CN117222363A - 一种捕获气溶胶和蒸气这两部分的空气或呼吸采样设备 - Google Patents
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Abstract
用于空气或呼吸样品的采样设备可使用单一设备从空气或呼吸样品中收集气溶胶和颗粒以及挥发性有机化合物(VOC)。所获得的样品与测定存在或不存在(生物)标志物的分析方法兼容而不需要大量的后处理，从而简化其使用和空气或呼吸样品的分析。
Description
技术领域
本发明涉及收集空气或呼吸样品，如来自人呼吸的呼吸样品，和能够在单一设备中收集气溶胶、颗粒以及挥发性有机化合物的设备。从用该设备收集到的样品中可以测定收集到的空气或呼吸样品中存在或不存在生物标志物。
背景技术
典型地，呼吸捕获设备仅聚焦在一个呼吸部分上(挥发性有机化合物(VOC)、呼吸气溶胶或呼吸冷凝物)。这些部分中每一个都含有独特的信息，包括血液中存在的生物标志物、代谢物、有机化合物，或甚至是颗粒。目前现有技术中一个严重的限制是不可能直接向设备内吹气用于VOC分析，因为在不具有机械缓和措施(泵、大的死体积等)的情况下典型地反压太大而不能促进此吹气。进一步，典型地在不具有大量时间、资源和费用的情况下对所获得的生物标志物的量进行分析。此外，由于其复杂的分子结构和/或以常规方法收集到的样品中存在的标志物的量，大量的该标志物从未能被鉴定。
更确切来说，目前呼吸采样领域正快速扩展。捕获呼吸样品的常见方式是使人向空气采样袋内吹入呼吸样品，随后将采样袋的内容物浓缩至以一种或多种吸附剂包装的热解吸管上。需要某种空气采样泵将呼吸样品从袋内抽进热管上。需要这多个步骤，因为典型热解吸管的反压阻止人向TD管内直接吹气。该反压是由管内包装的吸附剂颗粒和玻璃棉造成的。
另外，人呼吸含有气溶胶和VOC这二者。多年来大多数研究人员研究了人呼吸的VOC部分。但日益增长的趋势是研究人员现在也正探索气溶胶部分。这两部分的生物标志物都能为研究人员提供另外的生物标志物，该标志物与特定疾病结论性相关联或将推进未来治疗药物的发现。所有这些都将引起疾病的早期检测和在未来如何治疗这些疾病。
据此，需要可以在单一设备内从空气或人呼吸样品中收集多种(呼吸)部分的设备，该单一设备能够收集气溶胶、颗粒和挥发性有机化合物(VOC)。该设备将需要有降低的反压或低反压或无反压，以在需要泵送机制的情况下，能够从空气或呼吸样品中收集这些部分。
发明内容
本发明解决上文所述的从空气或呼吸样品收集各种部分的问题，提供允许同时捕获两种不同的空气或呼吸部分(气溶胶和挥发性有机化合物这二者)的设备。该设备包括过滤部件和蜂窝状结构形式的吸附部件。由于其无空气阻力的包装，该蜂窝状结构允许消费者或患者直接向设备内吹气。这将允许微型化并且允许去除其他情况下需要存在的泵或其他电子元件。这导致用于VOC分析的设备复杂度净降低，而过滤部件允许收集气溶胶和颗粒物质。
因此，本发明提供空气或呼吸采样设备，其具有在单一(呼吸)采样期间捕获这两部分(气溶胶和VOC)的能力。该设备易于使用并且不需要电或泵。考虑收集到的部分的形式与当前样品制备工作流程兼容并且可以使用现有仪器分析，由该设备收集到的部分可以容易地进行(生物)标志物分析。另外，该设备或本发明允许人直接向蜂窝状结构形式的热解吸(TD)管内吹气，因此绕过对空气采样袋和空气采样泵的需求。因此，使用本发明的设备将简化捕获呼吸样品的过程而同时也消除将样品从袋转移至管的麻烦。此外，本发明的设备在组合气溶胶或颗粒捕获装置(例如过滤部件)和VOC捕获装置(例如蜂窝状结构部件)的同时，具有使消费者或患者能够容易地向设备内吹气用于收集空气或呼吸样品的低反压。
附图说明
图1显示包含收集气溶胶和颗粒的装置以及收集VOC的装置的设备。
图2显示来自2升静态稀释瓶的薄荷软胶囊的顶部空间的样品结果，即鉴定挥发性薄荷油成分。
图3显示使用气溶胶过滤器和蜂窝状TD管这二者的实际呼吸样品。
图4显示挥发性化合物穿过过滤设备。
图5显示根据本发明的设备的概述。
具体实施方式
由于当前可获得的空气或呼吸采样设备使用过滤设备或用于吸附挥发性有机化合物的设备来收集气溶胶或颗粒部分，没有以同一单一设备用单一采样方法收集这两部分的单一设备。典型地，用于在设备中吸附挥发性有机化合物的装置创造反压，然后其就需要泵送机制来确保气流通过该设备。将该VOC收集装置与过滤设备组合有问题，因为在没有泵送机制的情况下难以维持适当的气流。这会使得对于用于例如收集人呼吸样品而言较不符合需要。
本发明通过在单一空气或呼吸采样设备中，将用于收集气溶胶和颗粒的过滤收集装置与用于收集挥发性有机化合物的蜂窝状结构吸附剂收集装置组合，来克服这些问题。该组合设备展现出允许人直接向采样设备内吹气的低反压，消除将呼吸样品从采样袋转移的需求，或需要通过具有真空或空气采样泵的收集设备抽取样品的需求。因此，根据本发明的设备不具有由VOC收集装置的反压所造成的限制。结果是，对于消费者，使用该设备收集空气或呼吸样品是简单的。向设备内呼吸以收集呼吸样品用于分析所获得的样品存在或不存在(生物)标志物是相对容易的。另外，组合的采样设备可以掺入袋，袋的膨胀作为是否已经收集到足够的样品呼吸的指示器。
如本文所用，术语挥发性有机化合物或VOC意为描述当涉及人呼吸采样时可以由人体散发的任何有机化学物质，该物质可以在呼吸和/或呼吸组分中检测到。当涉及空气采样时术语VOC也可以包括半挥发性化合物。
另外，如本文所用，呼吸生物标志物或“呼吸分析物”意为描述呼吸或呼吸组分的化学成分，其推断受试者状态方面的信息，包括但不限于诊断、疾病检测、疾病进展监测、器官排斥反应监测、环境监测、毒素暴露、辐射暴露、药物监测(代谢分子和未代谢分子)、药代动力学和药效学信息和代谢组学。关于空气采样，术语标志物是指可以用于指示空气的某些特征的任何化合物(或化合物组合)，所述某些特征例如与空气质量或适用于某目的或当标志物低于某空气安全阈值(例如不易燃或不易爆)时的空气质量相关的特征。
在本发明的一个实施方案中，提供用于收集空气样品的设备，其包含：a.)用于从周围空气中收集气溶胶和颗粒的装置，和b.)用于从周围空气中收集挥发性有机化合物(VOC)的装置，其中用于从周围空气中收集气溶胶和颗粒的装置与用于从周围空气中收集VOC的装置彼此连接，从而使该设备从同一体积的周围空气中收集气溶胶、颗粒和VOC。
在本发明的另一实施方案中，提供用于从人呼吸中捕获呼吸样品的设备，其包含：a.)用于从人呼吸中收集气溶胶和颗粒的装置，和b.)用于从人呼吸中收集挥发性有机化合物(VOC)的装置，其中用于从人呼吸中收集气溶胶和颗粒的装置与用于从人呼吸中收集VOC的装置彼此连接，从而使该设备从同一体积呼出的人呼吸中收集气溶胶、颗粒和VOC。
在该设备中用于收集气溶胶和颗粒的装置包含过滤器以捕获该气溶胶和颗粒。该过滤器可以是静电过滤器。
重要的是在收集过程中空气或呼吸样品的采样在不损失样品的情况下收集。据此，在该空气或呼吸样品收集设备中，通过气密连接将用于收集气溶胶和颗粒的装置与用于收集VOC的装置连接。
通过包含热解吸管的用于收集该VOC的装置在设备内收集挥发性有机化合物。优选地该热解吸管包含蜂窝状结构。以用于捕获VOC的吸附剂材料包覆蜂窝状结构。吸附剂材料可以是单一类型的吸附剂材料或一种或多种不同的吸附剂材料，以捕获广泛范围的有机分子。该吸附剂材料的实例包括活性炭、木炭、硅胶和多孔聚合物。该用于VOC的收集装置提供低反压以确保在不需要泵送机制情况下的空气或呼吸采样。另外，收集的样品可以使用常规分析方法容易地分析，因为使用的热解吸管与该分析技术(如各种色谱技术)兼容。
在本发明的设备中使用的蜂窝状热解吸管可以由为吸附剂材料提供足够支撑以及能忍受450℃或更高温度的任何类型的材料构建。在一些实施方案中该材料能忍受的温度高达500℃，或高达600℃，或高达700℃，或高达800℃，或高达900℃，或甚至高达1000℃。
在本发明的另一实施方案中，提供用根据本发明的设备采集周围空气样品或人呼吸样品的方法。
在本发明的又一实施方案中，提供在呼出的人呼吸样品或周围空气样品中测定感兴趣的生物标志物的存在的方法，其包含：a.)从人呼吸或周围空气中收集气溶胶和颗粒，b.)从人呼吸或周围空气中收集挥发性有机化合物(VOC)，和c.)在收集的气溶胶、颗粒或VOC中的任一种中测定感兴趣的生物标志物的存在，其中从同一呼出的人呼吸或同一体积的周围空气中收集气溶胶、颗粒和VOC，并且在根据本发明的单一设备中收集。
在本发明的另一实施方案中，提供诊断患者患有病症或有患病症风险的方法，其包含测定感兴趣的生物标志物的存在，所述测定包含：a.)从人呼吸中收集气溶胶和颗粒，b.)从人呼吸中收集挥发性有机化合物(VOC)，c.)在收集到的气溶胶、颗粒或VOC中的任一种中测定感兴趣的生物标志物的存在，和d.)将感兴趣的生物标志物的存在或不存在与疾病状态相关联，其中在根据本发明的单一设备中从同一呼出的人呼吸中收集气溶胶、颗粒和VOC。
在每个实施方案中，该设备可以与或不与用于收集呼吸阶段的特定子集(如呼气末、混合呼气或呼气晚期呼吸)的装置一起使用。任何该装置可以包括下列一种或其任何组合：流量计(测量通过机械装置或电子装置的流量或体积)，检测呼吸中已知/常见组分(如CO2、N2、一氧化氮部分或其他)的浓度的传感器，基于计时器的方法，湿度监测，或再呼吸方案。
图1中提供本发明的空气或呼吸采样设备的实施方案的图示概述，其包括VOC收集装置例如蜂窝状结构形式的收集装置(包括吸附剂)，用于气溶胶和/或颗粒的收集装置例如过滤部件形式的收集装置，和用于吹入或接收自其进行采样的空气或呼吸的口承。
下文提供本发明的示例性实施方案的描述。
实施例1.在薄荷呼吸采样方案中使用设备捕获气溶胶和VOC这二者。
为评估根据本发明的呼吸采样设备，在摄入薄荷软胶囊(一种OTC草药补充剂)之前和之后采集呼吸样品。在摄入过程期间薄荷油成分进入血流，其中一些成分从血流迁移至肺，在正常呼吸期间于肺部呼出这些成分(Malásková,2019)。进行实验以证明此新型呼吸采样设备可以如何用于捕获代谢的薄荷油胶囊的挥发性成分。
该设备使用以碳吸附剂包覆的陶瓷蜂窝。蜂窝状结构展现最小的反压，因此允许人容易地向管内吹入呼吸样品。
通过用两种不同的吸附剂，以渐增的吸附强度包覆两个分离的陶瓷蜂窝来构建蜂窝状热解吸管(HCTD管)。用CarbopackTM C包覆第一蜂窝，并且用Carbopack B包覆第二蜂窝。包覆过程通过将纳米尺寸的碳吸附剂颗粒悬浮于含有二氯甲烷和聚硅氮烷的溶液(其起将碳吸附剂附着至陶瓷蜂窝上的“胶水”作用)中发生。将陶瓷蜂窝浸入该溶液，其包覆陶瓷蜂窝所有的暴露表面。施用多层包覆层，直到观察到堆积。然后将已包覆的蜂窝放置于不锈钢热解吸管(6.35mm OD x 5mm ID x 89mm长)中。已包覆的组件(管)放置于玻璃清洗弹(glass purge bomb)中并且加热至450℃达10min，同时当固化过程发生时氮气穿过以创造惰性氛围。
通过将含有过滤器(如SensAbues Device)的气溶胶和颗粒收集设备与如上文所述制备的蜂窝状热解吸管(HCTD管)偶联来创造根据本发明的呼吸采样设备(图2)。为组合这两种设备，过滤设备的出口储物盖被钻开从而可以将HCTD管的进口插入盖内。然后将HCTD管连接至过滤设备。
本实验的焦点聚焦于在具有和不具有偶联蜂窝状管的静电过滤设备情况下，是否可以收集呼吸样品。
连接两设备的主要目的是用单一呼吸样品捕获人呼吸的气溶胶和蒸气这两部分。当人呼气至偶联的设备内，设备中的静电过滤器会将气溶胶与任何颗粒一起保留，而气相中的挥发性化合物会穿过过滤器，并且随后通过包覆吸附剂的HCTD管保留。随着人持续向设备内呼吸，截留于气溶胶中然后又在与过滤器碰撞时释放的挥发物随后将通过HTCD管保留。采集呼吸样品后，将每个采样设备都个别密封起来以保护样品完整性直至分析它们时。
将过滤设备与蜂窝状热解吸管偶联有另外的益处。在呼吸采样期间过滤器保护热解吸管免于保留非挥发性化合物。非挥发物不适用于GC分析。这防止在热解吸期间非挥发物污染TD/GC样品通道。
实施例2；用设备采集呼吸样品
用于呼吸采样实验的方案
1.禁食过夜(无早餐)
2.用小苏打刷牙(以防止由于使用薄荷口味的牙膏造成的污染)
3.用瓶装水漱口两次(采集呼吸样品之前)
4.在摄入薄荷胶囊之前捕获基线呼吸样品
5.服用5粒薄荷胶囊，等待1小时以代谢胶囊
6.使用我们的呼吸采样设备原型收集呼吸样品。
对于本实验：一人向组合的呼吸采样设备内吹气20次呼吸，这花费大约6分钟30秒完成。该过滤设备使用小袋作为指示器，从而当使用者已经向设备内吹入足够的空气时他们会知道。当使用该过滤设备本身时大约20次呼吸后袋变满。将两种设备(即过滤设备与蜂窝状结构一起)组合到一起的较小的反压不造成任何向设备内吹入呼吸样品的问题。
对于本实验，捕获了以下呼吸样品组合：
1.在摄入薄荷胶囊之前和之后。
2.具有和不具有连接至HCTD管的过滤设备的样品
3.具有未包覆的蜂窝&吸附剂包覆的HCTD管的样品
在采集呼吸样品之前，使用CDS分析性6管调节器在330℃调节HCTD管30分钟以降低挥发物背景水平。如接收时那般使用过滤设备。设备在纸板箱中含有的密封袋内。
图3显示来自2升静态稀释瓶的薄荷软胶囊的顶部空间的样品结果。通过注射1mL顶部空间至包装有Carbopack C和Carbopack B的传统热解吸管上来获得该结果。基于与NIST质谱库的匹配来鉴定成分。没有获得每个成分的个别化学标准品，所以未发生定量和鉴定。
图4显示在过滤设备和HCTD管串联的情况下呼吸样品的叠加色谱图。这些结果是HCTD管的而不是过滤器的。顶部色谱图(黑色)是在摄入薄荷胶囊之前的呼吸样品。中部色谱图(蓝色)是在摄入薄荷胶囊1h之后的HCTD管的分析。底部色谱图(红色)属于从2升静态稀释瓶获得的薄荷油顶部空间样品。将750ul注射器体积的薄荷油的顶部空间注射至包装有Carbopack C颗粒和Carbopack B颗粒的传统热解吸管上。
以蓝色高亮的峰是薄荷油成分洗脱出来的地方。在摄入薄荷油胶囊之前在薄荷油的11种已鉴定成分中只观察到来自呼吸样品的柠檬烯。结果是柠檬烯是在人呼吸中典型观察到的化学物质并且可能是由肝脏产生和由呼吸排出的。主要要点是在服用薄荷油胶囊1h后观察到薄荷成分的大多数(蓝色色谱图)，证明所述设备如何能从人呼吸中保留VOC。
图5显示色谱图叠加，其显示在具有和不具有附接的过滤设备的情况下HCTD管如何捕获薄荷油成分(中部和底部色谱图)。注意到与当向不具有过滤设备的HCTD管内吹气时相比，具有附接的过滤设备的HCTD管保留了更多挥发物。结果是过滤设备的过滤器的确有一些挥发性污染物(参见红色高亮区域)。然而，该图显示在具有和不具有过滤设备的情况下挥发性薄荷油成分显示了相似的结果。这提供过滤设备的过滤器不保留挥发性薄荷油成分的证据。
这些实施例证明呼吸采样设备能从人呼吸中捕获挥发性化合物。这些实施例也证明挥发性化合物穿过过滤设备部件并且在HCTD管上被收集。
本发明的该空气或呼吸采样设备消除将样品从空气采样袋转移至管上的需求。这是显著的进步，因为当分析空气或呼吸样品用于测定(生物)标志物的存在或不存在时，该设备将允许使用更标准化的呼吸采样方案。
Claims (14)
1.一种用于收集空气样品的设备，其包含：
a.用于从周围空气中收集气溶胶和颗粒的装置，和
b.用于从周围空气中收集挥发性有机化合物(VOC)的装置，
其中用于从周围空气中收集气溶胶和颗粒的装置和用于从周围空气中收集VOC的装置彼此连接，从而使该设备从同一体积的周围空气中收集气溶胶、颗粒和VOC。
2.一种用于从人呼吸中捕获呼吸样品的设备，其包含：
a.用于从人呼吸中收集气溶胶和颗粒的装置，和
b.用于从人呼吸中收集挥发性有机化合物(VOC)的装置，
其中用于从人呼吸中收集气溶胶和颗粒的装置和用于从人呼吸中收集VOC的装置彼此连接，从而使该设备从同一体积呼出的人呼吸中收集气溶胶、颗粒和VOC。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述用于收集气溶胶和颗粒的装置包含过滤器以捕获该气溶胶和颗粒。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述过滤器是静电过滤器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中通过气密连接将所述用于收集气溶胶和颗粒的装置和所述用于收集VOC的装置连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述用于收集VOC的装置包含热解吸管。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述热解吸管包含蜂窝状结构。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述蜂窝状结构由任何能够耐受450℃或更高温度的材料制成。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述蜂窝状结构包含吸附剂材料。
10.根据权利要求9所述的设备，其中用一种或多种吸附剂材料包覆所述蜂窝状结构。
11.一种用根据前述权利要求中任一项所述的设备采集周围空气样品的方法。
12.一种用根据权利要求2-10中任一项所述的设备采集人呼吸样品的方法。
13.一种在呼出的人呼吸样品或周围空气样品中测定感兴趣的生物标志物的存在的方法，其包含：
a.从人呼吸或周围空气中收集气溶胶和颗粒，
b.从人呼吸或周围空气中收集挥发性有机化合物(VOC)，和
c.在收集到的气溶胶、颗粒或VOC中的任一种中，测定感兴趣的生物标志物的存在，
其中从同一呼出的人呼吸或同一体积的周围空气中收集气溶胶、颗粒和VOC，并且在根据权利要求1-10中任一项所述的单一设备内收集。
14.一种诊断患者患有病症或有患病症的风险的方法，其包含测定感兴趣的生物标志物的存在，所述测定包含：
a.从人呼吸中收集气溶胶和颗粒，
b.从人呼吸中收集挥发性有机化合物(VOC)，
c.在收集到的气溶胶、颗粒或VOC中的任一种中，测定感兴趣的生物标志物的存在，和
d.将感兴趣的生物标志物的存在或不存在与疾病状态相关联，其中在根据权利要求2-10中任一项所述的单一设备内从同一呼出的人呼吸中收集气溶胶、颗粒和VOC。
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