导语
我们的每一口呼气都包含着上百种微量的挥发性有机物（volatile organic compound，VOC），这些VOCs中包含着可反映我们身体各器官生理状态、病理状态的生物信息，这些生物信息可以作为疾病诊断和健康监测的依据。在疾病研究中，采用呼气代谢组的思路，通过研究健康人群和疾病人群呼气VOCs图谱，发现具有统计学意义的VOCs差异成分，进而对相关成分进行鉴定或采用模式识别算法建立统计学模型，用于疾病早期诊断与精准治疗。目前，在感染性疾病，癌症，慢性疾病等方面已经有文献和实验证明其应用潜力，国际上也有多家公司和研发团队在这些方向积极布局。
呼气VOCs处于痕量水平（ppb-ppm级别），一般采用高灵敏度的分析仪器或传感器进行检测，检测前采用直接吹气或气袋收集或专用富集装置等不同方式采集样本。质谱法是目前的主流技术手段。
壹
呼气质谱主要技术路线
1.
选择性离子流管质谱（SIFT-MS）
选择性离子流管质谱（SIFT-MS）是一种成熟的呼气分析方法，已被广泛应用于健康人体呼出气体研究，同时也有一定数量的临床研究。大多数研究利用了SIFT-MS的优势进行目标物分析，如胃食管反流病患者的乙酸定量，或2型糖尿病患者呼气中丙酮的定量分析。
SIFT-MS的原理如图1所示。它是基于化学电离的原理，简单来说，在微波等离子体中产生反应物离子(H3O+，NO+和O2+)，并经过四极滤质器选择所需的离子。而后反应物离子被引入一个充有氦气的漂移管，待测样品也在此处被引入，二者在此处发生反应，样品分子被电离，生成的样品离子被一个低分辨的四极杆质谱仪检测。
SIFT-MS的LOQs范围在pptv-ppbv之间，其质量范围最高到300 Da，质量分辨率则受四极杆质谱仪的限制，因此同分异构体和相同质量数的化合物不能被分离（小编注：四极杆质谱也不允许非靶向物种鉴别non-targeted analysis）。对相同质量数的化合物进行分析的一种方案是使用多种反应物离子进行选择性离子化，如醛和酮可以利用其与H3O+或NO+的化学反应不同而进行区分。
图1 SIFT-MS原理示意图
2.
质子转移反应质谱（PTR-MS）
质子转移反应质谱（PTR-MS）始于环境研究领域，近年来在生命科学领域的应用研究越来越多。和SIFT-MS一样，PTR-MS依赖于化学电离。基于来自反应物离子的质子转移，待测样品被电离并通过质谱分析。然而，与SIFT-MS相比，这种方法主要使用H3O+作为质子源。如图2所示，水蒸气被引入离子源中放电，产生了主要成分为H3O+离子的羽流。之后离子羽流通过与H2O的碰撞反应得到进一步纯化。与SIFT-MS不同的是，PTR-MS不需要使用额外的四极滤质器，产生的（小编注：同时高浓度）纯反应物离子羽流直接引入漂移管，气态待测样品在漂移管中被电离，随后用质谱仪分析样品离子。由于漂移管长度固定，质子从试剂离子转移到样品的反应时间也固定，因此可以进行定量分析（小编注：更重要的是对无法做标定的物种做半定量分析，对于呼气中常见的活性含氧化合物及其关键，极大的拓展了可检出的分析物种种类和浓度信息）。但是在漂移管中，萜烯一类的挥发性有机化合物会破碎，极大地复杂化了质谱分析和绝对定量。由于样品气本身在漂移管中充当缓冲气体，避免了样品的稀释，因此与SIFT-MS相比PTR-MS具有更高的灵敏度（小编注：PTR-MS灵敏度更高的一个主要原因是无需SIFT离子源后端的四级杆进行母离子进一步筛选，因为PTR-MS离子源尝试的母离子已经足够纯，一般97%或以上）。
PTR-MS的质量分析器类型包括四极杆(PTR-Q MS)、TOF质量分析器(PTR-TOF MS)，以及四极杆与TOF的联用(PTR-QTOF MS)。新型PTR-TOF仪器的质量分辨率m/Δm高于10000，这是化合物识别的关键。商品化的PTR-MS已被用于癌症筛查、新冠诊断的研究。
图2 PTR-MS原理示意图
3.
二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）
1986年和1994年，Fenn课题组和Hill课题组发现，电喷雾电离(electrospray ionization, ESI)不仅能够电离溶解在喷雾溶剂中的分子，也能够电离存在于电离区环境中的化合物。他们意识到电喷雾形成的初级离子可以诱导与电喷雾接触的气相分子发生二次电离。这最终被Hill和同事在2000年报道为一种独立的技术，并被称为二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）（小编注：同时间在瑞士ETH Zenobi课题组陈焕文老师也开展了Extractive ESI/EESI方法的研发和呼气分析应用）。SESI-MS的原理如图3所示。在纯净的溶剂内添加能够增加电导率的添加剂，通过电喷雾以产生初级离子。然后，待测样品气化后被引导到电喷雾上，通过质子转移反应电离。这个过程是软电离过程，对大多数反应来说主要产生分子离子，到目前为止，人们对其机制还没有完全了解。
SESI-MS对极性化合物最为敏感，其灵敏度能够达到低于ppbv级别。除了电离时的高效和软电离特性，SESI最大的优点是其模块化。由于它能够在环境压力下工作，因此它可以和现在任何敞开式进样的质谱仪相结合（小编注：SESI和EESI都适配于TOFWERK API TOF质谱系列），这允许使用最先进的高分辨率质谱仪的MS/MS功能。迄今为止在线呼吸气分析得到的最高质量分辨率(>140,000)和最大质量范围(m/z > 600)便是此种检测方式得到的。
虽然SESI是一项较新的技术，但是研究者已经将其拓展到各种各样的应用范围中，包括非法药物、化学战剂和爆炸物的检测，以及食物和皮肤的分析，细菌培养以及最重要的呼气检测。
图3 SESI-MS原理示意图
4.
膜进样质谱仪（MIMS）
膜进样质谱仪（MIMS）是通过半透膜结合质谱仪直接采样气态、液态或固态样品中的分析物。膜(基于聚二甲基硅氧烷或全氟磺酸/聚四氟乙烯材料)作为屏障，通过渗透蒸发过程排除样品基质保留分析物。最常用的电离方法是电子电离源和化学电离源，后者减少了分析物的碎裂并避免了谱峰重叠。
近年来，基于MIMS的一些方法已被开发用于人类疾病的诊断/治疗、生理缺陷的检测和健康风险的识别。从呼吸气中获得的人体化学特征也被用于侦查非法贩卖人口，非法运输受限或有害物质，以及自然灾害后受害者的早期定位。在这种情况下，质谱仪的小型化非常重要。与其他非分离技术相比，MIMS的尺寸、成本和重量更低，为实时分析提供了可能。
5.
GC-TOF-MS和GC×GC-TOF-MS
飞行时间质谱仪也可用于分析呼气中的VOCs，其主要优点是高质量分辨率和在短时间内能够获得多张谱图。GC-TOF-MS已成功应用于肺癌的临床检测，Gaspar和同事研究了健康志愿者、吸烟者和非吸烟者，以及化疗前和化疗后肺癌患者呼出气成分的相关性。他们聚焦于单链和支链的C8到C24的碳氢化合物。在0.04至8.0 ppbv水平的灵敏度和低于26%的RSD表现出了该方法的有效性。
贰
呼气质谱的主要应用场景
1.
呼气质谱与新冠肺炎
人体受到感染后，呼气VOCs中除了人体正常代谢产物外，还包含了微生物病毒代谢过程的产物，以及人体对感染以及炎症应激反应过程所产生的代谢产物。因此，呼气VOCs的指纹图谱发生变化，有望成为感染性疾病的早期快速检测的突破口，具有重要社会价值和广阔的临床应用前景。
美国食品和药物管理局在4月份紧急授权使用 InspectIR研发的一款呼气质谱 Breathalyzer。该仪器是一款便携式的气相色谱四极杆质谱（GC-MS），采用气相色谱对复杂的呼气VOCs成分进行分离，用四极杆质谱技术对分离后的VOCs进行检测和鉴定分析，可快速检测呼气样本中与新冠病毒感染有关的5种醛酮类VOCs（小编注：这5种醛酮类VOCs均是PTR-MS的理想检测物）。根据FDA发布的声明，在一项针对2409人的研究中，InspectIR的新冠呼气检测产品的敏感性为91.2%，特异性为99.3%。InspectIR 表示该测试比 PCR 甚至快速抗原测试的侵入性更小，速度更快，因此可能对办公室、餐馆和机场等公共场所有用。
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