癌症的呼气检测技术有望成真

研究人员们开发了一种极其灵敏、简单的光学方法，可用于检测人呼出气体中的甲醛。在目前正在进行的一些研究中，科学家发现甲醛有望作为肺癌和乳腺癌的潜在生物标记物，因此这种新技术未来可能发展成为一种成本低廉、快速的癌症筛查方法。

研究团队负责人、波兰华沙大学的Mateusz Winkowski说：“测量呼气中的生物标记物是一种非侵入性、无痛、快速的癌症筛查手段，甚至可用于非常早期的癌症筛查。而尽早发现是成功治疗癌症的关键。我们所发明的光学方法可以使呼气式测量更实用、更普惠。”

图1 研究人员开发了一种极其灵敏而又简单的检测甲醛的光学方法

此项研究发表于美国光学学会期刊Biomedical Optics Express上，Winkowski和Tadeusz Stacewicz展示了他们所发明的基于多光程光谱的光学传感方法。此种方法即使在存在可能干扰光学测量的气体的情况下，也能够在一百万个空气分子中检测出一个甲醛分子，即百万分之一的甲醛浓度。

“我们的梦想是制造出价格低廉的桌面检测设备，并将这种设备应用到各医疗咨询室的癌症筛查中。” Winkowski说。“在基本的医疗检查时，患者向仪器呼气；一分钟内医生就可以确定患者是否需要做进一步的常规医疗检查。”

灵敏度大大提高

光谱技术可以通过测量样品吸收或者发射的光线颜色，确定物质的化学组分。多光程光谱技术增强了光与物质相互作用的程度，可用于探测低浓度的气体分子。这种技术使用两端装有反射镜的实验腔，激光通过其中一面镜子上的小孔进入腔内，在腔内来回反射；光与样本相互作用距离可达腔长度的数十甚至数百倍。

当检测的浓度过低时，噪声就会影响多光程光谱技术。这是由于多束激光产生的条纹干涉降低了检测灵敏度，导致无法精确测定生物标记物浓度。为了减少这种光干涉，研究人员发明了一种叫做光学条纹猝灭的方法（optical fringe quenching）。

光学条纹猝灭即对激光所发出的一定波长范围内的光进行轻微调制，然后取此波长范围内的平均值。此项技术消除了光学干涉，使微量浓度的甲醛检测成为可能。研究人员同时还通过选择合适的光谱范围和样本压强，减少呼吸样本中其他成分的干扰。

甲醛的光学检测

研究人员使用标定的人造空气-甲醛混合物，对这种新的技术方法进行了测试。结果表明，这种方法已足够通过检测呼吸中的甲醛来确定是否存在病变。

Winkowski说:“我们所发明的光学条纹猝灭技术可以用于改进任何使用多光程光谱技术的光学系统，也可用于测量家庭日用品、工厂释放的甲醛气体，从而更好地了解甲醛对人类健康的影响。”

目前已有的研究结果表明，乙烷也可以作为癌症和其他疾病的生物标志物。接下来，研究人员计划测试他们的分析方法测量呼吸中乙烷气体的能力。

文章见：M. Winkowski, T. Stacewicz, "Optical detection of formaldehyde in air in the 3.6 μm range," Biomed. Opt. Express, volume 11, issue 12, pp. 7019-7031 (2020). DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.405384。