即时检测七氟烷的便携式质谱装置和方法
阅读说明：本技术 即时检测七氟烷的便携式质谱装置和方法 (Portable mass spectrum device and method for immediately detecting sevoflurane ) 是由 侯可勇 刘兵 刘瑞东 董丰硕 党敏 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及即时检测七氟烷的便携式质谱装置和方法。所述装置为：质谱分析器包括磁增强光电子电离(MEPEI)源,质量分析器及其真空结构；呼出气通过进样毛细管引入到磁增强光电子电离源中；七氟烷定量校准装置模拟人体呼出气；通过七氟烷定量校准装置得到七氟烷定量曲线。MEPEI电离源是由紫外灯发射的紫外光照射金属表面通过光电效应产生冷光电子,冷光电子经过磁场和静电场调制后碰撞电离样品气体,MEPEI电离源定量分析不受水蒸气影响,无需样品前处理,能够实时、连续监测病人呼出气中七氟烷。便携式质谱装置和方法可对高湿度呼气七氟烷进行POC检测。(The invention relates to a portable mass spectrum device and a method for detecting sevoflurane in real time. The device is as follows: the mass spectrometer comprises a magnetic enhanced photoelectron ionization (MEPEI) source, a mass analyzer and a vacuum structure thereof; introducing the exhaled air into a magnetic enhanced photoelectron ionization source through a sample injection capillary; the sevoflurane quantitative calibration device simulates the exhaled breath of a human body; and obtaining a sevoflurane quantitative curve through a sevoflurane quantitative calibration device. The MEPEI ionization source irradiates the metal surface by ultraviolet light emitted by an ultraviolet lamp to generate cold light electrons through a photoelectric effect, the cold light electrons are modulated by a magnetic field and an electrostatic field and then collide with ionized sample gas, quantitative analysis of the MEPEI ionization source is not influenced by water vapor, sample pretreatment is not needed, and sevoflurane in exhaled breath of a patient can be continuously monitored in real time. The portable mass spectrometry device and method can be used for POC detection of high-humidity expiratory sevoflurane.)
技术领域
本发明属于质谱分析技术领域，具体属于磁增强光电子电离便携式飞行时间质谱分析领域，具体涉及即时检测七氟烷的便携式质谱装置和方法。
背景技术
公开该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。七氟烷(Sevoflurane，化学名称为氟甲基-六氟-异丙基醚，C4H3F7O)是新型吸入麻醉剂，麻醉诱导、清醒快，且具有低的血气分配系数(0.69)，是一种较理想的吸入麻醉剂。研究表明，呼出气七氟烷浓度与血中七氟烷浓度具有一定的相关性。已经有研究表明患者术后躁动症状与七氟烷麻醉剂有直接关系，但是苏醒期呼气七氟烷浓度与术后躁动症状的直接联系以及针对性的即时(Point-of-Care，POC)检测鲜有研究。因此，对呼气七氟烷浓度进行检测，可以更好地指导麻醉诱导，降低术后躁动症状的发生概率，减少患者的不适，为了更好地收集临床信息并进行诊断，实时在线监测手段必不可少。
POC检测在个性化医疗中起着重要作用。由于POC检测操作简单，可以覆盖医疗设施有限的国家和地区，人们正在大力推动医疗分析技术向POC分析的转移。
临床常用的七氟烷检测模块由于灵敏度低，无法满足对患者苏醒期七氟烷浓度的实时监测。目前，对于七氟烷的检测，有很多常用的方法，比如质子转移质谱(PTR-MS)、气相色谱质谱联用(GC-MS)、离子迁移谱(IMS)等。除此之外有的研究中提出了色谱与表面声波传感器联用对呼出气丙泊酚和七氟烷进行同时检测，为了保证检测结果的准确性和可靠性，其采用GC-MS对七氟烷浓度进行校对。然而GC-MS需要样品预处理，测试周期较长，无法满足在线实时监测的目的，PTR-MS存在体积大、无法实现POC检测、很难与呼吸机等医疗设备放在同一侧同时运行。由于分辨率有限和信号漂移，IMS存在监测浓度范围小和容易产生误报等问题限制了其临床应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供即时检测七氟烷的便携式质谱装置和方法。解决了目前七氟烷的检测范围窄、检出灵敏度不够的问题，能够实现对患者苏醒期呼出气中七氟烷浓度的实时监测进而实现七氟烷麻醉剂病人苏醒后躁动症及时发现和治疗。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，即时检测七氟烷的便携式质谱装置，包括：
质谱分析器包括磁增强光电子电离(MEPEI)源，质量分析器及其真空结构；
进样毛细管，进样毛细管一端伸入到磁增强光电子电离源中；
七氟烷定量校准装置，与进样毛细管另外一端连接，输出模拟的气体。
本申请能够实现对患者呼出气的七氟烷进行定量检测。通过七氟烷定量校准装置先对质谱分析器中输入模拟的气体(可以是人体呼出气)，得到七氟烷定量曲线，然后根据七氟烷定量曲线才能对人体的呼出气进行定量检测。能够得到患儿苏醒期清醒时间与七氟醚浓度的关系图，及时的判断出患儿的情况。
通过七氟烷定量校准装置和质谱分析器的联合使用，能够及时的判断出患者的情况。
在本发明的一些实施方式中，七氟烷定量校准装置包括空气源、二氧化碳源、加热装置、水容器、混合气容器、注射器，水容器置于加热装置中，空气源和二氧化碳源分别与一个水容器连接，水容器的出气口与混合气容器连接，注射器与混合气容器连接。通过空气源和二氧化碳源模拟人体呼出气，通过加热装置，对其进行加热，方便进行模拟人体呼出气的温度，通过水容器，模拟呼出气的湿度，注射器注入七氟烷，方便得到标准曲线。
在本发明的一些实施方式中，还包括进样加热管，进样管出入加热管中心孔进行加热。进样管进入人体的呼出气，进行检测。
在本发明的一些实施方式中，磁增强光电子电离(MEPEI)源包括紫外灯和电离结构。
MEPEI电离源是由紫外灯引发的电离源，紫外灯照射金属表面由光电效应产生冷光电子，冷光电子经磁场与电场调制后与样品气体接触进行电离，相比于现有的热电子电离源，MEPEI能够具有不受水蒸气影响的特点，无需样品前处理，能够实时监测病人呼出的气体，有利于连续监测不间断。在一定的湿度范围内检测信号更稳定。
在本发明的一些实施方式中，MEPEI电离结构包括电离区和离子透镜，电离区和离子透镜相互隔开设置，电离区设置推斥电极、引出电极、环形磁铁和Skimmer电极，环形磁铁环绕引出电极设置，推斥电极与引出电极相对设置，并形成离子传输通道，紫外灯的发出端与离子传输通道相对。推斥电极、引出电极和Skimmer电极之间形成电离区，紫外灯照射Skimmer电极发出的光电子进入到电离区，与气体中的七氟烷发生碰撞，使七氟烷被电离。
在本发明的一些实施方式中，电离区末端设置相对的离子透镜，并形成离子传输通道。进一步，还包括壳体结构，壳体结构上与离子透镜相对的位置设置狭缝。狭缝为MEPEI电离源的出口，即质量分析器离子垂直入口。离子透镜对离子具有聚焦和整形的作用，然后通过狭缝垂直进入到质量分析器中。
真空结构，用于控制电离源和质量分析器中的气压，维持电离、离子的运动过程的稳定进行，分别与MEPEI电离源和质量分析器连接。
在本发明的一些实施方式中，真空结构与MEPEI电离源的连接口设置两个，分别与电离产生结构和离子透镜对应。
电离区和离子透镜之间相互隔开设置，形成两个相对独立的真空密封区，为了能够方便分别控制电离区和离子透镜的真空度。
在本发明的一些实施方式中，真空结构为三级差分分子泵。
在本发明的一些实施方式中，质量分析器为飞行时间质量分析器(TOFMS)。
在本发明的一些实施方式中，质量分析器包括检测器、脉冲加速电极、反射电极，采用垂直加速反射式结构。
质量分析器设置有脉冲加速电极、反射电极，脉冲加速电极用来给离子一个水平方向的速度。飞行时间质量分析器中，飞行时间越长其分辨率越高，增加反射电极就是增加离子的运动长度。脉冲和加速电极垂直引入离子并加速离子，然后离子运动到反射电极的位置回头到达检测器的位置。
第二方面，即时检测七氟烷的方法，所述方法步骤如下：
先利用模拟气体进行检测得到七氟烷定量曲线，得到定量校准方程；
气体样品与MEPEI电离源产生的光电子碰撞后被电离成为离子，然后在离子透镜的作用下进入到质量分析器；
离子在质量分析器内经过脉冲加速电极的作用，到达反射电极的位置，然后到达检测器的位置。
在本发明的一些实施方式中，得到定量标准方程的方法为：利用七氟烷定量校准装置输出标准气体通过加热管到质谱分析器中进行分析；进一步，空气源和二氧化碳源分别输出空气和二氧化碳气体进入到水容器中，水容器中置入水，空气和二氧化碳气体经过水后进入到混合气容器中，通过注射器注入七氟烷气体，然后混合气容器输出的气体进入到加热管中后，进入到质谱分析器中进行分析。
在本发明的一些实施方式中，真空结构与电离区和离子透镜的真空抽气流速分别为6-8L/s、28-32L/s；进一步为7L/s、30L/s。
在本发明的一些实施方式中，真空结构与质量分析器的真空抽气流速为55-65L/s；进一步为60L/s。
质量分析器中的抽气流速是最高的，气压是最低的，电离区和离子透镜的气压相比于质量分析器中高。因为质量分析器需要很低的气压，来保证空气分子不干扰离子的飞行。
在本发明的一些实施方式中，质量分析器中的真空度为≦3×10-3Pa；在本发明的一些实施方式中，MEPEI电离源的电离区的气压为1.07Pa。
在本发明的一些实施方式中，气体样品的进气流速为0.3-0.8mL/min；进一步为0.4mL/min。或，气体样品的进气温度为85-95℃；进一步为90℃。
在本发明的一些实施方式中，MEPEI电离源施加的电压为20-25V；进一步为23V。在推斥电极到Skimmer电极之间施加23V的电压差，增加电离效率。电压改变会对电离效率产生影响，进而影响灵敏度，将电压调整到目前的23V，是检测七氟烷灵敏度最高的情况，为最优方案。
在本发明的一些实施方式中，七氟烷的特征峰为[C4H3F6O]+(m/z 181)。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
便携式MEPEI-TOFMS具有无需样品前处理、检测浓度范围广、分辨率与灵敏度较高、响应速度快、可实时在线连续监测以及便携度高等优点，且MEPEI电离源的使用使水蒸气对检测结果无影响。因此本发明提出了一种可实时在线监测的便携式MEPEI-TOFMS，可对患者苏醒期的高湿度呼气七氟烷进行POC检测，根据检测结果制定麻醉方案，可以更好地指导麻醉诱导，降低术后躁动症状的发生概率，减少患儿的不适。
MEPEI电离源与质量分析器、真空结构进行配合，真空结构控制MEPEI电离源和质量分析器的真空条件，并且能够控制与MEPEI电离源和质量分析器的气压差别；质量分析器垂直引入离子，通过加速、反射后到达检测器被检测，然后得到七氟烷的检测质谱图。
紫外灯发出真空紫外光照射到金属表面，由广电效应得到冷光电子，光电子通过磁场和静电场的能量调制，电离七氟烷，MEPEI中冷光电子定量不受水蒸气影响，无需样品前处理，能实时、连续监测病人呼出气中七氟烷。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1：即时检测七氟烷的装置的整体结构图；
图2：即时检测七氟烷的装置的局部结构图；
图3：七氟烷的质谱图；
图4：在61.6％至95％相对湿度范围内10、100、1000ppmv七氟烷的信号强度图；
图5：(a)浓度为0.5-80ppmv的定量曲线(b)浓度为80-2000ppmv的定量曲线和(c)浓度为2000-15000ppmv的定量曲线(d)600ppmv七氟烷的RSD曲线；
图6：46例患儿苏醒期清醒时间与七氟醚浓度的关系图；
图7：POC检测流程图；
其中，1.进样及离子化区，2.质量分析器，3.MEPEI电离源，4.仪器校准装置，5.壳体，6.紫外灯，7.连接口，8.推斥电极，9.引出电极，10.环形磁铁，11.Skimmer电极，12.离子透镜，13.狭缝，14.电磁阀，15.进样毛细管，16.尾气管转接头，17.加热管，18.校准气体进样管，20.脉冲加速电极，21.反射电极，22.检测器，23.三级差分分子泵。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
即时检测七氟烷的装置包括：MEPEI电离源3，包括紫外灯6和电离结构；质量分析器2，包括进行配合的脉冲加速电极20、反射电极21和检测器22，MEPEI电离源3的出口与质量分析器2连接；真空结构，分别与MEPEI电离源3和质量分析器2连接。
电离结构包括电离区和离子透镜，电离区和离子透镜相互隔开设置，电离区设置推斥电极8、引出电极9、环形磁铁10，Skimmer电极11，环形磁铁10环绕引出电极9设置，推斥电极8与引出电极9相对设置，并形成离子传输通道，紫外灯6的发出端与离子传输通道相对。
电离区末端设置相对的离子透镜12，并形成离子传输通道。还包括壳体5结构，壳体5结构上与传输通道相对的位置设置狭缝13。
真空结构与MEPEI电离源的连接口7设置两个，分别与电离产生结构和离子透镜相对。真空结构为三级差分分子泵23。
还包括进样毛细管，进样毛细管伸入到MEPEI电离源的推斥电极对应的离子传输通道。进样部分和MEPEI电离源形成进样及离子化区1。呼吸机依次与尾气管转接头16、进样毛细管15、电磁阀14、加热管17连接，还包括仪器校准装置4，仪器校准装置4包括校准气体进样管18，校准气体进样管18与电磁阀14连接。
检测器为飞行时间质谱仪(TOFMS)。
实施例2
即时检测七氟烷的装置包括MEPEI电离源和质量分析器两部分，尺寸为400×340×250mm，重量为17kg，检测范围从m/z 15到500，在m/z 106时分辨率可达1500(FWHM)，每60s采集一张质谱图得到患者的呼气七氟烷浓度，正常工作条件下功耗约为70W，用于POC检测；
在靠近Skimmer电极处的侧壁面上有一进样口，使用外径为1/16英寸，内径为150μm，长度为105cm的PEEK毛细管，样品气体利用腔体内外真空压差进入电离区，进气流量为0.5mL/min，正常工作时电离区气压维持在1.07Pa，进样管路上装有加热管，将进样毛细管温度稳定在90℃；
使用转接头将患者呼气管路与进样毛细管连接。
使用基于真空紫外灯的MEPEI电离源，MEPEI电离源由冷光电子产生，具有不受水蒸气影响的特点，无需样品前处理，可以直接在线实时稳定监测湿度高达90％的呼出气体；如图4所示，在61.6％至95％相对湿度范围内分别对10、100、1000ppmv七氟烷标气进行检测，在不同湿度下RSD值分别为0.75％、0.76％、0.75％，证明湿度对检测无影响且信号稳定；
在推斥电极到Skimmer电极之间施加23V的电压，大大增加电离效率。
呼出气体通过毛细管直接进入电离区，七氟烷分子与MEPEI电离源产生的光电子碰撞后经过被电离24，在电场作用下经过电离区与离子透镜后通过狭缝进入质量分析器，使用三级差分分子泵将质量分析器腔体内真空维持在3×10-3Pa以内，离子经过加速区和反射器后到达检测器被检测，最后在显示界面19得到七氟烷的质谱图如图3所示；
样品的碎片峰位置分别在[C4H3F7O]+(m/z 200),[C4H3F6O]+(m/z 181),[CH(CF3)2]+(m/z 151),[C3F5]+(m/z 131),[C3H5F2]+(m/z 79),[CF3]+(m/z 69),[CHF2]+(m/z 51),
[CH2F]+(m/z 33)处，其中[C4H3F6O]+(m/z 181)离子碎片较大，且该处碎片峰信号强度较高，所以选择该特征峰为七氟烷定量。
调整电磁阀14至b c接通，将便携式MEPEI-TOFMS与仪器校准装置相连。仪器校准装置包括高纯空气、二氧化碳、流量计、水浴锅、烧瓶、玻璃管、微量注射器、气袋、外径为6mm的特氟龙管、PEEK毛细管。水浴锅温度控制为38℃，气体经过烧瓶鼓泡后，使其温度在38℃且湿度高于90％RH。用流量计控制高纯空气和二氧化碳按比例混合，经过水浴锅后进入1L的泰德拉气袋，从气体组分、温度、湿度等多方面模拟人体呼出气；使用微量注射器按浓度梯度对七氟烷标准品进行注入，混合后通过PEEK毛细管进入质谱仪器，使用封口膜和外径为6mm的特氟龙管连接气体出口。使用该系统对仪器校准并且制作标准曲线后，将电磁阀调整到a c接通，进行呼气七氟烷的检测。
如图5所示，校准曲线分为三个部分，即低浓度0.5-80ppmv、中浓度80-2000ppmv和高浓度2000-15000ppmv，线性系数(R2)高于0.9882；
对600ppm七氟烷进行42分钟的连续监测，以进行定量稳定性实验，信号强度的相对标准偏差(RSD)仅为1.24％。
对46名患者进行术后苏醒期的跟踪监测得到患儿苏醒期清醒时间与七氟醚浓度的关系图如图6，发现术后躁动患儿苏醒时间与正常患者一致，但呼气七氟烷浓度高于正常患者；
正常患儿完全苏醒时呼气七氟烷浓度均低于400ppmv；
术后躁动患儿在完全苏醒时呼气七氟烷浓度均高于500ppmv，且在一段时间内保持在较高浓度。
确定患者术后躁动症状与苏醒时七氟烷浓度有关，通过对术后患者苏醒期的实时跟踪POC检测，确定POC检测流程如图7。其中，with up without restlessness表示自主苏醒，sevoflurane concentration at awakening表示觉醒时七氟醚浓度。
如果患者自然醒来时呼气七氟烷浓度高于500ppmv，则患者有很高的躁动风险，需要继续注射丙泊酚，直到患者呼气七氟烷浓度低于200ppmv并自主苏醒；
如果患者自然醒来时呼气七氟烷浓度远低于500ppmv，则确认患者不会出现躁动症状。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。