研究前沿：PNAS中红外光频梳-让呼吸变成数据

    氮气，氧气，二氧化碳，水，等等。

    实际上，人体呼气可以探测得到多达上百种不同分子，例如甲烷，乙醇，一氧化氮，丙酮，氨气等等。

    这些气体分子的共同点是其存在浓度非常低，然而其重要性在于不少分子实际上跟人体的生理情况存在着紧密的关联。

    举些例子：当交警在检测司机是否存在酒驾行为的时候，检测的其实是呼气中乙醇分子的浓度。

    人体呼气产生的甲烷分子主要产生于肠道里的微生物，当探测得到过量的甲烷浓度时可以反映出微生物的过度滋生情况。

    水和半重水分子的浓度比则可以用于确定人体中的水占比。

    一氧化氮，丙酮，氨气则分别与哮喘，糖尿病，以及肾衰竭的患病情况有关。

    呼气分析：是一种通过测量人体呼气分子的种类和浓度大小从而协助对健康情况作出分析的检测方法。

    这种检测方法类似于血液检测，是一种通过单次样本采集从而分析多方面健康信息的检测手段。

    相对比与血液检测，呼气分析避免了针管的使用，同时样本能够非常简便获得。

    然而，呼气分析的普及还有很长的路要走。

    与人体生理情况相关联的分子种类浓度范围主要在10⁻⁶或者10⁻⁹量级，这意味着呼气中每十亿（10⁹）个分子里，目标分子可能只有微量的个位数。

    因此，能否准确测到这些低浓度分子的浓度，并且能否尽可能多的测到多种不同种类的分子，是当前呼气分析领域需要克服的主要技术瓶颈。

    图1：呼气分析艺术效果图近日，来自JILA(美国科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院联合研究所)(机构介绍>>>)的叶军（人物简介>>>）院士团队与David J. Nesbitt(人物简介>>>)院士团队以“Ultrasensitive multispecies spectroscopic breath analysis for real-time health monitoring and diagnostics”为题在PNAS刊登了呼气分析领域的最新进展。

    课题组使用纯光学手段，通过借助中红外光频梳激光，实现了对人体呼气中多种分子的超灵敏探测。

    该手段测量呼气分子的灵敏度最高可达10⁻¹²量级，充分满足了呼气分析的实验需求。

    在这个工作中，中红外激光用于探测人体呼气分子，是借助了分子所具有的振动和转动的性质。

    由于不同分子具有不同的振动和转动频率，这就使得不同种分子分别具有其独一无二的宽带吸收谱，即“分子指纹”。

    于是，通过测量人体呼气中气体分子的宽带吸收谱，就可以确定分子的种类以及浓度大小。

    图2：人体呼气样本从呼吸袋导入进一个被高反镜环绕的封闭腔体里。

    实验的原理则非常简单：激光穿过气体样本被部分吸收，经傅立叶光谱仪探测得到分子吸收谱，最后确定分子种类及浓度。

    在这里，呼吸样本被一个高反镜构成的光学腔环绕着，这使得光子能够在腔内形成几千次反射后再从输出镜出来。

    通过这种方式放大光子与气体分子的相互作用距离，极弱的分子吸收信号便可以得到极大地增强。

    然而，高反射率光学腔存在一系列孤立的纵膜频率，只有处在其纵膜频率上的光子能耦合进光学腔里与气体分子产生相互作用。

    为此，课题组采用的激光光源是一种称为光学频率梳的激光。

    这种激光可以理解为上万个颜色分立的单色激光沿着相同的光路进行传播，每个“单色激光”称为一个“梳齿”。

    每个梳齿的光频率可以准确控制并且锁定到光学腔的各个纵膜频率上，进而多个频率下的梳齿就可以同时耦合进光学腔里。

    利用这种方法，课题组可以在3分钟测量时间内测量多达15000个不同光频率梳齿下的超灵敏分子吸收信号。

    每个梳齿的频率精度在50kHz左右，这充分满足分子振动和转动谱线分辨的要求 (约几百 MHz) ，从而实现对不同分子种类的准确区分。

    图3：人体呼气分子宽带吸收谱。

    呼气中携带的甲醇 (CH₃OH) ，甲烷 (CH₄) ，水 (H₂O) ，半重水 (HDO) 被探测得到。

    该工作是中红外光频梳被首次应用于呼气分析。

    在中红外光频梳与高反射率光学腔的结合下，超灵敏探测，宽带测量，超短测量时间这些优点能够全部同时满足，多种呼气分子的同时且超灵敏探测得以实现。

    该技术可用于探索由患病导致的呼气分子成分的变化，有望为诸如新冠肺炎、哮喘、肾衰竭之类疾病提供准确且快速的全新诊断手段，为进一步深入揭发内在的病理机制提供前所未有的可能性。

    文献链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2105063118原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/luen29nRYfWbqC2oADJsnA