呼出气中含有多种挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs), 能够表征人体的健康状态, 应用于疾病诊断的研究, 优点在于无创、快捷、可重复采样和适用于大规模的疾病筛查。自发现人体呼出气内有200多种 VOCs以来, 关于呼出气VOC组分与疾病状态之间关联的研究日益增多, 如在对肺癌、糖尿病、乳腺癌等的研究中, 通过对比病患与健康人呼出气VOCs成分和浓度水平差异, 可为VOCs疾病诊断模型的建立提供参考。以诊断模型为基础, 基于传感器技术的检测设备能对呼气VOCs进行无创、快速检测。已有研究表明, 利用呼出气VOCs进行临床诊断, 特异性和敏感性均在70%以上。

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自古以来，呼出气就被认为是病理生理过程的诊断线索。利用呼出的挥发性有机化合物(volatile organic compound，VOC)进行疾病诊断可以追溯到古希腊文明，在那时“医学之父”希波克拉底就提出利用呼吸分析来诊断各种疾病。

例如，一些糖尿病酮症酸中毒患者的呼出气有烂苹果气味，肝病患者会有鱼腥味，厌氧菌感染的肺脓肿患者的呼出气有类似下水道气味，而有机磷中毒的患者在呼吸时有大蒜气味。这些基本气味检测试验可被视为呼吸分析的基础。

到20世纪，我们见证了呼吸分析领域的成就，1971年诺贝尔奖得主生物化学家Linus Pauling使用气相色谱法描述了人类呼出气中250种VOC的情况，发现这些VOC来源于许多内源性生化过程，包括脂质氧化产生的醛、烷烃，以及碳水化合物和脂肪酸代谢产生的酮。

然而，直到1985年Gordon等才首次证明了呼出气VOC在肺癌早期诊断中的可行性。这种VOC与人类疾病的早期关联为在肺部疾病早期诊断中使用呼吸分析奠定了重要基础。

一VOC概述

VOC是一种具有高挥发性的气态有机分子，人体的VOC来源于多种体内代谢途径,并通过皮肤、粪便、尿液和呼吸释放。由于细胞代谢因疾病而改变，因此VOC的变化可以作为特定病理生理状况的生物标志物。在呼吸系统疾病中，呼出气因其与呼吸道的紧密接触而受到特别关注。完整的人体呼出气由数千种化合物组成，呼出气VOC分为外源性和内源性。

外源性VOC来自环境，并通过呼吸道和消化道等途径进入机体。体内产生的VOC可以是宿主生理代谢过程的产物，也可以是微生物病原体代谢过程的产物，或者是宿主对诸如感染或炎症等过程的病理反应性产物。VOC是一种低相对分子质量、高蒸汽压的碳基化合物，这种特性使得它们很容易在环境中扩散。

患者呼出气检测技术是疾病诊断的新方法，自发展以来受到研究者的广泛关注，近年来利用呼出气检测诊断非感染性疾病(如支气管哮喘、肺癌、乳腺癌、结直肠癌等)和感染性疾病[如肺结核、新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)]均取得了一定进展。对于感染性疾病,病原微生物感染机体后，经过体内代谢，可产生广泛的VOC，如烃、醇、酮类，以及含氮和含硫化合物等。

宿主或病原微生物新陈代谢的变化可能会影响呼出气组分，不同种属的微生物在人体组织微环境中生长代谢时产生的VOC种类不同，使得检测其代谢谱和特异性物质成为可能。呼出气VOC检测具备无创、取样简单、速度快等优势，有较大的应用价值。

VOC的检测技术

内置PID传感器的医用人体呼出VOC气体检测装置,包括吹气口,干燥管,PID传感器,主控制器,显示器,待检测的混合VOC气体经过吹气口进入至干燥管,干燥后的混合VOC气体通过至PID传感器进行检测VOC气体的粗含量和成分,粗含量和成分的检测数据进行传输至主控制器,主控制器传输至显示器上,显示器进行显示检测的混合VOC气体内的分子及其含量.能够准确地提高测量人呼出气体中VOC成分的含量.

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原文标题:PID传感器在医疗领域人体呼出VOC气体检测装置中的应用

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