專利名稱：用于檢測有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)以及分析具有主要和次要成分的氣體混合物的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)的方法，該有機(jī)體和天然產(chǎn)品會將物質(zhì)散發(fā)到周圍的大氣中，其中一種或多種所述的物質(zhì)在一種氣體混合物中得到確定，還涉及一種用于分析有主要和次要成分的氣體混合物的方法，以及用于執(zhí)行所述方法的包括帶氣體輸送系統(tǒng)的質(zhì)譜儀的裝置。
侵襲性方法主要用于評價有機(jī)體和天然產(chǎn)品的狀態(tài)，即從受試者身上提取試樣，然后在實驗室中進(jìn)行分析。例如，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷中，臨床表現(xiàn)和代謝紊亂在人體中的確定主要是通過血、尿和大便的檢測。這些方法的缺點首先是取樣直接影響受試者。第二，它們有時需要精密取樣，如由醫(yī)師在人體上進(jìn)行的血液采集。另外，試樣分析本身只能由受訓(xùn)人員進(jìn)行并且這種分析大多需要耗費大量的時間。
另外，如人體呼出氣體的13C分析這樣的方法是公知的用質(zhì)譜儀來確定胃炎幽門螺桿菌感染的方法，這種方法的缺點是需要非常精確地調(diào)整來確定一定的成分并且僅能在一個窄濃度范圍內(nèi)確定該成分。而且，在分析氣體混合物之前，受試者必須服用一種激發(fā)物，或者在采樣后將試樣預(yù)處理，如濃縮。
在氣體混合物分析領(lǐng)域，已知的許多方法應(yīng)用質(zhì)譜儀如氣體色譜質(zhì)譜結(jié)合(GC/MS)。這些方法的缺點是在不同濃度范圍內(nèi)檢測一種氣體混合物的幾種成分是非常耗時的，并且費用很高。
因此本發(fā)明的一個問題是提供一種評估有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)的方法，該有機(jī)體和天然產(chǎn)品能夠?qū)⑽镔|(zhì)散發(fā)到環(huán)境空氣中，該方法避免了已知現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點。
另外，本發(fā)明的一個問題是提供了一種分析氣體混合物的方法，該方法允許快速測定該氣體混合物的主要和次要成分。
本發(fā)明的另一個問題是提供了一種分析氣體混合物的裝置，該裝置適合執(zhí)行上述方法并且允許快速分析在一個其成分處于寬的濃度范圍內(nèi)的氣體混合物的試樣。
本發(fā)明基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即上面提到的問題可以借助于一個質(zhì)譜儀解決，在該質(zhì)譜儀中一個離子束在高真空狀態(tài)以這樣一種方式作用于分析的氣體混合物的試樣，即該測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離。
因此本發(fā)明提供了一個用于評估有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)的第一方法，該有機(jī)體和天然產(chǎn)品能夠?qū)⑽镔|(zhì)散發(fā)到環(huán)境空氣中，其中一種或更多種物質(zhì)作為氣體混合物成分被檢測，該檢測由一個質(zhì)譜儀來完成，在該質(zhì)譜儀中一個離子束在高真空狀態(tài)以這樣一種方式作用于該氣體混合物的試樣，即該測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離，并且評價檢測獲得的值用于確定狀態(tài)。
本發(fā)明的方法可以用于評估有生命或無生命的有機(jī)體及其局部的狀態(tài)，以及各類天然產(chǎn)品。依據(jù)本發(fā)明的天然產(chǎn)品是指如水果、蔬菜、肉類、牛奶等天然產(chǎn)品，通過自然生產(chǎn)方法得到的產(chǎn)品如葡萄酒、啤酒、奶酪、食用油等，以及通過加工天然產(chǎn)品而獲得的產(chǎn)品如咖啡豆、熏火腿。
依據(jù)本發(fā)明的氣體混合物是指不僅包括在室溫下是氣態(tài)的主要成分而且還包括處于由該主要成分形成的氣相中的成分。
質(zhì)譜儀可以從例如EP0290711，EP0290712和DE19628093中獲知，在該質(zhì)譜儀中一個離子束在高真空狀態(tài)以這樣一種方式作用于該氣體混合物的試樣，即，使測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離。這些出版物公開的內(nèi)容在此引入作為參考。
本發(fā)明方法的優(yōu)點是不須人工地從要檢測的有機(jī)體或天然產(chǎn)品中采樣，因此避免了對有機(jī)體或天然產(chǎn)品的所有傷害。因此這是一種非侵襲性方法。本方法的另一優(yōu)點是用于分析試樣的方法僅需要在幾分鐘范圍內(nèi)的很短時間。另外，本方法的優(yōu)點是在檢測數(shù)種成分的待分析氣體混合物時，基本上不會產(chǎn)生要確定不能分析單獨檢測成分的成分所引起的麻煩。
在一個優(yōu)選實施例中，本方法用于評估人或者動物的狀態(tài)。不需從檢測主體采樣，如血樣，這種優(yōu)點在此尤其適用，因為這種采樣必須由經(jīng)過訓(xùn)練的人員來操作，例如如果是人的話就是醫(yī)師。另外，這種采樣使人和動物感覺很不舒服。相比較而言，本發(fā)明方法為一種非侵襲性方法，具有這樣的優(yōu)勢，首先采樣不會令人和動物感覺不舒服，其次能夠由未經(jīng)培訓(xùn)的人員操作或者由受試者自己操作。
在一個更優(yōu)選的實施例中，在本發(fā)明方法中人體呼出氣體用作氣體混合物。這提供了這樣的優(yōu)點，首先采樣能夠簡單地進(jìn)行并且其次從呼出氣體中獲得的物質(zhì)使得能夠評估與大量的臨床表現(xiàn)和代謝過程相關(guān)的受試者的狀況。
更優(yōu)選的是，分析的氣體混合物包括主要成分和次要成分，該主要成分的濃度不超過次要成分含量的至少10倍，優(yōu)選50倍，更優(yōu)選100倍。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，分析的氣體混合物包括主要成分和次要成分，至少一種主要成分被確定在大于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于或等于1％的體積濃度范圍內(nèi)，以及至少一個次要成分在小于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)，優(yōu)選在小于或等于0.03％的體積濃度范圍內(nèi)。
更優(yōu)選地，在至少一種主要成分和至少一種次要成分之間建立一種關(guān)系用于評估由質(zhì)譜儀獲得的數(shù)據(jù)。這可以通過例如將一個或更多次要成分的測定與一個或更多主要成分的測定校準(zhǔn)獲得。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，氣體混合物的試樣不經(jīng)預(yù)處理提供給質(zhì)譜儀。這提供了這樣的優(yōu)點，首先縮短了測量一個試樣所需的時間并且其次節(jié)省了預(yù)處理步驟所需的成本，例如試樣的濃縮。
更優(yōu)選地，在本發(fā)明方法中氣體混合物的兩種或更多種具有不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在一次測量中測定。
在一個更優(yōu)選的實施例中，在本發(fā)明方法中在該氣體混合物中所含的一種或者更多種物質(zhì)的濃度被定量測得。既然本發(fā)明方法包括用質(zhì)譜儀測定，在該質(zhì)譜儀中一個離子束在高真空狀態(tài)以這樣一種方式作用于該氣體混合物的試樣上，即該測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離，因此被測物質(zhì)的量與探測信號成線性比例，從而定量測量以一種簡單的方式進(jìn)行。定量測量的另一優(yōu)點在于能夠進(jìn)一步獲得有關(guān)有機(jī)體或天然產(chǎn)品狀況的報告。尤其是，當(dāng)多次測量連續(xù)進(jìn)行時，可以確定物質(zhì)濃度的變化以及由此確定有機(jī)體或天然產(chǎn)品狀態(tài)的變化。
更優(yōu)選的是，至少是一種主要成分的濃度和至少一種優(yōu)選多種次要成分的濃度被定量測定。在本優(yōu)選的實施例中，優(yōu)選的是，在評估質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)之后，借助于一個或多個測試的主要成分的濃度來校準(zhǔn)測定的第二成分的濃度。
在本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明方法僅用于測定在室溫下至少具有10-3毫巴蒸汽壓力的物質(zhì)。更優(yōu)選的是，所有具有大于或等于10-3毫巴蒸汽壓力的氣體混合物的成分被測定。
在本發(fā)明方法的一個更優(yōu)選實施例中，分析的氣體混合物的成分基本上和大氣的成分相同，更優(yōu)選地，分析的氣體混合物的濃度也基本上與大氣成分的濃度或者人體呼出氣體的相同。
在本發(fā)明方法的一個更優(yōu)選實施例中，分析的氣體混合物的所有具有下面特征的成分能夠在質(zhì)譜儀中定量地測量，該成分的分子量至多500，優(yōu)選至多200。
在本發(fā)明的一個更優(yōu)選實施例中，在真空下作用于測試分子上的離子束包括原子離子束。
更優(yōu)選地，該離子束包括處于基態(tài)和/或處于選擇性激發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)的離子。
在本發(fā)明的一個更優(yōu)選實施例中，在高真空狀態(tài)作用于測試分子上的離子束包括至少兩種具有不同電離能的離子束。
在本發(fā)明的一個更優(yōu)選實施例中，在高真空狀態(tài)作用于測試分子上的離子束包括一汞離子束。
在本發(fā)明的一個更優(yōu)選實施例中，在高真空狀態(tài)作用于測試分子上的離子束包括一汞離子束并且還包括一氪離子束和/或氙離子束。
更優(yōu)選地，不同的離子束在該高真空狀態(tài)連續(xù)地作用于測試分子上。
優(yōu)選的是，本方法用于檢測具有小于17電子伏特電離能的物質(zhì)。
本發(fā)明還提供另一種用于由質(zhì)譜儀分析含有一種或者多種主要成分和一種或多種次要成分的混合氣體的方法，至少一種主要成分被測定在大于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)，優(yōu)選在大于或等于1％的體積濃度范圍內(nèi)，以及至少一個次要成分在小于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)，優(yōu)選在小于或等于0.03％的體積濃度范圍內(nèi)，在該質(zhì)譜儀中，一個離子束在高真空狀態(tài)作用于該氣體混合的試樣使得該測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離。
這種方法有這樣的優(yōu)點，允許快速并同時檢測一種氣體混合物的主要或次要成分并且因此能夠得出有關(guān)該氣體混合物的廣泛報告。
在一個優(yōu)選實施例中，在至少一種主要成分和至少一種次要成分之間建立一種關(guān)系用于評估由質(zhì)譜儀獲得的數(shù)據(jù)。這提供了這樣的優(yōu)點例如數(shù)據(jù)的評估可以通過將次要成分的數(shù)據(jù)相對主要成分的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化來進(jìn)行。另外主要成分的比重例如允許推斷和去除不良試樣。
該方法的其它優(yōu)選實施例如在第一方法中所述且可適用于第二方法的那些實施例。
本發(fā)明另外提供一種用于分析氣體混合物的裝置，包括一個帶有氣體輸送系統(tǒng)的質(zhì)譜儀，其中在中真空中產(chǎn)生一來自于分析的氣體混合物試樣的分子束，然后通過一毛細(xì)管中的壓力梯度在高真空下由該束產(chǎn)生第二分子束，且該第二分子束的測試分子電離，所述中真空壓力保持恒定。
本發(fā)明的裝置有以下優(yōu)點，即通過質(zhì)譜儀高真空分析器的第二分子束具有恒定的粒子密度。這樣第二測試分子束的粘滯度保持恒定。另外，該裝置獲得高密度的第二測試分子束，因此對于離子束作用于該測試分子束能夠同時滿足單程碰撞條件。因此首先該質(zhì)譜儀的靈敏度能夠升高到十億分之幾的范圍，并且同時氣體混合物的成分在體積百分比范圍內(nèi)測定。
另外，本發(fā)明裝置的氣體輸送系統(tǒng)對于包含在氣體混合物試樣中的成分是惰性的，因此在測試新試樣之前不必清洗該系統(tǒng)。
優(yōu)選的是，第二分子束的測試分子在離子束離子的內(nèi)能作用下電離。
在本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實施例中，在高真空下作用于測試分子的離子束至少包括兩種具有不同電離能的離子束。
在本發(fā)明裝置的一個更優(yōu)選實施例中，在高真空下作用于測試分子的離子束包括一原子離子束。
更優(yōu)選地，該離子束包括處于基態(tài)的離子和/或處于選擇性激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)的離子。
在本發(fā)明裝置的一個更優(yōu)選實施例中，在真空狀態(tài)作用于測試分子上的離子束包括一汞離子束。
在本發(fā)明裝置的一個更優(yōu)選實施例中，在真空狀態(tài)作用于測試分子上的離子束包括一汞離子束并且還包括一氪離子束和/或氙離子束。
更優(yōu)選地，不同的離子束在該真空狀態(tài)連續(xù)地作用于測試分子上。
在本裝置的一個更優(yōu)選的實施例中，該電離分子束借助于八極控制場存儲。
更優(yōu)選地，中真空的壓力為0.2-200毫巴，優(yōu)選為1-100毫巴，更優(yōu)選5-50毫巴。
優(yōu)選地，高真空的壓力不超過10-7毫巴。
在中真空中的分子束優(yōu)選通過一個處于供給質(zhì)譜儀的氣體混合物和中真空之間的壓力梯度產(chǎn)生，所述混合物的壓力優(yōu)選大于或等于500毫巴。
本發(fā)明方法優(yōu)選包括本發(fā)明裝置的使用。
下面，將陳述本發(fā)明的一些應(yīng)用領(lǐng)域。
人體呼出氣體不僅包括主要成分，氮、氧、水和CO2，也包括400多種揮發(fā)性物質(zhì)。氮和氧共同構(gòu)成呼出氣體的90％以上，CO2大約占5％以及在37℃時水的濃度可以到40毫克每升。相比較而言，在呼吸氣體中其他的揮發(fā)性物質(zhì)大部分僅作為次要氣體存在，它們在濃度上明顯低于主要成分。然而，呼吸氣體中特定的次要成分能夠得出人體健康狀況或者是人體內(nèi)代謝過程的多方面結(jié)論。
例如，呼吸氣體中甲烷的升高可能是由于小腸內(nèi)大腸菌的異常移生造成的，這會在小腸內(nèi)產(chǎn)生甲烷，甲烷通過血管進(jìn)入肺中，因此進(jìn)入呼吸氣體中。另外，某些類型的營養(yǎng)不良也會產(chǎn)生高的甲烷值。
在糖尿病患者中，呼出氣體中丙酮的含量會高。
身體中的癌細(xì)胞可能會引起呼出氣體中乙醛含量升高。
在肝炎患者中，相對乙醇含量的丙醇含量提高大約10倍。
呼出氣體中戊烷水平是體內(nèi)脂肪酶活性變化并引起疾病的一種測定。例如，由于風(fēng)濕性炎癥、吸入高濃度氧引致肺損傷、在心肌梗塞患者以及在有呼吸器官癌癥的患者中，都可以檢測到戊烷水平含量升高。呼出氣體中的戊烷含量也可能伴隨精神分裂癥和多發(fā)性硬化而升高。另外，已經(jīng)確定受試者年齡和其呼出氣體中的戊烷含量呈線性關(guān)系。
在精神分裂癥患者中，還查明了呼出氣體中CS2和H2S的含量過高。
引發(fā)發(fā)炎病灶的菌群在呼出氣體中產(chǎn)生過高的NO含量。
NO和NO2含量的變化確定與胃腸疾病有關(guān)。
在哮喘病患者中，呼出氣體中NO的含量同樣會升高。
由于例如新生兒中的溶血性疾病，呼出氣體中CO的含量升高。
在肺癌患者中，一定的揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量會升高。
在吸煙者中，呼出氣體中2，5-二甲基呋喃的含量升高。
另外，由于口腔惡臭(fetor ex ore)(由口腔局部和鼻咽區(qū)域引起的難聞氣味)和口臭(halitosis)(難聞氣味)，呼出氣體含量將發(fā)生巨大變化。對于這些疾病，通過人體呼出氣體的比較測定法，呼出氣體先通過口腔然后通過鼻子，有可能測定是否有口腔、咽部或鼻部的局部原因，或者是否有另外的疾病存在。
如果由脂解增加引起體內(nèi)脂肪酸高，則呼出氣體中酮的含量將升高。這可以歸因于不同的原因如饑餓或胰島素缺乏(糖尿病)。
對于酮尿癥，同樣測到升高的酮體(乙酰乙酸鹽、R3羥基丁酸鹽和丙酮)濃度。這歸因于糖類代謝失敗引起的肝臟中糖原不足。對于酮酸中毒，例如存在于糖尿病性昏迷、禁食或酒精中毒中，呼出氣體中可以檢測到丙酸和丁酸的含量升高。
對于慢性腎功能不全和尿毒癥，呼出氣體中可以檢測到一種成分的含量如酚升高。
人體內(nèi)細(xì)菌的代謝物如CO2和H2(大腸桿菌)或H2S(變形桿菌)也可以在呼出氣體中發(fā)現(xiàn)。特殊地，對于梭狀牙胞桿菌感染(氣性壞疽菌)，可以檢測到揮發(fā)性脂肪酸。
在食用含脂蛋白的食物后，丙酮和NH3含量比攝入食物前低，所述含量再次只是緩慢地升高。食物攝入后，馬上能夠測得乙醇含量升高，異戊二烯和甲醇的含量基本保持不變。
如果對某些糖不耐受，攝入后在受試者呼出氣體中可以檢測到H2的含量升高。
疲倦時，異戊二烯含量升高。
當(dāng)使用情緒改善藥物時，呼出氣體中氨化合物的種類可能升高。因此，本發(fā)明方法可以用于，例如在操作特殊的運動工具之前，檢測飛行員、火車或汽車司機(jī)。
當(dāng)比賽前服用興奮劑時，如頂級運動員服用，呼出氣體的成分相對于未服興奮劑的運動員有相似變化。因此，在比賽前也要檢查是否服用興奮劑。
因此本發(fā)明方法能夠用來診斷各種類型的臨床表現(xiàn)和人體代謝紊亂。
另外，本發(fā)明方法能夠用于監(jiān)控服藥后有機(jī)體的代謝、監(jiān)控治療措施，例如連續(xù)地檢查愈合過程，并且也用于檢測誘發(fā)性試驗，其中一種物質(zhì)以一定的(高)劑量給藥并且跟蹤人體對物質(zhì)的反應(yīng)。
本發(fā)明方法不限于分析人體的呼出氣體。如也可以采集不同性質(zhì)的人體氣體混合物試樣，例如汗和尿、血、糞便和其他的體液的氣相。
用于汗分析的采樣工作可以由受試者用一小軟團(tuán)收集一些汗來完成，軟團(tuán)上的氣相用于分析。
另外，本發(fā)明方法也可以用于所有以下類型的天然產(chǎn)品的質(zhì)量控制，這些產(chǎn)品類型中，例如一定的氣相氣體物質(zhì)在天然產(chǎn)品上的出現(xiàn)能夠表明該產(chǎn)品變質(zhì)。例如在鮮肉的氣相分析時，首先檢測到乳酸，然后隨著時間的增長逐漸地檢測到NH3，最后檢測到S化合物。
本發(fā)明方法的另一個可以理解的應(yīng)用是檢測遭受BSE的動物，例如通過它們呼出的氣體成分的變化。
本發(fā)明方法的另一應(yīng)用領(lǐng)域來自于發(fā)表于J.Chromatograph.Sci.15(1997)239-244中的、由B.Krotoszynski等寫的文章，該文章描述了通過分析人體呼出氣體分析進(jìn)行診斷的可能性。該文章公開的內(nèi)容在此引入作為參考。
如上述應(yīng)用實例中所表明的，有機(jī)體或天然產(chǎn)品的狀態(tài)通常是對于一定的問題來評估的，例如針對一定的疾病的出現(xiàn)。因此，對于本發(fā)明方法優(yōu)選的是，確定氣體混合物中有關(guān)于特定問題的關(guān)鍵成分。
優(yōu)選的是，在本發(fā)明方法中，至少兩種，更優(yōu)選至少三種，更優(yōu)選至少五種關(guān)鍵成分被確定。另外，優(yōu)選至多二十種，更優(yōu)選至多十種關(guān)鍵成分被確定。
下面將參考更多的優(yōu)選細(xì)節(jié)來描述本發(fā)明的方法和裝置，本發(fā)明的詳細(xì)描述主要涉及人體呼出氣體的分析。


圖1示出了本發(fā)明裝置的示意圖。
圖2示出了實例測量的結(jié)果圖。
試樣的采集以及質(zhì)譜儀試樣的供給可以首先以這種方法完成，在用于分析的氣體混合物所在的氣體部位和質(zhì)譜儀之間直接連接。如果是人體呼出氣體的分析，這可以借助于一個呼吸面具來完成，如WO99/20177中所述。
由受試者排出的呼吸氣體通過該呼吸面具直接提供給質(zhì)譜儀。既然質(zhì)譜儀對于供給的氣體混合物變化的響應(yīng)時間在毫秒范圍內(nèi)，這就允許獲得受試者呼吸氣體成分的在線實時數(shù)據(jù)。例如，能夠直接觀察到在受試者體內(nèi)快速進(jìn)行的代謝變化，如一種易降解藥物的快速降解。
這種方法(在線方法)可以用在如急救醫(yī)學(xué)中，例如用于檢測健康狀況的迅速惡化。該在線方法的另一應(yīng)用是可以實時監(jiān)測代謝進(jìn)程，例如誘發(fā)性試驗之后。
采樣也可以這樣一種方式完成，受試者和質(zhì)譜儀在時間上和/或空間上相互分開，所以呼出氣體試樣必須首先儲存在一個合適的容器中。這里優(yōu)選使用玻璃瓶，優(yōu)選具有20毫升容積。
這種瓶的第一個優(yōu)點是有很好的成本效益，這使其適合一次使用。另外，相對于其他的氣體儲存系統(tǒng)，它們具有良好的惰性，并且特別易于由自動采樣器操作。
采樣是由受試者通過一個常規(guī)的吸管平穩(wěn)地吸入(優(yōu)選通過鼻子)或呼出到瓶中來進(jìn)行，該吸管處于容器底部以上大約1到2厘米。然后該瓶以氣密性方式密封。這優(yōu)選由一卷邊帽來完成，采樣完成后將該卷邊帽牢固地壓到該玻璃瓶上。已經(jīng)確定受試者停止呼吸后依舊有幾秒鐘的時間不密封瓶對受試者呼出的氣體混合物沒有負(fù)面影響，如成分的變化。
該卷邊帽優(yōu)選制作成在帽與容器內(nèi)部，也就是與排出的氣體混合物直接接觸的地方用特氟隆完全覆蓋。該玻璃瓶的開口有利地設(shè)計成使其頂部邊緣有一成圓錐形相外的傾斜形狀。這樣該卷邊帽可以形成包含一個丁基橡膠外環(huán)，該外環(huán)彈性地緊貼在該瓶的圓錐外壁上，因此形成良好的密封。玻璃瓶密封的這種優(yōu)選實施例保證受試者呼出氣體混合物的最大惰性。
為了能夠測定受試者所處的環(huán)境空氣的成分以及在該環(huán)境空氣中的任何污染物，在受試者的環(huán)境中密封了一個不與受試者呼吸氣體接觸的第二瓶(參考瓶)，該瓶平行于填充有受試者呼出氣體的玻璃瓶。
受試者的呼出氣體可以在密封的玻璃瓶中儲存幾天而沒有質(zhì)量損失。這對于如將試樣從主治醫(yī)師運送到分析試驗室是有益的。這種采樣方式也稱為離線方法。它的優(yōu)點是，由于具有操作簡單，因此可以由未經(jīng)訓(xùn)練的人員來操作。
在監(jiān)測天然產(chǎn)品狀態(tài)時，同樣可以離線或在線采樣。例如，在離線采樣時，一個人可以將一個已經(jīng)與緊挨檢測產(chǎn)品上方的氣相接觸一段時間的玻璃瓶密封。
為了向質(zhì)譜儀供給試樣，該試樣首先要安裝在一個自動采樣器上。例如這可以是一種“Step-Four Basic 540 Milling”的改型CNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)被修改成能夠自動采集70種試樣，該70種試樣由70個試樣瓶和參考瓶組成。
在向質(zhì)譜儀供給之前，該試樣優(yōu)選加熱到一個比室溫高的溫度，優(yōu)選65℃。這一方面有增加了試樣分析的再現(xiàn)性的優(yōu)點，并且另一方面使水溶性極性化合物，也就是溶解在排出氣體的水分中的成分，更好地進(jìn)入氣相。
氣體通過一個具有比自動采樣器溫度高的熱毛細(xì)管傳遞給氣體輸送系統(tǒng)，而該氣體輸送系統(tǒng)具有比該毛細(xì)管高的溫度。通過毛吸管的氣體的量不超過每分鐘約5毫升。該質(zhì)譜儀的氣體輸送系統(tǒng)構(gòu)造成具有補償壓力和粘度波動的結(jié)構(gòu)，因此注射到質(zhì)譜儀分析器上的粒子密度總是相同的。
質(zhì)譜儀用來分析測試的氣體混合物，其中一個離子束在高真空下作用于測試分子上。這種類型的質(zhì)譜儀不需校準(zhǔn)來獲得單獨監(jiān)測物質(zhì)的定量濃度值。因此直接報告絕對濃度。本發(fā)明的質(zhì)譜儀還允許在10-7％體積濃度(十億分之幾)到102％體積濃度范圍內(nèi)線性探測物質(zhì)的濃度，例如，在109范圍內(nèi)。這就意味著檢測物質(zhì)的量直接測量獲得。
在質(zhì)譜儀中，氣體混合物的成分根據(jù)它們的分子量確定。為了該目的，測試氣體被引入到一個高真空室中，并且轉(zhuǎn)換成離子，最終根據(jù)它們通過電磁場的質(zhì)量來選擇并且在一個粒子計數(shù)器中計算。
作用于真空狀態(tài)下氣體混合物試樣的分子束上的離子束作用優(yōu)選包括一汞離子束。該汞離子束有10.4電子伏特的電離能，這就足以電離90％以上的被測化合物。相反，呼出氣體中的主要成分如N2和O2不被電離，而僅僅是選擇包含在呼出氣體中的次要成分，因此只是該次要成分得以測定。這就使得即使成分體積含量至多10-7％時也能夠定量測定。另外，汞離子束引起很少的化合物碎片化。
既然不同的分子可以有相同的分子量，如N2和CO，或者甲醛和NO，或者CO2和NO2，那么對于該質(zhì)譜儀優(yōu)選的是用不同的電離水平，也就是說至少有兩個主電子束，來鑒別相同分子量的分子。這種鑒別基于這樣的原則，即每種分子都有各自的電離能，在該電離能的作用下該分子轉(zhuǎn)換成離子。
更優(yōu)選的是，一汞離子束和一氪離子束和/或一氙離子束共同使用。這些不同的電子束可以在測量過程中以任何順序使用。
因此，具有13.9電子伏特電離能的氪離子束可以用來區(qū)分具有相同分子量的分子如N2和CO，這是因為它們具有不同的電離能，分別是14.2電子伏特(N2)和13.7電子伏特(CO)。
進(jìn)一步分離效果可以通過形成限定分量的離子來獲得。例如，質(zhì)量相同的分子，甲醇和O2，通過用一氙離子束(12.2電子伏特)電離形成一個質(zhì)量為32的O2+離子和一個質(zhì)量為31的CH3O+離子而能夠區(qū)分出來。高級烴需要在10電子伏特范圍內(nèi)的電離能，這由一具有能量為10.4電子伏特的汞離子束產(chǎn)生。
氣體混合物試樣的測量通過定量地測定所有具有下面特征的物質(zhì)的濃度來進(jìn)行，這些物質(zhì)電離后分子量可達(dá)500，優(yōu)選可達(dá)200。
對于來自于受試人體的呼出氣體試樣，在對200種可能質(zhì)量進(jìn)行測量后在質(zhì)譜儀上有100種質(zhì)量被檢測出來。迄今已經(jīng)有可能將這些質(zhì)量與下列化合物聯(lián)系在一起，二氧化碳、一氧化碳、水、乙醇、異戊二烯、甲烷、丙酮、氨、甲酸、乙酸、乙醛、乙炔、乙腈、苯、甲胺、甲醛、硫化氫、亞硝酸、甲醇、氧、丙醇、甲苯、甲基、乙基、一氧化氮、作為水加合物的質(zhì)子化水、乙?；?、甲酰基、甲醛*質(zhì)子化水、吡啶、戊烷、環(huán)戊烷、甲乙酮、丙酸、丁酸、甲硫醇、乙烯、一氧化二氮、丙烷以及二氧化硫。
這些物質(zhì)能夠單獨地、分組地或者是共同地定性和定量測定，各單獨測定成分之間不會相互干擾，也即其他成分的存在不干擾一種成份的定量測量。
本發(fā)明方法還有這樣的優(yōu)點，各種化學(xué)成分，例如酸和堿，極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)，用一種測量方法能夠同時測定。
呼出氣體試樣分析的很重要一點是試樣的有效性，也就是說，檢測或放棄被污染的或由其他原因引起的無效試樣。為此，要首先確定試樣中CO2的含量。在65℃從瓶中移走測試氣體混合物的溫度下，正常情況下有約2-3.5％體積濃度的CO2含量，已經(jīng)確定在正常呼出試樣中該CO2值僅在10％范圍內(nèi)浮動。因此，如果測得的CO2含量顯著地超出該正常范圍，則認(rèn)定為或者該測試瓶沒有合適密封或處理不當(dāng)，或者是該受試者用了錯誤的呼吸方法以至于肺的呼吸氣體沒有包括在內(nèi)。這些以及類似的標(biāo)準(zhǔn)使失真的試樣被拋棄。
對于裝有受試者周圍環(huán)境空氣(不含受試者呼吸氣體)的第二參考瓶的分析可以用來確定污染環(huán)境空氣的物質(zhì)。因此，如果被某些物質(zhì)嚴(yán)重污染，這樣的試樣也可以拋棄。
運用上述的或者是另外的標(biāo)準(zhǔn)判斷測量值的有效性在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域尤其重要，因為他們能夠報告試樣的質(zhì)量并且因此大量地減少錯誤測量的風(fēng)險和受試者狀態(tài)的錯誤報告。除了測定CO2，也可以測試一種常規(guī)物質(zhì)，如作為呼吸氣體主要成分的N2、O2和H2O。
對每一個測試瓶和參考瓶測量程序至少重復(fù)5次(循環(huán)5次)并且從這些循環(huán)中形成平均值。為了測量200種物質(zhì)一次循環(huán)持續(xù)大約一分鐘。
在測量過程中，首先測試瓶然后測參考瓶。從每一測量循環(huán)中結(jié)果中形成平均值。
如果參考瓶的測試顯示受試者的環(huán)境空氣被污染，那么該試樣可以拋棄或者在呼出氣體試樣中作為污染物存在的成分的量可以從差額中得到(試樣瓶減參考瓶)。這種方法允許去除瓶中的任何污染物，因為相等污染物的差是零并且由呼出氣體和污染氣體組成的結(jié)果和實際排出氣體的值相符。
一些環(huán)境氣體的污染成分也可能被肺吸收，因此在呼出氣體中的濃度低于環(huán)境空氣中的濃度。對于這樣的污染物，在環(huán)境空氣中超過一定濃度時，通常它們不能再被吸收。因此當(dāng)測量呼出氣體與污染物濃度的相互關(guān)系時，會得到一全程曲線。
在呼出氣體試樣的測量中，已經(jīng)確定，一方面不溶于水或微溶于水的物質(zhì)如CO2的檢測濃度從第一循環(huán)到最后循環(huán)連續(xù)下降。這與試樣從瓶中移走而降低這些物質(zhì)在瓶中的濃度的事實相符。相反，水和水溶物質(zhì)的檢測濃度在整個測量過程中大致不變。一種可能的解釋可能是吸收在玻璃瓶的玻璃壁上的水/水溶物質(zhì)在移走后使這些成分的最初濃度恢復(fù)。因此在玻璃瓶中存在這些物質(zhì)的一定蓄積。這一發(fā)現(xiàn)形成了確認(rèn)呼出氣體試樣的又一標(biāo)準(zhǔn)，因為如果試樣有不同于上述描述的分析行為，就可以得出該呼吸氣體試樣不是正確獲得的或在因他方式而出錯。因此可以識別出這些試樣，從而選擇性地將其拋棄。
數(shù)據(jù)的評估是通過將成分的測得數(shù)量值與該特定成分的正常值比較而獲得的，測得的數(shù)量值可以根據(jù)它們的質(zhì)量或根據(jù)化學(xué)性質(zhì)測定。因此能夠確定特定受試者的呼出氣體中的成分含量與從正常狀態(tài)獲得的該成分含量的偏差。然后可以通過該特定成分超出正常范圍之外的值得出有關(guān)該受試者健康狀況的結(jié)論。
正常值可以通過例如對大量受試者的系列測試獲得，該測試是為了確定人體呼出氣體的正常狀態(tài)。正常值也可以從所知道的文獻(xiàn)中獲得。正常值通常包括一定的范圍。
優(yōu)選的是，該測得的成分的數(shù)值相對于氣體混合物中的一種主要成分的值加以標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)選相對于CO2。標(biāo)準(zhǔn)化得到每個受試者單獨成分的含量與呼出氣體的實際呼出量之間的關(guān)系。這樣的優(yōu)點是可以比較不同受試者之間的值，也可以比較不同時間檢測的一個受試者的呼吸氣體的值。
更優(yōu)選地，將通過標(biāo)準(zhǔn)化確定的值除以受試者的已知最大值。這使得單獨成分的值在0到1之間。這就進(jìn)一步簡化了評估并且使其對于評估技術(shù)人員(醫(yī)師)更為清晰。
更優(yōu)選地，在單獨成分的測量值之間建立關(guān)系以確定某種臨床表現(xiàn)。例如，可以確定乙醇/丙醇的比值以便能夠得到有關(guān)可能的肝炎傳染的報告。
本方法在一定范圍內(nèi)檢測所有成分的一個特別的優(yōu)點是獲得大量臨床表現(xiàn)和代謝過程的一個整體狀況。例如，公知的在精神分裂癥患者呼出氣體中戊烷含量以及H2S和CS2的含量都升高，因此如果這些成分被同時檢測到，則其他的僅有這些成分中一種的含量升高的臨床表現(xiàn)就可以排除。
可觀測到的代謝過程可以是合成代謝過程和分解代謝過程。本發(fā)明方法還有另外的優(yōu)點是它也可以由未經(jīng)訓(xùn)練的人員來執(zhí)行，這可以節(jié)省成本。
測量的評價可以按EPD輔助方式方便地進(jìn)行。
本發(fā)明裝置的一個實施例包括一個帶有柔性氣體輸送毛細(xì)管(3)的氣體引入系統(tǒng)，該毛細(xì)管優(yōu)選由石英玻璃制成，具有250微米的內(nèi)徑并且放在一個四分之一英寸的特氟隆管中。該特氟隆管還包括一根加熱金屬絲。毛細(xì)管(3)與一個套管(2)連接以便從測試瓶(1)中采樣。到多孔板(5)的不同部件沿氣流方向上有一個較高的溫度。優(yōu)選的是，測試瓶(1)加熱到65℃，套管(2)加熱到85℃以及氣體輸送毛細(xì)管(3)加熱到100℃。這就排除了在從測試瓶到質(zhì)譜儀的整個系統(tǒng)中的冷凝作用，從而保證了有效的氣體輸送。毛細(xì)管的小直徑還能允許相當(dāng)小的氣體粒子從測試瓶中移走。在測量過程中，取決于化合物的數(shù)量，該過程可以在幾秒到15分鐘的范圍內(nèi)變化，依據(jù)單獨成分的蒸汽壓力產(chǎn)生一個真空梯度，該真空梯度引起濃度選擇性地升高，并且因此改善檢測限制。該氣體引入系統(tǒng)具有這樣的優(yōu)點，它對要分析的氣體混合物具有惰性，因而沒有記憶效果。因此在分析一個新試樣時沒有必要清洗該系統(tǒng)。
優(yōu)選的是，流過毛細(xì)管(3)的氣體限制在每分鐘不超過5毫升。在多孔板之前的區(qū)域保持700毫巴的壓力，如果在采樣前測試瓶中為大氣壓的話。如果應(yīng)用自動采樣系統(tǒng)，則套管(2)由自動機(jī)械導(dǎo)向希望的測試瓶。
另外，氣體轉(zhuǎn)換閥(4)處于多孔板(5)之前，該轉(zhuǎn)換閥(4)允許零氣體和校正氣體施加，優(yōu)選達(dá)到不超過1.5巴的氣壓。然而，總氣流必須大于反向擴(kuò)散氣流。
在多孔板(5)之后的區(qū)域，優(yōu)選具有300微米的直徑并由激光束產(chǎn)生，由泵(9)產(chǎn)生約20毫巴的壓力，該泵優(yōu)選是一個具有0.2到200毫巴本征壓力的兩級無油真空泵。
因此，當(dāng)套管(2)插入到有大氣壓力作用的測試瓶(1)中時，分析氣體混合物在負(fù)壓引導(dǎo)下通過氣體輸送毛細(xì)管到達(dá)多孔板(5)，因此在多孔板(5)后面的中真空室(24)內(nèi)形成第一分子束(6)。在同樣由熔融石英制成的另外毛細(xì)管(10)之前的區(qū)域，該束(6)為層流。
在中真空室(24)內(nèi)，約20毫巴的壓力由一個比例調(diào)節(jié)閥(8)精確保持在一個定值上，該比例調(diào)節(jié)閥(8)可以允許第二氣體或惰性氣體進(jìn)入該區(qū)域。該比例調(diào)節(jié)閥(8)優(yōu)選由一個電容絕對壓力監(jiān)測器(7)控制，該壓力傳感器(7)精確且獨立地測量中真空室(24)內(nèi)氣體成分的壓力。這就保證測試分子束(6)的壓力波動得以補償，如同發(fā)生在例如同一測試瓶重復(fù)測量時，并且在毛細(xì)管(10)中沒有測試分子流的粘滯性變化發(fā)生。因此，一個恒定離子密度的測試分子流進(jìn)入到另一毛細(xì)管(10)中。
在中真空室(24)，在分子束(6)的區(qū)域內(nèi)，毛細(xì)管(7)的一個末端設(shè)置于此，所述的毛細(xì)管有一個優(yōu)選為250微米的內(nèi)徑并且被加熱到100℃以上，優(yōu)選200℃以上。加熱毛細(xì)管(10)使解吸作用的時間保持盡可能小。
由于在中真空室(24)內(nèi)被控制到一個恒定的壓力值，在毛細(xì)管(10)之前氣體噴射壓力總是精確相同。該裝置允許定量檢測體積含量低至百分之10-7的成分。
毛細(xì)管的另一末端設(shè)置在高真空室(22)內(nèi)，在高真空室(22)內(nèi)由一個渦輪分子泵(23)產(chǎn)生一個高真空，優(yōu)選為至少10-7毫巴。毛細(xì)管的該末端剛好處于八極控制場(16)的一個開口槽之前，該八極控制場(16)處于電荷交換室(17)內(nèi)。存在于毛細(xì)管(10)內(nèi)的壓力梯度使測試分子束穿過毛細(xì)管(10)進(jìn)入到高真空室(22)的電荷交換區(qū)(17)內(nèi)，由此在毛細(xì)管(10)的末端形成一個第二分子束(11)。
用于電離分子束(11)的主離子束(12)是這樣形成的，即氣體在減壓作用下從汞、氪、氙的氣體儲存室(13)中移動并且被引導(dǎo)到由熱鎢燈絲、陽極和快門組成的電子碰撞源(14)。
該因此產(chǎn)生的主離子束(12)被引導(dǎo)通過一個第一八極控制場(15)。僅僅是高分子量(主離子)被引導(dǎo)，并且在氣體儲存室(13)內(nèi)的雜質(zhì)的質(zhì)量被抑制從而獲得相對于被測物質(zhì)的高信躁比。
然后該主離子束進(jìn)一步引入到一個對各種分子同樣透過的第二八極控制場(16)中。該八極控制場(16)包括電荷交換區(qū)(17)，在該電荷交換區(qū)(17)內(nèi)該主離子束(18)碰撞測試分子束(11)。在該電荷交換區(qū)(17)，在10-4毫巴的平均壓力下，一個測試分子離子束(18)在單程碰撞過程中產(chǎn)生，之后該測試分子根據(jù)它們的質(zhì)荷比在四極分析器(19)中分離。之后該測試分子離子在離子探測器(20)中轉(zhuǎn)換成能夠電子處理的電子脈沖。該電子脈沖然后向外與計數(shù)電子裝置(21)連接。
用于基于離子束制成的質(zhì)譜儀上的八極裝置，例如在EP0290712和DE19628093中有描述。這些出版物公開的內(nèi)容在此引入以供參考。
下面將通過實例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實例為了查明健康狀況，在臨床試驗中分析了九個受試者的呼出氣體。單獨的測試者的呼出氣體試樣是由受試者用鼻子均勻地吸氣和呼氣數(shù)次而獲得，其中屏息兩三秒鐘后均勻呼氣，該氣體通過一個管，該管的末端處于一個20立方厘米容積的玻璃瓶底部以上一到二厘米處。
然后每一測試瓶采用卷邊鉗用卷邊帽密封。該密封至少在受試者向瓶呼氣至少5秒鐘后進(jìn)行。
平行于每一測試瓶，在受試者環(huán)境中密封一第二測試瓶(參考瓶)，并且參考瓶中的空氣不與受試者呼出氣體接觸。
每一個測試瓶和參考瓶放置在一個自動采樣器上并且預(yù)熱至少10分鐘到65℃。
預(yù)熱后，由以上描述的本發(fā)明裝置實施例首先檢測受試者的測試瓶然后是其參考瓶。每一瓶至少測量6個循環(huán)，即每一瓶中的含量至少檢測6次。平均值然后通過獲得的該特定質(zhì)量的至少6個值形成。
為了減少環(huán)境氣體的污染，從測試瓶獲得的特定質(zhì)量平均值中減去獲得的特定參考瓶的平均值。然后通過將該平均值除以CO2所得值使該平均值相對于CO2值標(biāo)準(zhǔn)化。
該標(biāo)準(zhǔn)值然后除以由大量受試者該物質(zhì)的一系列測量而確認(rèn)的該特定質(zhì)量的最大值。因此獲得一個關(guān)于該個別質(zhì)量的0-1之間的值。
圖2示出了9個受試者的測量結(jié)果圖。依據(jù)下列代碼示出的檢測質(zhì)量值在0-102范圍內(nèi)黑0.75-1范圍深灰0.5-0.75范圍淺灰0.25-0.5范圍白0-0.25范圍1-9行示出了第1-9個受試者的值。列示出了質(zhì)量的特定值。在質(zhì)量可以由化合物表示的地方，標(biāo)出了化合物而不是質(zhì)量。
圖2表明受試者9的值與其他受試者的值明顯不同。在采樣時，受試者9顯示了不能清晰定義的臨床表現(xiàn)，懷疑有膿毒性病變，即細(xì)菌感染導(dǎo)致肝臟和凝血失調(diào)。采樣幾天后，受試者9患腦死亡并且最終死亡。
這個例子表明具有嚴(yán)重健康失調(diào)的受試者的狀態(tài)可以通過與其他受試者的健康狀況比較來檢測。
權(quán)利要求
1.一種評估有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)的方法，該有機(jī)體和天然產(chǎn)品釋放物質(zhì)到環(huán)境空氣中，其中一種或多種所述物質(zhì)在一種氣體混合物中檢測，該檢測由質(zhì)譜儀來進(jìn)行，在該質(zhì)譜儀中一離子束在高真空作用于該氣體混合物的試樣，其方式使得測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離，并且對檢測獲得的值進(jìn)行評估用于確定所述狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該有機(jī)體是人或者動物。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該氣體混合物是由人體呼出的氣體。
4.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中該氣體混合物包括主要成分和次要成分，并且至少一種主要成分測定在大于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)并且至少一種次要成分測定在小于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)。
5.一種分析含有一種或多種主要成分以及一種或多種次要成分的混合氣體的方法，其中由一個質(zhì)譜儀測定至少一種主要成分在大于或等于0.1％的體積濃度范圍并且至少一個次要成分在小于或等于0.1％的體積濃度范圍內(nèi)，所述質(zhì)譜儀中一離子束在高真空作用于該氣體混合物的試樣，其方式使得該測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中至少一種主要成分測定在大于或等于1％的體積濃度范圍內(nèi)，并且至少一個次要成分在小于或等于0.03％的體積濃度范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求4、5或6所述的方法，其中在至少一種主要成分和至少一種次要成分之間建立關(guān)聯(lián)，用于評估由質(zhì)譜儀獲得的數(shù)據(jù)。
8.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中試樣不經(jīng)預(yù)處理而提供給質(zhì)譜儀。
9.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中氣體混合物中兩種或多種具有不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在一次測量中測定。
10.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中一種或者多種物質(zhì)的濃度被定量測得。
11.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中所有具有大于或等于10-3毫巴蒸汽壓力的成分被測定。
12.一種用于分析氣體混合物的裝置，包括一帶有氣體輸送系統(tǒng)的質(zhì)譜儀，其中在中真空中產(chǎn)生一來自于分析的氣體混合物試樣的分子束，然后通過一毛細(xì)管的壓力梯度在高真空下由該束產(chǎn)生第二分子束，且該第二分子束的測試分子電離，所述中真空壓力保持恒定。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中該第二分子束的測試分子在一離子束離子的內(nèi)能作用下電離。
14.如權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中該電離分子束借助于八極控制場存儲。
15.如權(quán)利要求12、13或14所述的裝置，其中中真空的壓力為0.2-200毫巴，優(yōu)選為1-100毫巴，更優(yōu)選為5-50毫巴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種評估有機(jī)體和天然產(chǎn)品狀態(tài)的方法，其中一種或多種物質(zhì)在一種氣體混合物中檢測，該檢測由一個質(zhì)譜儀來進(jìn)行，在該質(zhì)譜儀中一離子束在高真空作用于該氣體混合物的試樣，其方式使得測試分子在該離子束離子的內(nèi)能作用下電離，并且對檢測獲得的值進(jìn)行評估用于確定所述狀態(tài)。
文檔編號A61B5/083GK1533585SQ01820584
公開日2004年9月29日 申請日期2001年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者約翰尼斯·菲林格爾, 維爾納·費德雷爾, 費德雷爾, 約翰尼斯 菲林格爾 申請人:V&F分析與測量技術(shù)股份有限公司