人体分析仪

利用Vocus PTR-TOF，法国ircelyon和isa研究所的科研人员在里昂的croix rousse医院进行了疑似新冠患者的呼出气体分析，以期能实现对早期新冠病毒感染者的快速筛查。人体呼出气体分析是近年来的科研热点，因呼出气体中富含的特征vocs可能给临床诊断带来革命性的改变。呼出气体含有的内源性vocs跟人体的新陈代谢和生理状况都息息相关；同时，食物消化和药物代谢物也会在呼出气体中留下特定的印记。因其无损，简易性和可快速分析等优点，呼出气体组分研究被认为具有潜力成为病情诊断、药物动力学和个性化医疗的重要辅助手段。由于目标特征物的低浓度（一般ppt到ppb）、样品的高湿度和复杂基体效应，这也对采用的分析化学方法提出了很高的硬性要求。Vocus PTR-TOF 通过呼出气体进行新冠病毒患者早期诊断TOFWERK PTR-TOF 是一款具有极高灵敏度的在线vocs检测仪，可以同时分析多至上百种挥发性有机物。无需任何样品预处理，该仪器可对气态样品进行实时检测并给出分析结果。为配合呼出气体分析，vocus ptr-tof搭配了可加热控温的进样管，同时配备了一次性的止回呼气嘴咬，防止可能的相互感染和污染。可移动设计让这台vocus ptr-tof在急救病房和诊断分流点等地点自由部署并进行测量。全谱捕捉数百种vocs的分析能力大大提升了识别与新冠病毒或者其他病例相关的二次代谢物和特征物种的可能性。相对于基于棉签采样，耗时长达几十分钟的现行分析方法，vocus ptr-tof具有在一分钟内筛查一个乃至更多人的巨大应用分析潜力！法国里昂 Croix Rousse医院内配有呼出气体采样系统的Vocus PTR-TOF呼出气体中新冠病毒标志物筛查科研工作者们相信在人体呼出气体中存在跟新冠病毒或者因其引起的肺部感染密切相关的生物标记物，这将大大加速疑似患者和无症状患者的排查工作，为疫情控制提供了更多的时间和手段。基于这个目标，法国ircelyon和isa研究所的科研人员在位于里昂的croix rousse医院内部署了一台vocus ptr-tof。在里昂大学传染病研究中心（ciri，inserm）和croix rousse医院的icu和传染病部门的紧密合作下，研究人员正在分析诊断为阳性和阴性的志愿者们的呼出气体，数据分析也在同步进行中。该项目基金由auvergne rhones-alpes地区政府和法国政府共同提供。

卓越食品集团(Premier Foods Group)是英国的一家闻名的食品企业，也是英国大型的食品生产商。在英国，几乎每家每户都在用Premier Foods的产品，例如面包、面粉、蛋糕、速食食品、调味酱、点心和调味肉汁等。企业的承诺是为大家提供最好的英国食品。卓越分析服务(PAS)由卓越食品集团设在海威康比(High Wycombe)的一个研究机构，由大约75名科学家组成，他们主要研究食物中的各种成分。英国食品标准局(FSA)与PAS进行了联络，希望对生产和加工过程中直接形成的N-亚硝基化合物(NOC)含量进行鉴定和测定。在此之前，英国食品中NOC的大部分数据都是对表观亚硝基化合物（ATNC）的检测，没有关于NOC类型、水平或存在的详细信息，很难确定对于人体健康的潜在风险；且ATNC测试结果普遍偏高，实际中NOC的含量要低得多。食品中NOC的分析检测历来具有挑战性，热能分析仪(TEA)的应用改变了这一现象。热能分析仪（TEA）作为高灵敏度的NOC特异性检测器，基于与臭氧反应产生的化学发光信号对N-NO键的选择性热裂解和对被释放的NO自由基的检测。TEA可与气相色谱仪（GC）联用，用于特定种类亚硝胺的检测，具有特异性强、灵敏度高（检测限为pg级）等特点。TEA的诞生为食品中NOC前体物质的分析检测提供了极大便利，自上个世纪八十年代问世以来一直是亚硝胺分析的行业标准。Ellutia 800 系列热能分析仪TEA关于卓越分析服务(PAS)自1963年成立以来(伦琴数的研究,2007年总理食品集团收购了),主要分析服务已经成为最受尊敬的食品检测中心在欧洲和提供专业研究、开发和测试服务所有的食品工业领域,给客户的内外总理食品集团关于通用实验通用实验科技（中国）有限公司（Labcare Scientific China Limited)是一家专注于通用实验室配件耗材、设备仪器和工程项目服务的高科技公司。我们依托团队在生命科学和化学分析仪器行业的专业背景以及在材料系统筛选和加工生产及质量管理领域丰富的经验，在欧洲、北美和亚太地区都设立了代表处。致力于专业、严格地筛选了大量国内外直接原厂生产商作为协议供应商，以委托制造式进行并实现全球采购。通过专业的库存和物流管理体系， 致力于为目标地域的生命科学和化学分析实验室用户提供质优价廉的各种通用实验室配件耗材、仪器设备和服务。更多信息请咨询通用实验科技（中国）有限公司。

近日，暨南大学胡斌副研究员团队在Journal of Analysis and Testing 2021年第4期发表综述论文“Mass Spectrometry‑Based Human Breath Analysis: Towards COVID‑19 Diagnosis and Research”。该文总结了新冠肺炎呼气质谱分析方法的研究进展，并从有机代谢物、蛋白质、微生物和无机元素等多个维度讨论了质谱技术在新冠肺炎诊断与研究中的应用前景和挑战。面向新冠肺炎诊断与研究的人体呼气质谱分析新冠肺炎（COVID-19）是由新型冠状病毒（SARS-Cov-2）引发的传染病，已给全球带来了严重的生命财产与经济损失并且仍在继续发展。研究证实新冠肺炎可通过人体呼气及飞沫传播。人体呼气是一种生物气溶胶，含有大量挥发性物质、水汽以及融合在水汽小液滴中的不挥发性物质如有机代谢物、生物大分子和微生物等等。这些人体呼气成分与人体的生理病理及行为密切相关，并且可通过简单便捷和活体无创的方式采集。因此，人体呼气分析在疾病诊断、生命科学、临床医学、药物研究、环境健康和刑侦法医等涉及人体健康与分子医学领域具有重要的应用。特别地，受新冠肺炎这一与呼吸系统及呼气传播密切相关的疾病挑战，基于人体呼气分析新冠肺炎诊断与研究是新兴的前沿热点和难点。表1 新冠肺炎的诊断技术质谱是同时具备灵敏度高、特异性好、信号响应快的仪器分析方法，是研究新冠肺炎的基因组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组学的强大分析工具，并取得了重要进展。与其他新冠肺炎的诊断技术相比，基于质谱技术的人体呼气分析具有无创、活体、操作简单、分析性能好、适用性强等优点（表1）。质谱技术结合不同的采样方法、分离技术、或电离技术可在不同维度对人体呼气进行分析（图1），为新冠肺炎在快速诊断与分子生物学研究提供新的视角。图1 基于质谱技术新冠肺炎呼气的多维分析直接质谱技术直接质谱（DI-MS）技术包括原位电离质谱（AI-MS），是指无需样品前处理条件下直接分析样品的质谱技术，已成功地发展应用于人体呼气成分的实时在线监测，例如质子转移反应质谱（PTR-MS），选择离子流动管质谱（SIFT-MS），电喷雾萃取电离质谱（EESI-MS），以及二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）等。这些直接质谱技术可以连续、无创、实时地直接引入人体呼气，实现呼气的在线质谱监测，为快速获取呼气信息提供新的技术手段。在直接质谱技术监测呼气的同时，结合质谱数据的统计方法和机器学习（图2），为筛查新冠肺炎的生物标志物提供了新手段。直接质谱技术是新冠肺炎快速诊断有力的诊断工具，将有望在呼吸疾病诊断和筛查取得新的突破。图2 新冠肺炎呼气质谱数据处理方法：a. PCA, b. OPLS-DA, c. 使用三种机器学习算法的完整模式, d. 只使用最重要特征的模型气相色谱质谱技术人体呼出气中的挥发性物质主要来源于内源性代谢物（由呼吸道和内脏系统及其微生物产生）和外源性物质（由食物、药物、环境及其代谢物产生），而新冠肺炎病毒可能产生特殊的挥发性代谢标志物。监测人体呼出代谢物产物可以深入理解新冠病毒引起的生理病理变化。气相色谱质谱（GC-MS）技术具有稳定性好、分离能力强、灵敏度高、特异性好等特点，并配备有强大的数据库，是一种呼出代谢物分析的有力手段。此外，耦合新型呼气采集技术，如口罩微萃取技术（图3），气相色谱质谱还有望实现超痕量代谢物的精准分析。特别地，随着便携式气相色谱质谱的发展，可以根据需求将便携式质谱转移到社区、学校、医院等场所进行现场诊断，进一步提高新冠肺炎的诊断能力。图3 新型质谱呼气分析新方法：a. SPME探针, b. 口罩微萃取呼气采样, c. SPME-DART-MS分析, d. 台式SPME-GC-MS分析, e. 便携式SPME-GC-MS分析液相色谱质谱技术人体呼气中还包括多种非挥发性有机物和生物基质，为呼吸系统疾病提供了生物化学信息。液相色谱质谱（LC-MS）通常用于分析呼出气溶胶中的有机代谢物和蛋白质。由于呼气中的有机代谢物和蛋白质含量低，通常需要对呼气进行预处理，例如呼气冷凝浓缩。研究表明，呼气冷凝物的收集是呼气蛋白质组学和代谢组学研究的关键因素之一。因此，呼气冷凝物结合LC-MS分析可能成为研究新冠肺炎呼气中蛋白质组学和代谢组学的有力工具，从而发现呼气中的生物标志物，为新冠肺炎的生物学研究提供新认识。基质辅助激光解吸电离质谱技术由于新冠肺炎可以通过呼出气溶胶和飞沫传播，从呼气样本中直接鉴别新冠肺炎病毒是迫切的需求。基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）具有灵敏度高、准确度高、和质量范围广的特点，可以分析包括细菌、真菌和病毒等微生物。鼻咽拭子样品、血浆或血清中的病毒特异性蛋白/核酸也可通过MALDI-MS分析。MALDI-MS在新冠肺炎临床诊断和冠状病毒研究中已经取得许多重要进展。在MALDI-MS分析过程中，通过将微生物的肽质量指纹图谱、蛋白质、核酸序列等信息与数据库进行匹配鉴定。MALDI-MS可以用于准确筛选已知的冠状病毒，为出现未知的人类冠状病毒提供病理和生理学依据。电感耦合等离子体电离质谱技术电感耦合等离子体电离质谱（ICP-MS）是一种强大的元素分析技术，可以检测人体组织、体液和呼气中的无机元素。研究发现，新冠肺炎患者体内会出现矿物质状态失衡，可能受到一种尚未发现的无机生物学机制的影响。目前新冠肺炎患者呼气中无机元素的变化机制尚不清楚，ICP-MS有望成为筛查新冠肺炎呼气样本中无机元素变化的有力工具，并且发现新型无机生物标志物。ICP-MS有望成为新冠肺炎呼气诊断与研究的新手段，并为更好地理解新冠肺炎的潜在无机生物学过程提供新的视角。小结自从新冠肺炎爆发以来，质谱技术在新冠肺炎的诊断应用与基础研究方面飞速地发展。本文从有机代谢物、蛋白质、微生物、无机元素等多个维度评述了人体呼气质谱分析在新冠肺炎诊断与研究的进展。在诊断方面，呼气质谱技术已经在临床检验方面取得了很大的进展，然而如何实现快速、准确、现场的诊断应用仍然有待进一步的改进和验证。在研究方面，呼气质谱分析为更好地理解新冠肺炎病毒在人体的生理学、生物化学和无机生物学的机制提供了新的视角，如何深入地揭示新冠病毒对人体健康的影响，在样品采集、质谱分析、数据处理方面仍需要深入系统的研究。新冠肺炎的呼气质谱分析在未来仍然充满机遇，包括但不限于分析化学、仪器研制、生物化学、临床医学和人工智能等领域不同学科的交叉融合，将有望更好地诊断和理解新冠肺炎。本文引文信息Yuan, ZC., Hu, B. Mass Spectrometry-Based Human Breath Analysis: Towards COVID-19 Diagnosis and Research. J. Anal. Test. 5, 287–297 (2021). https://doi.org/10.1007/s41664-021-00194-9作者简介胡斌，博士，暨南大学质谱仪器与大气环境研究所副研究员。长期从事质谱分析及相关交叉学科研究工作。研究方向包括：样品采集与制备新方法、离子化技术、生命健康与公共安全质谱分析研究等。相关工作以（共同）第一或通讯作者在Analytical Chemistry, Trends in Analytical Chemistry, Nature Protocols等期刊上发表SCI论文40多篇；论文总引用2500多次，个人H指数25。曾获中国青少年科技创新奖和中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖等奖项。担任香港研究资助局、广东省科技厅、广东省基础与应用基础研究基金委员会等评审专家，以及Advanced Materials, Analytical Chemistry, Food Chemistry, Environmental Science & Technology等20余国际SCI期刊审稿专家。