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪的进样流速为75-100mL min-1，所述测径激光的波长为405-635nm，所述电离激光的波长为198-355nm。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述气体样品导入单颗粒气溶胶质谱仪的进样流速为75mL min-1，所述测径激光的波长为532nm，所述电离激光的波长为266nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的检测方法，其特征在于，所述样品检测中，经粒径检测后在电离激光作用下获得能量变成碎片离子的颗粒个数与进行粒径检测的颗粒个数的比值>20％；进行粒径检测的测径范围为200-2500nm；检测碎片离子的荷质比扫描范围m/z为1-500，质量分辨率为500，检测模式为正离子模式和/或负离子模式。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述样品采集中，采集的是经过人体单次呼吸呼出的气体。
6.根据权利要求1或5所述的检测方法，其特征在于，样品采集后于60秒内进行样品检测。
7.一种检测呼出气中PM2.5的采样设备，其特征在于，用于实现权利要求1-6任一项所述的检测方法中的样品采集，包括：
气袋，包括袋体、进气阀、出气阀，所述进气阀和出气阀均固定于袋体上，并与袋体内部相通；
进气管，与进气阀连通，用于收集经过呼吸呼出的气体；
出气管，与出气阀连通，用于将收集到的气体导入单颗粒气溶胶质谱仪；以及
加热装置，其上设有发热装置，用于对气袋进行加热。
8.根据权利要求7所述的检测呼出气中PM2.5的采样设备，其特征在于，所述袋体由聚氟乙烯或聚全氟乙丙烯制成。
9.根据权利要求7所述的检测呼出气中PM2.5的采样设备，其特征在于，所述进气阀和出气阀由聚四氟乙烯制成。
10.根据权利要求7所述的检测呼出气中PM2.5的采样设备，其特征在于，所述进气管和出气管由导电硅胶或聚全氟乙丙烯制成。
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