面向人体和细胞挥发性代谢物分析的管内固相微萃取-气相色谱/质谱联用技术

Recently, non-invasive breath analysis has attracted increasing attention in medical diagnosis. However, it still faces serious challenges. In this work, a new breath analysis system is proposed, a graphene/polyaniline/polydopamine -based in-tube solid phase microextraction-gas chromatography/mass spectrometry method is designed and set up for the determination of volatile organic compounds (VOCs) in human breath vapor and headspace gas of cell lines. The safe, non-invasive, sensitive and effective VOCs analysis approach may open up a new horizon for the clinical early detection of lung cancer. Graphene/ polyaniline nanocomposite coating is fabricated on the inner surface of a stainless steel needle by a facile in-situ electrodeposition strategy. The doping of graphene into the conductive polymer can improve the stability and extraction capacity of the polymeric coating. The modification of polydopamine on the coating surface can enhance the hydrophilicity and the extraction selectivity. The hyphenation of IT-SPME with GC/MS enables an enhanced automation level and high-throughput analysis. Computational chemistry and metrology method will be used to study the possible extraction mechanism and to screen VOCs biomarkers. The preliminary study can provide important theoretical fundament for the clinical application of breath analysis.

近年来，非侵入式的呼吸分析在临床诊断学领域引起了广泛的关注，但其仍面临着严峻的挑战。基于此，本项目提出面向人体和细胞挥发性代谢物分析的管内固相微萃取-气相色谱/质谱联用新技术，旨在探索一种安全、无损、灵敏、高效的呼吸分析新方法。我们拟采用原位电沉积的策略在不锈钢针内壁合成石墨烯/聚苯胺纳米涂层，选择性地进行聚多巴胺的表面功能化修饰，针对不同极性的挥发性有机物(VOCs, 如非极性烃类和极性醛酮类物质)，设计不同类型的吸附材料，最终实现低丰度VOCs的高灵敏度检测。原位电沉积方法简单可控；掺杂的石墨烯能有效地提高材料的稳定性和方法灵敏度；表面修饰的聚多巴胺能改善萃取选择性；在线联用方式有助于实现快速、高通量分析；理论计算研究有望合理地解释萃取机理。将建立的方法应用于肺癌患者呼吸气体和细胞顶空气体中VOCs分析。本项目对呼吸分析的临床应用具有重要的理论指导意义，有助于深入研究肿瘤发病机制。

通过电沉积法、静电纺丝法在不锈钢丝上合成氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺、氧化石墨烯/聚苯胺/聚吡咯等多种新型固相微萃取涂层。基于此类材料，建立了一种快速、低成本、高灵敏度的管内固相微萃取-气相色谱-质谱联用法，成功用于人体呼吸气体和PM2.5染毒后MRC-5细胞顶空气体中挥发性代谢物的检测。萃取材料具有优良的热稳定性和机械性能，比表面积大，使用寿命长，吸附性能优于商品化涂层纤维（PDMS和PA）。用DFT和分子轨道理论方法PM7系统地研究了萃取机理，结果显示π-π、p-π、疏水作用和静电作用为其主要作用方式，吸附后极性吸附分子与石墨烯之间的电荷转移增强，直接结合位点处的二级微扰能增大，吸附能增大，且吸附能与富集倍数之间有一定正相关。9种VOCs的检出限为0.2-1.0 ng L-1，回收率为82%-109%，表明该方法有较好的准确度，抗样品基质干扰能力强。在对照组和肺癌实验组中，细胞和患者呼吸/代谢气体中戊醛、己醛、戊醛、壬醛、十一烷含量存在显著性差异，有望作为潜在的生物标志物。本研究建立的方法具有简单，灵敏，高效，重现性好等优势，适用于临床人体呼吸气体和细胞等复杂生物基质中挥发性代谢物的研究，有望用于肺癌的早期诊断。