一种用于直接质谱法检测的呼出气采样装置及采样方法与流程

本发明属于呼出气体直接质谱分析领域，涉及一种用于呼出气体直接质谱法检测的采样装置及采样方法。该装置可对呼出末端气体进行快速有效的除湿，除湿后的样品用于直接质谱分析。通过该装置，可获得不同湿度的末端呼出气体，用于研究湿度对直接质谱法测试呼出气的影响。

背景技术：

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。研究报道，部分物质与机体的代谢和病理有关，一些物质甚至可能成为某种疾病的生物标记物，如：甲醛是肺癌的标志物之一；氨含量异常反应了肾功能的衰竭等；因此对呼出气体中小分子物质进行检测有望成为一种新型临床辅助诊断手段。

可靠的采样方法是分析成功的重要保证。人体每一次的呼出过程，开始呼出的气体会被从肺泡到采样装置间的死体积稀释，随着呼出过程的进行，呼出气体的浓度逐渐接近肺泡浓度，最后一部分呼出气体称之为末端气体，是机体新陈代谢的结果。为了得到接近真实肺泡浓度的末端气体，需要对采样装置进行合理地结构设计和实验操作。

呼出气的检测方法有气相色谱-质谱，激光光谱，传感器，离子迁移谱、以及直接质谱技术等。各种方法各有其优缺点，气相色谱-质谱技术，需要对呼出气样品进行离线采集，前处理等步骤，可能造成样品的丢失或者变质。因而对呼出气体进行实时在线分析检测的方法，优点更加突出。高灵敏的质谱技术以其可以直接获得待测物的分子量信息进行在线的定性定量分析，脱颖而出，成为研究热点。如何获得高浓度的末端呼出气体是实时直接质谱采样时关注的重点和难点。

人体呼出气的相对湿度达到100％(37℃)，湿度对呼出气的测试影响巨大。一方面，高含量的水汽影响分析仪器的重要部件，如损坏电子轰击电离源的灯丝和气相色谱的柱子；另一方面，高湿度的水汽会使分析检测过程变得更复杂，如降低离子迁移谱的检测灵敏度，改变待测物质的形态和电离机理，严重影响定性和定量分析结果。不同仪器，不同分析方法受湿度的影响不同，应用于呼出气测试前需要探究湿度的影响。呼出气本身湿度高达100％(37℃)，有效的除湿水段可以控制样品被除湿至不同的程度，以探究湿度对测试的影响。此外，有效的除湿水段，仅仅除去呼出气中的水分，可以尽量避免待测物的损失。

半导体制冷基于珀耳帖冷却作用，根据物质的液化温度或冷凝点的差异，实现复杂基质中目标物质与水的分离。相对于其他除湿方式，如nafion管除湿，吸附剂除湿等，半导体冷却除湿作用温和，待测物基本不损失。此外，半导体除湿是一种可调湿度的除湿作用，通过调节半导体制冷片的温度，实现待测样品不同程度的除湿，如100％除湿，40％除湿，20％除湿等；样品气体除湿后获得不同湿度，有利于研究湿度对分析检测的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于直接质谱法检测的呼出气采样装置及采样方法，为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

用于直接质谱法检测的呼出气采样装置的主体为一个缓冲样品池，其为密闭容器，其上设有呼出气进口(a)、呼出气出口(b)、质谱进样口(c)、测温元件插入口(d)；呼出气进口(a)与一次性的无菌吹气嘴的出口端相连；呼出气出口(b)连通大气；质谱进样口(c)与质谱相连，测温元件通过测温元件插入口(d)插入缓冲样品池中，测温元件用于感知缓冲样品池的内部温度；于缓冲样品池外壁面上设有半导体制冷片，半导体制冷片的冷面贴靠于缓冲样品池的外壁上；于半导体制冷片的热面上贴接有风冷散热器；半导体制冷片、风冷散热器和测温元件均通过导线经温度控制器与外电源相连。缓冲样品池内体积的设置为50-100ml，综合考虑质谱进样系统的进样流量和人体末端气体含量，尽可能获得最优的进样量和最多的末端气体。

此呼出气制冷采样装置除湿过程快速，单次呼出结束(10s)后，相对湿度100％(37℃)的呼出气体湿度被降到指定的目标相对湿度；目标相对湿度为具体的实验需求，在0％-90％之间。目标相对湿度由温度控制器设定的冷却温度决定，冷却温度越低，目标相对湿度越低，除湿效果越好。

采用此装置的呼出气采样方法，测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出气体进入缓冲样品池，在测试者呼出的过程中，通过温度控制器控制半导体制冷片的制冷温度和风冷散热器的工作，使缓冲样品池内的呼出气体湿度降低；呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。为了保证测试者吹气时没有任何阻力，呼出气进口(a)内径6-10mm，呼出气出口(b)内径4-8mm，且呼出气进口(a)内径比呼出气出口(b)内径大2-4mm。

本发明的优点

1)该装置集采样和进样于一体，操作简单，方便快捷

2)该装置除湿过程快速，呼出过程结束后，缓冲样品池内的缓冲样品即被除湿到指定湿度

3)该装置除湿程度可调，可获得不同湿度的样品

4)该装置应用于呼出气体分析领域，可以实现末端呼出气体的直接质谱法在线采样

5)该装置通过半导体制冷方式，最大程度的减少了除湿过程中样品的损失

附图说明

图1为本发明的一种用于直接质谱法检测的呼出气采样装置及采样方法的示意图。

其中：1-缓冲样品池；2-半导体制冷片；3-风冷散热器；4-测温元件；5-温度控制器；6-一次性无菌吹气嘴；7-质谱；a-呼出气进口；b-呼出气出口；c-质谱进样口；d-测温元件入口；

图2为四个实施案例获得的谱图。

具体实施方式

该装置示意图如图1所示：用于直接质谱法检测的呼出气采样装置的主体为一个缓冲样品池，其为密闭容器，其上设有呼出气进口(a)、呼出气出口(b)、质谱进样口(c)、测温元件插入口(d)；呼出气进口(a)与一次性的无菌吹气嘴的出口端相连；呼出气出口(b)连通大气；质谱进样口(c)与质谱相连，测温元件通过测温元件插入口(d)插入缓冲样品池中，测温元件用于感知缓冲样品池的内部温度；于缓冲样品池外壁面上设有半导体制冷片，半导体制冷片的冷面贴靠于缓冲样品池的外壁上；于半导体制冷片的热面上贴接有风冷散热器；半导体制冷片、风冷散热器和测温元件均通过导线经温度控制器与外电源相连。缓冲样品池内体积的设置为50-100ml，综合考虑质谱进样系统的进样流量和人体末端气体含量，尽可能获得最优的进样量和最多的末端气体。缓冲样品池是3d打印出来的，成本低。采用此装置的呼出气采样方法，其特征在于：测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出气体进入缓冲样品池，在测试者呼出的过程中，通过温度控制器控制半导体制冷片的制冷温度和风冷散热器的工作，使缓冲样品池内的呼出气体湿度降低；呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。为了保证测试者吹气时没有任何阻力，呼出气进口(a)内径6-10mm，呼出气出口(b)内径4-8mm，且呼出气进口(a)内径比呼出气出口(b)内径大2-4mm。

此呼出气制冷采样装置除湿过程快速，单次呼出结束(10s)后，相对湿度100％(37℃)的呼出气体湿度被降到指定的目标相对湿度；目标相对湿度为具体的实验需求，在0％-90％之间。目标相对湿度由温度控制器设定的冷却温度决定，冷却温度越低，目标相对湿度越低，除湿效果越好。

图2四个实施案例获得的谱图。

实施例1

不设置制冷温度控制器，此时半导体制冷片和风冷散热器均不工作。测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。在质谱进样口c和质谱之间的管路上连接有湿度计，从湿度计上可读出，此种条件下缓冲样品池内样品的相对湿度为100％(37℃)。质谱采集得到没有经过制冷除湿后的谱图，命名为“制冷未开-100％rh”rh是相对湿度的缩写。

实施例2

设置制冷温度控制器为20度，此时半导体制冷片和风冷散热器工作。测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。在质谱进样口c和质谱之间的管路上连接有湿度计，从湿度计上可读出，此种条件下缓冲样品池内样品的相对湿度为23％(26℃)。质谱采集得到经此制冷装置除湿后的谱图，命名为“20度-23％rh”rh是相对湿度的缩写。

实施例3

设置制冷温度控制器为10度，此时半导体制冷片和风冷散热器工作。测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。在质谱进样口c和质谱之间的管路上连接有湿度计，从湿度计上可读出，此种条件下缓冲样品池内样品的相对湿度为11％(26℃)。质谱采集得到经此制冷装置除湿后的谱图，命名为“10度-11％rh”rh是相对湿度的缩写。

实施例4

设置制冷温度控制器为0度，此时半导体制冷片和风冷散热器工作。测试者面向一次性无菌吹气嘴进行缓慢的呼气，呼出过程结束后，质谱的采样分析立即开始。在质谱进样口c和质谱之间的管路上连接有湿度计，从湿度计上可读出，此种条件下缓冲样品池内样品的相对湿度为6％(26℃)。质谱采集得到经此制冷装置除湿后的谱图，命名为“0度-6％rh”rh是相对湿度的缩写。

四个实施案例获得的谱图如下图2所示：

从谱图中可以看出，质谱的采集信号随着呼出气体湿度的改变而改变，这说明采用直接质谱法测试高湿度的呼出气体时，呼出气体中高含量的水分会影响到待测物在质谱中的信号，这对于研究呼出气体湿度对测试的影响以及呼出气体中各物质在质谱中的电离机理意义重大。