呼氣檢測技術與設備的研究進展

林麗泉，董浩，王福園，陳星

浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310027

呼氣檢測技術與設備的研究進展

林麗泉，董浩，王福園，陳星

浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310027

編者按：早在18世紀初，研究人員就發現人呼出氣味的不同預示著某些疾病的發生。隨著現代醫學的發展，呼出氣體中有越來越多的疾病相關標志物被發現，最近十幾年的研究表明呼出氣體中存在可以用于診斷糖尿病、代謝性肥胖、癌癥、結核病以及膿毒癥等疾病的標志物。在臨床應用方面，呼出氣檢測更是已經成為幽門螺桿菌快速診斷的標準之一。呼出氣檢測由于其無創檢測的優勢，可用于疾病的早期發現，病程監測以及預后管理，在臨床應用中有著非常巨大的潛力。目前呼出氣檢測由于疾病標志物產生機理不明，氣體采集、分析方法多變，質量控制環節缺失等原因，使得呼出氣檢測真正用于臨床的案例還不多。近年來，呼出氣研究呈現出快速增長的趨勢，我們相信在可以預見的未來，隨著呼出氣研究的不斷深入，呼出氣檢測將在臨床中占有越來越重要的地位。因此《中國醫療設備》雜志社組織了本專欄介紹呼出氣體檢測技術的發展現狀和臨床應用趨勢。

欄目主編：陳星

陳星，博士，浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院副教授，博士生導師。長期從事呼出氣體疾病相關標志物的研究和呼出氣體檢測技術的研發。研究了肺癌呼氣標識物的產生機理，發現并報導了肺癌細胞在代謝過程中釋放的特定化學物質會通過肺部氣體交換存在于肺癌病人的呼出氣中，可作為潛在的診斷標識物應用于呼氣檢測早期肺癌。建立了體檢人群中高危人群的呼出氣體肺癌篩查平臺，為高危因素（如吸煙）對人體的危害及肺癌的發病找到相應的呼出氣體標識物，用于肺癌一期預防。研制了呼氣采集裝置，用于呼出氣體的標準化收集。研制了肺癌呼氣檢測儀成功地從肺癌病人的呼出氣中檢測出了低于本底濃度的該類標識物。開發了靜脈麻醉藥異丙酚血藥濃度實時監測儀，利用呼出氣和血藥濃度之間的相關性，實現呼出氣在線無創監測異丙酚血藥濃度。

呼吸作為人體重要的生理過程，是人體內環境與外界交換物質的途徑之一。呼出氣體中包含著大量人體新陳代謝的產物，各項研究表明呼出物的種類和濃度在一定程度上能反映人體健康狀態。通過檢測呼出氣中的標志物能及時診斷人體的健康狀態，對疾病的發生、發展過程進行監測，從而達到疾病預防的目的。由于呼氣檢測的無損性，國內外涌現出了許多呼吸檢測技術和設備，本文主要介紹了氣體采樣、進樣及預處理技術與設備，復雜混合氣體、特定標識物、呼出氣中冷凝物的檢測技術和設備的研究進展。

呼氣檢測；氣體傳感器；電子鼻；氣相色譜-質譜聯用；免疫分析

1 概述

呼吸作為人體重要的生理過程，是人體內環境與外界交換物質的途徑之一。呼出氣體中包含著大量人體新陳代謝的產物，各項研究表明呼出物的種類和濃度在一定程度上能反映人體的健康狀態[1]。比如呼出氣中的一氧化氮是國際公認的氣道炎癥分子標志物。通過檢測呼出氣中的標志物我們能及時診斷人體的健康狀態，對疾病的發生、發展過程進行監測，從而達到疾病預防的目的。目前已有的呼氣檢測設備有酒精檢測儀、幽門螺旋桿菌檢測儀等[2]。由于呼氣檢測的無損性，國內外興起一股研究和開發呼吸檢測技術和設備的熱潮。本文就國內外的呼吸檢測技術與設備的研究情況展開簡要討論，同時對未來新技術的發展和新設備的開發進行展望。

2 氣體采樣、進樣及預處理技術與設備

呼出氣是由未進行氣體交換的口鼻腔氣道內氣體和進行了氣體交換的肺泡內氣體及部分死腔氣體組成。而可作為呼氣標識物的有效氣體分子應指肺泡內氣體，如何最大限度地去除未交換的死腔氣體的影響是呼出氣采樣的關鍵所在。大多數呼出氣標識物的濃度在體積分數ppb至ppt之間。這個濃度等級的氣體檢測往往已經超出了檢測設備的檢測下限，因此需要對樣本進行必要的濃縮和提純。而這個過程的控制直接關系到檢測的精確性和一致性。

2.1 呼末氣體的收集裝置

呼出氣體的收集主要有兩種，一種是用氣袋直接采集呼出氣，二是利用采氣儀將呼出氣富集到裝填有Tenax的吸附管中。受試者（前者）通過吹嘴裝置將呼出氣吹入氣袋中。后者采用一個抽氣氣泵和一個流量計數器組成的采氣裝置將呼出氣體中的有機化合物吸附到吸附管中，待后續解吸和分析。比較這兩種收集方式，前者更加方便易操作，成本低，但無法排除死腔氣體的干擾；后者能有效排除死腔氣體的影響，但是成本高且操作較繁瑣。

2.2 SPME及TD

與上述氣體收集的兩種方法相對應，用于濃縮提純呼出氣體以進行后續分析的方法分別有固相微萃取（Solid-Phase Micro-Extraction，SPME）和熱脫附儀器（Thermal Desorption，TD）。

固相微萃取技術的原理是采用涂附不同化合物的微型熔融石英萃取纖維吸附氣體中的微量有機化合物，然后在高溫下將被吸附物質脫附。SPME法不是將待測物全部分離出來，而是通過樣品與固相涂層之間的平衡來達到分離目的。分析時，將SPME針插入采完氣的氣袋中，在一定的溫度和一定的時間下萃取氣袋中的有機化合物，達到濃縮和提純目標有機物的目的，萃取完畢后可從GC進樣口直接進樣。

熱脫附儀是對吸附在Tenax管中的物質通過高溫加熱進行脫附處理，然后吹掃進后續的分析系統中。在熱脫附儀的脫附中，一般要采用二級吸附，達到更好的濃縮和提純的目的。加熱時，揮發物從吸附管中釋放出來，并被惰性氣流帶到低溫的捕集阱中進行二次吸附。最后，捕集阱被快速加熱，同時用載氣吹掃，將脫附的揮發物帶入氣相色譜儀進行分離和分析。這種二級吸附能減少峰擴展，從而改善色譜的分離效率。

3 復雜混合氣體檢測技術與設備

復雜混合氣體的檢測能為呼出氣疾病標識物的發現和臨床診斷效果的驗證提供有效的手段，是呼出氣代謝組學研究的重要技術支撐。目前檢測呼出氣中成分的方法主要是基于氣相色譜的分離技術和質譜檢測技術等。主要的檢測設備有：氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）[3]、氣相色譜-氫火焰離子化檢測器（GC-FID）[4]、氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）[5]、選擇性離子流管質譜檢測儀（SIFTMS）[6]、離子分子質譜檢測儀（IMR-MS）[7]、質子轉移反應質譜檢測儀（PTR-MS）[8]等。

3.1 氣相色譜

氣相色譜（Gas Chromatography，GC）檢測方法已達到皮克以下的檢測下限，且具有無可比擬的分離速度和極少的樣品量等優點，因而成為分析化學領域中應用最為廣泛的方法。氣相色譜以惰性氣體作為流動相攜帶樣品混合物流過色譜柱，色譜柱中涂覆固定相物質。樣品與固定相發生作用，在同一推動力下，不同組分在固定相中滯留的時間不同，依次從固定相中流出。如果色譜柱中涂覆非極性材料（比如硅氧烷），則樣品中的混合物是根據其組分的沸點進行分離；若涂覆極性材料則是根據組分的極性進行分離[9]。

色譜作為一種分離技術必須聯合其他的檢測系統才能對各組分進行定量檢測。氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）設備是檢測呼出氣中揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）最常用的儀器。GC-MS不僅是一種定性檢測的重要方法，更可以用于定量檢測，一般使用電子電離源（Electron Ionization，EI）作為電離手段。在70 eV條件下轟擊檢測分子，產生有規律的斷裂碎片，用于解析化合物結構，同時對檢測未知物質情況，可以檢索譜庫。氫火焰離子化檢測器（Flame Ionization Detector，FID）是毛細管色譜儀中最常用的檢測器。其原理是將有機物在氫氣和氧氣燃燒的火焰下高溫電離，然后在高壓電場的定向作用下，形成離子流產生電信號用于定量檢測。因GC-FID對有機化合物有高靈敏度、寬線性響應范圍、低噪聲等特點而成為烴類化合物的專用檢測儀器。離子遷移譜技術（IMS）工作原理是根據離子在標準大氣壓下的電場中遷移率的不同進行分離。GC-IMS的聯用使混合物經過GC分離后，以單個組分的形式進入到IMS反應區和電離區被電離成離子的狀態，離子在遷移區進行二次分離后到達法拉第盤被檢測。這種聯用手段能夠提高檢測的準確度。

3.2 質譜檢測

質譜檢測技術（MS）是依據離子質荷比（質量-電荷比，m/z）來檢測。其檢測過程是使樣品在離子源被電離成不同荷質比的離子，離子經加速電場形成離子束后進入質量分析器，因電場和磁場的作用發生相反的速度色散，被聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量[10]。由檢測過程可知，質譜檢測技術包涵電離技術、分析器技術、檢測器技術等。目前主要有4種軟電離技術：等離子體解吸（PD-MS）[11]、快原子轟擊（FAB）[12]、電噴霧（ESI）[13-15]和基質輔助激光解吸/電離（MALDI）[16-17]。隨著科技的進步，這4種電離技術都有一定程度的發展。在商品儀器中使用最廣泛的質量分析器有扇形磁場、飛行時間質量分析器、四極桿質量分析器、四極桿離子阱和離子回旋共振質量分析器。對于檢測器技術而言，質譜有很多種檢測器，其中電子倍增管及其陣列、離子計數器、感應電荷檢測器、法拉第收集器等是比較常見的檢測器。

選擇性離子流管質譜檢測（SIFT-MS）是一種將初始離子（比如H3O+、NO+、O2+等）和由載氣導入的痕量氣體在一定時間內進行化學電離的技術。由于所使用的初始離子和大多數痕量氣體的分子可進行快速反應，因此，該檢測儀器可以用于呼吸的實時在線檢測，而且即使是虛弱的病人也可以進行該儀器的呼吸檢測。質子轉移反應質譜檢測（PTR-MS）是在SIFT-MS技術上發展起來的技術，該技術也可以用于在線檢測。它通常采用H3O+作為初始離子，通過與有機物分子的質子轉移反應生成準分子離子，然后利用質譜檢測技術來確定有機物的絕對濃度。除此之外，質譜檢測技術還發展了離子分子質譜檢測儀（IMR-MS）、多質子吸收激光誘導解離質譜（REMPI-MS）[18]、單光子電離質譜（SPI-MS）[19]等。

4 特定標識物的檢測技術與設備

上述對于復雜氣體檢測的技術與設備由于體積龐大，單樣品分析時間長，分析成本高等缺點，不利于對某些特定疾病標識物進行快速檢測，因此根據臨床快速檢測的需求，往往需要開發成本低、分析快、疾病指標明確的呼出氣檢測技術和設備。基于傳感器技術的檢測設備能對單一或者特定幾種呼氣標識物進行快速有效、低成本檢測，以符合臨床應用需求。

4.1 電子鼻檢測技術

電子鼻檢測技術是基于傳感器的檢測技術，目前用于檢測呼出氣的傳感器有半導體金屬氧化物（MOS）氣體傳感器、聲表面波（SAW）傳感器、石英晶體微天平（QCM）傳感器、納米金顆粒電阻式傳感器、色度傳感器等。利用傳感器進行檢測具有快速、簡便、低成本等特點。

4.1.1 MOS氣體傳感器

MOS傳感器在檢測小分子質量的揮發性有機物時結果顯著，比如檢測氨氣、丙酮、乙醇、甲醇、異戊二烯等[20]。MOS有多種不同的器件類型，如表面電阻控制型氣敏器件、燒結型氣敏器件和體電阻控制型氣敏器件等。在某些電子鼻的設計中采用的TGS或者MQ系列金屬氧化物半導體氣體傳感器都是以SnO2（Tin Dioxide）作為敏感材料，并以厚膜工藝加工制造而成的。

4.1.2 基于壓電材料的氣體傳感器

SAW傳感器[21]和QCM傳感器[22]都屬于質量敏感型壓電傳感器，可用于檢測大分子質量的揮發性有機物。但由于SAW的基頻可以達到GHZ的水平，遠大于QCM的幾十MHz，所以SAW傳感器比QCM傳感器的檢測下限更低，更為靈敏。其次不管是SAW還是QCM，其本身對氣體不具有選擇性，需要依賴于表面涂覆物質的性質來表示選擇性。

4.1.3 納米金顆粒電阻式傳感器

納米金顆粒電阻式傳感器的工作原理是在不同氣體環境中傳感器的電阻特性會發生改變[23]。由于其在叉指之間沉積的納米金顆粒中的金屬物質提供電導，而金屬表面的不導電有機配體則提供與有機氣體分子結合的位點，故其選擇性可以通過調整有機配體或者官能團來實現與待檢測特異性氣體的結合。

4.1.4 色度傳感器

與傳統的檢測電信號的傳感器不同的是，色度傳感器通過檢測光的特性來確定物質[24]。其原理是當基底上的敏感材料與化學物質結合時發生顏色的變化，通過進行前后對比其顏色種類、深淺度等來確定物質類別。這樣不僅可以省略傳統傳感器后續的復雜電路，更使測量結果直觀易懂。

同時為了提高傳感器的靈敏度，以上所列的傳感器基本都是以傳感器陣列的形式集成在同一芯片上對呼出氣進行檢測，通過對傳感器陣列測得的混合氣體物質信號進行解碼分析得到物質成分及其濃度。這種采用模式識別進行信號處理的方法被形象地稱為“電子鼻”[25-26]。基于傳感器檢測技術研發的電子鼻是一種快速檢測的新型設備。與傳統的GC-MS檢測相比雖然檢測物的范圍受限于傳感器類型的選擇，但是檢測時間和檢測速度方面均有較大提升。

4.2 基于光學原理的呼吸檢測技術與設備

激光光譜技術是一種可以檢測超低濃度的高分辨率檢測技術。其檢測過程是以激光作為光源，將待檢測物注入光腔中，當激光通過光腔會被特定物質所吸收，于是在檢測器端通過檢測激光被吸收的量來確定物質的濃度[27-28]。相比于傳統的檢測方法，其優勢不僅在于可以進行實時檢測，而且可以省去檢測樣品進行類似離子化的處理過程。

基于激光光譜技術發展起來的技術包括腔衰蕩光譜（Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS）技術[29]、腔增強光譜（Cavity-Enhanced Spectroscopy，CES）技術[30]、腔漏光譜（Cavity Leak-out Spectrometer，CLS）技術[31]，法拉第調制光譜（Faraday Modulation Spectroscopy，FMS）技術[32]等。由于目前的激光光譜檢測系統的多樣性和復雜性，目前還難以廣泛應用于臨床研究。但仍有不少研究使用激光光譜技術檢測呼出物中的氨氣、乙烷、甲醛、乙醛、氮氧化合物等[33-34]。由于其具有高光譜分辨率、高時間分辨率、高空間分辨率、高激發選擇性、高分析靈敏度以及測試效率等優點，激光光譜學技術擁有巨大的潛力。在未來的發展中，該技術一定會是呼氣檢測的重要手段之一。

5 呼出氣中冷凝物的檢測技術和設備

呼出物的檢測除了直接對氣體進行檢測，還有針對呼出氣體冷凝物（Exhaled Breath Condensate，EBC）的檢測[35]。研究發現，氣道黏膜液、相對分子質量較小的蛋白質和揮發性物質會在安靜的呼吸中一起被呼出，所以EBC中含有微量蛋白質[36-37]、DNA[38-39]、MicroRNA[40]等物質，而這些物質也能一定程度的反映人體的健康狀態。所以近些年國內外也掀起一股EBCs檢測研究的熱潮。

5.1 EBC的收集技術和設備

EBC指的是在通過冷凝呼出氣得到的低揮發或者不揮發的物質，所以EBC的收集原理就是冷凝技術。正常的呼出氣溫度大約是37 ℃，且充滿了水蒸氣，當外界溫度降到-10 ℃，93.7%的水蒸氣會變成冷凝物，且非揮發性物質會被冷凝在其中。

市場上現有的EBC收集器有4種，分別是德國Eric Jaeger公司生產的EcoScreen?收集器[41]、美國Respiratory Research生產的RTube?[42]、意大利MediVac公司生產的TurboDeccs[43]以及西班牙Biostec公司生產的Anacon[44]收集器。其中前兩種被使用的比較多，第一種具有較為精確的收集效果但體積較大，第二種則是面向于家庭和社區，輕巧便攜。研究表明不同的收集器的收集效果差距很大[45]，由不同收集器收集的EBCs之間沒有可比性。

5.2 EBCs的檢測技術和設備

對于檢測EBC中的蛋白質，采用多是基于標記免疫分析技術，包括放射性免疫分析（RIA）法[46-47]、酶免疫分析（EIA）法[48-49]、化學發光免疫分析（CLIA）法[50-51]以及時間分辨熒光免疫分析（TRFIA）法[52-53]。

RIA的原理是使放射性標記抗原和未標記抗原（待測物）與不足量的特異性抗體競爭性地結合，反應后分離并測量放射性，從而求得未標記抗原的量。雖然RIA操作簡便、成本低，但其具有放射性污染問題。為了解決放射性的問題，EIA、CLIA等技術發展起來并得到廣泛的應用。EIA是一種非放射性標記免疫分析技術，以酶標記抗原或抗體作為示蹤物，由高活性的酶催化底物顯色或發光，達到定量分析的目的。EIA不僅操作簡便，不污染環境，而且酶標記物十分穩定，有效期長，所以應用范圍廣泛。其中，酶聯免疫吸附測定法（ELISA）[54]是EIA的主要方法之一。同樣的，CLIA也是一種非放射性標記免疫分析技術，包涵免疫反應系統和化學發光系統。其原理是用化學發光劑直接標記抗原或抗體，標記后的抗原與抗體經免疫反應后加入起動發光的試劑，通過檢測光強度來檢測待測物的含量。化學發光酶免疫（CLEIA）分析、增強發光酶免疫（ELEIA）分析等都是對CLIA技術的發展。此外，CLIA的自動化檢測的實現也極大地提高了檢測效率，降低了人為誤差。雖然EIA和CLIA不具有放射性問題，但其靈敏度不能夠同RIA匹敵。為解決這個問題，TRFIA應運而生，它也是一種非放射性免疫技術且其靈敏度可以與RIA媲美。TRFIA用鑭系金屬離子（比如Eu3+、Tb3+和Sm3+）作為示蹤物標記抗原或抗體，然后與其螯合劑、增強液一起經過免疫反應后，用時間分辨熒光儀測定最后產物中的熒光強度，根據熒光強度和相對熒光強度比值，確定待測物的濃度。與CLIA一樣，TRFIA也實現了自動化的檢測。除了這4種基本的標記免疫方法，還有報道采用液相色譜質譜（LCMS）[55]、基于場效應晶體管（FET）的生物傳感器[56]、雙色熒光的量子點[57]、基于樂輔波聲表面波的免疫傳感器[58]等方法進行蛋白質的檢測。

此外，對于檢測EBC中的DNA采用的多為PCR擴增聯合基因檢測技術。而MicroRNA的擴增技術有逆轉錄PCR技術[59]、RNA印跡法[60]、RNA原位雜交[61]等，其檢測技術有單分子測序[62]、表面增強拉曼光譜[63]、表面等離子體共振光譜[64]、納米機械傳感[65]以及單銀納米顆粒計數[66]等。

6 總結與展望

隨著人們生活水平的提高，對健康監測的需求也越來越大，呼氣檢測作為快速無損的檢測手段在市場上得到很大的青睞。對于呼氣的氣體檢測，一些傳統的檢測方法不僅效率低、速度慢，而且費用高，但分析精度高，適合用于分析一些復雜混合物的成分。一旦各項研究確定某些和機體的疾病或者紊亂相關的標志物，采用傳感器為基礎的呼氣檢測設備來檢測具體的標志物是一種選擇趨勢，不僅速度快，而且費用低，同時也能保證一定的準確率。當呼氣檢測應用于家庭社區等場合，呼氣檢測設備需要更加便攜易操作；而當其應用于臨床監測，則需要實現在線實時檢測。

[1] Kim KH,Jahan SA,Kabir E.A review of breath analysis for diagnosis of human health[J].Trac-Trend Anal Chem,2012,33:1-8.

[2] Gisbert JP,Pajares JM.Review article:13C-urea breath test in the diagnosis of Helicobacter pylori infection–a critical review[J].Aliment Pharmacol Ther,2004,20(10):1001-1017.

[3] Pleil JD,Lindstrom AB.Exhaled human breath measurement method for assessing exposure to halogenated volatile organic compounds[J].Clin Chem,1997,43(5):723-730.

[4] Mendis S,Sobotka PA,Euler DE.Pentane and isoprene in expired air from humans:gas-chromatographic analysis of single breath[J].Clin Chem,1994,40(8):1485-1488.

[5] Hornuss C,Praun S,Villinger J,et al.Real-time monitoring of propofol in expired air in humans undergoing total intravenous anesthesia[J].Anesthesiology,106(4):665-674.

[6] Spaněl P,Smith D.Progress in SIFT-MS:breath analysis and other applications[J].Mass Spectrom Rev,2011,30(2):236-267.

[7] Schubert H,Guntow U,Hofmann K,et al.Performance and application potential of ion-molecule reaction mass spectrometry (IMR-MS) in the analysis of complex gas mixtures[J].Bioanal Chem,1996,356(2):127-137.

[8] Smith D,Spanel P.Direct,rapid quantitative analyses of BVOCs using SIFT-MS and PTR-MS obviating sample collection[J].Trac-Trend Anal Chem,2011,30(7):945-959.

[9] Ghoos Y,Hiele M,Rutgeerts P,et al.Porous-layer open-tubular gas chromatography in combination with an ion trap detector to assess volatile metabolites in human breath[J].Biomed Environ Mass Spectrom,1989,18(8):613-616.

[10] Chen Z,Meiping Z.Methodsfor detection of volatile organic compounds in human exhaled breath[J].Prog Chem,2010,22(1): 140-147.

[11] Zhang Y,Ma X,Zhang S,et al.Direct detection of explosives on solid surfaces by low temperature plasma desorption mass spectrometry[J].Analyst,2008,134(1):176-181.

[12] Gross JH.Fast Atom Bombardment, in Mass Spectrometry[M]. Springer,2004:381-410.

[13] King R,Bonfiglio R,Fernandez-Metzler C,et al.Mechanistic investigation of ionization suppression in electrospray ionization[J].J Am Soc Mass Spectrom,2000,11(11):942-950.

[14] Yamashita M,Fenn JB.Electrospray ion source.Another variation on the free-jet theme[J].J Phys Chem,1984,88(20): 4451-4459.

[15] Takáts Z,Wiseman JM,Cooks RG.Ambient mass spectrometry using desorption electrospray ionization (DESI):instrumentation, mechanisms and applications in forensics,chemistry,and biology[J].J Mass Spectrom,2005,40(10):1261-1275.

[16] Fenselau C,Demirev PA.Characterization of intact microorganisms by MALDI mass spectrometry[J].Mass Spectrom Rev,2001, 20(4):157-171.

[17] Suckau D,Resemann A,Schuerenberg M,et al.A novel MALDI LIFT-TOF/TOF mass spectrometer for proteomics[J].Anal Bioanal Chem,2003,376(7):952-965.

[18] Taubitz J,Lüning U,Grotemeyer J.Multiple hydrogen bonds. Mass spectra of hydrogen bonded heterodimers. A comparison of ESI-and REMPI-ReTOF-MS[J].Chem Commun(Camb), 2004,(21):2400-2401.

[19] Streibel T,Geissler R,Saraji-Bozorgzad M,et al.Evolved gas analysis (EGA) in TG and DSC with single photon ionisation mass spectrometry (SPI-MS):molecular organic signatures from pyrolysis of soft and hard wood, coal, crude oil and ABS polymer[J].J Therm Anal Calorim,2009,96:795-804.

[20] Wang D,Yu K,Wang Y,et al.A Hybrid Electronic Noses' System Based on Mos-Saw Detection Units Intended for Lung Cancer Diagnosis[J].J Innov Opt Heal Sci,2012,5(1):1150006.

[21] Chen X,Cao M,Li Y,et al.A study of an electronic nose for detection of lung cancer based on a virtual SAW gas sensors array and imaging recognition method[J].Meas Sci Technol,2005,16(8):1535.

[22] Ishida H,Satou T,Tsuji K,et al.The breath ammonia measurement of the hemodialysis with a QCM-NH3 sensor[J].Biomed Mater Eng,2008,18(2):99-106.

[23] Peng G,Tisch U,Adams O,et al.Diagnosing lung cancer in exhaled breath using gold nanoparticles[J].Nat Nanotechnol, 2009,4(10):669-673.

[24] Mazzone PJ,Hammel J,Dweik R,et al.Diagnosis of lung cancer by the analysis of exhaled breath with a colorimetric sensor array[J].Thorax,2007,62(7):565-568.

[25] R?ck F,Barsan N,Weimar U.Electronic nose: current status and future trends[J].Chem Rev,2008,108(2):705-725.

[26] Zohora SE,Khan A,Hundewale N.Chemical Sensors Employed in Electronic Noses:A Review,in Advances in Computing and Information Technology[M].Springer,2013:177-184.

[27] Lee PS,Majkowski RF,Perry TA.Tunable diode laser spectroscopy for isotope analysis--detection of isotopic carbon monoxide in exhaled breath[J].IEEE Trans Biomed Eng,1991,38(10):966-973.

[28] Wang CJ,Sahay P.Breath Analysis Using Laser Spectroscopic Techniques:Breath Biomarkers,Spectral Fingerprints,and Detection Limits[J].Sensors,2009,9(10):8230-8262.

[29] LaFranchi B.Cavity Ring Down Spectroscopy:History, Fundamentals, and Applications[D].Vermont:University of Vermont,2003.

[30] Mazurenka M,Orr-Ewing AJ,Peverall R,et al.4 Cavity ring-down and cavity enhanced spectroscopy using diode lasers[J].Annu Rep Prog Chem,Sect C:Phys Chem,2005,101(1):100-142.

[31] Dahnke H,Kleine D,Hering P,et al.Real-time monitoring of ethane in human breath using mid-infrared cavity leak-out spectroscopy[J].Appl Phys B-Lasers O,2001,72(8):971-975.

[32] Ganser H,Urban W,Brown AM.The sensitive detection of NO by Faraday modulation spectroscopy with a quantum cascade laser[J].Mol Phys,2003,101(4-5):545-550.

[33] Bakhirkin YA,Kosterev AA,Curl RF,et al.Sub-ppbv nitric oxide concentration measurements using cw thermoelectrically cooled quantum cascade laser-based integrated cavity output spectroscopy[J].Appl Phys B-Lasers O,2006,82(1):149-154.

[34] Roller CB,Holland BP,Mcmillen G,et al.Measurement of exhaled nitric oxide in beef cattle using tunable diode laser absorption spectroscopy[J].Appl Optics,2007,46(8):1333-1342.

[35] Hunt J.Exhaled breath condensate:an evolving tool for non-invasive evaluation of lung disease[J].J Allergy Clin Immunol,2002,110(1):28-34.

[36] Carpagnano GE,Foschino-Barbaro MP,Resta O,et al.Endothelin-1 is increased in the breath condensate of patients with non-smallcell lung cancer[J].Oncology,2004,66(3):180-184.

[37] Gessner C,Rechner BS,Kuhn H,et al.Angiogenic markers in breath condensate identify non-small cell lung cancer[J].Lung Cancer,2010,68(2):177-184.

[38] Carpagnano GE,Maria Pia FB,Antonio S,et al.3p microsatellite signature in exhaled breath condensate and tumor tissue of patients with lung cancer[J].Am J Respir Crit Care Med,2008, 177(3):337-341.

[39] Gessner C,Kuhn H,Toepfer K,et al.Detection of p53 gene mutations in exhaled breath condensate of non-small cell lung cancer patients[J].Lung Cancer,2004,43(2):215-222.

[40] Paola M, Iris B,Matteo G,et al.Plasma and EBC microRNAs as early biomarkers of non-small-cell lung cancer[J].Biomarkers, 2013,18(8):679-686.

[41] Tufvesson E,Bjermer L,Ekberg M.Patients with chronic obstructive pulmonary disease and chronically colonized with Haemophilus influenzae during stable disease phase have increased airway inflammation[J].Int J Chronic Obstr, 2015,10:881.

[42] Bloemen K,Van DHR,Govarts E,et al.A new approach to study exhaled proteins as potential biomarkers for asthma[J].Clin Exp Allergy,2011,41(3):346-356.

[43] Corradi M,Folesani G,Gergelova P,et al.Effect of Salt-Bromide-Iodine Thermal Water Inhalation on Functional and Biochemical Lung Parameters[J].ISRN Pulmonology,2012,2012:1-8.

[44] Izquierdo-García J,Peces-Barba G,Heili S,et al.Is NMR-based metabolomic analysis of exhaled breath condensate accurate[J]?Eur Respir J,2011,37(2):468-470.

[45] Czebe K,Barta I,Antus B,et al.Influence of condensing equipment and temperature on exhaled breath condensate pH,total protein and leukotriene concentrations[J].Respir Med,2008,102(5):720-725.

[46] Cooper EH,Splinter TA,Brown DA,et al.Evaluation of a radioimmunoassay for neuron specific enolase in small cell lung cancer[J].Br J Cancer,1985,52(3):333-338.

[47] Lahner E,Vaira D,Figura N,et al.Role of noninvasive tests (13C-urea breath test and stool antigen test) as additional tools in diagnosis of Helicobacter pylori infection in patients with atrophic body gastritis[J].Helicobacter,2004,9(5):436-442.

[48] Andersen L,Dinesen B,J?rgensen PN,et al.Enzyme immunoassay for intact human insulin in serum or plasma[J].Clin Chem,1993,39(4):578-582.

[49] Engvall E.Enzyme immunoassay ELISA and EMIT[J].MethodsEnzymol,1980,70:419-439.

[50] Bhattacharyya A,Klapperich CM.Design and testing of a disposable microfluidic chemiluminescent immunoassay for disease biomarkers in human serum samples[J].Biomed Microdevices,2007,9(2):245-251.

[51] Bi S,Zhou H,Zhang S.Multilayers enzyme-coated carbon nanotubes as biolabel for ultrasensitive chemiluminescence immunoassay of cancer biomarker[J].Biosens Bioelectron,2009,24(10):2961-2966.

[52] Tang D,Wang YC,Chang WB,et al.Time-resolved fluorescence immunoassay of estradiol in serum[J].Fenxi Huaxue,1999,27 (8):899-903.

[53] Wu FB,He YF,Han SQ.Matrix interference in serum total thyroxin(T4)time-resolved fluorescence immunoassay(TRFIA) and its elimination with the use of streptavidin–biotin separation technique[J].Clin Chim Acta,2001,308:117-126.

[54] Lequin RM.Enzyme immunoassay(EIA)/enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)[J].Clin Chem,2005,51(12): 2415-2418.

[55] Zeng X,Hood BL,Sun M,et al.Lung Cancer Serum Biomarker Discovery Using Glycoprotein Capture and Liquid Chromatography Mass Spectrometry[J].J Proteome Res,2010,9(12):6440-6449.

[56] Cheng S,Hotani K,Hideshima S,et al.Field Effect Transistor Biosensor Using Antigen Binding Fragment for Detecting Tumor Marker in Human Serum[J].Materials,2014,7(4):2490.

[57] Li H,Cao Z,Zhang Y,et al.Simultaneous detection of two lung cancer biomarkers using dual-color fluorescence quantum dots[J].Analyst,2011,136(7):1399-1405.

[58] Zhang X,Zou YC,An C,et al.A miniaturized immunosensor platform for automatic detection of carcinoembryonic antigen in EBC[J].Sensor Actuat B-Chem,2014,205:94-101.

[59] Markou A,Tsaroucha EG,Kaklamanis L,et al.Prognostic value of mature microRNA-21 and microRNA-205 overexpression in non-small cell lung cancer by quantitative real-time RTPCR[J].Clin Chem,2008,54(10):1696-1704.

[60] Várallyay E,Burgyán J,Havelda Z.MicroRNA detection by northern blotting using locked nucleic acid probes[J].Nat Protoc,2008,3(2):190-196.

[61] Lim LP,Lau NC,Garrett-Engele P,et al.Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs[J].Nature,2005,433(7027):769-773.

[62] Neely LA,Patel S,Garver J,et al.A single-molecule method for the quantitation of microRNA gene expression[J].NatMethods,2005,3(1):41-46.

[63] Driskell JD,Seto AG,Jones LP,et al.Rapid microRNA (miRNA) detection and classification via surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)[J].Biosens Bioelectron,2008,24:923-928.

[64] Harris TD,Buzby PR,Babcock H,et al.Single-molecule DNA sequencing of a viral genome[J].Science,2008,320:106-109.

[65] Husale S,Persson HH,Sahin O.DNA nanomechanics allows direct digital detection of complementary DNA and microRNA targets[J].Nature,2009,462(7276):1075-1078.

[66] Xu F,Dong C,Xie C,et al.Ultrahighly Sensitive Homogeneous Detection of DNA and MicroRNA by Using Single-Silver-Nanoparticle Counting[J].Chemistry,2010,16(3):1010-1016.

Progress in Technology and Equipment of Exhaled Breath Detection

LIN Li-quan, DONG Hao, WANG Fu-yuan, CHEN Xing
College of Biomedical Engineering and Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China

As an important physiological process for human beings, breathing is one of the most important ways to exchange substances between the human body environment and the outside world. Various studies suggested that the type and concentration of the exhaled breath that contains a large number of metabolic products, have close relationships with human health. Nitric oxide, one kind of exhaled gas, is an internationally recognized molecular markers of airway inflammation. Through detecting the exhaled markers, we can promptly detect the body's health condition, and monitor the occurrence and development of diseases, so as to achieve the purpose of disease prevention. Due to the non-invasive, exhaled breath detection technology and equipment emerged in large numbers both at home and abroad.

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.02.003

1674-1633(2016)02-0011-07

2015-11-10

國家自然科學基金項目（No.81201166，No.81571769）；教育部博士點基金項目（No.20120101120165）。

陳星，副教授，博士生導師。

通訊作者郵箱：cnxingchen@zju.edu.cn

Abstract:: exhaled breath detection; gas sensors; electronic nose; gas chromatography mass spectrography; immunoassay