基于GC-IMS的呼出气体中三甲胺检测方法研究

2020-12-28 03:44莫寒以高晓光何秀丽李建平
分析仪器 2020年6期
关键词:信号强度离子气体

莫寒以 高晓光 贾 建 何秀丽* 李建平

(1.中国科学院空天信息创新研究院 传感技术国家重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049)

关键字:慢性肾病 呼出气体 三甲胺 气相色谱-离子迁移谱

慢性肾病(Chronic Kidney Disease, CKD)发病率高、预后差,已成为全球性的公共卫生问题。三甲胺(Trimethylamine,TMA)仅在CKD患者呼出气体中检出,是一种极有潜力的标志物[1]。呼出气体成分复杂、水汽含量高,待测物质浓度低,检测难度大。开发一种准确、快速、便携、操作简单的呼出气体中TMA检测系统,对CKD早筛、病情监测具有重要意义。

国内外开展了多项针对呼出气体检测的研究,主要包括气相色谱-质谱联用方法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)[1,2]、电子鼻技术[3]、多束毛细管柱/气相色谱-离子迁移谱联用方法(Multi Capillary Column/Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry, MCC/GC-IMS)[4-6]。GC-MS方法检测精确,能得到丰富的样品信息,但需要富集等预处理工作,操作复杂,耗时长。且MS工作在真空条件下,仪器体积较大,床边监测与大规模普及存在困难。电子鼻体积小成本低,可以实现现场快速检测,但易受环境影响,难以抵抗湿度干扰[7]。

IMS根据不同离子在均匀电场中迁移速度的差异来对物质进行分离检测[8]。IMS灵敏度高,检出限低至10-3mg/m3量级,可对呼出气体中痕量物质进行检测。且其工作在大气压下,相对质谱结构简单,易于便携化,操作方便。使用IMS对呼出气体进行检测成为了一个研究热点,先后出现了许多相关报道。IMS常与MCC或GC联用对呼出气体中的多种物质进行分离,减少复杂环境对检测的影响,提高检测能力。有报道采用上述联用方法进行肺部感染[5]、恶性胸膜间皮瘤[9]、呼吸道感染等疾病的检测[10]。

目前已有将IMS技术用于TMA检测的报道。Gheorghe等人使用IMS检测鸡肉中挥发的TMA浓度,判断肉类的腐败程度[11]。李海洋等人使用光致电离IMS对TMA标准样品进行检测,检出限低至2.64*10-3mg/m3[12]。Mäkinen等人研究了湿度对TMA检测的影响,结果表明,湿度会对TMA的IMS谱峰位置及峰的形状有明显影响[13],导致出现定性不准的现象。呼出气体中含有大量水汽,受TMA易吸附、易溶于水的特性及复杂基质的影响,基于IMS技术呼出气体TMA检测的难度较大,相关报道较少[14]。前期实验中发现,在空气作为载气的情况下,TMA产物离子峰与反应物离子峰位置接近,故使用IMS对呼出气体中的TMA进行检测仍然存在困难。本研究针对目前IMS在TMA检测中存在的问题,搭建GC-IMS联用系统,研究系统参数对检测的影响。通过掺杂及GC预分离消除复杂基质对TMA检测的干扰,实现TMA高灵敏度、快速检测,并探讨系统对实际样本中TMA检测的可行性。

1 实验

1.1 实验试剂

TMA标准气体(26.4mg/m3,稀释气体为氮气,光明特种气体有限公司);氨基甲酸铵(Fluka,分析纯);四丁基溴化铵(国药集团化学试剂有限公司,分析纯)。

1.2 GC-IMS系统

GC-IMS系统结构如图1所示,系统由GC与IMS两部分构成。GC部分包括长15m、直径0.535 mm、膜厚1.5 μm的DB-5气相色谱柱(安捷伦科技有限公司,美国),以及恒温40℃的平面六通切换阀(创导科学仪器有限公司,中国)。5mL定量环与气体导管均为直径1/16英寸的聚四氟乙烯管。

图1 GC-IMS系统结构示意图

IMS为实验室自制,主要由漂移管、电离源、外部电路组成。其核心为漂移管,由聚四氟乙烯环与不锈钢环交替堆叠而成,被离子栅门分隔为离化区与漂移区。IMS前端安装有圆柱形聚四氟乙烯塞,其上有4个通孔,3个通孔用于排出漂移气,1个通孔用于固定进样导管,将样品气导入离化区。从法拉第盘后端引入漂移气,漂移气与载气均选用经活性炭、硅胶、分子筛过滤后的洁净空气,保证漂移管的洁净。将渗透管放置于过滤器中,掺杂剂随着漂移气到达离化区,生成反应离子。样品与反应离子发生分子-离子反应,生成的产物离子在漂移电场的作用下到达法拉第盘,该离子流信号经处理后显示到计算机。

电晕放电IMS一般选用金属针作为放电针,样品通过单独导管送入离化区。该结构进样流量大,有助于提高检测灵敏度。但金属针容易氧化,长时间使用尖端钝化影响放电特性。实验对常用放电和进样结构进行了改进:选用内径为0.4mm的空心金属管做进样导管,在导管前端焊接一细铂丝作为电晕放电针,实现了放电和进样一体化结构。该结构中样品在导管出口处被电离,减小了漂移气对样品的稀释作用,更适用于IMS与GC联用时的小流量进样。

GC-IMS系统主要参数如表1所示。

表1 GC-IMS系统主要参数

1.3 样品配制

实验需要用到低浓度TMA标准样品以及呼出气体TMA加标样品。TMA易吸附、易溶解于水,静态配气会带来较大的浓度误差。利用实验室现有的配气装置,采用动态配气方法配制不同浓度的标准样品[15]。动态配气装置如图2(a)所示,采用两级稀释法配制样品。流量计1控制压缩空气流量,流量计2控制标准气体流量,两路气体混合后形成第一级稀释气体。流量计3控制压缩空气流量,流量计4控制第一级稀释气体流量,背压阀释放多余气体,两路气体混合后得到第二级稀释气体。

呼出气体TMA加标样品配制装置如图2(b)所示。恒温40℃的玻璃注射器采集50 mL呼出气体,注射泵(哈佛生物科学有限公司,美国)控制呼出气体流量。流量计控制TMA标准气体流量,两路气体混合后形成加标样品。注射泵流量设定为99.5 mL/min,TMA标准气体流量设定为0.5 mL/min,混合后得到TMA浓度为1.32*10-1mg/m3的加标样品。呼出气体经过的所有管道均加热恒温40℃。

图2 配气装置示意图

呼出气体是由肺泡气与残留在呼吸道死区中的环境气体组成,因为肺泡气中挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)的浓度约为混合呼气中的3倍[16],所以选用肺泡气作为呼出气体分析的样品。肺泡气体采集过程如下:将活塞与针筒分离,手握针筒,深吸气后从针头固定端向活塞开口端吹气,直到完成一次深呼吸。呼出气体前段排出,呼气末塞紧活塞,确保采集到肺 泡气。

2 结果与讨论

GC-IMS系统检测结果为二维谱图:横坐标为漂移时间,表示不同物质在IMS漂移电场中的飞行时间;纵坐标为保留时间,表示不同物质在GC柱中的停留时间。选取二维谱图中产物离子峰强度最大时保留时间对应IMS谱图来做下列讨论。

2.1 掺杂对TMA检测的影响

使用上述系统对浓度为2.64*10-1mg/m3的TMA标准样品进行检测。漂移气为无掺杂剂的洁净空气,漂移管工作温度为180℃,放电电压为9 kV。系统空白谱图与TMA谱图如图3所示。图中峰3对应的是反应离子H+(H2O)n,峰1与峰2分别对应(NH4)+(H2O)n和(NO)+(H2O)n。TMA谱图中紧贴H+(H2O)n处出现了离子峰4,推测该峰为TMA产物离子峰,但由于其与反应物离子峰基本重合,因此无法实现TMA的检测。

图3 未掺杂时IMS空白谱图及TMA谱图

为消除反应物离子峰H+(H2O)n对TMA产物离子峰的干扰,可使用掺杂方式抑制水的电离[12]。TMA和水的质子亲和势分别为948.9 kJ/mol和691 kJ/mol,所以选用质子亲和势为853.6kJ/mol的氨作为掺杂剂[17],既抑制了水的电离,又不影响TMA的检测。氨掺杂下的空白谱与1.32*10-1mg/m3TMA谱图如图4所示。空白谱中仅有一个反应物离子峰NH4+(H2O)n,水合质子峰消失,水的电离受到抑制。观察TMA检测谱图,氨掺杂时谱图中仅出现一个产物离子峰,该峰有较高的信号强度。对浓度为1.32*10-1mg/m3与2.64*10-1mg/m3标准样品进行检测,该峰信号强度分别为0.207与0.355,证明了其强度随TMA浓度升高而增强,所以此峰即为TMA特征离子峰。TMA特征离子峰的漂移时间约为9.2ms,约化迁移率可由公式1计算得到:

图4 氨掺杂时IMS空白谱图及TMA谱图

(1)

其中,K与Kstd分别为待测物和标定物的约化迁移率,t与tstd分别为待测物和标定物的漂移时间。使用四丁基溴化铵作为标定物,其约化迁移率为1.33cm2/(V?s)[18]。通过计算得到TMA约化迁移率约为2.25/(V?s),与文献报道TMA单体约化迁移率相符[13]。

实验验证氨掺杂对呼出气体检测的效果。用注射泵将呼出气体以40 mL/min送入系统进行检测,结果如图5所示。呼出气体中含有多种VOC,在无掺杂剂时,谱图中出现了多个高强度的产物离子峰,影响TMA的检测。由于掺杂剂的存在,呼出气体中VOCs电离受到抑制,所以氨掺杂时得到的谱图中仅出现少量低强度产物离子峰,有利于实现呼出气体中TMA的检测。因此,后续实验均在氨掺杂情况下进行。

图5 呼出气体IMS谱图

2.2 漂移管温度与放电电压的选择

呼出气体含有丰富的水汽和VOCs,温度过低水汽易凝结,其中氨、丙酮等物质具有较高的浓度[5,19],容易在漂移管内残留引入污染,所以IMS需要工作在较高温度下。IMS系统允许工作温度低于190℃,在140~190℃范围内,以10℃为间隔对浓度为1.32*10-1mg/m3的TMA标准样品进行检测,以选择合适的漂移管工作温度。不同漂移管温度下的TMA谱图如图6所示,其中放电电压为9 kV。由于迁移率与温度成正相关,当温度升高时,产物离子峰与反应物离子峰均左移。

图6 不同漂移管温度下的TMA谱图

图7是TMA特征离子峰信号强度与温度关系曲线。在漂移管温度为180℃时,TMA特征离子峰有最高的信号强度,所以漂移管温度设定为180℃。

图7 TMA特征离子峰信号强度-温度关系

电晕放电的起始放电电压约为8.8 kV,在8.8~9.7 kV区间以100 V为间隔对浓度为1.32*10-1mg/m3的TMA标准样品进行检测。图8为TMA特征离子峰信号强度与放电电压关系曲线。从图中可以看到放电电压越高,信号强度越小。

图8 TMA特征离子峰信号强度-放电电压关系曲线

通常情况下,放电电压越高,放电越剧烈,在一定范围内离子峰信号强度随电压升高而增强。图8中没有出现上升趋势可能是因为TMA化学性质活泼,在放电过程中形成TMA碎片。随着放电电压升高,会有更多的TMA碎片形成,因此被电离的TMA分子减少,特征离子峰的信号强度降低。

为保证放电的稳定性,同时得到较大的信号强度,选择放电电压为9 kV。

2.3 TMA标准样品检测

选用氨进行掺杂,在漂移管温度为180℃、放电电压设定为9 kV时,对不同浓度TMA标准样品进行测试,每个浓度重复测试5次,得到浓度响应曲线如图9所示。TMA理论检出限(3倍信噪比)1.21*10-3mg/m3,检测线性范围1.32*10-2~2.64*10-1mg/m3,R2=0.9933,RSD最大值2.4%、平均值1.3%。TMA在CKD患者呼出气体中浓度为4.65*10-3~1.0*10-1mg/m3[1],系统满足检测要求。

图9 TMA浓度响应曲线

2.4 呼出气体TMA加标检测

为验证系统在复杂基质下对TMA的检测能力,进行了呼出气体TMA加标检测。TMA加标浓度为1.32*10-1mg/m3,测试得到的GC-IMS谱图如图10(a)所示。图中出现了4个产物离子峰,其中峰1为TMA的特征离子峰。从GC保留时间上看,峰1-4对应的4种物质保留时间分别约为17.0 s、13.5 s、13.1 s及20.1 s。TMA有拖尾现象,但特征离子峰最高值出现时间与其他3种物质不同,GC在一定程度上实现了TMA与呼出气体中其它物质的分离。

图10(b)为加标样品中TMA特征离子峰信号强度最高时IMS谱图与同浓度TMA标准样品谱图。两图中TMA谱峰位置无变化,3次检测计算呼出气体TMA加标回收率为93.6%。实验结果表明,GC-IMS系统中GC的预分离减小了呼出气体中其它VOCs对TMA检测的干扰,从一定程度上减小了由于离子竞争而导致的IMS定量检测不准的问题,具有较好的呼出气体检测应用前景。

图10 TMA的GC-IMS谱图

3 结论

开展了基于气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)的呼出气体TMA检测方法研究。针对IMS与GC联用的小流量进样需求设计了放电进样一体化结构。采用氨掺杂的方法避免了反应物离子峰对TMA特征离子峰的干扰,同时抑制了呼出气体复杂基质的影响。系统对TMA检测灵敏度高,检出限为1.21*10-3mg/m3,在TMA浓度为1.32*10-2~2.64*10-1mg/m3时具有良好的线性,满足CKD患者呼出气体中TMA检测需求。通过呼出气体TMA加标检测,验证了系统在复杂基质下对TMA检测的抗干扰能力。基于GC-IMS的呼出气体中TMA检测方法灵敏度高、检测速度快、抗干扰能力好,在CKD早筛及病情监测方面具有较好的应用前景。

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