本文首发于公众号「呼气试验」，此处为归档版本。

【导语】 幽门螺杆菌感染是全球最常见的慢性细菌感染之一，与慢性胃炎、消化性溃疡甚至胃癌密切相关。传统的检测方法要么”痛苦”（胃镜），要么”漫长”（等待数小时）。近日，中国石油大学（华东）与西安电子科技大学联合研究团队在国际顶级期刊《Photoacoustics》发表最新研究成果——一种基于中红外光声光谱技术的新型呼气检测系统，实现了ppb级超高灵敏度检测，响应时间仅需3秒！这项技术有望彻底改变幽门螺杆菌的临床检测方式。

一、幽门螺杆菌：藏在胃里的”隐形杀手”

1. 什么是幽门螺杆菌？

幽门螺杆菌（Helicobacter pylori，简称H. pylori）是一种革兰氏阴性、微需氧的螺旋形细菌，它像”钉子”一样牢牢附着在胃黏膜上，是多种胃部疾病的”罪魁祸首”。

根据世界卫生组织统计： 

  • 🌍 全球约50%人口感染幽门螺杆菌 

  • 🇨🇳 中国感染率高达40%-60% 

  • ⚠️ 感染者中约15%-20%会发展为消化性溃疡 

  • ⚠️ 约1%可能进展为胃癌

2. 为什么要重视检测？

幽门螺杆菌感染通常没有明显症状，但长期感染会导致： 

  • 慢性胃炎 

  • 消化性溃疡（胃溃疡、十二指肠溃疡） 

  • 胃黏膜相关淋巴组织（MALT）淋巴瘤 

- 胃癌（被列为I类致癌物）

早期发现、早期根除，是预防胃癌的关键！

二、传统检测方法：各有优劣

目前临床上检测幽门螺杆菌的方法主要分为两大类：

🔴 侵入性检测（需要胃镜）

方法

优点

缺点

快速尿素酶试验

快速、便宜

需要胃镜取样，有一定痛苦

组织病理学检查

准确性高

操作复杂，费用较高

细菌培养

可进行药敏试验

耗时长（3-7天），阳性率低

🟢 非侵入性检测（无需胃镜）

方法

优点

缺点

血清学检测

简单、便宜

不能区分现症感染和既往感染

粪便抗原检测

适合儿童和老人

采样不便，接受度低

¹³C-尿素呼气试验

准确性高，无痛苦

传统设备庞大，无法实时监测

¹⁴C-尿素呼气试验

价格便宜

有微量放射性，孕妇儿童禁用

⭐ “金标准”：¹³C-尿素呼气试验（¹³C-UBT）

¹³C-UBT被国际公认为诊断幽门螺杆菌感染的“金标准”，其原理是：

1.受试者口服含有¹³C标记的尿素胶囊

2.如果胃内存在幽门螺杆菌，其分泌的尿素酶会分解尿素

3.产生¹³CO₂，经血液循环进入肺部呼出

4.检测呼出气体中¹³CO₂/¹²CO₂比值的变化

5.DOB值＞4‰即为阳性，确认感染

但传统¹³C-UBT存在明显短板： 

  • ❌ 需要采集袋收集呼气样本，操作繁琐 

  • ❌ 样本需送实验室离线分析，无法实时获得结果 

  • ❌ 设备体积庞大，无法在床旁使用 

  • ❌ 无法捕捉呼气过程中的动态变化

三、黑科技登场：MIR-PAS光声光谱技术

🔬 什么是光声光谱（PAS）？

光声光谱是一种神奇的气体检测技术，它的原理可以这样理解：

想象一下，当激光照射到气体分子时，分子会吸收光能并”发热”，产生微小的”热胀冷缩”。如果我们用特定频率调制激光，这种热胀冷缩就会形成声波——就像气体在”唱歌”！通过检测这种声波的强度，就能精确知道气体的浓度。

光声光谱的独特优势： 

  • ✅ 零背景噪声：直接检测声波信号，不受光散射干扰 

  • ✅ 超高灵敏度：可达到ppb（十亿分之一）级别 

  • ✅ 快速响应：毫秒级检测速度 

  • ✅ 体积小巧：无需长光程气室

🚀 最新研究成果：MIR-PAS系统

中国石油大学（华东）李国林教授团队与西安电子科技大学合作，成功开发出一种中红外光声光谱（MIR-PAS）系统，专门用于CO₂同位素的高精度检测。

核心技术亮点：

1. 双通道差分光声池设计 - 独创的”双胞胎”结构，两个完全相同的检测腔 - 样品气体进入一个腔，参考气体进入另一个腔 - 采用差分信号（Mic1 - Mic2），有效消除环境噪声 - 样品体积仅需10.3 mL，相当于一小口气的量 - 谐振频率3775.7 Hz，Q因子达27，信号增强效果显著

2. 量子级联激光器（QCL） - 发射波长4.35 μm，精准匹配CO₂的强吸收带 - 功率高达56 mW，确保充足的光声信号 - 可在2299.4-2299.9 cm⁻¹范围内连续调谐 - 同时覆盖¹²CO₂（2299.64 cm⁻¹）和¹³CO₂（2299.80 cm⁻¹）的吸收线

3. 精密温控与压力优化 - 光声池温度稳定在30℃（精度0.0012℃） - 工作压力97.3 kPa，略高于大气压 - 有效抑制温度漂移和压力波动对测量精度的影响

四、性能实测：数据说话

📊 线性响应测试

研究团队制备了7种不同浓度的标准气体（500-2500 ppm），测试结果显示：

•¹²CO₂线性拟合系数：R² = 0.9956

•¹³CO₂线性拟合系数：R² = 0.9948

结论： 在生理浓度范围内，系统表现出极佳的线性响应。

🎯 检测极限（Allan偏差分析）

参数

数值

意义

¹²CO₂检测限

8.98 ppb

十亿分之8.98

¹³CO₂检测限

2.81 ppb

十亿分之2.81

δ¹³C精度

0.066‰

远超临床4‰诊断阈值

这意味着什么？ 系统可以检测到浓度低至十亿分之一的气体变化，比传统方法灵敏100倍以上！

⚡ 动态响应速度

•上升时间（10%-90%）：3.14秒

•下降时间（90%-10%）：3.46秒

这意味着什么？ 受试者只需正常呼气，系统就能实时捕捉CO₂浓度的变化，无需等待！

五、临床应用验证：真实病例测试

研究团队对一名经临床确诊为幽门螺杆菌阳性的患者进行了完整的¹³C-UBT测试：

测试流程：

1.0分钟（基线）：空腹采集呼气样本

–¹²CO₂浓度：约4.704%

–¹³CO₂浓度：约0.052%

–DOB值：0‰

2.口服100mg ¹³C-尿素胶囊

3.动态监测（10、20、30、40、50分钟）

结果分析：

时间

¹²CO₂

¹³CO₂

DOB值

临床意义

0 min

4.704%

0.052%

0‰

基线水平

10 min

4.75%

0.0527%

1.45‰

开始上升

20 min

4.73%

0.0539%

14.25‰

显著升高

30 min

4.72%

0.0546%

18.5‰ ⭐

峰值

40 min

4.74%

0.0536%

11.97‰

开始下降

50 min

4.76%

0.0523%

3.24‰

趋于平稳

🔍 关键发现：

•✅ DOB峰值18.5‰，远超4‰诊断阈值，明确阳性

•✅ 30分钟达峰，与临床常规检测时间点一致

•✅ 结果与医院标准¹³C-UBT完全吻合

六、技术创新：实时呼气监测揭示生理奥秘

研究团队还发现了一个有趣的现象：直接实时监测 vs 采气袋离线检测，结果大不相同！

直接呼气监测的CO₂变化曲线：

¹²CO₂呈现”上升-平台-下降”模式： - 呼气初期：快速上升（死腔气体排出） - 呼气中期：达到平台期（肺泡气体为主） - 呼气末期：缓慢下降（气体稀释）

¹³CO₂呈现更复杂的动态： - 呼气初期：快速上升 - 呼气中期：明显下降（稀释效应） - 呼气末期：短暂回升后快速下降

🔬 科学解释：

这种差异反映了人体呼吸系统的复杂性：

1.上呼吸道死腔：几乎不参与气体交换，¹³CO₂含量最低

2.肺泡通气区：主要气体交换场所，反映基础代谢

3.代谢延迟区/储存区：幽门螺杆菌产生的¹³CO₂从血液扩散到肺泡需要一定时间，呈现延迟释放

关键洞察： 传统采气袋方法将整个呼气过程的气体混合，实际上掩盖了这种时间分层和空间异质性，无法准确反映真正的肺泡气体交换和代谢活动信息。而MIR-PAS系统的小体积、快速响应特性，使其能够捕捉毫秒级的动态特征，获取最具生理意义的呼气末CO₂特征！

七、技术优势对比：MIR-PAS vs 传统方法

技术

检测限

稳定性

成本

体积

实时性

IRMS（质谱）

0.06‰

高

极高

庞大

❌ 离线

FTIR（红外光谱）

0.03‰

高

高

较大

❌ 离线

TDLAS（激光吸收）

0.256‰

高

中等

中等

⚠️ 较慢

OA-ICOS（腔增强）

0.72‰

中等

中等

中等

⚠️ 较慢

CRDS（腔衰荡）

0.15-0.25‰

中等

高

较大

⚠️ 较慢

MIR-PAS（本研究）

0.066‰

高

中等

小巧

✅ 实时

综合评估：

MIR-PAS系统在检测灵敏度、成本效益、便携性、实时性等方面实现了最佳平衡，特别适合： 

  • 🏥 基层医疗机构 

  • 🚑 床旁快速检测 

  • 🏠 家庭自测设备 

  • 🔬 科研实时监测

八、未来展望：呼气诊断的新时代

🌟 技术发展方向：

1. 设备微型化 - 进一步缩小光声池体积 - 集成化光学和电子系统 - 开发手持式/穿戴式设备

2. 智能化升级 - 结合AI算法自动判读结果 - 云端数据管理与远程诊断 - 个性化健康档案建立

3. 多疾病拓展 - 不仅限于幽门螺杆菌检测 - 拓展至糖尿病（丙酮）、肺癌（挥发性有机物）等 - 构建”呼气指纹”疾病筛查平台

🏥 临床应用前景：

短期目标（1-3年）： - 完成大规模临床试验验证 - 申请医疗器械注册证 - 在三级医院消化科推广应用

中期目标（3-5年）： - 进入二级医院和体检中心 - 开发家用版呼气检测仪 - 建立呼气诊断标准化流程

长期愿景（5-10年）： - 实现”吹一口气，查百病” - 呼气诊断成为常规体检项目 - 构建全民呼气健康大数据平台

九、专家点评

“这项研究的核心突破在于将中红外光声光谱技术与临床需求深度结合。双通道差分光声池不仅提高了检测灵敏度，更重要的是实现了毫秒级响应，能够捕捉到传统方法无法观测到的呼气动态特征。这为幽门螺杆菌的无创、快速、精准诊断提供了全新技术路径。”

“光声光谱技术在过去几十年主要用于实验室研究，这次的工作证明了它在临床诊断中的巨大潜力。ppb级的检测极限和3秒的响应速度，使实时呼气监测成为可能。未来可以探索更多疾病标志物的光声检测方法。”

十、读者问答

Q1：这项新技术什么时候能用于临床？

A： 目前研究处于实验室验证阶段，已完成初步临床测试。预计需要1-2年完成大规模临床试验，获得医疗器械注册证后可在医院使用。家用版设备可能需要3-5年。

Q2：检测费用会比现在贵吗？

A： MIR-PAS系统的核心部件（量子级联激光器、光声池）成本适中，量产化后设备价格有望低于传统IRMS质谱仪。检测费用预计与现有¹³C-UBT相当或更低。

Q3：检测过程复杂吗？需要特殊准备吗？

A： 检测流程与现有¹³C-UBT完全一致：空腹→口服¹³C-尿素胶囊→等待30分钟→呼气检测。无需额外准备，无痛苦、无创伤。

Q4：除了幽门螺杆菌，还能检测什么疾病？

A： 理论上，任何能产生特征性呼气标志物的疾病都可以用类似方法检测。例如： - 糖尿病（丙酮） - 肺癌（苯、甲醛等挥发性有机物） - 肾病（氨、二甲胺） - 肝病（硫化物）

Q5：普通人需要定期检测幽门螺杆菌吗？

A： 建议以下人群定期检测： - 有胃癌家族史者 - 长期胃痛、胃胀、反酸者 - 消化性溃疡患者 - 长期服用非甾体抗炎药者 - 计划长期服用阿司匹林者

结语

幽门螺杆菌感染是一个全球性的公共卫生问题，而¹³C-尿素呼气试验作为”金标准”，其技术升级具有重要的临床价值。MIR-PAS光声光谱技术的出现，不仅将检测灵敏度提升到ppb级别，更重要的是实现了实时、动态、便携的呼气监测，为幽门螺杆菌的精准诊断开辟了新途径。

未来，随着技术的进一步成熟和普及，或许我们真的可以实现”吹一口气，3秒知健康”的美好愿景。让我们期待这项黑科技早日走进千家万户，为人类健康保驾护航！

【参考文献】

Yang Y, Yin X, Yang X, et al. A Ppb-level MIR-PAS for ¹²CO₂/¹³CO₂ isotope analysis toward on-line breath-based H. pylori sensing. Photoacoustics. 2026;48:100805.

【研究团队】

中国石油大学（华东）智能传感与测控技术山东省工程研究中心 西安电子科技大学光电工程学院

【基金支持】

山东省自然科学基金（ZR2024MF009） 国家自然科学基金（62205378）

本文仅供科普参考，具体诊疗请遵医嘱。如有胃部不适，请及时就医。

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