杜睿 張羽玲 曾嘉發(fā) 方明亮 Sasho Gligorovski 周振 李雪
摘?要?二次電噴霧電離質(zhì)譜(Secondary electrospray ionization mass spectrometry, SESI-MS)可實(shí)時在線檢測人體呼出氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds, VOCs),但呼出氣中VOCs的電離效率會受到源內(nèi)氣體氛圍的影響。本研究在自制SESI源的基礎(chǔ)上,以超高分辨質(zhì)譜(Ultra-high resolution mass spectrometer, UHRMS)為分析技術(shù),以人體呼出氣中典型內(nèi)源性化合物丙酮(Acetone)和吲哚(Indole),以及典型基質(zhì)鄰苯二甲酸酐(Phthalic anhydride, PA)和鄰苯二甲酸二丁酯(Dibutyl phthalate,DP)為目標(biāo)化合物,初步探究了SESI源內(nèi)不同氣體氛圍(氮?dú)猓∟2)、二氧化碳(CO2)、純凈零氣(Zero air))對目標(biāo)VOCs電離效率的影響。結(jié)果表明,在SESI源內(nèi)通入3種純凈氣體,可有效提高呼出氣中丙酮和吲哚的信號強(qiáng)度和信噪比;同時,由于降低了源內(nèi)基質(zhì)含量,可顯著減弱基質(zhì)干擾。3種純凈氣體中,通入N2后的效果最為顯著。本研究結(jié)果可為SESI源設(shè)計及參數(shù)設(shè)置、呼出氣分析方法開發(fā)提供重要依據(jù)。
關(guān)鍵詞?呼氣代謝組; 直接質(zhì)譜分析; 超高分辨質(zhì)譜; 二次電噴霧電離; 氣體氛圍
1?引 言
二次電噴霧電離質(zhì)譜(Secondary electrospray ionization mass spectrometry,SESI-MS)可實(shí)時在線檢測人體呼出氣中揮發(fā)性化學(xué)成分(Volatile organic compounds,VOCs)[1],具有無損、實(shí)時、無需樣品前處理、高通量等優(yōu)勢,已成功用于人體生物鐘[2]、診斷肺部疾病[3]、檢測人體呼出氣中內(nèi)源性代謝物(如色氨酸)[4]等生物醫(yī)學(xué)研究中。SESI源工作原理為:在常溫常壓環(huán)境中,呼氣中的中性分子被電噴霧產(chǎn)生的初級離子電離生成分子離子[2,5~8](圖1)。SESI技術(shù)的雛形,即電噴霧形成帶電微滴電離氣相分子的概念,由Fenn等于1989年首次提出[9]; 2000年,Wu和Hill將這種電離技術(shù)命名為SESI[10]。目前,文獻(xiàn)中報道的SESI源,都是自制SESI源,直至2018年才有一款商品化SESI源在展會中出現(xiàn)[11]。SESI源易于自組建,且可與多種商業(yè)質(zhì)譜接口耦合[12~14]。從質(zhì)量分析器的角度,以超高分辨質(zhì)譜(Ultrahigh resolution mass spectrometer,UHRMS)與SESI源結(jié)合,優(yōu)勢最顯著。采用UHRMS,根據(jù)準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù),能提高定性分析的準(zhǔn)確性,有效區(qū)分同重素[15]。
由于自制SESI源不完全封閉,室內(nèi)空氣會進(jìn)入源內(nèi),與呼出氣中待分析的目標(biāo)化合物(如丙酮、吲哚)競爭初級ESI電噴霧形成的微液滴上的有限電荷,降低目標(biāo)物的電離效率及檢出靈敏度; 而且,對于同時存在于呼出氣與室內(nèi)空氣中的VOCs,也會降低目標(biāo)化合物的信噪比。在SESI源內(nèi)通入不含VOCs的純凈氣體,通過降低源內(nèi)基質(zhì)濃度,或可解決上述問題。但目前尚沒有SESI源內(nèi)純凈氣體氛圍對呼出VOCs以及基質(zhì)的電離效率的影響研究。
本研究利用自行搭建的SESI源,以呼出氣中典型內(nèi)源性代謝物丙酮(Acetone)[2,13]和吲哚(Indole)[12],以及室內(nèi)空氣中典型VOCs鄰苯二甲酸酐(Phthalic anhydride,PA)[16,17]和鄰苯二甲酸二丁酯(Dibutyl phthalate,DP)[18]為目標(biāo)化合物,以UHRMS為檢測手段,探究源內(nèi)不同純凈氣體氛圍(氮?dú)猓∟2)、二氧化碳(CO2)、純凈零級空氣(Zero air,包含: 79% N2,21% O2,< 1 part per million by volume(ppmv)烷烴類物質(zhì)))對SESI源電離不同來源VOCs的影響,為優(yōu)化離子源設(shè)計及參數(shù)設(shè)置、提高呼出氣中VOCs檢測信噪比提供了依據(jù)。
2?實(shí)驗(yàn)部分
2.1?儀器與試劑
QExactiveTM四極桿組合靜電場軌道阱傅里葉變換超高分辨質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific公司); 自制SESI源是將nanoESI商品源與自制質(zhì)譜接口組合而成(圖2): nanoESI源(美國Thermo Fisher Scientific公司),自制質(zhì)譜接口[6](廣州禾信儀器股份有限公司定制),包括一個離子化反應(yīng)腔和兩個進(jìn)樣管(圖2A),均為不銹鋼材質(zhì),目的在于減少呼出VOCs的吸附,同時,進(jìn)樣管與腔體為可拆卸設(shè)計,便于定期清理; Milli-Q Integral 5超純水儀(密理博中國有限公司); AJH-3080A零氣發(fā)生器(北京安捷華科技有限公司)。
標(biāo)準(zhǔn)校正液(美國Thermo Fisher Scientific公司); 甲醇(色譜級,純度99.9%,美國默克公司)。N2標(biāo)準(zhǔn)氣體(純度 ≥ 99.999%,佛山市佛鋼氣體有限公司); CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體(純度99.99%,廣州市粵佳氣體有限公司)。醫(yī)療呼吸氣體干燥(Nafion)管(內(nèi)徑1.32 mm,長度60 cm,ME 60系列,美國博純有限責(zé)任公司); 特氟龍(PTFE)管(內(nèi)徑4 mm,上海畢帝塑料公司); 聚氨酯(Polyurethane,PU)管(內(nèi)徑2 mm, 上海畢帝塑料公司)。1 mL移液槍頭(德國Eppendorf公司)。質(zhì)量流量控制器(量程0~1 L/min,韓國Line Tech公司); Lzb-3微型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(量程0~0.6 L/min,浙江余姚工業(yè)自動化儀表廠)。
2.2?樣品分析
2.2.1?樣品采集?人體呼出氣采樣流程參見文獻(xiàn)[6],即志愿者(2名,25歲和29歲,女性)通過鼻吸、嘴呼的方式提供呼出氣樣品。采樣前,志愿者用純水漱口,并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜坐30 min[2]。采集呼氣時,志愿者先深呼吸3次,再采集全呼氣[18~20],一次性呼氣吹嘴由1 mL移液槍頭改制而成。樣品傳輸管路包括: Nafion管、PTFE管和Lzb-3微型玻璃轉(zhuǎn)子流量計。Nafion管用于去除呼出氣中的水汽,避免水汽冷凝在PTFE管內(nèi)壁、吸附VOCs[6]; PTFE管可減少VOCs吸附損失; Lzb-3微型玻璃轉(zhuǎn)子流量計用于控制呼出氣流速。還需說明的是,ID 1.32 mm的Nafion管所允許的最大氣體流量為0.4 L/min,所以單次采樣時,呼氣流速控制為0.4 L/min。每個實(shí)驗(yàn)條件下,每位志愿者重復(fù)呼氣5~6次。
2.2.2?SESI-UHRMS分析?SESI-UHRMS實(shí)時在線檢測呼出氣裝置如圖2B所示。SESI源有兩個進(jìn)樣口: 呼出氣樣品的進(jìn)樣口和純凈氣體的進(jìn)樣口(未通入純凈氣體時,源內(nèi)為室內(nèi)空氣)(圖2A)。ESI溶劑為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm),流速200 nL/min。 ESI電壓為+2.5 kV(正離子檢測模式)/2.5 kV(負(fù)離子檢測模式),質(zhì)譜接口離子傳輸管溫度為150℃。檢測模式: 正負(fù)離子切換掃描(切換時間0.01 s); 全掃描,質(zhì)量數(shù)范圍m/z 50~300,質(zhì)譜質(zhì)量分辨率為140000 FWHM(m/z 200)。
2.3?數(shù)據(jù)處理
通過軟件Xcalibur 3.0確定目標(biāo)化合物以及質(zhì)量偏差。通過軟件Origin 9.0中“Statistics”功能的“Descriptive Statistics”,“Normality Test”判斷原始數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布; 并通過“Homogeneity of Variance Test”,“Levene's Test”進(jìn)行方差齊性分析,用One-way ANOVA方法,進(jìn)行差異性分析,通過均值比較(Means comparision)中的多重比較方法(Tukey's multiple means comparison test)進(jìn)行組內(nèi)差異性對比分析。
3?結(jié)果與討論
3.1?定性分析
以N2氛圍下SESI-UHRMS實(shí)時在線檢測人體呼出氣的結(jié)果為例,志愿者呼出氣一級質(zhì)譜圖(背景已扣除)如圖3所示。
根據(jù)目標(biāo)化合物的分子結(jié)構(gòu)特征和質(zhì)子親和力[22~24],結(jié)合SESI源電離機(jī)理[15,25,26],可知丙酮[2,13]、吲哚[12]、PA[16,17]和DP[18]均會形成質(zhì)子化分子離子[M + H]+。在志愿者呼氣樣品實(shí)時監(jiān)測過程中,在m/z 59.0499、118.0651、149.0230和279.1582處分別檢測到質(zhì)譜峰,元素組成鑒別為[C3H7O]+、[C8H8N]+、[C8H5O3]+和[C16H23O4]+,質(zhì)量偏差(實(shí)測值與理論值的差值)為0.8、0.0、0.3和0.9 mDa,可確定上述質(zhì)譜峰即為呼出氣中丙酮、吲哚及室內(nèi)空氣中PA和DP的質(zhì)子化分子離子(圖4)。
3.2?SESI源內(nèi)氣體氛圍對呼出VOCs的影響
本研究選擇N2、CO2、Zero air作為考察的純凈氣體,主要基于如下原因: (1)3種氣體理化性質(zhì)相對穩(wěn)定,且都是呼出氣中的成分(按體積比計算,呼出氣包含: 78.14% N2,13.6%~16% O2,4.0%~5.3% CO2,5% 水汽,1 ppmv VOCs,1 ppmv氨氣); (2)不易爆炸,相對安全; (3)是實(shí)驗(yàn)室常用標(biāo)準(zhǔn)氣體,易于獲取。
當(dāng)源內(nèi)氣體氛圍為N2,充入流速分別為0.1和0.8 L/min時,丙酮檢出強(qiáng)度增加約9倍, 信噪比(S/N)提高約2倍(表1),吲哚信號強(qiáng)度增加約6倍(表1)。值得注意的是,對比SESI源內(nèi)未通入N2與N2通入流速為0.1 L/min時呼出氣的檢測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)丙酮信號沒有顯著差別,而吲哚的信號增強(qiáng)約2倍,且信號重現(xiàn)性(RSD)得到改善,RSD由55%減小為10%。
與N2結(jié)果相似(表1,圖5),CO2氛圍下,當(dāng)充入流速為0.8 L/min時,相比于0.1 L/min,丙酮和吲哚的信號強(qiáng)度分別提高約1倍和4倍; 對于Zero air,當(dāng)充入流速為0.8 L/min 時,相比于0.1 L/min,丙酮和吲哚的信號強(qiáng)度分別提高約11倍和9倍。對比未通入CO2、Zero air與0.1 L/min 的CO2、Zero air氛圍下呼出氣的檢測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)丙酮和吲哚的信號均沒有顯著差別,且在這兩種氛圍氣體下,呼出氣中吲哚信號的重現(xiàn)性未得到顯著改善。
綜上,當(dāng)以0.8 L/min的流速向源內(nèi)充入N2、CO2和Zero air時,呼出氣中吲哚及丙酮的檢出強(qiáng)度均明顯提高(圖5)。
在純凈氣體充入流速均為0.8 L/min的條件下,對呼出氣中丙酮及吲哚的檢出信號強(qiáng)度進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)及方差齊性檢驗(yàn),結(jié)果滿足單因素方差分析(ANOVA analysis)的條件。ANOVA結(jié)果(圖6)表明,當(dāng)顯著性水平為0.05時,丙酮(Prob>F: 1.0 ×10?8; F Value 89.8)及吲哚(Prob>F: 3.7 ×10?5; F Value 23.1)在N2、CO2、Zero air氣體氛圍下的檢出強(qiáng)度均存在顯著性差異。丙酮在Zero air 氛圍下的強(qiáng)度均值略高于N2氛圍下的結(jié)果,CO2氛圍下最低; 吲哚在N2氛圍下的信號強(qiáng)度高于Zero air和CO2氛圍下的結(jié)果。進(jìn)一步對比3種純凈氣體氛圍兩兩之間的差異性,多重比較分析結(jié)果(圖7)表明,在顯著性水平為0.05時,呼出氣中丙酮的信號在N2與CO2之間(Prob: 2.4 ×10?6,Sig=1)、CO2與Zero air之間(Prob: 0,Sig=1)及N2和Zero air之間(Prob: 3.3 ×10?4,Sig=1)均存在顯著性差異; 呼出氣中吲哚的信號在N2與CO2之間(Prob: 2.9 ×10?5,Sig=1)、N2和Zero air之間(Prob: 0.002,Sig=1)均存在顯著性差異,而在CO2與Zero air之間(Prob: 0.1,Sig=0)不存在顯著差異。呼出氣中丙酮及吲哚的信號在N2和Zero air之間的差異顯著性均最小,推測主要是由于Zero air的主要成分為N2(79%)。綜上,為提高SESI-MS檢測呼氣中內(nèi)源性VOCs的靈敏度,可在自制SESI源中通入N2。
3.3?SESI源內(nèi)氣體氛圍對基質(zhì)的影響
分析SESI源內(nèi)氣體氛圍對基質(zhì)的影響,結(jié)果表明,以N2氛圍為例,當(dāng)通入氣體流速分別為0.1和0.8 L/min時,即當(dāng)充入N2流速提高8倍時,PA和DP的信號強(qiáng)度分別減少約0.6和0.1倍(表2)。此結(jié)果與3.2節(jié)中呼出氣中VOCs的檢出情況相反,推測可能是SESI源內(nèi)純凈氣體含量增加后,基質(zhì)在源內(nèi)含量降低,進(jìn)而檢出強(qiáng)度降低。此外,N2通入流速為0.1 L/min時的結(jié)果與未通入N2的結(jié)果沒有顯著差別,表明此時源內(nèi)N2含量還無法影響信號檢出效果,此結(jié)論與呼出氣中丙酮的檢出結(jié)果一致(表1和表2)。
氣體氛圍為CO2和Zero air時,趨勢與N2相似(表2,圖8),當(dāng)充入氣體流速為0.8 L/min時,相比于0.1 L/min氣體流速,PA和DP的信號強(qiáng)度分別減少約0.5和0.1倍。
值得注意的是,當(dāng)實(shí)時檢測呼氣時,PA和DP信號強(qiáng)度,在N2、CO2氣體氛圍中,呈降低趨勢,而在Zero air氛圍中出現(xiàn)進(jìn)樣峰,本研究組將會在后續(xù)工作中進(jìn)一步探究這一現(xiàn)象。
8; F Value 69.6)在3種氣體氛圍下檢出信號穩(wěn)定,且檢出強(qiáng)度均存在顯著性差異; 并且,在N2氛圍下PA和DP的信號強(qiáng)度均低于Zero air和CO2氛圍下的結(jié)果,說明N2氛圍對降低背景基質(zhì)干擾的影響最大。
進(jìn)一步對比0.8 L/min流速下3種純凈氣體氛圍兩兩之間的差異性,結(jié)果(圖10)表明,8,Sig=1)CO2與Zero air之間(Prob: 4.6 ×10?6, Sig=1)也均存在顯著性差異。Zero air是造成PA及DP信號強(qiáng)度差異顯著的主要原因。上述結(jié)果說明,N2氛圍對于降低基質(zhì)PA及DP干擾的效果最好,而Zero air氛圍最差。
綜上,自制SESI源內(nèi)通入足夠量的純凈N2,可以顯著增強(qiáng)呼出氣中丙酮及吲哚的信號強(qiáng)度,同時顯著降低基質(zhì)信號強(qiáng)度。此外,由于N2為惰性氣體,性質(zhì)穩(wěn)定,不會對呼氣裝置有影響,不易與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),因此適宜作為SESI-UHRMS檢測呼出氣時的SESI源內(nèi)的氣體氛圍。
4?結(jié) 論
本研究結(jié)果表明,充入一定流速的純凈氣體,可以增強(qiáng)提高呼出氣中丙酮和吲哚的電離效率; 同時,源內(nèi)純凈氣體含量增加后,能有效降低源內(nèi)PA和DA含量,進(jìn)而降低基質(zhì)檢出強(qiáng)度。3種純凈氣體氛圍中,以N2對呼出氣中丙酮和吲哚的增強(qiáng)效果以及對基質(zhì)PA和DA的降低效果,最為顯著。在后續(xù)研究中,還需以有效提高目標(biāo)物的信噪比、降低基質(zhì)干擾為目標(biāo),更系統(tǒng)、深入地探索氣體氛圍對呼出VOCs的影響機(jī)制,如通過加入不同氣體體積比例N2和O2或N2和CO2混合氣體,拓寬流速范圍,以更好地理解氣體氛圍理化性質(zhì)對電離效率的影響機(jī)制,為優(yōu)化SESI源內(nèi)氣體氛圍、研制SESI商品源、建立SESI-MS呼氣檢測方法提供理論依據(jù)。
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