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  呼吸是生物生存的最基本的生命活動，起著氧氣攝入與代謝氣體排出的作用。此外，呼吸中包含了很多與生物體狀態(tài)相關(guān)的信息，例如，呼吸頻率，呼吸聲音等物理信息。從化學(xué)分子層面上說，呼吸是具有豐富生物標記物的一種載體。例如，糖尿病患者的呼吸常有“壞蘋果”味，這正是呼出丙酮較高導(dǎo)致的；近年來高發(fā)的呼吸道類傳染病，如COVID-19，也可以通過呼出的氣溶膠進行傳播。然而，具有流動性的氣態(tài)呼吸的采樣與檢測非常具有挑戰(zhàn)性，從而限制了呼吸分子監(jiān)測的應(yīng)用。

  類似于冬天呼出的哈氣，呼氣冷凝物（exhaled breath condensate，EBC）是呼吸遇到冷凝界面產(chǎn)生的液體基質(zhì)，其蘊藏著豐富的化學(xué)分子信息，例如以可溶性氣體、氣溶膠或液滴形式呼出的小分子生物標志物（如丙酮、氨、白三烯等）、細胞因子和病原體（如 SARS-CoV-2、 結(jié)核桿菌特征物）。它可以揭示人體健康的各種狀況，并為各種呼吸和代謝疾�。ㄈ缦�、慢性阻塞性肺病 (COPD)、COVID-19、肺癌、肺結(jié)核、糖尿病、慢性腎病等）的早期診斷、監(jiān)測和管理提供有價值的信息。

  目前，臨床上常用的兩種采集方法包括使用冰桶產(chǎn)生的臨時低溫或利用熱電冷卻裝置。然而，前者的冷卻時間短，溫度變化大，后者則受到耗電量大、重量和尺寸的限制，從而限制了其可穿戴式應(yīng)用。檢測方面使用質(zhì)譜法或熒光測定法進行實驗室分析，以評估氣道炎癥。然而，將這些技術(shù)面臨著與人力、時間、金錢和能源成本相關(guān)的巨大挑戰(zhàn)。此外，樣品處理和儲存過程中活性物質(zhì)的降解、口腔成分的干擾以及缺乏連續(xù)動態(tài)信息等問題也嚴重阻礙了EBC檢測的實際和廣泛應(yīng)用。同時，以往的 EBC 研究過于關(guān)注有限的氣道炎癥氧化應(yīng)激分析物，而相對忽視了其他具有生理意義的生物標記物，如代謝產(chǎn)物、微生物生物標記物和腫瘤生物標記物等。為了更準確、深入和全面地了解呼氣冷凝物所蘊含的人體生理信息，在數(shù)字健康時代，解決高保真、實時、長期和原位監(jiān)測各種呼氣冷凝物生物標記物的新挑戰(zhàn)勢在必行。

  加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉（Wei Gao）教授團隊介紹了一種用于可穿戴式監(jiān)測呼氣冷凝物的智能口罩創(chuàng)新概念，重點是集成在日常口罩上的柔性微流體裝置（Exhaled Breath Condensate Analysis and Respiratory Evaluation System，EBCare）。該系統(tǒng)設(shè)計用于持續(xù)冷凝呼出的濕氣、自動捕捉和刷新呼氣冷凝液（EBC）以及實時、原位多重分析生物標記物。鑒于目前在了解和檢測EBC生理方面存在的差距，這種可穿戴的呼氣冷凝物分析技術(shù)在應(yīng)對上述挑戰(zhàn)方面具有巨大潛力，并為探索呼吸中生物標志物的動態(tài)組成和生理意義建立了一個通用的研究平臺和范例。該項目的成功實現(xiàn)對EBC中生物標志物的日常和臨床可穿戴監(jiān)測，為代謝和呼吸健康評估提供一種無創(chuàng)的個人精準醫(yī)學(xué)方法。相關(guān)成果以（A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis）為題發(fā)表在《Science》上。加州理工學(xué)院博士生衡文正為第一作者。

圖1. 智能口罩EBCare，可高效采集和連續(xù)分析呼出氣冷凝物

  該系統(tǒng)可以分為呼吸冷凝，液體傳輸，電化學(xué)檢測，穿戴實驗四個主要部分。

圖2. EBCare 器件用于呼吸冷凝的串聯(lián)冷卻設(shè)計的特性。

圖3. 用于 EBC 采樣、傳輸和刷新的 EBCare 設(shè)備的微流體設(shè)計。

圖4 用于原位多路復(fù)用 EBC 分析的無線電化學(xué)生物傳感器陣列的設(shè)計與表征

圖5. EBCare智能口罩用于健康人群和呼吸道疾病患者人群 EBC 分析的人體評估。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6471