《Analytical Methods》：Long-term performance monitoring of a secondary electrospray ionisation high-resolution mass spectrometry platform using a vapor generator for routine quality controlOpen Access
编辑推荐：
二次电喷雾电离-高分辨质谱（SESI-HRMS）是一种用于实时呼出气分析的非侵入性强大工具。然而，仪器漂移、毛细管退化及其他技术性变异会影响其临床应用，尤其是对于需要稳健质量控制（QC）方法学的长期研究。本研究展示了一种基于蒸发室的参考气体系统，用于在近两年的
二次电喷雾电离-高分辨质谱（SESI-HRMS）是一种用于实时呼出气分析的非侵入性强大工具。然而，仪器漂移、毛细管退化及其他技术性变异会影响其临床应用，尤其是对于需要稳健质量控制（QC）方法学的长期研究。本研究展示了一种基于蒸发室的参考气体系统，用于在近两年的时间内监测SESI-MS系统性能。在每个测量日，研究人员对氘代丁酸进行三次靶向QC测量，并在正、负离子模式下系统量化分析稳定性。在独立的连续表征实验中，参考气体发生器在数小时内提供了稳定信号。研究人员构建了线性混合效应模型（LMM）以评估每日不同时间点对仪器性能的影响，结果揭示了显著效应：正离子模式信号强度在一天中逐渐增加，而负离子模式则表现为信号强度初始下降后趋于稳定。此外，纵向QC框架成功追踪了毛细管随时间的性能变化，提供了客观的性能指标，以回顾性评估靶向硬件维护对系统性能的影响。结构化QC方案的实施为长期SESI-HRMS性能监测提供了有效方法学，确保了数据完整性，并支持SESI-HRMS向大规模临床应用转化。
论文解读：基于参考气体发生系统的SESI-HRMS长期性能监测与质量控制策略研究
一、研究背景与意义
呼出气分析在非侵入性临床诊断、治疗监测和生物标志物发现方面具有巨大潜力，呼出气中蕴含着反映内源性代谢过程、宿主-微生物组相互作用、环境暴露及疾病相关生化过程的丰富动态化学信息。二次电喷雾电离-高分辨质谱（SESI-HRMS）作为一种实时呼出气分析平台，无需样品预浓缩或繁琐的前处理即可直接、灵敏、广泛地检测挥发性及半挥发性代谢物，因而在纵向临床研究中具有高度吸引力。
然而，SESI-HRMS向大规模临床研究和常规临床实践转化目前受到分析稳健性、长期稳定性和采样流程标准化等挑战的制约。在线SESI-HRMS测量依赖于电喷雾源、传输线、电离室、气流控制和质谱仪等多个相互关联组件的连续可重复运行。在长期运行过程中，电喷雾发射器老化或更换、源污染、离子传输变化、系统漂移、环境波动及常规维护干预等因素均可引入显著的分析变异。此类变异可能掩盖生物学效应、引入批次效应或导致错误的生物标志物解读。因此，建立稳健的质量控制（QC）程序对于确保跨测量日、研究阶段和临床队列的数据可比性至关重要，尤其在持续数月或数年的纵向临床研究中，样品在固有变化的仪器和操作条件下采集，极易受到批次效应影响。
参考气体标准品为实时呼出气分析中的常规QC提供了一种有前景的方法，可在受控条件下重复评估信号强度、质量精度、时间稳定性和系统响应能力。然而，尽管SESI-HRMS在临床和代谢研究中的应用日益增多，关于长期QC策略的系统性评估仍然稀缺。已有研究提供了SESI-HRMS稳定性的初步见解，但关于SESI-HRMS平台在长期临床研究期间的行为表现仍缺乏证据，需在短期、每日和长期时间尺度上评估性能，以区分可接受的仪器变异与系统性漂移或由特定维护事件引起的突变。
二、研究内容与结论
本研究在Lactobreath临床研究背景下开展，该研究旨在识别与乳糖吸收不良和乳糖不耐受相关的呼出气生物标志物。由于呼吸测量在21个月内进行，需要稳健的外部QC策略来监测SESI-MS性能并确保整个研究期间数据的可比性。研究人员采用基于蒸发室的参考气体发生系统，以氘代丁酸（D7-丁酸）作为参考物质，在112个临床测量日实施常规QC方案，每个测量日进行三次QC测量（早晨、中午和下午）。
研究结果表明，正离子模式在整个研究期间表现出相对稳定的性能，而负离子模式则表现出显著更大的日间变异，这可能与电喷雾发射器的行为有关。通过线性混合效应模型（LMM）分析发现，测量时间对信号强度有显著影响：正离子模式信号在一天中逐渐增加，而负离子模式则表现为初始下降后趋于稳定。研究还追踪了纳米电喷雾毛细管的性能，发现毛细管寿命和性能存在显著差异，且毛细管更换可显著恢复信号，尤其在负离子模式中。质量精度在整个研究期间保持在可接受范围内（多数低于5 ppm）。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：基于蒸发室的参考气体发生系统，用于生成含D7-丁酸气体标准的加湿氮气流，模拟人体呼出气条件；采用光谱拼接采集方法，在正离子模式（5个扫描范围：50–500 m/z等）和负离子模式（5个扫描范围）下进行数据采集；使用R语言中基于rawrr包的自定义脚本处理原始质谱数据，生成提取离子色谱图（XIC），质量容差为±7.5 ppm；采用线性混合效应模型（LMM）评估每日不同测量时间点对仪器性能的影响，以测量日期为随机效应；使用Levey-Jennings质控图监测长期信号稳定性；通过相对标准偏差（RSD）评估日内和日间变异性。
四、研究结果
4.1 参考气体系统用于常规QC的评估和效用
研究人员生成了正离子模式下D7-丁酸信号的Levey-Jennings质控图。结果显示，大多数QC测量落在±2标准差范围内，表明研究期间大部分时间仪器性能稳定且可比。仅有孤立的测量或个别测量日超出±3标准差阈值。正离子模式数据中未观察到一致的长期漂移、渐进性信号损失或明显批次效应。该质控图框架可用于识别分析性能异常的测量日，在前瞻性应用中，超出控制限的QC测量可触发即时故障排除；在回顾性研究中，可用于标记临床测量以进行进一步检查、敏感性分析、数学归一化或排除。
4.2 整个临床研究期间的长期系统性能及维护操作的影响
正离子模式D7-丁酸信号在整个21个月监测期间的相对标准偏差（RSD）为34%。虽然个别测量和特定测量日表现出显著不同的信号强度，但未观察到明显的长期漂移模式，信号偏差与特定维护事件之间无一致关联。毛细管更换是最频繁的干预事件（n=105），共使用了64根毛细管进行有效测量。毛细管寿命和信号行为存在显著差异，中位寿命为每模式3次测量，算术平均寿命为每模式4.8次测量。纵向分析显示信号逐渐增加（负离子模式每测量日增加0.90%，正离子模式增加6.05%），支持钝化效应假说。毛细管更换带来了显著的信号恢复，尤其在负离子模式中（674%对比正离子模式的57%）。此外，106根安装的毛细管中有42根在安装后未能产生稳定电喷雾，显示出毛细管性能和质量的高度变异性。质量精度在整个研究期间保持在可接受范围内，除少数孤立测量外，质量误差均低于5 ppm。
4.3 整个临床研究期间的日内和日间性能
正离子模式的平均日内RSD为11.6%，低于负离子模式的20.7%；两种电离模式的平均日间变异性均显著更高（正离子模式30.3%，负离子模式81.6%）。负离子模式的较高变异性可能反映了电喷雾稳健性降低、电离效率较低或对源条件细微变化更敏感。线性混合效应模型分析显示，在负离子模式中，测量时间对信号强度有显著影响（P=0.005），当日第一次测量显著高于第二次和第三次测量；在正离子模式中，第三次测量相比第一次测量有约11%的显著增加（P=0.007）。正离子模式的渐进性增加与毛细管寿命期间的信号增加一致，可能反映发射器在使用过程中的调节或钝化效应；负离子模式的初始高信号可能与毛细管更换时间一致，随后下降可能反映新安装发射器在负离子模式中的快速初始老化。
4.4 参考气体发生系统的稳定性
3小时连续测量表明，参考气体发生系统在正、负离子模式下均能快速达到稳定信号，且停止气流后信号迅速下降，表明系统响应时间短，无需延长冲洗时间。经IQR过滤后的RSD在正离子模式为18%，负离子模式为8%。正离子模式较高的RSD可能归因于实验过程中蒸发室系统的不慎移位。24小时连续测量确认发生器可在较长时间内稳定供应参考化合物，但机械扰动和参考溶液消耗会影响信号。总体而言，参考气体发生系统能够为常规SESI-MS QC测量提供足够稳定和可重现的D7-丁酸气相供应。
五、讨论与结论
研究讨论指出，单一化合物无法代表呼吸中复杂代谢物混合物在仪器性能变化下的行为，不同化合物类别可能表现出显著不同的电离行为，且可能因电离模式而异。未来策略可考虑采用多种参考化合物，通过并联多个蒸发室或使用混合溶液方式，实现化合物类别特异性和极性特异性的性能监测。也可考虑将单化合物技术变异评估与生物QC样品相结合。
研究结论表明，采用参考气体发生系统的QC策略是一种实用且信息丰富的SESI-MS长期性能监测方法。正离子模式在整个研究期间表现出相对稳定的性能，而负离子模式表现出更大的日间变异性，最可能与电喷雾发射器行为相关，凸显了极性特异性QC评估的重要性。重复参考气体测量使研究人员能够识别异常测量日、评估毛细管相关变异性，并回顾性评估分析变化与记录维护事件的关系。Levey-Jennings监测为定义预期操作变异性和识别需要进一步检查、归一化或排除的测量提供了实用框架。该QC策略的实施可支持数据可比性，提高生物标志物发现工作流程的可靠性，并促进SESI-HRMS向稳健的临床和纵向代谢组学应用转化。
