用于嗅觉训练和现场测试的受控气味模拟渗透系统

Olfaction 是大多数动物使用的一种关键但经常被忽视的传感机制。对许多人来说，它是定位食物、寻找伴侣或感知危险1的主要^机制。此外，一些动物，尤其是犬类，经常利用嗅觉能力来检测违禁品（如麻醉品或爆炸物），或其他感兴趣的物品，如失踪人员、入侵物种或^{疾病2、3。}对于犬类检测研究或其他嗅觉研究课题，研究者经常研究嗅觉过程以及嗅觉系统的优点和局限性。因此，通常最好控制异味蒸汽向环境中的释放，在测试期间可重现已知数量的异味。由于蒸汽压力或环境影响等因素，未能解释气味可用性的变化，往往使数据解释和适用性^复杂化。同样，在检测犬的训练场景中，提供一定数量的气味也是可取的。例如，Hallowell等人^{5和Papet6的研究表明}，气味强度在气味感知中的重要性，改变气味的强度会影响其单独感知方式或混合物中的气味强度。

在实验室环境中，可以使用分析设备，如带可控烤箱的渗透管、蒸汽发生器或气味计来控制气味的输送。但是，这种类型的设备在实地测试和训练场景⁴期间是不切实际的。受控气味模拟渗透系统 （COMPS） 是一种简单、低成本和一次性的方法，用于控制气味输送，无需外部电源。因此，它们可以很容易地融入到各种不同的测试和培训场景^7。COMPS 装置只是由一种感兴趣的气味组成，这种气味密封在可渗透聚合物袋内，储存在二次密封系统中。使用COMPS可减少测试之间的变异性，并提高训练练习8期间的^一致性。

COMPS 的气味输送或可用性以渗透率来衡量，由重力分析根据一段时间释放的蒸汽质量进行测量。渗透率可由多种因素控制，包括聚合物袋的厚度、其可用表面积、使用的吸水材料（基板）类型和气味量。渗透率在给定时间段（小时或天）内是恒定的，具体取决于使用的异味剂。这允许在测试或培训期间气味传递的变异性最小。在储存过程中，COMPS在不渗透的外容器内达到平衡，从而以已知的渗透速率产生即时的异味蒸汽源。

COMPS最初设计为含有与爆炸材料相关的异味剂，并用作气味模仿^7。根据 Macias 等人的定义，气味模拟感兴趣的材料，如炸药，通过提供在该材料的头部空间中发现的显性挥发性化合物或气味剂，而父材料本身⁸。要创建异味模拟，必须确定父材料的活性气味。在这种情况下，一种活性气味剂被描述为训练有素的爆炸物探测犬探测到的挥发性化合物，认为存在实际的爆炸物质。在确定了几种爆炸材料头部空间中的显性挥发性化合物之后，COMPS准备在犬嗅觉检测现场试验期间以受控速度释放这些单独的气味，并确定与几种爆炸材料有关的活性气味。COMPS已成功用于此目的^7，9，并自此被用作气味模拟进一步爆炸物检测训练。

Macias等人利用含有管状物的COMPS，这是一种在室温下纯化学固体，在蒸汽相中，已证明是MDMA（3，4-甲基二氧基甲基安非他明）的活性气味剂，这种精神活性药物称为摇头丸。研究人员利用低密度聚乙烯袋的不同厚度和表面积来调节管状蒸汽的渗透率。然后，这一系列的COMPS用于估计训练有素的麻醉品检测犬8的管层检测^阈值。相反，在另一项研究中，COMPS袋厚度进行了调整，以尽量减少同源序列中每种化合物之间的渗透率偏差，尽管它们具有变化巨大的蒸汽压力。如果本研究使用了单个袋厚度，那么蒸汽压力较高的化合物的渗透率就会高得多。通过增加高挥发性化合物的袋厚，对渗透率进行了调整，使所有化合物4的渗透率^都相似。这两项研究都证明了COMPS在控制蒸汽释放方面具有的实用性和适应性。优化聚合物袋厚度和吸水材料的类似研究已经进行了，用于合成卡辛酮（即浴盐^）10，其他麻醉剂（包括^{海洛因和大麻11）和人类}气味化合物^12，13的气味^模拟。在最后一个例子中，西蒙等人调查了与入侵真菌物种^{14有关的活性气味。}整片受感染的树皮，而不是提取的异味剂，被直接放入聚合物袋，以控制释放在犬的奥法检测^14。COMPS 可用于各种方案，本文讨论的协议用于演示此工具的多样性。

1. COMPS的组装 （图1）

1. 对于基材上的整洁（液体）化合物 （图 1A）
   1. 要用气味剂使基材浸渍，请使用校准的移液器将 5 μL 的整洁化合物添加到 2 x 2 英寸棉纱布垫或其他首选基材中（ 参见材料表）。
   2. 将纱布垫折成两半，将其（或替代基材材料）放入 2 x 3 英寸低密度聚乙烯渗透袋中。建议的袋体厚度在 1 MIL 之间，用于最快的渗透率，以 8 MIL 表示，渗透速率较慢。
      注：可以使用吸水材料、可渗透袋尺寸、聚合物化学和厚度的变化，但这些变化会影响异味剂的渗透率（参见结果部分的进一步讨论）。
   3. 立即用热封口密封聚合物袋密封，尽可能消除袋内的空气。
   4. 将袋子存放在外层不渗透的袋子中，或者如果立即使用，请将其放在清洁的称重船上，放在烟罩中（图1B）。
2. 对于固体材料，无需基板 （图 1C）
   1. 称重所需数量的固体材料（可能是纯化合物或实际目标材料），并放在 2 x 3 英寸低密度聚乙烯 （LDPE） 渗透袋中。同样，建议的袋体厚度范围从 1 MIL 到 8 MIL。
   2. 立即将聚合物袋加热密封，尽可能消除袋内的空气，并将其存放在称重船上或放在一起。

2. 重力分析，以确定 COMPS 渗透率

注：恒定的环境温度对于精确且可重复的测量（重力和头部空间）非常重要。在所有测试过程中，必须保持恒定的温度。建议在测试期间在所需的温度下进行所有分析测量。

1. 要确定气味通过可渗透袋的渗透率，请将新制造的 COMPS 放在烟罩内的称重船上。
2. 将干净、独立的称重船放在分析平衡上，将平衡归零。
3. 从烟罩上拆下 COMPS 并放在天平上。记录质量，并立即返回到烟罩。
4. 继续以常规时间增量记录 COMPS 的质量，直到 COMPS 的质量不再更改（±5%）。此时，COMPS 的气味已耗尽。
5. 作为负控制，创建一个空的 COMPS，仅由基板材料组成，没有气味密封在可渗透袋中。以与气味剂相同的处理此负控制方式，以确保质量在一段时间内波动最小。
6. 计算从 COMPS 的渗透率。
   1. 在适当的统计分析软件中，在 X-Y 绘图上绘制 COMPS 的质量与时间。
   2. 将线性趋势线拟合为图形的线性部分，并在图表上显示方程。不应将趋势线设置为包括原点。线的斜率（即 y = m= b 中的 m）是单位时间质量的渗透率。

3. 通过气相色谱/质谱法（SPME-GC/MS）进行固相微extraction的头部空间分析（可选）

1. 按照上述说明准备新的 COMPS，并允许它在烟罩内的开放式称重船上平衡 30 分钟。
2. 从称重船上取出 COMPS，将其放入一个 1 品脱环氧衬里金属样品容器中，不带盖子，然后放入 1 加仑环氧衬里金属容器中。在实验期间，容器应保存在烟罩中。
3. 在取样前，在容器中留出至少 30 分钟进行平衡。
4. 在平衡后进行采样，请将一个盖子与以前钻过的 1 厘米孔放在外容器上。通过盖子上的孔插入适当的 SPME 纤维，以提取感兴趣的分析物。当不使用 SPME 纤维时，用石蜡膜等盖住孔。提取时间和纤维涂层将取决于分析剂蒸汽的含量和数量，以及取样容器的大小和环境条件^15。
5. 在 GC/MS 的加热入口中分配的提取时间和位置后，取出 SPME 纤维，进行热吸附和分析。
   1. 运行适用于 COMPS¹⁶中使用的化合物的 GC/MS 方法。
6. 对于定量，请将生成的峰值区域与外部校准曲线¹⁶ 和/或内部标准¹⁷ 进行比较，以适合方法和实验设计。
   注： 1） 在此示例中，使用了环氧衬里金属样品容器，但其他类型的容器也适合。要将气味可用性与现场嗅觉评估直接进行比较，最好在两次实验中使用相同的容器，在每个测试之间进行清洁;2） 为了获得可重复的结果，所有复制实验中应保持取样程序的所有方面，包括但不限于平衡时间、SPME 提取时间、容器类型和尺寸以及环境条件（即温度和湿度）。

4. 复合存储

1. 将单个 COMPS 放在金属化屏障袋（3.5 x 4.5 英寸）中，并热密封以关闭，在密封前从袋中去除尽可能多的空气（图 1B）。
2. 存放在凉爽的环境或冷藏条件下，但不得低于或接近冰点，以避免在 COMPS 解冻时形成冷凝。
3. 如果在一次实验中测试多个异味剂或异味物的输送率，建议进行二次密封，以消除运输和储存过程中任何可能的交叉污染。
   1. 将多个屏障袋复制到外部较大的金属化袋或玻璃罐中，每个袋包含相同分析物和渗透率的单独 COMPS，以进行存储和运输。

5. 现场嗅觉测试

注：根据被测试的动物、实验的目标和环境条件，可以以许多不同的方式进行嗅觉测试。下面的协议描述了一种这样的测试方式。所有动物试验应首先由机构动物护理和使用委员会（IACUC）审查和批准。

1. 首先，创建空白或负控件 COMPS，如上所述。使测试方案中的每个容器都包含备用 COMPS（2+3，具体取决于实验中涉及的动物数量）。将所有空白的 COMP 包装在二次密封中（即更大的金属化袋或带密封盖的玻璃罐）。
2. 根据需要为预期的现场测试协议创建新的 COMPS。消除 COMPS 和金属化袋之间的所有可能的污染源。这可以通过定期更换手套和清洁实验室工作表面来完成。
3. 在使用前至少存放 1 天，以便进行平衡。将任何副本存储在同一个辅助容器中。但是，不同的 COMPS 应分在单独的辅助容器中。
4. 要设置基本的犬嗅觉测试，请布置至少五个相同容器（例如金属罐、盒子）的多条行，其行数取决于要测试的变量数。
   1. 设置试用版，以便每行包含一个包含目标 COMPS 的容器和四个带空白 COMPS 的容器。正控制线，以相同的方式准备，但有已知的目标气味，可以酌情用于实验、培训或测试场景。额外的负控件或空白行应包含五个空白的 COMPS，并且没有目标。随机订购此负控制线、正控制线（如果使用）和测试线，并使用随机数生成器更改每个犬嗅觉测试的顺序，以适合测试方案。
      1. 每行还包括一个分散气味/材料。
      2. 随机化使用随机数生成器测试的每一条犬类每一行的目标和分散气味的顺序和位置。
5. 要准备容器，请从二级和外部容器中卸下 COMPS，仅将可渗透袋放在试验容器中。
   1. 允许 COMPS 在测试前在容器中平衡至少 30 分钟。
   2. 对测试中使用的每个 COMPS 重复步骤，从空白开始，然后是正控制（如果使用），然后测试气味，每次更换手套。
      注：在S simon等人4或Macias等人^{8中，可以} 找到犬类测试方案^{的详细例子}。

在嗅觉测试/培训中使用 COMPS 的主要目标是控制所选气味剂的释放，并在测试或训练期间提供控制量的异味剂。气味释放是通过重力分析测量的，根据单位时间的质量损失。 图 2 给出了一个重力结果示例，该示例通过 3 MIL LDPE 袋从棉纱布上 5 μL 五硝酸中制备的三个相同 COMPS 的渗透结果。向图形添加了一行回归，该线的斜率表示这组 COMPS 的渗透率 37 μg/min。

通常，能够调整给定测试释放的异味剂量通常是可取的。这可以通过多种方式完成，包括调整袋中的材料量、可渗透袋材料的表面面积或袋厚。 图 3 显示了这三个因素是如何用于控制管状的释放的。 图3A 表示渗透袋（3 x 3英寸，2MIL LDPE）中管状质量之间的对数关系，其中渗透率在较低质量下迅速增加，然后在500毫克后减慢，由于物理限制，一次可从给定袋中释放的异味量。图 3B 中 的数据描述了 2 MIL LDPE 袋中 2 g 管道的渗透率和渗透袋的表面面积之间的线性关系。最后，渗透率随着袋厚度的增加而线性下降（3 x 3英寸袋中2克管面）， 如图3C所示，因为较厚的袋子会限制和减缓排放。

在控制渗透率的效用的另一个例子中^{，Simon等人4}使用袋厚来标准化不同蒸汽压力化合物的渗透率，以便在现场测试期间为每种分析物提供具有类似气味的犬类。每个整齐的分析剂的体积为 5 μL，分别被移入单独的棉纱垫上，并放入 2 x 3 英寸 LDPE 渗透袋中。通过重力分析测量渗透率。图 4显示了分析物组蒸汽压力的变化 （ 图4A） （RSD = 138%）与调整袋厚后渗透率的变化（图4B）进行比较，以控制速率，使其尽可能相似（RSD = 31.8%）。此外，调整袋子厚度允许渗透率变化三个数量级（表1）。

头部空间测量可用于更好地测量给定测试或训练场景中可用的气味量。Macias¹⁸测量了三个 COMPS 的头部空间中的管状量，渗透速率为 1，000、100 和 10 ng/min（图 5）。COMPS 被放置在 1 夸脱采样器中，并使用 SPME 提取头部空间 30 分钟。图5中产生的色谱仪显示，管状峰面积随着渗透率的增加^而增加。

马西亚斯然后使用这三套管道复合体在犬试验。训练有素的麻醉品检测犬在气味笼中的0（空白）、10、100和1，000纳克/s管状合成器上进行了测试（表2）。结果表明，由于渗透率，从而气味可用性，增加犬数量警报到适当的COMPS^增加18。

图 1：COMPS 示例。（A） 由可渗透聚合物袋中的棉纱垫制成的 COMPS。从西蒙等人4^（ B ）复制的一个 COMPS 插入到外部不渗透袋中.（C） 含有受感染木材作为聚合物袋中气味源的 COMPS。图B和C经西蒙等人^许可转载。请单击此处查看此图的较大版本。

图2：通过重力分析测量渗透率的示例。通过3MIL LDPE袋在纱布上分析剂（即五角酸）的质量损失。 A 、B和 C 表示相同材质的复制，而"平均值"是每个时间点上三个材质的平均值。给定的方程描述与平均数据的线性拟合。 请单击此处查看此图的较大版本。

图3：调整渗透率的因素示例。管体耗散图指示在改变管层质量（A） 时进行实验测量的渗透率 （3 x 3 英寸，2 MIL LDPE 袋）， （B） 渗透袋的表面面积 （2 g 管管，2 MIL LDPE）， 和 （C） 袋厚度 （2 g 管管，3 x 3 英寸袋）。所有误差柱表示平均值的一个标准偏差（某些柱线在标记的大小内）。这些数字已经马西亚斯等人^{18日许可转载}。 请单击此处查看此图的较大版本。

图4：一组化合物的蒸汽压力变化与渗透率变化的比较。（A） 选择 12 种化合物的蒸汽压力 （RSD = 138%）与选择的 COMPS厚度（RSD = 31.8%）相同化合物的渗透率相比。括号中的数字表示 MIL 中的 LDPE 袋厚度。这些数字已经西蒙等人许可转载^。请单击此处查看此图的较大版本。

图5：以三次渗透速率对管道合成系统进行头部空间分析。管道合成器头空间组件的覆盖色谱图调整为 1，000、100 和 10 ng/s 的渗透率。经马西亚斯等人^许可转载。 请单击此处查看此图的较大版本。

表1：渗透率与袋厚。 不同袋厚的复合棉棉上甲基苯甲酸酯的渗透率。请注意，最低渗透率是通过在金属化袋内放置 4 MIL COMPS，孔内为 1/8。R² 值指示线与重力图的拟合。

表2：犬场试验结果示例。 犬对管道复合体的反应，渗透速率在 0~1，000 纳克/s 左右。经马西亚斯等人^许可转载。

通过将感兴趣的气味密封到可渗透袋中，可轻松创建受控气味模拟渗透系统 （COMPS）。这可以通过将整洁的液体化合物移液到吸水材料上，然后将吸水材料放入袋中来完成;将一个纯净的固体化合物直接^放入袋4中，就像管状^{8的情况一样};或将含有多种或未知气味物的目标材料放入可渗透袋中，就像使用真菌感染的木材^14一样。渗透袋控制异味剂的释放，因此可以在给定的培训或测试期内提供已知且可重复的量。渗透率通常通过重力分析、绘制质量损失来测量，并可以通过改变许多参数进行调整，包括吸水材料、气味质量/体积或渗透袋的参数（即厚度、表面积或聚合物类型）。COMPS 存储在外部非渗透包络中，使 COMPS 在使用前能够平衡，从而在使用时立即提供已知数量的异味。

COMPS 的渗透率也更高，在培训或测试场景中可用的异味浓度也更高。为了量化或比较 COMPS 发出的气味浓度，应完成测试/训练容器中 COMPS 的头部空间分析。这是最常见的是使用SPME提取气味，通过GC/MS进行分析。出于定量或比较目的，建议使用内部标准和/或外部校准曲线。

COMPS 是一种低成本、可现场处理的设备，用于控制嗅觉训练或测试（如犬类探测器）的嗅觉释放。COMPS 可以反复使用，直到耗尽，每次提供相同的异味排放速率，虽然排放速率不变的时间长度将改变每个分析物，应在使用前在实验室进行测试。这克服了控制现场气味输送的广泛公认限制，并推进了动物的奥法行动研究和检测动物训练。