便携式氦气检测

前言芬太尼作为一种强效麻醉性镇痛药，其药理作用与吗啡类似，镇痛效力约为吗啡的 80倍，呼吸抑制作用较吗啡弱，不良反应比吗啡小，因此广泛应用于各种疼痛及外科、妇科等手术过程中和手术后的镇痛。然而，由于芬太尼具有欣快感成瘾性、严重的呼吸抑制和心率严重下降等副作用，使其成为继传统毒品、合成毒品之后的第三代毒品——“实验室毒品”中的重要组成成分。为了提高对于芬太尼类实验室毒品的管制，2019年，我国首次通过定义化学骨架和取代基的方式，将芬太尼整类物质列入管制列表。作为新加入的精神药品类管制品，目前对于芬太尼类物质的检测标准还不够完善，因此有必要开发一系列针对芬太尼类物质的检测手段。EXPEC 3500 便携式气相色谱-质谱（GC-MS）联用仪具有体积小，重量轻，操作简便等优势，其内置的针进样系统配合微量进样针可以实现半挥发性有机物(Semi-Volatile Organic Compounds, SVOCs)的快速分析，可以提高系统对于低浓度组分的响应，满足痕量样品的高灵敏检测要求，在应急监测、环境监测、监督检查、职业卫生、公安刑侦等领域得到了广泛应用。基于以上，本研究将采用EXPEC 3500 便携式GC-MS对多种芬太尼类物质混标样品进行快速检测鉴定，建立一种应用于多种芬太尼类物质现场鉴定的新型快检方法。01仪器和材料＋仪器EXPEC 3500 便携式GC-MS：气相色谱部分具备程序升温功能；质谱部分具有选择离子扫描（SIM）/全扫描（FullScan）/二级质谱（MS-MS）三种模式；内置NIST & AMDIS 标准谱库 、便携式 GC-MS 专用谱库、美国国立职业安全与健康研究所（NIOSH）数据库、化学品安全指导数据库（SIC）、环境标准参考数据库。色谱柱：DB-5MS (5 m × 0.1 mm × 0.4 μm)＋材料高纯氦气：≥99.999%。甲醇：纯度为色谱纯。标准品：4组多种芬太尼类物质混标溶液（以甲醇为溶剂）第一组：5种芬太尼类物质混标溶液（分别为N-甲基芬太尼、4-氟-N-苄基芬太尼、N-苄基呋喃芬太尼、苯基芬太尼和4-甲氧基呋喃芬太尼）第二组：6种芬太尼类物质混标溶液（4-甲基环丙芬太尼、N-苄基芬太尼、2,2’-二氟芬太尼、2-甲基乙酰芬太尼、环丙芬太尼和噻吩芬太尼）第三组：7种芬太尼类物质混标溶液（乙酰芬太尼、芬太尼、丙烯酰芬太、丁酰芬太尼、卡芬太尼、戊酰芬太尼和呋喃芬太尼）第四组：18种芬太尼类物质混标溶液（前三组混标样品的混合溶液）02实验方案使用5μL微量进样针从四组混标样品溶液中分别抽取1μL样品，依次使用EXPEC 3500 便携式GC-MS进行色谱分离，质谱定性分析，鉴定样品中含有的芬太尼类物质种类。仪器条件设置为：03数据分析＋18种芬太尼类物质的分离定性＋部分芬太尼类物质的质谱定性各物质的定性主要通过与NIST质谱库和《新活性物质分析手册质谱分册》中各种芬太尼类物质的质谱图进行比对。部分物质的质谱图主要如下：04结论通过将各物质的质谱图与各芬太尼类物质的标准谱图比对可以发现， 混标样品检出的物质主要有N-甲基芬太尼、芬太尼、2,2’-二氟芬太尼、N-苄基芬太尼等。由实验结果可知，谱育科技EXPEC 3500 便携式GC-MS可以实现N-甲基芬太尼、4-氟-N-苄基芬太尼、4-甲基环丙芬太尼、芬太尼等18种芬太尼类物质的检出。本研究使用EXPEC 3500 便携式GC-MS对18种常见的芬太尼类物质完成了定性分析。与大型的实验室GC-MS和传统快检方法相比，本方法具有快速、便捷、定性准确以及操作简单方便等优点，可以广泛应用于缉毒、反恐、安检以及海关等方面的现场快速检测。远离毒品，珍爱生命！

1 rHEALTH技术的优势 　　开发者将上述要闻中的技术，称为rHEALTH技术，可用于检测细胞计数、艾滋病毒感染、维生素D水平、体内多种蛋白质等，且该技术所需采集的血量较少，因而同时具备了便携式、多功能、集成型的特点。　　 　　2 利用微量血液的便携式检测产品 　　基于rHEALTH技术，研发人员正在根据不同的需求，致力于三种产品：面向转化研究的rHEALTH One，面向临床应用的rHEALTH X，以及面向终端消费者的rHEALTH X1。 　　除了rHEALTH系列外，此前已经有多种便携式检测产品得到开发，这些产品的开发超越了传统的可穿戴设备范畴。例如，斯坦福大学医学院开发的便携式微芯片，在避免用传统的放射性的同时，还可以用于快速检测高风险的Ⅰ型糖尿病人群，并把Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病加以区分。与rHEALTH系列类似的是，采用微芯片后，该类产品的用血量很少。在Ⅱ型糖尿病的快速检测这一领域，罗氏、德国西门子已经开发了多系列的便携式检测产品。 　　3 便携式检测产品的大市场 　　除血液检测和可穿戴设备外，尿液、唾液或其他体液的便携式快速检测试剂盒的开发也如火如荼，且通过与第三方应用程序(APP)(例如Colorimetrix app)的结合，可以直接通过比色来一定程度上实现高敏感度分光光度计等才能实现的功能，从而极大地推动移动医疗的快速发展。 　　便携式即时检测产品的最大作用在于，实现了医疗护理的分散，减轻了医护人员的负担，实现了疾病筛查方面的限制，从而开拓了大市场。如果说可穿戴设备仍然处于早期发展阶段，那么便携式血糖仪等已经充分地证明了巨大的市场前景。再如，Cepheid公司的多重耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)及耐药性结核分枝杆菌(MTB)院内感染检测产品刚上市时销售额几乎为零，但目前已经扩展至数亿美元。 　　事实上，无论是艾滋病、肺结核和痢疾等感染性疾病的检测，还是常见的生理指标检测，均有可能通过快速检测试剂盒与便携式检测设备(最为常见的就是利用APP的比色)来实现。除疾病检测外，在畜牧行业的诊断、环境监测等方面，产品开发和市场拓展均已起步。 　　4 多类企业的交叉竞争格局 　　正因如此，即使是传统的制药企业(例如拜耳)，也在寻求往医疗器械市场拓展的机会。此外，由于未来的便携式检测设备越来越依赖于模拟和混合信号处理技术，不少半导体企业、软件企业和互联网企业也在加入这一领域的竞争，形成交叉性的拓展格局。例如，Google X实验室开发的微型磁性纳米粒，可用于检测和监控用户的健康状况，从而实现疾病筛查。 　　5 微型化背后的技术突破 　　从半导体技术的角度看，微型磁性纳米粒等便携式产品的发展，依赖于产品的微型化，而这又依赖于高精度、高集成的信号链产品和适合便携式应用的电源管理、无线射频产品开发。同时，未来传感器体积的微型化开发，或许也将意味着成本的同步降低。当成本降低至足够低的水平后，或许新型的传感器将可一次性使用，从而得以在各个类别的便携式产品中得到开发和应用。 　　6 从常见的生化诊断到分子诊断 　　从生物学检测方法来看，便携式即时检测产品的开发，已经渐进地从传统的生物化学方法，拓展至分子诊断技术领域。在Life Technologies、GE Healthcare和Promega开发测序产品的同时，便携式测序仪的开发也进入不少研究者的视野。例如，新西兰奥塔哥大学的研究者研发了便携式DNA测序仪Freedom 4，其重量与笔记本电脑相当，可用于病毒感染等医学检测、畜牧疾病的检测、环境微生物的监测。检测得到的数据，可通过智能手机实时传输，并应用程序进行分析。再如，日本电气株式会社(NEC)也开发了用于法医学的便携式DNA分析仪(P-DNA Analyzer)，该分析仪可用于黏液、血液样本的分析，分析过程无需将样本运送至实验室，在一小时内快速鉴定DNA。 　　7 数据分析的大时代 　　从信息技术的角度看，便携式检测设备的开发，也将意味着数据规模的海量增长。在未来，仅硬件的传感器数量或许将达到万亿个，而数据量也将远远超出今天人们所认为的&ldquo 大数据&rdquo 的规模。与此同时，数据类型也将极大的扩展，融合分析应用将丰富人们的知识。例如，仅在医学领域，体征数据(如心率、脉率、呼吸频率、体温、热消耗量等)、分子数据等多类数据的融合，或许将引领健康研究的新时代。 　　而随着数据获取、分析和应用的拓展，大数据分析能否部分地替代临床试验，也许将成为未来研发、监管和消费者思考的一大问题。

1 土壤中挥发性有机物的检测分析1.1 方法概述　　按照世界卫生组织（WHO）的定义，挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指沸点范围在50~260 ℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.3 Pa，常温下以蒸气形式存在于空气中的一大类有机物。按化学结构，可进一步分为烷烃、芳香烃、烯烃、卤代烃、酯类、醛类、酮类和其他化合物等8类。不同的VOCs对人体具有不同的毒害作用，有些物质甚至具有强烈的“三致”作用（致病、致癌、致突变）。VOCs大体的危害如下：影响中枢神经系统，出现头晕、头痛、无力、胸闷等症状；感觉性刺激，嗅味不舒适，刺激上呼吸道及皮肤；影响消化系统，出现食欲不振、恶心等；怀疑性危害：局部组织炎症反应、过敏反应、神经毒性作用。能引起机体免疫水平失调，严重时可损伤肝脏和造血系统，出现变态反应等。　　土壤中天然有机质主要是有腐殖质和部分分解的动植物残体组成，其对疏水性有机化合物的吸附起着重要的作用。土壤的污染是世界范围的一个环境问题，挥发性有机物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到土壤中，在土壤中逐步富集，使土壤造成严重污染，因此监测和控制土壤中的挥发性有机物意义重大。1.2 主要仪器与试剂（1）仪器Mars-400 Plus便携式气相色谱质谱联用仪（聚光科技）；LTM DB-5ms 快速气相色谱柱（5 m×0.1 mm×0.4 μm）；顶空/吹扫捕集进样系统；涡旋混匀仪分析天平（0.0001g）。（2）试剂和耗材微量移液器（100 μL）；微量移液器（1000 μL）；注射器（50 mL）氦气，纯度99.999%，用作载气；25种VOCs（浓度为100 μg/mL，其中环氧氯丙烷为500 μg/mL）；甲醇（色谱纯）、4-溴氟苯（色谱纯）、氟苯（色谱纯）、1,4-二氯苯-D4（色谱纯）。石英砂、干净土壤。1.3 标准样品配制1.3.1 标准样品储备液配制（1）标准样品溶液　　以甲醇为溶剂，配制25种挥发性有机物的混合标准溶液，浓度为10 μg/mL。具体做法是：在10 mL的容量瓶中，加约7 mL的甲醇。打开装有标准物质的安瓿瓶，使用微量移液器，移取1 mL的标准样品，用甲醇定容至10 mL，得到标准样品使用液。（2）内标标准溶液　　以甲醇为溶剂，配制氟苯、1,4-二氯苯-D4的溶液，浓度为10 mg/mL，作为内标贮备液（表1）。具体做法是：在10 mL的容量瓶中，加约7 mL的甲醇，使用微量移液器移取氟苯（色谱纯）97 μL，使用分析天平精确称取0.100 g的1,4-二氯苯-D4，用甲醇定容至10 mL，得到浓度为10 mg/mL内标贮备液。再次用甲醇稀释至10 μg/mL，得到氟苯、1,4-二氯苯-D4的内标标准使用液。（3）替代物标准溶液　　以甲醇为溶剂，配制4-溴氟苯的溶液，浓度为10 mg/mL，作为替代物贮备液（表1）。具体做法是：在10 mL的容量瓶中，加约7 mL的甲醇，使用微量移液器移取4-溴氟苯（色谱纯）63 μL，用甲醇定容至10 mL，得到浓度为10 mg/mL替代物贮备液。再次用甲醇稀释至10 μg/mL，得到替代物的标准使用溶液。（4）基体改性剂　　如果使用的方法是吹扫捕集处理方法，选用二次蒸馏水作为基体改性剂（参考国家环境标准（HJ 605-2011））。如果使用的方法是静态顶空处理方法，选用pH≤2的磷酸氯化钠水溶液作为基体改性剂。本次分析的土壤VOCs浓度都较低，适合使用吹扫捕集作为预处理方法，因此本方法选用水作为基体改性剂。（5）空白样品　　向40 mL样品瓶中，加入5 g石英砂和20 mL纯净水，密封，得到空白试剂样品。1.3.2 标准系列样品溶液的配制　　向15支40 mL的样品瓶中依次加入5 g石英砂和20 mL基体改性剂（水）。再向各瓶中分别加入一定量的标准使用液，配制成目标化合物浓度分别为5 ng/mL、10 ng/mL、20 ng/mL、60 ng/mL、100 ng/mL，每组浓度平行3份。在配制标准样品的同时，向每个顶空瓶分别加入一定量的替代物使用液，一定量的内标使用液，立即密封（表2）。将配制好的标准系列样品在涡旋振荡仪上振荡约5 min，由低浓度到高浓度依次进样分析，绘制校准曲线。1.4 样品采集和保存1.4.1 样品采集　　土壤样品的采集和保存参照国家环境标准HJ/T 166的相关规定。采集的样品工具应用金属制品，用前应经过净化处理。可在采样现场使用Mars-400便携式气质联用对样品进行目标物含量高低的初筛，当样品中挥发性有机物浓度大于1000 μg/kg，则视为高含量样品。所有样品均应至少采集3份平行样品。1.4.2 含量高低初筛（1）在40 mL的样品瓶中加入约60 g的干净土壤（通过检测无高浓度的VOCs）。（2）模拟高浓度的土壤样品：向60g土壤中加入6 mL的标准样品溶液（10 μg/mL），配制得到1000 μg/kg的模拟高浓度的土壤样品。（3）使用Mars-400便携式气质联用仪，采用“气体样品分析方法”，首先将“高浓度土壤样品”的上层顶空气体分析一遍。得到该气体的TIC总离子流图。（4）继续使用Mars-400便携式气质联用仪，采集被分析土壤上层气体，得到相应的TIC图。如果被分析土壤的上层气体TIC响应值大于模拟土壤的TIC图，判断被分析土壤为高含量土壤，否则按低含量土壤处理。1.4.3 样品保存（1）在现场保存：采用样品收集装置，加入大约5 g 的土壤到含有10 mL 甲醇的样品瓶中。快速地擦掉瓶子螺纹上粘附的土壤，然后立刻用螺旋帽和隔垫密封住瓶子。用冰存储样品于4 ℃。可以采用其它的样品质量或者甲醇的体积，分析人员需要能够证明整个分析过程的灵敏度对于当前的应用是适当的。（2）不在现场保存：收集不带保存液的高浓度的土壤样品，就是样品既不含有保存溶液，也不含有甲醇。当不采用在现场保存的方法时，尽可能地填充满整个样品容器，使顶空体积最小。1.5 样品分析1.5.1 样品分析条件1.5.2 样品分析步骤1.5.2.1 标准样品分析步骤（1）准备章节3.2的标准系列样品。打开仪器，并调试稳定。（2）设定好分析条件，激活方法，待所有分析条件达到设定值，将样品空白放入吹扫捕集装置的样品池中，等待平衡5 min，将吹扫捕集插针插入样品瓶中，点击主机界面的“运行方法”，仪器开始自动吹扫捕集-气质联用分析。（3）空白样品应该满足待测化合物浓度低于检出限，或者分析结果的5%。（4）按照步骤（2）从低到高分析标准系列样品。（5）样品高低浓度交叉分析时，需在中间插入空白样品分析，以防高浓度样品的残留影响低浓度样品分析。1.5.2.2 土壤样品分析步骤Mars-400便携式气质联用仪是一款适用于现场分析的仪器。本方法开发了一套现场分析的方法和步骤（图1）。（1）现场开机预热，同时开启和预处理设备，如涡旋振荡仪，简易天平等。（2）调试主机和吹扫捕集系统，激活“土壤分析”方法，或者按照章节5.1设置分析方法。（3）分析空白样品，空白样品分析结果应该满足待测化合物浓度低于检出限，或者分析结果的5%。（4）接下来分析质控样品，质控样品指的是浓度在校准曲线中间浓度点附近的标准溶液，本实验选取20 ng/mL标准样品作为质控样品。计算标准样品和替代物的回收率，回收率应在80% ~ 120%之间。图1 样品分析流程图（5）进行土壤样品的现场分析。通过章节4.2的浓度初筛，如果为低浓度的样品，称取5 g，直接加入20 mL基体改性剂，加入40 μL的内标贮备液、40 μL的替代物贮备液，使用涡旋混匀仪混匀，待测。如果为高浓度样品，称取5 g土壤，加入10 mL甲醇，先涡旋振荡提取10 min。将提取液稀释成水溶液，加入5 g石英砂，加入内标和替代品，涡旋混匀，待测。（6）将待测样品通过Mars-400 便携式气质联用仪进行分析，现场进行定性定量，并输出报告。1.6 结果与讨论1.6.1 标准曲线的制作　　按照章节5.2.1的方法，从浓度低到浓度高分析标准系列样品，每组浓度平行分析3组。本试验采用特征离子定量法进行定量。以样品浓度与内标浓度的比值作为横坐标，以样品特征离子峰面积与内标特征离子峰面积作为纵坐标，绘制内标标准曲线（图2，表4）。图2 25种VOCs的总离子流图　　图2是石英砂加标的25种VOCs的总离子流图，采用对溴氟苯作为替代物（第22号色谱峰），氟苯、1,4-二氯苯-D4作为内标。从表4可以得到，25种VOCs和对溴氟苯的线性相关系数都在0.99以上。1.6.2 精密度和准确度　　在5 g石英砂中加入400 ng的标准样品，配制成80 μg/kg的土壤加标样品，按照低浓度土壤样品的方法进行吹扫捕集-便携式气质联用分析，样品连续分析7遍，计算标准偏差S，从而得到分析的精密度，然后通过计算平均回收率得到分析方法的准确度（表5）。　　从表5可以得到，连续7次分析的相对标准偏差在20%以内。5 g石英砂中加标浓度为80 μg/kg，平均加标回收率在80%~120%之间。1.6.3 方法检出限　　根据方法检出限的实验方法，取5 g石英砂，加入5 ng/mL标准样品，得到20μg/kg的空白加标土壤（计算检出限的3~5倍浓度），连续进样7遍，剔除异常值，计算标准偏差S，在99%的置信区间里，取MDL=3.143×S，如表6。从表5中可以看到，本方法的检出限在2.62 μg/kg ~ 12.06 μg/kg之间，可以用来检测泄露到土壤中的挥发性有机物。