SICRIT-HRMS快速筛查醛类化合物：呼气分析中的电离行为研究

《ACS Measurement Science Au》：Rapid Screening of Aldehydes by SICRIT-HRMS: Understanding Ionization Behavior in Breath Analysis

　　

呼出气醛类代表氧化应激和脂质过氧化的临床相关生物标志物，然而由于其痕量浓度、化学反应性和结构相似性，其可靠的在线检测在分析上仍具挑战性。本研究强调将转移中化学反应软电离（SICRIT）与高分辨循环离子迁移质谱（SICRIT-cIMS-HRMS）联用，用于直接检测和表征呼出气中16种临床相关的挥发性醛。研究人员开发了一种使用Tedlar采样袋的受控离线加标方法，能够在真实呼气基质条件下系统研究电离行为。在超纯氮和呼出气基质中的比较分析显示，SICRIT优先产生质子化[M+H]⁺、脱水[M+H–H₂O]⁺和氧化衍生物种，而呼出气使电离模式转向含氧加合物。研究识别并减轻了来自Tedlar袋污染物N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）的电离竞争。定量评估显示了良好的线性（13种醛的R² ≥ 0.99），检出限（LOD）范围为1.33至25.13 ppbv。所有加合物的日内变异性较低（CV < 11%），而[M+H]⁺物种的日间变异性（CV < 13%）显著低于氧化衍生加合物，确立了质子化离子作为长期生物标志物监测的首选目标。研究评估了循环离子迁移分离用于异构体区分的能力。尽管观察到了2-乙基己醛和辛醛的初步分离，但遇到了接近3个数量级的灵敏度损失，可能归因于仪器几何结构和基于行波的离子传输。然而，离子迁移区分挥发性有机化合物（VOCs）与化学噪声和同量异位素干扰的能力对未来发展令人鼓舞。这项工作建立了对复杂呼气基质中SICRIT电离机制的基本理解，并确定了未来方法开发、验证和临床实施的关键分析参数，尤其推动了对SICRIT电离机制的研究以及使用线性迁移系统改善呼吸道疾病监测中醛异构体区分。

呼吸组学通过综合分析呼出气中的挥发性有机化合物（VOCs）已成为非侵入性疾病监测的有力手段。人类呼出气含有超过1000种VOCs，反映了内源性代谢、气道微生物、环境暴露及饮食摄入的综合信息。其中，醛类作为氧化应激和脂质过氧化的特征产物，与哮喘、心血管疾病及癌症等病理状态密切相关。然而，醛类在健康人呼出气中的浓度通常处于亚ppbv级，且化学性质活泼、同系物结构相似，使得其实时在线检测极具挑战。目前金标准方法如气相色谱-质谱联用（GC-MS）虽灵敏度高，但需样品预浓缩且单次分析耗时较长，难以满足临床快速决策需求。因此，发展能够直接分析呼气样品的质谱技术具有重要价值。

本研究提出将转移中化学反应软电离（SICRIT）与高分辨循环离子迁移质谱（SICRIT-cIMS-HRMS）联用，直接检测和表征呼出气中的16种临床相关挥发性醛。研究通过Tedlar采样袋收集呼气，并采用受控离线加标方法，系统考察了醛类在真实呼气基质中的电离行为。相关成果发表于《ACS Measurement Science Au》。

在方法上，研究人员招募了一名无已知肺部疾病的志愿者提供全部呼气样本（样本队列来源：单一健康个体）。采用Tedlar气袋采集呼气，向袋内注入醛标准品以模拟目标浓度。电离源为SICRIT SC-10等离子体源，基于介质阻挡放电电离（DBDI），与Waters Select Series Cyclic IMS质谱仪联用。通过比较超纯氮和呼气两种基质中加标醛的质谱信号，识别醛类相关离子；使用空白扣除和内部锁质量校正进行数据处理；依据ICH Q2(R2)指南计算检出限（LOD）和定量限（LOQ）。定量性能评估使用ppbv至ppmv浓度范围的加标呼气样品。

3.1 醛的光谱特征：研究人员以2-乙基己醛为模型化合物，在未加标的呼出气中检测到m/z 129.1273的[M+H]⁺信号，证实其内源性存在。加标后信号显著增强，且基质背景基本不变。对比纯氮与呼气基质发现，SICRIT主要产生质子化[M+H]⁺、脱水[M+H–H₂O]⁺以及脱氢[M–H]⁺等物种；呼气中较高的水汽和氧气含量促使氧化加合物（如[M–3H+O]⁺和[M–H+O]⁺）丰度增加，同时检测到[M+OH]⁺及若干碎片离子。这些现象说明呼气基质显著影响电离途径，与文献中DBDI的氧化机制一致。

3.2 Tedlar污染物对醛检测的影响：在含醛样品中观察到来自Tedlar袋的N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）的强信号（m/z 88.0756）。Spearman相关分析显示DMAc强度与2-乙基己醛的[M+H]⁺和[M+H–H₂O]⁺强度呈负相关（ρ分别为?0.86和?0.93），表明源内存在电离竞争。通过控制采样袋的使用次数（统一处理次数）可将DMAc信号变异限制在CV 3.49%，从而降低醛信号的变异性。

3.3 响应线性评估：将含16种醛的混合标准液以不同浓度（60 ppbv–2.3 ppmv）加标到呼气袋中建立校准曲线。结果表明，13种醛至少有一个离子的线性决定系数R² ≥ 0.99；所有醛和加合物的LOD范围为1.33–25.13 ppbv。日内变异性（CV）为1.96%–10.54%，日间变异性则高于日内，其中[M+H]⁺物种的日间CV多低于13%，显著优于氧化衍生加合物（p<0.05），说明质子化离子更适合作为长期生物标志物监测的目标。

3.4 局限与展望：研究发现电离过程产生多种加合物及碎片，尤其在较低浓度（210–650 ppbv）下氧化产物占比增加，使谱图复杂化。同时，系统无法直接区分同分异构体（如2-乙基己醛/辛醛）。使用循环离子迁移（cIMS）尝试分离异构体时，虽然观察到两个峰，但灵敏度下降接近3个数量级，可能源于仪器几何和行波传输对小分子的限制。尽管如此，