人体呼出气体中含有上千种痕量级（ppbv~pptv）的可挥发性有机化合物（VOC），通过寻找与疾病代谢高度相关的呼出气生物标志物进行疾病的筛查和诊断，有助于重大疾病或癌症的早期发现和早期治疗，如肺癌、胃癌、结肠癌、乳腺癌、糖尿病、帕金森病等。
图片来源：Owlstonemedical.com
呼吸气的来源
呼出气VOC被分为内源性和外源性两大类。内源性 VOC 是由机体生理代谢过程，也可以是疾病感染的病理反应等所产生的挥发性代谢物，其通过血液循环和肺泡交换并呈现在肺泡气中，其能反应疾病（如肺癌等）的异常代谢情况。而外源性 VOC 主要由环境污染或食物等外部来源进入呼吸道内，在呼吸研究中这部分的气体需要将其排除分析干扰，一般存在于混合气中。
呼吸气研究的可靠性
呼吸气分析应避免环境VOC的污染，尽可能只采集肺泡气。人体的呼出混合气包括来自上呼吸道的150 ml死腔气和来自肺泡深处的350 ml肺泡气。由于肺泡气中外源性污染物浓度较低，其内源性VOC的浓度比混合呼出气高2~3倍，因此，通过控制对不同呼吸阶段的采样，不仅可以提高呼气分析的可靠性，还可以帮助确定呼气生物标志物的来源。
那么如何确保采集到肺泡气，实现对呼吸过程进行控制采样呢？
Sampling Case气体采样器
IM体育旗下自研品牌英诺德INNOTEG仪器——Sampling Case-B呼吸气采样器内置二氧化碳传感器，可自动识别呼吸的各个阶段和呼吸周期，通过监控呼吸周期中二氧化碳浓度，有效识别不同的呼吸阶段，确保所采集的呼吸气完全来自肺泡。
图1：不同呼吸阶段的二氧化碳分压值
图来源：Elsevier Science & Technology Journals（2004）
所以，控制呼吸中的二氧化碳浓度是呼吸采样的关键。
呼吸气检测作为一种非侵入性的分子生物标识物诊断技术，且样本容易获得，并可通过便携式仪器实现疾病的快速采样，具有安全、易操作、高敏感性、低干扰等优点，被认为是最具潜力的无创性癌症检测技术之一。
呼吸气分析难点
近年来，虽然呼吸与疾病相关研究受到全球越来越多的医疗机构和研究机构的关注，但在呼吸研究中仍然存在不少分析难点。
01 浓度低
呼出气中VOCs的浓度极低，依赖于前处理富集和分析设备的高分辨率、高精度、高灵敏度。
02 侵入式采样
有些疾病的诊断方法需要侵入性取样才能确诊，如恶性胸膜间皮瘤和肺部感染性疾病，这些诊断手段往往是有创的，不仅需要专门的实验室和技术，而且侵入式的采样方法会影响患者的安全性。
03 杂质干扰
重要的生物标记物往往因为浓度低，而被复杂的呼吸气基质干扰所淹没。目前大多数前处理方法均对呼吸混合气进行采样，混合气样本极其容易受到口腔、外部环境吸入等外源性污染物干扰。
04 与容器表面相互作用
大多数的前处理方法是将呼吸气收集到一次性Tedlar采样袋或者玻璃容器中，再富集到SPME fiber或者TD热脱附管里，这会导致呼吸气中与其表面相互作用或反应，结果受到干扰。
英诺德INNOTEG高效解决方案
针对以上难题，英诺德INNOTEG提出高效的解决方案，Sampling Case-B呼吸气体采样器和Needle Trap动态捕集针技术（也称NTD）的结合，可以解决上述难题。
图2：SC-B呼吸采样原理图
SC-B采样前，设置CO2阈值用于区分呼吸周期的死腔气和肺泡期。一旦超过阈值(一般设定为4kpa)，阀门将会自动打开，呼出的肺泡气将被自动预浓缩到Needle trap动态捕集针中，采样结束后通过GC-MS气相色谱质谱仪进行分析。Sampling case-B呼吸气采样器可直接在护理点进行肺泡气采样，无需任何额外的采样步骤。
图3：Sampling Case-B呼吸气体采样器和Needle Trap动态捕集针技术结合
技术优势
- 灵敏度高
只需要少量的少量（20-100ml）样品，即可达到仪器灵敏度，Needle trap技术将为pptV–ppbV浓度范围内的VOCs提供极好的结果。
- 非侵入式取样
无需对患者进行有创的采样，有效，可靠的采样方式，在临床应用中有着巨大的潜力。
- 快速、安全
由于Needle trap技术的小型化设计，仅需少量样品，采样时间短，对患者影响小，实现快速安全分析，如采集50ml肺泡气约3min内收集完。
- 储存性能好
和其他技术相比，NTD在运输和储存过程中的化合物损失显著减少，样品的存储和运输简单、方便、安全。
参考文献：
[1] 呼出气分析与肺癌诊断的研究现状及进展,DOI:10.7507/1007-4848.202112078；
[2] 呼出气挥发性有机物在肺部感染性疾病诊断中的研究进展，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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