国产质子转移反应质谱仪的发展现状*

邹 雪 张强领 梁 渠 陆 燕 夏 磊 刘亚伟 黄超群 沈成银 储焰南

（中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所，医学物理与技术安徽省重点实验室，合肥 230031）

质子转移反应质谱（Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，PTR-MS）技术主要用于挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的检测分析［1］。目前VOCs检测应用最广泛的是气相色谱质谱联用仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）、光电离或火焰电离气相色谱仪（Gas Chromatography-Photoionization Detector，GC-PID、Gas Chromatography-Flame Ionization Detector，GC-FID）等色谱类技术［2］。近年来，科研工作者又拓展出了多维色谱技术［3］，可以实现数百种VOCs的同时分离检测［4］，但是也存在检测过程耗时等不足。对此，近年来发展出一系列快速光谱和质谱检测技术。其中，光谱技术可以实现特定数种VOCs的定向检测，但是无法对未知样品进行盲测，限制了应用前景。PTR-MS是代表性质谱技术，可以实现VOCs的实时在线高灵敏检测，检出限已经达到pptv级甚至更低，而且一般不需要样品前处理［5］。

PTR-MS是一种基于质子转移反应原理发展出来的质谱检测技术，最早由因斯布鲁克大学Lindinger团队在 1995年发明建立［6］，并于 2008年由储焰南团队引入中国［7］。检测过程中，待测物与离子源中制备的反应母离子H3O+在反应管中发生质子转移反应（Proton Transfer Reaction，PTR），获取质子、带上电荷，并在电场作用下进入质量分析器，给出质荷比和信号强度。PTR是一种放热反应，且反应过程中能量变化较小，因而碎片离子少，利用质荷比基本上就可以完成定性工作［8，9］；关于定量，既可利用标样标定的方式进行，也可结合质子转移反应原理通过计算实现［10，11］。

为了全面介绍中国PTR-MS的发展现状，本文将详细回顾该技术的国产化历程和应用研究：首先介绍PTR-MS装置的结构和基本原理；然后回顾国产PTR-MS的研制历程，介绍国产PTR-MS在环境、医学、安全等领域应用研究；最后，总结国产PTR-MS仪器的发展成果，分析与国外技术相比的优缺点，展望技术发展和应用拓展方向。

1 PTR-MS简介

PTR-MS主要由三部分组成：离子源、反应管和质谱探测系统（图1）。工作时，水蒸气被引入离子源，通过辉光放电产生高浓度H3O+，然后在电场作用下进入反应管。待测物M直接通入反应管，和H3O+发生质子转移反应获得质子，之后在电场作用下进入质谱探测系统，给出质荷比和信号强度。

图1 PTR-MS示意图Fig.1 Schematic Diagram of PTR-MS

1.1 PTR-MS的构成

1.1.1 离子源

表1 离子源内辉光放电产生的各种离子与H2 O发生的反应及其速率常数Tab.1 Reactions of Various Ions Produced by Glow Discharge in Ion Source with H2 O and Its Rate Constants

1.1.2 反应管

反应管是待测物M与H3O+离子发生质子转移反应的场所（图1）。如果通入的M质子亲和势（Proton Aftinity，PA）大于水的 PA（691 kJ/mol），就可以和 H3O+发生如式（2）所示的反应，夺取质子，带上电荷。常规PTR-MS反应管是由系列等径不锈钢圆环串联而成，不锈钢圆环之间通常由聚四氟垫片隔开。不锈钢圆环之间通过电阻施加均匀电场，使产物离子MH+和反应母离子H3O+在电场作用下向下游运动，通过差分小孔进入质谱探测系统。

E/N（E是反应管中电场强度，N是反应管内气压温度恒定时气体分子的数密度）是反应管内离子分子碰撞能的决定因素。通过对其进行调节可以减少产物中碎片离子和团簇离子的产生，增加MH+的比例，提升PTR-MS的定性能力。另一方面，通过观察不同E/N条件下碎片离子的分布和比例，可以进一步提升 PTR-MS的定性能力［23］，特别适合于分子量相同但是元素组成不同物质的定性。

1.1.3 质谱探测器

四极杆质谱（Quadrupole Mass Spectrometer，QMS）探测器是最早应用于PTR-MS研究的质量分析器［6］，也是商用PTR-MS最早使用的质量分析器［24，25］，因体积小、重量轻、性能稳定等优点，广受PTR-MS仪器研发人员的喜爱。QMS由四根完全平行的电极组成，理想的电极界面为两组完全对称的双曲线，具体结构如图2a所示。极间的最小距离定义为2r0，在x方向的电极上施加高频电压U+V cosωt，在y方向的电极上施加高频电压-（U+V cosωt），其中 U为电压的直流分量，V为电压的交流幅值，ω为圆频率，t是时间（图2b）。在QMS上，2r0和ω都是固定值，同时对U和V进行扫描，可以使具有不同质量的离子先后稳定通过四级杆，进而被检测到。不过QMS更适合于m/z 300以内的离子检测，大质量的离子存在透过率差、灵敏度低的问题［26，27］。

图2 四极杆质谱探测仪示意图Fig.2 Schema Diagram of Quadrupole Mass Spectrometer

飞行时间质谱（Time-of-Flight Mass Spectrometry，TOFMS）探测器是另一种常用于PTR-MS的质量分析器，最早由英国莱斯特大学的Blake等［28］提出将其应用于 PTR-MS，并建成了质子转移反应飞行时间质谱仪（Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry，PTRTOFMS）。TOFMS包含线性和反射式两种结构。原理上，相同条件下的反射式结构具有更高的分辨率，因此本文将以反射式为例进行介绍。其具体结构如图3所示，主要由脉冲电极、反射区和微通道板探测器（Microchannel Plates，MCP）组成。在PTR-TOFMS中，产物离子MH+可在电场引导下进入TOFMS，经脉冲电压作用到达反射区，反射飞行后按时间顺序到达MCP，每个离子在MCP中被逐个放大成电子脉冲信号，后经前置放大器放大成高速数据采集离子计数系统可识别的信号强度，从而得到不同时间到达MCP的离子个数，最后经过质量校准即可获得离子的质荷比和信号强度［18］。TOFMS理论上可以做到比QMS更高的质量分辨率，没有大质量离子透过率低的问题，但是存在峰位置容易漂移的问题，需要高频校正。

图3 反射式TOFMS示意图［18］Fig.3 Schema Diagram of Reflection TOFMS［18］

1.2 PTR-MS的参数

1.2.1 绝对浓度测量

根据离子分子反应动力学原理可以直接计算出待测物的浓度。通常痕量待测物经过式（2）反应后只会消耗少量母离子，H3O+信号强度不会明显下降，可以认为是一个常数，那么反应管末端的产物离子信号强度［MH+］就可以表示为［29］

式中，［H3O+］0是初始反应离子数密度，k是反应速率常数，t是待测物在反应管中的反应时间。通常待测物浓度［M］很低，k［M］t＜＜1，那么式（3）可以转化为

式中，［MH+］和［H3O+］0可以通过质谱探测器测得，多数物质的反应速率常数可以通过文献和数据库查阅，反应时间可以通过反应管长度等参数计算获得。

1.2.2 灵敏度

反应管中离子运行速率 Vd＝μE［30］，式中 E是反应管内电场强度，μ是离子迁移率。而约化离子迁移率μ0可以表示为

其中，P和T分别为反应管内气压和温度，N0是标准大气压P0（1 atm）和温度（273.15 K）下的离子数密度，反应时间可以通过离子漂移速度算得：

式中，L是反应管长度。如果考虑离子透过率，式（4）可以进一步表示为

式中，离子信号强度和离子数密度［MH+］、［H3O+］0成正比，是离子 MH+相对于H3O+的透过率，VMR是M的体积比，即［M］/N。灵敏度定义为反应离子H3O+信号强度为106cps时，1 ppbv待测物 M测得的信号强度［MH+］［31］：

2 中国PTR-MS仪器研制进展

中国的PTR-MS仪器最早由中国科学院合肥物质科学研究院的储焰南团队研制成功［7］，初期建立了以四级杆质谱为分析器的质子转移反应四级杆质谱（Proton Transfer Reaction Quadrupole Mass Spectrometry，PTR-QMS），近年进一步拓展至PTR-TOFMS［18，32］，已经实现了部分产品的批量生产和销售，同时通过多反应离子和灵敏度提升技术研究，逐步将中国的PTR-MS技术推向了世界前列［33］。

2.1 仪器研制

2.1.1 PTR-QMS

PTR-QMS是一种以四级杆为质量分析器的质子转移反应质谱仪器，质量漂移小、灵敏度高，特别适合于分子量在300以内的VOCs检测。国内已经发展出成熟的产品并实现批量生产和销售。

2008年，储焰南团队在国内首次成功研制出PTR-QMS仪器，通过文献报道了该装置的基本结构和性能［7］，着重考察了装置的基本技术问题，比如常见的水团簇问题，发现当反应管电场与分子密度比值为144 Td时，可以有效阻止团簇离子H3O+（H2O）n的形成，质谱观察到的离子主要是H3O+（纯度可达99%以上），此时H3O+与有机物分子如甲苯的质子转移反应的产物离子也呈单一形式（C7H8·H+），团簇离子可以得到很好的抑制。作为首台国产PTR-MS，检出限虽然未达到当时的国际先进水平［34］，但是线性动态范围跨越3个数量级，表现出了良好的定量准确性，响应时间达到了秒级，基本满足大气中多种挥发性有机物的在线监测需求。

在此基础上，储焰南团队优化离子源反应管结构、离子传输小孔直径、电压施加方式，将仪器检出限逐步优化至7 pptv，响应时间达到1 s以内［16］。发展出质子反转移反应质谱仪（Proton-Extraction-Reaction Mass Spectrometry，PERMS）［14］、双极性质子转移反应质谱仪（Dipolar Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，DPPTR-MS）［15］、呼气检测仪（Breath tester）［15］、船载液体进样质谱仪（Spray Inlet Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，SI-PTR-MS）［35］、车载大气走航监测质谱仪（Mobile Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，M-PTR-MS）［36］、快速色谱-质子转移反应质谱（Fast Gas Chromatography Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，FGCPTR-MS）等系列产品。其中DP-PTR-MS、SI-PTRMS、M-PTR-MS和FGC-PTR-MS均已经实现销售，主要应用于环境、安全、科研等领域。

国内其他团队也开展了PTR-QMS研制工作，但尚未有样机出现。2014年，天津大学李维康等［37］运用理论分析、仿真模拟和实验评价的方法对PTR-MS的关键部件离子源和反应管进行了研究设计和加工组装。用离子光学分析软件Simion模拟了离子在不同漂移管结构下的运动状态和聚焦特性，分析了不同锥型接口结构对试剂离子和杂质离子的浓度影响。所研制离子源和反应管在IONICON公司的商业PTR-MS质谱上进行了测试，反应母离子H3O+的信号强度可达2×107cps。但是仅完成了PTR-MS样机的机械设计及真空部分的搭建工作，截至目前，暂无可以出现信号的样机被报道出来。

2.1.2 PTR-TOFMS

飞行时间质谱仪是另外一种常应用于PTRMS的质量分析器。近年来，中国攻克了PTRTOFMS技术难题，已有三个研究团队建立起可稳定运行的工程样机，性能指标对比见表2。

表2 三个团队研发PTR-TOFMS性能比较1）Tab.2 Performance Comparison of PTR-TOFMS Developed by the Three Teams1）

PTR-TOFMS装置主要包括离子源、反应管、传输区和飞行时间质谱分析器，其中离子源和反应管的结构和作用与PTR-QMS相同，用于制造反应母离子H3O+和发生质子转移反应。但是反应管只有传输作用而无聚焦效果，会导致其末端离子发散，影响仪器分辨率。因此，一般会在传输区安装四级杆、透镜等装置减弱影响。四级杆主要用于聚焦离子，中科院团队没有使用，聚焦效果较差，因此检出限只有3.8 ppbv；上海大学团队使用的是静电场四级杆，将检出限降低至0.5 ppbv；四川大学团队使用的是射频四级杆，具有更强的聚焦效果，进一步将检出限优化至6×10-3ppbv。离子进入飞行时间质量分析器之前会有空间分散和速度分散，空间分散可以通过质谱分析器中的反射区来补偿，透镜可以将离子束的速度分散转换成空间分散［38］。

2.2 技术发展

PTR-MS是一种检测分析技术，根据分析化学的 3S（Selectivity，Sensitivity and Speediness）要求［40］，主要朝着选择性更好、灵敏度更高、速度更快的方向发展。在速度方面，PTR-MS本身就是一种秒级检测技术，响应时间达到1 s以内，满足速度需求。在选择性方面，PTR-MS一般通过更高的质量分辨率实现，目前主要途径是提升TOFMS分析器的质量分辨率。上文已经简单介绍了几种PTR-TOFMS技术的发展，本部分内容主要展示中国在灵敏度提升方面的技术进展。另外，为了扩充可测物质种类，科研工作者们也发展出了多反应离子制备技术，在此一并介绍。

2.2.1 灵敏度提升技术研究

由PTR-MS示意图（图1）可见，反应母离子H3O+和产物离子MH+的传输会受到离子源-反应管-质谱探测系统之间小孔的制约，离子在传输飞行的过程中存在偏离主线的概率，导致无法通过小孔，进而影响灵敏度［16］。离子源和反应管之间的小孔是为了防止反应管中注入样气向离子源反流；反应管和质谱探测系统之间的小孔是为了保持两者之间的压差，反应管中气压相对较高（100hPa左右），可以保证离子分子充足的碰撞反应，质谱探测系统中的气压相对较低（10-6hPa），用于保证质谱系统正常运行。因此，小孔是PTRMS的必要组成部分，而且孔径不能太大，一般只能通过离子聚焦的方式提升灵敏度。

1）射频双漏斗灵敏度增强技术：Shaffer等［41］于1997年发明射频电场离子漏斗技术，可以将离子尽量束缚在传输直线上以减少损耗，之后Barber等［42］于2012年将其应用于 PTR-MS反应管内的MH+离子传输，大大提升了仪器灵敏度。2020年，张强领等［16］进一步将该技术应用于离子源，提升母离子H3O+的传输效率，具体结构如图4a所示。与传统反应管由等径圆环组成不同，离子源和反应管均是U型漏斗（即为双漏斗），每个漏斗主要由两部分构成，前面若干片圆环电极内径相同，后面内径逐渐缩小。电压施加方式也与传统反应管不同，传统反应管各电极之间通过阻值相同的电阻串联，直流电压均匀分布在各电极上，U型漏斗离子源在此基础上，同时通过电容给各电极施加射频电压，相邻两电极之间，射频电压的幅值相同、极性相反，此结构下电极上电压是直流电压和射频电压耦合在一起，直流电压用于促进离子在轴向的运动，射频电压用于离子聚焦。经过测试发现，双漏斗技术可以将PTRMS灵敏度提升10倍以上，具体如图4b所示。

图4 双离子漏斗的电极结构剖视图与全谱示例图［16］Fig.4 Sectional View of Electrode Structure of Double Ion Funnel and Full Mass Spectrum［16］

2）静电场离子漏斗灵敏度增强技术：张强领等提出的静电场聚焦PTR-MS新技术是一种不需要射频电源的应用于反应管的静电场离子聚焦技术［16］。如图5所示，应用该技术的反应管末端由5片球面电极组成，球的内径逐渐减小。该结构在只添加静电场的情况下，可以实现离子的聚焦，与传统反应管结构相比，可以将灵敏度提升5倍左右［16］。

图5 静电场球面电极结构剖视图和全谱示意图［16］Fig.5 Sectional View of Spherical Electrode with Electrostatic Field and Full Mass Spectrum Diagram［16］

综上可见，射频双漏斗聚焦技术对灵敏度提升幅度更高，可达10倍以上，但是需要额外增加射频电源等装置，更加适合于不在乎体积、重量、功耗的实验室质谱。静电场聚焦技术对灵敏度提升幅度相对较小，但也达到了5倍，而且只需将末端5片圆环换掉即可，不会增加体积和功耗，更加适合于野外移动监测的小型化PTR-MS。两种技术各有所长，应用场景不同，都为PTR-MS的灵敏度提升做出了重要贡献。

2.2.2 多反应离子技术研究

1）离子源内多试剂放电技术

NO+与待测物M的反应包括电荷转移（式11）、氢负离子转移（式12）和加合反应（式13）三种.

2）OH-离子技术

2014年，沈成银等［14］在传统PTR-MS的基础上发明了PER-MS，不用改变离子源内放电气体，只通过反转引导电场的方法，筛选出OH-反应离子，离子分子反应如式（16）所示，待测物M丢失一个质子，带上负电荷生成［M-H］-。

随后潘月等［15］在此基础上，实现了一台PTR-MS上只通过转换电场制备OH-和H3O+，建成DP-PTR-MS，反应离子OH-和H3O+与待测物反应，分别生成［M-H］-和［M+H］+，提升了定性能力。

Analysis on the variability of housing pattern under the family pension model

4）反应管内氨掺杂技术

利用此方法测固体炸药三过氧化三丙酮（Triacetone Triperoxide，TATP），质子转移反应过程与传统PTR-MS相比，放热更小，碎片离子更少，灵敏度提升了41倍，检出限达1.3 ppb［43］。

2.3 液体进样PTR-MS检测技术

PTR-MS最早发明出来是用于气态物质的检测，无法实现液体样本的直接进样。为了解决这个问题，中国科研工作者发明了冒泡提取法和喷雾提取法，将液体样本中的待测物在线提取和进样检测。

2.3.1 冒泡提取法

2009年李建权等［44］提出利用冒泡法在线提取水中苯，实验装置如图6所示，样本放置于长筒型提取池内，高纯氮通入池子底部，并通过烧结玻璃板上的小孔进入水溶液，形成小气泡，在其上升过程中，溶液中的苯扩散到气泡内，直到内外平衡，最终进入PTR-MS检测，检出限低至1 μg/L。当气泡内外苯达到平衡时，内部气态苯与水中液态苯的浓度成正比，符合亨利定律，气态苯的浓度可以通过PTR-MS测得。液态苯是配制的，浓度已知，因此，李建权等还利用此方法测量了苯的亨利常数为1.36×10-3mol·m-3·Pa-1。

图6 冒泡提取质子转移反应质谱装置示意图［44］Fig.6 Schematic Diagram of Bubble Extraction PTR-MS［44］

2.3.2 喷雾提取法

2016年邹雪等［35］发展出一种喷雾提取技术，结构如图7所示，液体样品经蠕动泵加压至喷嘴，雾化成细小液滴，极大地增加了液体与载气的接触面积，使得液体样本中的物质快速挥发至载气中，然后在载气带动下进入PTR-MS检测。检测苯的响应时间缩短至55 s，检出限降至0.14 μg/L，在自来水、湖水、实验室废水、药厂废水中的加标回收率为98%～114%，适用于不同介质中挥发性有机物的在线进样检测。

图7 喷雾提取质子转移反应质谱装置示意图［35］Fig.7 Schematic Diagram of Spray Extraction PTR-MS［35］

然而，上述喷雾方式只适用于大体积样本的检测，无法满足微小体积样本的检测需求。因此，2018年邹雪等［45］提出利用超声雾化的方式取代喷嘴。超声雾化所需样本量极小，而且雾化的液滴更加细小。经测试发现，只需0.66 mL的液体样本即可完成一副全谱扫描（m/z20-150，Δm＝1，每个离子驻留时间为1s），响应时间进一步缩短至34 s，对于甲醇、乙醛和丙酮的检出限分别为4.47μg/L、1.98μg/L和 3.47μg/L。在尿液基质中，加标回收率为88.39%～94.54%。

3 国产PTR-MS应用进展

国产PTR-MS已经在环境、医学、安全等领域开展了广泛应用，比如大气中VOCs监测、人体呼气中疾病标志物的发掘、炸药快检等，本节将对国产PTR-MS应用范围和案例进行陈述总结。

3.1 环境

PTR-MS是一种快速高灵敏检测仪器，特别适用于大气中VOCs的在线监测［5］。国产PTRMS自2008年建立以后［7］，同年即开展了针对《大气污染物综合排放标准》中11种污染物的检测研究［46］。通过箔丝催化转化器，可以将空气中VOCs加热至450℃转化成H2O和CO2，测得检出限为0.03～0.28 mg·m-3，均小于“无组织排放阈值”。2016年，康萌等［47］发展出新一代有机物检测质谱仪，在36小时连续监测期间，尽管气温波动达到5℃，湿度波动更是达到50%以上，母离子m/z 21的信号波动只有0.74%（相对标准偏差），证明了仪器的稳定性。仪器的检出限降至97 ppt，在13天的实验中，可以实时监测到多种浓度在1 ppbv左右有机物的变化趋势。实验结果与同时采样（间隔3小时）的固相微萃取GC-MS相比，监测到的 VOCs变化趋势基本一致。

车载走航监测是近年来PTR-MS的重要应用方向。2020年梁渠等［36］将PTR-MS小型化并实现车载，建成M-PTR-MS，通过软硬件开发，实现了大气中VOCs的边走边测，并将VOCs种类浓度实时展现到电子地图上。M-PTR-MS可实现区域内VOCs的分布图勾画，也是大气污染溯源的重要手段之一，该团队所建M-PTR-MS的距离分辨率最小可达0.8 m，检出限为43.5 ppt，母离子m/z 21的信号波动为0.45%。与英国KORE公司的PTR-MS装置同时监测某地区大气，VOCs浓度变化趋势的重合率高达92.67%。2022年，北京雪迪龙科技股份有限公司利用英国KORE公司的PTR-MS仪器，研发了一款类似的大气走航监测平台［48］，其功能与梁渠等发明的仪器相同。

3.2 医学

人体释放挥发物中包含近2000种VOCs，部分由人体代谢产生，与疾病密切相关［49］。因此，近年来已有多项研究致力于通过VOCs检测进行疾病筛查和诊断。呼气VOCs是人体的主要代谢物，2012年，沈成银等［50］发明了呼气在线检测的PTR-MS技术，主要是对PTR-MS的进样管路进行改造。通过控制呼气进样系统的旁路流量来调节进样速度，提升速度可以实现多离子监测，降低速度可以开展全谱分析。这种在线进样的方式避免了呼气采样袋对样本的潜在交叉污染。随后，沈成银等［51］利用该装置开展了呼气中硫化物的检测研究，发现呼气中引起口臭的3种硫化物具有不同来源，其中甲硫醇主要来源于口腔，硫化氢和二甲基硫则来源于肺或者呼吸道，相关研究为疾病标志物的发掘和代谢通道研究提供了部分理论支撑。

PTR-MS检测呼气VOCs有望应用于疾病诊断。2013年，杨彬等［52］利用PTR-MS开展了高血糖人群呼气标志物的检测研究，发现了五种标志物离子（m/z 61、31、120、104和 82），所建判别模型的真阳性率和真阴性率分别为86.4%和84.3%，证明了呼气VOCs用于疾病诊断的可能性。在随后的 2016、2017年，邹雪和周文钊等［53，54］利用PTR-MS相继开展了食管癌和宫颈癌患者的呼气标志物研究，发现了两种癌症的呼气标志物，并分别建立了判别模型，其中诊断食管癌的真阳性率和真阴性率分别达到86.2%和89.5%，诊断宫颈癌的真阳性率和真阴性率分别达到92.3%和88.2%。但是两组研究均未开展多中心实验，结果有待进一步验证。

呼气VOCs的快速监测有望应用于个性化运动减肥和治疗方案制定。2019年，邹雪等［55］利用PTR-MS开展了运动和节食过程中呼气丙酮的检测研究［55］。人体脂肪代谢会产生丙酮副产物，并随呼气排出体外［56］。因此，呼气中丙酮浓度变化是衡量减肥效果的一个重要指标。邹雪等人利用PTR-MS技术检测研究了272名志愿者在运动或者节食过程中呼出丙酮的变化趋势。结果发现，经常运动的人群呼气中丙酮含量会升高40%～130%，一周内每天不吃晚饭可以使呼气丙酮上升140%。证明PTR-MS有望应用于减肥效果的监测。2022年葛殿龙等［57］利用PTR-MS技术检测研究了志愿者在放疗前后呼气中VOCs的变化规律。通过对放疗前后0.5小时的呼气样本进行比较，可确定丙酸、三乙酸甘油酯和吲哚为放疗的呼气标志物，其中呼气中丙酸和三乙酸甘油酯的浓度在放疗后下降，而吲哚的浓度在放疗后上升。此外还发现多达28种呼气VOCs（包括芳香族化合物、烷烃、醛类、酸类、酮类、醇类和酯类）的浓度在放疗后6小时内发生规律性变化。可见，呼气VOCs有望用于监测放射治疗造成的机体损伤，甚至有望帮助制定个体化放疗方案的可能。

PTR-MS也可以用于医疗器械中生产残留物的检测。环己酮和环氧乙烷是输液管和注射器中的常见残留剂，含量过高都会对人体造成伤害［58，59］。王玉杰等［60］利用热解吸 PTR-MS的方法实现了一次性聚氯乙烯输液器中环己酮和环氧乙烷的定性定量分析，获得了两种残留物的总量，建立了一种医疗仪器中残留物快速检测的方法。

3.3 安全

爆炸物和易制毒化学品等物质的快速监测是涉及公共安全的重要应用。TATP是一种威力与TNT相当的爆炸物，在常温下呈白色晶体状，与食盐、白糖类似，易于隐藏［61］。2009年，沈成银等［62］将PTR-MS应用于TATP的检测，当把E/N调低至0.5×10-15V·cm2时，可以观察到加氢离子［TATP+H］+。同时通过改变E/N观察样品与标准品的碎片离子分布变化，可以实现准确定性。2019年，张强领等［43］通过氨掺杂方法提升了传统PTR-MS检测TATP的灵敏度，将检出限降低了25倍。同时考察了复杂基质中TATP的检测效果，证明了其实用性。

快速检测易制毒化学品对于遏制毒品非法生产具有十分重要的意义。沈成银等［23］利用PTR-MS开展了甲苯、丁酮、乙醚三种易制毒化学品的快速检测，在质谱图中可以找到各自唯一对应的质谱峰，定性简单。对甲苯的检出限为5×10-2nmol/L，是一种可靠的易制毒化学品快速监测技术。

3.4 其他

国产PTR-MS还可应用于食品、植物、烟草等释放气味的检测研究，但是应用范围相对较小。2012年，志中华等［63］研究了猪肉在冷藏过程中挥发性有机物的变化规律，发现新鲜的瘦肉、肥肉、五花肉顶空中均存在乙醇，而只有肥肉的顶空中存在乙醛，在冷藏的第1～9天，顶空VOCs浓度基本不变，第10～15天，乙醇等不含硫VOCs浓度迅速上升后下降，而二甲基二硫醚等含硫化合物（肉质腐烂的特征）则在第10天后呈现逐步缓慢上升的趋势。由此可见，PTR-MS可以用于猪肉新鲜度的快速检测。2015年，李子晓等［64］利用 PTR-MS开展了橙汁顶空VOCs的检测研究，发现不同地域不同品种的柑橘所榨橙汁释放的VOCs存在明显差异，可以用于橙汁产地的辨别。植物释放VOCs是大气的重要组成部分，2015年，柯丽霞等［65］利用PTR-MS开展了桂花释放VOCs的检测研究，发现金桂、银桂、丹桂的挥发物都具有特征离子，可以用于计算对大气中VOCs的贡献率。非专业人士通过外形很难判断卷烟的真假，对此，王玉杰等［66］利用PTR-MS开展了卷烟释放 VOCs的检测研究，发现国产4种烟卷中烟丝释放VOCs存在特征性差异，利用特征离子开展判别的准确性达100%。

4 结语

PTR-MS是一种快速高灵敏检测分析仪器。本文首先从离子源、反应管、质谱探测系统三个方面介绍了技术原理，展示了待测物离子化、传输、以及探测的过程。然后介绍了中国自主研制的PTR-MS仪器和技术发展现状，在产品方面，主要为PTR-QMS产品，已经建成PER-MS、DP-PTRMS、Breath tester、SI-PTR-MS、M-PTR-MS、FGCPTR-MS等系列产品。PTR-TOFMS产品仍处于实验室研究阶段，可以稳定运行，但是尚未形成可销售产品。在技术发展方面，主要包括灵敏度提升技术和多反应离子技术，其中灵敏度提升通过射频双漏斗和静电场离子漏斗实现，多反应离子技术通过更换离子源内放电气体和反应管内氨掺杂实现。最后介绍了国产PTR-MS的应用。在环境领域，主要集中在大气中VOCs的实时监测，重点突破是发展出国际领先的走航监测质谱，可以实时将大气中VOCs的种类和浓度展示在电子地图上，实现污染溯源。另一方面，打破了PTRMS只能测气态VOCs的限制，通过冒泡法和喷雾提取法实现了水中VOCs的在线监测。在医学领域，PTR-MS主要应用于呼气中人体疾病标志物的检测研究，发掘了高血糖、食管癌、宫颈癌等疾病的呼气标志物，同时，通过PTR-MS的呼气检测，发现了有望应用于个性化运动减肥和治疗方案制定的VOCs标志物。在安全方面，建立了基于PTR-MS的TATP、易制毒化学品的定性定量检测方法。

国产PTR-MS的检出限已经做到几个pptv水平，但是仍然无法满足某些极端场景的应用需求。比如，根据肿瘤与人体总质量比，我们推测人体呼气中的疾病标志物浓度可能在pptv以下，而且目前发现的呼气标志物确实存在无法多中心验证的现象，这些问题可能是检出限不足造成的。因此，国产PTR-MS仍然需要在降低噪音水平、提升灵敏度等方面做出更多努力。