基于气相色谱-离子迁移谱的呼气分析系统研制

吴良杰 贾建 何秀丽 高晓光*

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）

内容提要：人体呼出气体，特别是肺泡气中包含多种痕量挥发性有机化合物，可反映人体代谢及健康情况。文章针对现场呼气分析的需求，设计呼气采样及气相色谱预分离装置，研制基于气相色谱-离子迁移谱的呼气分析系统，实现了呼出气体中肺泡气的采集和分析。系统对氨的理论检出限为2.04ppb，以咖啡顶空气为例实现其混合成分的快速分析。该系统在呼出气体现场分析方面具有较好的应用前景。

呼出气体中含有多达上千种痕量挥发性有机化合物[1]。研究发现呼出气体中这些痕量成分携带大量的生理及病理信息[2]。作为一种简便的无创检测方法，呼出气体分析逐渐成为传统血检、尿检的补充，已有多种方法用于呼出气体中痕量成分的分析[3]。在各种呼气分析方法中，离子迁移谱技术基于气相中不同离子在电场中的漂移差异实现离子的分离检测，具有灵敏度高、检测速度快以及仪器体积小、成本低等优点，在呼出气体分析方面发挥了越来越重要的作用[4,5]。但因离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS）检测时首先必须使样品电离形成离子，而混合物样品电离过程中存在离子竞争问题，导致直接利用IMS分析呼出气体等复杂样品存在困难，通常需在IMS前端采用气相色谱（Gas Chromatogram，GC）或多束毛细管柱对混合样品进行预分离[6,7]。

人体呼出气体包括上呼吸道中的死腔气和来自肺泡深处的肺泡气，其中肺泡气含有携带人体生理信息的内源性挥发性有机化合物[8]。死腔气和肺泡气混合得到的呼出气体，其内源性挥发性有机化合物浓度是原来的一半甚至更低，对呼气分析系统的灵敏度要求很高[9]。只采集肺泡气进行分析有助于提高检测灵敏度，但对采样装置提出了一些新的要求[10,11]。

本文在已有的IMS装置基础上，针对呼气分析需求，研究肺泡气采样方法及混合样品的GC预分离方法，研制基于气相色谱-离子迁移谱（Gas Chromatogram-Ion Mobility Spectrometry，GC-IMS）的呼气分析系统，并在实验室环境下检验该系统的性能。

1.呼气分析系统

1.1 系统结构

所设计的呼气分析系统（见图1）基于GC-IMS原理，主要包括肺泡气采集、GC预分离及IMS检测三个模块。其中IMS检测模块以实验室已有的电晕放电离化IMS为核心，其漂移管由不锈钢环和聚四氟乙烯环堆叠而成，漂移电场约425V/cm，工作温度保持为180˚C[12]。IMS漂移气采用电子压力控制器EPC及气阻控制，设定漂移气流量为1L/min。IMS检测模块的漂移管温度控制、离子门控制、离子流检测以及漂移气体流量调节等均由呼气分析系统控制模块完成。

图1.呼气分析系统结构示意图

1.2 肺泡气采集模块

肺泡气采集部分由CO2传感器、六通阀、采样泵等组成，其功能是将肺泡气采集到六通阀的定量环中。理论上请受试者通过吹嘴、气路向六通阀定量环直接持续吹气，多余废气从六通阀废气口排出即可将呼气末的肺泡气保留在六通阀定量环中，但实际上由于六通阀定量环及气路气阻很大，普通受试者无法靠自主呼气将肺泡气吹入六通阀定量环。本文采用主动进样方式，利用呼出气体中CO2分压差异区分死腔气和肺泡气，并采用采样泵将肺泡气抽入六通阀的定量环内。为避免呼出气体中水汽影响，整个肺泡气采集部分的气路及六通阀等均保持40˚C以上。

1.3 GC预分离模块

GC预分离模块实现肺泡气混合样品的预分离，主要由色谱恒温箱、色谱柱及相应的载气流量控制装置组成。色谱恒温箱整体尺寸为286mm×236mm×91mm，由内部贴有保温材料的有机玻璃板构成。加热盘采用高热导率的铝合金制成，标准7英寸及5英寸毛细管色谱柱架均可置于加热盘内，便于本装置使用各种标准的商品化毛细管色谱柱。由于呼气中的挥发性有机化合物大多是非极性或弱极性分子，所以色谱柱选用Agilent公司生产的DB-5型毛细管柱（15m×0.53mm）。采用商品化的智能温度控制器（AI-7028E，厦门宇电科技有限公司），以铂电阻作为测温元件，通过SSR固态继电器控制加热组件，实现对GC柱温的精确控制。

GC模块采用氮气为载气，通过电子压力控制器（ⅤSOEP，美国Parker公司）控制色谱柱前压以调节载气流量。

1.4 系统控制模块

呼气分析系统控制模块包括下位机和上位机，通信结构如图2所示。

图2.呼气分析系统控制模块通信结构图

下位机以意法公司的高性能MCU芯片STM32H743ⅤIT6作为处理核心，主要用于数据通信传输、信号处理、CO2分压检测、气泵驱动、温度以及流量控制等操作。MCU与各个设备通过RS-485、RS-232和以太网等通信方式实现数据传输和控制。下位机采集并处理IMS信号后，在LCD屏幕上显示，同时通过以太网将数据转发给上位机。采样泵通过输入脉宽调制信号，改变占空比来调节电机转速，实现抽气流量的调整。

上位机软件利用MFC编写，具有谱图实时显示、谱图回显、数据保存、参数调节等功能。为实现对流量、温度等参数的调控，设计控制界面，在对应文本框内输入需要的数据，点击确认按钮即可实现气体流量、GC和漂移管温度的调节。软件的主界面及控制界面如图3所示。

图3.呼气分析系统上位机软件界面（注：3a.主界面；3b.控制界面）

此外，在控制界面还有三个流程控制按钮：主动进样、清洗和直接进样。其中“主动进样”用于呼出气体分析，“清洗”用于对采样气路的清洁，“直接进样”主要用于实验室标准样品的测试。

2.试验与验证

2.1 系统检测限测试

以呼出气体中常见的氨为样品测试呼气分析系统检测限。利用自动空气源（A-10，北京中惠普分析技术研究所）产生洁净空气，通过两台数字质量流量计（CS200D，北京七星华创流量计有限公司）稀释瓶装氨标准气体（5ppm，稀释气体为合成空气，北京市华元气体化工有限公司），配制不同浓度的氨样品气体保存于Tedlar储气袋（大连海得科技有限公司）备用。采用“直接进样”模式进行检测，每次检测后进行2次清洗以消除管路吸附影响。

设定GC载气流量为50mL/min，GC柱温为40˚C，利用呼气分析系统检测不同浓度氨气，以氨特征离子峰强作为系统的响应，得到氨的响应-浓度曲线（图4）。由图可知，在100～250ppb浓度范围内氨的特征峰强度与样品具有较好的线性关系。基于3倍噪声计算出理论检测限为2.04ppb，满足人体呼气中氨的检测需求。每个浓度样品重复10次测试，信号强度的相对标准偏差（RSD）<5%。

图4.呼气分析系统对氨的响应-浓度曲线

2.2 混合样品气体分析验证

为方便起见以咖啡顶空气为例进行呼气分析系统混合样品气体分析验证。室温下，取15g咖啡粉末（蓝山咖啡风味固体饮料，云南肆只猫实业有限公司）溶于50mL去离子水中，搅拌均匀后将溶液注射进已通入4L洁净空气的Tedlar气袋中，静置1h后采用“直接进样”模式对咖啡顶空气进行检测。

以在GC-IMS谱图中能够分辨出的咖啡顶空气各成分特征峰的个数作为评价分离效果的指标，在GC柱温40˚C下研究GC载气流量对咖啡顶空气分离效果的影响。试验结果见表1。可以看出，当GC载气流量为30mL/min时，咖啡顶空气的分离效果最好。

表1.GC载气流量对咖啡顶空气分离效果的影响

此外，由表1可知，GC载气流量较大时，物质的特征峰强度值更大。所以应根据实际样品检测需求，综合考虑系统的检测灵敏度和分离效果要求，调整GC载气流量大小。

2.3 呼出气体初步分析验证

利用呼气分析系统对健康受试者饮用咖啡前后的呼出气体进行了初步分析检测试验，结果见图5。其中，图5a为饮用咖啡前呼出气体的GC-IMS谱图，图5b为饮用咖啡（15g咖啡粉末用100mL开水冲泡）10min后呼出气体的GC-IMS谱图，对比二者可以看出，在漂移时间12.5ms处的峰强度差异明显。

图5.健康受试者饮用咖啡前后呼出气体的GC-IMS谱图

3.结论

本文针对现场呼气分析的需求，以IMS作为检测手段，设计呼气采样及GC预分离装置，研制了基于GC-IMS的呼气分析系统，实现呼出气体中肺泡气的采集和分析。利用呼气分析系统对标准样品氨进行检测，基于3倍噪声的理论检出限为2.04ppb。研究了GC柱温和载气流量对咖啡顶空气分离效果的影响，载气流量为30mL/min时分离效果最佳。最后，利用人体呼出气体对系统进行初步验证，结果显示系统在呼出气体现场分析方面具有较好的应用前景。