本文首发于公众号「呼气试验」，此处为归档版本。

导读

本文系统介绍了Owlstone Medical公司开发的呼吸分析（VOCs）完整工作流程，涵盖从标准化呼吸样本采集到挥发性有机化合物（VOC）生物标志物鉴定与靶向分析的全链条技术方案。

核心内容包括：

1）标准化样本采集：重点介绍ReCIVA呼吸采样器——该设备采用呼吸活检盒替代传统Tedlar袋，可在约10分钟内实现连续呼吸采样与VOC预浓缩，配合压力/CO₂传感器实现特定呼吸分量（支气管末/潮气末）的精准选取，并配合CASPER便携式空气供应器最大限度降低环境VOC污染。ReCIVA已获CE认证，在全球100多个研究机构及临床基地应用。

2）生物标志物鉴定：以GC-MS作为VOC非靶向分析的金标准，结合Orbitrap（Q Exactive GC混合型四极杆-轨道仪）技术实现高分辨质谱检测，确保低浓度VOC的定性定量可靠性。同时指出电子鼻（eNose）等非选择性化学传感器阵列在重复性、稳定性及选择性方面的局限性。

3）靶向VOC分析：采用FAIMS（高场非对称波形离子迁移谱）技术集成于Lonestar VOC分析仪，基于离子化VOC在振荡电场中通过缓冲气体的迁移速度差异实现目标化合物的精准区分与定量，适用于验证性研究及便携式即时检测（POCT）场景。

该工作流程通过严格的样本/仪器/耗材质量控制、ISO认证实验室管理及标准化操作程序，确保呼吸VOC分析的高度可重复性与临床可靠性，为呼气诊断领域的生物标志物发现与转化应用提供了完整的技术平台支撑。

1.呼吸分析工作流程

Owlstone Medical已经开发了一些服务，以促进VOC生物标志物的发现和定向分析。如下图所示。

 2.标准化采集样本

可重复性是任何分析技术的关键，而呼吸采集的标准化是使呼吸诊断领域能够为一系列医疗诊断应用进行强大的呼吸生物标志物发现的关键。 

为了解决呼吸采样的挑战，Owlstone Medical汇集了100多名呼吸诊断领域的多学科专家，开发了ReCIVA呼吸采样器，作为可靠采集呼吸样本的行业标准。

ReCIVA为诸如Tedlar袋这样的容器提供了一种急需的替代方案，因为这种容器很难储存和运输，而且随着时间的推移，采样的VOCs会有损失。ReCIVA将呼吸样本收集到呼吸活检盒上，可以立即进行分析，或者储存起来以后在环境条件下运输到异地实验室进行分析。 

使用ReCIVA和呼吸活检盒进行呼吸采样，可以确保VOCs的可重复收集（如下图），而不像其他常用的收集媒介，如Tedlar袋。

使用ReCIVA在独立的VOC样品管上采集的呼吸样品中的VOCs的色谱图，用TD-GC-FAIMS（Lonestar VOC分析仪）进行分析。在一次呼吸采集（i和ii）中可以观察到高的重现性。在同一人的不同呼吸采集中，色谱图有微小的变化（iii），这是可以预期的，因为呼吸中的一些VOCs确实随时间变化。

使用ReCIVA在独立的VOC样品管（1和2）上采集的呼吸样品中的D-柠檬烯，用TD-GC-FAIMS（Lonestar VOC分析仪）进行分析，显示了单个呼吸样品中的高可重复性。在不同的呼吸样本（A和B，在同一个人身上进行）之间观察到D-柠檬烯峰面积的微小变化，这是可以预期的，因为呼吸中的一些VOCs确实随时间变化。

重要的是，ReCIVA还允许在大约10分钟的时间内对呼吸中的VOCs进行连续采样。这使得低浓度的VOCs可以从大得多的呼吸量中进行预浓缩，而不是用袋子进行实际的采集。

因此，ReCIVA有利于收集来自全身的VOC，甚至有可能检测到低水平的VOC生物标志物，如那些存在于疾病最早期的标志物。

ReCIVA中的压力和二氧化碳传感器提供了对病人呼吸的实时监测，允许选择特定的呼吸分量（例如，富含支气管与潮气末梢）。ReCIVA被设计为与CASPER便携式空气供应器一起使用，以尽量减少外部VOC的污染风险。

ReCIVA被评为2017年数字健康奖50强中的年度发明，它是第一个能够提供开箱即用的呼吸采样器，可重复地采集呼吸样本进行分析。

ReCIVA有CE认证，并在全球100多个学术研究团体、临床试验基地和临床实验室中使用。

3.挥发性有机化合物生物标志物的鉴定

Owlstone Medical技术高超的数据科学家从呼吸样本的TD-GC-MS分析产生的质谱中识别出辨别特征。 识别的特征与病人的临床和结果数据相结合，开发出生物标志物分类方法。

3.1 GC-MS是VOC分析的金标准

在现有的技术中，GC-MS提供了关于呼出气体中VOCs的定性和定量的高度具体信息，使其成为生物标志物发现所需的非目标分析的黄金标准。 卓越的长期稳定性使GC-MS能够以呼出气体中的低浓度重复测量潜在的VOC生物标志物。该技术具有足够的选择性，可以消除可能的干扰。

三种浓度的水杨酸甲酯被加载到不同的呼吸活检盒上，用TD-GC-MS进行分析。三种质控物随着时间的推移被跟踪，以评估变化情况。

其他方法，如使用非选择性化学传感器阵列来检测VOCs的电子鼻（eNose）系统的局限性更大。这些系统经常受到VOCs和传感器之间不必要的化学作用的影响，设备内重复性差，时间稳定性有限，化学选择性差。

呼吸活检平台是专门为检测低浓度VOCs而设计的。

高重现性部分是通过ReCIVA呼吸采样器控制的标准化呼吸采集参数实现的，如采集的呼吸分数和体积。该平台还包括CASPER便携式空气供应器，它将环境空气中不需要的VOC的干扰降到最低。

通过最大限度地减少外部干扰来提高敏感度。这是通过对呼吸活检包（包括呼吸活检盒和面罩）的所有部件进行严格的清洁和调节过程来实现的。

强大的分析工作流程确保样品、仪器和消耗品都经过标准程序和严格的质量控制检查。 Owlstone Medical的呼吸活检实验室通过了ISO认证，致力于分析呼吸样品。这些措施使呼吸中的VOCs分析具有高度的可重复性和可靠性。

3.2 Orbitrap:先进的生物标记物检测和定量

与赛默飞世尔科技公司合作开发的呼吸活检平台是建立在赛默飞世尔科技公司的尖端分析能力之上的。Q Exactive.GC混合型四极杆-轨道仪。Oribtrap为呼吸分析提供了出色的质量，在一次分析中对样品进行全面的表征，为化合物的发现、鉴定和定量提供了最高的信心。

自2019年底以来，独特的呼吸活检实验室发展了自己的能力，获得了几台Orbitrap设备，并为呼吸活检服务用户进行快速和详细的呼吸样本分析。

4.用于目标VOC分析的FAIMS

一旦确定了感兴趣的生物标志物，Owlstone Medical的靶向VOC分析就为验证性研究提供了一种强大的、可重复的VOC量化方法。

可以使用一些适合对预先确定的化合物进行重点分析的技术来进行有针对性的研究。Owlstone医疗公司的FAIMS技术，集成到Lonestar VOC分析仪中，是验证研究的一个强大的选择，它结合了强大的检测和高灵敏度，可以集成到便携式护理点设备中。

FAIMS根据离子化的挥发性有机化合物在振荡电场下通过缓冲气体的速度差异来区分它们。Owlstone Medical的FAIMS技术已经得到了严格的验证，并在全球范围内被用于军事和工业应用。