摘要：人体呼出气挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)分析在疾病初筛和早期识别中的应用愈发受到关注。目前，呼气VOCs的检测方法主要有质谱、色谱等较大型分析仪器和气体传感器两种。与大型仪器相比，气体传感器体积小，成本低、操作简单，在大规模人群筛查呼气VOCs检测中有良好的应用前景。

一、呼气VOCs概述

1.1人体呼气中VOCs来源

人体呼气由气体、水蒸汽和悬浮微粒三部分组成，来源于环境空气和体内细胞及微生物代谢；新陈代谢通过呼吸系统排出的气体主要是二氧化碳。主要成分有氮、氧、二氧化碳及小量惰性气体（氩、氪、氙、氖、氦等）。它们的比例，按容积百分比计，氮占71%、氧20.9%、二氧化碳0.03%、氩0.934%，其余的总量不超过0.0025%。

挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)，按照世界卫生组织（WHO，1989）的定义，指沸点在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过 133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物，可分为烷类、芳香烃类、烯类、卤烃类、酯类、酮类和其他化合物。

VOCs广泛存在于外界大气中。人类的生活生产过程，如食品、钢铁、石油化工等生产过程，机动车排放尾气，室内装潢家具以及自然界一切动植物的生命活动都是大气中VOCs的重要来源。

呼气中VOCs的来源包括环境（外源性）、宿主（内源性）及微生物群（居住在口腔、肺部和肠道的微生物）。外源性VOCs可产生于人类生产活动、自然植物释放等多种过程，通过呼吸进入人体或直接通过皮肤吸收。内源性VOC可产生于人体内多种不同的生化反应过程中，如维持细胞膜完整性、能量代谢、氧化应激等各种基本细胞功能均与 VOCs产生有关。目前认为，氧化应激可能是内源性 VOCs产生的主要过程。呼气中大部分VOCs来自外源性，但内源性和微生物VOCs在临床上更有意义。

呼气中的VOCs包括碳氢化合物（芳香族和脂肪族）、含氧有机物（醛、醇、酚、羧酸、醚和呋喃）、烷烃、烯烃、醛酮类化合物、含硫化合物和含氮化合物等。呼出气凝集物（EBC）还包括更大的化合物，炎症因子、细胞因子、蛋白、基因等。如：microRNA、肽类。

1.2   人体内VOCs的代谢

1.2.1通过细胞色素P450氧化酶系统代谢

在人体某些生理或病理状态下细胞色素P450氧化酶系统可有不同程度的增强或抑制，此时人呼气中VOCs也出现变化，如有研究显示在部分肺癌患者体内细胞色素P450系统激活，引起VOCs的降解加速，可导致呼气中成分的改变。

1.2.1 通过肺呼出

VOCs可以在全身各种细胞中产生，由于其在水中溶解度极低，可以通过血流到达肺泡，并通过呼气排出体外。因此，呼气中内源性 VOC 认为主要来源于肺泡。

二、呼气VOCs代谢组学临床研究日盛

2.1呼气代谢组学概述

代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、转录组学之后发展起的新兴学科，是一种自上而下的系统生物学研究方法。

代谢组学的研究对象，是内源性代谢物质(中间或代谢终产物), 机体内生理、病理或其他因素变化都会影响代谢物的浓度或使代谢流发生改变，通过分析代谢物在体液及组织内的变化规律, 可从生物整体分析基因表达、蛋白质调节等内外因素对机体状态的影响。因此，代谢组学技术能更真实地反映机体的实际情况。

代谢组学在医学、环境暴露学、分子流行病学等领域意义重大。在癌症早筛方面，代谢组学能够从机体动态代谢途径寻找肿瘤标志物,有助于肿瘤早期发现,实现肿瘤无创伤诊断。目前，已应用到前列腺癌、乳腺癌和宫颈癌、肺癌、肝癌等恶性肿瘤的筛查、诊断和治疗等过程中。

人体呼气中VOCs很多来自于人体内源性的生理和病理反应。

在病理过程中，细胞代谢的改变会导致生化反应产物VOCs的变化。与癌症相关的病理机制包括缺氧、细胞过度增殖、过度炎症和活性氧活跃等，都会导致局部和系统性的VOCs种类和浓度发生明显变化。例如在缺氧和/或炎性疾病中，癌症微环境中的氧化应激促使烷烃和甲基化烷烃形成；癌症患者中细胞色素P450酶的过度活化，会提高酒精水平；局部缺氧引起的过度细胞增殖导致无氧呼吸，产生能量的糖酵解途径释放出酮和醇。这意味着，VOCs可以作为对人体生理病理状况做出全面判断的重要标志物。VOCs采集过程简单无创，未来很可能成为一种疾病早期识别和连续监控的重要标志物。

呼气代谢组学（breath metabolomics），便是通过检测人体呼气中VOCs的分布差异，实现人体健康状况的诊断与监测。

2.2 呼气VOCs代谢组学研究日盛   临床应用获广泛证实

早在古希腊希波克拉底时代，人们便认识到呼吸气味可用于疾病识别。随后逐渐认识到比如：糖尿病中会有“水果味”（丙酮）、晚期肝病会有“霉味”、肾衰竭会有“鱼腥味”、“尿味”、肺脓肿会有“腐臭味”， 慢性萎缩性胃炎会有“食物发酵味道”等。

确认呼气VOCs与特定疾病的关系，需要大量严谨的临床试验，通过VOC呼气分析仪器采集病人与健康人的呼气图谱进行对比，找到重复且有差异的VOC分子组合作为疾病生物标志物进行疾病判断。通过对由上百种呼气VOC分子组成的图谱进行信号模式识别，可同时诊断十几种甚至更多种疾病；通过医疗大数据和深度学习技术，更能进一步提高诊断的精准性并扩大适应症。

自1970年代，诺贝尔奖得主美国化学家Linus Pauling使用气相色谱仪检测到人类呼气中200多种VOCs之后，越来越多的科研团队在研究呼气代谢组学。近几十年来，越来越多的研究开始探讨通过检测人体VOC水平进行疾病诊断的可行性，并取得了大量进展。

通过大量回顾性/前瞻性临床研究，逐步对于某些疾病与呼气VOC分子的关联获得了明确清晰的证据。呼气检测基础研究已相当充分，具备了临床应用条件。

图表1 2005-2015年呼气检测基础研究发展迅速 来源：动脉网

目前，宿主产生的VOCs是与临床疾病相关研究最多的，用于诊断研究的VOCs主要包含：

图表2 呼气VOCs化合物分类

Oxford Academic的《Human Breathomics Database》收录了来自至少2000篇研究文献，确定了近60种疾病和呼气中VOCs疾病信号分子的关联，这些相关性涉及数十万临床样本的支持。

图表3 近10年呼吸代谢组学临床研究迅速增加

来源：动脉网

很多人群研究发现呼气VOCs种类和水平的变化与多种疾病的发生存在关联。如：

（1）肺癌：苯、丙醇、苯乙烯、戊烷等在多项研究中均被识别为肺癌的可能标志物 。1999年Michael Phillips首次提出并确定了22种与肺癌相关VOCs：研究样本108例，包括60位肺癌和48位非肺癌呼吸道疾病患者；肺癌相关VOCs的筛选工作发展迅速，尤其在筛选新的肺癌气体标志物和寻找与肺癌相关VOCs的特异组合上。有研究表明，呼出气数种VOCs诊断肺癌的敏感性和特异性较高，分别可达80%和100%。

（2）呼吸系统慢性病：庚酮、戊酮等醛酮类VOCs以及乙烷、戊烷等烷烃被证明与多种呼吸系统慢性疾病，如慢肺阻、肺部纤维化、哮喘等存在显著的关联 。

（3）肝癌：Qin 等又应用 SPME-GC-MS 检测肝癌患者呼气，发现 3- 羟基 -2- 丁酮、苯乙烯、癸烷可以作为肝癌潜在的标志物，其中 3- 羟基-2- 丁酮被认为最有诊断价值；这些标志物诊断肝癌的敏感性和特异性可达到 86.7% 和 91.7%。

（4）乳腺癌：Phillips 等将 GC-MS 技术用于乳腺癌的诊断，敏感性和特异性分别为 93.8% 和 84.6%。

其他研究还包括结直肠癌、胃癌、前列腺癌、恶性间皮瘤、食道癌等，以及感染性疾病，慢性疾病如帕金森、阿尔兹海默症、糖尿病、慢性肾病、肝硬化等，这些疾病患者呼出气中同样被发现可能存在呼出气VOCs的准确水平。

这些研究成果让人我们看到了呼气VOCs检测分析在全身多种癌症诊断方面的巨大潜力和广阔前景。人体呼气VOCs检测作为一种非侵入性、无损的检测手段，近些年在疾病检测领域已成为世界范围内的研究热点。

三、呼气检测诊断概述

3.1 呼气检测应用概述

呼气检测应用的主要领域有生物医学、临床医学、环境暴露学、分子流行病学、药物研制、法政刑侦等。现有呼气检测诊断的应用主要集中在临床医学领域，以机体代谢和脏器功能评估为主，辅以具体疾病诊断，并有逐步增多的趋势。

图表4   呼气检测流程示意图

呼气检测在非医学领域应用不多，但不乏成功范例。如手提式乙醇呼气测定仪成为交警检控酒后驾驶的强力取证工具；呼气CO浓度大于10ppm则是需禁烟人士24h内有过吸烟的确凿证据。

根据方法学不同，呼气检测诊断可分为测定呼气成分的呼气诊断和测定呼气流速、流量等理化性质的两大类。测定呼气成分的呼气诊断又细分为直接检测呼气成分和检测呼气中标记物含量两种。

根据呼气检测成分的不同，测定呼气成分的呼气诊断又可分为检测VOCs以及检测无机物分子。目前，已有用于临床的多种呼气检测方法多为后者。

除了大众较熟悉的金标准——标记呼气诊断如核素示踪剂^13/14CO₂呼气诊断用于诊断幽门螺杆菌感染外，临床中已有的呼气检测项目还包括CO检测新生儿黄疸、NO检测哮喘、H₂¹⁸O呼气诊断（用于总体水量测量）等多种呼气检测。

图表5   临床常用或研究较多的呼气诊断

来源：张厚德编. 呼气试验[M]. 科学出版社，2007

3.2 VOCs痕量气体呼气检测

VOC的检测属于直接检测呼气成分的含量变化，以反映机体的生理和病理改变。VOC痕量气体总容积虽不足0.1%，但种类却极为繁杂。单一成分测量诊断和多组分指纹分析是现代呼气试验两大重要内容，具体分析方式主要有直接采样测试和浓缩采样测试两种。

直接采样测试：当呼气中被检物浓度较高或使用的测定方法灵敏度较高时，可通过采用直接采样方式检测。因被检气体性质各异，具体测定方法也各不相同，但不外乎电学分析、光学分析、色谱分析、质谱分析或几种方法联合分析。

浓缩采样测试：当呼气中被检物浓度较低或所采用的测试方法灵敏度尚未能满足直接采样测试时，需通过浓缩采样检测，计有溶液浓缩、固相采样和低温冷凝三大类。目前，需要浓缩采样测试的痕迹气体主要是化学性质不活泼而分子结构又复杂的VOCs和各种放射性气体，以活性炭固体吸附浓缩采样后分离测试最常用。

四、呼气VOCs的检测方法

内源性VOCs可提供个人生理状态的快照，微生物VOCs可以帮助识别病原体。但单例气样检出的VOCs便超过2000种，宿主和共生微生物的复杂多样性以及相互作用，为人体这个"超级生物 "的代谢组研究带来巨大的挑战。

此外，呼气VOCs常以微量浓度痕量水平存在，通常是每百万分之一体积（ppm，即mg/L(毫克/升)，10^-6）或甚至十亿分之一（ppb，10^-9）的水平，检测的可靠性和稳定性也是极大的挑战，一般需要应用特殊的样本前处理技术及灵敏度极高的仪器进行检测。

呼吸VOCs检测技术因被检气体性质各异，具体测定方法各不相同。目前，用于疾病判别或诊断的呼气VOCs检测方法主要有两类:分析仪器法和传感器法。

图表6 部分VOCs检测技术及性能对比

2.1分析仪器检测法

分析仪器法的优势在于可以同时分析多种。但是，由于各类分析仪器的操作难度高，且专业性较强，难以保证在不同研究中使用相同的仪器和统一的操作流程。疾病特异性的VOCs相同仪器筛选的同一类疾病相关的呼气VOCs在种类和水平上存在较大差异。另外，由于大型仪器进行VOCs分析的人力和经济成本较高，短时间内很难得到大样本量的具有人群代表性的疾病特异性VOCs信息，阻碍了VOCs发展成为疾病标志物。

以气相色谱和质谱技术为例，现有的大型气相色谱仪器并不是针对临床呼气分析设计的，所以，中央实验室的气相色谱仪器在呼气收集和进样系统上存在不足。另外，呼气VOC检测的质谱技术对于分析条件要求十分苛刻：质谱分析都需要在超真空环境中实现分子的离子化，而性能优的真空泵体积庞大，限制了质谱仪器的小型化；有的质谱仪器小型化后，真空度达不到要求，很多离子和其他气体分子碰撞后会湮灭，造成信息丢失。因此分辨率、灵敏度达不到呼气分析的要求。

仪器分析一般使用不同类型电学分析、光学分析、色谱分析、质谱分析或几种方法联合分析设备，主要技术包括：核磁共振波谱仪(NMR)、液相色谱质谱联用(LC-MS)、气相色谱质谱联用（GC-MS）、拉曼光谱仪（RS）、质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOFMS）、离子迁移谱系统（IMS）。各种技术各有优劣势，如下表所示。

（1）核磁共振波谱仪(NMR)

NMR的主要缺点是其化学位移有限,导出的图谱可能出现数百种化合物的峰,这些峰相互重叠干扰,导致图谱解析困难,因此NMR相对于LC-MS敏感性相对较低。

图表6 Bruker Ascend NMR

（2）液相色谱质谱联用(LC-MS)

基于LC-MS气相色谱质谱联用系统的技术具有较高敏感性和特异性,能对代谢物进行定量分析,鉴别代谢物的化学分子结构。但LC-MS也有局限性,并不是对所有的化合物都敏感。LC-MS技术没有商业化的图谱库可以对比查询,需要研究者建立图库或分析图谱。

图表7 Waters超高效LC-MS液相串联三重四级杆质谱联用仪

（3）气相色谱质谱联用（GC-MS）

GC-MS气相色谱质谱联用系统等高敏感性和高分辨率的分析技术被应用于不同肿瘤的代谢组学研究。VOC通过GC时会有各自的保留时间，通过MS时会形成特征性的碎片离子，两者数据结合再与数据库中已知物质进行比对，就可以确定VOC的种类。GC–MS系统可离线收集、分离和鉴定多数呼气VOC，如脂族化合物、醇、醛、酮、胺及卤代化合物，能测量ppb水平的VOC。但GC-MS耗时、昂贵、操作困难、分析周期长等不足之处影响其广泛临床应用的。

图表8 Thermo GC-MS气相色谱质谱联用系统

（4）拉曼光谱仪（RS）

拉曼光谱技术是研究分子振动的光谱学方法，可实现分子化学物质的指纹识别，实现生物分子无损检测。已有大量研究表明拉曼光谱检测技术可实现对卵巢癌、结直肠癌、宫颈癌、前列腺癌等癌症的诊断。拉曼光谱可探测到与癌变相关的微小分子层次变化，如核质比增加、染色质无序、高代谢活性、脂质和蛋白质分子水平变化等，通过对比研究癌组织拉曼谱，可发现其能反映病变信息的特征光谱。不过，物质自发拉曼光谱信号极弱，极易受荧光干扰，灵敏度低，应用范围受到限制。随着拉曼光谱检测技术稳定性及重现性的提高，底物预处理影响结果、检测品类单一等问题有望得到解决。

图表9 Renishaw显微共聚焦激光拉曼光谱仪

（5）质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOFMS）

PTR-TOFMS是通过将质子转移离子源和飞行时间质谱结合，采用“软”电离方法——质子传递反应，利用被测物质子亲和能高于水而低于高聚水的性质使物质电离，使多种VOC 能与 H3O+ 进行反应，产生分子离子，之后通过获得分子量信息，对混合物成分定性定量。它具有无需预处理过程、测量时不形成碎片离子、检测速度快、灵敏度高等优点，且是绝对量测定不需要标定。但 PTR-MS 无法明确VOC种类，制约了在VOC检测中的应用。

图表10 雪迪龙PTR-TOFMS质子转移反应飞行时间质谱

（6）离子迁移谱系统（IMS）

图表11 德国G.A.S的BreathSpec IMS离子迁移谱系统

IMS以离子迁移时间的差别来进行离子的分离定性，借助类似于色谱保留时间的概念，早期也被称气相电泳和等离子体色谱。IMS在环境气压条件下进行工作，在较低的ppb范围内具有较高的灵敏度和高分辨率。适于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如毒品、爆炸物、化学战剂和大气污染物等。

2.2 气体传感器检测法

与大型仪器相比，气体传感器体积小、成本低、操作简单，适于验证疾病特异的呼气VOCs在大规模人群中的浓度水平，从而确定影响呼气VOCs水平的因素，加速后续的商品化应用。因此，气体传感器在大规模人群呼气VOCs的检测中有良好的应用前景。

气体传感器是目标气体与传感器材料发生吸附或氧化还原等反应，引起传感器材料某些性质发生变化，通过监测响应信号的变化对样本中目标气体进行定性定量分析的小型化装置。

近年，随着微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）技术的创新和半导体材料的探索，结合半导体材料的微观电学特性及其对内部电子的精确控制，一些新兴的信号放大策略和噪声抑制方案被提出，气体生物标志物传感器的研发取得了长足进步。

通过与MEMS技术相结合，传统气体传感器逐步实现微型化和集成化，并通过微纳流体技术、纳米线、超材料单元等微结构实现了快速、高精度的痕量检测以及背景噪声抑制，在检测灵敏度、检测下限及动态检测范围等关键检测性能上取得了重大突破。

根据传感器的原理和材料，气体传感器有半导体型、电化学型、质量型、光学型、气相色谱型、接触燃烧型等，这些主要面对基于质谱技术、电化学原理、酶联技术、等离子共振原理、MEMS技术等诸多种类技术。

常用几种气体传感器的性能特征如下图表所示。其中，金属氧化物半导体传感器尺寸小、操作方便，稳定性好，成本低，应用较为广泛，但需要高温操作，大多需要通过材料掺杂以改进传感器性能;非金属氧化物纳米材料半导体传感器，如硅纳米线及碳基纳米材料自身吸附性很差，需要通过功能化修饰获得对特定VOCs的吸附能力;质量型传感器采样器灵敏度高、检测限低，可常温操作，但成本较高、易受环境干扰;比色传感器操作难度低、成本低，但响应时间长，需要配合光谱或成像设备。

图表12   呼气VOCs传感器的特性比较

（1）纳米材料传感器

纳米材料可用于增强传感器性能，使传感器便携式小型化。传感器中用到的纳米材料主要为金属、金属氧化物、碳基、复合物和MOFs基纳米材料等几类，不同类纳米材料在VOCs检测中各有优劣势。

MOFs基纳米材料传感器

金属有机框架( metal-organic frameworks，MOFs) 是由金属离子和有机配体通过自组装形成的具有周期性网状结构的多孔无机-有机杂化材料，是一种结晶性多孔纳米酶材料，具有孔径可调、比表面积大、孔隙率高等特点。MOFs纳米薄片由于其特殊的结构很容易被修改，以及组成多样、孔隙大小可调节、 活性位点丰富、可生化性好、热稳定性好等优良特性，可以提高传感器检测的灵敏度和选择性。与活性炭、沸石、碳纳米管、硅等传统多孔化合物纳米材料相比，MOFs具有明显的优势。基于MOFs的传感器正成为潜在的癌症早期诊断生物传感平台。

基于 MOFs 纳米酶的传感应用主要包括电化学传感、 荧光传感、 电化学发光传感、 比色传感等，这类传感器结合了MOF纳米材料和传感检测技术的优点， 具有可检测线性范围大，检出限低、纳米酶催化效率高等特点。

荧光检测主要是通过目标分析物介导的荧光猝灭或荧光增强来实现的，对痕量目标分析具有很高的灵敏度和选择性。因为MOFs纳米酶的高催化性能可以用于荧光信号的产生和放大，基于MOFs纳米酶的荧光检测引起了人们的广泛关注。MOFs 因其发光位置单一、生物相容性好等优良的荧光性已被开发为有前途的发光材料用于传感各种目标，由于其多孔性灵活、表面效应多样、结构多样性以及可生物降解性等突出优势，成为越来越受欢迎的荧光纳米探针。

金属氧化物半导体传感器

金属氧化物半导体传感器是目前研究及商业化应用最广泛的一类传感器。以金属氧化物作为材料的气体传感器，可以通过与 VOCs 发生氧化还原反应引起的电子转移和电导率的变化指示VOCs的浓度变化，目前用于疾病识别的金属氧化物传感器主要包括氧化锌、氧化钨、氧化铁等。

金属氧化物传感器用于呼出气 VOCs 分析的优势在于制作和操作简单，响应快且稳定， 便于整体转移，性价比高。传感器的主要劣势在于在呼气带来的高湿度环境下物种分辨率较低，检测限较高（>10ppm）,另外高温操作条件导致金属氧化物传感器功耗极大，损耗严重，难以便携化。

非金属氧化物半导体传感器

除金属氧化物外，非金属纳米材料也可作为气体传感器的半导体材料，如有机聚合物、硅纳米线、碳纳米管和石墨烯等。有机聚合物(聚吡咯、聚苯胺等)气体传感器制备方法多样，可在室温操作，具有高选择性，但对湿度较为敏感 。硅纳米线、碳纳米管等非金属纳米材料在尺寸、比表面积，可使用微纳技术进行集成化制备等方面具有天然优势，在呼气 VOCs 传感器，尤其是传感器阵列的商业化应用中具有较高潜力，但制备过程中需要筛选出对目标气体分子具有高特异性和灵敏度的掺杂材料或功能化修饰方法，增加了标准化批量制备的难度和成本。

质量型气体传感器

质量型气体传感器通过目标物质与在电场中振动的压电材料作用引起声波信号的频率、波速等参数发生变化，分析目标VOCs浓度水平。声波参数的变化主要由压电材料质量改变引起，因此称为质量型传感器。与其他传感器相比，质量型传感器响应快，灵敏度高，理论检测限可到ng级别，但制备难度及成本较高，容易受到环境干扰。此外，压电晶体本身对气体没有选择性，需要涂覆敏感涂层。

石英晶体微天平是一种体声波传感器，声波在晶体内传播。其响应时间短，灵敏度高，可室温操作，与表面声波传感器相比，石英晶体传感器电路简单，稳定性好，但成本较高。除半导体型传感器外，基于涂覆敏感性涂层的石英微天平传感器制成的电子鼻已投入使用。一般来说，这些产品主要用于进行模式识别和疾病判断，不能对混合气体中的单一成分定量检测。

表面声波是指声波在晶体表面传播，声波能量聚集在晶体表面，频率波动更

大，因此，表面声波传感器具有更高的灵敏度和检测范围，但电路也更为复杂，且频率抗干扰性低于石英晶体微天平。

比色传感器

比色传感器是利用传感器材料 的光学性质改变作为输出信号，使用光谱或成像技 术进行检测的光学传感器。其优势在于可视，易制备，可室温操作，但其响应时间较长，且信号处理较复杂。比色传感器大多依赖于显色剂与目标物质

的显色反应。

（2）传感器阵列和电子鼻

优良的传感器可以分为两类:一类是对单一VOCs物种特异性极强的传感器，另一类是半选择性传感器 。半选择性传感器的优势是可以模拟人类的嗅觉系统，配合模式识别和分类算法进行灵活的组合，形成“传感器阵列”，同时对疾病相关的多种VOCs响应，这种特性适应于疾病诊断的真实应用场景。

传感器阵列通过特征图谱进行疾病判断，但制备及操作方法相对复杂，一般来说，无法准确检测某一种VOCs的浓度水平。

目前，开发比较成熟的疾病诊断产品被称作“电子鼻” 。

电子鼻是一种利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，通过传感器阵列与不同气味分子（包括 VOC）发生作用，产生不同的响应谱来对气体进行分析。电子鼻具有高敏感、便携及易操作等诸多优点。然而，高湿度及某单一物质极高浓度均会影响到电子鼻的敏感性，无法提供绝对校准，一些传感器原件相对低寿命，无法提供计量资料，这些都影响到电子鼻在实际临床工作中的应用。

传感器阵列本身不是一种单一气体传感器，而是一种传感器的应用方式。疾病和健康人群间具有多种差异 VOCs，传感器阵列和电子鼻技术弥补了传统单一传感器无法响应多种 VOCs 的缺点，也不针对具体某种VOCs 的浓度水平，而是通过多个传感器对同一样本的输出信号，形成这一样本 VOCs 的特征图谱，结合主成分分析、人工神经网络等算法，对样本呼出气 VOCs 进行模式识别和疾病判断。

2.3浓缩采样检测样本前处理技术

当呼气VOCs浓度较低或仪器检测灵敏度不能满足直接采样测试时，需通过特殊的样本前处理技术进行浓缩采样检测，以提高分析精度，同时也一定程度降低分离纯化过程中会带来的巨大损耗。一般有溶液预浓缩、固相采样和低温冷凝三大类。常见的气体样本浓缩方法有热脱附(TD)管和固相微萃取(SPME)。

（1）热脱附管

热脱附管用吸附剂把气体吸附富集，再通过加热的方式解吸附释放到检测仪器中。常用的吸附剂包括Tenax TA & GR、Carbograph 5TD、碳分子筛(Carboxen)等。为了防止分析物的过度吸附损失导致失去一些痕量的潜在VOCs标志物，对挑选吸附材料也极为讲究。但无论是在挥发性还是在极性方面，填充界面的分析物与吸附剂之间的相互作用会一定程度的影响重现性，影响化合物的回收率，甚至可能影响储存期间的稳定性。

图表13 热脱附管

（2）固相微萃取

固相微萃取是一种非常简单有效的无溶剂样品制备方法，可以把常规液-液萃取的所有步骤包括萃取、浓缩和转移检测都集成到一个设备中，简化了样品制备过程。它将涂覆的熔融石英纤维暴露于样品的顶部空间，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚丙烯酸酯 (PA)涂层材料作为吸附，样品中的分析物被直接富集到纤维涂层中，最终与气相色谱法联用进行VOCs的检测。（完）

图表14 固相微萃取装置

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