基于氣相色譜-離子遷移譜的呼氣分析系統研制

吳良杰 賈建 何秀麗 高曉光*

1 中國科學院空天信息創新研究院傳感技術國家重點實驗室 （北京 100190）

2 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 （北京 100049）

內容提要：人體呼出氣體，特別是肺泡氣中包含多種痕量揮發性有機化合物，可反映人體代謝及健康情況。文章針對現場呼氣分析的需求，設計呼氣采樣及氣相色譜預分離裝置，研制基于氣相色譜-離子遷移譜的呼氣分析系統，實現了呼出氣體中肺泡氣的采集和分析。系統對氨的理論檢出限為2.04ppb，以咖啡頂空氣為例實現其混合成分的快速分析。該系統在呼出氣體現場分析方面具有較好的應用前景。

呼出氣體中含有多達上千種痕量揮發性有機化合物[1]。研究發現呼出氣體中這些痕量成分攜帶大量的生理及病理信息[2]。作為一種簡便的無創檢測方法，呼出氣體分析逐漸成為傳統血檢、尿檢的補充，已有多種方法用于呼出氣體中痕量成分的分析[3]。在各種呼氣分析方法中，離子遷移譜技術基于氣相中不同離子在電場中的漂移差異實現離子的分離檢測，具有靈敏度高、檢測速度快以及儀器體積小、成本低等優點，在呼出氣體分析方面發揮了越來越重要的作用[4,5]。但因離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry，IMS）檢測時首先必須使樣品電離形成離子，而混合物樣品電離過程中存在離子競爭問題，導致直接利用IMS分析呼出氣體等復雜樣品存在困難，通常需在IMS前端采用氣相色譜（Gas Chromatogram，GC）或多束毛細管柱對混合樣品進行預分離[6,7]。

人體呼出氣體包括上呼吸道中的死腔氣和來自肺泡深處的肺泡氣，其中肺泡氣含有攜帶人體生理信息的內源性揮發性有機化合物[8]。死腔氣和肺泡氣混合得到的呼出氣體，其內源性揮發性有機化合物濃度是原來的一半甚至更低，對呼氣分析系統的靈敏度要求很高[9]。只采集肺泡氣進行分析有助于提高檢測靈敏度，但對采樣裝置提出了一些新的要求[10,11]。

本文在已有的IMS裝置基礎上，針對呼氣分析需求，研究肺泡氣采樣方法及混合樣品的GC預分離方法，研制基于氣相色譜-離子遷移譜（Gas Chromatogram-Ion Mobility Spectrometry，GC-IMS）的呼氣分析系統，并在實驗室環境下檢驗該系統的性能。

1.呼氣分析系統

1.1 系統結構

所設計的呼氣分析系統（見圖1）基于GC-IMS原理，主要包括肺泡氣采集、GC預分離及IMS檢測三個模塊。其中IMS檢測模塊以實驗室已有的電暈放電離化IMS為核心，其漂移管由不銹鋼環和聚四氟乙烯環堆疊而成，漂移電場約425V/cm，工作溫度保持為180?C[12]。IMS漂移氣采用電子壓力控制器EPC及氣阻控制，設定漂移氣流量為1L/min。IMS檢測模塊的漂移管溫度控制、離子門控制、離子流檢測以及漂移氣體流量調節等均由呼氣分析系統控制模塊完成。

圖1.呼氣分析系統結構示意圖

1.2 肺泡氣采集模塊

肺泡氣采集部分由CO2傳感器、六通閥、采樣泵等組成，其功能是將肺泡氣采集到六通閥的定量環中。理論上請受試者通過吹嘴、氣路向六通閥定量環直接持續吹氣，多余廢氣從六通閥廢氣口排出即可將呼氣末的肺泡氣保留在六通閥定量環中，但實際上由于六通閥定量環及氣路氣阻很大，普通受試者無法靠自主呼氣將肺泡氣吹入六通閥定量環。本文采用主動進樣方式，利用呼出氣體中CO2分壓差異區分死腔氣和肺泡氣，并采用采樣泵將肺泡氣抽入六通閥的定量環內。為避免呼出氣體中水汽影響，整個肺泡氣采集部分的氣路及六通閥等均保持40?C以上。

1.3 GC預分離模塊

GC預分離模塊實現肺泡氣混合樣品的預分離，主要由色譜恒溫箱、色譜柱及相應的載氣流量控制裝置組成。色譜恒溫箱整體尺寸為286mm×236mm×91mm，由內部貼有保溫材料的有機玻璃板構成。加熱盤采用高熱導率的鋁合金制成，標準7英寸及5英寸毛細管色譜柱架均可置于加熱盤內，便于本裝置使用各種標準的商品化毛細管色譜柱。由于呼氣中的揮發性有機化合物大多是非極性或弱極性分子，所以色譜柱選用Agilent公司生產的DB-5型毛細管柱（15m×0.53mm）。采用商品化的智能溫度控制器（AI-7028E，廈門宇電科技有限公司），以鉑電阻作為測溫元件，通過SSR固態繼電器控制加熱組件，實現對GC柱溫的精確控制。

GC模塊采用氮氣為載氣，通過電子壓力控制器（ⅤSOEP，美國Parker公司）控制色譜柱前壓以調節載氣流量。

1.4 系統控制模塊

呼氣分析系統控制模塊包括下位機和上位機，通信結構如圖2所示。

圖2.呼氣分析系統控制模塊通信結構圖

下位機以意法公司的高性能MCU芯片STM32H743ⅤIT6作為處理核心，主要用于數據通信傳輸、信號處理、CO2分壓檢測、氣泵驅動、溫度以及流量控制等操作。MCU與各個設備通過RS-485、RS-232和以太網等通信方式實現數據傳輸和控制。下位機采集并處理IMS信號后，在LCD屏幕上顯示，同時通過以太網將數據轉發給上位機。采樣泵通過輸入脈寬調制信號，改變占空比來調節電機轉速，實現抽氣流量的調整。

上位機軟件利用MFC編寫，具有譜圖實時顯示、譜圖回顯、數據保存、參數調節等功能。為實現對流量、溫度等參數的調控，設計控制界面，在對應文本框內輸入需要的數據，點擊確認按鈕即可實現氣體流量、GC和漂移管溫度的調節。軟件的主界面及控制界面如圖3所示。

圖3.呼氣分析系統上位機軟件界面（注：3a.主界面；3b.控制界面）

此外，在控制界面還有三個流程控制按鈕：主動進樣、清洗和直接進樣。其中“主動進樣”用于呼出氣體分析，“清洗”用于對采樣氣路的清潔，“直接進樣”主要用于實驗室標準樣品的測試。

2.試驗與驗證

2.1 系統檢測限測試

以呼出氣體中常見的氨為樣品測試呼氣分析系統檢測限。利用自動空氣源（A-10，北京中惠普分析技術研究所）產生潔凈空氣，通過兩臺數字質量流量計（CS200D，北京七星華創流量計有限公司）稀釋瓶裝氨標準氣體（5ppm，稀釋氣體為合成空氣，北京市華元氣體化工有限公司），配制不同濃度的氨樣品氣體保存于Tedlar儲氣袋（大連海得科技有限公司）備用。采用“直接進樣”模式進行檢測，每次檢測后進行2次清洗以消除管路吸附影響。

設定GC載氣流量為50mL/min，GC柱溫為40?C，利用呼氣分析系統檢測不同濃度氨氣，以氨特征離子峰強作為系統的響應，得到氨的響應-濃度曲線（圖4）。由圖可知，在100～250ppb濃度范圍內氨的特征峰強度與樣品具有較好的線性關系?；?倍噪聲計算出理論檢測限為2.04ppb，滿足人體呼氣中氨的檢測需求。每個濃度樣品重復10次測試，信號強度的相對標準偏差（RSD）<5%。

圖4.呼氣分析系統對氨的響應-濃度曲線

2.2 混合樣品氣體分析驗證

為方便起見以咖啡頂空氣為例進行呼氣分析系統混合樣品氣體分析驗證。室溫下，取15g咖啡粉末（藍山咖啡風味固體飲料，云南肆只貓實業有限公司）溶于50mL去離子水中，攪拌均勻后將溶液注射進已通入4L潔凈空氣的Tedlar氣袋中，靜置1h后采用“直接進樣”模式對咖啡頂空氣進行檢測。

以在GC-IMS譜圖中能夠分辨出的咖啡頂空氣各成分特征峰的個數作為評價分離效果的指標，在GC柱溫40?C下研究GC載氣流量對咖啡頂空氣分離效果的影響。試驗結果見表1?？梢钥闯?，當GC載氣流量為30mL/min時，咖啡頂空氣的分離效果最好。

表1.GC載氣流量對咖啡頂空氣分離效果的影響

此外，由表1可知，GC載氣流量較大時，物質的特征峰強度值更大。所以應根據實際樣品檢測需求，綜合考慮系統的檢測靈敏度和分離效果要求，調整GC載氣流量大小。

2.3 呼出氣體初步分析驗證

利用呼氣分析系統對健康受試者飲用咖啡前后的呼出氣體進行了初步分析檢測試驗，結果見圖5。其中，圖5a為飲用咖啡前呼出氣體的GC-IMS譜圖，圖5b為飲用咖啡（15g咖啡粉末用100mL開水沖泡）10min后呼出氣體的GC-IMS譜圖，對比二者可以看出，在漂移時間12.5ms處的峰強度差異明顯。

圖5.健康受試者飲用咖啡前后呼出氣體的GC-IMS譜圖

3.結論

本文針對現場呼氣分析的需求，以IMS作為檢測手段，設計呼氣采樣及GC預分離裝置，研制了基于GC-IMS的呼氣分析系統，實現呼出氣體中肺泡氣的采集和分析。利用呼氣分析系統對標準樣品氨進行檢測，基于3倍噪聲的理論檢出限為2.04ppb。研究了GC柱溫和載氣流量對咖啡頂空氣分離效果的影響，載氣流量為30mL/min時分離效果最佳。最后，利用人體呼出氣體對系統進行初步驗證，結果顯示系統在呼出氣體現場分析方面具有較好的應用前景。