（生物医学工程专业论文）肺癌呼吸检测的电子鼻设计.pdf

a b s t r a c t t h i sw o r km a i n l yc o m p a r e dt h ev o c si nl u n gc a n c e rp a t i e n t sb r e a t ha n di n n o r m a lh u m a nb r e a t ht od e t e r m i n et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nl u n gc a n e e ra n dt h em a r k e r v o c s f o l l o w i n g ，w ed e v e l o p e da ne l e c t r o n i cn o s ea d o p t i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g y w h i c hc o m b i n e dc a p i l l a r yc o l u m nt o s e p a r a t e v o c sa c c o r d i n gt h e i rd i f f e r e n t r e t e n t i o nt i m ea n ds u r f a c ea c o u s t i cw a v es e n s o rc o a t i n gw i t hp o l y m e rf i l mt od e t e c t t h eq u a l i t i e so f t h o s ev o c s i nm ya r t i c l e ，l u n gc a n c e rs i t u a t i o n ，b r e a t hd e t e c t i o np r i n c i p l e ，f e a s i b i l i t yo f e l e c t r o n i cn o s ea d o p t i n gb r e a t hd e t e c t i o n a n dt h ep r i n c i p l e so fs p m e & g ch a v e b e e n p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d a n di n i t i a l l ye e a i f i e dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nl u n g c a n c e ra n dt h em a r k e rv o c sb yd e t e c t i n gl u n gc a n c e rp a t i e n t sb r e a t h ，n o r m a lh u m a n b r e a t h ，a n dl u n gp r o b l e mp a t i e n t sb ys o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n ( s p m e ) a n dg a s c h r o m a t o g r a p h y ( g c ) s y s t e m a n dw em a i n l yf i n i s h e db r e a t hd e t e c t i o ne l e c t r o n i c n o s es y s t e m ，i n c l u d i n gs u r f a c ea c o u s t i cw a v es e n s o rd e s i g n ，f i l mc o m i n gd e s i g n ，a n d h a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g nf o rf u t u r ed e t e c t i o nm a r k e rv o c si nl u n gc a n c e rb r e a t h b ye l e c t r o n i cn o s e k e yw o r d s ：l u n gc a n c e r ，b r e a t hd e t e c t i o n ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v es e n s o gf i l mc o a t i n g ， s o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n g a sc h r o m a t o g r a p h y 2 第一章肺癌及早期诊断的意义 1 1 肺癌的定义和成因 正常呼吸系统可解剖为：气体从鼻腔或口腔进入身体，并经由咽喉部、支气 管造出肺部，因此口、咽喉、支气管的病变都会改变呼吸交流的完整功能。肺癌 通常是指支气管原发性癌，就是由支气管长出表皮样、腺样、或未分化细胞组成 之肿瘤，到目前为止，造成的真正原因到目前蓝不是十分清楚【1 】。 肺癌可发生在支气管粘膜的任何部位，按部位分布，可分发生于总支气管和 叶支气管，或发源自段支气管但也侵犯支气管位于肺门附近的癌为中心型或中央 型，约占肺癌的6 0 7 5 ，以鳞状上皮细胞癌和未分化癌较为常见，发生于 段或段以下支气管位于肺的边缘的癌称为周围型或周边型，约占肺癌的2 0 3 0 ，以腺癌较常见，依细胞型念的不同会有不同的病理生理变化。 肺癌和其癌症一样，也是由不正常的细胞不断地分裂增殖，并破坏周围正常 组织而形成。包括以下成因 1 吸烟：男性吸烟者患上肺癌的机会比非吸烟者高出十倍；至于女性，则吸烟 者患上肺癌比非吸烟者患高出五倍。此外，吸烟的次数越密集又或是吸烟的时间 越久，导致肺癌的危险性也就越大。 2 空气污染：都市空气污染令肺癌患者数字有上升的趋势。若长期处于石棉、 油烟气、工厂烟尘等环境下生活或工作，空气中的氧化碘、镍、铬化物及脂肪族 合碳氢化合物等物质，也是导致肺癌的原因。 3 遗传：家族曾有肺癌患者，其亲属患上肺癌的几率增加。 4 肺部病患者：患有慢性呼吸道疾病者，例如：肺结核、肺组织纤维化、支气 管扩张症及慢性阻塞性肺疾病，会使患肺癌几率升高。 1 2 肺癌的分型和表现 在临床上，一般将肺癌简略地分为鳞状上皮细胞癌( 简称鳞癌) 、腺癌、未 分化细胞癌、肺泡细胞癌4 类。 鳞癌：发病率较高，多见于老年男性，与吸烟关系密切，大多发尘在叶、段 支气管，向管腔内生长的倾向强，常引起早期支气管狭窄或阻塞，导致阻塞性肺 炎或肺不张，癌组织容易变性坏死而形成空洞或癌性脓肿和并发出血。鳞癌生长 较慢，转移较晚，手术切除机会多，存活率高，但对放疗及化疗不如未分化癌敏 感。典型的鳞癌细胞呈鳞状上皮样排列，细胞呈多边形，可见核分裂相，细胞间 可有细胞间桥或角化珠。 图i - 1 鳞癌电镜图像 腺癌：发病率次于鳞癌及未分化癌，多见于女性，与吸烟关系不密切，多发 生在较小支气管的粘液腺，向管外生长倾向大，局部浸润核远处转移( 主要时血 行转移) 较鳞癌早，在周圈型肺癌肿，以腺癌多见。腺癌可呈腺样和乳头状结构， 细胞大小较一致，核大，染色深，常有核仁，核膜比较清楚，胞浆内含有粘液。 图i 2 腺癌电镜幽像 未分化癌：发病率仅次于鳞癌，发病年龄较轻，多在4 0 岁左右，与吸烟关 系密切，多生长在较大支气管，故痰脱落细胞检出率高，癌细胞生长快，远处转 移( 主要为淋巴转移) 亦较早，对放射治疗和化学药物治疗较敏感。显微镜下可 见核大，核分裂相、核仁明显、胞浆丰富，且又可分为小细胞癌( 包括燕麦细胞 型) 和大细胞癌，前者癌细胞小，圆形或梭形，染色体粗糙，分稚不均匀，胞浆 少，后者癌细胞较大，形态大小不一，呈多角或不规则型。 图1 3 小细胞癌电镜幽像 幽1 - 4 大细胞癌电镜幽像 肺泡细胞癌：较少见，与吸烟关系不大，有人认为其发生与肺组织纤维瘢 痕有关，可能来自细支气管粘膜的基底细胞或i i 型肺泡细胞，可分为结节型和 弥散型。显微镜下可见肺泡表面披覆一层圆柱状或立方形上皮细胞，产生粘液。 由于肺泡毛细血管膜增厚，影响气体弥散，呼吸困难特别明显。单发性肺泡细胞 癌转移慢，手术切除机会多。 肺癌的症状取决于它的发生部位，发展阶段和并发症。早期可无症状，仅 在x 线健康检查时发现，中央型肺癌出现症状较早，周围型肺癌较晚。 1 3 肺癌的常规诊断方法 肺癌的常见症状：咳嗽，咳痰：咯血；胸痛：胸闷，气促：发热；喘鸣；消 瘦及恶病质。通常当病人有如下症状时，才注意到医院诊治。 临床上，肺癌的常见诊断方法有以下的检查方法： ( 1 ) x 线检查：是必须检查的项目之一。虽然新的检查手段不断出现，但永 远不能完全代替x 线胸片的作用，它目前仍是最有效最经济的检查方法。9 8 以上的肺癌病人可以从胸片中发现异常现象。另外，x 线胸部动态透视可弥补胸 片的部分不足，可发现心脏异常阴影和隔肌活动情况，有助于诊断。 ( 2 ) 电子计算机断层扫描( c t ) ：c t 是x 线检查的补充，但不能代替x 线检 查，胸部横断切面可更清楚地显示纵隔或近纵隔的肿物及肿大淋巴结，对1 i 南 左右的肺部肿物比x 线显示清晰。还可以更清楚地显示肿瘤与胸壁的关系及侵 犯程度，条件许可的病人此项检查是必要的。 ( 3 ) 磁共振断层扫描( m r i ) ：它是一种无射线损伤的检查，它除可以横断 切面显示胸内结构外，还可以矢状断面和冠状断面显示，也就是可以多方面多方 位对肿物进行判断。它不需要造影剂可直接显示血管的走行。 ( 4 ) 痰脱落细胞检查：这是肺癌诊断简单易行的重要方法之一，痰液中查到 脱落的癌细胞，阳性率可达6 0 8 0 。但是要注意痰标本的质量，一般要求是 晨起第一口深咳痰，要连续查3 天以上。 ( 5 ) 纤维支气管镜检查：纤维支气管镜检查诊断价值是相当大的，它可以看 到病变并取活体组织进行病理检查，可以了解病变在支气管内的位置，从而决定 手术切除的范围和种类。现在纤维支气管镜己做为一项常规检查手段。 ( 6 ) 经皮肺穿刺活检：对肿物诊断价值很高，相对较为安全，一般在x 线电 视透视下进行，也可在b 超或c t 引导下进行，阳性率8 0 以上。 1 4 本论文目的 通常当病人发现患有肺癌畴，都已属于末期，是死亡率很高的疾病。从上述 方法可以看出，要想确诊肺癌，过程十分复杂而且其中的一些检查还会对人造成 创伤，费用也相对昂贵。我们的研究就是希望研究出一种方便、快捷、无损的辅 助诊断方法。由文献可知，现阶段肺癌的状况是：美国，肺癌患病，男性9 9 0 0 0 人，女性7 8 0 0 0 人，五年后幸存1 4 ，如早期诊断治疗，五年后幸存4 8 ，因 此设计能检测肺癌病人呼吸气体的电子鼻有较大的实用意义。肺癌气体检测主要 4 依据是：呼出的气体中包含对肺癌的诊断性标志气体成分。1 9 9 5 8 1 9 9 6 1 0 m i c h a e lp h i l l i p s ，对1 0 8 位病人，6 0 人( 3 4 男) 已确定肺癌和4 8 人( 2 9 男) 非 肺癌呼吸道疾病对比的，他们确定了肺癌患者中有2 2 种v o c s 挥发性有机气体 【2 ，3 】。这2 2 v o c s 可详细见下图，其中的有机气体成分对确定肺癌的贡献程 度是有下到上增加的。 s t y r e n ef e l j l er i v i i ) e | 1 z e | 1 e h e p t a n e 2 2 4 6 6 。p e n t a m e t h y l h e i ) t a l l e 2 - m e t l l y l d e c a n e b e n z e n e ，p r o p y l - u n d e c a n e c y c i o p e n t a n e m e t h y l - c v c i o p r o p a n e 1 - m e t h y i - 2 - p e n t y l - m e t l 1 a l i e t r i c h l o r o f l u o r o b e l l z e l l e b e n z e n e 1 2 4 4 r i i ) l e t h y l - 1 3 b u t a d i e n e 2 - i l e t l l y | - ( i s 0 1 ) i 8 f l e o c t a n e 3 - i l l e t h y l - 1 - h e x e 【l e n or l a l l e 3 m e t h y l 1 h e 【) t e l l e b e l l z e l l e 1 4 d i m e t h v i h e p t a n e 2 4 d i m e t h v l h e x a n a l c 、 i = l o l l e x a n e b e l l z e l l e 1 - 1 1 1 e t h e f h e l l v | - h e p a t a l l a l _ 苯乙烯 2 ，2 ，4 。6 ，6 五甲暴魔烷 2 - 甲基庚炕 癸烷 丙基一翠 十一烷 甲慕一环戊烷 i 一甲基一2 一成基一环戊烷 三氯氟甲蟪 芷 i ，2 ，4 - 三甲烷一笨 1 ，3 一丁二烯，2 一甲基一异戊二烯 3 一甲基一辛烷 i 一已烯 3 - 甲燕一壬烷 j 一庚烯 i 4 一二甲基一苯 2 ，4 一二甲基一庚烯 己醒 环己烷 十c h e m i c a li d e n t i f i c a t i o nw a st e n t a t i v e l i s t e di nd e s c e n d i n go r d ero fc o n t r i b u t i o nt o 1 1 0 d e l ， 图i 5m i c h a e lp h i l l i p s 确定的2 2 种肺癌呼吸特征气体成分 我们选择了其中十一种有机气体成分，包括：异戊二烯、己烯、甲基一环戊 烷、苯、己醛、苯乙烯、庚醛、丙基苯、1 ，2 ，4 三甲基苯、癸烷、十一烷。我 们采用固相微萃取预富集方法富集人体呼吸气体中的有机气体成分，然后采用气 相色谱分析肺癌病人，正常人和其它对比病人中的有机气体成分。希望能够通过 它们的分析、比较，确定这1 1 种有机气体成分和肺癌病人的相关性，以作为粗 筛肺癌病人的依据。然后我们可以采用自己研发设计的电子鼻系统检测人体的呼 吸气体成分以期判定肺癌病人。 2 1 气相色谱导论 第二章气相色谱 气相色谱法( o c ) n 其无可比拟的分辨能力、分离速度和样品需要量极少的特 点而成为分析化学领域中应用最广泛的一种方法【4 ，5 ，6 】。毛细管气相色谱法的 优越性表现在对痕量物质的分析应用上，其检测限已达到皮克以下的水乎，色谱 的谱带宽度尖而窄，一方面提高了分辨免同时也提高了强度，无论是混合物中的 低浓度样品还是稀释后的样品都能被分离和鉴别出来。由于毛细管住内浓膜很薄 而且操作温度低，使毛细管柱气相色谱操作时固定相流失小，从而使检测器稳定 性和信噪比都能得到提高和改善【7 】。 现代不分流和柱头注样技术可以允许将大量的稀释溶荆注入毛细管柱中，还 研制成功一种将混合物中的痕量组分浓缩的辅助方法，这种方法将食品中挥发物 质、污染的空气和水以及将体液和细胞组织等预浓缩到热稳定的多孔聚合物处， 取得了很大的成功。经过预浓缩阶段后混合物再从聚合物上解吸出来，并被色谱 柱的前段所捕集。另外由于毛细管往中液相传质阻力小得多，因而在某一分辨率 下( 对高容量比的样品) 其保留时间总是小于填充柱，因此在分析时间方面有明 显的优点。 2 2 毛细管气相色谱理论基础 在毛细管柱气相色谱法的实践中，理论的重要性在于( 1 ) 说明样品组分在色谱 柱中保留值与分辨率的原理；( 2 ) 将基本的热动力学参数与可测量的色谱参数联 系起来；( 3 ) 分析溶质区域扩展的起源及其意义，以使色谱性能、仪器及技术取 得最佳化结果【8 】。 2 2 1 峰保留值及分辨率的原理 毛细管分配气相色谱法中样品组分( 溶质) 的保留时间和分辨率是溶质在固定 液和气体流动相之间不均匀分配的结果。溶质分子在液体固定相中经过溶解一析 出过程，在色谱柱获得溶质的保留值和分辨率。保留值的大小取决于分配系数 ( k ) ，定义为溶质在固定相与流动相中的浓度比。 6 k ：旦窒塑! 堕堕鳖鏖“ 流动相中溶质浓度 ( 2 1 ) 样品组分的分配系数数值越高，则其溶解力越强，同时在固定相中的保留值 就越大。不可溶解的气体样品组分( 即k = o ) 以流动相的速度流过色谱往，其扫 过的体积等于整个柱的气体体积( v g ) 。v g 可以通过有效校截面积乘以柱长( 即 a c x l ) 或出不滞留溶质的校正沈提体积( v o m ) 算出。其关系式如下： = a c l = 噶= t ，。，= ( 2 - - 2 ) 式中尼为在某一设定色谱温度下，在柱尾测得的流动相体积流量；，。为不滞留 的溶质的洗提时间：是气体滞留时间r 。，对应的保留体积：- ，为j a m e s m a r t i n 气体压缩性校正因子。 _，：篓土(2-3)。 2 p 3 1 7 式中p 为柱进口压力和出口压力之差。即 尸：晏 ( 2 4 ) 只 一 能溶于固定相的样品组分流过色谱柱的平均区域速度慢于流动相的平均速 度，其洗提体积大于一个柱子的气体体积。其保留体积可根据试验时测得 的流量和保留时间，。得到： =鼻tw(2-5) 有保留值的样品的校正保留体积碟可由下式计算： v：=yltj(2-6) 样品组分的分配系数与曜和色谱柱中固定相液体体积圪有关： 置：盟 矿 ( 2 7 ) 上式中的分子定义为经调节的或真实保留体积，这一量是溶质在色谱柱固定 液溶解所耗费的时问( 纯保留时间f 。) 所对应的净沈提气体体积。这是气一。液分 配色谱法的基本公式并有重要的理论意义。因为这一公式建立了热动力学参数k 与柱保留参数之间的关系。利用上式，还可将分配系数与柱相比及分配( 或容 量) 比k 联系起来，其关系式如下： 世= 琶晕m 热= 鲁 ( 2 8 ) 扣。- ，v c , ：监：乒 ( 2 吲 7 实际上，在一定温度条件下、在一定的固定相中，对于一个溶质的k值 是个常数。对于一个色谱柱而言，其值大则其k 值小，反之小则a 大。 一般情况下厚膜柱的相比 低，样品组分保留时间长。通过减少固定相液膜厚度( 即增大芦值) 或增加柱温 以阵低k ，则容量比降低，保留时间缩短。 l n 世：一丽a g o ( 2 - - 1 0 ) 婀d 式中a g o 是溶质从固定相液体中蒸发出来的g i b b s 自由能的变化。孵是气体常 数。 溶质组分从固定液中蒸发出的g i b b s 自由能的不同，使不同的溶质产生不同 的迁移速率。任意两种溶质组分的相对保留值口可用分配系数或分配比的比值来 表示： 口：垒：蔓 k 。k 。 ( 2 1 1 ) 上式给出了两个溶质组分对应其区域重心的相对保留值。但是色谱分离的有 效性还取决于对溶质区域扩展的控制，是为了尽量减少峰重叠。毛细管柱溶质区 域扩展的三个主要来源： ( 1 ) 纵向分于扩散形成的扩展；( 2 ) 流动相中传质阻力 形成的区域扩展；( 3 ) 固定相中传质阻力形成的区域扩展。 2 2 2 色谱峰及有关柱参数 色谱峰通常由确保留参数和峰分辨率加以定性。常用的参数为和f 。是 自样品注入注入口起至样品在柱出口处被检测到时流径色谱柱的流动相体积。f 。 是对应于保留体积酌样品洗提时间。在实践中f 。用得更普遍一些，这是由于直接 测量方便，而且计算机数据系统实时采集色谱数据时也方便。对于无保留值的溶 质，其对应于的保管时间定义为t 。： 铲鲁(2-12) 式中i c 平均流动相流速，它与互的关系如下： fc=b，(2-13) 对于有保留值的溶质，其保留时间，。和k 可由求出。 f=r。(1+)(2-14) 将上式重新调整，可以“得出入k ： 七：盟：鱼( 2 1 5 ) r 。f 。 可以用上式从保留时间数据求出a 值： 口：量 ( 2 1 6 ) 圈2 - 1 是鹳以定义保留时间数据和峰宽参数的典型色谱幽 如前所述，色谱峰也可以根据两个相邻峰的分离度用分辨率r 来表示。分辨 9 率的定义为两个相邻峰的保留时间差a t 与两个相邻峰平均峰底宽( 。和：) 之 间的比来表示。 r ： 垒 ( 2 1 7 ) ( 1 + 2 ) 2 在实践中，对于两个靠得很近的峰，我们可以假设。= ：，所以， r ：竺 ( 2 1 8 ) 2 对高斯峰，：可用半高峰宽：和标准偏差仃：来表达： 2 = 1 7 0 2 ；以及2 = 4 0 2 r 可以用2 和盯2 表达： r ：竺：r ：旦( 2 1 9 ) 1 7 0 睨24 0 2 满意的分辨率要求r i ，即a t 4 c r 2 。当r i 5 ( 即a t 6 t 7 2 ) 时，可获得基线 分辩。 a t 由固定相中两个溶质的分配系统差确定，其差值随沿柱迁移的距离加长而 成比增长。由盯：表示的峰宽随着迁移距离的平方根的增长而增长。对于一对在 固定相中溶解度不同的溶质，其，迅速上升，在柱中迁移很短距离后便与4 0 r 曲 线相交。对其他溶解度几乎相等的溶质，其a t ：的上升较缓慢，这样只有使用长 柱子( 例：图例中l = l o o m ) 2 j 能得到满意的分辨率( 即a t 2 4 0 ：或r 三1 。r 随l 的增长而增长，所以只要色谱柱够长就能得到满意的分辨率。但色谱柱过长则可 能造成溶质检测的困难( 浓度太低) 并且可能需要很长的 分析时间。 r 值可用下式表达： r 寺等c 等睫，( 2 - - 2 0 ) 项形：与总的柱理论塔板数n 的平方根相同。n 可以写成： ”：l ( 2 2 1 ) h 用r l 表示，前式可以写成： r = 石( 等) ( 击) ( 2 - - 2 2 ) 这一式子有很重要的意义，因为这一公式将分辨率与柱效、基础分配系数、口以 及峰保留参数k 联系在一起。这样利用上式即可算出一对溶质为获得定分辨率 所需要的柱参数，如柱长和柱内径。此外还可以用这一式预测一根毛细管柱的理 论潜力，即其分辨能力。 除使用“分辨率”( r ) 来表示柱分辨能力外，“有效峰数”( e p n ) 、“t r e n n z a h l ” ( 分离数，s n ) 、以及“峰容量”( n ) 也常常用来进行柱性能的定性和比较。前 两种参数测量两个标准化合物之间能分离开的化合物数目。标准化合物采用两个 相邻的同系物。峰容量为以单位分辩率( r = 1 ) 测量到的峰数量，其峰数为在 分配比率k = 0 和一定k 值之间出柱中洗提的峰 数。理论塔板数为r l 的毛细管柱峰容量可写成下式： i ：1 卜一；! ! ( ! ! ! ；( 2 - - 2 3 ) l n ( 4 n 2 + 1 ) 一i n g n 2 1 ) 这一公式可以直接比较各种柱子分析复杂样品的潜力。例如，在最佳色谱条件下， 一根2 5 m 2 5 0 u m 内径毛细管柱在k = 0 至k = 1 0 之间，相邻峰之问分辨率为 1 时，可分离约2 0 0 种组分。与2 5 m 5 0 0 u m 内径的开口柱相比，后者峰容量 为1 4 3 组分。 e p n 的计算用下式，求出两个标准样品之间达基线分辨( r = i 5 ) 的峰数目： e p n ：弛2 二型一1 ( 2 - - 2 4 ) l + 2 s n 要求r = i 1 7 7 ，其计算式为： s n ：玉血一1 ( 2 2 5 ) 2 + i 在实践中，e p n 和s n 对于在相同保留值范围内比较同一对化合物的色谱柱 分离能力是非常有用的。好多研究者都发现e p n 和s n 都受保留参数的影响。 使用e p n 和s n 时要求己知保留参数，如k 、保留指数范围等。 2 3 气相色谱仪器 2 3 i 仪器的基本组成 图为毛细管气相色谱仪的基本流程图【9 ，1 0 1 。仪器由五个基本的部分组成： a 载气流量控制系统，调节载气流量；b 死体积极小的注样系统，保证注样量的 重现性和使注入系统的样品成分有代表性：c 柱箱，可用于恒温和程序升温分析； d 适用于高速气相色谱和痕量分析的死体积小、灵敏度高的检测器；e 时间常数 小的记录仪或一个模数转换时钟频率高的色谱数据处理系统用以精确地记录毛 细管色谱柱流出的色谱峰。 幽2 2 毛细管气相色谱仪的基本流程 高纯载气从高压气瓶的两级压力调节器处输出，流经载气净化装置( 包括5 a 或1 3 x 分子筛、活性炭和e c d 用的脱氧剂) 造到一个优质的流量控制器或压力调 节器来精确控制流量。载气从流量控制器或压力调节器出来以后再馈入注样器。 样品通过注射器或注样阀送入注样器( 或色谱柱的入口) ，随后在注样器的汽化室 或柱的入口处( 指柱头注样器) 汽化并由载气带到柱的出口。 当样品组分在柱内流动时便产生了色谱分离。拄内流出的样品由色谱检测器 检测。检测器的输出信号可以用记录仪记录，也可以送到色谱数据处理系统进行 模数转换后完成数据的处理工作。 2 3 2 载气流量的控制与测量 在毛细管气相色谱中，其载气的流量大大地低于填充柱气相色谱。流量低于 每分钟数立方厘米的流量控制系统主要也只用于毛细管色谱柱。 通常有四种流量控制系统：a 压力调节物：b 流量控制器；c 针阀或气阻：c l 流量控制器和反压调节器联用。 2 3 3 柱温控制 对毛细管气相色谱仪应该仔细地研究柱温稳定性和程序升温线性对低热质 ( 即热惯性低的) 玻璃和掸性石英毛细管柱色谱性能的影响。毛细管气相色谱仪要 求柱箱温度稳定是基于以下两点：a 柱温对载气流量的影响，b 柱温变化对保留 时间重现性的影响。前者在2 3 2 节中已经给予讨论，后者的影响取决于溶质一 固定液之间的分配系数和在柱温下的净保留容积( 即保留时间) 。 传统的高精度柱温控制装置是一个控温的液溶或者是空气对流恒温箱。其中 以强制空气对流的恒温箱最为方便，是最常用的柱温控制系统。几乎所有的商品 气相色谱仪都是采用这类恒温箱，这种恒温箱工作温度范围大，加热和冷却迅速， 温度的稳定性也很好( 0 1 ) 。 在设计柱恒温箱时，很重要的一点就是要求保证色谱柱管圈所处的空间温度 均匀，温度的均匀性取决于柱箱的几何形状，加热器和敏感元件的布局以及箱内 空气混合循环的方式。内于玻璃和弹性石英毛细管柱的热质很低，因此应尽量设 法减少加热元件对色谱柱的直接辐射，这种直接辐射式的加热以及加热元件的温 度波动都会导致流量不稳并使基线上产生噪声。 一般的商品气相色谱仪多用空气对流加热系统来完成线性或抛物线式的程 序升温。如果使用满功率加热的方法来升高柱温则得到非线性的抛物线式程序升 温。对于线性程序升混而言，其升温速率一般为o 1 和l r a i n ，在近代的气相 色谱仪中还常采用多阶线性程序升温。 2 3 4 注样系统 毛细管气相色谱仪注样系统的设计和性能对于色谱峰形、分辨率和定量等色 谱性能影响极大。近年来，在注样系统的研究方面取得了很大的进展。常用的住 样系统为：分流注样器，不分流注样器，微型快速汽化直接注样器，冷柱头注样 器，冲洗捕集( 前置杜) 注样系统以及裂解注样系统。在选用注样器的种类时应 考虑到样品的浓度、挥发性、沸点以及热稳定性和化学稳定性。没有一种万能的 注样系统可以解决所有的复杂样品的注样问题，各种注样器有各自的应用范围以 及它们在使用上各自的局限性。在这里只介绍与我们实验相关的不分流注样器。 不分流注样器，在不分流注样器中分流器放空出口的后面装有一个电磁阀。 在注入样品以后经过一段时间，分流阀便关闭，这段时间一般为3 0 9 0 s ，这取 决于样品量的大小。 为了尽量地减少样品与载气混合，汽化室的内通孔直径很小( 一般是一根内 径为2 n m ，长为1 0 c m 的玻璃或石英管) ，这样样品犹如一段插闩一样呈圆柱状送 入色谱柱而基本上不被载气稀释。由于在不分流注样器中汽化室的体积较大，因 此在不分流注样的过程中会产生指数稀释现象。基于这样的情况，在不分流注样 结束以后要接通电磁阀，用分流载气快速地冲洗注样器。 不分流注样的过程注样时间超过3 0s ，这样长的时间对高分辨的毛细管色谱 仪是不容许的。柱入口处样品的扩展可以用冷阱或溶剂效应技术使其更新聚集起 来。不分流注样时，注样量和注样时间都要求高度重复。在分析沸点范围较宽的 样品时，用自动的方法来完成不分沉注样可以改善保留时间和提高定量重现性。 2 3 5 检测器 对于我们检测的11 种有机气体成分，火焰离子化检测器f i d 是最佳的检测 器。f i d 是毛细管色谱仪中最常用的检测器，其原因在于：a 对含有机碳的组分 灵敏度高；b 线性范因为1 0 7 ，基线稳定性极佳；c 可靠性好，使用方便；d 在程 序升温操作时柱流量的变化相对地不敏感；e 检测器的死体积影响小，响应时间 常数小。 但f i d 仍有其局限性：a 它对n 2 ，0 2 ，c o ，c 0 2 ，h 2 0 ，h 2 s ，c s 2 ，c o s ， h c n ，n h 3 ，n o ，n 2 0 ，n 2 0 3 ，c c l 4 ，s i c l 4 ，c h 3 s i c l 3 ，s i f 4 及所有的惰性气体 无响应或只有极小的响应；b 它是一种破坏性的检测器；c 其响应值与结构及杂 原于的存在有极大关系( 杂原子即指o ，s 及卤素，它会降低p i d 的响应) ；d 当 使用c s 2 为溶剂而且注样量过大时火焰有一瞬间会跳离极化喷嘴，此时将出现 一个负峰( 即当c s 2 被洗提出来时检测器的基流降低) ；e 含氯的溶剂( 如c h 2 c 1 2 和c h c l 3 ) 在富氢焰中会产生烟怠和黑烟，这时会出现尖峰，检测器不稳定。如 果火焰的含氢量低，火焰温度高时则可以防止含氯溶剂的不完全燃烧。 色谱柱的末端用一个接头和v e s p e l 压环( 或石墨压环) 直接接到检测器内。接 头的热质应尽量小，这样色谱柱末端的温度才可以尽快的跟上柱箱温度。色谱柱 末端的补充气有两个作用，一是使经过接头处和检测器处的容积时所造成的峰扩 展最小，二是防止进入接头处的样品形成反向扩散。补充气还习以改良检测器的 响应和稳定性。载气总流量与燃烧氢气的流量比对f i d 的火焰温度、火焰形状以 及离子化和收集效率都有影响。 当载气总流量接近于燃烧气氢气的流量3 0 c m 3 r a i n 时可以得到最佳的f i d 灵敏度。当检测器在最佳的灵敏度范围内，载气流量即使变化l o c m 3 m i n ，对 f i d 响应值也无甚影响。使用氮作为补充气时检测器的灵敏度要比用氦作补充气 时高一倍。进入检测器的所有气体都应该加以预热以达到检测器的温度，这样便 可以保证火焰温度及离子化效率两者都很稳定。 空气与燃烧气氢气的流量比大约为1 0 ，这时火焰较为稳定，离化效率也比 较稳定。一般空气和氢气的流量分别在3 0 0 和3 0 c m 3 m i n 的数量级。f i d 的火焰 温度为2 0 0 0 至2 2 0 0 ，基流为1 0 “4 a 。为了提高校测器的灵敏度和降低噪声， 应该使用气体过滤器和高纯电解级的氢气。 火焰喷嘴的内径会影响f i d 的灵敏度。试验的结果表明，当火馅喷嘴的内径 为0 0 2 5 c m 时，其灵敏度要比o 0 5 c m 内径的喷嘴高一倍。火烧喷嘴的材料一般 选用不锈钢和石英。石英喷嘴由于其化学惰性好，所形成的噪声低，与毛细管色 谱柱连用是一个很好的材料。但是石英喷嘴的灵敏度一般要低于不锈钢喷嘴的灵 敏度，其原因在于热传导较差、热容量低、因此离子化效率也较低。 收集极的几何形状也被进行了大量研究。一般地说来，离子的收集效率与收 集极和火焰燃烧器的电极之间的电场分布及密度有关。收集极的几何形状决定了 电场的分布情况，同时也决定了在两个电极之间气体的流动模式。对称的电扳和 圆柱形的电极，其离子收集效率和线性度要比环形电极为佳。 第三章固相微萃取 3 1 样品预处理的意义 挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 是指沸点在5 0 2 6 0 之间，室温下饱和蒸气压超过1 3 3 3 2 p a 的易挥发性化合物。其主要成分为烃 类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类等，是在室内外空气中、人及动物呼吸气 体中普遍存在，组成复杂，但是含量甚微的一类有机混合物。从第一章肺癌及早 期诊断的意义的叙述中我们明确人体呼吸气体中有特征v o c s 与某些疾病有很 高的相关性，然而特别是人体呼吸中的v o c s 气体中含量仅为l o 1 0 _ 1 2 【1 l ， 1 2 】，因此预富集人体呼吸中的v o c s 对我们研究本课题中确定检测的1 1 种v o c s 和肺癌的相关性是有重大意义的。 3 2 样品预处理的方法 3 2 1v o c s 的采样方法 样品采集是测定分析v o c s 的第一步。采样方法正确与否，直接关系到测定 结果的可靠性。采样方式可分为直接采样、有动力采样和被动式采样。在实际采 样中，通常用固体吸附剂捕获空气中v o c s 一般要求吸附剂具有吸附容量大、收 集效率高、化学性质稳定等特点。7 0 年代中期，s a a l w a e c h t e r 等曾研究了活性炭 吸附常温采样空气中v o c s 的性能。目前国际常用的吸附剂是t e n a x ，x a d 树脂， c a r b o t r a p 、g d x 一1 0 4 等。b i s h o p 等研究比较了t e n a x t a 、c a r b o t r a p 、a m b e r s o b x e 3 4 0 、活性炭、碳分子筛s i i i 在单层和多层吸附管中的保留能力和热解析特 性，结果表明在多层采样分析中，t e n a x 。t a 、a m b e r s o bx e 3 4 0 、活性炭吸附管 可以在高湿度条件下采集不同范围和不同浓度的v o c s 【1 3 ，1 4 。u m i a u f 等介 绍了一种过滤吸附采样器，并采用内装有x a d 索格利特萃取管来采集空气中的 v o c s 。b a r b a r d 等采用不锈钢罐、t e n a x t a 固体吸收筒和2 ，4 二硝基苯肼浸渍 式筒采集机动车排放的c 2 0 的易挥发有机化合物，发现t e n a x 筒对样品储存的稳 定性比金属罐更大，同时也分析研究了n a t i o n 干燥剂对样品稳定性的作用。 1 6 s t a n e t z e k 应用气相色谱研究了7 种吸附物质，指出a m b e r l i t e x a d - 4 及p o r a p a kr 最适于采集极性及非极性低挥发性化合物，而活性炭只适用于非极性的高挥发性 污染物的有效采集；其中t e n a x g c 不能定量采集高熔点非极性污染物。a n n a - l e n a s u n e s s e n 等比较了t e n a x t a 、t e n a x g c 、c h r o m o s o r b1 0 2 、c a r b o t r a pc 、c a r b o p a c k b 、a n a s o r b7 2 7 、a n a s o r b7 4 7 和p o r s i lc f 辛烷等8 种吸附剂的采样及解析定量 分析效果，认为没有一种单一的吸附剂适用于采集所有挥发性和极性范围的有机 化合物。 我们采用t e d l a r 气体采样袋，由于材料的极惰性，能更有效地防止将污染物 带入样品，并防止采集过程中的v o c s 挥发和反应【1 5 】。 3 2 2 样品的预处理 样品的预处理对于得到准确而又重现性好的结果是非常关键的一步。样品预 处理所需的时间约占整个分析时间的2 1 3 。经过预处理的样品，首先可起到浓缩 被测痕量组分的作用，从而提高方法的灵敏度，降低最小检测极限：其次可消除 基体对测定的干扰，使一些在通常检测器上没有响应或响应值较低的化合物转化 为具有很高响应值的化合物：样品经预处理后 传统的样品预处理技术很多，包括蒸馏、索氏提取等，但大多操作繁琐费时， 往往要用大量的溶剂，都不是理想的方法，在分析v o c s 时己较少应用。目前， 常采用的预处理方法有溶剂解析法、低温预浓缩一热解析法、固相萃取法、顶空 法、超临界流体萃取、吹扫捕集法等。如叶能权等用溶剂解析法解析空气中苯 及其同系物，分析表明该法对苯及其同系物解析效率大于9 0 。w i l l i a m 等用低 温预浓缩热解析法浓缩浓度低于m g m 3 的v o c s 。游静等用离线超临界流体萃取 一气相色谱质谱考察了兰州市大气层中有机污染物。陈宝生等利用吹洗和捕集 色质联机法鉴定室内空气中挥发性有机物。这些方法各有特点，同时也存在着 局限性。溶剂解析法常用的解析溶液为c s 2 ，由于解析溶液的体积远远大于分析 样品的体积，对样品的解析将导致灵敏度降低，而且这种方法的分析误差较大。 与溶剂解析相比，热解析法具有较高的灵敏度，可以避免溶剂对分析样品定性定 量的干扰，但对样品的回收率较低，且不能重复分析。固相萃取法方法简单、需 要溶剂量少，但需要多步完成，易造成被分析物质的流失，重现性较差。顶空法 虽然方法简单、省时、易于操作，但富集效果不好，其方法灵敏度较低。超临界 流体萃取法则要求使用大量高纯c 0 2 。而吹扫一捕集法则需要高纯氮气作载气 进行气提。 固相微萃取技术( s o l i dp h a s em i c r o e x t r a e t i o n ，s p m e ) 是p a w l i s z y n 等人于9 0 年代发展的一种集萃取、浓缩、进样于一体的样品前处理新方法【1 6 】。它的原 理与液相色谱分离过程相仿，根据被萃取组分与样品基质及其他成分在固定相填 料上作用力强弱的不同使它们彼此分离；它不仅用于“清沈”样品、除去于扰或对 分析测定有害的物质，而且可以使组分分级，达到浓缩威纯化的作用。 3 3 固相微萃取技术 3 3 1 固相微萃取技术原理 固相微萃取技术的原理是：采用涂附不同化合物的微型熔融石英萃取纤维吸 附水溶液中或者气体中的微量有机化合物，再在高温下将被吸附物质脱附。s p m e 法不是将待测物全部分离出来，而是通过样品与固相涂层之间的平衡来达到分离 目的【1 7 】。 一般有两种进样方式，直接进样和顶空进样。直接取样是将纤维头直接插入 液体样品中或暴露于气体中，尤其适于气态样品和干净基体的液体样品。但是水 样与涂层接触时会形成一层水膜，阻碍水中有机物向涂层扩散，导致萃取时间较 长。一般都采用搅拌的方法来加速萃取平衡。 若采用顶空进样，样品气体直接与涂层接触，既保护了涂层，延长其使用寿 命，又能缩短平衡时间。顶空进样适于易挥发( 如苯系物) 和半挥发物质，因为 这类物质容易逸出液上空间( 即顶空) 。尤其对于固体及含润滑油、高分子质量 腐殖酸的废水等不能直接进样的样品，可用顶空进样。与传统的顶空进样方法相 比，由于顶空中的分析物被浓缩富集在固相微萃取涂层上，因而能提高检出灵敏 度几倍到几十倍。但实验条件相同时，顶空吸附量小于直接吸附量。顶空进样涉 及顶空气体( 气相) 、待测样品基体( 液相) 及萃取涂层( 固相) 三相平衡，分 析物在三相达到分配平衡时的关系式： k = c ，i c ， c q = k ，f + cs v , ) k e = ( c o + c ，) n = c f k = 一i ( v ，c o k n v r ) n = c i = k v y , c o ( + k l ( r ) ak z , c o ( 女( ( ) k “v z c o ( 3 1 ) 分配系数k 一般仅取决于萃取头的固定相类型，在一定的浓度范围内是恒 值；而对于一定的萃取头来说，其体积vf 是固定的，所以n 与c o 之间存在着 线性关系，c o 则通过气相色谱测定。可见，可以通过配雹一系列c o 来测定其相 应的n 值，从而获得该分析物的标准工作曲线，根据标准工作曲线测得样品的n 值后便可计算样品的浓度c 0 。 影响顶空取样的因素很多。如1 、顶空时搅拌水样可连续产生新鲜表面，从 而加速分析物从水到顶空的质量迁移。2 、顶空取样要求有一个最佳温度，温度 升高，则更多分析物从基体中释放到顶空，使顶空的分析物浓度增加。但温度升 高，分配系数会降低。3 、顶空体积的大小对检测的灵敏度、方法的精密度及萃 取效率有重要影响。顶空体积增加时，萃取效率降低；c a m a r a s u 的研究表明， 顶空体积小于样品瓶体积的1 3 时，灵敏度增加但精密度降低。1 0 m l 的顶空瓶， 最佳顶空体积为3 m l 。4 、对顶空瓶稍微施加压力会改善检出的灵敏度。因为顶 空体积内的任意组分气体b 的分压为p b = x bp ( x b 为顶空混合气体中气体b 的 物质的量分数，p 为顶空混合气体的总压) 。当对顶空瓶施加微压时，p 增加但x b 基本不变，导致p b 增加，因而增加了涂层上的吸附量。但施压过大有顶空瓶的 密封、x b 变小和瓶的耐压问题。另外，除了静态顶空进样方式外，还有动态顶 空进样【1 8 ，1 9 】。 3 3 2 固相微萃取装置的组成 s p m e 由手柄( h o l d e r ) 和萃取头( f i b e r ) 两部分构成，形状似一支色谱注 射器，萃取头是一根涂不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维，接不锈钢丝， 外套细的不锈钢针管( 保护石英纤维不被折断及进样) ，纤维头可在针管内伸缩， 手柄用于按装萃取头，可永久使用。 9 图3 1i 刮相微萃取s p m e 的组成 3 3 3 固相微萃取的操作步骤 1 选择萃取头：必须根据所分析物的分子量和极性选择，小分子量或挥发性的 化合物通常选用1 0 0 u m