专利名称：呼出气在线富集气相色谱快速检测方法
技术领域：
本发明涉及人体呼出气中痕量挥发性有机化合物的检测技术，特别是涉及以在线富集便携式气相色谱对呼出气中痕量挥发性有机化合物进行快速检测的方法。
背景技术：
近年来，我国以心脑血管疾病为代表的重大疾病呈现明显的快速上升趋势。当前对这些重大疾病防治的“瓶颈”是:对于疾病早期发现、早期诊断认识不够，缺乏早期诊断、预警监测的有效措施，以至于增加了病人及家庭的痛苦，影响了治愈率，也带来了巨大的经济损失。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020)提出:将疾病防治中心前移，研究预防和早期诊断的关键技术，显著提高重大疾病的诊断和防治能力。因此，研究重大疾病早期诊断与筛查的新 方法具有重大的战略意义。人体内很多疾病的产生都与呼出气中痕量挥发性有机化合物(volatile organiccompounds, VOCs)的变化有关。比如在疾病症状出现之前，人体内的氧化应激就会不同，相应的VOCs就会出现在呼出气中。已报道的VOCs包括异戊二烯、丙酮、以戊烷为代表的一系列烷烃等。这些VOCs广泛存在于不同的个体呼出气中，并且反映一定的人体生理及病理情况。由于人体新陈代谢的产物可以经由血液运送至肺部，通过气体交换进入肺泡而出现在呼出气中，近年来，呼出气检测作为一种了解人体生理代谢，特别是重大疾病早期诊断的新方法得到极大重视。与常规的血液检测方法相比，呼出气检测的最大好处就是对人体无损伤，只需采集病人的呼出气就能检测，病人舒适、无痛苦，更加人性化。而且呼出气的采样简单方便，可重复采集，便于病情的实时监测。而常规的血液采集，常常需要采集静脉血或指尖血样，采集次数过多，会给病人带来极大的痛苦，特别是老人、孕妇和小孩，也不便实时监测病情。人体呼出气主要由氮气、二氧化碳、氧气、水蒸气、惰性气体和痕量挥发性有机化合物(VOCs)组成。目前检测到的人体中VOCs多达几百种,其体积浓度范围在ppmv到pptv之间，主要有丙酮、异戊二烯、戊烷等。不同个体间的差异很大，但随着个体数量的增多，不同个体间共有的VOCs数量呈对数趋势减小，平均每个个体呼出气中的VOCs数量有200种左右。这些化合物包括烷烃、烯烃、醛酮类化合物、含硫化合物和含氮化合物等。它们都是人体代谢过程的产物，与个体健康状况密切相关。因此很多疾病研究开始关注呼出气中的VOCs0 Phillips (Phillips, Μ.2006)等研究发现，肺癌人群的呼出气中至少有9种VOCs的含量普遍高于正常人群，主要是烷烃及其衍生物，苯的衍生物。Sandra等(Sandra，V.V.2008)研究发现，肝癌病人的呼出气中，二甲基硫醚、丙酮、2-丁酮、2-戊酮的含量明显高于正常人。Phillips等(Phillips, Μ.2006)研究发现乳腺癌病人呼出气中有5种VOCs的含量明显高于正常人群，分别是异丙醇、苯基喹啉酮、甲基环己酮、庚醛和肉豆蘧酸异丙酯。现有的检测呼出气中VOCs的方法有很多。其中，依赖于气相色谱法建立的气相色谱-氢火焰检测法(GC-FID )和气相色谱-质谱方法(GC-MS )是检测呼出气中痕量VOCs的主要方法。这些检测方法的检测装置一般都包括载气系统、进样系统、色谱分离系统、检测器及数据处理系统这几部分，其中色谱分离柱需要有程序升温的能力。早期通常使用GC-FID来检测呼出气中的VOCs，虽然GC-FID分离及定量检测混合物有优势，但是其不能鉴别呼出气中未知的化合物。鉴于GC-FID定性能力的不足，研究人员将质谱检测技术结合到气相色谱方法中，得到气相色谱-质谱方法(GC-MS)。目前GC-MS方法已成为呼出气中VOCs分离检测的主要方法。但实施该方法的装置结构复杂，体积庞大，需要提供钢瓶气体作为载气和燃气，色谱柱温度调节依赖于大体积的箱体，不便于携带，且分析时间长，在需要现场即时、快速检测的场合中明显不适用。鉴于现有检测呼出气中VOCs方法存在的不足，实践需要开发新的呼出气中的VOCs检测方法，以实现实时在线检测呼出气中的痕量VOCs。
发明内容
针对现有呼出气中VOCs快速检测技术的现状，本发明的目的旨在提供一种新的呼出气中VOCs检测方法，以克服现有呼出气中VOCs检测方法实施装置存在的仪器结构复杂、体积庞大、价格昂贵、操作复杂、分析时间长、不能实现快速实时在线检测的不足。本发明提供的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，主要包括以下步骤:(I)将呼出气吹入呼出气体选择收集器，选择收集呼出气中的肺泡气体；(2)将选择收集到的肺泡气体送入预浓缩器，利用预浓缩器内的吸附剂吸附肺泡气中的VOCs，将废气排出；(3)加热预浓缩器，使富集在吸附剂上的VOCs脱附；(4)将微等离子体工作气通入微等离子体检测器，使微等离子体工作气在高电压下于放电室内形成微等离子体，该微等离子体由亚稳态的原子、离子、电子组成，整体呈电中性；·(5)用载气反吹扫预浓缩器内吸附剂，使热解析下来的VOCs随载气进入色谱分离柱，进行组分分离；(6)经色谱分离柱分离得到的VOCs组分气体随载气进入微等离子体检测器，上述VOCs组分气体分子进入微等离子体检测器放电室后被其中已有的高能量的亚稳态粒子(亚稳态的原子、离子、电子)激发，随后跃迁回基态发出特征光信号；(7)利用透镜将VOCs各组分分子跃迁发出的特征光信号聚焦耦合到光纤，由光纤传输到光谱仪进行检测，并通过电脑处理并存储数据，实现对呼出气中VOCs的快速检测。在本发明的上述呼出气快速检测方法中，所述肺泡气体为呼出气中排出死体积气后的呼出气；进一步地为呼出气中最后350ml的气体。在本发明的上述呼出气快速检测方法中，所述肺泡气体于预浓缩器内可经由一个由隔层和吸附剂构成的吸附段吸附固定肺泡气中的VOCs，也可经由两个以上的吸附段吸附固定肺泡气中的VOCs ;优先采用经由两个或两个以上的吸附段吸附固定肺泡气中的VOCs，构成各吸附段的吸附剂类型可以为相同的吸附剂，也可以为不同吸附强度的不同类型的吸附剂。优先采用不同类型的吸附剂。吸附剂具体可选用活性碳、蛭石粉、碳分子筛1000、石墨化炭黑等，它们具有价廉易得和吸附效果好的特点。构成吸附段的隔层，是用于将不同类型的吸附剂隔开并限定在预浓缩器内，一般为多孔隔热材质，优先采用玻璃棉。在本发明的上述呼出气快速检测方法中，肺泡气体中的VOCs于预浓缩器内一般采用通过物理吸附的方式固定在吸附剂表面上。作为VOCs载气和工作气的气体一般为惰性气体，具体可选用氩气、氦气或氮气，优先选用氩气。作为VOCs载气和工作气的气体源优先采用微型压缩气罐气体。在本发明的上述呼出气快速检测方法中，VOCs随载气进入色谱分离柱进行组分分离，其分离操作在常温下进行，通常在20 40°C下进行。在本发明的上述呼出气快速检测方法中，经色谱分离柱分离得到的VOCs各组分气体最好以脉冲的方式依次进入微等离子体检测器，即VOCs组分与载流气体相间的依次进入微等离子体检测器，VOCs各组分气体在微等离子体检测器放电室中被其中已有的高能量的亚稳态粒子(亚稳态的原子、离子、电子)激发，随后跃迁回基态发出特征光信号。实施本发明上述呼出气快速检测方法的在线富集气相色谱快速检测装置，其结构主要包括呼出气采集器、呼出气选择收集器、预浓缩器、呼出气输送泵、惰性气源、色谱分离柱、微等离子体检测器，以及透镜、光谱仪和电脑，呼出气输送泵设置在预浓缩器的前面或后面的管道上，预浓缩器前端接口通过控制阀分别与选择收集器出口和色谱分离柱的进气口连接，作为载气和工作气的气源通过管道和控制阀分别与预浓缩器后端接口和微型等离子体检测器上的工作气进口连接，在预浓缩器后端接口与惰性气源连接的管道上设置有废气排出口，色谱分离柱的柱尾插入微等离子体检测器待测样品气体进口，透镜与微等离子体检测器的放电室窗口对应设置，由透镜将VOCs各组分分子跃迁发出的特征光信号聚焦耦合到光纤，再由光纤传输到光谱仪进行检测处理，进而传输到电脑，由电脑处理并存储数据，实现对呼出气中VOCs的快速检测。在上述快速检测装置中，所述微等离子体检测器的外形尺寸不大于600μπι长X 500 μ m宽父50(^111高，总体积不大于1501^。由放电室和与放电室相连接的进样接头构成，放电室内设置有与直流电源相连接的2个放电电极，进样接头设计有待测气体进样接口和工作气接口。
在上述快速检测装置中，所述呼出气气体选择器由针筒、三通阀和集气室构成，三通阀的两个接口分别与针筒和集气室连接，另一接口空置，通过操作三通阀，使呼出气体中的死气体通过空置接口排空，使呼出气体中肺泡气体进入到预浓缩器。在上述快速检测装置中，所述预浓缩器由两端细中间粗的管壳、位于管壳内的吸附段、缠绕在管壳外的加热电阻丝和包裹在加热电阻丝外的隔热层构成。所述吸附段由吸附剂和将吸附剂限定在管壳内的隔层构成。所述加热电阻丝与直流电源连接。所述管壳的材质可以是石英玻璃、不锈钢或金属合金。在上述快速检测装置中，是通过输送泵控制气体选择器选择出的肺泡气体的流速，使肺泡气体可以缓慢均匀地流过预浓缩器。所述呼出气输送泵可以为压力输送泵，也可以为真空泵，当其为压力输送泵时，其设置在预浓缩器的前边，当其为真空泵时，其设置在预浓缩器的后边。优先采用真空泵。在上述快速检测装置中，可进一步考虑在连接色谱分离柱进气口与预浓缩器前端接口的管道上设置质量流量控制器，以控制流入色谱柱的气体流量；在连接微等离子体检测器工作气进口与惰性气源的管道上设置质量流量控制器，以控制流入微等离子体检测器的工作气流量。本发明提供的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，是先选择收集呼出气中的肺泡气体，再将肺泡气体中的VOCs富集在吸附剂上，最后通过脉冲进样的方式将热脱附下的VOCs快速吹入色谱分离柱，在常温下进行组分分离，分离后的组分气体直接从色谱分离柱中进入微等离子体检测器，组分气体分子在微等离子体检测器放电室中被其中已有的高能量的亚稳态粒子(亚稳态的原子、离子、电子)激发，随后跃迁回基态发出特征光信号，发出的特定光信号由透镜聚焦耦合到光纤再传输到光谱仪进行检测处理，并通过电脑显示出信号处理结果并存储数据，从而实现对呼出气中VOCs的快速检测。本发明创新性地将呼出气体选择器结合到检测装置中，通过一个简单的可拆卸针筒选择出肺泡气体，避免了通过测定呼出气中CO2浓度来收集肺泡气体的复杂方法。本发明对呼出气采用了在线富集脉冲进样的方法，能够实现快速采样进样。本发明使用常温色谱柱分离，避免了色谱柱升温，简化了装置，减少了能耗。此外，本发明利用微等离子体器作为检测器，简化了检测器的结构、降低了构造检测器的成本，减小了能耗。由于采用了以上一系列的技术措施，本发明具有以下突出特点:(I)VOCs组分分离用载气和微等离子体检测器的工作气均为同一种惰性气体，一气两用，减少了需要携带的气罐。(2)采用特别设计的呼出气选择收集器，能够快速简便地收集到呼出气中的肺泡气体，避免了死体积气体对呼出气的污染稀释，也避免了通过测定呼出气中CO2浓度来收集肺泡气体所带来的复杂操作，方法简单，有利于稳定重复地实现呼出气检测，因此能得到稳定可靠的检测结果。(3)将呼出气体选择、肺泡气预浓缩吸附、VOCs载气反吹扫有机结合，实现了 VOCs气体快速脉冲进样于色谱分离柱。(4)使用常温色谱柱分离呼出气中的VOCs，避免了色谱柱升温，减少了能耗，简化了色谱柱体系。(5)使用微等离子体检测器检测呼出气中V OCs，能耗小，并简化了检测器，降低了检测器成本。(6)装置体积小，可随身携带，实现了实时在线检测呼出气中的VOCs组分。
图1为本发明呼出气在线富集气相色谱快速检测方法实施装置的整体结构示意图。图2为图1局部A的放大图，其中图2-a为图1中预浓缩器3_1的轴向结构示意图；图2-b为预浓缩器3-1断面结构示意图。图3为图1局部B的放大图，其中图3-a为微等离子体检测器5-3结构示意图；图3-b为微型等离子体检测器与直流电源的连接示意图。图4为图1中呼出气气体选择器2的结构示意图。上述附图各图示标号标识对象分别为:1.呼出气吹嘴；1-1.吹气管路。2.呼出气体选择收集器；2-1.针筒'2-2.三通阀；2-3.集气室；2-4.排空管路。3-1.预浓缩器；3-1-1.石英玻璃管；3-1-2.玻璃棉隔层；3-1-3.吸附剂；3-1_4.吸附剂；3-1_5.吸附剂；3-1-6.绝热层；3-1-7加热电阻丝；3-2.直流电源。4.气源；4-1.气源管道；4_1_1.吹扫载气管道；4-1-2.工作气管道；4-1-1-1.肺泡气体输送管道；4-l-l-2.V0Cs载气输送管道。5-1.质量流量控制器；5-2.色谱分离柱；5-2-1.色谱分离柱柱尾；5-3.微等离子体检测器:5-3-1.放电室；5-3-2.放电电极；5-3-3.直流电源；5_3_4.工作气入口 ；5-3_5.电源连接线。5-4.质量流量控制器；6-1.透镜；6-2.光谱仪；6-3.电脑；6-4.光纤；7_1.三通阀、7-2.三通阀；7-3.三通阀；8.针阀；9.真空泵。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。实施例本实施例的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法如下:(I)通过作为呼出气采集器的呼出气吹嘴1，将呼出气吹入呼出气体选择收集器2，选择收集呼出气体排出死气体后的最后350ml的肺泡气体；(2)通过设置在预浓缩器后边的真空泵9将选择收集到的最后350ml的肺泡气体抽入到预浓缩器3-1，由不同吸附强度的吸附剂和隔层分别构成的3个吸附段吸附肺泡气体中的VOCs，使肺泡气体中的VOCs固定在吸附剂表面上，肺泡气中的VOCs被吸附后其余气体部分通过真空泵被排出；三个吸附段的吸附剂分别为活性碳、蛭石粉和碳分子筛1000，隔层的材质为玻璃棉； (3)对预浓缩器进行加热，使富集在吸附剂上的VOCs脱附；(4)将微等离子体工作气Ar气通入微等离子体检测器，使Ar气在高电压下于放电室内形成微等离子体，该微等离子体由亚稳态的原子、离子、电子组成，整体呈电中性；(5)以氩气作为VOCs载流气，反吹扫预浓缩器内吸附剂，使热解析下来的VOCs随载流气Ar气经质量流量计5-1进入色谱分离柱5-2，于25°C左右进行组分分离；(6)经色谱分离柱分离得到的VOCs各组分气体随氩气以脉冲的形式依次进入微等离子体检测器，上述VOCs组分气体分子进入微等离子体检测器放电室后被其中已有的高能量的亚稳态粒子(亚稳态的原子、离子、电子)激发，随后跃迁回基态发出特征光信号；(7)利用透镜6-1将VOCs各组分分子跃迁发出的特征光信号聚焦耦合到光纤，由光纤传输到光谱仪6-2进行检测处理，并通过电脑6-3处理并存储数据，实现对呼出气中VOCs的快速检测。本实施例呼出气在线富集气相色谱快速检测方法的实施装置，其结构如附图1至附图4所示，主要包括作为呼出气采集器的吹嘴1、呼出气体选择收集器2、预浓缩器3-1、真空泵9、氩气压缩气罐4、色谱分离柱5-2、微等离子体检测器5-3、透镜6-1、光谱仪6_2和电脑6-3。所述呼出气吹嘴I为测肺活量所用吹嘴，所述呼出气体选择收集器2由可拆卸聚四氟乙烯制针筒2-1、三通阀2-2、集气室2-3、空气管路2-4构成。所述呼出气体选择收集器2、预浓缩器3-1、真空泵9通过呼入气体管道4-1-1-1、氩气载流气管道4-1-1、旋转三通阀7-1和旋转三通阀7-2有序连接在一起；所述氩气压缩气罐4、预浓缩器3-1、色谱分离柱5-2、微型等离子体检测器5-3通过氩气压缩气管道4-1、三通阀7-3、针阀8、旋转三通阀7-2、氩气反吹扫载流气管道4-1-1、旋转三通阀7-1、质量流量计5-1、质量流量计5-4、氩气工作气管道4-1-2、VOCs载流气输送管道4-1-1-2有序连接在一起；所述微等离子体检测器5-3发出的光信号由所述透镜6-1聚焦,所述透镜6-1通过光纤6-4与光谱仪6_2连接,光谱仪6-2再与电脑6-3连接。采集呼出气时，呼出气体选择收集器2的针筒2-1拉杆拉到底后取下拉杆，之后将呼吸气吹嘴1、针筒2-1和排空接管2-4通过吹气管路1-1和三通阀2-2连通，通过控制三通阀使呼出气前面部分气体排放到空气中，将呼出气中最后的350ml肺泡气体留在针筒中，之后旋转三通阀2-2，使针筒2-1、集气室2-3连通在一起，取下针筒2-1上连接的吹气管路1-1，将与针筒2-1配套的拉杆旋上，将针筒2-1中的肺泡气体打入集气室2-3中。浓缩呼吸气中VOCs时，旋转三通阀2-2关闭2-2到集气室2_3的通路，旋动三通阀7-1和三通阀7-2，使集气室2-3、预浓缩器3-1、真空泵9连通，用真空泵9将集气室2-3中的肺泡气体进入到预浓缩器3-1，由预浓缩器管壳内的吸附剂吸附肺泡气体中的VOCs，其余废气从真空泵9处排出。吸附完成之后关闭真空泵9，旋动旋转三通阀7-1和7-2，使预浓缩器3-1只与色谱分离柱所在的载气管道4-1-1-2相通，打开直流电源3-2，加热预浓缩器3-1，热解析吸附剂表面吸附的VOCs。随后打开氩气压缩气罐4，作为微等离子体工作气的氩气经工作气管道4-1-2进入微等离子体检测器5-3，再打开直流电源5-3-3，在放电室5-3-1形成微等离子体室。检测呼吸气中VOCs时，确定预浓缩器3-1内吸附的VOCs脱附完毕就可以打开针阀8，使氩气压缩气罐4、预浓缩器3-1、色谱分离柱5-2、微等离子体检测器5-3相通，氩气压缩气罐4中的气体反向吹扫预浓缩器3-1，使脱附下来的VOCs随载流气流入色谱分离柱5-2分离，随后分离的组分气体进入微等离子体检测器5-3，VOCs组分分子被微等离子体检测器放电室中的亚稳态粒子激发，跃迁回基态发出的特征光信号，发出的光信号由透镜聚焦耦合到光纤再传输到光谱仪进行检测处理，并通过电脑显示出信号处理结果并 存储数据，据此实现对呼吸气中VOCs的快速检测。
权利要求
1.一种呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将呼出气吹入呼出气体选择收集器，选择收集呼出气中的肺泡气体； (2)将选择收集到的肺泡气体送入预浓缩器，利用预浓缩器内的吸附剂吸附肺泡气中的VOCs，将废气排出； (3)加热预浓缩器，使富集在吸附剂上的VOCs脱附； (4)将微等离子体工作气通入微等离子体检测器使微等离子体工作气在高电压下于放电室内形成微等离子体，该微等离子体由亚稳态的原子、离子、电子组成，整体呈电中性； (5)用载气反吹扫预浓缩器内吸附剂，使热解析下来的VOCs随载气进入色谱分离柱，进行组分分离； (6)经色谱分离柱分离得到的VOCs组分气体随载气进入微等离子体检测器，上述VOCs组分气体分子进入微等离子体检测器放电室后被其中已有的高能量的亚稳态粒子激发，随后跃迁回基态发出特征光信号； (7)利用透镜将VOCs各组分分子跃迁发出的特征光信号聚焦耦合到光纤，由光纤传输到光谱仪进行检测处理，并通过电脑处理并存储数据，实现对呼出气中VOCs的快速检测。
2.根据权利要求1所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述气体选择收集器选择收集到的肺泡气体为呼出气中排出死体积气后的呼出气。
3.根据权利要求2所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述气体选择收集器选择收集到的肺泡气体为呼出气中最后350ml的气体。
4.根据权利要求1所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述肺泡气体于预浓缩器内经至少一段由隔层和吸附剂构成的吸附段吸附固定肺泡气中的VOCs。
5.根据权利要求4所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于若预浓缩器内有含两段以上的吸附段，则各吸附段的吸附剂类型不同。
6.根据权利要求5所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述肺泡气体于预浓缩器内通过物理吸附的方式将VOCs固定在吸附剂表面上。
7.根据权利要求1至6之一所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述作为VOCs载气和工作气的气体为氩气、氦气或氮气。
8.根据权利要求7所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述作为VOCs载气和工作气的气体源为压缩气罐气体。
9.根据权利要求1至6之一所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于所述VOCs随载气进入色谱分离柱进行组分分离的操作温度为20 40°C。
10.根据权利要求1至6之一所述的呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，其特征在于经色谱分离柱 分离得到的VOCs各组分气体以脉冲的方式依次进入微等离子体检测器，VOCs各组分气体在微等离子体检测器中被高能量的亚稳态粒子激发，跃迁回基态发出特征光信号。
全文摘要
本发明公开了一种呼出气在线富集气相色谱快速检测方法，主要包括利用呼出气体选择收集器收集呼出气中的肺泡气体；利用预浓缩器吸附肺泡气中的VOCs；加热预浓缩器使富集在吸附剂上的VOCs脱附，以载气反吹扫预浓缩器使热解析下来的VOCs随载气进入色谱分离柱进行分离；经分离得到的VOCs组分气体随载气进入微等离子体检测器。上述VOCs组分气体分子进入微等离子体检测器放电室后被其中已有的高能量的亚稳态粒子激发，之后跃迁回基态发出特征光信号；利用透镜将VOCs各组分分子跃迁发出的特征光信号聚焦耦合到光纤，由光纤传输到光谱仪进行检测，并通过电脑处理并存储数据，实现对呼出气中VOCs的快速检测。采用本发明的方法可以实时在线监测呼出气的组分。
文档编号G01N30/02GK103245743SQ20131016924
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月9日 优先权日2013年5月9日
发明者段忆翔, 刘勇, 须明君 申请人:四川大学