选择离子流管质谱,SIFT-MS;新视野号实时分析空气和呼吸

大卫·史密斯^a、c和帕特里克•Španěl^{a, b, c}

^一个医学科学技术研究所,医学院的基尔大学,Thornburrow开车,Hartshill,特伦特河畔斯托克ST4 7 qb,英国
^bj . Heyrovsky物理化学研究所科学院的捷克共和国,Dolejškova 3, 182年23岁,布拉格,捷克共和国
^c反式光谱有限,9榆树,辍学,员工,ST5 8 rp,英国

介绍

气体分析的需求得到满足是一个非常广泛的技术能够检测和量化跟踪组件的空气和其他气体媒体出席的物质,磅,甚至兆分之,ppt。这些显著的进步的前沿的气相色谱(GC)加上各种检测技术,派拉蒙在质谱(MS),意识到著名的和无价的GC - MS技术。介绍了气气体样本为载气,通常氦,通过温度控制列和分离组件气体洗提的最后列在不同的时间和质谱仪分别进行了分析。气依然选择的分析方法对于复杂也许数百种化合物组成的混合物。然而这重要的分析方法有一个缺点,实时直接分析不可行,洗脱时间以来,在最好的情况下,以秒,通常在几分钟内,和样品收集或提取要求,例如,包括捕获样本上的微量气体吸附剂材料,随后释放到GC柱。这样的集技术可以修改样本和减少分析的准确性。当需要绝对量化相定量标准必须用于每个感兴趣的化合物。进一步,大多数GC列不善待水蒸气的存在在一个样本,这通常要删除之前分析,也会妥协的样本,尤其是水溶性痕量气体。

这些评论不是为了减少这个最有价值的图像或效用分析技术,而是他们的目的是作为背景的讨论选择离子流动管质谱,SIFT-MS,我们构思主要是实时的,绝对的,分析技术能满足即时分析的挑战的潮湿的呼出一口气快速的临床诊断和治疗监测。这一目标无疑是实现和应用SIFT-MS很快被扩展到其他领域,实时直接分析的微量化合物在空气中,我们已经演示了在最近的评论^1,2最后我们总结这篇文章。

SIFT-MS原则

的本质SIFT-MS技术实时跟踪气体分析(详细描述最近的评论^1,3)在于引入空气/呼吸样本分析到流管中的氦载气速度控制,复合气体在样例与三种反应前体离子物种,H₃O⁺,没有⁺或O₂⁺可以选择单独和引入氦载气。这是示意图见图1。这些离子/分子反应导致中立组件产品离子的特征分子(分析物)在空气/呼吸样本,这些特征离子监测使用下游质谱仪/离子计数系统。绝对浓度的分析物准确地计算SIFT-MS计数率的产品特征离子和前体离子使用定义良好的反应时间和已知的速率系数,k离子/分子反应。¹的k价值观和产品离子反应的三个可用的前体离子和许多挥发性有机化合物(和可观数量的无机化合物)测量使用筛选技术在流管反应器的条件下,即在氦载气thermalised离子群在300 K,这并不是一个关键通常与其他流/执行漂移管技术,如质子转移反应质谱(ms),可能会导致不准确的分析。从这些筛选获得的动力学数据测量形成动力学库,允许直接量化的复合化合物样品。

SIFT-MS仪器很短的响应时间(毫秒);因此,几个化合物可以实时分析同时在几秒钟,允许连续监测环境空气的组成和单呼吸排放在线和实时分析,说明后,数据然后被立即到医生/科学家。分析的动态范围很广;水蒸气和二氧化碳呼出的气息出现在几个百分点和微量气体出席ppb级同时可以测量。样本数据如图2所示。这些数据是通过专注于特定的呼吸代谢产物通过切换之间的分析质谱仪选择适当的特征离子反应中形成的前体离子物种特定跟踪分子。这就是所谓的多个离子监控、MIM SIFT-MS模式。这些数据证明这些非凡的特性的在线SIFT-MS分析环境空气和呼出的气息。

呼吸分析

如前所述,SIFT-MS被应用到生物挥发性有机化合物的分析在各种媒体,包括潮湿的顶部空间样本如尿液和细胞培养,^1,2但这里我们关注实时呼吸分析由于这是最初发展的首要动机SIFT-MS也许提供了分析最大的挑战。使用MIM模式我们已经开展的一些代谢产物水平的研究许多健康志愿者建立的呼出一口气“参考范围”的这些特殊代谢物作为这些代谢物和其他人的研究,包括呼吸疾病的生物标记物与特定疾病诊断患者的支持。从这些研究各种挥发性代谢产物的水平分布构造了重要的群健康个体在不同的年龄范围。作为一个例子,人口分布的呼吸丙酮水平获得群健康志愿者在宽范围4 - 83岁⁴图3所示。图3中立即明显是水平分布很宽,呼气丙酮水平取决于年龄。这些分布近似日志正常,一样的呼吸代谢产物,我们充分详细地研究了。³显然,这种传播在呼吸水平表面上健康的人需要欣赏当寻找异常/海拔在患病的州如糖尿病的呼吸丙酮通常被认为是作为生物标志物,即使这并没有建立认真的临床试验。

这些研究和其他几个人证明,非侵入性呼吸分析SIFT-MS既快速又无痛和非常接受非常年幼的孩子(见插图图2)和虚弱的老年病人。SIFT-MS工具的快速时间响应,分析的实时工具,它提供了单一的呼吸排放顺序,允许后药代研究的药物或物质摄入。这些已经被证明了的详细研究代谢乙醇和乙醛的转换。⁵

口腔和鼻腔排放的差异

担心呼吸的一个潜在来源分析,微量化合物/代谢物在呼吸通过嘴呼出(绝大多数的呼吸分析进行了日期)可以部分或完全起源于口腔(由于细菌和酶活性)。这可以导致肺泡的“污染”或“系统性”气息。所以我们开发了SIFT-MS方法允许在线取样的气息呼出通过嘴和鼻子(见图1的上半部分),后者避免口污染和确定那些是真正的系统性的微量气体。⁶呼吸氨和丙酮样品纵向数据通过嘴巴和鼻子呼出图4中给出了获得一个健康的志愿者在一段时间内约一个月。这些数据显示,从日常呼吸的变化水平的这些化合物(个体生物差异)。他们也显著表明,氨在呼出的气息在很大程度上(但不完全)生成的口腔,而丙酮纯粹是系统性的,没有明显的一代。丙酮是系统性也表示积极的斜坡上的实时mouth-exhaled呼吸肺泡地区丙酮级别配置文件,如图2所示,它也可以看到相应的斜率HCN主要是负面的,表明这种化合物主要是口服。因此,很明显,鼻子抽样是首选,尤其是当寻找新的(不明)系统性的化合物可能是特定的生物标记患病的状态。显然,嘴巴和鼻子的结合抽样可以识别这些化合物的来源负责口臭。进一步信息SIFT-MS呼吸工作分析可以获得在最近的评论文章^1,2我们的论文发表在了呼吸研究期刊》的研究。

细菌感染在囊性纤维化

呼吸的总结分析研究给出了迄今为止使用SIFT-MS在最近的一篇论文质谱分析评论。²因此,就兴奋的结果的一个例子是适当的。最引人注目的演示是一个平行的结果研究群呼出气息的孩子患有囊性纤维化和哮喘。⁷测量微量化合物氰化氢、HCN和一氧化氮,不,它是发现,HCN的囊性纤维化患者呼吸水平升高[指示由细菌殖民化的肺铜绿假单胞菌,(巴勒斯坦权力机构)]和非常低水平的不而哮喘病患者没有呼吸水平高(如预期)和HCN的低水平。这些数据由盒子和须图在图5中。本研究表明,呼出的气息HCN的水平可能作为一种非侵入性的生物标志物的存在和严重性巴勒斯坦权力机构感染。如果这是通过进一步的研究证实,它可以给临床医生的大力支持在监测和缓解这个衰弱的症状感染和囊性纤维化。

仪表和未来的角度

已经取得了显著的成就在过去十年的发展SIFT-MS正在利用在几个领域的研究。一些试点研究的领域进行了列于表1。最初SIFT-MS发展是由利用一个大型实验室筛选工具。²最近的发展真正的便携式仪器,剖面3(仪器科学、克鲁、英国),质量120千克,已经大大提高了灵敏度^2,8,能够很容易地坐落在环境如医院病房直接呼吸分析和在工厂环境空气监测。小工具基于SIFT-MS原则设想,手持工具旨在量化单微量气体/代谢物可能最有可能基于光谱学或传感器。半岛综合体育官方APP下载德甲这些将允许即时筛选实时、非侵入性的呼吸分析、等疾病早期糖尿病(丙酮作为一个可能的生物标志物)和肾脏疾病(氨)。这样必然会扩大范围的呼吸分析和提供动力小说SIFT-MS在其他领域中的应用。

表1。一些地区的应用SIFT-MS已经驾驶了。

确认

我们感谢我们所有的同事,在基尔SIFT-MS进步做出了贡献,布拉格,尤其是安德烈Pysanenko Tianshu Wang贝斯恩德比,Kseniya Dryahina,西蒙·戴维斯罗杰·布卢尔沃伦Lenney,爱德华·霍尔和克莱夫。工人。

引用

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