顶空气相色谱 质谱联用法分析粪便中挥发性脂肪酸

江振作+王跃飞+陈荣荣+朱彦+张蕾+刘双+刘海利��

摘 要 建立了一种快速分析粪便中挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids， VFAs）的顶空气相色谱 质谱联用法（Headspace gas chromatography mass spectrometry， HS GC/MS）。粪便样品用6% H3PO4溶液按1∶2（m/V）混悬后密封于顶空进样瓶中，直接进行HS GC/MS检测。顶空振荡室加热温度为80 ℃，振荡加热时间30 min，顶空进样针温度为80 ℃，不分流进样1 mL；采用DB FFAP毛细管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm），进样口温度为250 ℃，升温程序（初始温度50℃保持1 min，以10 ℃/min升至200 ℃），载气（高纯氦）流速为1.0 mL/min； 使用电子轰击（Electron impact， EI）离子源，电子能量为

Symbolm@@ 70 eV，离子源温度为250 ℃，传输线温度为280 ℃，电子倍增器电压为0.95 kV，全扫描模式，扫描范围m/z33～200。结果表明， 本方法能够应用于人及大鼠粪便中挥发性脂肪酸的分析，通过NIST标准谱库检索，采用对照品比对以及质谱数据解析的方法，在人的粪便样品中检测到9种挥发性脂肪酸：乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸、己酸、庚酸；在大鼠粪便中检测到8种挥发性脂肪酸：乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、己酸、庚酸。通过峰面积归一化法，计算得到乙酸、丙酸、丁酸的相对百分含量约占挥发性脂肪酸总量的85%。本方法简单、灵敏，可用于人和大鼠粪便中挥发性脂肪酸的快速检测。

关键词 顶空气相色谱 质谱联用法； 粪便； 肠道菌群； 挥发性脂肪酸

1 引 言

肠道菌群（Gut microbiota）是维系人体肠道微生态平衡的重要组成部分，其结构和活性受宿主的基因、营养状况和生活方式等因素的影响[1]。近年的研究发现，正常的肠道菌群在人体内发挥着重要作用，不仅参与人体能量和物质代谢，而且还可以抵御外来致病菌的定植，刺激人体免疫系统的发育[2，3]。当机体内肠道菌群发生紊乱时，会导致多种疾病的发生，如肥胖[4]、糖尿病[5]、过敏性疾病[6]、癌症[7]、艾滋病[8]等。因此，监测人体内肠道菌群的变化，对维持人类健康具有重要意义。

粪便中的挥发性脂肪酸主要由短链脂肪酸（Short chain fatty acid， SCFA）构成，短链脂肪酸是指碳链为1～6的有机脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、异己酸[9]，是由肠道菌群代谢肠道内未消化的碳水化合物产生的，是肠道菌群的重要代谢产物，其含量变化能够反映机体内肠道菌群的状况。其中，乙酸、丙酸、丁酸约占挥发性脂肪酸总量的85%～90%，是结肠中主要的阴离子，可以刺激水、钠的吸收，维持人体肠道内电解质平衡。短链脂肪酸能降低结肠内pH值，抑制致病菌的繁殖；维持益生菌代谢，保持肠道菌群稳态；营养结肠上皮细胞，促进细胞生长、代谢；抑制促炎因子产生，减少炎症反应，降低肠道病变；此外，短链脂肪酸还能抑制结肠癌细胞的增殖、分化和转移[10]，促进癌细胞凋亡及控制原癌基因表达[11]。因此，通过检测粪便挥发性成分，不仅能够反映机体内短链脂肪酸的含量，还能反映机体内肠道菌群的状态，进而评价机体的健康状态，目前有关此类研究的报道较少。

目前，挥发性脂肪酸的检测方法主要包括气相色谱法（Gas chromatography， GC）[12～16]、高效液相色谱法（High performance liquid chromatography， HPLC）[17～19]、毛细管电泳法（Capillaryelectrophoresis， CE）[20]和原子吸收分光光度法（Atomic absorption spectrophotography， AAS）[21]。由于挥发性脂肪酸极性大、挥发性强、无紫外吸收和荧光基团，故多采用GC法分析。目前，挥发性脂肪酸多需进行衍生化处理[12～14]，或经过液 液萃取法[15，16]处理后再进行GC分析，存在操作繁琐、萃取效率低、操作时间长、提取歧视效应、重复性较差、试剂毒性较大等不足。因此，需要建立一种简单、快速检测粪便中挥发性脂肪酸的方法。本研究建立了一种快速分析粪便中挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids， VFAs）的顶空气相色谱 质谱联用法（Headspace gas chromatography mass spectrometry， HS GC/MS）。粪便样品用6%H3PO4溶液混悬后即可分析，无需进行复杂的前处理。而Gao等[12]对粪便水溶液进行氯甲酸乙酯化处理后进行GC MS分析，采用两步衍生化向粪便水溶液中依次加入L 2氯苯丙氨酸、乙醇 吡啶（6∶1，V/V）、氯甲酸乙酯，超声1 min后加入正己烷萃取并离心，用NaOH溶液调节上清液至

pH 9～10，再加入氯甲酸乙酯混合超声，加入含3 （甲硫基）丙酸乙酯的正己烷终止反应，再进行分析；又如贾益群等[15]在酸性条件下用乙醚萃取粪便水溶液中，首先用纯水溶解粪便，离心过膜后，取适量粪便水溶液加入H2SO4溶液后再加入乙醚，振荡30次后离心5 min，置4 ℃冰箱30 min，取上层乙醚溶液进行GC分析。本方法与衍生化法或液 液萃取法相比，操作简单、处理时间短，能最大限度的保留粪便中的挥发性成分，不存在衍生化或提取的歧视效应，减少处理过程中挥发性成分的损失，所用试剂安全易得，可用于人和大鼠粪便中挥发性脂肪酸的快速测定。

2 实验部分

2.1 仪器、材料与试剂

GC450 MS320型气相色谱 质谱联用仪（美国Varian公司），配有CombiPAL顶空进样器，Varian MS Workstation 6.92工作站；DB FFAP毛细管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，美国Agilent公司）；Milli Q超纯水系统（美国Millipore公司）；AL 204 万分之一天平（瑞士METTLER TOLEDO公司）；SCIENTZ 25 12超声仪（宁波新芝生物科技股份有限公司）；pH 0.5～5.0和pH 5.5～9.0精密试纸（天津市塘沽区鹏达化工厂）。

乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、己酸、庚酸对照品（纯度≥99%，美国Sigma公司）；H3PO4（>85%， 天津市光复精密化工研究所）。

2.2 标准溶液配制

准确称取适量上述7个对照品于10 mL容量瓶中，以6% H3PO4溶液定容，制成每1 mL含乙酸5.02 mg、丙酸2.58 mg、异丁酸4.53 mg、丁酸4.72 mg、异戊酸4.25 mg、己酸4.25 mg、庚酸5.97 mg的混合对照品溶液。

2.3 样品处理方法

收集人和SD大鼠的新鲜粪便置于具塞广口瓶中，于

80 ℃冰箱保存备用。本研究采用的大鼠粪便经动物中心负责人审批后收集；研究用人粪便的收集经自愿者同意并签署了知情同意书。

2.4 HS GC/MS条件

2.4.1 顶空进样条件 顶空振荡室加热温度：80 ℃；加热时间：30 min；加热方式：震荡加热；1.0 mL顶空进样针温度：80 ℃；进样量：1 mL，不分流模式；用高纯氩气推动和清洗顶空针；清洗时间：0.5 min。

2.4.2 GC条件 DB FFAP色谱柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm）； 升温程序：初始温度50 ℃保持1 min，以10 ℃/min升至200 ℃；进样口温度：250 ℃；载气：高纯氦（He），纯度>99.999%；流速：1.0 mL/min。

2.4.3 MS条件 电离方式：EI； 电子能量：

70 eV； 离子源温度： 250 ℃；传输线温度： 280 ℃；电子倍增器电压： 0.95 kV； 全扫描模式， 扫描范围m/z33～200。

2.5 数据处理

样品中未知挥发性成分的定性分析：通过计算机检索NIST标准质谱库得到化合物信息，统计R和F匹配度（其中，R匹配：样品谱图与标准谱库检索得到结果的相似度； F匹配：标准谱库逆向检索得到结果与样品谱图的相似度，两者最大值均为1000）均大于700的挥发性成分。

3 结果与讨论

3.1 样品处理方法优化

3.1.1 稀释液的选择 挥发性脂肪酸的极性较大、在水中易发生电离，在水溶液中以HA（游离型）和A

（离子型）两种形式存在，两者存在的量可以用分布系数（δ）表示，由解离常数Ka（或其负对数值pKa）和溶液的pH决定。当用水作为稀释液时，由于水的pH（～6.5）大于挥发性脂肪酸的pKa值（如甲酸pKa=3.74），因此挥发性脂肪酸主要以A

形式存在；若直接用HS GC/MS检测，由于A

不易气化，导致测定结果偏低，甚至无法被检出；当改用酸作为稀释液时，由于溶液的pH值较低，挥发性脂肪酸主要以HA形式存在，可以采用HS GC/MS进行准确分析。考虑稀释液所用酸的挥发性及酸度对样品的影响，故采用非挥发性中强酸（H3PO4）作为酸性调节剂。图1为加H3PO4前后样品的总离子流图。由图1可知，样品用H3PO4稀释液处理后，各挥发性脂肪酸的响应均明显提高。

3.1.2 酸度的选择 根据一元酸分布系数各型体浓度的公式（δHA= H+H++Ka，δA

=KaH++Ka），当溶液的pH=pKa-2时，δHA>99%；此外，对同系物脂肪酸而言，随着碳链的延长，解离常数Ka呈降低趋势，即pKa逐渐增加，

酸性不断降低，如甲酸、乙酸、丙酸的pKa分别为3.74， 4.74， 4.87。综上可知，当溶液pH=2时，包括甲酸在内的所有SCFA主要以游离态形式存在。考虑到溶液pH值对色谱柱、粪便样品的影响以及挥发性脂肪酸在粪便中的含量，故调整溶液pH=2，这样既可以保护色谱柱、避免粪便中挥发性脂肪酸的破坏，又能保证挥发性脂肪酸以游离型存在。不同浓度H3PO4溶液处理后大鼠粪便混悬液的pH值变化曲线见图2。由图2可知，粪便混悬液具有较强的缓冲能力，当H3PO4溶液浓度为6%（V/V）时，粪便混悬液的pH=2。

3.2 粪便中挥发性成分HS GC/MS分析结果

按照2.4节所建立的HS GC/MS条件分析人、大鼠粪便及混合对照品溶液，图3为人粪便样品（图3A）、大鼠粪便样品（图3B）和混合对照品（图3C）的GC MS总离子流图。通过NIST标准谱库检索、采用对照品比对以及质谱数据解析的方法，在人的粪便样品中检测到9种挥发性脂肪酸：乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、异己酸、己酸、庚酸；在大鼠粪便中检测到8种挥发性脂肪酸：乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、己酸、庚酸。如图4所示，以丁酸为例，列举谱库检索结果及丁酸GC MS裂解规律。挥发性脂肪酸的GC MS谱库检索结果以及各成分通过峰面积归一化法得到的相对百分含量的结果见表1。

结果表明，人和大鼠粪便中挥发性脂肪酸的种类和相对百分含量基本一致，除了检测到短链脂肪酸外，还检测到少量的庚酸，其中乙酸、丙酸、丁酸是最主要的短链脂肪酸，约占挥发性脂肪酸总量的85%，与文献＼[9]报道的结果基本一致，但戊酸、异己酸、己酸的相对百分含量差别较大，提示人和大鼠的肠道菌群具有较高的相似性，但仍存在物种间差异，与Chung等[2]的结论基本吻合。Chung等向无菌小鼠分别移植鼠和人的微生物群，检测小肠免疫系统的成熟是否与宿主特异性微生物群有关。结果表明，鼠微生物群移植小鼠和人微生物移植小鼠的肠道细菌数量和门类具有相似性，但细菌种属有些区别，特别是厚壁菌。

4 结 论

基于挥发性脂肪酸在肠道生态平衡中的重要性，本研究侧重分析粪便中的挥发性脂肪酸，所建HS GC/MS法能够系统分析粪便中挥发性脂肪酸，而文献＼[12，15]仅关注粪便中部分挥发性脂肪酸的分析，如Gao等[12]采用GC MS对粪便水溶液氯甲酸乙酯化处理后的样品进行分析，更多关注的是粪便中一元羧酸、二元羧酸、酚类化合物、氨基酸等代谢产物，只检测到4种挥发性脂肪酸（异戊酸、戊酸、己酸、庚酸）。综上所述，本方法能够系统地研究粪便中挥发性脂肪酸，方法简单、灵敏，可用于人和大鼠粪便中挥发性脂肪酸的快速检测。

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