CN111999375A - 一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法 - Google Patents

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刘超
曾嘉发
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方明亮
高伟
黄正旭
周振
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Abstract

本发明公开了一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，包括以下步骤：实时获取质谱响应强度并实时计算质谱响应强度偏差率，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对质谱仪进行校正；通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线；受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息；根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果；本发明适用于人体呼气的实时在线检测和定量分析。

Description

一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法
技术领域
本发明涉及呼出气体定量的研究领域，特别涉及一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法。
背景技术
近年来，呼气分析作为一种非侵入性检测技术受到广泛关注。目前，在人体呼出气中已发现数千种挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)，其中既有来自肺泡、肠胃及口腔等的内源性VOCs，也有因吸入空气而残留在体内的外源性VOCs，其浓度从万亿分之一(Parts per trillion by volume，pptv)到百万分之一(Parts per millionby volume，ppmv)。定量分析呼气中VOCs的用途，包括但不限于以下几个方面：(1)诊断疾病，如糖尿病患者呼气中丙酮浓度往往高于健康人群，肾衰竭晚期患者呼气中氨和异戊二烯的含量升高；(2)监测体内药物浓度，如对氯胺酮在体内的代谢监测实验可以确定最佳的用药时间以及用药剂量；(3)指示环境暴露，如对职业工人进行呼气检测，可以判断所从事工作环境的污染程度。
目前采用的呼气VOCs定量分析手段主要包括气相色谱-质谱(Gaschromatography mass spectrometry，GC-MS)、质子转移反应质谱(Proton transferreaction mass spectrometry，PTR-MS)、选择离子流管质谱(Selected ion flow tubemass spectrometry，SIFT-MS)和二次电喷雾电离质谱(Secondary electrosprayionization mass spectrometry，SESI-MS)。但是，GC-MS要求的样本收集及前处理过程复杂耗时，并且前处理过程会引入其他杂质以及对目标分析物造成损失，使其在临床实践中的应用复杂化，不利于呼气在医学领域的推广应用；PTR-MS很难检测质子亲和力小的化合物，并且需要结合特殊设计的仪器，目前不是很普遍；SIFT-MS没有样品预浓缩、色谱分离以至于灵敏度、选择性有限，并且该技术同样需要结合特殊设计的仪器，以至于限制了该技术的广泛应用。
SESI是一种实时在线分析离子源，适于电离气体、气溶胶样品，与MS耦合后，可实时在线检测生物体呼出气、细菌顶空气、室内外空气等样品，成功用于表征人体生物钟、诊断肺部疾病、解析室内外空气化学过程等研究。SESI源工作原理可简述为：在常温常压环境中，样品中的中性分子被电喷雾产生的初级带电液滴离子电离生成分子离子。SESI-MS无需样品前处理，最大限度降低了呼气中VOCs的损失；同时省去了GC分析环节，缩短时间并且减少VOCs种类限制；并且SESI具有普适性，能与不同商业质谱耦合。与GC-MS、PTR-MS和SIFT-MS相比，SESI-MS较适合于呼气中痕量VOCs实时在线的分析与推广应用，但是该技术目前尚未建立呼气中VOCs的定量分析方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取质谱响应强度并实时计算质谱响应强度偏差率，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对质谱仪进行校正；
通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线；
受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息；
根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果。
进一步地，所述计算质谱响应强度偏差率，具体如下：
以初始质谱响应强度Ia为校正基准，实时获取时间点t的质谱响应强度为Ia(t)，则质谱响应强度偏差率计算如下：
Figure BDA0002712178420000021
其中，η为质谱响应强度偏差率，Ia为初始质谱响应强度，Ia(t)为时间点t的质谱响应强度。
进一步地，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对仪器进行校正；具体如下：
若质谱响应强度偏差率小于阈值，则质谱仪状态正常，能进行正常样品检测；若质谱响应强度偏差率大于阈值，则质谱仪状态不正常，需要进行校正；
所述校正如下：通过电喷雾喷针调节把手对照电喷雾喷针刻度盘，调节电喷雾喷针与质谱仪入口位置，通过质谱里的Mass Traces功能实时反应标准物质的强度变化，根据实时质谱响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置进行移动，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的质谱响应强度偏差率小于10％，则完成校正。
进一步地，所述阈值为10％。
进一步地，所述通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线，具体如下：在确保仪器状态正常的条件下，将气体动态稀释校准仪的配气浓度设置为0、2、4、6、8、10ppbv，根据气体动态稀释校准仪操作说明手动切换配气浓度，每个浓度进样2分钟，浓度梯度进样结束后，提取每个浓度下各个物质的质谱平均响应强度，绘制响应强度和时间的标准曲线。
进一步地，所述受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息，具体为：测试前，受试者清理口腔，如用纯净水漱口；测试时，受试者静坐，以鼻吸嘴呼的形式先深呼吸4次，之后以同样的呼吸方式进行呼气测试，对呼气样本进行实时在线检测，得到呼气样本组分信息；测试过程中，呼气监测装置实时显示并记录呼气物理状态以及CO2含量，受试者可根据呼气监测装置显示的相关参数对呼气动作进行指导。
进一步地，所述呼气样本组分信息包括苯乙烯平均响应强度、均三甲苯平均响应强度、α-松油烯平均响应强度。
进一步地，所述根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果，具体为：采用质谱软件提取苯乙烯平均响应强度、均三甲苯平均响应强度、α-松油烯平均响应强度I1、I2、I3，并代入各物质标准曲线的线性回归方程I＝Ac+B中，根据其平均响应强度推算得到各物质浓度为c1、c2、c3，进而得到呼气样本定量分析结果。
本发明的工作过程如下：
提供一种实时在线质谱的定量方法用于定量分析呼气VOCs。采用质谱仪进行人体呼气样品实时在线检测。在每次测样前，采用气体动态稀释校准仪配置恒定浓度、进样流量的标准气体对仪器状态响应强度进行校正，确保每次呼气数据的有效性和可比性。校正通过后，受试者的呼气通过过滤器经实时在线分析离子源电离后进入质谱检测其信号强度。首次测样时配制不同浓度梯度的标准气体，通入电离区电离，检测其信号强度，进而绘制响应强度与浓度的标准曲线。
从呼气质谱文件中提取需要定量物质的响应强度，将该值代入对应物质的标准曲线中，反推该物质在呼气中的浓度，从而实现对呼气中VOCs的定量分析。
所述的实时在线分析离子源是二次电喷雾电离源；所述的标准气体的成分包括苯乙烯、均三甲苯和α-松油烯，该标准气体在三个实验室进行过验证，流量为2.7L/min、浓度为2ppbv时响应强度均能达到七次方。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明采用的标准气体、气体动态稀释校准仪以及呼气过滤器，均为易于获取的商品，有利于呼气定量方法的实现和推广；标准气体和气体动态稀释校准仪均为商业产品，品质稳定，获取校正曲线的相关系数均大于0.999，有利于呼气成分的准确定量；气体动态稀释校准仪有标准的操作流程，呼气实时在线分析也具有标准化的程序。综上所述，该方法适用于人体呼气的实时在线检测和定量分析。
附图说明
图1为本发明所述一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法流程图；
图2为本发明所述实施例中绘制标准曲线的实验装置结构示意图；
图3为本发明所述实施例中人体呼气检测装置结构示意图；
图4为本发明所述实施例中3种人体呼气VOCs的标准曲线图。
附图中，1-排气罩，2-二次电喷雾离子源，3-质谱仪，4-气体动态稀释校准装置，5-标准气体钢瓶，6-稀释气体钢瓶，7-锁扣，8-石英毛细管，9-钽电极，10-电喷雾溶液，11-电离室，12-电喷雾喷针刻度盘，13-电喷雾喷针调节把手，14-进样管，15-高压灭菌接口，16-肺活量测定过滤器，17-呼气监测装置。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，如图1所示，实时获取质谱响应强度并实时计算质谱响应强度偏差率，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对质谱仪进行校正；
通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线；
受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息；
根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果。
具体如下：
包括标准曲线的绘制部分和人体呼气检测定量方法。图2为绘制标准曲线的实验装置，包括标准气体稀释装置、装配有二次电喷雾离子源的质谱仪；其中，标准气体稀释装置包括排气罩1、气体动态稀释校准装置4、标准气体钢瓶5、稀释气体钢瓶6；标准气体钢瓶5和稀释气体钢瓶6分别通过规格为1/8和1/4的特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接，气体动态稀释校准装置4的出气口用1/4的特氟龙管与质谱仪的二次电喷雾离子源2的进样管14相连，排气罩1与气体动态稀释校准装置4的废气出口连接。
标准气体由标准气体钢瓶5提供，所选用的标准气体为性质稳定的挥发性有机物，具体成分包括苯乙烯、均三甲苯和α-松油烯；稀释气体由稀释气体钢瓶6提供，所选用的稀释气体为纯度99.999％的氮气。
质谱仪的二次电喷雾离子源通过锁扣7与质谱仪接口相连，电喷雾石英毛细管8内径为20μm，长度为50cm；钽电极9接有3.5kV电压，通过供压气将电喷雾溶液10加压形成初级带电液滴离子；左侧进样管14安装有加热带，实验时采用130℃，防止高沸点的气体样品冷凝附着在进样管上，造成分析物损失；图3右侧为二次喷雾离子源结构示意图。
所述标准气体钢瓶和稀释气体钢瓶分别通过特氟龙管与气体动态稀释校准装置的进气口连接。
正式实验前，测定一组上述标准气体，通过其中α-松油烯的响应强度来判定质谱的状态是否稳定。以流量为2.7L/min、浓度为2ppbv时α-松油烯的质谱响应强度3×107为校正基准(该参考物质及阈值选择是通过三个实验室对该标准气体的响应强度综合分析的结果)；某一时间点t的质谱响应强度为Ia(t)，则质谱响应强度偏差率：
Figure BDA0002712178420000051
若偏差率小于10％，则表明质谱仪状态相同，若偏差率大于10％，则需要对质谱仪进行校正。本方法采用通过电喷雾喷针调节把手13，对照电喷雾喷针刻度盘12，调节电喷雾喷针与质谱仪入口的位置。当调节电喷雾喷针的时候，通过质谱仪里的Mass Traces功能实时反应标准物质的响应强度变化，根据实时响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置移动进行指导，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的偏差率小于10％，质谱仪状态才得以校正。
在确保仪器状态正常的条件下，将气体动态稀释校准仪4的配气浓度设置为0、2、4、6、8、10ppbv，配气流量设置为2.7L/min，这里的稀释气体钢瓶为氮气钢瓶，打开标准气体钢瓶5和氮气钢瓶6的总阀和减压阀，调节稳压阀至0.2MPa，待配气浓度稳定后接入二次电喷雾离子源的进样管14，经电离室11电离后进入质谱仪3进行检测。根据气体动态稀释校准仪操作说明手动切换配气浓度，每个浓度持续进样2分钟。浓度梯度进样结束后，提取每个浓度下各个物质的质谱平均响应强度，绘制响应强度和时间的标准曲线，如图4所示，各物质的相关系数均大于0.999，符合定量要求。
进行呼气测试前，开启呼气监测装置17，受试者用纯净水漱口。测试时，受试者坐在舒适的椅子上，以鼻吸嘴呼的形式先深呼吸4次，之后将嘴巴咬合肺活量测定过滤器16(该过滤器能过滤99.98％的细菌和99.92％的病毒)进行呼气；肺活量测定过滤器16与高压灭菌接口15连接，高压灭菌接口15与进样管14连接，该气路为实验呼气进气检测路线。高压灭菌接口15同时通过特氟龙管与呼气监测装置17连接，呼气监测装置17可以实时显示呼出气流量以及CO2含量，并且可以自动储存为文本文件用于记录受试者呼气状况。受试者可以根据呼气监测装置17实时显示的流速对呼气动作进行指导，将呼气流速稳定控制在7L/min左右。重复以上动作呼吸10次，每次呼气间隔15-20s。呼气数据采集完毕后，关闭质谱仪的采集功能后即可关闭呼气监测装置17。
用专业的质谱软件Xcalibur提取每位参与者后六次呼气中苯乙烯、均三甲苯和α-松油烯的平均响应强度，代入各物质标准曲线的线性回归方程中，线性回归方程见图4所示，根据平均响应强度反推各物质浓度。苯乙烯、均三甲苯和α-松油烯四种物质在11位参与者呼气中的定量浓度如表1所示：
表1受试者呼气中3中VOCs的定量浓度表
Figure BDA0002712178420000071
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取质谱响应强度并实时计算质谱响应强度偏差率，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对质谱仪进行校正；
通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线；
受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息；
根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述计算质谱响应强度偏差率，具体如下：
以初始质谱响应强度Ia为校正基准，实时获取时间点t的质谱响应强度为Ia(t)，则质谱响应强度偏差率计算如下：
Figure FDA0002712178410000011
其中，η为质谱响应强度偏差率，Ia为初始质谱响应强度，Ia(t)为时间点t的质谱响应强度。
3.根据权利要求2所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，根据质谱响应强度偏差率获取质谱仪状态，进而根据质谱仪状态对仪器进行校正；具体如下：
若质谱响应强度偏差率小于阈值，则质谱仪状态正常，能进行正常样品检测；若质谱响应强度偏差率大于阈值，则质谱仪状态不正常，需要进行校正；
所述校正如下：通过电喷雾喷针调节把手对照电喷雾喷针刻度盘，调节电喷雾喷针与质谱仪入口位置，通过质谱里的Mass Traces功能实时反应标准物质的强度变化，根据实时质谱响应强度变化情况，对电喷雾喷针的位置进行移动，直到相同浓度标准气体的质谱响应强度与校正基准的质谱响应强度偏差率小于10％，则完成校正。
4.根据权利要求3所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述阈值为10％。
5.根据权利要求1所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述通过校正后的质谱仪检测不同浓度的标准气体，绘制标准曲线，具体如下：在确保仪器状态正常的条件下，将气体动态稀释校准仪的配气浓度设置为0、2、4、6、8、10ppbv，根据气体动态稀释校准仪操作说明手动切换配气浓度，每个浓度进样2分钟，浓度梯度进样结束后，提取每个浓度下各个物质的质谱平均响应强度，绘制响应强度和时间的标准曲线。
6.根据权利要求1所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述受试者按照标准程序进行呼气，对呼气样本实时在线检测，得到呼气样本的组分信息，具体为：测试前，受试者清理口腔；测试时，受试者静坐，以鼻吸嘴呼的形式先深呼吸4次，之后以同样的呼吸方式进行呼气测试，对呼气样本进行实时在线检测，得到呼气样本组分信息；测试过程中，呼气监测装置实时显示并记录呼气物理状态以及CO2含量，受试者可根据呼气监测装置显示的相关参数对呼气动作进行指导。
7.根据权利要求6所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述呼气样本组分信息包括苯乙烯平均响应强度、均三甲苯平均响应强度、α-松油烯平均响应强度。
8.根据权利要求7所述的一种基于实时在线质谱的呼气挥发性有机化合物定量方法，其特征在于，所述根据呼气样本的组分信息进行呼气样本的组分定量分析，得到呼气样本定量分析结果，具体为：采用质谱软件提取苯乙烯平均响应强度、均三甲苯平均响应强度、α-松油烯平均响应强度I1、I2、I3，并代入各物质标准曲线的线性回归方程I＝Ac+B中，根据其平均响应强度推算得到各物质浓度为c1、c2、c3，进而得到呼气样本定量分析结果。
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