人體呼出氣體中含有上千種痕量級（ppbv~pptv）的可揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），通過尋找與疾病代謝高度相關(guān)的呼出氣生物標(biāo)志物進(jìn)行疾病的篩查和診斷，有助于重大疾病或癌癥的早期發(fā)現(xiàn)和早期治療，如肺癌、胃癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、糖尿病、帕金森病等。

圖片來源：Owlstonemedical.com

呼吸氣的來源

呼出氣VOC被分為內(nèi)源性和外源性兩大類。內(nèi)源性 VOC 是由機(jī)體生理代謝過程，也可以是疾病感染的病理反應(yīng)等所產(chǎn)生的揮發(fā)性代謝物，其通過血液循環(huán)和肺泡交換并呈現(xiàn)在肺泡氣中，其能反應(yīng)疾病（如肺癌等）的異常代謝情況。而外源性 VOC 主要由環(huán)境污染或食物等外部來源進(jìn)入呼吸道內(nèi)，在呼吸研究中這部分的氣體需要將其排除分析干擾，一般存在于混合氣中。

呼吸氣研究的可靠性

呼吸氣分析應(yīng)避免環(huán)境VOC的污染，盡可能只采集肺泡氣。人體的呼出混合氣包括來自上呼吸道的150 ml死腔氣和來自肺泡深處的350 ml肺泡氣。由于肺泡氣中外源性污染物濃度較低，其內(nèi)源性VOC的濃度比混合呼出氣高2~3倍，因此，通過控制對不同呼吸階段的采樣，不僅可以提高呼氣分析的可靠性，還可以幫助確定呼氣生物標(biāo)志物的來源。

那么如何確保采集到肺泡氣，實(shí)現(xiàn)對呼吸過程進(jìn)行控制采樣呢？

Sampling Case氣體采樣器

德祥旗下自研品牌英諾德INNOTEG儀器——Sampling Case-B呼吸氣采樣器內(nèi)置二氧化碳傳感器，可自動(dòng)識別呼吸的各個(gè)階段和呼吸周期，通過監(jiān)控呼吸周期中二氧化碳濃度，有效識別不同的呼吸階段，確保所采集的呼吸氣完全來自肺泡。

圖1：不同呼吸階段的二氧化碳分壓值

圖來源：Elsevier Science & Technology Journals（2004）

所以，控制呼吸中的二氧化碳濃度是呼吸采樣的關(guān)鍵。

呼吸氣檢測作為一種非侵入性的分子生物標(biāo)識物診斷技術(shù)，且樣本容易獲得，并可通過便攜式儀器實(shí)現(xiàn)疾病的快速采樣，具有安全、易操作、高敏感性、低干擾等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的無創(chuàng)性癌癥檢測技術(shù)之一。

呼吸氣分析難點(diǎn)

近年來，雖然呼吸與疾病相關(guān)研究受到全球越來越多的醫(yī)療機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，但在呼吸研究中仍然存在不少分析難點(diǎn)。

01 濃度低

呼出氣中VOCs的濃度極低，依賴于前處理富集和分析設(shè)備的高分辨率、高精度、高靈敏度。

02 侵入式采樣

有些疾病的診斷方法需要侵入性取樣才能確診，如惡性胸膜間皮瘤和肺部感染性疾病，這些診斷手段往往是有創(chuàng)的，不僅需要專門的實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)，而且侵入式的采樣方法會(huì)影響患者的安全性。

03 雜質(zhì)干擾

重要的生物標(biāo)記物往往因?yàn)闈舛鹊停粡?fù)雜的呼吸氣基質(zhì)干擾所淹沒。目前大多數(shù)前處理方法均對呼吸混合氣進(jìn)行采樣，混合氣樣本極其容易受到口腔、外部環(huán)境吸入等外源性污染物干擾。

04 與容器表面相互作用

大多數(shù)的前處理方法是將呼吸氣收集到一次性Tedlar采樣袋或者玻璃容器中，再富集到SPME fiber或者TD熱脫附管里，這會(huì)導(dǎo)致呼吸氣中與其表面相互作用或反應(yīng)，結(jié)果受到干擾。

英諾德INNOTEG高效解決方案

針對以上難題，英諾德INNOTEG提出高效的解決方案，Sampling Case-B呼吸氣體采樣器和Needle Trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)（也稱NTD）的結(jié)合，可以解決上述難題。

圖2：SC-B呼吸采樣原理圖

SC-B采樣前，設(shè)置CO2閾值用于區(qū)分呼吸周期的死腔氣和肺泡期。一旦超過閾值(一般設(shè)定為4kpa)，閥門將會(huì)自動(dòng)打開，呼出的肺泡氣將被自動(dòng)預(yù)濃縮到Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針中，采樣結(jié)束后通過GC-MS氣相色譜質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。Sampling case-B呼吸氣采樣器可直接在護(hù)理點(diǎn)進(jìn)行肺泡氣采樣，無需任何額外的采樣步驟。

圖3：Sampling Case-B呼吸氣體采樣器和Needle Trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)結(jié)合

技術(shù)優(yōu)勢

• 靈敏度高

                只需要少量的少量（20-100ml）樣品，即可達(dá)到儀器靈敏度，Needle trap技術(shù)將為pptV–ppbV濃度范圍內(nèi)的VOCs提供極好的結(jié)果。

• 非侵入式取樣

                無需對患者進(jìn)行有創(chuàng)的采樣，有效，可靠的采樣方式，在臨床應(yīng)用中有著巨大的潛力。

• 快速、安全

                由于Needle trap技術(shù)的小型化設(shè)計(jì)，僅需少量樣品，采樣時(shí)間短，對患者影響小，實(shí)現(xiàn)快速安全分析，如采集50ml肺泡氣約3min內(nèi)收集完。

• 儲(chǔ)存性能好

                和其他技術(shù)相比，NTD在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中的化合物損失顯著減少，樣品的存儲(chǔ)和運(yùn)輸簡單、方便、安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呼出氣分析與肺癌診斷的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,DOI:10.7507/1007-4848.202112078；

[2] 呼出氣揮發(fā)性有機(jī)物在肺部感染性疾病診斷中的研究進(jìn)展，DOI:10.19982/j.issn.1000-6621.20210693；

[3] Evaluation of needle trap micro-extraction and automatic alveolar sampling for point-of-care breath analysis；DOI: 10.1007/s00216-013-6781-9.

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英諾德INNOTEG

英諾德INNOTEG是德祥集團(tuán)旗下自主研發(fā)品牌，專業(yè)從事科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)的高科技企業(yè)，是集實(shí)驗(yàn)室設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)、方法開發(fā)、實(shí)驗(yàn)室儀器銷售和技術(shù)服務(wù)為一體的專業(yè)廠家。

多年以來，英諾德INNOTEG致力于研發(fā)高效的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新設(shè)備。公司十分重視技術(shù)的研究和儲(chǔ)備，一直保持高比例研發(fā)投入，創(chuàng)建了一支由博士、碩士和行業(yè)專家等構(gòu)成的經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)精湛的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在儀器分析技術(shù)領(lǐng)域開展了頗有成效的研究開發(fā)工作。此外，英諾德還與各大科研院所、高校合作，積極推進(jìn)科技成果項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化。英諾德INNOTEG憑借強(qiáng)大的研發(fā)能力，注重前瞻性技術(shù)研發(fā)，已推出多款科學(xué)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室耗材產(chǎn)品。

德祥科技

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