用于嗅觉训练和现场测试的可控气味模拟渗透系统

摘要

受控气味模拟渗透系统是一种简单、便于携带、低成本的气味递送方法，适用于嗅觉测试与训练。该系统由吸附在吸附材料上的气味剂组成，并将其封装于可渗透的聚合物袋内，从而实现气味剂蒸气随时间的可控释放。

摘要

受控气味模拟渗透系统（Controlled Odor Mimic Permeation System，COMPS）的开发旨在提供一种便捷的现场测试方法，用于以可控且可重复的速率递送气味。COMPS由感兴趣的气味物质吸附在吸收性材料上，并密封于透气聚合物袋内构成。该透气层可在一定时间内持续释放气味物质。此透气袋进一步存放于第二层不透气的外袋中。双层封装程序允许气味物质从内层透气袋中释放并积聚于外层不透气袋内，从而在移除外包装后立即获得稳定且可重复的气味蒸气源。COMPS既可用于实验条件下的嗅觉测试，也可用于嗅觉检测训练，例如针对搜爆犬的训练。COMPS可封装多种类型的气味物质（如毒品粉末），并实现相关气味的可控释放。COMPS释放的气味量通常以渗透速率表示（即单位时间内从COMPS释放的气味蒸气量），一般通过重量法进行测定。对于特定质量或体积的气味物质，可通过调节袋子的厚度、表面积和/或聚合物类型来调整其渗透速率。此外，也可采用顶空分析技术（如结合气相色谱/质谱的固相微萃取，SPME-GC/MS）测定COMPS释放的气味浓度。

引言

嗅觉是一种至关重要的感知机制，但常常被忽视，大多数动物都依赖这一机制。对许多动物而言，嗅觉是寻找食物、配偶或感知危险的主要方式¹。此外，某些动物（尤其是犬类）的嗅觉能力经常被人类用于检测违禁品（如毒品或爆炸物），或其他关注对象，例如失踪人员、入侵物种或疾病^2,3。在犬类探测研究或其他嗅觉相关研究中，研究人员通常会探究嗅觉过程以及嗅觉系统的功能优势与局限性。因此，在实验过程中通常需要能够控制气味物质向环境中释放，以便可重复地递送已知量的气味物质。若未能考虑因蒸气压或环境因素导致的气味可获得性变化，往往会使数据的解释和应用变得复杂⁴。在对探测犬进行训练时，同样需要提供已知量的气味物质。例如，Hallowell 等人⁵和 Papet⁶的研究表明，气味强度在气味感知中具有重要作用，改变气味物质的强度会影响其单独存在或在混合物中的感知方式。

在实验室环境中，可使用分析设备（如带有可控加热炉的渗透管、蒸气发生器或嗅觉仪）来控制气味的释放。然而，此类设备在野外测试和训练场景中使用时并不实用⁴。受控气味模拟渗透系统（Controlled Odor Mimic Permeation System, COMPS）被开发为一种简单、低成本且可一次性使用的受控气味释放方法，无需外部电源。因此，COMPS 可轻松应用于多种不同的测试和训练场景⁷。COMPS 单元结构简单，主要由目标气味物质吸附于吸收材料上，并密封在可渗透的聚合物袋内，再置于次级密闭容器中保存。使用 COMPS 可减少测试间的变异性，并提高训练过程中的重复性和一致性⁸。

通过重量分析法测定单位时间内释放的蒸气质量，以此评估COMPS的气味释放或可获得性，即渗透率。渗透率可通过多种因素进行控制，包括聚合物袋的厚度、可用表面积、所用吸附材料（基质）的类型以及气味物质的用量。对于特定的气味物质，渗透率在一定时间段内（数小时或数天）保持恒定，从而在测试或训练过程中实现气味释放的最小变异。在储存期间，COMPS在不透性外容器内达到平衡状态，从而形成具有已知渗透率的即时气味蒸气源。

COMPS最初被设计用于包含与爆炸物材料相关的气味物质，并作为气味模拟物⁷。根据Macias等人定义，气味模拟物通过提供目标材料（如爆炸物）顶空中存在的主要挥发性化合物或气味物质，来模拟该材料的气味特征，而无需实际存在原始材料本身⁸。为了构建气味模拟物，必须首先确定原始材料中的活性气味物质。在此背景下，活性气味物质是指那些能够被训练有素的爆炸物探测犬识别并触发其反应的挥发性化合物，使犬只误认为实际存在爆炸物。在鉴定出多种爆炸物材料顶空中占主导地位的挥发性化合物后，研究人员制备了COMPS，以在受控速率下持续释放这些单一气味物质，用于整个犬只嗅觉检测野外试验过程，并确定与多种爆炸物相关联的活性气味物质。COMPS已成功实现这一目标^7,9，并随后被用作气味模拟物，进一步应用于爆炸物探测训练中。

Macias 等人使用了含有胡椒醛的受控释放气味源（COMPS），胡椒醛在室温下为纯化学固体，其气相形式已被证实是毒品 MDMA（3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺），即俗称“摇头丸”的精神活性药物中的有效气味成分。研究人员通过调节低密度聚乙烯袋的厚度和表面积，以控制胡椒醛蒸气的渗透速率。该系列 COMPS 随后被用于估算训练有素的缉毒犬对胡椒醛的检测阈值⁸。相反，在另一项研究中，研究人员调节 COMPS 袋的厚度，以尽量减少同系物系列中各化合物之间渗透速率的差异，尽管这些化合物的蒸气压存在显著差异。如果在该研究中使用单一袋厚，蒸气压较高的化合物将产生高得多的渗透速率。通过为挥发性较高的化合物增加袋的厚度，使各化合物的渗透速率得以调整并趋于相近⁴。这两项研究均展示了 COMPS 在控制蒸气释放方面的实用性与可调节性。类似的研究还针对合成卡西酮类物质（即“浴盐”）¹⁰、其他麻醉药品（包括海洛因和大麻¹¹）以及人体气味化合物^12,13，优化了聚合物袋的厚度及吸附材料。在最后一个实例中，Simon 等人研究了一种入侵性真菌物种相关的活性气味成分¹⁴。在犬类嗅觉测试过程中，研究人员将受感染的整块树皮直接放入聚合物袋中，而非使用提取出的气味物质，以实现释放的可控性¹⁴。COMPS 可适用于多种场景，本文所讨论的实验方案旨在展示该工具的多样性。

方案

1. COMPS 的组装（图 1）

1. 对于基质上的纯（液体）化合物（图1A）
   1. 为使基质浸渍气味物质，使用校准过的移液器将5 µL纯化合物滴加至一块2英寸×2英寸的棉纱布垫或其他选定基质上（参见材料表）。
   2. 将纱布垫对折，然后将该纱布垫（或替代基质材料）放入一个2英寸×3英寸的低密度聚乙烯透气袋中。建议袋的厚度在1 MIL（透气速率最快）至8 MIL（透气速率较慢）之间。
      注意：可选用不同类型的吸水材料、透气袋尺寸、聚合物化学成分及厚度，但这些变化会影响气味物质的渗透速率（详见结果部分的进一步讨论）。
   3. 立即使用热封器将聚合物袋密封，尽可能排出袋内空气。
   4. 将密封好的袋子存放在一个不透气的外层袋中；若需立即使用，则将其置于通风橱内的洁净称量舟中（图1B）。
2. 对于固体材料，无需基质（图1C）
   1. 称取所需量的固体材料（可以是纯化合物或实际目标材料），并置于一个2英寸×3英寸的低密度聚乙烯（LDPE）透气袋中。同样，建议袋的厚度范围为1 MIL至8 MIL。
   2. 立即用热封器将聚合物袋密封，尽可能排出袋内空气，并存放或暂时放置于称量舟中。

2. 通过重量分析法测定 COMPS 的渗透速率

注意：恒定的环境温度对于准确且可重复的测量（包括重量法和顶空法）至关重要。在所有测试过程中必须保持恒定的温度。建议在测试期间于目标温度下进行所有分析测量。

1. 为确定气味物质通过透气袋的渗透速率，将新制备的 COMPS 置于通风橱内的称量舟中。
2. 将一个洁净的独立称量舟置于分析天平上，并将天平归零。
3. 从通风橱中取出 COMPS 并放置在天平上，记录质量后立即放回通风橱中。
4. 以固定时间间隔持续记录 COMPS 的质量，直至 COMPS 的质量不再发生明显变化（±5%）。此时 COMPS 中的气味已耗尽。
5. 作为阴性对照，制备一个空的 COMPS，仅包含基底材料而无气味物质，并将其密封于透气袋中。该阴性对照应与含气味物质的 COMPS 以相同方式处理，以确保其质量随时间的变化极小。
6. 计算 COMPS 的渗透速率。
   1. 在适当的统计分析软件中，绘制 COMPS 质量随时间变化的 X-Y 图。
   2. 仅对图中线性部分拟合一条线性趋势线，并在图表上显示方程。趋势线不应强制通过原点。该直线的斜率（即 y = mx + b 中的 m）即为单位时间内质量的渗透速率。

3. 顶空分析采用固相微萃取结合气相色谱/质谱法（SPME-GC/MS）（可选）

1. 根据上述说明制备新鲜的 COMPS，并将其置于通风橱内的敞口称量皿中平衡 30 分钟。
2. 将 COMPS 从称量皿中取出，放入一个无盖的 1 品脱环氧树脂内衬金属样品容器中，再将该容器置于 1 加仑的环氧树脂内衬金属容器内。实验全程应将容器置于通风橱中。
3. 在取样前，确保 COMPS 在容器中至少平衡 30 分钟。
4. 平衡完成后进行取样时，将带有预先钻好的 1 cm 孔洞的盖子盖在外层容器上。将合适的 SPME 萃取头通过盖子上的孔插入，以萃取目标分析物。当不使用 SPME 萃取头时，应用石蜡膜或其他类似材料覆盖孔洞。萃取时间及萃取头涂层的选择取决于样品中分析物蒸气的种类和含量，以及采样容器的尺寸和环境条件¹⁵。
5. 在设定的萃取时间结束后取出 SPME 萃取头，立即插入气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）的加热进样口，进行热脱附和分析。
   1. 运行适用于 COMPS 中所用化合物的 GC/MS 分析方法¹⁶。
6. 定量分析时，应将所得峰面积与外部标准曲线¹⁶ 和/或内标法¹⁷ 进行比较，具体方法应根据实验设计和分析方法确定。
   注：1）本示例中使用了环氧树脂内衬金属样品容器，但其他类型的容器也可适用。若需将气味可及性结果与实地嗅觉评估直接比较，建议在两次实验中使用相同的容器，并在每次测试之间彻底清洗；2）为获得可重复的结果，所有重复实验中的取样程序均应保持一致，包括但不限于平衡时间、SPME 萃取时间、容器类型与尺寸以及环境条件（即温度和湿度）。

4. COMPS 的储存

1. 将单个 COMPS 置于镀铝阻隔袋（3.5 × 4.5 英寸）中，并加热封口，封口前尽量排出袋内空气（图 1B）。
2. 储存于阴凉环境或冷藏条件下，但温度不得接近或低于冰点，以避免 COMPS 解冻时产生冷凝水。
3. 若在单次实验中测试多种气味物质或不同气味释放速率，建议采用二级封装，以防止运输和储存过程中可能发生交叉污染。
   1. 将多个含有相同分析物和渗透速率的 COMPS 分别装入独立的阻隔袋中，再共同置于一个外部更大的镀铝袋或玻璃容器内，用于储存和运输。

5. 现场嗅觉测试

注意：嗅觉测试可根据被测动物种类、实验目的及环境条件采用多种不同方式进行。以下方案描述了其中一种测试方法。所有动物实验均须首先经过机构动物照护与使用委员会（IACUC）的审查和批准。

1. 首先，按照上述方法制备空白或阴性对照 COMPS。制备足够数量，确保测试场景中的每个容器都包含备用的 COMPS（根据实验涉及的动物数量，准备 2–3 个）。将所有空白 COMPS 一起包装在次级密闭容器中（例如，较大的镀铝袋或带密封盖的玻璃罐）。
2. 根据预定的野外测试方案，按需制备新鲜的 COMPS。消除 COMPS 与镀铝袋之间所有可能的污染源。可通过定期更换手套并清洁实验台面来实现。
3. 在使用前至少储存 COMPS 1 天，以使其达到平衡状态。将任何重复样本存放在同一密闭次级容器中。但不同的 COMPS 应分别存放于不同的次级容器中。
4. 为设置基本的犬类嗅觉测试，布置多行至少五个相同的容器（例如金属罐、盒子），行数取决于待测试的变量数量。
   1. 设置试验，使每行包含一个装有目标 COMPS 的容器和四个装有空白 COMPS 的容器。可根据实验、训练或测试场景的需要，设置阳性对照组，其制备方式相同，但使用已知的目标气味。应额外设置一条阴性对照或空白对照行，包含五个空白 COMPS，不放置任何目标物。将阴性对照行、阳性对照行（如使用）和测试行的顺序随机排列，并在每次犬类嗅觉测试中尽可能使用随机数生成器更改顺序。
      1. 每行还应加入一种干扰气味/材料。
      2. 对每只受试犬，使用随机数生成器对每行中目标气味和干扰气味的位置与顺序进行随机化。
5. 准备容器时，从次级和外层容器中取出 COMPS，仅将可渗透袋放入试验容器中。
   1. 测试前，让 COMPS 在容器中至少平衡 30 分钟。
   2. 对测试中使用的每个 COMPS 重复上述步骤，先从空白 COMPS 开始，然后是阳性对照（如使用），最后是测试用气味物质，每次更换 COMPS 时均需更换手套。
      注：犬类测试场景的详细示例可参见 Simon 等人⁴ 或 Macias 等人⁸。

结果

在嗅觉测试/训练中使用COMPS的主要目的是控制所选气味剂的释放，并在测试或训练期间输送可控量的气味剂。气味剂的释放通过重量分析法以单位时间的质量损失来衡量。图2展示了通过3密耳LDPE袋，从棉纱布上含有5 µL戊酸的三个相同COMPS中渗透出的重量分析结果示例。图中添加了回归线，该线的斜率代表此组COMPS的渗透速率为37 µg/min。

通常希望能够在给定测试中调节释放的气味物质的量。这可以通过多种方式实现，包括调整袋中物质的量、透气袋材料的表面积或袋的厚度。图3展示了如何利用这三个因素来控制胡椒醛的释放。图3A显示了透气袋（3英寸×3英寸，2密耳LDPE）中胡椒醛质量与其渗透速率之间的对数关系：在较低质量时渗透速率迅速增加，但在超过500 mg后增速减缓，这是由于在特定时间内从给定袋子中可释放的气味物质量受到物理限制所致。图3B中的数据表明...

讨论

通过将目标气味物质密封于透析袋中，可轻松构建受控气味模拟渗透系统（COMPS）。具体操作方法包括：用移液器将纯液体化合物滴加至吸附材料上，随后将该吸附材料放入透析袋中；或将纯固体化合物直接置入透析袋中⁴，例如对胡椒醛的应用即采用此法⁸；亦可将含有多种或未知气味成分的待测材料置于透析袋中，如感染真菌的木材即采用此方式处理¹⁴。透析袋可控制气味物质的释放，从而在特定的训练或测试周期内提供已知且可重复的气味剂量。渗透速率通常通过重量分析法测定，即绘制质量随时间的变化曲线，并可通过调节多种参数进行调整，包括吸附材料的种类、气味物质的质量/体积，以及透析袋的参数（如厚度、表面积或聚合物类型）。COMPS需储存在外部不透析的密封袋中，以便在使用前达到平衡状态，从而在使用时立即提供已知量的气味物质。

COMPS的渗透率越高，在训练或测试过程中可提供的气味物质浓度就越高。为了定量或比较COMPS释放出的气味浓度，应完成对测试/训练容器中COMPS的顶空分析...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
16 盎司经济型广口瓶（70-450 规格）	Fillmore 容器	A16-08C-Case 12
7890A 气相色谱仪 / 5975 质量选择性检测器	Agilent
分析天平	Mettler Toledo	01-911-005
Ball 品牌标准卷边盖及圆顶盖	Fillmore 容器	J30000
棉质纱布（2" x 2"）	Dukal
一次性称量舟	VWR	10803-148
环氧内衬样品容器，1 加仑	TriTech 法医产品	CANG-E
环氧内衬样品容器，1 品脱	TriTech 法医产品	CANPT-E
低密度聚乙烯袋	Uline	S-5373
Rtx-Volatiles 色谱柱（30 m x 0.32 mmID）	Restek	10901
镀银铝膜阻隔袋（3.5" x 4.5"）	ESP 包装	95509993779
镀银铝膜阻隔袋（5" x 8.5" x 3"）	ESP 包装	95509993793
固相微萃取纤维组件（PDMS/DVB/CAR）	Sigma-Aldrich	57328-U
固相微萃取手柄	Sigma-Aldrich	57330-U
台式脉冲封口机	Uline	H-190	热封机