质谱技术在呼吸气体检测中的进展与应用前景

目前呼气检测在临床中得到越来越广泛的应用，质谱技术作为呼吸气体检测的一项主流技术，随着直接质谱技术的发展，呼气检测质谱仪逐步走向商业化。文章阐述了呼吸标志物与人体疾病和代谢异常的关系、直接质谱技术、直接质谱技术在呼吸分析中的研究进展、质谱呼吸检测临床应用需要解决的问题。质谱呼气检测的未来应该着重于解决以下问题：建立更多新的生物标志物系统；建立疾病和呼出的呼吸生物标志物浓度之间的标准相关性，建立标准的呼吸收集和存储程序；区分呼出气体中的外源性和内源性气体；开发用于选择性检测呼吸气体的新型特异性纳米材料；开发操作简单、可重复、可靠、实时、质量轻、价格低廉的手持设备；进行大量适当的临床试验，包括尽可能多的受试者和实验验证等。目前商用的呼气检测质谱仪依然是气相色谱质谱（GC-MS）居多。随着各方面的研究进展，在疾病的筛查上各方面会逐步形成共识，低成本、操作便捷的非侵入式呼气检测质谱仪正处于产业爆发的前夕；呼气质谱技术发展应用过程中前景与挑战并存。     

CRDS呼吸分析技术及其临床应用研究

呼吸分析(Breath Analysis)是一种新颖的非侵入性的疾病诊断和代谢监测技术,对实现重大慢性疾病的无创检测和筛查有着重要意义。但目前呼吸分析研究领域的发展主要存在两大挑战:一是对确定的呼吸生物标记物和现有的临检参数缺乏定量相关性,需深入研究以实现临床诊断;二是许多疾病的生物标记物还有待研究,需要发现用于诊断的新标记物。这都需要一种高灵敏的实时在线分析技术,在极短的时间内完成大量呼吸样品研究。相比质谱技术,光腔衰荡光谱(CRDS)呼吸分析技术具有实时、低成本、无序样本前处理及可用于床旁监测等优点,是呼吸气体分析领域的新秀。目前本课题组已成功研制出便携式CRDS呼吸丙酮分析仪,其体积小、所需气量少,响应时间为1 s,测量时间约为1 min,探测极限可达50 ppb,并已在糖尿病无创诊断和动态监测领域开展了大量地临床试验。同时该仪器为平台仪器,由于不同分子对应不同波长的光谱指纹,通过选择合适波长的激光器及对应的高反射镜,就能开展其他重大疾病生物标记物的研究,建立用于肺癌、乳腺癌及慢性肾病等重大疾病诊断呼吸标记物数据库,推动呼吸分析技术在临床医学研究领域的应用。     

基于光腔衰荡光谱的呼吸丙酮分析仪设计与实现

目的 利用光腔衰荡光谱（CRDS）搭建了一套呼吸丙酮分析仪,以研究人体呼吸中的糖尿病潜在生物标志物丙酮,推动呼吸分析在临床疾病诊断或代谢监测中的应用.方法 选择266 nm紫外脉冲激光器作为光源,反射率为99.956％的高反镜组成衰荡腔,以光电倍增管（PMT）为探测器,在尺寸为60 cm×20 cm的铝板上搭建了一套可移动式呼吸分析仪.用不同体积分数的标准丙酮气体验证仪器的准确度与线性响应后,将其用于健康人体与糖尿病患者的呼吸样本测量.结果 实验测得高反射镜等效反射率为99.93％,仪器典型的衰荡时间基线平均值为2.386 4μs,稳定度为0.22％,对不同体积分数的丙酮样本具有线性响应（R2=0.99）,仪器检测极限为0.13×10-6（3σ准则）.结论 该呼吸分析仪具有良好的稳定性与重复性,可满足临床上人体呼吸的测量要求,并即将用于大量的临床呼吸测试以研究呼吸标志物与疾病之间的相关性.     

血流控制下时间门的人体血糖无创实验测量

目的 为了进一步提高人体血糖无创伤测量的精度,从而达到临床的要求,对本课题组提出的人体血糖无创伤测量的新方法进行实验测量.方法 在利用压力停止受测部分血流条件下,采用时间相关单光子计数技术测量双波长光入射下透射光谱的动态分布.对3例人体进行了口服葡萄糖耐量试验（OGTT）,用拉普拉斯变换选取早期到达的光子,同时用罗氏血糖仪对人体血糖浓度进行读数.结果 当拉普拉斯参数取1Gs^-1时,实验测得的参数斜率（PS）随人体血糖浓度变化曲线的拟合度最好（决定系数R^2=0.0922）.结论 实验测量结果显示,选取合适的拉普拉斯参数可以得到更好的测量准确性,基于血流控制下的时间门技术用于无创伤测量人体血糖浓度是可行的.     

基于1型糖尿病大鼠模型的呼吸丙酮与血糖及血β-羟基丁酸相关性研究

目的 1型糖尿病（T1D）和某些2型糖尿病患者经常患有酮症（高血酮）,呼吸丙酮是糖尿病的一种潜在生物标志物.本研究使用T1D大鼠模型研究呼吸丙酮与血糖（BG）及血β-羟基丁酸（BHB）的关系.方法 使用基于光腔衰荡光谱技术的呼吸丙酮分析仪测定了20只T1D大鼠和18只健康大鼠的呼吸气体丙酮浓度,并同时测定了其BG和血液BHB浓度.结果 与健康大鼠组相比,T1D大鼠组的呼吸丙酮、BG和血液BHB间的差异均具有统计学意义（P＜0.05）.T1D大鼠和健康大鼠的呼吸丙酮与血液BHB呈显著正相关性,而与BG呈显著负相关性;但当T1D大鼠接受胰岛素治疗且血糖浓度趋向正常值时,其呼吸丙酮和血糖浓度的关系由负相关变为正相关.健康大鼠的呼吸丙酮浓度与血糖浓度则无相关性.多元线性回归分析显示,T1D大鼠的呼吸丙酮可用于其血液BHB的预测,使用10只健康大鼠和10只T1D大鼠对该回归模型进行了验证.结论 使用大鼠动物模型进行呼吸气体研究是可行的,其有助于解决人类呼吸分析研究中的定量关系问题.     

基于时间分辨透射光谱的血液血红蛋白无创检测方法

目的 基于时间分辨结合遮蔽光谱(TRACOS)技术进行血红蛋白在体无创测量方法的理论研究.方法 在人体手指部位及人工血流动力学条件下,检测和分析动态双波长时间分辨透射.通过对时域数据进行拉普拉斯变换,提高血红蛋白的检测灵敏度.使用质量浓度范围为6～16 g/dl的血红蛋白对时间分辨检测法进行验证.结果 模拟结果表明,与连续波法相比,当使用拉普拉斯变换参数p=5×1010 s-1时,时间分辨检测法可以提供更高的检测灵敏度.结论 采用小正参数对时间分辨透射光强进行拉普拉斯变换可以强调早到达光子效应,从而增强血红蛋白探测的灵敏度.     

基于腔衰荡光谱(CRDS)技术的呼吸丙酮检测系统软件设计

丙酮在人的呼吸气体中已经被超高精度的气相色谱-质谱联用技术(Gas Chromatography-Mass Spectroscopy,GC-MS)确认为Ⅰ型糖尿病的生物标记物,其在正常人呼吸气体中的浓度处于0.39～0.85ppm,总体平均值为(0.49±0.20)ppm;糖尿病或者酮症病人呼吸气体中的丙酮含量有明显的升高,检测呼吸气体中的丙酮含量是无创诊断糖尿病