波蘭華沙大學(xué)（University of Warsaw）的多光程光譜學(xué)研究項(xiàng)目有望實(shí)現(xiàn)早期癌癥診斷的呼吸檢測臨床平臺(tái)。

多光程光譜法使樣本相互作用長度擴(kuò)展了幾十倍甚至幾百倍，大幅提高了甲醛的檢測能力

近年來，生物光子學(xué)研究人員一直致力于通過識(shí)別人體呼出氣體中的化學(xué)物質(zhì)來檢測常見的疾病。

就癌癥而言，理論上可以在尿液和汗液等體液中發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤細(xì)胞發(fā)展中副產(chǎn)物所產(chǎn)生的特定揮發(fā)性有機(jī)物，它們在呼吸中的存在被認(rèn)為是檢測疾病“指紋”特征的簡便途徑。

不過，直到目前，檢測上述復(fù)雜混合物中超低濃度的潛在特定化合物仍存在困難，并且還需要把這些光譜平臺(tái)開發(fā)成實(shí)際可應(yīng)用的臨床設(shè)備。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，華沙大學(xué)在最近的一項(xiàng)研究中開發(fā)了一款概念驗(yàn)證光譜平臺(tái)，可以檢測患者呼出氣體中百萬分之一或更低水平的甲醛含量，而甲醛被認(rèn)為是肺癌和乳腺癌的潛在化學(xué)標(biāo)志物。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表于Biomedical Optics Express。

該研究的主要作者華沙大學(xué)的Mateusz Winkowski表示：“通過呼氣測量生物標(biāo)志物無創(chuàng)、無痛且快速，有望用來篩查早期癌癥，早期診斷對(duì)于癌癥治療至關(guān)重要。我們開發(fā)的多光程光譜學(xué)方案可以使這類檢測更經(jīng)濟(jì)更實(shí)用。”

華沙大學(xué)這項(xiàng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是利用了多光程光譜學(xué)，通過大幅延長檢測單元中的光路來提高靈敏度。

華沙大學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示意圖

論文顯示，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)檢測分析單元，其兩端有兩個(gè)相距65厘米的凹面鏡，用于來回反射3596~3598納米激光，從而使光路延長至17.5米。

該團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)重要突破是解決信號(hào)噪聲問題，這是多光程光譜技術(shù)的一個(gè)固有難題。在多光程光譜學(xué)中，光束會(huì)通過反射鏡表面的缺陷散射或在分析單元中衍射而擴(kuò)散。據(jù)華沙大學(xué)研究小組稱，多束激光束之間的這種條紋干涉會(huì)降低靈敏度，阻礙生物標(biāo)志物的檢測。

對(duì)此，華沙大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種光學(xué)條紋猝滅技術(shù)，該技術(shù)不僅對(duì)這一特定的臨床應(yīng)用具有潛在價(jià)值，而且，甲醛作為一種工業(yè)和家庭環(huán)境的常見有害氣體，增強(qiáng)的多光程檢測還具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

有利于癌癥篩查的普及

Winkowski表示：“我們開發(fā)的光學(xué)條紋猝滅技術(shù)可以用于所有采用多光程檢測單元的光學(xué)系統(tǒng)，它還可以用于測量從家居或工業(yè)環(huán)境釋放的甲醛氣體，從而更好地了解其對(duì)人體健康的影響。”

華沙大學(xué)開發(fā)的光學(xué)條紋猝滅技術(shù)通過應(yīng)用頻率為10 kHz的正弦信號(hào)，在一定波長范圍內(nèi)調(diào)制激光器的發(fā)射，然后對(duì)樣本在這些波長下發(fā)射的光進(jìn)行平均。為了減少呼吸樣本中其它化學(xué)物質(zhì)的干擾，還調(diào)整了樣本壓力。

研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)模型氣體混合物的試驗(yàn)中證明，其調(diào)制技術(shù)結(jié)合0.01標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的樣本壓力展示了最優(yōu)的甲醛檢測性能，對(duì)水蒸氣、二氧化碳和甲烷等其它化學(xué)物質(zhì)的干擾表現(xiàn)出最好的免疫性能。

論文顯示，這套方案最終能夠?qū)崿F(xiàn)6.6 ppb的甲醛檢測極限，這足以檢測出人體呼吸中作為生物標(biāo)志物的疾病狀態(tài)。

華沙大學(xué)未來的研究將把同樣的方案擴(kuò)展到其它化學(xué)物質(zhì)，特別是乙烷，它被認(rèn)為是另一個(gè)候選的癌癥生物標(biāo)志物。

Winkowski說：“我們的目標(biāo)是制造出一種經(jīng)濟(jì)型桌面檢測設(shè)備，可以普及到所有診室進(jìn)行癌癥篩查。在基本的醫(yī)療檢查過程中，患者可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行吹氣檢測，醫(yī)生就可以在一分鐘內(nèi)判斷患者是否需要額外的深入檢查。”

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