动物管理与行为操控中的气味轮廓分析：挥发性有机化合物（VOCs）采样与GC–MS、PTR–MS、SIFT–MS、GC–O及电子鼻分析工具的应用综述

《Journal of Chemical Ecology》：Odour Profiling for Animal Management and Behavioural Manipulation: An Overview of the Tools and Applications

嗅觉在动物行为演化中起突出作用，促进种内和种间交流以及捕食者–猎物相互作用。挥发性有机化合物（VOCs）是这些气味的基础，因此其分析对于表征和复制信息素（pheromones）、他感化学物质（allelochemicals）和其他用于吸引、驱避或调节动物反应的释放信号至关重要。因此，本综述旨在向读者介绍动物气味在动物管理和行为控制中的应用，并为动物气味研究中选择和组合VOCs采样与分析技术提供批判性、面向实践的指南。动物气味轮廓分析通常包括三个步骤：（1）采样，（2）转移到仪器，（3）VOCs的检测/鉴定。气相色谱–质谱联用（GC–MS）是VOCs分析的金标准，常与顶空技术联用，包括静态顶空（static headspace）、动态顶空（dynamic headspace）和固相微萃取（SPME），以促进VOCs的采样和转移。此外，研究人员讨论了液体提取和蒸馏提取方法，这些方法对于捕获动物气味和化学信息物质研究中挥发性较低或基质结合的成分仍然重要。在分析方面，研究人员讨论了GC–MS以及新兴和互补技术，包括质子转移反应–质谱（PTR–MS）、选择离子流动管–质谱（SIFT–MS）、气相色谱–嗅觉测定（GC–O）和电子鼻，强调它们在定性和定量VOCs分析中各自的优势和局限。总体而言，文献表明，没有单一的采样或分析方法普遍最优。因此，有效的动物气味轮廓分析需要将提取和检测策略与目标VOCs的挥发性、稳定性和行为相关性相匹配。还应认真考虑这些方法选择如何影响生态、行为和应用管理语境中使用的气味轮廓。

引言：VOCs分析是表征和复制气味分子组成的基础。嗅觉在捕食者–猎物关系、种间和种内交流及行为发育中具有重要作用。信息素（pheromones）用于同种个体间通讯，他感化学物质（allelochemicals）用于种间通讯。部分VOCs可能具物种特异性，尿液和粪便气味标记可在环境中持久存在并被捕食者或猎物利用。动物气味可作为诱饵、引诱剂或驱避剂，也可通过合成模拟物实现行为操控。动物VOCs通常为脂肪族、醛、酮、醇、胺、羧酸和含硫化合物，但完整动物气味是复杂混合物。了解其化学组成有助于设计诱饵、驱避剂和行为操控工具。本综述先讨论应用，再批判性概述动物气味分析技术，并考虑检测已知成分或解析未知混合物的目标。

动物气味测定对应用动物学和生态学的意义：气味是许多动物通讯和情境意识依赖的重要信号，可用于行为操控。识别关键VOCs对理解气味相关行为至关重要。动物气味线索可合成复制，也可从天然来源获得。

行为操控：信息素包括挥发性和非挥发性化合物，影响同种社会与繁殖行为，作用于犁鼻系统或主嗅觉上皮，引发先天行为。信息素可分为警报、踪迹、领域和性信息素等。部分信息素化合物已鉴定，但许多仍未被化学表征。鼠尿和鼠泪中的化合物可影响发情、攻击、吸引及妊娠等。兽医领域常利用犬安抚信息素（DAP）和猫面部信息素（FFP）减少犬猫恐惧、焦虑和尿液标记。气味还可通过条件性气味厌恶（COA）或条件性味觉厌恶（CTA）改变行为。CTA已用于郊狼、澳洲野犬、野狗和狐狸等管理及训练本地捕食者避开有毒或入侵猎物。气味线索的存在和性质可影响厌恶的强度与持久性，某些研究中厌恶可保持数月。

化学引诱剂和驱避剂：诱饵和引诱剂可用于捕食者控制中的诱捕与转移。发情雌性貂的垫料气味可作为有效陷阱诱饵。合成气味可模拟活哨兵动物或活昆虫，例如合成伤口液可引发与天然伤口液相似的行为反应，合成信息素可训练嗅探犬检测树皮甲虫侵染树。气味也可作为驱避剂，猎物可避开捕食者气味并减少非防御行为。部分研究报道回避反应较弱，可能受先前经验、辨别能力、气味年龄和取食适合度成本影响。气味还可用于伪装或错误信息，以保护保护物种。重复暴露于无奖励鸟气味可提高滨鸟孵化成功率，小麦胚芽气味伪装可减少小鼠挖掘。

气味表征的分析方法：动物VOCs分析通常包括采样、转移到分析仪器、检测和鉴定三阶段。采样包括顶空提取、液体提取和水蒸馏，并在一定程度上决定转移和分析方式。技术选择取决于样品类型和分析目标，但动物气味轮廓分析多数以GC–MS为首选。分析已知VOCs时也可用GC与火焰离子化或光离子化检测器。互补技术包括GC–O、PTR–MS、SIFT–MS和电子鼻。

采样技术：采样方法取决于样品基质、VOCs性质、在线或离线分析、定性或定量、储存或现场部署等目的。VOCs通常定义为从样品基质转入周围空气的化合物，因此采样多在气相中进行，顶空提取在动物气味轮廓分析中尤为突出。液体提取和水蒸馏用于特定样品，尤其植物、水和土壤，但回收取决于基质、溶剂、温度和分析物挥发性，少用于动物气味轮廓分析，且可能低估高挥发性化合物。

顶空提取技术：静态顶空提取（SHE）将样品密封加热至气液或气固平衡后，取气相部分转移至GC。固相微萃取（SPME）用涂覆聚合物相的熔融石英纤维一步采样和浓缩，涂层选择取决于目标化合物。SPME可在顶空或液体中直接吸附，再在GC进样口热解吸，灵敏度高于SHE，可分析极小样品。样品富集探针（SEP）通过增大吸附相体积提高复杂混合物吸附和灵敏度。SHE和SPME优点为样品制备简单、无溶剂、封闭系统伪影风险低；局限为偏向低分子量、低沸点化合物，定量常限于峰面积比较和相对比值。动态顶空（DHS）即吹扫捕集，用惰性气体吹扫样品，将VOCs富集于Tenax?或Carbopack?等吸附材料，灵敏度与SPME相当，但吸附剂降解可致伪影且成本较高。DHS可采样整体动物，例如家犬直接真空采样发现41种共有VOCs。

蒸馏：水蒸馏可用于提取羊毛挥发物，将样品煮沸释放油或VOCs，收集蒸气，冷凝后用有机溶剂提取，再液体进样GC–MS。水蒸馏可提取大量半挥发性化合物，但高温可导致热降解和伪影，且通常需要更大样品量。比较水蒸馏、DHS和顶空SPME发现，不同方法检测到的VOCs显著不同，直链醛主要经顶空SPME检测，水蒸馏后液体进样偏好高沸点化合物。

向分析仪器转移：解吸、聚焦和进样技术：吸附采样后可用热解吸或溶剂提取。热解吸通过加热释放化合物并转移至仪器，避免溶剂峰和分析物稀释，主要与GC联用；溶剂提取的液体提取物可储存、再分析和用于液相色谱。冷聚焦等聚焦技术可预浓缩分析物，改善峰形和检测限。程序升温汽化（PTV）及相关预浓缩进样系统适用于痕量或大体积分析，可在低温进样口控制溶剂蒸发并保留分析物，再快速加热转移浓缩带至GC柱。

检测与鉴定：基于GC的技术：GC是分离复杂混合物中挥发和半挥发化合物的常用技术，受挥发性和固定相相互作用影响。GC可耦合火焰离子化检测（FID）、质谱（MS）和嗅觉测定（O）。检测器选择取决于样品性质和分析应用。

GC–FID：FID利用氢–空气火焰燃烧有机化合物产生离子，信号约与进入检测器的碳量成比例，灵敏且广泛适用，适合混合物中化合物的相对和定量测量。但其不提供结构信息，不能单独可靠鉴定未知物，常用于已鉴定化合物的定量，并与GC–MS和GC–O互补。

GC–MS：GC–MS结合GC分离与MS检测，通过质谱和色谱保留信息表征单个组分。质谱可与谱库比对提供暂定鉴定，与真实标准比对可提高置信度。GC–MS可定性和定量，是VOCs轮廓分析和鉴定的主要技术，尤其适合与顶空采样结合。其优点包括高灵敏度、可分析小样品和可暂定鉴定未知物；局限性包括仪器初始成本高、维护和专用采样设备费用高，且不能直接确定哪些成分贡献感知气味。

GC–O：GC–O以人类评估者作为嗅觉检测器，评价从GC柱洗脱的单个化合物，提供复杂挥发物中哪些成分具气味活性及其感知特征。气味活性化合物不一定是丰度最高者。气味活度值（OAV）为化合物浓度除以其气味阈值，OAV > 1表示可能贡献气味，但不能完全预测复杂混合物感知。GC–O可与芳香提取物稀释分析（AEDA）结合，以风味稀释（FD）因子排序感官强度。GC–O可与MS联用形成GC–MS/O或GC–O–MS，但同时应认识到人类嗅觉不能直接代表目标动物。

使用GC分析VOCs的一般考虑：电离方法：电子电离（EI）是常用硬电离技术，产生可重复碎片谱，适合谱库非靶向筛查和结构表征，但分子离子可能弱或缺失。化学电离（CI）和场电离（FI）等软电离可产生更显著的分子或准分子离子，提供分子质量信息。VOC分析通常以EI进行常规筛查，CI和偶尔FI用于补充结构信息。

化合物鉴定：鉴定依赖碎片模式、谱库匹配和保留信息。谱库高相似度匹配提供候选或暂定鉴定，加入保留时间或保留指数（RI）可提高置信度。实验RI常相对正构烷烃同系物计算并与参考值比较。有真实标准时，比较质谱和保留行为可达到更高置信度。

基质效应：顶空GC–MS分析中，样品基质强烈影响分析物向顶空分配、提取效率和信号。基质差异可导致校准斜率变化和定量偏差，共洗脱组分可干扰谱图或诊断离子。基质匹配校准或标准加入法在准确定量时可能必要。SPME中基质依赖分配和提取也会产生基质效应，多次顶空SPME可减少其影响。

基于质谱的技术：PTR–MS：PTR–MS用于快速在线检测和定量痕量VOCs，利用质子转移反应。试剂离子通常为H₃O⁺，在漂移管中向VOC分子转移质子，主要产生质子化分析物离子。PTR–MS无需色谱分离，时间分辨率高，但化合物特异性受限，不同化合物可能贡献同一m/z。PTR–TOF–MS提供高分辨和准确质量信息，检测限可达低pptv或亚pptv。结构异构体通常需替代试剂离子如O₂⁺、NO⁺、Kr⁺、Xe⁺，或串联MS、GC、离子迁移谱等补充信息。

SIFT–MS：SIFT–MS类似PTR–MS，为软化学电离，可无需色谱分离直接实时分析复杂VOC混合物。其试剂离子如H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺经质量选择后进入流动管，在控制条件下与VOCs反应。SIFT–MS可毫秒级切换试剂离子，利用质子转移、电荷转移、氢化物抽象和加合物形成等提供互补产物离子模式。其适合靶向、实时定量，但异构体明确鉴定仍需互补信息。

电子鼻：电子鼻由部分特异性传感器阵列和模式识别系统组成，可识别简单或复杂气味。常见传感器包括金属氧化物半导体、导电聚合物、表面声波传感器和石英晶体微天平等。单个传感器选择性有限，但交叉反应形成特征响应模式，可用于分类。电子鼻依赖训练数据，通常不能鉴定单个化学成分或解析复杂动物气味。其受湿度、传感器中毒和漂移影响，需要校准、归一化和漂移补偿。GC基或MS基电子鼻利用快速色谱或质谱指纹结合多变量分析，主要用于快速模式识别和分类。

结论：嗅觉在复杂动物行为和互作中重要，表征其VOCs对理解和潜在操控动物反应具有重要意义。不同分析方法各有优缺点，电子鼻性能依赖传感器类型和训练数据，GC–MS可通过柱、电离模式和样品制备调整检测多类化合物。采样和制备同样关键：溶剂提取可回收低挥发和基质结合化合物，蒸馏可能因热降解改变原始轮廓，顶空采样更接近气相释放挥发物但偏向高挥发化合物并对实验条件敏感。没有单一采样或分析技术普遍最优，方法选择及组合应由生物学问题、目标化合物化学性质与挥发性以及行为或生态语境决定。