第一节
质谱法

质谱法是最早用于呼出气分析的方法，它适用于分析不同类型的呼出气样本中的挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）。在过去的20年中，质谱与传感器的使用逐年上升。气相色谱-质谱法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）的论文数量已经超过了应用液相色谱-质谱法（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）及其他质谱技术的论文数量。此外，在过去4年中，利用传感器进行的呼出气研究在数量上已经超过了GC-MS。这表明传感器在呼出气疾病诊断方向越来越受欢迎，这可能是由于一些传感器如电子鼻和激光光谱等的操作更加简单并且具有便携性。与过去几年文章保持稳定的LC-MS相比，直接进样质谱技术的论文数量也在稳步增长。LC-MS技术通常用于呼出气冷凝液的分析，而直接进样质谱技术能够提供呼出气样本的快速实时检测。在本章，我们将对常用的呼出气分析方法包括质谱法和传感器法进行总结，并对其最新研究进展进行讨论。

一、气相色谱-质谱法

GC-MS是一种结合气相色谱法和质谱法的特性，在样本中鉴别不同物质的分析方法。GC-MS的使用包括药物检测（主要用于监督药物的滥用）、火灾调查、环境分析、爆炸调查和未知样品的测定。GC-MS也用于为保障机场安全测定行李和人体中的物质。自20世纪70年代以来，质谱仪已被用于不同行业的化学分析，如石化、制药、化工和消费品。质谱的工作原理是用合适的检测器对样品进行电离和鉴定。传统的仪器是根据质荷比来分离离子，所得到的离子图样是由技术人员或科学家识别的，这是某种化学物质的特征。在现代探测仪器中，还考虑了其他物理参数，如飞行时间等。由于它具有高度选择性和灵敏度，从而被认为是分析人体呼出气的标准技术。最常用的呼出气分析方法是气相色谱（GC）或其组合，例如MS、火焰离子检测器（flame ionization detector，FID）以及离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）。

用质谱仪作为气相色谱的检测器是20世纪50年代由Roland Gohlke和Fred McLafferty首先开发的。当时所使用的敏感质谱仪体积庞大、容易损坏，只能作为固定的实验室装置使用。价格适中且小型化电脑的开发为这一仪器使用的简单化提供了帮助，并且大大改善了分析样品所花费的时间。1964年，美国电子联合公司（Electronic Associates，Inc.，简称EAI）-美国模拟计算机供应商首先研制电脑控制的四极杆质谱仪。1966年，Finnigan和Mike Uthe的EAI分部合作售出500多台四极杆残留气体分析仪。1967年，Finnigan仪器公司（Finnigan Instrument Corporation，简称FIC）组建就绪，1968年初为斯坦福大学和普渡大学发送了第一台GC-MS的最早雏型。Finnigan公司在1990年被Thermo Instrument Systems（后来的Thermo Fisher Scientific）收购，直到目前在GC-MS系统研发、生产方向仍处于世界领先水平。1996年，当时最先进的高速GC-MS在不到90秒的时间，完成了火灾助燃物的分析。2000年四极杆质谱GC-MS是化学研究和有机物分析必不可少的仪器。至今为止，电脑化的GC-MS仪器被广泛用于水、空气、土壤等环境检测中，同时也用于农业调控、食品安全以及医药产品的研发和生产。

GC-MS是由两个主要部分组成：即GC部分和MS部分。GC分析是将准备好的样品注入色谱柱，在色谱柱中以气体作为流动相进行传输。色谱柱的关键参数是毛细管柱的尺寸（长度、直径、液膜厚度等）、固定相性质及管柱温度。在应用极性色谱柱时，根据化合物极性分离组分；而在非极性柱中，根据化合物的沸点进行分离。当样品流经色谱柱时，分子被色谱柱所保留，然后在不同时间流出色谱柱，即保留时间。对于整个GC分析，正常工作电压为220V，升温速率在30～60℃/min之间，温度范围为50～450℃。流出色谱柱的分子被下游的质谱分析器捕获，经过离子化、加速、偏向，最终通过质荷比来进行测定物质。自20世纪70年代以来，GC-MS已被用于分析呼出气成分，如肺癌、哮喘、囊性纤维化、间质性肺疾病、1型糖尿病、肺结核、器官移植排斥反应以及其他指示氧化应激的各种生物标记物。虽然目前GC-MS已经被视为呼出气VOCs分析的“金标准”，但是这种基于GC的传统技术只能离线检测，不适合呼出气的实时检测。FID是与气相色谱GC联用检测VOCs最常用的方法之一，在火焰离子化检测器中燃烧有机化合物产生的离子和电子可以导电，从而为分析物提供定性和定量的数据。该方法具有线性范围大，灵敏度高，噪声小的优点，是气体色谱检测仪中对烃类灵敏度最好的一种方法，广泛用于挥发性碳氢化合物和许多含碳化合物的检测。但是，FID检测器对质量敏感，并且其响应不会因流动相流速的变化而改变。

离子迁移谱（IMS）是一种检测痕量气体的分析技术，其基本原理是根据离子在电场中的迁移率来分离和识别气相中的离子化分子。IMS系统的核心部分是迁移管，迁移管分为电离区和迁移区两部分，中间以离子门分隔开。被测样品被加热气化后，由载气带入电离区，载气分子和样品分子在离子源放射性Ni的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电场的作用下，这些产物离子通过周期性开启的离子门进入迁移区。一方面从电场获得能量作定向漂移，另一方面与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，由于这些产物离子的质量、所带电荷、碰撞截面和空间构型各不相同，故在电场中各自的迁移速率不同，使得不同的离子到达探测器上的时间不同而得到分离。但是，对于复杂的样品，分离性能受到限制，导致直接引入样品的IMS分辨率不足，研究者发现，将气相色谱柱作为先前的分离步骤与IMS联用可以显著改善结果。IMS与GC结合使用，可在每种目标化合物进行色谱洗脱时自动获取原始的迁移谱，并且可以处理给定保留时间的多个光谱，以获得两倍的信息（保留时间和漂移时间），提供每个样品的大量分析信息。近年来，GC-IMS已应用于呼出气VOCs分析以及食品质量和安全控制领域。值得一提的是，在新型冠状病毒流行期间，研究者将GC-IMS用于新型冠状病毒感染者的呼出气分析，并认为其具有早期发现感染者的潜力。

气相色谱-飞行时间质谱（gas chromatography time-of-flight mass spectrometry，GC-TOFMS）比传统的GC-MS仪器检测速度更快，能够提供更高的分辨率，并且已用于呼出气研究领域，它具有十亿分之一体积（parts per billion by volume，ppbv）甚至更低级别的检测限。TOF分析仪中的离子分离基于离子质量、飞行管长度以及电荷。TOF除了具有高质量分辨率外，还具有速度快的优势。因此，将GC-TOF-MS用于呼出气研究，能够获取高分辨率和高准确度的数据。Peralbo-Molina等人最近开发了一种利用液-液萃取和GC-TOF-MS进行代谢组学分析呼出气冷凝液（exhaled breath condensate，EBC）的方法，以分析样品中的脂肪酸、甲酯、酰胺和挥发性烯醇脂质。GC-TOF-MS还用于对肺癌患者、吸烟者和健康对照者的EBC非靶向代谢组学分析，并鉴定了患病组和未患病组的12种差异性VOCs。在一项对克罗恩病（Crohn's disease，CD）的呼出气生物标志物研究中，研究者应用GC-TOF-MS分析了活动期CD和缓解期CD的呼出气差异，发现了10种差异性VOCs。GC-TOF-MS分析也被用于分析嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞的细胞顶空气体，以鉴定与炎症和氧化应激相关的VOCs。

在众多以气相色谱为基础的研究中，毛细管柱和全二维气相色谱的发明被认为是GC领域最重要的两个创新。二维气相色谱结合飞行时间质谱分析（GC×GC-TOF-MS）是一种高分辨率多维技术，它增加了呼出气样品中可检测到的VOCs数量。与一维GC相比，多维GC更具优势，因为它使用两个毛细管GC色谱柱分离了共洗脱的VOCs，并且将代谢组中VOCs的覆盖范围提高了一个数量级。所用的两根色谱柱通常具有不同的极性和长度，第一根较长的色谱柱包含非极性固定相，第二根较短的色谱柱则具有更多极性的固定相以提高分离度。GC×GC-TOF-MS已用于鉴定和表征健康志愿者和出现健康问题的个人的VOCs。在最近的一项研究中，从健康志愿者的肺泡呼出气样品中鉴定出2 000种VOCs，其中一些以前从未在呼出气中检测到。GC×GC-TOF-MS用于分析接受心脏手术的患者的呼出气，以识别标志物、药物和污染物。使用GC×GC-TOF-MS对过敏性哮喘患儿和健康对照者的VOCs进行了表征，鉴定出哮喘组独有的六种烷烃，还在健康志愿者的呼出气样本中鉴定出了性别特异性VOCs。在这项研究中，确定了11种能够区分男性和女性参与者的VOCs。此外，还使用GC×GC-TOF-MS技术鉴定了辐射暴露的生物标志物，证明了该技术在暴露评估中的潜力。

GC×GC-TOF-MS应用的两根色谱柱通常具有不同的极性和长度，第一根较长的色谱柱包含非极性固定相，第二根较短的色谱柱则具有更多极性的固定相以提高分离度。GC×GC-TOF-MS色谱具有更高的分辨率、灵敏度和更大的峰容量，在呼出气分析中能够发挥重要的作用。在Phillips的一项研究中，从健康志愿者的肺泡呼出气样品中鉴定出2 000种VOCs，与以前使用一维GC-MS的报告相比，使用GC×GC-TOF-MS系统收集和分析呼出气中的挥发性有机化合物可以将可检测到的人类挥发性代谢物的数量扩大一个量级。GC×GC-TOF-MS还被用于区分儿童过敏性哮喘和健康对照者的呼出气VOCs，最终鉴定出哮喘组独特的六种烷烃，包括壬烷、2，2，4，6，6-五甲基庚烷、癸烷、3，6-二甲基癸烷、十二烷和十四烷。另外，研究者应用GC×GC-TOF-MS在47个健康志愿者呼出气样本中鉴定了有关性别的特异性VOCs。在这项研究中，确定了11种能够区分男性和女性参与者的VOCs。鉴于GC×GC-TOF-MS优异的分离能力及结构定性识别功能，该技术解决了一些复杂组分定性定量分析难题，能够对多种化合物同时进行定量分析，并对复杂体系中的未知成分具有更好的定性结构鉴别能力，但是GC×GC-TOF-MS分离出的许多新型化合物，由于这些化合物缺少有效的标准样品，并且现有的质谱库未收录相关的质谱数据，因此建立全二维气相色谱-飞行时间质谱定性谱库具有重要意义。另外，经GC×GC-TOF-MS分析产生的大量数据需要通过复杂的统计学方法或其他技术来分析，因此，全自动用户分析软件的开发利用对GC×GC-TOF-MS的普及具有重要意义。

二、液相色谱-质谱法

除GC-MS之外，LC-MS也经常用于分析呼出气及EBC样品。这些LC-MS仪器，包括三重四极杆MS（triple-quadrupole mass spectrometry，QqQ-MS）和四极杆飞行时间质谱（Quadrupole Time-of-Flight mass spectrometry，Q-ToF-MS/MS），可用于分析EBC和EBA样品。EBC和EBA样品均可以液体形式获取，因此适用于LC-MS分析。样品可以直接注入仪器中，也可以提取进一步分析。使用LC-MS测量的液体样本比使用GC-MS更多。然而，由于较大的保留时间漂移，LC-MS数据的可变性更大。Q-ToF-MS/MS或Orbitrap-MS/MS等高分辨率质谱适用于呼出气样品的非靶向分析，而QqQ-MS有助于化合物定量检测。

Orbitrap质量分析仪可以实现高分辨率和高精度分析，为蛋白质组学和代谢组学研究提供了出色的平台。在2005年，线性阱四极杆（linear trap quadrupole，LTQ）-质谱仪首次问世，将线性离子阱与Orbitrap质量分析仪结合使用，可实现灵敏的离子检测、稳定的质量精度和裂解。Exactive质谱仪于2008年发布，是一种更紧凑、价格更便宜的台式仪器。在此Orbitrap仪器中，离子源直接连接到C型阱，后者是一个外部离子存储设备。Exactive仪器的改进版Q Exactive是四极杆/Orbitrap联用仪器，与LTQ Orbitrap相比，具有更高的精确度量和分析速度。Orbitrap Elite仪器于2011年推出，具有更高的采集速率和分辨能力，在400质荷比（m/z）（768ms）时，仪器的分辨能力与LTQ Orbitrap仪器相比由60 000提高到240 000，提高了近4倍。较新的组合仪器Orbitrap Fusion包含四极杆、Orbitrap和线性离子阱质量分析仪，可同时隔离和检测不同质量分析仪中的离子。

数项研究应用高分辨率LC-MS分析了EBC样品的蛋白质谱。Muccilli等汇集了来自9位健康受试者的EBC样品，并通过1D-SDS-PAGE分离了蛋白质，然后使用Orbitrap-Elite质谱仪对蛋白质进行了LC-MS分析。结果鉴定出163个基因产物，其中发现细胞角蛋白最丰富。同样，Fumagalli等使用LTQ-Orbitrap质谱仪评估了来自健康的非吸烟和吸烟者、患有慢性阻塞性肺疾病（COPD）无肺气肿以及肺气肿伴α1-抗胰蛋白酶缺乏的三类人群的EBC样本，以通过蛋白质组学分析建立每组混合样品中的蛋白质指纹图谱，从而反应不同的疾病状态。

LC-MS和LC-MS/MS也已用于评估药物滥用。最新开发的方法能够分析EBA中的28种药物滥用，大多数滥用物质的定量限在1～66pg/过滤器之间。为了模拟检测运动员的呼出气兴奋剂，研究者应用SensAbues（瑞典，索伦蒂纳）呼气采样器采集参加药物测试志愿者的EBA，用LC-MS/MS对12种目标药物进行了检测，结果检测限在5～100pg/过滤器范围。在呼出气中除了能够检测到甲基苯丙胺和伪麻黄碱等兴奋剂外，还能够检测到合成代谢雄激素类固醇、脱氢氯甲基睾丸激素，以及新陈代谢调节剂美多仑和β受体阻滞剂比索洛尔。此外，还检测到包括美沙酮和四氢大麻酚等在内的药物滥用。

三、二次电喷雾电离与高分辨率质谱

二次电喷雾电离质谱（secondary electrospray ionization-mass spectrometry，SESI-MS）是一种用于分析痕量蒸气的环境电离技术，通过该方法，电喷雾溶液与样品中的挥发性成分之间的质子转移反应会形成气相的离子。该技术不需要样品预处理，且具有低pptv范围（10 ^-12 ）的灵敏度，可以实时检测低挥发性物种的微量浓度。在一项针对14名乳腺癌患者和11名健康志愿者的队列研究中，研究者使用SESI-MS检测与癌症相关的VOCs。在40～350质荷比（m/z）范围内采集SESI-MS全扫描光谱，将其转换为数据矩阵，使用数据预处理进行质量控制。随后应用基于机器学习技术的两步法预测，包括强大的特征选择以及开发带有内部验证的分类器。结果呼出气的质谱图显示出个体特异性的呼出气曲线和样品之间的高度均一性，技术重复的一致性强，表明SESI-MS的响应性强。呼吸数据的监督分析确定了一个支持向量机（support vector machine，SVM）模型，该模型包含质荷比为106、126、147、78、148、52、128、315的8个特征峰，并且能够将乳腺癌患者的呼出气与健康个体鉴别，敏感性和特异性均高于0.9。SESI-MS的应用还扩展到了小鼠的呼出气，以使用挥发性指纹图谱鉴别铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌肺部感染。

四、直接注入质谱法

直接注入质谱法（direct injection mass spectrometry，DIMS）为VOCs的分析提供了另一种方法。简而言之，在基于DIMS的技术中，样品（如中性带电的气体混合物）通过几种方法（放电、激光或等离子束等）被电离；由此产生的离子被送往质量分析器，该分析器根据它们的质荷比将它们分离。由此产生的输出是质谱，其信息内容在很大程度上取决于所采用的电离类型和质谱分析器。由于复杂的分析矩阵是在没有事先分离的情况下直接分析的，因此绕过分离步骤意味着识别能力的一定损失。然而，由于灵敏度的持续提高，可以直接在样品顶空上执行分析；而且，一次采样花费的时间不到1秒。多年来，在DIMS领域中发展了几种方法，它们源于不同的分析和工程原理，或者基于分析的简单性，或者基于对电离条件的控制。

（一）质子转移反应质谱

质子转移反应质谱（proton transfer reaction mass spectrometry，PTR-MS）是一种使用气相水合氢离子作为离子源试剂的分析化学方法。使用质子转移反应质谱法进行分析的仪器称为质子转移反应质谱仪。PTR-MS是由Werner Lindinger和他的同事（Hansel等人）在20世纪90年代开发的。离子产生和样品电离被限制在仪器的两个独立隔间内，离子源连接到水箱：水蒸气到达水箱，由于放电，一束离子（H ₃ O ⁺ ）被注入。离子进入一个分离的小室（漂移管），在那里样品发生电离。使用H ₃ O ⁺ 作为离子源的质子转移过程可以描述如下：H ₃ O ⁺ +M→H ₂ O+MH ⁺ ，其中M为待测的痕量组分。该反应受到质子间亲和力的限制，仅可以在M的质子亲和力比H ₂ O大的情况下进行。事实上，如果已知质子转移反应的反应时间、H ₃ O ⁺ 的存在数量和理论反应速率常数，就可以获得样品中各组分的绝对浓度。

使用PTR-MS可以快速在线进行测量，其优势在于能够分辨呼吸进行实时分析。在PTR-MS，万亿分之一（part per trillion，ppt）级别的检测限已经实现。一些PTR-MS仪器包含质子转移反应四极质谱仪（proton transfer reaction quadrupole mass spectrometer，PTR-QMS）。PTR-QMS已用于评估呼出气中VOCs（如乙醇和丙酮）的水平，以及来自指示糖类代谢的碳酸醇和短链脂肪酸的VOCs。术后几天和几周使用PTR-QMS，在麻醉患者的呼出气中检测到异氟烷碎片离子的水平，表明该药物未能像预期的那样迅速消除。PTR-MS也已与TOF技术结合使用，以提高质量分辨能力。如果PTR-QMS的质量分辨率为1，则PTR-TOF-MS的质量分辨率为4 000～5 000。PTR-TOF-MS已用于评估采样期间身体姿势和屏气对呼出气样品中VOCs浓度的影响。PTR-TOF-MS在肾移植患者中鉴定出肾功能不全的生物标志物，该标志物与血清肌酐具有良好的相关性。机械通气患者的呼出气也已使用PTR-TOF-MS进行了连续监测，并评估了300余个VOCs，包括氨、丙酮、异戊二烯、苯和七氟醚等。研究者应用PTR-TOF-MS对无麸质饮食的腹腔疾病患者的呼出气样本进行了分析，以寻找与健康对照组的差异。PTR-MS已用于分析尿液顶空，以鉴定剧烈步行所引起的新陈代谢差异。不同饮食和动物细胞培养顶空的小鼠呼出气样品也已通过PTR-MS进行了监测，表明PTR-MS的应用范围已超出了人类的呼出气分析范围。

（二）选择性离子流管质谱

SIFT-MS使用正离子（H ₃ O ⁺ 、NO ⁺ 和O ₂ ⁺ ）或负离子化学电离提供呼出气中挥发性化合物的实时测量试剂离子（O ^- 、OH ^- 、 、 和 ）。这些前体离子与呼出气中存在的分子（例如VOCs和无机气体）发生反应，但与N ₂ 、O ₂ 和Ar（空气中的常见成分）不反应，然后通过质谱仪检测产物离子。SIFT-MS可以检测呼出气中ppt水平的VOCs，使其成为快速分析的灵敏技术。该技术在呼出气氨的分析中得到了广泛应用。氨是一种生物标志物，用于筛选幽门螺杆菌（H.pylori，HP）在胃肠道中的定植，幽门螺杆菌能分解尿素。研究证实，与未感染HP的人相比，HP感染者口服2g尿素后，呼出气样本中的氨含量会增加。SIFT-MS技术可以检测ppt到ppb范围内的VOCs，并能分析小分子物质。因此，该技术优于GC-MS。表3-1-1显示了GC、GC-MS和SIFT-MS在部分VOCs检测中的应用。

SIFT-MS已用于改善医学诊断并提供及时的测试结果。SIFT-MS已在全扫描模式下运行，创建线性模型以使用强度筛选进行主成分分析来估计慢性肾脏疾病参数。在囊性纤维化患者的呼出气中鉴定出的氰化氢被认为是呼吸道中铜绿假单胞菌感染的标志。通过SIFT-MS分析，已发现异戊二烯是慢性肝病患者样品中晚期纤维化的特异性生物标志物。研究者通过应用SIFT-MS检测志愿者呼出气中的甲醇浓度，评估阿斯巴甜的摄入量和毒性。此外，应用SIFT-MS检测呼出气VOCs还能够区分克罗恩病、溃疡性结肠炎和炎症性肠病等。

（三）单光子电离质谱

单光子电离源（single photon ionization，SPI）的原理是：在电离过程中，只要光子的能量等于或高于待测物分子的电离能，处于基态的样品分子就会吸收一个光子，释放一个电子而被电离，因此SPI具有较好的通用性。一般物质分子吸收的光子能量大于其电离能阈值但小于其解离能阈值，使其电离而非解离，主要产生待测物的分子离子，几乎没有碎片离子，因此SPI是一种软电离技术，非常适合成为在线质谱的电离源。

大部分有机物的电离能在12eV以下，而空气中的高含量组分如H ₂ O、N ₂ 、O ₂ 等的电离能在12eV以上。为了实现有机物的有效电离并保持SPI的软电离特性，同时避免空气中基底组分的干扰，SPI通常采用发射光子能量在7.5～11.8eV的真空紫外（vacuum ultraviolet，VUV）光源。SPI的电离效率不仅与光子能量相关，而且和物质本身的光电离截面相关。光电离截面的分布规律是：芳香烃＞烯烃＞烷烃，不饱和烃＞饱和烃；另一方面，随着有机物分子不饱和度的增加，其光电离截面也逐渐增大。虽然不同有机物分子的SPI电离截面在2～20Mb（1Mb=10 ^-18 cm ² ），比EI电离截面大约低2个量级，但SPI的灵敏度却能够达到甚至超过EI。一方面，70eV EI电离有机物时会产生大量碎片离子，即使强度最高的离子，在总离子流中也只占据很小一部分，而SPI主要产生待测物的分子离子，大大提高了质谱图中单峰的信号强度；另一方面，70eV的EI中大量背景气体被电离，加上大量的有机物碎片离子，在质谱图中产生很高的背景噪声，从而降低了信噪比。SPI主要产生待测物的分子离子，谱图简单，通用性好，在有机物的快速分析领域具有广阔应用前景，目前已成功用于石油组分分析、垃圾焚烧过程中二 英的在线监测、香烟烟气等复杂混合气体的在线检测。

SPI的检测灵敏度与VUV光源的光强直接相关，目前可用于SPI电离的VUV光源主要由同步辐射光源、激光光源以及低气压惰性气体放电灯。同步辐射及激光光源的光强高、稳定性好、波长可调，是理想的VUV光源。但其价格高昂、体积庞大、安装调试困难等限制了该类光源在现场及在线监测方面的应用。Zimmerman等人从提升光源的光通量出发，开发了一种高强度电子泵浦稀有气体准分子灯（electron beam pumped rare gas excimer lamp，EBEL），其光通量比普通商品化VUV灯提高了2～3个量级，对甲苯的检出限达到35ppbv。Kuribayashi等研制出一种氢气微波放电VUV光源，结合离子阱-飞行时间质谱仪对焚烧烟气进行分析，18秒的时间对三氯苯的检测限可达10pptv。然而EBEL工作时必须通入高纯度的惰性气体，而且需要额外的真空系统，增加了仪器的复杂性。商品化低气压惰性气体放电灯光通量相对较低，光子能量有限，虽然可能在一定程度上限制了SPI灵敏度的提升和可电离的分析物范围，但是其体积小巧、功耗低、性能稳定、安装和使用方便，非常适合VOCs的在线分析。

中国科学院大连化学物理研究所李海洋课题组将商品化低气压氪气（Kr）放电灯作为SPI光源，并将其与实验室自制的飞行时间质谱（TOFMS）联用，在VOCs分析方面开展了一系列工作：包括催化过程监测、塑料热分解过程监测、香精成分分析、柴油样品分析等。为进一步提高电离源的分析性能，拓宽SPI-TOFMS的应用领域，他们还发展了一系列新型电离技术：新型光电子电离源（photoelectron ionization，PEI）。PEI比PI的能量高，可对电离能较高的物质进行电离，SPI-PEI复合电离源拓宽了VUV灯可电离物质的范围；为进一步提高PEI的检测灵敏度，Wu等在PEI源内加入磁场，增加光电子的运动路径，提高了光电子与样品分子的碰撞频率，对SO ₂ 的检测灵敏度提高了38倍；Hou等发展了源内拉伸膜进样SPI电离源，利用真空促进样品在膜内的渗透，对苯的检出限达到25ppbv；Hua等将SPI电离区气压提升至30Pa，发展了中等真空气压单光子（medium vacuum pressure single photon ionization，MVP-SPI）电离源，对苯的检测限可以达到3ppbv，引入源内碰撞诱导解离（collision induced degradation，CID）技术还可实现同重化合物的定性定量分析，在MVP-SPI电离源的基础上继续发展了单光子电离-化学电离（single photon ionization chemical ionization，SPI-CI）组合电离源，通过PEI作用引入化学电离的方式拓宽了可电离的物质范围。Xie等发展了用于SPI-CI电离源的稳定试剂离子强度的自校正算法，用于补偿PEI作用造成的电极氧化和VUV灯光窗污染问题，并将其用于催化合成氨反应中氨浓度的长时间实时监控；为了增大化学电离效率，Chen等通过在SPI-CI电离源中加入射频电场，发展了准离子阱化学电离源（Quasi-Trapping Chemical Ionization，QT-CI），利用射频场增大了试剂离子与样品分子的碰撞频率，极大地提高了化学反应的电离效率，相比于SPI，检测灵敏度提高了2～118倍。

为了实现小分子VOCs的高灵敏在线分析，他们还发展了新型的高气压光电子诱导（high-pressure photoelectron-induced，HPPI）电离源，通过提升电离源内的样品分子数密度，提高了SPI的检测灵敏度。结合缓冲末端采样和动态吹扫-注入技术，将HPPI-TOFMS成功应用于人体呼出气和尿液中小分子VOCs的直接在线质谱分析。在HPPI电离源的基础上，发展了高气压光电子诱导的O ₂ ⁺ 阳离子化学电离源（high-pressure photoelectron-induced O ₂

⁺ cation chemical ionization source，HPPI-OCI），通过光电子电离产生的O ₂ ⁺ 与样品分子发生化学反应电离，扩大了可检测的小分子VOCs范围。图3-1-1（见文末彩图）为HPPI-OCITOF/MS整体结构示意图。其检测原理为：当光子照射在物质分子上时，光子的能量会被分子吸收，如果分子吸收单个光子的能量达到或超过分子的电离能，那么分子即有可能会失去电子而被电离，这种现象称为光电离。采用VUV-Kr放电灯作为光源，主要有如下特点：①大多数有机物分子电离能低于10.6eV，因此能够实现大部分VOCs的有效电离，通用性好；②光电离属于阈值软电离技术，分子离子产率高，谱图简单易解析；③环境中N ₂ 、O ₂ 、CO ₂ 、H ₂ O等背景分子电离能均高于10.6eV，无法实现电离。因此光电离源可避免空气背景干扰，非常适合于VOCs的快速分析。通过调节电离区的电场强度，使光子照射到金属电极表面产生的光电子加速与背景O ₂ 分子碰撞，得到高强度的试剂 阳离子，进一步与样品分子间通过离子-分子反应（化学电离）使样品分子高效电离。HPPI-OCI-TOF/MS可在光电离和 阳离子化学电离之间快速切换，可有效提高仪器检测灵敏度并拓宽可检测样品的范围，实现高覆盖度检测。HPPI-OCI对C3～C6正构烷烃的检出限低至0.07ppbv。结合Nafion除湿和2，4-二硝基苯肼（2，4-Dinitrophenylhydrazine，DNPH）-硅胶小柱组合的在线前处理技术，HPPI-OCI-TOF/MS实现了人体呼出气中小分子短链正构烷烃的高灵敏度检测。

（四）离子迁移谱

IMS技术估计了离子通过漂移管所需的时间，这项技术可以在环境条件下从复杂的混合物中分离和识别不同的物质。这是一种快速、准确的技术，检测限（limit of detection，LOD）可降至ppm至ppb水平，无需对呼出气样本中的VOCs进行预浓缩。然而，IMS技术的局限性在于，呼出气样品中的湿度会影响离子漂移时间。此外，它不能直接在呼出气样本中检测到未知化合物。IMS主要用于测量疾病的特定成分，并表征呼出气中存在的挥发性有机化合物和细菌的混合物，以供诊断之用。Ruzsanyi等人的研究显示，IMS与多毛细管柱联用可用于呼出气样品中不同VOCs的检测。IMS的手持微型设备广泛用于军事目的，用于监测战剂、药物、爆炸物和环境危险化合物。

IMS利用多毛细管柱（multicapillary columns，MCC）生成二维峰图。IMS仪器结构紧凑，具有便携性，且有利于在ppb的浓度下检测醛和酮。IMS也已用于医疗设备，例如呼出气药物监视器Edmon®，可以用来监测丙泊酚麻醉下的患者呼出气中的药物浓度，我们团队与中国科学院大连化学物理研究所李海洋团队共同研发了术中快速检测丙泊酚血药浓度以及呼出气丙泊酚浓度的IMS仪器（图3-1-2，见文末彩图），能够实现手术室内对丙泊酚血药浓度的实时监测。此外，通过快速、可靠地检测呼出气中的化合物，IMS已被用于区分患有呼吸系统疾病的患者和健康对照者。BreathSpec®分析仪（G.A.S.，Dortmund，Germany），将GC与IMS联用，可以在低ppb至低ppm水平下检测人呼出气中的丙酮、乙醛、乙腈以及其他VOCs，并且由于其便携性，有望实现床旁检测。IMS检测被用于检测慢性阻塞性肺疾病、肺癌、阿尔茨海默病和帕金森病的呼出气VOCs，以确定呼出气样本中生物标记物。此外，IMS也用于检测腹腔疾病和肠易激综合征患者尿液顶空的VOCs差异。

DI-MS技术的发展为呼出气VOCs的分析开辟了新的前景，促进了挥发性代谢物的实时检测，这是迄今为止使用GC-MS很难实现的。分析仪器的改进，如配备TOF分析仪的PTRMS，正在与新的采样方法相结合，而这些方法能够分析整个生态系统的VOCs通量，可以对实验进行前所未有的控制，并提供了新陈代谢影响因素的检测能力。特别是DI-TOFMS的引入，使得对VOCs通量进行无针对性的筛选分析成为可能，使其成为呼出气代谢组学中一个有价值的工具。

尽管DI-MS在呼出气挥发物分析中具有明显的优势，但该技术仍有一定的局限性。特别是它不能确定化合物，如结构异构体，需要补充使用GC-MS进行可靠的定性分析。未来可以通过开发配备了足够便携的MS/MS检测器以供现场使用的DI-MS仪器来解决这个问题。虽然DI-MS方法相对较新且发展迅速，但是缺乏易于实现的、开放的呼出气代谢物数据库，例如包含初级离子质量、碎裂模式、质子转移反应速率常数和质子亲和力的数据库，阻碍了它们在常规筛选分析中的应用。这样的数据库，类似于建立良好的GC-MS库，将极大地加快对实验结果的解释。

目前的趋势是通过与其他高通量技术结合，使DI-MS与多组学平台相结合，将代谢组学、基因组学、蛋白质组学等的联合使用，提供对呼出气每个阶段复杂过程前所未有的检测能力。此外，尽管使用PTR-MS分析植物挥发物有明显的优势，但研究人员已经在研究与高分辨率质谱仪兼容的替代电离源，有可能实现ppt级别的灵敏度。仪器的发展可能会促使DI-MS在应用中得到更广泛的使用，在这些应用中，分析物处于痕量浓度水平，例如在监测生态系统中，广泛地监测网络可以补充和完善基于遥感方法检测的全球数据库。

（李杭） tNy1OoMTV2RlYlhOZSPumrbkgAva6MJk1c5FUwNZOhooVSOR1LreGgDyiXhu6lXC