追光探“气”，为健康监测提供新思路 | 科技前线
中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（以下简称苏州医工所）等，聚焦丙酮这一重要的呼气标记物，研制出光谱式呼气分析仪，实现了呼出丙酮含量的高效检测。
该研究不仅为糖尿病的动态监测与管理提供了新思路，也为呼气分析领域探索新方法、开发新技术、研制新仪器、催生新应用等提供了可行的解决方案。
▲I型糖尿病患者注射胰岛素后2小时呼出丙酮浓度变化01
困境：“气”多而诊断少
人体呼出的气体是健康和环境状况的重要“窗口”，通过分析呼气实现重大疾病的早期预警由来已久。
目前，人类已确定的2000多种挥发性有机物（Volatile Organic Com-pounds，VOCs）与疾病及代谢异常相关。这些有机物被称为呼气标记物，但科学界仍缺乏大量的呼气标记物与疾病及健康状态相关性研究，这是呼气分析进入临床应用的重大挑战。
创新检测技术，开发新的检测仪器，实现呼气标记物数据高灵敏、高精准、快速在线的高效获取，是应对这一重大挑战的有效方法。
▲人呼出气体组分示意图02
追“光”：交叉创新高效检测
作为高灵敏激光光谱技术，光腔衰荡光谱技术（Cavity Ringdown Spectroscopy, CRDS）在环境、能源、半导体等领域的应用，已展现出其在气体高效检测中的优势。
但这种基于物质特征吸收光波长和强度的高灵敏光谱检测技术，要实现在呼气标记物检测中的应用，面临着两大挑战：一方面，需要消除水蒸气对光散射造成的检测精度影响；另一方面，要解决不同物质近似特征波长与强度叠加带来的误差。
研究团队以代谢密切相关的呼气标记物——丙酮为研究对象，通过精准调控柔性多孔碳膜材料的孔径分布与表面官能团，实现对呼气中99.8%水分的快速选择性吸附，并结合自主设计的嵌式轻量压控腔，保证衰荡信号的稳定输出，同时有效降低了系统的重量，让本在蒙蒙雾气中的那道“光”更加清晰。
▲多孔碳材料与新型轻量化压控谐振腔CRDS呼出丙酮检测系统的性能，可媲美质谱技术、检测速度优于质谱。在酮症诊断的试验中，通过对生酮饮食受试者超30天的连续监测和研究，发现CRDS呼出丙酮分析仪的检测结果与尿酮试纸检测方法具有一致性，同时具有抗干扰、实时在线和定量检测等优势。
▲CRDS呼出丙酮分析仪的性能数据03
前景：赋能多元健康管理
目前，仪器已通过Ⅱ类创新医疗器械审批，在国内多家医院的支持下，完成了2000余例呼气样本的检测。
仪器实现了I型糖尿病患者状态监测。在I型糖尿病患者注射胰岛素后，通过连续监测其呼出的丙酮含量，可判断患者在注射后是否有低血糖或是胰岛素给量不足，以便及时给出解决方案。
▲CRDS呼出丙酮分析仪仪器在运动健康管理、酮症酸中毒、肥胖监测、感染性疾病的治疗等方面，也将有广阔的应用前景。
▲运动健康管理应用未来，随着高效检测技术的不断发展与完善，会实现越来越多的呼气标记物建立与疾病和健康状态定量相关检测，为重症监测、肿瘤疗效评估、癫痫治疗评估等临床应用提供全新的解决方案。
同时，结合人工智能，或许能为重大疾病的早期预警带来革命性突破，让两千多年前的“呼气感知健康”变成现实。
责任编辑：宋同舟