(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210773143.0 (22)申请日 2022.07.01 (71)申请人 复旦大学 地址 200433 上海市杨 浦区邯郸路2 20号 (72)发明人 李想　陈健　岑郑楠　陆冰清　 (74)专利代理 机构 上海正旦专利代理有限公司 31200 专利代理师 陆飞　陆尤 (51)Int.Cl. G01N 30/02(2006.01) G01N 30/04(2006.01) G01N 30/06(2006.01) G01N 30/14(2006.01) G01N 30/72(2006.01) G01N 30/68(2006.01)G01D 21/02(2006.01) A61B 10/00(2006.01) (54)发明名称 呼出气中挥发性有机化合物的采集与检测 系统和方法 (57)摘要 本发明属于气体化学分析技术领域， 具体为 一种呼出气中挥发性有机物的采集与检测系统 和方法。 本发明包括使用一种改制的呼气VOCs采 样设备， 用于呼吸样品的采集； 使用规范化的热 脱附仪‑全二维气相色谱 ‑飞行时间质谱仪/ 氢火 焰离子检测器分析系统， 进行呼吸气中VOCs的检 测和分析； 使用NIST谱库和标准品对呼气中的 VOCs进行准确定性定量。 本发明在实现呼出气中 VOCs的精准、 稳定采集的同时， 实现高灵 敏度、 低 检测限的检测， 克服了 现有的采集与检测技术的 不足， 可适用于儿童和成年人呼吸气中VOCs的准 确分析， 有助于推动呼吸组学在精 准医疗领域的 发展。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115184489 A 2022.10.14 CN 115184489 A 1.一种呼出气中挥发性有机物的采集与检测系统， 其特征在于， 具体包括： 呼吸采样器 （1） 、 热脱附仪 （2） 、 全二维气相色谱仪 （3） 、 飞行时间质谱 （4） 、 氢火焰离子检测器 （12） 和 控 制软件模块； 其中： 所述呼吸采样器 （1） ， 与配套的控制软件模块相连， 用于采集呼出气中的VOCs； 并实时 监测采样过程中温度、 压力和CO2浓度等呼吸参数， 确保采样流 程的稳定和准确； 所述呼吸采样器 （1） ， 具体包括： 供气泵， 用于过 滤环境气体中的背景污染VOCs， 为采样流 程提供纯净空气； 采样面罩， 紧贴于脸部， 并与呼吸采样器连接； 吸附管， 用于浓缩和收集呼出气中的VOCs； 其中， 两根样品吸附管插入面罩下缘左侧两 孔， 另外两根实心吸附管插 入面罩下缘右侧两孔， 组合后面 罩与采样器对应接口紧扣； 所述热脱附仪 （2） ， 用于加热样品吸附管， 使吸附的VOCs再次挥发成气态， 并在冷阱中 再次冷凝和挥发， 除去样品中的水汽； 所述热脱附仪 （2） 包括加热阀 （5） 、 冷阱 （6） ； 所述全二维气相色谱仪 （3） ， 用于分离复杂的呼气VOCs基质， 使不同性质的VOCs在不同 保留时间进入质谱； 所述全二维气相色谱仪 （3） 包括依次连接的进样口 （7） 、 一维色谱柱 （8） 、 调制器 （9） 、 二 维色谱柱 （10） 、 分流器 （1 1） ； 进样口 （7） 与热脱附仪 （2） 中冷阱 （6） 连接； 所述飞行时间质谱 （4） ， 包括EI离子源 （13） 、 无场漂移管 （14） ， MCP检测器 （15） ， 其通过 离子源击碎 VOCs， 从而根据碎片离 子峰， 确定化 合物结构， 实现定性定量分析； 所述氢火焰离子检测器 （12） ， 用于气相色谱分离后化合物的定量分析； 氢火焰离子检 测器 （12） 、 EI离 子源 （13） 分别与全二维气相色谱仪 （3） 中分流器 （1 1） 连接； 经呼吸采样器 （1） 获得的样品进入冷阱 （6） 进行预浓缩， 释放的VOCs由进样口 （7） 进入 一维色谱柱 （8） ， 分离中极性VOCs； 然后经调制器 （9） 低温调制后进入二 维色谱柱 （10） ， 分离 高级性VOCs； 分离后的VOCs经分流器 （11） 分流， 部分进入氢火焰离子 （FID） 检测器 （12） ， 另 一部分进入EI离子源 （13） ， 经高能电子束冲击后变成碎片离子， 碎片离子进入飞行时间质 谱 （14） ， 检测得到碎片离 子的质荷比。 2.一种基于权利要求1所述系统的呼出气中挥发性有机物的采集与检测方法， 其特征 在于， 具体步骤如下： （1） 吸附管 前处理： 将吸附管放置 于老化仪上， 于 330‑350℃下老化3 0‑50min； （2） 气体样品采集： 采集过程中， 受试者保持均匀的鼻呼吸， 使用呼吸采样器 （1） 收集呼 吸气体； （3） 气体样品前处理： 采集完的吸附管在氮吹仪上吹脱除水6 ‑13min， 然后加入1μL三组 分混合内标； 所述内标包括溴氯甲烷、 氯苯 ‑d5和1,4‑二氯苯‑d4， 浓度都为20  μg/mL； （4） 样品检测： 利用热脱附仪 （2） 、 全二维气相色谱仪 （3） 、 飞行时间质谱仪 （4） 、 氢火焰 离子检测器 （12） ， 设定检测条件， 来检测呼吸样品； （5） 结果分析： 分析检测得到碎片离子的荷质比与保留时间， 利用NIST谱库对目标化合 物进行定性分析， 部分化 合物经内标归一 化后利用标准品外 部曲线法定量。 3.根据权利 要求2所述方法， 其特征在于， 步骤1中， 控制老化仪氮吹流速为每根管100 ‑ 120 mL/min。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115184489 A 24.根据权利要求2所述方法， 其特征在于， 步骤2中， 样品采集前受试者需在采样地点静 坐3‑5min， 保持肺泡气与环境空气的动态平衡； 采样时， 受试者需保持均匀鼻呼吸， 使呼吸 道顺畅， 呼吸速率保持在每分钟10 ‑16次。 5.根据权利要求2所述方法， 其特征在于， 步骤2中， 使用呼吸采样器 （1） 收集呼吸气体 时， 采集速率 为150‑200 mL/min， 总共采集3 L呼吸气体。 6.根据权利 要求2所述方法， 其特征在于， 步骤3中， 控制氮吹除水的速率为每根管100 ‑ 120 mL/min。 7.根据权利要求2所述方法， 其特征在于， 步骤4中， 热脱附过程中， 以氮气作为载气； 所 述热脱附条件 包括预吹扫时间、 热脱附程序和传输线温度； 其中： 预吹扫时间为1 ‑3 min， 氮气流速为5 0‑60 mL/min； 热脱附操作条件， 样品吸附管解析温度 为280‑300℃， 冷阱捕集温度 为10‑30℃， 热脱附 温度为300℃， 脱附时间为3 ‑5 min， 传输线温度为180 ‑200℃， 释放的VOCs以不分流的方式 进入气相色谱仪 （3） 。 8.根据权利 要求2所述方法， 其特征在于， 步骤4中， 所述的全二维气相色谱仪 （3） 、 飞行 时间质谱 （4） 、 氢火焰离子检测器 （12） 的分析条件包括色谱柱参数、 柱温箱升温程序、 调制 解调器条件、 飞行时间质谱仪条件和氢火焰离 子检测器条件； 其中： 全二维气相色谱仪 （3） 中， 一维色谱柱为安捷伦中极性DB ‑624柱， 二维色谱柱为 高极性 DB‑WAX柱， 一维色谱柱和二维色谱柱均以氦气作为载气， 流速分别为0.5 ‑0.7mL/min和23 ‑ 24mL/min； 一维柱和二维柱共享相同的柱温箱升温程序： 柱温箱初始 温度为40‑50℃， 保持5  min， 然后以6‑8℃的速度升到140℃， 再以10℃的速度升到220℃， 保持30min； 低温调制器的温度 为10‑30℃， 调制周期为3  s； 分离后的VOCs以18:2的分流比进入飞行时间质谱仪和氢火焰 离子检测器； 上述分析物进入飞行 时间质谱仪 （4） 的接口温度为230 ‑250℃； 飞行时间质谱仪选择电 子轰击源 （13） ， 灯丝发射电流150 ‑160 μA， 电子能量70eV， 离子源温度 保持在230℃； 采集质 核比范围为34 ‑350， 采集频率 为100 Hz； 上述分析物进入氢火焰离子检测器的温度 为280℃， 空气和氢气的流速分别为340 ‑350  mL/min和40 ‑50 mL/min， 氮气作为混合气的辅助气， 流速为2  mL/min； FID的数据采集频率 为200 Hz。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115184489 A 3