ACS Sensors：红外光谱电子鼻，一种用于呼气传感的创新方法

摘要：癌症是全球癌症相关死亡的第四大原因，由于其巨大的全球负担，它仍然是一个公共卫生问题。仅在2021年，就有954373.6（821750.81-1089576.58）人死于这种疾病。癌症发生在胃里，通常始于胃最内层产生粘液的细胞以及其他产生粘液的胃细胞。这种癌症

第一作者：Johannes Glöckler

通讯作者：Lorena Díaz de León-Martínez

通讯单位：乌尔姆大学

DOI: 10.1021/acssensors.4c02725

癌症是全球癌症相关死亡的第四大原因，由于其巨大的全球负担，它仍然是一个公共卫生问题。仅在2021年，就有954373.6（821750.81-1089576.58）人死于这种疾病。癌症发生在胃里，通常始于胃最内层产生粘液的细胞以及其他产生粘液的胃细胞。这种癌症最常见的形式是腺癌，占病例的90-95%。癌症早期可能出现轻微症状，甚至无症状；而且，恶心、呕吐、频繁胃痛、食欲不振、故意减肥、腹胀、吞咽困难和便血等症状通常与晚期疾病有关。与其他癌症一样，癌症的病因是多因素的，包括慢性幽门螺杆菌感染、频繁吸烟和饮酒、高钠饮食和加工食品、胃溃疡、慢性胃炎，以及在某些情况下的遗传易感性等风险因素。在这种情况下，早期发现对于获得更好的患者结果以及改善受影响者的生活质量至关重要。目前，癌症的诊断涉及多种方法，包括内窥镜检查（食管胃十二指肠镜检查，EGD）、活检、内窥镜超声、钡咽检查（上消化道系列）、计算机断层扫描、磁共振成像、正电子发射断层扫描和腹腔镜检查。这些程序大多是侵入性的，相关成本很高，需要训练有素的人员，这使得它们难以在大规模筛查环境中使用，特别是在服务不足、医疗服务有限的人群中，就像许多低收入和中等收入国家的情况一样。在这方面，哥伦比亚是一个中等收入的拉丁美洲国家，癌症目前是该国癌症相关死亡的主要原因，每年约有7000人死亡。高死亡率主要与疾病的晚期发现有关，这不仅给受影响的家庭，也给整个医疗系统带来了巨大的经济负担。在哥伦比亚，癌症的经济负担近年来大幅增加。成本效益因疾病诊断的阶段而异；例如，在早期阶段（0-IA），大约的治疗费用为22434欧元，而在更晚期阶段（IIIA-IIIB），治疗费用在22445至23498欧元之间，但早期和晚期的生存率有很大不同。尽管疾病严重，但早期发现、预防和认识方面的努力仍然不足。到目前为止，哥伦比亚还没有大规模的筛查计划，这导致了晚期发现率的上升。

在这种情况下，重点研究开发和应用敏感、特异和可获得的方法来筛查和监测癌症进展至关重要。近几十年来，呼气体（呼出气分析）的研究在生物医学研究中具有重要意义，因为“我们呼出的是谁以及我们是什么样的人”。呼出气的成分可以提供有关个体代谢状态和健康状况的有价值的信息，因为它反映了他们在特定时间的生理和病理生理状态。这使得它成为医学和临床领域感兴趣的主题。呼出气是呼吸过程中释放的气体的复杂混合物，主要由二氧化碳（约3.6%）、水蒸气（约6.5%）、氧气（约15.7%）、氮气（约74.9%）、微量其他气体如氩气和氦气（约0.6%）以及挥发性有机化合物（VOC）组成。这些化合物来源于各种代谢过程，在血液中具有高溶解度和高挥发性，能够通过血液运输并过滤到唾液中，使其在呼出气体中可检测到。迄今为止，已在呼出气体中识别出3000多种挥发性有机物，其中许多与各种疾病的发展有关，尤其是与癌症有关。它们提供了一种非侵入性的方法来监测健康状况，并可作为疾病诊断和进展的生物标志物。

各种研究将特定的挥发性有机化合物与疾病联系起来，强调了它们作为非侵入性诊断工具的潜力。这些包括己酸、苯酚、甲基苯酚、2-丙烯腈、糠醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯乙烯、2-乙基-1-己醇、壬醛、十六烷、丁酸、戊烯酸、癸醛、丙酮、异戊二烯、1,3-二氧戊环-2-酮、苯酚、间二甲苯、1,2,3-三甲基苯、乙酸苯酯、乙烯、甲基异丁基酮、乙酸、间甲苯甲醛。挥发性有机化合物通常通过GC-MS、SIFT-MS、PTR-MS和IMS等分析技术进行评估。然而，这些技术带来了与样本收集和处理、分析时间延长以及需要训练有素的人员来执行相关的挑战，从而导致了高昂的相关成本。在这种情况下，我们提出了第一个用于无标签无创呼气分析的组合红外（IR）光谱电子鼻（IR eNose）系统。

电子鼻是一种高度敏感的设备，可以模仿哺乳动物的嗅觉（嗅觉系统）来检测和识别气相样品中复杂的挥发性有机化合物混合物。它们通常由传感器阵列组成，设计用于响应不同的分子组，并产生与这些化合物的存在和浓度相关的信号。一些研究表明，独立的测量原理（即传感器阵列）不足以完全捕捉呼气体的复杂成分，特别是在诊断相关的疾病特异性生物标志物组合方面，即使具有高灵敏度，eNases也因其有限的特异性而存在缺点，这阻碍了化学相似化合物之间的准确区分，导致交叉敏感性，降低了复杂基质（如呼出气体）的准确性。此外，用于模式比较的可用VOC数据库有限，这影响了它们的性能。考虑到这一点，气相红外光谱具有实质性的相关性。挥发性有机化合物是通过吸收特定波长的红外辐射来检测和定量的，特别是在中红外光谱（3-15 μm）的所谓“指纹”区域内。呼出气体基质中的分子吸收与它们的振动、旋转-振动和旋转跃迁相对应的特征频率的红外辐射。这种吸收产生了一种独特的光谱指纹，可以识别和定量特定的化合物。气相红外光谱具有鉴定分子官能团的高特异性等优点，可提供目标化合物的定量和定性数据。

本文亮点

1. 本工作提出了一种集成的红外光谱电子鼻系统，这是一种将红外（IR）光谱和电子鼻（eNose）概念相结合的新型设备，用于分析呼出气体中的挥发性有机化合物（VOC）。

2. 该系统使用相关气体混合物进行校准，然后在涉及26名癌症患者和32名健康对照的可行性研究中使用化学计量分析进行测试，以区分呼出的呼吸特征。

3. 所得结果表明，红外光谱和eNose技术的结合显著提高了通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）进行挥发性有机物指纹识别的准确性。

4. 研究组之间存在明显差异，呼出气体样本的预测准确率为0.96。

图文解析