呼出氣檢測作為一種非侵入性的分子生物標識物診斷技術，具有零輻射、易操作、高敏感性等優點，被認為是最具潛力的無創性癌癥檢測技術。2020 年國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項已布局呼出氣檢測技術在醫療領域的應用，由四川省腫瘤醫院牽頭承擔的科研項目已順利啟動。目前，作為肺癌早期診斷新策略，呼出氣檢測技術正在逐步完善，以期早日推廣至臨床應用，進一步降低肺癌患者死亡率。
引用本文： 向潤, 田博, 謝少華, 劉明心, 郭玲, 李強. 呼出氣檢測有望成為肺癌無創篩查的新方法. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2021, 28(11): 1267-1271. doi: 10.7507/1007-4848.202107087 復制
2021 年 4 月 12 日，由中華人民共和國科學技術部高技術中心主辦，四川省腫瘤醫院承辦的 2020 年國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項項目《基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究》，啟動暨實施方案論證會在成都順利召開。科技部高技術中心、四川省科技廳和項目牽頭單位四川省腫瘤醫院領導，科技部項目專家組、項目顧問專家組，項目負責人、課題負責人、項目組骨干成員及專項辦相關成員參加了會議。
會議在四川省腫瘤醫院國際學術廳會議室召開。我院吳建林副院長主持了上午會議，首先林桐榆院長代表項目牽頭單位對與會嘉賓致以誠摯歡迎，并介紹了醫院在項目相關研究領域扎實的科研基礎，并表示將全方位支持項目開展，保障項目順利實施并取得突出成果。四川省科技廳領導對項目啟動大會的召開表示熱烈祝賀，對項目的啟動籌備工作表示充分肯定，并表示省科技廳會大力支持項目的順利開展，促進項目規范、有序、健康實施。科技部高技術中心領導圍繞重點專項相關過程管理要求，介紹了專項總體情況、過程管理規范和流程、實施方案編制要求、管理經驗和項目實施中的常見問題等，重點強調了項目責任主體下放落實到法人單位的轉變、實施方案編寫的必要性與重大意義、項目的管理組織具體落實到位對項目開展的深遠意義，要求各方高度重視，做好統籌協作，高標準完成項目目標。
四川省腫瘤醫院胸外科中心主任李強教授代表項目組作了《基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究及實施方案》的工作匯報，指出本項目按需自主研發關鍵光電芯片，完成基于量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL）的呼出氣體檢測應用研究，為肺癌等疾病診斷提供先進技術方法，以高新技術推動我國醫療診斷和公共衛生事業發展的同時，推動中國紅外光電子芯片技術發展，打破西方國家在此領域對我國技術及產品封鎖，實現關鍵芯片技術自主可控。與會專家重點圍繞項目的核心技術創新點、項目實施期間可能出現的技術風險、項目組織管理方案的落實、課題與承擔單位接口等方面進行了咨詢，并提出了具體意見和寶貴的建議。最后，專家組通過咨詢討論形成評估意見，認為項目實施方案與項目任務書要求一致，項目階段目標和分工明確，技術路線和計劃安排合理，實施方案合理可行，通過項目的實施方案論證，一致同意項目啟動。
1 立項背景
2015 年中國腫瘤登記數據顯示，我國惡性腫瘤新發病例約 392.9 萬，死亡病例約 233.8 萬[1]，惡性腫瘤負擔呈現逐年上升趨勢，防控形勢日益嚴峻，而所有惡性腫瘤中，肺癌的發病率和死亡率均位居首位。2000～2011 年，中國男性和女性的肺癌發病與死亡總數均呈持續增長趨勢[2]。全球癌癥流行病學數據庫 2020 的數據顯示，全球癌癥死亡病例 996 萬例，其中肺癌死亡 180 萬例，遠超其它癌癥類型，位居癌癥死亡人數第一；中國肺癌發病數和死亡數分別占全球的 37.0% 和 39.8%，肺癌防治是全球惡性腫瘤防控面臨的重大挑戰[3]。從 2003 年的嚴重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome，SARS），到 2012 年的中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome，MERS），再到 2019 年末的新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19），21 世紀出現的這三類由冠狀病毒引起的呼吸道傳染病，所引發的突發公共衛生事件同樣給人類社會帶來了災難性后果。上述疾病對人類的身體健康造成嚴重威脅，甚至死亡，其原因主要是早期診斷困難、檢測技術落后以及無法實現大樣本實時篩查等。
呼出氣被認為是血液的頂空氣體，呼出氣診斷原理基于疾病發生和發展過程中，機體代謝狀態會發生改變，而這些代謝變化不僅表現在基因變異、蛋白表達變化上，還會引起代謝小分子的變化，一些具有揮發性的有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）通過血液循環和肺泡交換呈現在呼出氣中，因此通過檢測呼出氣中某些和疾病代謝相關的標志物含量，即可在一定程度上反映疾病發展狀態[4]。基于呼出氣癌癥的檢測已有較多文獻報道，被認為是目前最具潛力的無創性早期癌癥檢測技術[5-12]。呼出氣分析作為一種非侵入性分子生物標識物診斷技術，通過尋找一種或幾種和疾病高度相關的呼出氣生物標識物進行疾病的篩查和診斷，不會給患者帶來輻射等傷害，且樣本容易獲得，并可通過便攜式儀器實現疾病的快速實時檢測，對疾病篩查和診斷具有重大意義。
基于量子級聯激光器的可調節二極管激光器吸收光譜技術的氣體傳感器，是結合材料學、光電子學、光譜技術以及微弱信號處理、化學計量學等高新技術的氣體傳感器系統。該設備與傳統的氣體傳感器裝置（電化學法、氣相色譜法）相比具有更高的靈敏度，在某些成分上與先進的色譜質譜聯用靈敏度相當，而且不需要有效成分富集的復雜預處理，有更快的響應速度，可以實時在線測量；除了推演濃度，光譜能提供更豐富的信息，便于人體健康狀況診斷。基于量子級聯激光器激光吸收光譜的呼出氣檢測技術具備靈敏度高、快速、自動化程度高的特點，兼具便捷性和精準性，是極具潛力的疾病快速篩查與現場檢測技術；該技術不僅在肺癌篩查和早期診斷中具有重大的研究價值和廣闊應用前景，同時為新型冠狀病毒肺炎等呼吸道傳染病的快速檢測提供了全新思路。因此，本項目以“十三五”重點研發計劃“有源紅外氣體傳感材料與器件及應用”研究成果為基礎，結合四川省科技廳重點研發項目《基于人體呼出氣的一種無創性肺癌檢測新技術及相關裝置的研究》初步研究成果，開展基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究。
2 項目簡介
本項目針對“戰略性先進電子材料”重點專項 2020 年度項目申報指南方向重點專項 8“基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術應用研究”，以研制的低功耗、高單模穩定性量子級聯激光器為核心光電器件，基于可調諧二極管激光吸收光譜技術（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）研制二氧化碳同位素和肺癌標志物的痕量氣體檢測裝置，用于測量呼出氣中的碳同位素和肺癌標志物；實現對于人體胃部幽門螺旋桿菌的無損快速檢測，并完成臨床驗證；開展檢測裝置在肺癌早期診斷臨床應用驗證研究，建立 2 000 例（肺癌患者和健康人）呼出氣體的吸收光譜和標志物濃度數據庫，基于數據庫信息，采用機器學習算法建立高特異性的肺癌診斷模型，結合大樣本臨床診斷試驗、胸部 CT、病理診斷等臨床技術手段，驗證量子級聯激光器用于肺癌呼出氣體檢測的效果，為肺癌篩查和診斷提供新方法。
本項目以實用化 3～6 μm 低功耗高單模穩定性量子級聯激光器與高靈敏量子點探測材料和器件、長吸收光程量子級聯激光器-可調諧二極管激光吸收光譜技術呼出氣分析儀器裝置、混合態呼出氣中標志物濃度反演算法、幽門螺旋桿菌感染檢測和肺癌早期診斷臨床應用驗證為研究重點。通過研究級聯結構材料的能帶工程設計，量子點材料組分、尺寸、形貌與缺陷協同調控，多通道復用的長程多反氣室光路設計，基于化學計量學算法的標志物濃度反演，基于機器學習算法的診斷模型等關鍵技術難點，研制高靈敏度碳同位素和肺癌標志物檢測裝置，并開展在幽門螺旋桿菌檢測和肺癌早期診斷臨床應用驗證研究，實現在肺癌診斷和胃部幽門螺旋桿菌的無損快速檢測領域的示范應用。并利用外腔式激光器探索大類物質的寬光譜在肺癌診斷中的應用。本項目著力解決如下關鍵科學技術問題：量子級聯激光器高效電光轉換機制及探測器響應協同增強機制；可調諧二極管激光吸收光譜技術分析裝置的多光源合束輸出、長程氣室光路耦合；標志物在呼出氣體中的光譜特征變化規律與混合態中標志物濃度的反演算法；各肺癌類型和發展階段的標志物濃度與光譜變化規律及病理分析。
項目由四川省腫瘤醫院牽頭，中國科學院半導體所、中國石油大學（華東）、華中科技大學、成都智達和創信息科技有限公司、東南大學蘇州醫療器械研究院參加。參與單位涵蓋材料外延、芯片研制、模塊開發、裝置集成、呼吸氣肺癌標志物檢測、先進診斷，形成完整的產學研用鏈，有利于促進項目研發成果的轉化。項目研究團隊在量子級聯激光器研究方面具雄厚的技術積累，是國內唯一具備自主知識產權，能夠研制實用化量子級聯激光器器件的技術團隊；在半導體材料和激光器方面承擔了多項國家級和省部級重大研究任務；在氣體傳感方面曾獲國際自動化協會分析支會（ISA-AD）GTFK 獎。在肺癌診治及篩查方面，四川省腫瘤醫院是西南地區最大的癌癥專科診治、科研、教學基地，也是四川省肺癌早期篩查項目負責人單位，為該項目的實施提供了可靠的肺癌和健康人群受試者，可保證該項目高質量順利實施。
3 呼出氣檢測技術展望
癌癥發生發展與氧化應激反應增強和細胞色素 p-450 酶的誘導密切相關[13]，體內如果產生過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）則可能損傷自身細胞結構，如蛋白質和多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA），在氧化應激期間，會產生揮發性烷烴，這些烷烴會通過呼出氣排出體外[14]。這可能是肺癌患者呼出氣 VOC 產生的原因之一，典型的呼出氣樣本可能包含大約 3 000 種不同的 VOC，大多數濃度范圍從 pptv 到 ppbv（十億分之一）[15]，又被分為外源性和內源性。外源性 VOC 主要由環境污染、食物、煙草等外部來源進入體內，內源性 VOC 則主要是由身體的各種代謝途徑產生。雖然現有研究中大多數和肺癌診斷相關的 VOC 都為內源性，但呼出氣中檢測到的外源性 VOC 也受到越來越多的關注，主要因為它們與致癌物暴露有關。外源性 VOC 通常具有很高的反應活性，會對 DNA、蛋白質和 PUFA 造成過氧化損傷，損傷隨時間推移不斷累積，可能促進癌癥發生[16]。
呼出氣的 VOC 含量極低，依賴于高分辨率、高精度、高靈敏度的分析設備，目前主流的設備包括可在線實時分析的選擇離子流動管質譜（selected ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）和質子轉移反應質譜儀（proton transfer reaction mass spectrometry，PTR-MS）和非在線需預濃縮的氣相色譜質譜儀（GC-MS），其它技術也被廣泛使用，包括離子遷移率光譜法（ion mobility spectromete，IMS）、電子鼻技術代表的氣體傳感器和半導體傳感器陣列以及本項目應用的基于量子級聯激光器的檢測方法。呼出氣分析方法仍處于研發階段，目前國內外常見的氣相色譜-質譜法受制于分析原理，其分析速度慢，單個樣品分析時間數分鐘到數十分鐘。GC-MS[17]雖不能進行實時分析，但其對小分子有機化合物鑒別能力很強，兼具高靈敏度和高特異性的特點，使其成為氣體成分分析的主流手段，特別是篩選肺癌特異性 VOC 標志物，目前 GC-MS 仍是最好的辦法之一。SIFT-MS 和 PTR-MS[18]具有可在線實時分析的優點，更符合臨床實際應用，但其不能實現對未知成分的定性分析，不能用于篩選標志物的研究[19]，同時受制于其成本和體積，臨床大規模應用具有很大難度。IMS 具有設備小、結構簡單、成本低、無需真空系統等優點，但這也同時限制了其敏感性[20]。
氣體傳感器也稱為電子鼻，檢測的物質在化學傳感器陣列中轉換為特定圖譜，將這些圖譜與數據庫中的相似圖譜進行對比，相較于 GC-MS 等技術具有實時、便宜、便于攜帶操作的優點[17]。近年來電子鼻技術發展迅速，電子鼻系統原理是將氣體傳感器與模式識別相結合的智能仿生技術，使用多個特異性氣體傳感器組成的陣列作為氣體分子感受端，不同傳感器對同種氣體產生不同的響應，構成特異性的氣味圖譜，經過計算機模式識別后可以判斷氣體分子的種類和濃度。基于電子鼻的呼氣檢測技術是將人體呼氣混合物作為一個整體響應，形成個體獨特的呼氣響應圖譜，結合模式識別算法以達到區分屬于不同生理和病理條件下的呼氣樣品，因其非侵入、低成本、易于操作、可現場實時診斷而引起廣泛研究。
最近十幾年研究表明，基于電子鼻的呼氣分析在癌癥早期檢測和傳染病篩查等領域具有廣泛的應用價值，目前已發現電子鼻技術在肺癌、乳腺癌、結直腸癌等多種癌癥檢測中有著良好的靈敏度和特異度。文獻[21]報道利用金屬離子誘導氧化石墨烯組裝電子鼻診斷肺癌，得到 95.8% 的靈敏度。Chen 等[22]使用自主研發的電子鼻系統對肺癌的檢測和分期進行了研究，對肺癌的識別準確率可達 94%，肺癌分期的識別準確率達到 80% 以上。此外，呼氣分析技術在其它疾病的診斷中也發揮著越來越重要的作用，尤其在呼吸系統疾病、消化道疾病以及血液系統疾病方面進行了較多的嘗試。文獻[23]報道使用商用電子鼻 Cyranose 320 區分哮喘患者與健康患者，文獻[24]報道采用專門設計的化學傳感器系統收集和分析糖尿病患者的呼吸樣本，研究結果表明，對糖尿病樣本的分類準確率可達 68.66%。可見，電子鼻技術在呼出氣檢測的醫學應用領域同樣具備很好的應用前景。
激光光譜檢測技術是進行微量氣體分析檢測的重要技術手段，具有操作方便、速度快、可靠性好的優勢，但目前可調諧二極管激光吸收光譜技術 主要以近紅外激光器為光源，由于近紅外波段主要對應于氣體吸收的倍頻吸收峰，氣體吸收強度弱，檢測靈敏度尚難以滿足呼氣檢測應用需求[25-27]。量子級聯激光器是一種基于子帶間電子躍遷的半導體激光器，通過能帶工程設計可以實現從 3 μm 到 300 μm 的激光輸出，具有小型化、可集成、波長可調、大功率等特點。量子級聯激光器涵蓋了大部分氣體分子振動的主頻吸收峰，相較于傳統近紅外激光器對應的倍頻吸收峰，主頻吸收峰的吸收強度要強 1～2 個量級，因此基于量子級聯激光器的激光光譜檢測技術在高靈敏檢測方面具備天然的優勢，能夠充分發揮激光光譜檢測技術，兼具精度高、響應快、可靠性強等特點，有望成為呼吸氣體分析領域理想的技術方案，具有廣闊的應用前景[28]。但同時，因為呼出氣體成分復雜，與疾病相對應的標志性氣體種類繁多，亟需解決高性能特定波長量子級聯激光器器件定制和氣體檢測分析中的交叉干擾等關鍵問題，推動量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術走向實際應用。
上述僅列舉了幾種研究較廣泛的呼出氣檢測技術方法，仍有多種呼出氣檢測方式值得我們關注。相信大力發展呼出氣檢測技術，將有助于縮小與國外在醫療領域光譜傳感技術的差距，同時將大幅提升我國的國際競爭力，使我國在呼出氣檢測技術醫學應用領域的科學研究能力快速趕上甚至超過國際先進水平。
4 結語
基于人體呼出氣的檢測技術具有簡便、無創、重復取樣等優勢，可用于疾病的早期發現、病程檢測以及預后管理，在臨床應用中有著巨大的潛力。因此，本項目是在 GC-MS 和量子級聯激光器前期研究基礎上，應用量子級聯激光器技術進行基于人體呼出氣檢測的探索性研究，旨在研發用于肺癌大規模檢測、居民健康體檢的呼出氣分析新技術，從而提高肺癌的早診早治率和降低死亡率，提高我國公共衛生均等化服務水平。同時，該項目的成功實施將有利于打破西方國家在此領域對我國的技術及產品封鎖，有效增加自主高科技產品在國民經濟中的比重，提升國家話語權，為醫療、公共衛生、經濟和社會進步做出重要貢獻。
利益沖突：無。
作者貢獻：向潤負責論文設計，論文初稿撰寫；田博、謝少華負責論文設計、論文初稿審閱；劉明心、郭玲負責論文初稿審閱、對文章知識性內容作批判性審閱；李強負責論文設計指導、對文章知識性內容作批判性審閱。
2021 年 4 月 12 日，由中華人民共和國科學技術部高技術中心主辦，四川省腫瘤醫院承辦的 2020 年國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項項目《基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究》，啟動暨實施方案論證會在成都順利召開。科技部高技術中心、四川省科技廳和項目牽頭單位四川省腫瘤醫院領導，科技部項目專家組、項目顧問專家組，項目負責人、課題負責人、項目組骨干成員及專項辦相關成員參加了會議。
會議在四川省腫瘤醫院國際學術廳會議室召開。我院吳建林副院長主持了上午會議，首先林桐榆院長代表項目牽頭單位對與會嘉賓致以誠摯歡迎，并介紹了醫院在項目相關研究領域扎實的科研基礎，并表示將全方位支持項目開展，保障項目順利實施并取得突出成果。四川省科技廳領導對項目啟動大會的召開表示熱烈祝賀，對項目的啟動籌備工作表示充分肯定，并表示省科技廳會大力支持項目的順利開展，促進項目規范、有序、健康實施。科技部高技術中心領導圍繞重點專項相關過程管理要求，介紹了專項總體情況、過程管理規范和流程、實施方案編制要求、管理經驗和項目實施中的常見問題等，重點強調了項目責任主體下放落實到法人單位的轉變、實施方案編寫的必要性與重大意義、項目的管理組織具體落實到位對項目開展的深遠意義，要求各方高度重視，做好統籌協作，高標準完成項目目標。
四川省腫瘤醫院胸外科中心主任李強教授代表項目組作了《基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究及實施方案》的工作匯報，指出本項目按需自主研發關鍵光電芯片，完成基于量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL）的呼出氣體檢測應用研究，為肺癌等疾病診斷提供先進技術方法，以高新技術推動我國醫療診斷和公共衛生事業發展的同時，推動中國紅外光電子芯片技術發展，打破西方國家在此領域對我國技術及產品封鎖，實現關鍵芯片技術自主可控。與會專家重點圍繞項目的核心技術創新點、項目實施期間可能出現的技術風險、項目組織管理方案的落實、課題與承擔單位接口等方面進行了咨詢，并提出了具體意見和寶貴的建議。最后，專家組通過咨詢討論形成評估意見，認為項目實施方案與項目任務書要求一致，項目階段目標和分工明確，技術路線和計劃安排合理，實施方案合理可行，通過項目的實施方案論證，一致同意項目啟動。
1 立項背景
2015 年中國腫瘤登記數據顯示，我國惡性腫瘤新發病例約 392.9 萬，死亡病例約 233.8 萬[1]，惡性腫瘤負擔呈現逐年上升趨勢，防控形勢日益嚴峻，而所有惡性腫瘤中，肺癌的發病率和死亡率均位居首位。2000～2011 年，中國男性和女性的肺癌發病與死亡總數均呈持續增長趨勢[2]。全球癌癥流行病學數據庫 2020 的數據顯示，全球癌癥死亡病例 996 萬例，其中肺癌死亡 180 萬例，遠超其它癌癥類型，位居癌癥死亡人數第一；中國肺癌發病數和死亡數分別占全球的 37.0% 和 39.8%，肺癌防治是全球惡性腫瘤防控面臨的重大挑戰[3]。從 2003 年的嚴重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome，SARS），到 2012 年的中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome，MERS），再到 2019 年末的新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19），21 世紀出現的這三類由冠狀病毒引起的呼吸道傳染病，所引發的突發公共衛生事件同樣給人類社會帶來了災難性后果。上述疾病對人類的身體健康造成嚴重威脅，甚至死亡，其原因主要是早期診斷困難、檢測技術落后以及無法實現大樣本實時篩查等。
呼出氣被認為是血液的頂空氣體，呼出氣診斷原理基于疾病發生和發展過程中，機體代謝狀態會發生改變，而這些代謝變化不僅表現在基因變異、蛋白表達變化上，還會引起代謝小分子的變化，一些具有揮發性的有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）通過血液循環和肺泡交換呈現在呼出氣中，因此通過檢測呼出氣中某些和疾病代謝相關的標志物含量，即可在一定程度上反映疾病發展狀態[4]。基于呼出氣癌癥的檢測已有較多文獻報道，被認為是目前最具潛力的無創性早期癌癥檢測技術[5-12]。呼出氣分析作為一種非侵入性分子生物標識物診斷技術，通過尋找一種或幾種和疾病高度相關的呼出氣生物標識物進行疾病的篩查和診斷，不會給患者帶來輻射等傷害，且樣本容易獲得，并可通過便攜式儀器實現疾病的快速實時檢測，對疾病篩查和診斷具有重大意義。
基于量子級聯激光器的可調節二極管激光器吸收光譜技術的氣體傳感器，是結合材料學、光電子學、光譜技術以及微弱信號處理、化學計量學等高新技術的氣體傳感器系統。該設備與傳統的氣體傳感器裝置（電化學法、氣相色譜法）相比具有更高的靈敏度，在某些成分上與先進的色譜質譜聯用靈敏度相當，而且不需要有效成分富集的復雜預處理，有更快的響應速度，可以實時在線測量；除了推演濃度，光譜能提供更豐富的信息，便于人體健康狀況診斷。基于量子級聯激光器激光吸收光譜的呼出氣檢測技術具備靈敏度高、快速、自動化程度高的特點，兼具便捷性和精準性，是極具潛力的疾病快速篩查與現場檢測技術；該技術不僅在肺癌篩查和早期診斷中具有重大的研究價值和廣闊應用前景，同時為新型冠狀病毒肺炎等呼吸道傳染病的快速檢測提供了全新思路。因此，本項目以“十三五”重點研發計劃“有源紅外氣體傳感材料與器件及應用”研究成果為基礎，結合四川省科技廳重點研發項目《基于人體呼出氣的一種無創性肺癌檢測新技術及相關裝置的研究》初步研究成果，開展基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術在肺癌等疾病診斷中的應用研究。
2 項目簡介
本項目針對“戰略性先進電子材料”重點專項 2020 年度項目申報指南方向重點專項 8“基于量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術應用研究”，以研制的低功耗、高單模穩定性量子級聯激光器為核心光電器件，基于可調諧二極管激光吸收光譜技術（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）研制二氧化碳同位素和肺癌標志物的痕量氣體檢測裝置，用于測量呼出氣中的碳同位素和肺癌標志物；實現對于人體胃部幽門螺旋桿菌的無損快速檢測，并完成臨床驗證；開展檢測裝置在肺癌早期診斷臨床應用驗證研究，建立 2 000 例（肺癌患者和健康人）呼出氣體的吸收光譜和標志物濃度數據庫，基于數據庫信息，采用機器學習算法建立高特異性的肺癌診斷模型，結合大樣本臨床診斷試驗、胸部 CT、病理診斷等臨床技術手段，驗證量子級聯激光器用于肺癌呼出氣體檢測的效果，為肺癌篩查和診斷提供新方法。
本項目以實用化 3～6 μm 低功耗高單模穩定性量子級聯激光器與高靈敏量子點探測材料和器件、長吸收光程量子級聯激光器-可調諧二極管激光吸收光譜技術呼出氣分析儀器裝置、混合態呼出氣中標志物濃度反演算法、幽門螺旋桿菌感染檢測和肺癌早期診斷臨床應用驗證為研究重點。通過研究級聯結構材料的能帶工程設計，量子點材料組分、尺寸、形貌與缺陷協同調控，多通道復用的長程多反氣室光路設計，基于化學計量學算法的標志物濃度反演，基于機器學習算法的診斷模型等關鍵技術難點，研制高靈敏度碳同位素和肺癌標志物檢測裝置，并開展在幽門螺旋桿菌檢測和肺癌早期診斷臨床應用驗證研究，實現在肺癌診斷和胃部幽門螺旋桿菌的無損快速檢測領域的示范應用。并利用外腔式激光器探索大類物質的寬光譜在肺癌診斷中的應用。本項目著力解決如下關鍵科學技術問題：量子級聯激光器高效電光轉換機制及探測器響應協同增強機制；可調諧二極管激光吸收光譜技術分析裝置的多光源合束輸出、長程氣室光路耦合；標志物在呼出氣體中的光譜特征變化規律與混合態中標志物濃度的反演算法；各肺癌類型和發展階段的標志物濃度與光譜變化規律及病理分析。
項目由四川省腫瘤醫院牽頭，中國科學院半導體所、中國石油大學（華東）、華中科技大學、成都智達和創信息科技有限公司、東南大學蘇州醫療器械研究院參加。參與單位涵蓋材料外延、芯片研制、模塊開發、裝置集成、呼吸氣肺癌標志物檢測、先進診斷，形成完整的產學研用鏈，有利于促進項目研發成果的轉化。項目研究團隊在量子級聯激光器研究方面具雄厚的技術積累，是國內唯一具備自主知識產權，能夠研制實用化量子級聯激光器器件的技術團隊；在半導體材料和激光器方面承擔了多項國家級和省部級重大研究任務；在氣體傳感方面曾獲國際自動化協會分析支會（ISA-AD）GTFK 獎。在肺癌診治及篩查方面，四川省腫瘤醫院是西南地區最大的癌癥專科診治、科研、教學基地，也是四川省肺癌早期篩查項目負責人單位，為該項目的實施提供了可靠的肺癌和健康人群受試者，可保證該項目高質量順利實施。
3 呼出氣檢測技術展望
癌癥發生發展與氧化應激反應增強和細胞色素 p-450 酶的誘導密切相關[13]，體內如果產生過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）則可能損傷自身細胞結構，如蛋白質和多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA），在氧化應激期間，會產生揮發性烷烴，這些烷烴會通過呼出氣排出體外[14]。這可能是肺癌患者呼出氣 VOC 產生的原因之一，典型的呼出氣樣本可能包含大約 3 000 種不同的 VOC，大多數濃度范圍從 pptv 到 ppbv（十億分之一）[15]，又被分為外源性和內源性。外源性 VOC 主要由環境污染、食物、煙草等外部來源進入體內，內源性 VOC 則主要是由身體的各種代謝途徑產生。雖然現有研究中大多數和肺癌診斷相關的 VOC 都為內源性，但呼出氣中檢測到的外源性 VOC 也受到越來越多的關注，主要因為它們與致癌物暴露有關。外源性 VOC 通常具有很高的反應活性，會對 DNA、蛋白質和 PUFA 造成過氧化損傷，損傷隨時間推移不斷累積，可能促進癌癥發生[16]。
呼出氣的 VOC 含量極低，依賴于高分辨率、高精度、高靈敏度的分析設備，目前主流的設備包括可在線實時分析的選擇離子流動管質譜（selected ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）和質子轉移反應質譜儀（proton transfer reaction mass spectrometry，PTR-MS）和非在線需預濃縮的氣相色譜質譜儀（GC-MS），其它技術也被廣泛使用，包括離子遷移率光譜法（ion mobility spectromete，IMS）、電子鼻技術代表的氣體傳感器和半導體傳感器陣列以及本項目應用的基于量子級聯激光器的檢測方法。呼出氣分析方法仍處于研發階段，目前國內外常見的氣相色譜-質譜法受制于分析原理，其分析速度慢，單個樣品分析時間數分鐘到數十分鐘。GC-MS[17]雖不能進行實時分析，但其對小分子有機化合物鑒別能力很強，兼具高靈敏度和高特異性的特點，使其成為氣體成分分析的主流手段，特別是篩選肺癌特異性 VOC 標志物，目前 GC-MS 仍是最好的辦法之一。SIFT-MS 和 PTR-MS[18]具有可在線實時分析的優點，更符合臨床實際應用，但其不能實現對未知成分的定性分析，不能用于篩選標志物的研究[19]，同時受制于其成本和體積，臨床大規模應用具有很大難度。IMS 具有設備小、結構簡單、成本低、無需真空系統等優點，但這也同時限制了其敏感性[20]。
氣體傳感器也稱為電子鼻，檢測的物質在化學傳感器陣列中轉換為特定圖譜，將這些圖譜與數據庫中的相似圖譜進行對比，相較于 GC-MS 等技術具有實時、便宜、便于攜帶操作的優點[17]。近年來電子鼻技術發展迅速，電子鼻系統原理是將氣體傳感器與模式識別相結合的智能仿生技術，使用多個特異性氣體傳感器組成的陣列作為氣體分子感受端，不同傳感器對同種氣體產生不同的響應，構成特異性的氣味圖譜，經過計算機模式識別后可以判斷氣體分子的種類和濃度。基于電子鼻的呼氣檢測技術是將人體呼氣混合物作為一個整體響應，形成個體獨特的呼氣響應圖譜，結合模式識別算法以達到區分屬于不同生理和病理條件下的呼氣樣品，因其非侵入、低成本、易于操作、可現場實時診斷而引起廣泛研究。
最近十幾年研究表明，基于電子鼻的呼氣分析在癌癥早期檢測和傳染病篩查等領域具有廣泛的應用價值，目前已發現電子鼻技術在肺癌、乳腺癌、結直腸癌等多種癌癥檢測中有著良好的靈敏度和特異度。文獻[21]報道利用金屬離子誘導氧化石墨烯組裝電子鼻診斷肺癌，得到 95.8% 的靈敏度。Chen 等[22]使用自主研發的電子鼻系統對肺癌的檢測和分期進行了研究，對肺癌的識別準確率可達 94%，肺癌分期的識別準確率達到 80% 以上。此外，呼氣分析技術在其它疾病的診斷中也發揮著越來越重要的作用，尤其在呼吸系統疾病、消化道疾病以及血液系統疾病方面進行了較多的嘗試。文獻[23]報道使用商用電子鼻 Cyranose 320 區分哮喘患者與健康患者，文獻[24]報道采用專門設計的化學傳感器系統收集和分析糖尿病患者的呼吸樣本，研究結果表明，對糖尿病樣本的分類準確率可達 68.66%。可見，電子鼻技術在呼出氣檢測的醫學應用領域同樣具備很好的應用前景。
激光光譜檢測技術是進行微量氣體分析檢測的重要技術手段，具有操作方便、速度快、可靠性好的優勢，但目前可調諧二極管激光吸收光譜技術 主要以近紅外激光器為光源，由于近紅外波段主要對應于氣體吸收的倍頻吸收峰，氣體吸收強度弱，檢測靈敏度尚難以滿足呼氣檢測應用需求[25-27]。量子級聯激光器是一種基于子帶間電子躍遷的半導體激光器，通過能帶工程設計可以實現從 3 μm 到 300 μm 的激光輸出，具有小型化、可集成、波長可調、大功率等特點。量子級聯激光器涵蓋了大部分氣體分子振動的主頻吸收峰，相較于傳統近紅外激光器對應的倍頻吸收峰，主頻吸收峰的吸收強度要強 1～2 個量級，因此基于量子級聯激光器的激光光譜檢測技術在高靈敏檢測方面具備天然的優勢，能夠充分發揮激光光譜檢測技術，兼具精度高、響應快、可靠性強等特點，有望成為呼吸氣體分析領域理想的技術方案，具有廣闊的應用前景[28]。但同時，因為呼出氣體成分復雜，與疾病相對應的標志性氣體種類繁多，亟需解決高性能特定波長量子級聯激光器器件定制和氣體檢測分析中的交叉干擾等關鍵問題，推動量子級聯激光器的人體呼出氣體檢測技術走向實際應用。
上述僅列舉了幾種研究較廣泛的呼出氣檢測技術方法，仍有多種呼出氣檢測方式值得我們關注。相信大力發展呼出氣檢測技術，將有助于縮小與國外在醫療領域光譜傳感技術的差距，同時將大幅提升我國的國際競爭力，使我國在呼出氣檢測技術醫學應用領域的科學研究能力快速趕上甚至超過國際先進水平。
4 結語
基于人體呼出氣的檢測技術具有簡便、無創、重復取樣等優勢，可用于疾病的早期發現、病程檢測以及預后管理，在臨床應用中有著巨大的潛力。因此，本項目是在 GC-MS 和量子級聯激光器前期研究基礎上，應用量子級聯激光器技術進行基于人體呼出氣檢測的探索性研究，旨在研發用于肺癌大規模檢測、居民健康體檢的呼出氣分析新技術，從而提高肺癌的早診早治率和降低死亡率，提高我國公共衛生均等化服務水平。同時，該項目的成功實施將有利于打破西方國家在此領域對我國的技術及產品封鎖，有效增加自主高科技產品在國民經濟中的比重，提升國家話語權，為醫療、公共衛生、經濟和社會進步做出重要貢獻。
利益沖突：無。
作者貢獻：向潤負責論文設計，論文初稿撰寫；田博、謝少華負責論文設計、論文初稿審閱；劉明心、郭玲負責論文初稿審閱、對文章知識性內容作批判性審閱；李強負責論文設計指導、對文章知識性內容作批判性審閱。