《Talanta》：Solid-Phase Microextraction for Urinary VOC Analysis Using Portable GC-MS: Method Development and Validation Against Benchtop Instrumentation
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便携式GC-MS结合SPME技术优化尿液挥发性有机物检测，通过系统参数优化提升灵敏度与重复性，验证其在生物标志物检测中的可靠性。
马克·伍拉姆（Mark Woollam）| 谢雷尼迪·埃克尔（Serenidy Eckerle）| 埃雷·舒尔茨（Eray Schulz）| 萨拉·巴顿（Sara Button）| 曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）
美国印第安纳大学印第安纳波利斯分校综合纳米系统开发研究所，印第安纳波利斯，IN 46202
摘要
生物挥发性有机化合物（VOCs）存在于尿液等非侵入性样本中，已成为疾病检测的有前景的生物标志物。气相色谱-质谱（GC-MS）是VOC分析的黄金标准，具有强大的分离、定量和鉴定能力。尽管GC-MS非常精确和准确，但台式仪器体积较大，需要受过培训的人员来操作和解释数据。便携式GC-MS技术的进步使得在传统实验室环境之外进行VOC分析成为可能，不过大多数系统是针对环境和危险物质检测设计的。因此，本研究旨在开发一种新的方法，该方法通过固相微萃取（SPME）与便携式GC-MS结合，优化用于检测尿液顶空中的生物VOCs。方法开发包括优化样品制备、柱上参数和质谱参数，以提高灵敏度、重复性和色谱分辨率。将基于SPME的方法与使用标准空气探针的另一种采样方法进行了比较，结果显示SPME方法富集VOCs的效果显著，平均对数2倍变化值为3.5。通过分析UTAK尿液标准样品，评估了日内和日间重复性，结果显示VOCs的相对标准偏差（RSD）值低于25%。最后，使用便携式GC-MS分析了三名健康志愿者的样本（每组3个样本），结果表明该便携系统能够区分不同志愿者之间的VOCs特征。化合物的身份和定量信号模式通过台式GC-MS得到了独立验证，从而增强了对该便携平台的信心。
引言
挥发性有机化合物（VOCs）是由于高蒸气压而在室温下容易蒸发到空气中的小分子。这些化合物可能来自各种外部来源，包括日常家庭用品如油漆、清洁剂和个人护理产品。此外，VOCs在工业活动中也会释放，也可能来自建筑材料(1), (2)。除了外部来源外，人体内部也会产生生物VOCs。有趣的是，犬类可以通过训练来嗅出来自非侵入性生物样本（尿液、呼吸、汗液等）的VOC生物标志物，从而以前所未有的准确性检测多种疾病状态(3)。使用挥发性分析物作为生物标志物的生化基础在于它们是代谢途径和其他生理过程的副产物，这些过程在特定疾病状态下会发生变化(4), (5)。犬类嗅觉系统的出色灵敏度，尤其是其检测与疾病相关的气味的能力，激发了分析化学家使用先进分析仪器定量研究VOC模式。迄今为止，已有许多研究试图识别与多种疾病状态相关的特定VOCs，包括各种癌症(6), (7), (8)、代谢紊乱(9), (10)和传染病(11), (12)。
虽然呼出气体是常用的VOC分析样本类型，但尿液具有独特优势。它更容易收集/储存，并且通常含有相对较高浓度的挥发性分析物(13)。气相色谱-质谱（GC-MS）是VOC分析的黄金标准技术，因为它具有高色谱分辨率、结构鉴定能力和定量准确性。尽管GC-MS在生成详细的VOC生物标志物谱型方面非常有效，但由于设备体积大、需要实验室环境以及需要受过培训的人员，其在临床环境中的使用受到限制(14)。最近的分析仪器进展使得便携式GC-MS系统的开发成为可能，例如INFICON的HAPSITE? ER，该系统利用低热质量（LTM）气相色谱技术实现快速温度升降并降低功耗(15)。这些系统支持多种样品引入方法，包括顶空分析、固相微萃取（SPME）和热脱附，从而能够检测多种类型的样本中的VOCs。将这些仪器带到实验室之外，它们在床旁检测VOC生物标志物方面具有巨大潜力。
便携式GC-MS系统最初是为检测多种应用中的危险化合物而开发的，包括环境监测、应急响应、工业制造和化学加工(16), (17), (18)。在作者最近的一项研究中，便携式GC-MS系统成功适应了从尿液样本顶空检测生物相关的VOCs。通过使用系统的集成空气探针开发了一种伪动态顶空采样方法，该仪器展示了对关键尿液VOCs的敏感和重复性检测(19)。尽管之前的研究使用台式仪器进行不同VOC应用时显示动态顶空（吹扫-捕集）方法通常具有更高的灵敏度(20), (21), (22)，但我们的方法存在显著局限性。例如，由于设置简单且仅依赖空气探针，没有直接使用吹扫气体将VOCs分配到样本顶空。在此之前工作的基础上，本研究旨在建立一种基于SPME的方法来提高灵敏度并扩大可检测VOCs的范围。本研究的重要性和新颖性在于开发并优化了一种便携式GC-MS方法，用于通过SPME非靶向检测尿液顶空中的VOC生物标志物。为了开发和优化该方法，系统地评估了一系列柱上和柱外参数，包括SPME纤维化学性质、搅拌温度和持续时间、烤箱温度升降曲线以及质谱扫描范围等。方法开发完成后，使用尿液标准样品进行了评估，以评估日内和日间重复性。此外，还收集了三名实验室志愿者的尿液样本（每组3个样本）以评估系统区分VOC谱型的能力。结果通过传统的台式GC-MS进行了交叉验证，以确认便携系统的准确性和可靠性。
材料与仪器
本研究使用的分析参考标准样品来自UTAK（美国加利福尼亚州瓦伦西亚），通过Thermo Fisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）获得。尿液收集/储存所需的材料包括聚丙烯杯、纯度为99.85%的氯化钠、50%重量比的氢氧化钠溶液（氮气冲洗，超纯）、pH试纸和Parafilm（Thermo Fisher Scientific）。10毫升带螺旋盖的顶空小瓶由Restek公司提供
柱外程序的优化
在优化仪器参数之前，评估了几个柱外因素，以最大化尿液VOCs在顶空中的浓度及其在SPME纤维上的吸附。最初，通过比较2.5毫升和5毫升样品体积在顶空小瓶中的效果进行了研究。结果表明，虽然某些化合物在较大样品体积下信号增强，但总体上检测到的VOCs数量没有受到影响。这种方法更优
结论
在这项研究中，开发了一种优化方法，使用HAPSITE ER便携式GC-MS系统通过SPME纤维采样来检测人类尿液顶空中的VOCs。系统地评估了关键的柱外、柱上和质谱参数，以最大化VOC覆盖范围，同时保持高保真度和重复性。综合结果表明，与基于内置探针的采样方法相比，SPME提高了VOC分析的灵敏度。
作者贡献声明
马克·伍拉姆（Mark Woollam）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、研究设计、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。埃雷·舒尔茨（Eray Schulz）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理。谢雷尼迪·埃克尔（Serenidy Eckerle）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、正式分析、数据管理。曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）：撰写 – 审稿
数据可用性声明
作者不对本文中使用的方法、协议、仪器和数据的使用提供任何限制。所有数据可通过联系相应作者获得。
利益冲突声明
曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）与NANOZ和Scosche Industries保持积极合作，致力于将传感器技术商业化，用于呼吸分析和医学诊断中的VOC检测，包括本文中介绍的化合物。此外，马克·伍拉姆（Mark Woollam）和曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）与INFICON Inc.签订了保密协议，支持HAPSITE ER便携式GC–MS系统在生物医学应用中的转化，特别是用于前列腺癌筛查
科学写作中的生成式AI声明
在准备这项工作时，作者使用了Microsoft M365 Copilot来提高文本的清晰度和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查/编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
资金来源
该研究得到了美国癌症协会（American Cancer Society）的支持，资助编号为1076327。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）与NANOZ和Scosche Industries保持积极合作，致力于将传感器技术商业化，用于呼吸分析和医学诊断中的VOC检测，包括本文中介绍的化合物。此外，马克·伍拉姆（Mark Woollam）和曼吉拉尔·阿加瓦尔（Mangilal Agarwal）与INFICON Inc.签订了保密协议，以支持HAPSITE ER便携式GC–MS系统在生物医学应用中的转化
致谢
作者衷心感谢INFICON Inc.在实验过程中提供的技术支持和指导。这项研究的资金支持来自美国癌症协会（资助编号1076327），对此也表示感谢。
