摘要:研制成功ZTQ-201型13C检测仪,该仪器采用色谱分离和质谱测量原理,测定人体呼出气中CO2的13C/12C比值,测量精度(δ)优于0·5‰。本文介绍仪器的工作原理、组成和性能。
1 前言
早在1983年,澳大利亚医生马舍尔发现胃炎、胃溃疡是由一种叫作幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori,简称HP)的细菌引起的[1,2]。大量医学研究证明:HP是引发胃炎、胃溃疡的最主要病因(90%的胃病患者感染HP)。HP被世界卫生组织在1994年列为第一类致癌因子。
目前,诊断HP的主要方法有:用胃镜取粘膜做银染色和用13C标记作呼气试验等。后者为非侵入性检查,灵敏、准确、快捷、安全、无痛苦,是世界公认的权威检测方法。
13C尿素呼气试验方法的原理是:人体内的HP可译放出具有特异性、内源性的尿素酶,它可以把尿素分解为NH3和CO2,这些CO2通过血液循环到肺部,被呼气排出。如果吞下的尿素是用非放射性的13C同位素标记的,那么,当胃里有HP存在时,呼气中的13CO2将被富集,13C/12C比值发生变化,用高精度的同位素质谱仪测定这一变化量,便可判定HP的存在。
由于13C尿素呼气试验法的突出优势,现在已被世界各国越来越多的医院采用。国内,协和医院、北医大三院等医院早已开展研究并进入临床应用。作为13C尿素呼气试验法的关键设备———13C分析仪,国内早已有了商品,英国有Europa Scientific等数家公司和美国Finnigan MAT公司制造这种仪器,并有少量进入我国医院。
为适应这一发展形势,我们于1998年开始研制仪器,试制成ZTQ-201型13C检测仪。本文简要介绍仪器的工作原理、组成和性能。
2 仪器工作原理与组成
2·1 仪器工作流程[3,4]
用注射器将呼出气注入色谱进样口,色谱柱将CO2从呼出气的N2、O2和H2O等其它成分中分离出来,送进质谱仪,再用质谱法测定CO2的碳同位素比值,如图2·1所示。
2·2 气相色谱法分离
气相色谱分离系统由注样口、干燥剂、色谱柱、电磁阀以及载气系统(气瓶、稳压阀、压力表、稳流阀和流量计)等组成。
当呼出气样品随载气进入色谱柱后,各组分以其特有的移动速度在柱内移动,被固定相多次反复溶解,挥发,而拉开距离,以不同时间(保留时间)离开色谱柱,即各组分按时间先后实验分离。在某一选定色谱柱条件下,自注样到某一成分离开色谱柱的时间(保留时间)主要取决于载气流量和柱温度,调节和稳定这两个参数,能获得精确的出峰时间。
采用3×1000mm不锈钢填充柱(固定相为碳分子筛),He作载气。柱箱温度在80~200℃范围内可调。
采用Q23XD型二位三通电磁阀控制气路:不注样时,放空色谱柱流出物;注样后,只将CO2导入质谱,其它成分皆放空。手动微调漏孔阀和微调阀用于调节进样量。
为避免呼气中的水汽进入色谱柱,用高氯酸镁Mg(CIO4)2作干燥剂。
2·3 质谱法测定
质谱仪由离子源、质量分析器和离子接收器三个主要部分组成(图2·1)。
离子源的作用是用电子轰击气体分子和原子,使其变成带正电的离子,并且聚焦成束,以一定能量送入质量分析器。采用标准结构的尼尔型离子源,封闭式(流导约5L/s)。质量分析器的作用是将发自离子源的离子束按其质(量)/(电)荷比分开。本仪器的质量分析器采用单聚焦磁偏转原理。离子束进入均匀磁场后,受洛仑兹力作用,产生偏转,偏转半径
2·4 δ值计算
据此,可以测得服药前样品的δDQ和服药后样品的δDH,两者之差
3 实验与结果
3·1 试验
1·优化色谱
①试验柱温、载气流量对CO2保留时间的影响,选择柱温和载气流量,以获得合适的出峰时间。设定柱温130℃、载气流量50mL/min时,可达到CO2出峰时间为120秒,峰宽40秒,从而,控制一次做样的时间在3分钟内。
②确定干燥器对CO2峰形的影响:死空间将导致严重拖尾。折衰考虑,设计干燥器的结构(形状及体积),既要保持良好的CO2峰形,又要提高干燥效率和耐久性。
2·提高质谱仪性能
①试验离子源和离子接收器的结构对质谱性能(分辨率和灵敏度)的影响,进行修改。
②测定真空度、进样量和离子源电参数对测量精度的影响,确定工作参数。
确定以下质谱仪工作参数:离子源接收电源120~150μA,电离电压70~120V,推斥电压10~20V,最高工作真空度8×10-4Pa(注样量5~10mL)。在此参数下,仪器对CO2的灵敏度约5×10-5A/Pa,对CO2含量高于1%的样品有足够的响应。
③改进质谱电子学系统,提高关键部件的技术指标,以保证测量精度。
3·编制和完善操作软件
用C语言编制仪器的操作和数据处理软件。参考国外仪器的操作说明书[4],结合我们的实际情况,作适当改进。
3·2 手动注样的误差分析
手动注射样品时,在注射器自气袋抽取样品后到注入色谱进样口之间,有数秒钟时间,注射器是暴露在环境大气中的,若环境大气混入注射器内的样品中,将会造成误差。按照2·4节公式,混入其13C/12C比值不同于样品的大气CO2后,对δ值产生的相对偏差
3·3 仪器主要技术指标:
测定质量数 45/44 u
质量分辨率 >50
测量精度(δ) <0·5‰
每个样品分析时间3 min
仪器启动时间<30 min
极限真空度<1×10-4Pa
4 结束语
气相色谱法和同位素质谱法都是相当成熟的技术,两者结合,用来测定呼气的碳同位素的比值是完全可行的。当然,要做成高精度、稳定可靠的仪器,必须精心设计和制作仪器的每个部件,尤其是质谱的离子光学系统、电子学部件及操作软件。我们已取得这方面的经验,为仪器批量生产和进一步发展奠定了基础。在研制工作中得到协和医院江骥教授、石油勘探开发科学研究院董爱正研究员和北京放射免疫中心夏淑君主任的支持和帮助,特此致射。
参考文献:
[1] 赵彦 魏新德,“吹口气查胃病”[N].《中国科学报》,1998年6月26日.
[2] 吴协迪,“检测幽门螺旋杆菌的新方法———碳13尿素呼气法”[N].《中国科学报》,1998年6月26日.
[3] Prosser.S.J and Scrimgeour。C。M, Anal。Chem。[J], 1995, 67,1992-1997
[4] Europa Scientific Ltd.,《Automated Breath13Carbon Analyser UserManua1》[M], Issue 1
[5] Prosser.S.J, Int。J。Mass Spectrom. Ion Processes[J], 1993, 125,241-266
本文作者：王成智 汪国良 张蕾 李士丽 胡士凡 黄水英
