华沙大学的研究团队开发了一种光学条纹猝灭技术

波兰华沙大学（University of Warsaw）的多光程光谱学研究项目有望实现早期癌症诊断的呼吸检测临床平台。

多光程光谱法使样本相互作用长度扩展了几十倍甚至几百倍，大幅提高了甲醛的检测能力

近年来，生物光子学研究人员一直致力于通过识别人体呼出气体中的化学物质来检测常见的疾病。

就癌症而言，理论上可以在尿液和汗液等体液中发现恶性肿瘤细胞发展中副产物所产生的特定挥发性有机物，它们在呼吸中的存在被认为是检测疾病“指纹”特征的简便途径。

不过，直到目前，检测上述复杂混合物中超低浓度的潜在特定化合物仍存在困难，并且还需要把这些光谱平台开发成实际可应用的临床设备。

据麦姆斯咨询报道，华沙大学在最近的一项研究中开发了一款概念验证光谱平台，可以检测患者呼出气体中百万分之一或更低水平的甲醛含量，而甲醛被认为是肺癌和乳腺癌的潜在化学标志物。这项研究成果已经发表于Biomedical Optics Express。

该研究的主要作者华沙大学的Mateusz Winkowski表示：“通过呼气测量生物标志物无创、无痛且快速，有望用来筛查早期癌症，早期诊断对于癌症治疗至关重要。我们开发的多光程光谱学方案可以使这类检测更经济更实用。”

华沙大学这项设计的关键是利用了多光程光谱学，通过大幅延长检测单元中的光路来提高灵敏度。
 

华沙大学实验系统的设计示意图

论文显示，其实验系统包括一个检测分析单元，其两端有两个相距65厘米的凹面镜，用于来回反射3596~3598纳米激光，从而使光路延长至17.5米。

该团队的另一个重要突破是解决信号噪声问题，这是多光程光谱技术的一个固有难题。在多光程光谱学中，光束会通过反射镜表面的缺陷散射或在分析单元中衍射而扩散。据华沙大学研究小组称，多束激光束之间的这种条纹干涉会降低灵敏度，阻碍生物标志物的检测。

对此，华沙大学的研究团队开发了一种光学条纹猝灭技术，该技术不仅对这一特定的临床应用具有潜在价值，而且，甲醛作为一种工业和家庭环境的常见有害气体，增强的多光程检测还具有更广泛的应用价值。

有利于癌症筛查的普及

Winkowski表示：“我们开发的光学条纹猝灭技术可以用于所有采用多光程检测单元的光学系统，它还可以用于测量从家居或工业环境释放的甲醛气体，从而更好地了解其对人体健康的影响。”

华沙大学开发的光学条纹猝灭技术通过应用频率为10 kHz的正弦信号，在一定波长范围内调制激光器的发射，然后对样本在这些波长下发射的光进行平均。为了减少呼吸样本中其它化学物质的干扰，还调整了样本压力。

研究团队在对模型气体混合物的试验中证明，其调制技术结合0.01标准大气压的样本压力展示了最优的甲醛检测性能，对水蒸气、二氧化碳和甲烷等其它化学物质的干扰表现出最好的免疫性能。

论文显示，这套方案最终能够实现6.6 ppb的甲醛检测极限，这足以检测出人体呼吸中作为生物标志物的疾病状态。

华沙大学未来的研究将把同样的方案扩展到其它化学物质，特别是乙烷，它被认为是另一个候选的癌症生物标志物。

Winkowski说：“我们的目标是制造出一种经济型桌面检测设备，可以普及到所有诊室进行癌症筛查。在基本的医疗检查过程中，患者可以对该设备进行吹气检测，医生就可以在一分钟内判断患者是否需要额外的深入检查。”

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