真空紫外光谱电离—飞行时间质谱法分析人体呼出气

人体新陈代谢的部分产物由血液运送至肺部，在肺泡通过气体交换出现在呼出气体中。呼出气体反映了机体的代谢和病理状况，一些物质甚至可能成为某种疾病的生物标记物。如：烷烃类是氧化应激的标志物，丙酮是糖尿病的生物标志物等。近年来，在气道慢性炎症，肺癌，肺结核，肠病，肝硬化，乳腺癌，胃管食管癌等疾病中利用呼出气体检测来寻找特异性标志物的研究越来越多。国际上为此成立了专门的呼出气研究协会（InternationalAssociationofBreathResearch，IABR），并出版了呼出气体检测的专业性杂志Journalofbreathresearch。
中国科学院大连化学物理研究所李海洋研究团队利用高气压下的真空紫外灯（VUV）光电离结合飞行时间质谱技术（HPPITOFMS）分析人体呼出气（Anal.Chem.，2016，88：9047-9055）。如图1所示，在1min的采样时间内该技术实现了对呼出气中丙酮、异戊二烯、二甲基硫、乙醇、乙酸等物质的高灵敏检测。研究表明，在100%相对湿度条件下，该方法能够实现对浓度低至几十个pptV的挥发性有机物（VOCs）的直接在线分析；其对苯系物、呋喃类、含氮化合物具有超高的灵敏度和选择性，这在污染暴露分析，职业病防治领域具有重要的应用前景。相比于其它呼出气检测方法，该新技术的最大优势在于受湿度干扰小，解决了针对相对湿度高达100%的呼出气检测的一大难点，消除了各种除湿方法不可避免会造成衡量待测物损失的不足。此外，该技术采用商品化的VUV灯光源，其体积小巧，性能稳健，使用安装方便，有利于此新设备的实际临床推广应用。
由于呼出气体中各物质种类丰富，含量极低，为了进一步提高HPPI的检测灵敏度，该研究团队利用真空紫外灯（VUV）电离高浓度二溴甲烷（CH2Br2）试剂气体获得足够多且强度稳定的CH2Br+2试剂离子，CH2Br+2试剂离子进一步与样品发生高效的电荷转移及离子加和反应，实现物质检测（Anal.Chem.，2016，88：5028-5032）。该技术对呼出气中的挥发性含硫化合物（VSCs），尤其是对肝硬化和肝昏迷等肝脏疾病相关的重要标志物硫化氢（H2S）实现了高灵敏检测。如图2所示，在分析H2S时，特异性加和离子＼[H2S+CH2Br2＼]+的存在巧妙地增强了H2S在谱图中的物质识别。基于VUV灯的光电离飞行时间质谱技术应用于人体呼出气分析，简单、快速、无需任何前处理，有望成为一种高通量的疾病筛查工具，用于临床上大数据样本分析。低成本，高通量，大样本数据的积累有利于发现新的疾病生物标志物，逐步推进呼出气体的分析和检测成为一种新型的临床辅助诊断手段，在医疗诊断领域具有广阔的应用前景。
此外，该团队将离子迁移谱（IMS）技术应用于麻醉剂的分析检测，到了国际学术界同行的好评，被评为2015年JournalofBreathResearch杂志Highlights文章（J.BreathRes.DOI：10.1088/17527155/9/1/016002）。IMS技术上的成熟推进了其在临床实践的应用，通过和哈尔滨医科大学第一附属医院的合作，该团队成功将IMS仪器应用于手术过程中病人呼出气体中麻醉剂丙泊酚的在线监测，这为精准麻醉提供了重要保证。该团队应用IMS技术实现了重要的呼吸道炎症生物标志物NO的高灵敏检测（J.BreathRes.DOI：10.1088/17527155/9/1/016003；ScientificReportsDOI：10.1038/srep23095）與常规的化学发光和电化学传感器技术相比，IMS用于NO分析具有简单、快速的优势。