《Talanta》：Sampling and Emerging Spectroscopic Techniques for Exhaled Breath Analysis: Analytical Advances and Future Directions
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本综述系统阐述了呼出气溶胶（EBA）采样技术（如撞击器、旋风、静电采样器）与新兴分析技术（特别是傅里叶变换红外（FTIR）光谱及其联用技术）的最新进展，强调了其在呼吸道感染和慢性阻塞性肺疾病（COPD）等疾病的生物标志物检测、个性化医疗及空气质量控制方面的巨大潜力，为未来开发无创、快速、精准的呼气诊断方法指明了方向。
引言：探索呼出的“密码”
呼出气并非简单的二氧化碳和水蒸气的混合物，它是一个复杂的、富含信息的“宝库”。它包含了颗粒相的气溶胶（EBAs）、冷凝的蒸气液滴（EBCs）以及气相挥发性有机化合物（VOCs）。这些不同相态的组分，从纳米级的分子到微米级的颗粒，共同构成了一个分析资源丰富的基质，可用于检测呼吸道病原体和气道生物标志物，为理解呼吸道生理和空气传播疾病提供了独特且互补的窗口。有效的监测和分析EBAs，对于加强感染控制和实现个体化治疗至关重要。
呼出气采样技术：捕捉呼吸中的“蛛丝马迹”
对EBAs进行精准分析的第一步，是高效且可靠地采集样品。现有的采样方法多种多样，主要分为主动式和被动式两大类。
主动采样器，如撞击器、旋风采样器、过滤器和静电沉降器等，通常需要外部动力，具有准确、定量、省时等特点，但成本较高。例如，安德森多级撞击器可用于研究咳嗽产生的含病原体气溶胶的粒径分布；而Breath Electrostatic Sampler（BESS）则利用静电场捕获呼气中的颗粒物。针对COVID-19大流行，还开发了诸如THOR（TB Hotspot DetectOR）这样的便携式静电生物气溶胶采样器，用于捕获结核分枝杆菌等。
被动采样方法，如重力沉降法、基于口罩的采样器等，通常无需外部动力，成本较低，更适合于浓度较高、时间充足且对灵敏度要求不极端苛刻的场景。例如，个人空气过敏原采样器（PAAS）可通过重力沉降收集花粉等大颗粒过敏原；而将特制的凝胶膜或聚偏氟乙烯（PTFE）冷却陷阱集成到普通口罩上，改造为可收集EBCs或EBAs的装置，是一种非常具有应用前景的个性化采样策略。这些方法使得患者只需佩戴一段时间口罩，即可将样本寄回实验室进行分析，极大提升了采样的便捷性。
选择何种采样方法，取决于微生物多样性、研究目标、所需分辨率以及可用资源等多种因素。然而，当采样介质本身对后续分析步骤（如光谱清晰度、化学惰性、回收效率）有特定要求时，选择则会更多地由介质与分析技术的兼容性决定。目前，尚无一种方法是普遍最优的，每种方法都有其独特的优势和局限性。
FTIR光谱学与相关分析技术：解读分子的“指纹”
在获得EBAs样本后，如何解读其中蕴含的丰富信息成为关键。傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术作为一种新兴的无标记分析工具，正展现出巨大潜力。
FTIR的原理与优势
FTIR光谱技术的原理是基于分子中化学键的振动。具有电偶极矩的分子键在吸收特定波长的红外光后会发生振动能级跃迁，从而产生独特的红外吸收光谱，如同分子的“指纹”。其中，1500–1700 cm-1区域的酰胺I带和酰胺II带对于分析蛋白质结构尤为重要，而600–1450 cm-1的“指纹区”则能提供丰富的分子结构信息。
衰减全反射（ATR）采样模式的出现，极大地简化了FTIR的样品制备过程。只需将样品（如干燥后的EBA沉积物）与高折射率的晶体（如钻石）紧密接触，即可快速获得高质量的光谱。ATR-FTIR具有信号噪声比（SNR）高、空间分辨率好、操作简便等优点，使其非常适合于分析生物样品。
FTIR技术本身具有快速、无需标记、样品需求量少、无需复杂前处理等优势，使其有望成为一种经济、便携的诊断工具，用于分析EBAs的化学成分谱图。
与其他技术的比较与联用
除了FTIR，呼出气分析领域还存在多种在线和离线分析技术。离线技术如培养法、显微镜观察、聚合酶链式反应（PCR）和质谱（MS）等，通常需要将样本送回实验室，灵敏度高、特异性强，但耗时长、流程复杂，且难以实现实时检测。例如，PCR虽是检测病原体核酸的“金标准”，但无法提供化学成分信息；质谱能提供极高的分子特异性，但样品制备相对复杂。
在线技术，如电子鼻（eNose）、拉曼光谱、生物传感器等，则能够实现实时或近实时分析，便携易操作，但通常检测的化合物种类有限或依赖于特定的传感器。
每种技术各有千秋。将FTIR与这些技术，特别是与人工智能（AI）相结合，可以优势互补。例如，有研究利用FTIR结合AI算法，通过分析呼出气中挥发性有机化合物（VOC）的模式，在2分15秒内实现对无症状SARS-CoV-2感染者的快速筛查，并与PCR结果具有高度一致性。这表明，FTIR作为一种初筛诊断工具，与AI、PCR或MS等技术联用，有望在个性化医疗中引发变革。
挑战与展望：迈向未来的呼气诊断
尽管EBAs分析前景广阔，但仍面临一些挑战。当前各种采样和分析方法缺乏统一的标准和规范化，影响了研究结果的可比性和可重复性。EBAs样本通常生物量低，其中大量的水分会对FTIR光谱产生干扰，痕量分析物的检测也存在难度。
未来的发展方向包括：开发便携式或可穿戴的FTIR呼气检测系统；建立标准化的EBA采样流程；利用AI工具实现光谱的快速解读；构建从采样到分析的一体化工作流程，以减少环境变异并保持分析物的完整性。随着更多验证性研究的开展和报告标准的统一，呼出气生物标志物的发现和临床应用将加速推进。
总之，呼出气分析作为一种无创、无痛、可重复、易于采集的检测手段，在个性化医疗、疾病早期诊断、实时病情监测和空气质量评估等领域具有巨大的应用潜力。通过不断优化采样技术，并将FTIR等光谱技术与先进的AI算法及其他高灵敏度分析方法深度融合，我们有望在不远的将来，真正实现通过一次简单的呼吸，就能洞察身体的健康状况。
