Anal. Chem.：口罩微萃取质谱分析技术有望用于疾病诊断

近日，美国化学会新闻周刊 (ACS News Service Weekly PressPac) 报道了暨南大学胡斌与同事发表在Analytical Chemistry 期刊上的最新研究成果。该成果介绍了一种通过日常佩戴口罩实现人体呼出气溶胶的原位萃取并用于后续直接质谱分析的新方法，成功地实现了人体呼出气溶胶中药物及代谢物的检测，有望用于口鼻及呼吸相关疾病的诊断。

在空气中有飘尘、细菌和病毒等场合，人们通常需要佩戴口罩阻挡有害物的吸入，但在佩戴口罩时人们通常能感受到阻滞感，尤其是佩戴KN95/N95防护口罩时。被阻滞在口罩内的人体呼出物是由大量挥发性物质、水汽以及融合在水汽小液滴中的不挥发性物质和生物基质等复杂成分组成的气溶胶。人体呼出气溶胶的成分与人体的生理、疾病及行为具有密切关系，呼出气溶胶的分析已被用于某些疾病或行为的鉴定，同时也面临着标志物含量低、动态变化快、基质干扰大的挑战。呼出气溶胶分析通常有两种模式：在线分析和离线分析。在线分析具有实时在线获取人体呼出物成分的优点，可以快速识别特异性标志物，但是通常只能用于检测分析物浓度达到仪器灵敏度的成分，难以用于分析超痕量的成分。离线分析通常使用采气袋或采气瓶收集呼出气溶胶，可以收集足够量的样本用于发现更多痕量标志物，但采集过程通常需要主动吹气和专业协助。因此，呼出气溶胶中痕量分析物的检测是分析科学的一个难题。

暨南大学胡斌及同事巧妙地通过在口罩中插入固相微萃取探针发展了口罩微萃取技术，人们在日常佩戴口罩时就能实现呼出气溶胶中痕量成分的富集，探针在富集样品后可以非常便捷地取下并用于质谱分析，快速获得呼出气溶胶的分子信息，从而建立一种口罩微萃取质谱分析新方法（图1）。

图1. 口罩微萃取质谱分析人体呼出气溶胶。

为测试该方法的可行性，作者首先测试了口罩微萃取质谱，对比分析了背景信号与呼出气溶胶的指纹谱图，并且考察了咀嚼口香糖、食用香蕉和大蒜后呼出气溶胶，成功地在呼出气溶胶中检测到口香糖中的凉味剂、香蕉中的丁酸丁酯、以及大蒜中的挥发性硫化物等摄入物的挥发性标志物。此外，还考察了呼出气溶胶中人体代谢物的检测，例如在受测者吸烟后4小时的呼出气溶胶中检测到了尼古丁及其代谢物可替宁（图2a）。为了进一步验证口罩微萃取技术的适用性，研究还使用气相色谱-质谱联用仪验证了受测者吸烟后呼出气溶胶中尼古丁的检测（图2b）。

图2. 吸烟后呼出气溶胶中尼古丁的质谱检测：a)直接质谱检测，b)常规气质联用检测。

研究还考察了KN95口罩与普通外科口罩对尼古丁萃取的影响，与普通医用口罩相比，在KN95口罩中获得的尼古丁信号强度更高，这意味着尼古丁的富集效率与KN95口罩内具有更大呼出压力有关。这些挥发性物质的口罩微萃取采样本质是一种顶空采样，针对目标分析物的挥发性和极性等物化性质，可以选取不同功能的微萃取探针实现高效富集。

除了挥发性有机物，研究还发现半挥发性和难挥发性物质也能被口罩微萃取质谱检测。例如，在饮用咖啡后，在呼出气溶胶中检测到了咖啡中半挥发性的咖啡因标志物（图3a）。研究还成功地检测到口腔漱口水和药物中的难挥发性药物成分。此外，研究还对鼻腔呼出气溶胶进行了分析，发现鼻腔喷入的药物成分也能成功地通过口罩微萃取质谱技术检测（图3b），这些结果证实了呼出气溶胶中含有大量难挥发性物质，意味着口罩内空间中融合了大量非挥发性物质的水汽微滴可能会以非特异性吸附的方式粘附在微萃取探针上从而被直接检测到。

图3. 口腔与鼻腔呼出气溶胶中难挥发性成分的分析：a)饮用咖啡后的呼出气溶胶，b)鼻腔喷入布地奈德气雾剂后的呼出气溶胶。

口罩微萃取技术可以在日常生活中以自由呼气的方式实现长达数小时的连续采样，不影响采样者的正常生活，为采样带来了极大的便利，而且具备安全无创、舒适高效、操作简便等优点。此外，口罩还减少了空气中吸入物的干扰和影响，甚至可以同时插入多根探针用于增强目标分析物的富集，并且探针还可以重复利用。口罩微萃取结合直接质谱分析新技术实现了对痕量成分高灵敏度、高特异性和高通量的分析。特别地，口罩微萃取采样能够在时间上和空间上与质谱分析过程分离，探针在口罩采样后可以抽出进行灭菌处理、密封存储与运输等，然后再用于后续分析，这对于具有生物危害的呼出气溶胶，如含有传染性病毒的临床呼出气溶胶样本的采集与分析具有重要的安全保障和实际应用价值。因此，口罩微萃取质谱分析新技术有望适用于日常大批量口鼻及呼吸疾病相关的呼出气溶胶分析，在临床分析与疾病诊断具有广阔的潜在应用前景。

本项工作是作者对其前期有关于生物与人体复杂样品质谱分析研究成果（Anal. Chem., 2019, 91, 9430-9434; Anal. Chem., 2020, 92, 6207-6212）的延伸与拓展，文章一经发表后，立即被Science Daily, Daily Mail, Phys. Org, Newsbreak 和The Medical News等20 多家海外新闻媒体报道。

该研究得到国家自然科学基金青年基金与暨南大学科研启动基金的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Solid-Phase Microextraction Fiber in Face Mask for in Vivo Sampling and Direct Mass Spectrometry Analysis of Exhaled Breath Aerosol

Zi-Cheng Yuan, Wen Li, Lin Wu, Dou Huang, Manman Wu, Bin Hu*

Anal. Chem., 2020, 92, 11543–11547, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c02118

导师介绍

胡斌

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