中国激光, 2018, 45 (2): 0207015, 网络出版: 2018-02-28   

激光光谱技术在呼吸气体分析中的发展与未来 下载: 1479次

Breath Analysis Using Laser Spectroscopy Techniques: Development and Future
作者单位
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
4 美国密西西比州立大学, 美国 密西西比 MS 39762
图 & 表

图 1. CRDS技术示意图

Fig. 1. Illustration of CRDS technique

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图 2. 第一代CRDS呼吸丙酮分析仪

Fig. 2. The CRDS breath acetone analyzer I

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图 3. 第一代CRDS呼吸丙酮分析仪线性度响应

Fig. 3. Linear response of the CRDS breath acetone analyzer I

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图 4. 第一代CRDS呼吸丙酮分析仪的重复性

Fig. 4. The reproducibility of the CRDS breath acetone analyzer I

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图 5. 第二代CRDS呼吸丙酮分析仪

Fig. 5. The CRDS breath acetone analyzer II

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图 6. 三类受试者的呼吸丙酮平均浓度

Fig. 6. Mean breath acetone concentrations of three subjects

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图 7. 排除酮症外的20名I型糖尿病受试者的个体呼吸丙酮浓度和平均血糖浓度的线性关系

Fig. 7. Linear relation of the breath acetone concentrationwith the mean blood glucose level in 20 TD1 subjects with no ketoacidosis

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表 1已建立的生物标记物及其对应的生理症状[7]

Table1. Established breath biomarker and their physiological symptoms[7]

Breath biomarkerMetabolic disorder /diseaseClassification
Acetaldehyde (CH3CHO)Alcoholism, liver related diseases, lung cancerDisease
Acetone [OC(CH3)2]Lung cancer, diabetes, dietary fat losses,congestive heart failure, brain seizure
Ammonia (NH3)Renal diseases, asthma
Carbondisulphide (CS2)Schizophrenia, coronary, artery disease
Carbonyl sulfide (OCS)Liver related diseases
Hydrogen peroxide (H2O2)Asthma
Methylated (CH3OH)Nervous system disorder
Methyl nitrate (CH3NO3)Hyperglycemia intype 1 diabetes
Nitrogen monoxide (NO)Asthma
Nitrotyrosine (C9H10N2O5)Asthma, bronchiectasis, hypertension, rhinitis, lung disease
Pyridine (C5H5N)Periodontal disease
Sulfur compoundsHepatic diseases and malodor, lung cancer
Butane (C4H10)Tumor marker in lung cancerMetabolicdisorder
Carbon monoxide (CO)Oxidative stress, respiratory infection, anaemias
Carbon dioxide (CO2)(13C-isotopes)Helicobacter pylor, oxidative stress
Ethane (C2H6)Vitamin E deficiency in children,lipid peroxidation, oxidative stress
Ethanol (C2H5OH)Production of gut bacteria
Ethylene (C2H4)Lipid peroxidation, ultra violet radiation damage of skin
H/D isotopeBody water
Hydrogen (H2)Indigestion in infants, intestinal upset, colonic fermentation
Hydrogen cyanide (HCN)Pseudomon asaeruginosa in children affected with cystic fibrosis
8-isoprostaneOxidative stress
IsopreneBlood cholesterol
Methane (CH4)Intestinal problems, colonic fermentation
Oxygen (O2)Respiration
Pentane (C5H12)Peroxidation of lipids, liver diseases, schizophrenia,breast cancer, rheumatoid arthritis

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表 2主要生物标记物的光谱指纹以及采用的光谱技术和检测极限[7]

Table2. Spectral fingerprints, laser spectroscopic technique, and detection limit of major biomarkers[7]

Breath biomarkers(chemical formula)Spectral fingerprints(UV-MIR) /μmLaser spectroscopictechniqueDetection limitResearchers
Acetaldehyde (CH3CHO)5.79TDLAS8×10-8Kamat, et al
Acetone [OC(CH3)2]0.266CRDS5×10-8Wang, et al
Ammonia (NH3)9-10.7PAS1×10-4Narasimhan, et al
NH311.0TDLAS1×10-6Lachish, et al
NH310.0TDLAS3×10-9Manne, et al
NH310.3TDLAS5×10-9Moskalenko, et al
NH31.5OFC-CEAS4×10-6Thorpe, et al
Carbon dioxideand 13C-isotopes4.23PAS7×10-9Herpen, et al
(CO2 & 13CO2/12CO2)
CO21.6CRDS3×10-6Crosson, et al
CO21.59TDLAS1×10-4Weldon, et al
CO24.9TDLAS5×10-7Moskalenko, et al
CO24.9CALOS(3.778±0.004)%Halmer, et al
CO25.2ICOS-McCurdy, et al
13CO2/12CO21.6CRDSPrecision, 0.2‰Crosson, et al
13CO2/12CO21.6OFC-CEASPrecision,4.1‰Thorpe, et al
Carbon monoxide (CO)1.6OFC-CEAS9×10-7Thorpe, et al
CO4.6TDLAS5×10-7Moskalenko, et al
CO4.88TDLAS-Lee, et al
Carbonyl sulfide (OCS)4.86TDLAS1.2×10-9Wysocki, et al
OCS4.86TDLAS with QC laser3×10-8Roller, et al
OCS4.9CALOS4.38×10-10Halmer, et al
Ethane (C2H6)3.4OA-ICOS1.2×10-10Parameswaran, et al
C2H63.4TDLAS1×10-10Skeldon, et al
C2H63.3CALOS2.7×10-10Halmer, et al
C2H63.0CALOS1×10-10Dahnke, et al
C2H62.6-4.0CALOS5×10-10VonBasum, et al
C2H63.4TDLAS(0-12)×10-8Patterson, et al
C2H63.3PAS-Puiu, et al
Ethylene (C2H4)10.5PAS-Puiu, et al
C2H49.2-10.8PAS-Dumitras, et al
Methane (CH4)3.35TDLAS5×10-7Moskalenko, et al
Nitrogen monoxide (NO)5.2ICOS1×10-9Silva, et al
NO5.2TDLAS2×10-9Namjou, et al
NO5.2TDLAS3×10-9Menzle, et al
NO5.2CRDS7×10-10Kosterev, et al
NO5.2TDLAS1.5×10-9Roller, et al
NO5.2ICOS4×10-10McCurdy, et al

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姜琛昱, 孙美秀, 李迎新, 王储记. 激光光谱技术在呼吸气体分析中的发展与未来[J]. 中国激光, 2018, 45(2): 0207015. Jiang Chenyu, Sun Meixiu, Li Yingxin, Wang Chuji. Breath Analysis Using Laser Spectroscopy Techniques: Development and Future[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(2): 0207015.

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