CN109900776A - 一种高灵敏在线检测呼出气中hcn的装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置和应用，所用高灵敏在线分析系统包括呼出气进样装置、呼出气除湿装置、供气装置和HCN高灵敏检测装置。所述高灵敏在线分析的应用是利用上述高灵敏在线分析系统，将一定流速的人体呼出气经过除湿装置的除湿处理后直接进入HCN高灵敏检测装置进行分析。改变人体呼出气的流速和抽气泵的抽速可以获得不同浓度的HCN气体，进而得到不同强度的HCN特征离子信号响应。人体呼出气直接进入HCN高灵敏检测装置而不需要离线预富集、化学衍生等前处理步骤，操作简单，分析快速准确，检测灵敏度高，可检出sub‑ppbv量级的HCN。
Description
技术领域
本发明涉及一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置和应用，具体来说就是利用该高灵敏在线分析装置对除湿后的特定流速的人体呼出气直接在线采样分析，从而达到高灵敏在线分析呼出气中HCN的目的。
背景技术
作为一种遗传疾病，囊胞性纤维症是一种周期性复发的肺部感染慢性炎症，会引起患者渐进性呼吸衰竭，严重者会导致患者死亡。目前，仅在英国，每年就有超过9000人遭受该疾病的折磨，其中儿童群体的发病率尤其高。因此，寻找囊胞性纤维症的生物标记物对该疾病的早期诊断和治疗至关重要。研究人员发现，导致囊胞性纤维症的一种最常见和最重要的病菌叫绿脓杆菌，而绿脓杆菌菌群在体外培养过程中会产生高浓度的氰化氢气体(HCN)(几百ppbv量级)，于是研究人员尝试以呼出气中的HCN作为人体囊胞性纤维症的生物标记物。结果发现，健康人群的呼出气中HCN的平均浓度为8ppbv，而患有囊胞性纤维症的患者呼出气中HCN的平均浓度可达20ppbv，证明呼出气中的HCN可以作为绿脓杆菌引起的囊胞性纤维症的生物标记物。文献报道中用于分析呼出气中HCN的方法主要是选择离子流动管质谱法(SIFT-MS)，检测原理是以H3O+为试剂离子，利用质子转移反应对HCN电离得到产物离子H2CN+。但是，HCN的质子亲和势与H2O非常接近(＜30kJ/mol)，导致HCN与H3O+之间的质子转移反应为可逆反应，限制了H2CN+的产率。另外，由于SIFT-MS较长的反应区，当样品气湿度较大时还易产生多个水分子的团簇离子H2CN(H2O)n +，进一步限制了HCN检测灵敏度的提高。
本文的目的在于提供一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置和新方法。该方法以呼出气流速控制装置获得一定流量的人体呼出气，然后经过呼出气除湿装置的除水后直接进入HCN高灵敏检测装置即基于真空紫外灯的以丙酮为辅助剂的负电离飞行时间质谱仪中进行电离分析，产物离子为CN-(m/z 26)，最低检出浓度可达0.5ppbv，低于文献报道的SIFT-MS的检测限(LOD＝1ppbv)。该方法有效解决了上述分析方法的不足，实现了高灵敏在线分析，同时有效避免了其他离子的干扰，为人体呼出气中HCN的检测提供了一种简单快速、准确灵敏的在线检测手段。另外，该装置结构简单，成本低廉，便于操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置和应用。
一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置，其特征在于：包括呼出气流速控制装置、呼出气除湿装置、供气装置和以真空紫外灯为电离源的HCN高灵敏检测装置；
所述呼出气流速测量装置入口端与呼出气吹嘴密封连接，出口端与三通阀的一端口密封连接，三通阀另两端口分别与呼出气除湿装置入口密封连接和经尾气管与大气相连，人体呼出气经过呼出气流速测量装置后，一部分经过三通阀被抽入呼出气除湿装置，其余作为尾气排出；
所述供气装置包括第一、第二、第三载气气源；
第三载气气源经第三质量流量计作为反吹气直接通入靠近离子出口处的电离区内；
尾气排放管的入口置于靠近真空紫外灯处的电离区一侧，尾气排放管出口经第四质量流量计和抽气泵入口相连；
由呼出气除湿装置的流出气经呼出气进样管通入HCN高灵敏检测装置的反吹气出口和尾气排放管的入口之间的电离区内；
第二载气气源中的载气经第二质量流量计和丙酮掺杂剂的样品瓶通入呼出气进样管出口和尾气排放管的入口之间的电离区内。
所述呼出气流速测量装置为两端开口的中空管，中空管侧壁设有两处压力感应点，于压力感应点处设有压力传感器，可以对流过的气体流速进行压力感应，将对应的压力值计算处理后得到流经呼出气流速测量装置的气体流速值，中空管前端入口处与呼出气吹嘴密封连接，后端出口处与三通阀的一端密封连接。
根据丙酮掺杂气的流速、反吹气的流速及需要的呼出气进样流速设定抽气泵的流速，进入电离区的气体一部分进入下级传输系统，其余通过抽气泵排出。
所述呼出气吹嘴为两端开口的中空管，呼出气吹嘴的一端为锥形管，用于和人体嘴部周围皮肤紧贴相触，便于人体呼出气的收集并防止其外泄和外界气体的渗入污染，呼出气吹嘴的另一端为圆柱形管，可与呼出气流速测量装置密封连接；
所述呼出气除湿装置为双层套管结构，包括内径较大的外管和内径较小具有除湿功能的内管，外管的两开口端与内管的外壁面密封相连，外管的侧壁上设有两个开口，其中一个开口通过气体管路和第一质量流量计与干燥的第一载气气源密封连接，另一个开口作为气体出口经尾气管与大气相通，内管为管状水分子化学转化选择性透过膜，用于除湿的内管气体入口与三通阀密封连接，内管的气体出口与呼出气进样管密封连接。
所述呼出气除湿装置除湿时，人体呼出气以一定流速流经内管，其中的水分通过内管渗透进入内管与外管之间的空间，同时干燥的第一载气气源以一定流速流经内管与外管之间的空间将其中的水分迅速带出，便于呼出气中水分的快速充分渗出，外管可为不锈钢或其他有机聚合物材料。
载气气源为装有氧气的钢瓶或净化后的干燥空气，载气管路上均设有质量流量计，载气流量可控。
所述HCN高灵敏检测装置为直接气体进样的分析装置，主要为丙酮掺杂剂辅助的基于真空紫外灯的气体进样的负离子模式在线质谱仪，通过呼出气进样管与呼出气除湿装置相连，对除湿后的呼出气中的HCN直接采样分析。
所述丙酮掺杂剂蒸汽通过一定流量的载气带入HCN高灵敏检测装置的电离区，丙酮掺杂剂的浓度高低可通过调节载气流速和丙酮单位时间的挥发量进行调节；
所述载气气源通过质量流量计调节，可获得一定流量的反吹气，通过载气导管进入电离区，用于进一步稀释样品气的湿度，避免水汽对电离的干扰。
采用权利要求1-8中任一所述装置进行操作，包括如下步骤：
A.设定掺杂剂丙酮气和反吹气的进样流速，设定抽气泵的抽速，从而确定除湿后的呼出气的进样流速，设定与呼出气除湿装置相连的干燥的第一载气气源流速，之后打开上述所有质量流量计；
B.设定呼出气流速测量装置的流速值，吹入的人体呼出气经呼出气流速测量装置测量后进入呼出气除湿装置除湿，最后经过呼出气进样管直接进入HCN高灵敏检测装置的电离区，同时利用HCN高灵敏检测装置对呼出气中的HCN在线采样分析，获得HCN的特征谱图。
HCN高灵敏检测装置为气体进样的负离子模式在线质谱仪，采用真空紫外灯发射的光子对丙酮分子进行电离，获得高产率的电子，电子被载气中的氧气分子捕获后得到氧气负离子，氧气负离子可对电子亲和能强的HCN进行高效电离，从而获得其特征谱图。
其中基于真空紫外灯的丙酮辅助的电离需要产生大量试剂离子氧气负离子，因此载气中必须有氧气分子，氧气负离子适于HCN的高效电离，产物离子为CN-(m/z 26)。
附图说明
图1为高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置示意图：1-人体呼出气；2-呼出气吹嘴；3-呼出气流速测量装置；4-三通阀；5-尾气；6-呼出气除湿装置；7-外管；8-内管；9，12，15-载气气源；14-丙酮掺杂剂的样品瓶；10，13，16，17-质量流量计；18-抽气泵；19-真空紫外灯；20-电离区；21-HCN高灵敏检测装置；22-尾气排放管。
图2为基于呼出气基体的HCN的线性拟合曲线。
具体实施方式
首先，图1为一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置，其特征在于：包括呼出气流速控制装置3、呼出气除湿装置6、供气装置和以真空紫外灯19为电离源的HCN高灵敏检测装置21；
所述呼出气流速测量装置3入口端与呼出气吹嘴2密封连接，出口端与三通阀4的一端口密封连接，三通阀4另两端口分别与呼出气除湿装置6入口密封连接和经尾气管与大气相连，人体呼出气1经过呼出气流速测量装置3后，一部分经过三通阀4被抽入呼出气除湿装置6，其余作为尾气5排出；
所述供气装置包括第一、第二、第三载气气源9、12和15；
第三载气气源15经第三质量流量计16作为反吹气直接通入靠近离子出口处的电离区20内；
尾气排放管22的入口置于靠近真空紫外灯19处的电离区20一侧，尾气排放管22出口经第四质量流量计17和抽气泵18入口相连；
由呼出气除湿装置6的流出气经呼出气进样管11通入HCN高灵敏检测装置21的反吹气出口和尾气排放管22的入口之间的电离区20内；
第二载气气源12中的载气经第二质量流量计13和丙酮掺杂剂的样品瓶14通入呼出气进样管11出口和尾气排放管22的入口之间的电离区20内。
所述呼出气流速测量装置3为两端开口的中空管，中空管侧壁设有两处压力感应点，于压力感应点处设有压力传感器，可以对流过的气体流速进行压力感应，将对应的压力值计算处理后得到流经呼出气流速测量装置3的气体流速值，中空管前端入口处与呼出气吹嘴2密封连接，后端出口处与三通阀4的一端密封连接。
根据丙酮掺杂气的流速、反吹气的流速及需要的呼出气进样流速设定抽气泵18的流速，进入电离区20的气体一部分进入下级传输系统，其余通过抽气泵18排出。
所述呼出气吹嘴2为两端开口的中空管，呼出气吹嘴2的一端为锥形管，用于和人体嘴部周围皮肤紧贴相触，便于人体呼出气1的收集并防止其外泄和外界气体的渗入污染，呼出气吹嘴2的另一端为圆柱形管，可与呼出气流速测量装置3密封连接；
所述呼出气除湿装置6为双层套管结构，包括内径较大的外管7和内径较小具有除湿功能的内管8，外管7的两开口端与内管8的外壁面密封相连，外管7的侧壁上设有两个开口，其中一个开口通过气体管路和第一质量流量计10与干燥的第一载气气源9密封连接，另一个开口作为气体出口经尾气管与大气相通，内管8为管状水分子化学转化选择性透过膜，用于除湿的内管8气体入口与三通阀4密封连接，内管8的气体出口与呼出气进样管11密封连接。
所述呼出气除湿装置6除湿时，人体呼出气1以一定流速流经内管8，其中的水分通过内管8渗透进入内管8与外管7之间的空间，同时干燥的第一载气气源9以一定流速流经内管8与外管7之间的空间将其中的水分迅速带出，便于呼出气中水分的快速充分渗出，外管7可为不锈钢或其他有机聚合物材料。
载气气源为装有氧气的钢瓶或净化后的干燥空气，载气管路上均设有质量流量计，载气流量可控。
所述HCN高灵敏检测装置21为直接气体进样的分析装置，主要为丙酮掺杂剂辅助的基于真空紫外灯19的气体进样的负离子模式在线质谱仪，通过呼出气进样管11与呼出气除湿装置6相连，对除湿后的呼出气中的HCN直接采样分析。
所述丙酮掺杂剂蒸汽通过一定流量的载气带入HCN高灵敏检测装置21的电离区20，丙酮掺杂剂的浓度高低可通过调节载气流速和丙酮单位时间的挥发量进行调节；
所述载气气源15通过质量流量计16调节，可获得一定流量的反吹气，通过载气导管进入电离区20，用于进一步稀释样品气的湿度，避免水汽对电离的干扰。
采用权利要求1-8中任一所述装置进行操作，包括如下步骤：
A.设定掺杂剂丙酮气和反吹气的进样流速，设定抽气泵的抽速，从而确定除湿后的呼出气的进样流速，设定与呼出气除湿装置6相连的干燥的第一载气气源9流速，之后打开上述所有质量流量计；
B.设定呼出气流速测量装置3的流速值，吹入的人体呼出气1经呼出气流速测量装置3测量后进入呼出气除湿装置6除湿，最后经过呼出气进样管11直接进入HCN高灵敏检测装置21的电离区20，同时利用HCN高灵敏检测装置21对呼出气中的HCN在线采样分析，获得HCN的特征谱图。
HCN高灵敏检测装置21为气体进样的负离子模式在线质谱仪，采用真空紫外灯19发射的光子对丙酮分子进行电离，获得高产率的电子，电子被载气中的氧气分子捕获后得到氧气负离子，氧气负离子可对电子亲和能强的HCN进行高效电离，从而获得其特征谱图。
其中，呼出气除湿装置的内管采用商品化的nafion管(美国博纯公司生产)，长度约30cm，外管内径约5cm，材质为有机玻璃材料。另外，气体导管均采用外径4mm的聚四氟乙烯管，HCN高灵敏检测装置采用真空紫外灯电离的丙酮辅助的负离子飞行时间质谱仪，该质谱仪采用正交加速设计，以MCP探测器检测，人体呼出气经过测流速和除湿后通过聚四氟乙烯管进入质谱仪进行分析，得到的产物离子为CN-(m/z 26)。实验中电离区气压维持在大气压状态，反吹气流速1.0L/min，丙酮气流速50ml/min，进入电离区后丙酮浓度约115ppmv，呼出气进样流速100ml/min。
实施例1
针对本发明所述一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置和应用性能的考查，实验以基于呼出气基体(4％CO2+相对湿度100％的空气)的HCN为分析对象，利用该高灵敏在线分析装置在线分析一系列浓度的上述HCN气体，以考察该装置和方法对HCN的检测灵敏度和定量性能。设定进入电离区的呼出气流速为100ml/min，实验中电离源的电离方式采用115ppmv丙酮辅助的真空紫外灯电离，电离区气压维持在大气压状态，反吹气流速1.0L/min。浓度自低向高地对上述HCN混合气进行采样分析，采样时间为0.5min。图2是基于呼出气基体的HCN的线性拟合曲线。可以发现，该方法对基于呼出气基体的HCN最低检出浓度可低至0.5ppbv，低于文献报道的SIFT-MS的检测限(1ppbv)，同时在0.5～50ppbv浓度范围内具有很好的线性拟合关系，证明该方法可对人体呼出气进行准确定量。
Claims (10)
1.一种高灵敏在线检测呼出气中HCN的装置，其特征在于：包括呼出气流速控制装置(3)、呼出气除湿装置(6)、供气装置和以真空紫外灯(19)为电离源的HCN高灵敏检测装置(21)；
所述呼出气流速测量装置(3)入口端与呼出气吹嘴(2)密封连接，出口端与三通阀(4)的一端口密封连接，三通阀(4)另两端口分别与呼出气除湿装置(6)入口密封连接和经尾气管与大气相连，人体呼出气(1)经过呼出气流速测量装置(3)后，一部分经过三通阀(4)被抽入呼出气除湿装置(6)，其余作为尾气(5)排出；
所述供气装置包括第一、第二、第三载气气源(9)、(12)和(15)；
第三载气气源(15)经第三质量流量计(16)作为反吹气直接通入靠近离子出口处的电离区(20)内；
尾气排放管(22)的入口置于靠近真空紫外灯(19)处的电离区(20)一侧，尾气排放管(22)出口经第四质量流量计(17)和抽气泵(18)入口相连；
由呼出气除湿装置(6)的流出气经呼出气进样管(11)通入HCN高灵敏检测装置(21)的反吹气出口和尾气排放管(22)的入口之间的电离区(20)内；
第二载气气源(12)中的载气经第二质量流量计(13)和丙酮掺杂剂的样品瓶(14)通入呼出气进样管(11)出口和尾气排放管(22)的入口之间的电离区(20)内。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述呼出气流速测量装置(3)为两端开口的中空管，中空管侧壁设有两处压力感应点，于压力感应点处设有压力传感器，可以对流过的气体流速进行压力感应，将对应的压力值计算处理后得到流经呼出气流速测量装置(3)的气体流速值，中空管前端入口处与呼出气吹嘴(2)密封连接，后端出口处与三通阀(4)的一端密封连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
根据丙酮掺杂气的流速、反吹气的流速及需要的呼出气进样流速设定抽气泵(18)的流速，进入电离区(20)的气体一部分进入下级传输系统，其余通过抽气泵(18)排出。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述呼出气吹嘴(2)为两端开口的中空管，呼出气吹嘴(2)的一端为锥形管，用于和人体嘴部周围皮肤紧贴相触，便于人体呼出气(1)的收集并防止其外泄和外界气体的渗入污染，呼出气吹嘴(2)的另一端为圆柱形管，可与呼出气流速测量装置(3)密封连接；
所述呼出气除湿装置(6)为双层套管结构，包括内径较大的外管(7)和内径较小具有除湿功能的内管(8)，外管(7)的两开口端与内管(8)的外壁面密封相连，外管(7)的侧壁上设有两个开口，其中一个开口通过气体管路和第一质量流量计(10)与干燥的第一载气气源(9)密封连接，另一个开口作为气体出口经尾气管与大气相通，内管(8)为管状水分子化学转化选择性透过膜，用于除湿的内管(8)气体入口与三通阀(4)密封连接，内管(8)的气体出口与呼出气进样管(11)密封连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述呼出气除湿装置(6)除湿时，人体呼出气(1)以一定流速流经内管(8)，其中的水分通过内管(8)渗透进入内管(8)与外管(7)之间的空间，同时干燥的第一载气气源(9)以一定流速流经内管(8)与外管(7)之间的空间将其中的水分迅速带出，便于呼出气中水分的快速充分渗出，外管(7)可为不锈钢或其他有机聚合物材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
载气气源为装有氧气的钢瓶或净化后的干燥空气，载气管路上均设有质量流量计，载气流量可控。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述HCN高灵敏检测装置(21)为直接气体进样的分析装置，主要为丙酮掺杂剂辅助的基于真空紫外灯(19)的气体进样的负离子模式在线质谱仪，通过呼出气进样管(11)与呼出气除湿装置(6)相连，对除湿后的呼出气中的HCN直接采样分析。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述丙酮掺杂剂蒸汽通过一定流量的载气带入HCN高灵敏检测装置(21)的电离区(20)，丙酮掺杂剂的浓度高低可通过调节载气流速和丙酮单位时间的挥发量进行调节；
所述载气气源(15)通过质量流量计(16)调节，可获得一定流量的反吹气，通过载气导管进入电离区(20)，用于进一步稀释样品气的湿度，避免水汽对电离的干扰。
9.一种权利要求1-8任一所述装置在高灵敏在线检测呼出气中HCN分析过程的应用，其特征在于：
采用权利要求1-8中任一所述装置进行操作，包括如下步骤：
A.设定掺杂剂丙酮气和反吹气的进样流速，设定抽气泵的抽速，从而确定除湿后的呼出气的进样流速，设定与呼出气除湿装置(6)相连的干燥的第一载气气源(9)流速，之后打开上述所有质量流量计；
B.设定呼出气流速测量装置(3)的流速值，吹入的人体呼出气(1)经呼出气流速测量装置(3)测量后进入呼出气除湿装置(6)除湿，最后经过呼出气进样管(11)直接进入HCN高灵敏检测装置(21)的电离区(20)，同时利用HCN高灵敏检测装置(21)对呼出气中的HCN在线采样分析，获得HCN的特征谱图。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：
HCN高灵敏检测装置(21)为气体进样的负离子模式在线质谱仪，采用真空紫外灯(19)发射的光子对丙酮分子进行电离，获得高产率的电子，电子被载气中的氧气分子捕获后得到氧气负离子，氧气负离子可对电子亲和能强的HCN进行高效电离，从而获得其特征谱图。
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