本文首发于公众号「呼气试验」，此处为归档版本。
呼气分析有可能在广泛的癌症诊断研究中发挥作用。这就需要一种具有高灵敏度和准确选择性的检测器，能够检测呼出气体样本中超低浓度的多种挥发性有机化合物，以便进行定性和定量分析。呼出气中的VOCs挥发性有机化合物能通过多种技术进行检测。
01
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质谱法和激光光谱法
气相色谱法（GC）和气相色谱/质谱法最初用于分离和鉴定呼出气体中的挥发性有机化合物，包括外源性和内源性化学物质。20 世纪 90 年代，GC/MS-olfactometer（GC/MS-O）问世，使研究人员能够检测和分析经 GC 分离的单个气味物质的质谱和气味特征，这些气味物质在复杂的挥发性有机化合物混合物中浓度较低。
GC/MS 中使用了电子碰撞电离技术，利用色谱保留数据和从光谱库中获得的质谱数据，通过每个分析分子独特的碎片模式进行识别。这些方法可识别浓度低至 ppb 甚至 ppt 的挥发性有机化合物，并可同时确定和识别多种化学物质。
尽管气相色谱法有许多优点（灵敏度高），但其结果往往并不可靠，尤其是当许多化合物以痕量形式存在时。此外，尽管现在 GC/MS 的运行时间足够短，可以进行 “实时 “分析，但它们仍然需要昂贵的仪器和复杂的样品制备，便携性差，而且需要训练有素的人员进行操作。
二十世纪下半叶，用于呼气分析的先进分析技术也得到了发展，如激光光谱法、质子转移反应飞行时间质谱法（PTR-TOFMS）、离子迁移谱法（IMS）和选择离子流管质谱法（SIFT-MS）。
PTR-TOFMS 根据分析物的质量电荷比 (m/z) 对其进行定性，而 TOF 分析仪则根据离子在恒定电位加速后的速度变化对其进行分离。PTR-TOFMS 包括一个离子源、一个漂移管和一个质谱检测器。在漂移管的顶部，流动的空气样品与离子源部分产生的 H3O+ 混合，气体样品通过漂移管时发生质子转移。在检测挥发性有机化合物浓度（ppt 和 ppb 级）方面，PTR-MS 比 GC-MS 更快、更准确，而且不需要耗时的预浓缩阶段。不过，PTR-MS 无法区分分子质量相同的化合物。
SIFT-MS 是一种潜在的气体实时定量工具，它采用化学电离技术，使用离子源中产生的反应离子（H3O+、NO+、O2）。在 SIFT-MS 中，样品中存在的每种物质都由 SIFT-MS 中离子分子反应产生的独特产物来表示，下游检测系统对这些产物离子进行质量分类和计数；因此，质谱仅由挥发性有机化合物的分子离子组成，从而无需进行单独的色谱实验。与 PTR-MS 一样，SIFT-MS 在识别和分析小分子方面优于 GC-MS，可检测低浓度（ppt/pptv 和 ppb/ppbv 水平）的多种挥发性有机化合物。
IMS 通过量化离子通过漂移管所需的时间来检测和测量特定疾病的挥发性有机化合物组合。这是一种快速方法，可检测到 ppm（百万分之一）- ppb 级别的挥发性有机化合物，并已被用于识别人体呼吸中的各种细菌和代谢物。IMS 的缺点是无法识别样品中的未知挥发性化合物。IMS、PTR-TOFMS 和 SIFT-MS 通常使用多毛细管色谱柱 (MCC)，以分离具有相同质量电荷比的化学异构体。
基于光学或激光吸收光谱的方法最近在气体检测领域大放异彩。它们具有极高的选择性、低成本和便携性，可对挥发性有机化合物进行 ppb 级的在线实时分析。该方法根据气体敏感材料（pH 指示剂、金属卟啉等）吸收气体后吸收光谱的强度或位移变化来检测挥发性有机化合物。
研究发现，激光光谱法可选择性地识别一氧化碳或乙烷。在量子级联激光器（QCL）等中红外光激光源开发出来后，Manne 等人采用腔衰荡光谱（CRDS）对呼出气体中的氨（NH3）进行定量分析。
腔增强吸收光谱（CEAS）是近年来最有前途的痕量气体实时检测技术，它基于光谱分布和线形理论，能以高灵敏度检测低浓度气体成分，即使在存在其他干扰气体的情况下也能准确识别。CEAS 采用叶氏小组开发的光频梳 (OFC) 光源，可同时检测多种成分。一旦确定了与疾病相关的特定分子，就可以利用光学吸收来诊断疾病。这种方法具有高度选择性，可用于对低至 ppb 级的特定分子进行实时在线分析。这种方法的局限性在于需要使用昂贵而笨重的仪器，而且便携性较差。
尽管技术进步已能有效地实时检测挥发性有机化合物，但各种方法的使用给标准化带来了巨大挑战。这是因为在方法、数据分析和评估的互操作性和规范化方面没有公认的标准，而这些标准将使这些过程在临床上有用，并可在不同的独立研究中进行比较。
02
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电子鼻
近年来，使用电子鼻的方法备受关注，因为它们有助于生产高灵敏度、快速和低成本的检测系统，而且结果可靠、可重复。
自 20 世纪 60 年代以来，电子鼻得到了发展和改进。电子鼻是一种包含传感器阵列的智能系统，这一概念由 Persaud 和 Dodd 于 1982 年首次报道，而 “电子鼻 “一词则于 1987 年首次使用。
各种研究报告称，电子鼻可用于食品工业、环境变化和医疗诊断，这引发了全世界对这一技术有趣应用的兴趣。电子鼻由一系列典型的非特异性传感器组成，这些传感器以不同的方式与挥发性有机化合物相互作用：每种挥发性有机化合物都会因与传感器阵列的相互作用而产生独特的指纹，通过模式识别系统对指纹进行进一步分析，以确定其性质和来源。
一般来说，电子鼻装置由三个部分组成：样品输送系统、挥发性有机化合物检测系统和数据处理系统。
样品输送系统收集样品，并将样品送入检测系统。它可能包括一个预处理步骤，以增加检测到的挥发性有机化合物的百分比并提高检测质量。
检测系统或第二部分由一组气体传感器组成，这些传感器直接与待分析的气体相互作用。最常用的传感器有金属氧化物传感器 (MOS)、石英晶体微天平传感器 (QCM)、导电聚合物传感器 (CP)、表面声波传感器 (SAW)、光学传感器和安培电化学传感器 (EC)。每种传感器对待分析气体样本中不同成分的反应都不同。
检测系统产生的数据将使用各种多元统计方法进一步分析，其中最常用的方法有线性回归、主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）、判别因子分析（DFA）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）等。
电子鼻有几个优点，包括无创、经济、便携、使用简单和可进行实时分析。电子鼻的主要局限性在于漂移、对环境中挥发性有机化合物的反应、无法长期保持诊断的完整性和可重复性（即使来自同一制造商，不同设备的测试结果也可能会发生变化；因此，结果不能一概而论）。
03
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基于纳米材料的气体传感器
利用基于纳米材料的挥发性有机化合物/气体传感器 (NMVS) 监测人体呼吸中的挥发性有机化合物已在多项研究中得到证实。包括碳纳米管在内的各种材料制成的纳米颗粒和纳米线 等多种纳米材料已被用作挥发性有机化合物传感元件。
纳米材料与著名的传感器（如 QCM、SAW、基于微悬臂的重力传感器和表面等离子体共振 (SPR)）结合使用。传统的基于传感器的非接触式传感器包括带有特定受体层或半选择性识别层的传感器。NMVS 的一个重要特点是其动态范围和选择性，可对其进行修改，以便在给定条件下精确识别特定的呼气挥发性有机化合物。
NMVS 面临的第一个挑战是如何在不影响受体功能的前提下将其固定在固体/气体界面上；为了克服这一难题，覆盖有生物材料（如单链脱氧核糖核酸 (DNA) 寡聚体和肽）的纳米材料正被用作挥发性有机化合物特异性受体。
这种高选择性给 NMVS 带来了第二个挑战，即挥发性有机化合物与受体之间反应的不可逆性，这会导致较长的恢复时间和记忆效应。这个问题可以通过将纳米材料暴露于紫外线辐射或热循环来解决，但必须注意确保纳米材料不会在高温或紫外线辐射下降解。
第三个问题是，纳米级元素的表面积小，降低了挥发性有机化合物与受体相互作用的可能性，因此使用了基于碳纳米管随机网络（RN-CNTs）、单层封端金属纳米颗粒（MCNPs）和硅纳米线的传感器。
由于挥发性有机化合物的模式不仅可能表明疾病，还可能表明宿主的新陈代谢和其他相关情况，因此模式识别会给化合物鉴定带来困难。因此，由于这些限制，目前只有少数基于 NMVS 的技术。
表 1 总结了用于呼气分析的检测方法的特点。尽管呼气分析领域有了长足的发展，但由于技术问题、呼出气体中挥发性有机化合物固有的复杂性 [挥发性有机化合物浓度低（纳摩尔 (10-9) 到皮摩尔 (10-12)）]、缺乏采样以及使用的方法范围广泛等原因，目前只有少数呼气测试在临床中使用。目前，提高标记挥发性有机化合物的技术、传感器的选择性、特异性至关重要。这些改进将提高疾病特异性挥发性有机化合物检测的准确性和灵敏度，可用于更频繁、更有效的诊断。
Table 1 Summary of analytical methods used for breath analysis
Analytical method
Limit of detection
Advantages
Disadvantages
GC/MS
ppt-ppb
Highly selectivity and sensitivity
Expensive instruments,complicated sample preparation,large sampling time,require standardization,require trained personnel,no real-time analysis
PTR-MS
ppt
real-time analysis
expensive instrumentation,complicated sample preparation,compounds in very small concentrations cannot be identified,require trained personnel
SIFT-MS
ppt-ppb
real-time analysis
Wide range of detection
Require standardization,compounds cannot be identified
IMS
ppt-ppb
Hand-held devices/portability
Cannot identify unknown volatile compounds
Optical absorption
ppt
Real-time analysis
Portability,miniaturization
Require selectivity for practical use
E-noses
N/A
Real-time analysis,high selectivity and sensitivity,portability and miniaturization
Difficulty in recognizing VOCs pattern
NMVS
Dynamic detection range
Real-time analysis,dynamic range,high selectivity
Difficulty in recognizing VOC pattern, immobilizing receptors without losing functionality,Less VOC-receptor interaction due to small surface area
GC gas chromatography, MS mass spectrometry, SIFT selected ion flow tube, IMS ion mobility spectrometry, E-nose electronic nose, NMVS nanomaterial-based VOC/gas sensor, VOC volatile organic compound, ppt parts per trillion, ppb parts per billion