《Forensic Science International》：A green and non-invasive approach for quantitative analysis of psychoactive substances in exhaled breath
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非侵入性呼出气检测法：3D打印收集装置与LC-MS/MS联用检测精神活性物质，验证其线性（r2>0.99）、灵敏度（LOQ 0.4-48.1 pg/filter）、准确性（±20%）及环境友好性（AGREE 0.55）。应用于20例真实样本，95%检出阳性，甲胺磷（90%）和安非他命（AMP）为主要污染物，凸显呼出气检测在路边筛查、职场检测及康复监测中的潜力。
作者：Asli Atasoy Aydin、?smail Ethem Goren、?nci Saglam、Cengiz Cengisiz、Nigar Yarpuz Bozdogan、Nebile Daglioglu
部门：土耳其安卡拉大学法医学研究所法医毒理学系
摘要
呼出气体作为一种有前景的生物样本，在法医毒理学中备受关注，因为它具有非侵入性采集的特点，并且能够反映近期药物使用情况。本研究利用3D打印技术开发了一种定制的呼出气体采集装置，并评估了其检测精神活性物质的分析性能。根据ANSI/ASB指南，对用于检测呼出气体中目标分析物的定量分析方法进行了验证，随后将该方法应用于接受药物使用治疗的个体样本。该方法在0.5–500 pg/filter的范围内表现出优异的线性（r2 > 0.99），24种分析物的检出限（LOQ）范围为0.4至48.1 pg/filter。准确性和精密度均在±20%以内，所有化合物的回收率均超过80%。稳定性研究表明，在-20°C条件下分析物可稳定保存长达7天，而在常温环境下则会发生部分降解。通过AGREE指标评估了该方法的环境可持续性，得分为0.55。实际应用结果显示，95%的参与者至少检测出一种精神活性物质。其中甲基苯丙胺（METH）是最常检测到的化合物（90%），其次是安非他明（AMP）、普瑞巴林（PRG）和γ-氨基丁酸（GABA）。值得注意的是，尽管血液或尿液检测结果为阴性，但在呼出气体中仍检测出多种物质，这凸显了该样本在识别近期药物摄入方面的高灵敏度。总体而言，本研究证明呼出气体是一种实用、灵敏且环保的生物样本，适用于法医毒理学，具有在路边筛查、工作场所药物检测和康复监测中的潜在应用价值。
引言
全球范围内精神活性物质使用的日益普遍对公共卫生和安全构成了重大挑战[1]。传统的生物样本（如血液和尿液）在法医毒理学中仍具有重要意义，因为它们拥有成熟的分析方法和毒理学数据库。然而，这些样本存在诸多局限性，包括侵入性、需要受过专业培训的人员进行样本采集、存在掺假风险以及隐私问题[2]。
呼出气体作为一种非侵入性的生物样本，已被证明适用于检测精神活性物质。它含有来自呼吸道黏膜液体的气溶胶微粒[1][3]，这些微粒携带来自肺部深处的非挥发性化合物，包括与循环系统密切相关的脂质和蛋白质等成分[4][5]。呼出气体中精神活性物质的检测基于这些气溶胶颗粒中存在滥用药物的事实，这些颗粒可通过专用采集装置进行收集和分析[5][6]。这一机制与酒精呼气检测不同，因为大多数滥用药物并非挥发性化合物，而是通过覆盖气道的表面活性剂层形成的气溶胶颗粒传输的，这些颗粒具有亲脂性，约90%由脂质组成[1]。这种亲脂性环境可能为外源性化合物提供独特的药代动力学特性[1]。
由于呼出气体的非侵入性和快速采样能力，它在多种应用场景中受到关注，特别是在需要快速现场检测的场合，如路边药物筛查、工作场所药物检测和药物滥用治疗监测[3][7][8]。呼出气体分析的关键特点是检测窗口较短，通常在几分钟到几小时内完成[9][10][11]。随着呼出气体药物检测技术的进步，环境可持续性成为分析毒理学中的一个重要议题。传统的生物样本分析方法往往涉及大量有害溶剂，产生大量化学废物，并需要复杂且耗能高的样本处理过程。相比之下，呼出气体采集是一种更环保的选择，具有样品处理量少、溶剂需求低和环境影响小的优势。将绿色分析化学（GAC）原则应用于法医毒理学得到了标准化评估工具的支持，如AGREE指标和Green Analytical Procedure Index（GAPI），这些工具能够对整个分析过程的环境影响进行定量评估[12][13]。尽管存在一些挑战（如分析物稳定性有限、缺乏标准化采样协议以及个体间呼出气体成分的差异），但越来越多的研究表明，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等先进分析技术，可以在呼出气体中成功检测出安非他明、大麻、阿片类物质和合成大麻素[1][14][15][16][17][18][19][20]。
基于呼出气体分析的最新进展及其与绿色分析化学原则的结合，本研究旨在开发并评估一种用于非侵入性检测呼出气体中精神活性物质的定制采集装置。同时，还验证了一种使用LC-MS/MS的多物质分析方法，并通过AGREE指标对其环境可持续性进行了评估。
化学试剂与材料
分析参考标准（24种）及其内标（8种，ILS）购自Chiron AS（挪威特隆赫姆）或Lipomed（瑞士阿尔尔斯海姆）。目标分析物列于补充表1（表S1）中。LC级甲醇、甲酸铵、氢氧化铵和超纯水购自Merck（德国达姆施塔特）。Oasis HLB固相萃取（SPE）柱（3 mL/60 mg）购自Waters Corporation（美国马萨诸塞州米尔福德）。
生物样本采集
本研究已获得伦理批准。
方法优化
在分析方法的优化阶段，根据每种方法的回收率（RC%）和变异系数（CV%）选择了最有效的提取技术。通过使用添加了75 pg/filter浓度标记物的空白呼出气体采集装置过滤器（每种条件3次重复）来评估不同的提取步骤。最终选择了具有最佳回收率和精密度的方法。
经过六种提取方法的比较评估，直接甲醇清洗方法被确定为最佳选择。
结论
本研究提出了一种实用、非侵入性且环保的分析方法，该方法结合了新开发的呼出气体采集装置和经过验证的LC-MS/MS方法，用于检测呼出气体中的精神活性物质。该方法符合绿色分析化学原则，具有减少溶剂使用、降低废物产生以及适用于常规法医毒理学的显著优势。
作者贡献声明
Cengiz Cengisiz：方法学设计、数据管理
?nci Saglam：方法学设计、数据管理
?smail Ethem Goren：数据可视化、验证、数据管理
Asli Atasoy Aydin：撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、方法学设计、调查、数据分析、概念化
Nebile Daglioglu：撰写与编辑、监督、项目管理、数据管理、概念化
Nigar Yarpuz Bozdogan：资源协调、项目支持
资金支持
本研究是Asl? Atasoy Ayd?n博士论文的一部分，得到了Cukurova大学科学研究项目的财政支持（项目编号：TDK-2022-14618）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢TIAFT Huestis-Smith国际旅行奖的支持，该奖项使第一作者Asl? Atasoy Ayd?n能够在本届SOFT 2025会议上展示本研究结果。
