本發(fā)明涉及一種顆粒物的物理化學(xué)性質(zhì)的分析方法，特別是涉及一種呼出氣中PM_2.5的檢測方法和采樣設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前，我國京津冀、長三角、珠三角等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)灰霾天氣頻發(fā)，首要污染物PM_2.5(空氣動力學(xué)等效直徑≤2.5μm的微小粒子)嚴重超標。不同來源的PM_2.5具有不同的化學(xué)成分，因此具有不同的毒性效應(yīng)以及不同的物理化學(xué)性質(zhì)(如粒徑分布、吸濕性等)。

呼吸行為是個體暴露PM_2.5的最主要途徑，不同粒徑的PM_2.5會在呼吸過程中沉積在呼吸道的不同位置并深入肺泡，還有可能通過肺泡上皮細胞進入血液循環(huán)。研究表明，大氣PM_2.5污染或可導(dǎo)致肺癌、呼吸道系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病等重大急、慢性疾病。

目前，已有許多針對大氣中的污染物，特別是PM_2.5的測定，得到了關(guān)于PM_2.5污染物的一些粒徑分布等物理性質(zhì)以及成分等化學(xué)性質(zhì)的信息。

而檢測人體呼出氣中PM_2.5的粒徑譜(數(shù)濃度隨粒徑分布圖)和成分譜(化學(xué)組分)具有非常重要的意義，它對評價環(huán)境空氣PM_2.5在人體內(nèi)的截留量、沉積位置和毒性效應(yīng)，至關(guān)重要。首先，通過比較環(huán)境空氣與呼出氣中PM_2.5的粒徑譜和成分譜，可以獲取不同化學(xué)成分PM_2.5在人體內(nèi)的截留量；進一步，根據(jù)粒徑譜，以及PM_2.5在人體內(nèi)吸濕增長對粒徑的影響(人體體內(nèi)溫度為37℃，相對濕度99.5–100％)，有效預(yù)測不同化學(xué)成分PM_2.5在人體內(nèi)的沉積位置；最后，綜合截留量、沉積位置以及化學(xué)成分信息，更加準確地評價個體暴露風(fēng)險。

但是，對于呼出氣中PM_2.5的粒徑譜和成分譜的分析方法仍然比較少，常規(guī)的方法一般是將檢測呼出氣中PM_2.5的粒徑譜和檢測呼出氣冷凝液(Exhaled breath condensate，EBC)的化學(xué)成分譜分別進行。

例如：檢測呼出氣中PM_2.5粒徑譜的主要分析手段包括掃描/差分/快速電遷 移率粒徑譜儀(Scanning/differential/fast mobility particle sizer，SMPS/DMPS/FMPS)和Grimm光學(xué)計數(shù)器(J.et al，J.Aerosol Med.Pulm.D.，2014；J.et al，Inhal.Toxicol.，2007)。上述分析方法的優(yōu)點是樣品未經(jīng)前處理、可保留PM_2.5原生信息，但是缺點是沒有化學(xué)成分信息。

檢測EBC化學(xué)成分的主要分析手段包括光譜、高效液相色譜質(zhì)譜(P.Kubáň和F.Foret，Anal.Chim.Acta，2013)，該方法的優(yōu)點是可以根據(jù)化學(xué)成分評價PM_2.5可能的危害效應(yīng)；缺點包括：(1)無粒徑譜，即無法得知不同化學(xué)組成PM_2.5的沉積位置，這會影響對PM_2.5毒性機制的準確理解和解析；(2)非PM_2.5原生信息，即檢測到的成分譜并非是呼出氣中原生形態(tài)的PM_2.5，呼出氣中PM_2.5的化學(xué)成分可能在冷凝過程中發(fā)生變化，因此存在檢測結(jié)果不準確的可能；(3)冷凝時會富集呼氣中的水，使樣品稀釋(EBC含水量約99.9％)，降低了待測物濃度，對方法靈敏度的要求變高。

單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)可同時檢測單個顆粒的粒徑和化學(xué)成分，同時獲得PM_2.5的粒徑譜和成分譜。目前基于單顆粒氣溶膠質(zhì)譜技術(shù)的商品儀器有氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀(Aerosol time of flight mass spectrometer，ATOFMS)和單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(Single particle aerosol mass spectrometer，SPAMS)。

目前，ATOFMS和SPAMS主要用于大氣PM_2.5來源解析、大氣氣溶膠混合狀態(tài)和和老化過程以及大氣顆粒物吸濕性和酸度研究。但基于單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的呼出氣PM_2.5的分析方法尚未見報道。

面對我國當前頻發(fā)的PM_2.5重污染事件及其可導(dǎo)致的重大急慢性疾病，亟需對人體呼出氣中PM_2.5粒徑譜和成分譜的直接質(zhì)譜分析方法進行研究開發(fā)，這將對準確評價個體暴露風(fēng)險具有非常重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對上述問題，提供一種呼出氣中PM_2.5的檢測方法和采樣設(shè)備。采用該檢測方法，可以對人體呼出氣中PM_2.5粒徑譜和成分譜同時進行檢測，并且能夠保留呼出氣中PM_2.5的原生形態(tài)，能夠準確的同時得到呼出氣中PM_2.5的粒徑譜和成分譜。

一種呼出氣中PM_2.5的檢測方法，包括以下步驟：

樣品采集：采集經(jīng)過呼吸呼出的氣體，并在氣體采集過程中保持氣體于35-39℃恒溫；

樣品檢測：將上述采集得到的氣體樣品導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀中進行分析，首先使氣體樣品中的顆粒在空氣動力學(xué)透鏡中匯聚成束，并使該顆粒束經(jīng)過兩束距離固定的測徑激光進行粒徑檢測，得到顆粒粒徑；隨后，經(jīng)粒徑檢測后的顆粒進入電離區(qū)，在電離激光的作用下獲得能量變成碎片離子，碎片離子在電場作用下進入飛行時間質(zhì)量分析器，檢測得到碎片離子的荷質(zhì)比；

結(jié)果分析：分析檢測得到的顆粒粒徑和碎片離子的荷質(zhì)比，獲得呼出氣中PM_2.5的粒徑譜和成分譜。

上述呼出氣中PM_2.5的檢測方法，克服了現(xiàn)有分析技術(shù)無法同時獲取人體呼出氣中PM_2.5粒徑譜和成分譜等不足，通過采用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀直接分析人體呼出氣，首先將呼出氣中PM_2.5在空氣動力學(xué)透鏡中匯聚為單個顆粒束，然后對單個顆粒逐一測徑，獲得單個顆粒粒徑信息；測徑后的單顆粒被激光電離成碎片離子，碎片離子在電場作用下進入飛行時間質(zhì)量分析器，測得其荷質(zhì)比(mass to charge ratio，m/z)，最后根據(jù)元素周期表中各元素原子量，計算得到碎片離子的化學(xué)元素組成，進而得到單個PM_2.5顆粒的化學(xué)成分，實現(xiàn)了實時在線檢測其粒徑譜和成分譜的目的。而且，所采集得到的呼出氣體無需進行任何前處理，就可直接進樣檢測，既避免了常規(guī)方法檢測時呼出氣中PM_2.5化學(xué)成分在冷凝過程中可能產(chǎn)生的變化，又解決了冷凝時富集呼氣中的水分導(dǎo)致樣品稀釋的問題。

并且，本發(fā)明人在前期考察中發(fā)現(xiàn)，溫度的變化會對呼氣中的氣溶膠粒徑產(chǎn)生很大的影響，因此，上述檢測方法的樣品采集中，需對氣體采集過程進行溫度控制，保持氣體溫度恒定于35-39℃，盡量與采樣對象的體溫保持一致，才能確保檢測得到的氣體中PM_2.5的粒徑與真實值保持一致。

在其中一個實施例中，所述樣品檢測中，所述氣體樣品導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的進樣流速為75-100mL min^-1，所述測徑激光的波長為405-635nm，所述電離激光的波長為198-355nm。對于測徑激光，波長越短，對小粒徑顆粒物 的檢測越靈敏；但一方面，波長越短，能量越高，越容易改變顆粒物的化學(xué)組成。對于電離激光，波長越短，電離效率越高、熱解析效率越低，波長越長則反之；此外，因為波長越短、能量越大，顆粒物碎裂程度越高，不利于定性解析化學(xué)成分。測徑激光和電離激光，可以根據(jù)樣品的具體性質(zhì)進行調(diào)節(jié)。采用上述檢測條件，能夠很好的同時測定氣體樣品中PM_2.5的粒徑譜和成分譜。

在其中一個實施例中，所述氣體樣品導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的進樣流速為75mL min^-1，所述測徑激光的波長為532nm，所述電離激光的波長為266nm。采用上述檢測條件，具有最佳檢測效果。

在其中一個實施例中，所述樣品檢測中，經(jīng)粒徑檢測后在電離激光作用下獲得能量變成碎片離子的顆粒個數(shù)與進行粒徑檢測的顆粒個數(shù)的比值>20％(即總打擊率>20％)；進行粒徑檢測的測徑范圍為200-2500nm；檢測碎片離子的荷質(zhì)比掃描范圍m/z為1-500，質(zhì)量分辨率為500(半高全寬)，檢測模式為正離子模式和/或負離子模式。采用上述檢測條件，能夠針對呼出氣中空氣動力學(xué)等效直徑≤2.5μm的微小粒子，即PM_2.5進行檢測，具有更好的針對性。

在其中一個實施例中，所述樣品采集中，采集的是經(jīng)過人體單次呼吸呼出的氣體。以單次的呼出氣作為檢測目標，能夠更好的分析PM_2.5在人體的沉積行為。

在其中一個實施例中，樣品采集后于60秒內(nèi)進行樣品檢測。優(yōu)選在樣品采集后30秒內(nèi)進行檢測，樣品采集后迅速進行單顆粒氣溶膠質(zhì)譜分析，能夠減少樣品損失。

本發(fā)明還公開了一種檢測呼出氣中PM_2.5的采樣設(shè)備，用于實現(xiàn)上述的檢測方法中的樣品采集，包括：

氣袋，包括袋體、進氣閥、出氣閥，所述進氣閥和出氣閥均固定于袋體上，并與袋體內(nèi)部相通；

進氣管，與進氣閥連通，用于收集經(jīng)過呼吸呼出的氣體；

出氣管，與出氣閥連通，用于將收集到的氣體導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀；以及

加熱裝置，其上設(shè)有發(fā)熱裝置，用于對氣袋進行加熱。

上述采樣設(shè)備，用于配合上述的呼出氣中PM_2.5的檢測方法，實現(xiàn)上述檢測方法中保持氣體恒溫狀態(tài)的樣品采集過程，使檢測時所測定的氣體樣品中顆粒的粒徑和狀態(tài)均保持與呼出時一致，確保了檢測的準確性。

在其中一個實施例中，所述袋體由聚氟乙烯或聚全氟乙丙烯制成。采用上述材料，具有減少顆粒物吸附的優(yōu)點。

在其中一個實施例中，所述進氣閥和出氣閥由聚四氟乙烯制成。采用上述材料，具有減少顆粒物吸附的優(yōu)點。

在其中一個實施例中，所述進氣管和出氣管由導(dǎo)電硅膠或聚全氟乙丙烯制成。采用上述材料，具有減少顆粒物吸附的優(yōu)點。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的一種呼出氣中PM_2.5的檢測方法，通過采用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀直接分析人體呼出氣，實現(xiàn)了實時在線檢測其粒徑譜和成分譜?？朔爽F(xiàn)有分析技術(shù)無法同時獲取人體呼出氣中PM_2.5粒徑譜和成分譜等不足，并且所采集得到的呼出氣體無需進行任何前處理，就可直接進樣檢測，既避免了常規(guī)方法檢測時呼出氣中PM_2.5化學(xué)成分在冷凝過程中可能產(chǎn)生的變化，又解決了冷凝時富集呼氣中的水分導(dǎo)致樣品稀釋的問題。

并且，該檢測方法還對樣品采集和樣品檢測步驟進行了優(yōu)化篩選，使該檢測方法具有更好的準確性，與真實結(jié)果更為一致。

本發(fā)明的一種檢測呼出氣中PM_2.5的采樣設(shè)備，用于配合上述的呼出氣中PM_2.5的檢測方法，實現(xiàn)上述檢測方法中保持氣體恒溫狀態(tài)的樣品采集過程，使檢測時所測定的氣體樣品中顆粒的粒徑和狀態(tài)均保持與呼出時一致，確保了檢測的準確性。

附圖說明

圖1為實施例中采樣設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例中呼出氣平行樣品中含有機碳成分PM_2.5在200–2500nm范圍內(nèi)的粒徑分布數(shù)濃度。

圖3為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含元素碳成分的PM_2.5 的指紋譜圖。

圖4為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含有機碳成分的PM_2.5的指紋譜圖。

圖5為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含有機胺成分的PM_2.5的指紋譜圖。

圖6為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中富含鉀元素的PM_2.5的指紋譜圖。

圖7為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中富含鉀、鈉元素的PM_2.5的指紋譜圖。

圖8為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含鋁元素的PM_2.5的指紋譜圖。

圖9為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含鈣元素的PM_2.5的指紋譜圖。

圖10為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含釩元素的PM_2.5的指紋譜圖。

圖11為實施例中正、負離子檢測模式下檢出呼出氣中含鐵元素的PM_2.5的指紋譜圖。

其中：110.袋體；120.進氣閥；130.出氣閥；200.進氣管；300.出氣管；400.加熱裝置。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連通”另一個元件，它可以是直接連通到另一個元件或者可能同時存在居中元件。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。

實施例

一種呼出氣中PM_2.5的檢測方法，包括以下步驟：

一、樣品采集。

1、采集呼出氣體樣品。

采集經(jīng)過呼吸呼出的氣體，并在氣體采集過程中保持氣體于37℃恒溫。

采用下述檢測呼出氣中PM_2.5的采樣設(shè)備，如圖1所示，該采樣設(shè)備包括：氣袋，進氣管200，出氣管300和加熱裝置400。

所述氣袋包括袋體110、進氣閥120、出氣閥130，所述進氣閥120和出氣閥130均固定于袋體110上，并與袋體110內(nèi)部相通。

所述進氣管200與進氣閥120連通，用于收集經(jīng)過呼吸呼出的氣體；所述出氣管300與出氣閥130連通，用于將收集到的氣體導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀。

所述加熱裝置400上設(shè)有發(fā)熱裝置，用于對氣袋進行加熱。在本實施例中，所述加熱裝置為平板狀的加熱板，可將氣袋直接放置于該加熱板上就可對氣袋及其內(nèi)的氣體樣品進行加熱保持37℃恒溫。

并且，在本實施例中，所述袋體由聚氟乙烯(Tedlar)或聚全氟乙丙烯(Teflon)制成，且該袋體的規(guī)格優(yōu)選為0.2-2L；所述進氣閥和出氣閥由聚四氟乙烯制成，所述進氣管和出氣管由導(dǎo)電硅膠或聚全氟乙丙烯制成，最優(yōu)選導(dǎo)電硅膠管，且管路內(nèi)徑優(yōu)選6mm。

該采樣設(shè)備的使用方法為：

首先，將氣袋固定于加熱板上，設(shè)置加熱板的溫度為37℃，關(guān)閉出氣閥的閥門，開啟進氣閥的閥門，令測試者通過進氣管向氣袋內(nèi)吹入單次的呼出氣體，隨后關(guān)閉進氣閥的閥門。

然后，在30秒內(nèi)，將出氣管與氣體導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的進樣口連通， 開啟出氣閥的閥門，將氣袋內(nèi)的氣體樣品導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀。

2、采集空白對照樣品。

按照上述方法，采用上述采樣設(shè)備采集干空氣樣品，該干空氣樣品由氣瓶提供，其中不含PM2.5，作為空白對照。

3、采集環(huán)境空氣樣品。

直接通過單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的進樣口采集環(huán)境空氣樣品。

二、樣品檢測。

分別將上述采集得到的氣體樣品，以75mL/min的進樣流速導(dǎo)入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS 0515-R)中進行分析，其中呼出氣體樣品平行分析5個平行樣。

首先使氣體樣品中的顆粒在空氣動力學(xué)透鏡中匯聚成束，并使該顆粒束經(jīng)過兩束距離固定的波長為532nm的測徑激光進行粒徑檢測，測徑范圍為200-2500nm，得到顆粒粒徑。

隨后，經(jīng)粒徑檢測后的顆粒進入電離區(qū)，在波長為266nm的電離激光作用下獲得能量變成碎片離子，碎片離子在電場作用下進入飛行時間質(zhì)量分析器，檢測碎片離子的荷質(zhì)比掃描范圍m/z為1-500，質(zhì)量分辨率為500(半高全寬)，檢測模式為正離子和負離子模式，檢測得到碎片離子的荷質(zhì)比。

三、結(jié)果分析。

采用與儀器配套的數(shù)據(jù)分析軟件(SPAMS_ANALYZE_V1.8.4.1)對檢測得到的顆粒粒徑和碎片離子的荷質(zhì)比數(shù)據(jù)進行分析，包括，根據(jù)激光測徑結(jié)果獲得粒徑譜；從正、負離子檢測模式下的質(zhì)譜數(shù)據(jù)中提取單個顆粒物的峰面積，利用ART-2a分類方法對顆粒物進行分類，然后對顆粒進行統(tǒng)計計算，獲得成分譜(G.H.Zhang，Atmos.Res.，2015；L.Li，2011，Int.J.Mass Spectrom.)。

1、激光測徑結(jié)果。

激光測徑結(jié)果如下表所示。

表1.人體呼出氣樣品和環(huán)境空氣樣品中PM_2.5的被測徑和被電離顆粒數(shù)

從上述檢測分析結(jié)果中可以看出，5個單次呼出氣平行樣品檢出PM_2.5個數(shù)為87-173，低于環(huán)境空氣樣品檢出PM_2.5個數(shù)(836個和1234個)(表1)，表明一部分環(huán)境空氣中的PM_2.5會殘留在人體內(nèi)，而干空氣樣品中檢出PM_2.5個數(shù)為零。

上述呼出氣中的粒徑分布譜如圖2所示，大部分粒徑集中于400-500nm之間。

2、成分檢出結(jié)果。

根據(jù)正、負離子檢測模式下的質(zhì)譜數(shù)據(jù)，對呼出氣和環(huán)境空氣樣品中PM_2.5被測徑且被電離的顆粒，利用ART-2a分類方法對顆粒物進行分類，結(jié)果如下表所示。

表2.人體呼出氣和環(huán)境空氣樣品中不同化學(xué)成分PM_2.5的檢出情況(個顆粒物)

上表中：¹含元素碳成分的PM_2.5；²含有機碳成分的PM_2.5；³含有機胺成分的PM_2.5；⁴富含鉀元素的PM_2.5；⁵富含鉀、鈉元素的PM_2.5；⁶含鋁元素的PM_2.5；⁷含鈣元素的PM_2.5；⁸含釩元素的PM_2.5；⁹含鐵元素的PM_2.5。

從上述檢測分析結(jié)果中可以看出，呼出氣中PM_2.5分類得到9種PM_2.5，包括：含元素碳成分的PM_2.5(如圖3所示)，含有機碳成分的PM_2.5(如圖4所示)，含有機胺成分的PM_2.5(如圖5所示)，富含鉀元素的PM_2.5(如圖6所示)，富含鉀、鈉元素的PM_2.5(如圖7所示)，含鋁元素的PM_2.5(如圖8所示)，含鈣元素的PM_2.5(如圖9所示)，含釩元素的PM_2.5(如圖10所示)，含鐵元素的PM_2.5(如圖11所示)。

通過比較各類PM_2.5的數(shù)濃度(個/L)在環(huán)境樣品和呼出氣樣品中的存在情況，可以進一步了解不同化學(xué)成分PM_2.5在人體內(nèi)的存在情況。

還需指出的是，在上述9類顆粒物中，有2類PM_2.5僅在呼出氣樣品中檢出，即含有機胺成分的PM_2.5(圖5)和富含鉀、鈉元素的PM_2.5(圖7)，推測可能為人體內(nèi)源性氣溶膠，由呼吸道壁粘液膜在氣道閉合過程中產(chǎn)生(P.Kubáň和F.Foret，Anal.Chim.Acta，2013；K.Haslbeck，J.Aerosol Sci.)。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。