數(shù)智中醫(yī)（聞）嗅診研究進(jìn)展

張 玫，鐘 瑞，魏旭煦，張曉雨，代倩倩，林家燕，趙 晨，蔣 寅，商洪才

1. 北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院（北京 102488）

2. 北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門(mén)醫(yī)院中醫(yī)內(nèi)科學(xué)教育部/北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100700）

3. 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)臨床基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所（北京 100700）

中醫(yī)辨證是醫(yī)家遣方用藥的重要依據(jù)，“望、聞、問(wèn)、切”四診合參是中醫(yī)基礎(chǔ)診斷的核心方法[1]。四診中的“聞診”包括依靠聽(tīng)聲音的“聽(tīng)診”和依靠嗅氣味的“嗅診”，是指通過(guò)聽(tīng)聲音和嗅氣味以了解健康狀況、診察疾病的方法。其中“嗅診”是指嗅辨患者身體氣味與病室氣味以診察疾病的方法[2]。

古代醫(yī)家以嗅診指導(dǎo)臨床有著悠久的歷史[3]。最早關(guān)于“嗅診”的記載可能是《黃帝內(nèi)經(jīng)·素問(wèn)·金匱真言論》中提到：“肝……病之在筋，其臭臊；心……病之在脈，其臭焦；脾……病之在肉，其臭香；肺……病之在皮毛，其臭腥；腎……病之在骨，其臭腐”，提出了“五臭”的概念。《周禮·天官冢宰》中記載了西周時(shí)期“疾醫(yī)掌養(yǎng)萬(wàn)民之疾病……以五氣、五聲、五色眡其死生”，這說(shuō)明當(dāng)時(shí)的醫(yī)生就已經(jīng)會(huì)根據(jù)病人的氣味、聲音、面色等判斷其生死。《難經(jīng)·十四難》中記載：“肝色青，其臭臊……心色赤, 其臭焦……脾色黃，其臭香……肺色白，其臭腥……腎色黑，其臭腐”，《難經(jīng)·四十九難》中記載：“心主臭，自入為焦臭，入脾為香臭，入肝為臊臭，入腎為腐臭，入肺為腥臭。故知心病傷暑得之，當(dāng)惡焦臭”，分別描述了五臟的“色”與“臭”，將嗅氣味作為一種診斷方法。秦漢時(shí)期，中醫(yī)藥開(kāi)始興起，人們逐漸理解疾病、積累診療經(jīng)驗(yàn)，《金匱要略·肺痿肺癰咳嗽上氣病脈》中描述了氣味“濁唾腥臭”，為肺中熱壅毒蘊(yùn)、血敗肉腐，釀成癰膿之象。晉唐宋金元時(shí)期，中醫(yī)藥理論逐漸形成一套完整的體系，對(duì)聞診的進(jìn)一步重視使得嗅診也隨之發(fā)展起來(lái)。晉代王叔和的《脈經(jīng)》中提到扁鵲推斷病危的方法有“病患尸臭者，不可治”；以及“熱病……身麻臭，伏毒傷肺”，認(rèn)為黃疽病人出現(xiàn)臭氣等氣味變化為肺脾兩臟氣絕之死候。到明清時(shí)期，嗅診的運(yùn)用愈發(fā)頻繁，漸成學(xué)說(shuō)。清代戴天章在《廣瘟疫論》中提出診傷寒要五辨，首先辨氣，“風(fēng)寒氣從外收斂入內(nèi)，病無(wú)臭氣觸人，間有作臭氣者，必待數(shù)日轉(zhuǎn)陽(yáng)明腑證之時(shí)，亦只作腐氣，不作尸氣。”在宏大的中醫(yī)診斷史中，嗅診的重要性可見(jiàn)一斑。

中醫(yī)認(rèn)為，人體的各種氣味都是在臟腑生理活動(dòng)和病理變化過(guò)程中產(chǎn)生的。在疾病情況下，由于邪氣侵?jǐn)_，氣血運(yùn)行失常，臟腑機(jī)能失調(diào)，穢濁排除不利，產(chǎn)生腐濁之氣，可表現(xiàn)出體氣、口氣、分泌物、排泄物的氣味異常[2]。因此，基于嗅診辨別氣味變化可以判斷臟腑的生理和病理變化，為診病、辨證提供依據(jù)。然而，嗅診在中國(guó)古代多憑醫(yī)者主觀嗅覺(jué)而定，缺乏客觀依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)，也導(dǎo)致難以傳承。研究發(fā)現(xiàn)，人類嗅覺(jué)會(huì)受到衰老影響[4-5]，也與性別有關(guān)。普遍來(lái)說(shuō)，女性比男性嗅覺(jué)更加靈敏，這在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物中也得到證實(shí)[6-7]。人類對(duì)物質(zhì)的敏感程度也有所不同，存在個(gè)體差異，可能存在對(duì)各自嗅覺(jué)較為敏感的物質(zhì)[8]。而且，如果長(zhǎng)期生活在某種氣味中，人們對(duì)該氣味辨識(shí)的閾值也會(huì)下降，可謂“入芝蘭之室，久而不聞其香；入鮑魚(yú)之肆，久而不聞其臭”[9]。此外，人類的嗅覺(jué)也會(huì)受到心理因素的影響[10]。上述因素都表明，嗅診的標(biāo)準(zhǔn)化、客觀化是中醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著分析化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等理工科迅猛發(fā)展，特別是人工智能技術(shù)從20 世紀(jì)中期發(fā)展至今日臻成熟，“數(shù)智中醫(yī)”在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景亦愈發(fā)豐富[11-13]。而嗅診作為一種無(wú)創(chuàng)診斷方法也更加受到重視，推進(jìn)了中醫(yī)嗅診逐漸向數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、客觀化、智能化方向發(fā)展，目前已初步形成了數(shù)智中醫(yī)聞嗅診研究方向，這是對(duì)中醫(yī)嗅診的重要傳承與創(chuàng)新。數(shù)智中醫(yī)聞嗅診的研究?jī)?nèi)容不僅包括通過(guò)分析患者的體味、口鼻氣息，以及分泌物和排泄物等產(chǎn)生的氣味來(lái)判斷患者的健康狀況和疾病類型，還包含發(fā)展對(duì)病人氣味進(jìn)行分析的分析方法、關(guān)鍵技術(shù)以及研發(fā)相關(guān)科學(xué)儀器，建立各種疾病氣味數(shù)據(jù)庫(kù)，健全人體氣味學(xué)等，從而為臨床診斷提供定性定量的數(shù)智化標(biāo)準(zhǔn)。本文綜述了現(xiàn)階段與數(shù)智中醫(yī)嗅診相關(guān)的研究對(duì)象、分析方法和科學(xué)儀器，概述了相關(guān)醫(yī)學(xué)應(yīng)用，總結(jié)了目前存在的挑戰(zhàn)，并對(duì)中醫(yī)智能嗅診領(lǐng)域在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 數(shù)智中醫(yī)嗅診的分析對(duì)象

嗅診的分析對(duì)象主要包括病體之氣與病室之氣，通過(guò)嗅辨患者身體氣味、分泌物和排泄物氣味，以及病室氣味達(dá)到診察疾病的目的。通過(guò)定性定量分析樣品中的無(wú)機(jī)氣體分子或揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compounds, VOCs）等，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，對(duì)疾病及中醫(yī)證型進(jìn)行診斷。其中，病體之氣是指病體散發(fā)的各種異常氣味，主要包括口氣、汗氣、痰涕之氣、嘔吐物之氣、排泄物之氣等，分別來(lái)自患者皮膚、黏膜、呼吸道、胃腸道、嘔吐物、排泄物、分泌物、膿液和血液等（圖1）。不同個(gè)體年齡、性別、遺傳基因、生理特征、新陳代謝產(chǎn)物均有很大差別，正常和病理狀態(tài)下的人體代謝以及與微生物群的相互作用也會(huì)影響呼出氣體中的化合物成分[14]。因此，病體之氣為數(shù)智中醫(yī)嗅診研究提供了主要的分析對(duì)象。病室之氣則因氣味從病體發(fā)展到充斥病室，說(shuō)明病情危重。臨床上通過(guò)分析病室氣味，也可作為推斷病情及診斷特殊疾病的參考。

圖1 數(shù)智中醫(yī)嗅診中病體之氣的來(lái)源Figure 1. The source of sickness smell in olflactory diagnosis of smart TCM

1.1 口氣

在中醫(yī)診斷學(xué)中，“口氣”是指從口內(nèi)呼出的穢濁臭氣，又名口臭、口殠。中醫(yī)認(rèn)為口氣源于五臟六腑功能失調(diào)，《諸病源候論》中寫(xiě)道：“五臟六腑不調(diào)，氣上胸膈……蘊(yùn)積胸膈之間，而發(fā)于熱，沖發(fā)于口，故令臭也。”中國(guó)古代醫(yī)家注意到多種類型的口氣，如口酸，指口中自覺(jué)有酸味，甚者聞之有酸味[15]。《諸病源候論》中有云：“唁酸者，上焦有痰，脾胃有宿冷，故不能消谷，谷不消則脹，滿而氣逆，所以好隱而吞酸，氣息醋息”，認(rèn)為口酸是胃冷不能化食而致。又如口臭，元代朱震亨《丹溪手鏡》中“妨于食（肝傷脾），病至先聞腥臊臭”，清代葉天士《臨證指南醫(yī)案》中“內(nèi)應(yīng)乎肝……口氣皆臭”，均是在不同的肝病情況下對(duì)病人產(chǎn)生的肝臭及其辨證的詳細(xì)敘述。口臭絕大多數(shù)情況都是由口腔內(nèi)部疾病引起的，如牙齦炎、牙周炎、齲齒等[16-17]，消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)疾病也可引起口臭，一些糖尿病患者在出現(xiàn)酮癥酸中毒時(shí)呼出氣會(huì)有爛蘋(píng)果氣味[18]。有些肝功能損害嚴(yán)重的患者呼出氣中會(huì)帶有特殊鼠臭味，俗稱肝臭[19]。患者呼出的異味氣體中被認(rèn)為存在提示各種疾病的重要生物標(biāo)志物。

口氣的氣味取決于呼出氣中化合物的成分，成分特征也反映著人體各種生理和病理狀況[20]。在過(guò)去幾年中，呼出氣的異常氣味與呼出氣分析引起了研究人員的極大興趣。人體的呼出氣主要包括無(wú)機(jī)氣體分子，如氮?dú)狻⒀鯕狻⒍趸肌⑺魵狻⒍栊詺怏w和種類繁多的微量VOCs。人體呼出氣中含有大量VOCs，既包括代謝活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)源性VOCs，也包括通過(guò)飲食和環(huán)境攝入的外源性VOCs[21-24]。這些VOCs 可溶解于血液中，隨循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)肺泡進(jìn)入呼吸道。呼出氣分析不僅被用于了解人體新陳代謝情況，還因其具有非侵入性和連續(xù)采樣的可能性，因而具有巨大的臨床潛力[25]。呼出氣分析可用于疾病的早期診斷與篩查[26-29]、重癥監(jiān)護(hù)[30-31]、手術(shù)期間及手術(shù)前后的監(jiān)測(cè)[32-35]等。但呼出氣中VOCs 含量低也為準(zhǔn)確定性定量分析帶來(lái)挑戰(zhàn)，這就需要在樣品采集、VOCs 富集，以及提升儀器性能、提高檢測(cè)靈敏度等方面不斷突破創(chuàng)新。需要指出的是，近年來(lái)雖然不斷有以呼出氣為分析對(duì)象的研究發(fā)表[20,36]，與呼出氣分析相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、儀器研發(fā)、算法開(kāi)發(fā)均受到關(guān)注，但以中醫(yī)（聞）嗅診為關(guān)注點(diǎn)的呼出氣分析研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

1.2 汗氣

中醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為汗液是由津液所化生，在《黃帝內(nèi)經(jīng)》中有“心在液為汗”的論述；《臨證指南醫(yī)案·汗》中用“陽(yáng)加于陰，謂之汗。由是推之，是陽(yáng)熱加于陰，津散于外而為汗也”概括了出汗機(jī)理[37]。目前中醫(yī)嗅診對(duì)汗液氣味的關(guān)注較少，已有的相關(guān)報(bào)道主要涉及腋臭。腋臭又稱“胡臭”“體氣”“狐臭”“腋氣漏”等，最早記載于《肘后備急方》，其余中醫(yī)著作對(duì)腋臭也有記載，如《諸病源候論》曰：“此亦是氣血不和，為風(fēng)邪所搏，津液蘊(yùn)瘀，故氣濕臭”；又如《三因方》有云：“夫胡臭者，多因勞逸汗?jié)n，以手摸而嗅之，故清氣道中受此宿穢，故傳而為病。方論有天生臭之說(shuō)，恐未必竟然[38]。”目前在中醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中，除了“腋臭”被認(rèn)為是與汗出氣味相關(guān)的描述之外，其余關(guān)于疾病、證型與汗氣的關(guān)系鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。中醫(yī)診斷學(xué)對(duì)病理性汗出的主要關(guān)注點(diǎn)集中在出汗量異常，以及基于有無(wú)汗出、汗出時(shí)間、部位做出對(duì)疾病的診斷。事實(shí)上，汗液能夠傳遞的信息相當(dāng)豐富，已知細(xì)胞外液是汗液的重要組成部分，因此，汗液中溶質(zhì)的濃度被認(rèn)為與該溶質(zhì)在血液中的濃度直接相關(guān)。汗液中包含數(shù)百種化學(xué)成分，包括電解質(zhì)、代謝物、激素、微量元素、藥物等，此外，皮膚分泌汗液的速度和汗量均能夠反映健康信息。因此，汗液/汗氣分析有望在未來(lái)作為血液分析的非侵入性替代診斷方法。目前基于對(duì)汗液中VOCs 的分析已被用于診斷癌癥[39-40]、預(yù)警癲癇[41]、判斷情緒壓力[42]、法醫(yī)學(xué)追蹤犯罪[43]等，這些研究實(shí)例為未來(lái)智能中醫(yī)嗅診開(kāi)展汗氣分析提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.3 痰涕、嘔吐物、排泄物之氣

中醫(yī)學(xué)所說(shuō)的“痰涕之氣”包括鼻腔和咳吐物的氣味。痰液、鼻涕、嘔吐物與排泄物的異味均屬中醫(yī)嗅診關(guān)注的范疇，可在中醫(yī)學(xué)典籍中發(fā)現(xiàn)對(duì)上述異常氣味與疾病/證型關(guān)系的描述。近年來(lái)分析化學(xué)和臨床檢測(cè)等領(lǐng)域已有對(duì)痰液、嘔吐物與排泄物中VOCs 進(jìn)行分析的應(yīng)用，但以中醫(yī)嗅診為關(guān)注點(diǎn)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

正常狀態(tài)下，人體排出的少量痰和涕無(wú)異常氣味。中醫(yī)認(rèn)為咳吐濁痰膿血，腥臭異常者，多為肺癰，是熱毒熾盛所致；若咳痰黃稠味腥者，是肺熱壅盛所致[44]。《本草綱目》曰：“腦崩臭穢，是下虛”，濕熱內(nèi)蘊(yùn)，熱移于腦，則會(huì)出現(xiàn)流涕黃濁，氣味腥臭[15]。《證治要訣·諸嗽門(mén)》指出，勞咳患者咳痰氣味：“勞咳有久嗽成勞者，有因久病勞咳者，其證往來(lái)寒熱或獨(dú)熱無(wú)寒，咽干嗌痛，精神疲極，所嗽之痰或時(shí)有血腥臭異常。”目前痰液中VOCs 分析已被用于輔助診斷嚴(yán)重哮喘[45]和肺結(jié)核[46]，也被用于識(shí)別細(xì)菌定植與感染[47-49]。關(guān)于嘔吐，中醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為嘔吐是胃氣上逆所致，臨床診斷時(shí)通常會(huì)結(jié)合嘔吐物的形態(tài)、氣味與病人嘔吐時(shí)的表現(xiàn)做出診斷。中醫(yī)嗅診認(rèn)為：嘔吐物清稀，無(wú)臭味，多屬胃寒；氣味酸腐臭穢者，多屬胃熱；嘔吐未消化食物，氣味酸腐，為食積；嘔吐膿血而腥臭，多為內(nèi)有癰瘍[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，嘔吐物中的成分，包括VOCs，常被用于確定引起中毒的毒性物質(zhì)[50-51]。在中醫(yī)診斷學(xué)中，排泄物之氣主要指尿液和糞便等散發(fā)的氣味。《類證治裁·三消論治》曰：“小水不臭反甜，此脾氣下脫癥最重。”尿液氣味惡臭是由于濕熱內(nèi)蘊(yùn)膀胱。《景岳全書(shū)》中提到：“假寒者。火極似水也……以致下利純清水，而其中仍有燥糞，及失氣極臭者，察其六脈，必皆沉滑有力，此陽(yáng)證也。”中醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為大便酸臭難聞，為腸有積熱；溏瀉而腥者，多為脾胃虛寒；大便泄瀉臭如敗卵，夾有不消化食物、矢氣酸臭者，為傷食。小便黃赤混濁，有臊臭氣味，多屬膀胱熱；尿甜有爛蘋(píng)果氣味者，為消渴[2]。此外，經(jīng)帶之味也可指征疾病，《醫(yī)宗金鑒·婦科心法要訣·調(diào)經(jīng)門(mén)》曰：“凡血為熱所化，則必稠粘臭穢；為寒所化則必清澈臭腥”“若形清腥穢，乃濕淤寒虛所化也”，即多因濕熱、寒濕所致。已有多項(xiàng)研究表明，尿液和糞便VOCs 可提供生物標(biāo)志物用以診斷疾病，如新生兒篩查[52]、惡性膽道狹窄[53]、結(jié)直腸炎/癌[54-57]等，這些研究為未來(lái)中醫(yī)智能嗅診領(lǐng)域的發(fā)展提供了可靠的臨床依據(jù)。

2 數(shù)智中醫(yī)嗅診的分析技術(shù)、方法與儀器

正所謂“工欲善其事，必先利其器”，自法國(guó)化學(xué)家Antoine Lavoisier 建立了世界上第一套測(cè)量呼吸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置以來(lái)，人類在分析化學(xué)與精密儀器制造領(lǐng)域不斷取得進(jìn)展，這也為大力推進(jìn)數(shù)智中醫(yī)嗅診發(fā)展提供了可能[58]。本文以呼出氣分析為代表，分類介紹了目前可用于數(shù)智中醫(yī)嗅診的主要分析技術(shù)，包括色譜、質(zhì)譜（mass spectrometry, MS）、光譜、離子遷移譜（ion mobility spectroscopy, IMS）、電子鼻等，并對(duì)各種技術(shù)方法的優(yōu)越性進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 色譜分析

常見(jiàn)的色質(zhì)聯(lián)用方法集成了色譜的優(yōu)良分離能力和質(zhì)譜的高靈敏度檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，均可用于VOCs 分析，包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS）和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用（capillary electrophoresis-mass spectrometry, CEMS）等。

GC-MS 分析目前是VOCs 檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)，其主要優(yōu)勢(shì)在于GC 具有強(qiáng)大的分離能力以及GC-MS 分析具備標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)[59]。對(duì)于分析呼出氣冷凝液、尿樣、糞便等非氣體樣品中VOCs 的需求，GC 可提供頂空進(jìn)樣方式，因此，GC-MS 是目前對(duì)VOCs 分析使用最為廣泛的方法。但采用GC-MS 分析呼出氣中VOCs 也并非完美的解決方案，因?yàn)楹舫鰵庵蠽OCs 含量非常低，在正常生理新陳代謝條件下，人體呼出氣中VOCs 濃度約為10-12～10-9mol·L-1[60]。而GC-MS 分析VOCs，尤其是采用頂空進(jìn)樣方式時(shí)，若VOCs 水平低于百萬(wàn)分之一體積（parts per million by volume,ppmv），則很難準(zhǔn)確定量。研究者通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了GC-MS 更適合監(jiān)測(cè)含有大量高濃度VOCs的樣品[59]。當(dāng)然，采用GC-MS 方法分析VOCs也在不斷被優(yōu)化[61]，建立了通過(guò)富集等方式提高檢測(cè)靈敏度的解吸氣質(zhì)譜聯(lián)用分析方法[62-63]、頂空固相微萃取氣質(zhì)譜聯(lián)用分析方法[64-65]、二維GC-MS（GC×GC）分析方法[66]等。此外，GC-MS 儀器硬件也在不斷革新[67-69]，圖譜識(shí)別算法也變得對(duì)用戶更加友好且功能強(qiáng)大，有學(xué)者建立了基于呼吸分析的智能COVID-19 篩查平臺(tái)[70]。值得一提的是GC-MS 儀器的國(guó)產(chǎn)化和小型化，目前禾信儀器、聚光科技、皖儀科技、譜育科技等多家國(guó)內(nèi)儀器公司均已在GC-MS 領(lǐng)域具有一定影響力。便攜GC 和GC-MS 也為VOCs 樣品的現(xiàn)場(chǎng)分析提供了可能[68-69,71]。

相較于GC-MS，LC-MS 更適合分析高沸點(diǎn)的VOCs[72-73]；CE-MS 的優(yōu)點(diǎn)是適用于親水性代謝物VOCs、分離效率高且分析耗時(shí)短[74-75]。但LC-MS 和CE-MS 均不是VOCs 分析的首選方法，二者的一個(gè)共性缺點(diǎn)是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)。近年來(lái)敞開(kāi)式離子化技術(shù)迅猛發(fā)展，一系列質(zhì)譜直接分析新方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)，因此采用LC-MS 和CE-MS分析VOCs 的研究就越來(lái)越少。

2.2 質(zhì)譜分析

雖然GC-MS 是目前應(yīng)用最廣泛的VOCs 分析方法，但常規(guī)GC-MS分析往往局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，且分析時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題，研究者們開(kāi)發(fā)了一系列質(zhì)譜直接分析方法。這類方法無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行分離、富集、衍生化等前處理，使質(zhì)譜分析過(guò)程更為便捷。此外，針對(duì)VOCs 分析的微型質(zhì)譜關(guān)鍵技術(shù)也不斷取得突破，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法也在蓬勃發(fā)展[76]，這些都為即時(shí)呼出氣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了可能，極具應(yīng)用前景。

2.2.1 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜（proton-transfer reaction mass spectrometry, PTR-MS）是目前實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體樣本中痕量VOCs 最常用的方法[77-80]。PTR-MS應(yīng)用了真空化學(xué)電離方法，常規(guī)的PTR-MS 采用H3O+作為反應(yīng)離子，因大多數(shù)VOCs 的質(zhì)子親和性都高于水分子，因此在漂移管中H3O+會(huì)將質(zhì)子傳遞給這些VOCs 使其離子化。隨后也有學(xué)者發(fā)展PTR-MS 使其擁有了更多的反應(yīng)離子種類，方法的適用范圍得到了拓展[81-82]。PTR-MS 可實(shí)現(xiàn)定量分析，這是由于漂移管長(zhǎng)度固定，且特定種類的VOC 從H3O+獲得質(zhì)子的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)也恒定。但需注意呼出氣中存在萜烯類VOCs，它們可能會(huì)在漂移管中發(fā)生碎裂，因而絕對(duì)定量更為復(fù)雜[83-85]。PTR-MS 分析主要優(yōu)勢(shì)之一在于質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)幾乎不會(huì)使產(chǎn)物離子發(fā)生碎裂，這有利于從譜圖中定性識(shí)別VOCs[86]，此外，定性準(zhǔn)確性也取決于質(zhì)量分析器的種類，因此催生出PTR-TOF-MS[83,87-88]、PTR-QiTOF-MS[89-91]等PTR-MS 新儀器。

2.2.2 選擇離子流管質(zhì)譜

選擇離子流管質(zhì)譜（selected-ion flow-tube mass spectrometry, SIFT-MS）也采用真空條件下的化學(xué)電離方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼出氣樣品中VOCs 待測(cè)物的直接質(zhì)譜分析[92]。SIFT-MS 是一種成熟方法，它首先通過(guò)電子轟擊或微波放電產(chǎn)生H3O+、NO+或O2+試劑離子[93-96]。由于不像常規(guī)PTRMS 的試劑離子僅有H3O+一種，SIFT-MS 先將試劑離子引入四極桿進(jìn)行篩選，再導(dǎo)入氦緩沖漂移管中與待測(cè)VOCs 分子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。在分析普通環(huán)境氣體時(shí)，由于很多離子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)已被研究得頗為透徹，研究人員可據(jù)此將質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度直接轉(zhuǎn)化為待測(cè)物的絕對(duì)濃度。但在分析呼出氣VOCs 含量時(shí)情況變得較為復(fù)雜，這是由于樣品濕度大[97]，還需要考慮到可能形成水合離子等因素。早期SIFT-MS 多采用四極桿質(zhì)量分析器，近年來(lái)也出現(xiàn)了SIFT-TOF-MS 新儀器[98]，以及在漂移管中施加電場(chǎng)[99]等質(zhì)譜硬件改進(jìn)。

相較于常規(guī)PTR-MS，SIFT-MS 在VOCs 定性分析上可能更具優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)改變?cè)噭╇x子，使特定化合物的分析更具選擇性[100]。PTR-MS 靈敏度更高，因?yàn)闃悠窔怏w本身在漂移管中充當(dāng)了緩沖氣體，從而避免了樣品被稀釋。而且PTR-MS 不需要在漂移管前端放置四極桿，儀器構(gòu)成也更加簡(jiǎn)單。此外，SIFT-MS 和PTR-TOFMS 之間數(shù)據(jù)輸出的可移植性也引起了關(guān)注[101]。

2.2.3 二次電噴霧電離質(zhì)譜

二次電噴霧電離質(zhì)譜（secondary electro-spray ionization mass spectrometry, SESI-MS）可以視作是常規(guī)電噴霧質(zhì)譜在電離氣態(tài)分析物時(shí)的特殊情況，如電離待測(cè)物蒸氣。SESI-MS 先通過(guò)納升電噴霧產(chǎn)生反應(yīng)物離子團(tuán)簇（在呼出氣分析中主要為H3O+），繼而反應(yīng)物離子與噴霧羽流中的待測(cè)物蒸氣混合，產(chǎn)生的電離蒸氣被吸入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。在分析一般氣體樣品時(shí)，SESI-MS 的電離機(jī)制已被證明是基于氣態(tài)分子-離子反應(yīng)[102]。然而，呼出氣樣品濕度高，SESI-MS 分析呼出氣的電離機(jī)制可能更接近待測(cè)物蒸氣與帶電微液滴的相互作用。SESI-MS 分析呼出氣已被用于疾病診斷[103-105]，包括睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)[106]、兒童哮喘的診斷與管理[107]、細(xì)菌感染[108]、肺囊性纖維化[109]等。與PTR-MS 或SIFT-MS 相 比，SESIMS 中的電離發(fā)生在更高壓力下（105Pa 相較于約102Pa），這使得SESI-MS 在分析較大分子時(shí)具有更高的離子化效率[110]。

2.2.4 電噴霧萃取電離質(zhì)譜

電噴霧萃取電離質(zhì)譜（extractive electrospray ionization, EESI-MS）是基于電噴霧的常溫常壓直接質(zhì)譜分析技術(shù)。EESI-MS 采用“Y 形”的雙噴霧形式，一支噴霧負(fù)責(zé)將電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到帶電的溶劑微滴上，形成具有一定能量的初級(jí)試劑離子；另一支噴霧負(fù)責(zé)提供中性待測(cè)物微液滴。接下來(lái)初級(jí)試劑離子與中性待測(cè)物在三維空間中接觸、碰撞，發(fā)生能量與電荷的傳遞，完成待測(cè)物的離子化過(guò)程[111]。EESI-MS 與SESI-MS 的相似之處在于二者都是中性待測(cè)物與帶電初級(jí)試劑離子之間碰撞發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)物離子化，主要區(qū)別在于待測(cè)物在EESI 中是以微液滴的液體形態(tài)被提供，而在SESI 中則是以待測(cè)物蒸汽等中性氣體形式被提供。因此，SESI-MS適用于VOCs 等氣態(tài)樣品的分析，而EESI 可能樣品范圍更廣，還包括液體樣品等。近年來(lái)基于EESI-MS 對(duì)呼出氣進(jìn)行分析也拓展了很多臨床應(yīng)用[112]，如肺癌[113]和慢性腎病[114]患者的鑒別等。應(yīng)當(dāng)指出的是，SESI-MS 與EESI-MS 分析的定性、定量能力也與是否使用高分辨質(zhì)量分析器密切相關(guān)。

2.2.5 等離子體質(zhì)譜

等離子體質(zhì)譜是一大類環(huán)境電離質(zhì)譜技術(shù)，其電離機(jī)制通常涉及通過(guò)等離子體與環(huán)境空氣中的大氣水相互作用形成的H3O+簇對(duì)分析物進(jìn)行質(zhì)子化[115-116]，因此所獲得的質(zhì)譜圖通常不含有繁雜的碎片離子峰，而主要生成易于解釋的質(zhì)譜圖。等離子體質(zhì)譜離子源不依賴于高純度溶劑，其普遍優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固且價(jià)格低廉。目前基于等離子體電離技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出多款離子源，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)呼出氣的分析[117]，如實(shí)時(shí)直接分析（direct analysis in real time, DART）[118-120]、大氣壓輝光放電（atmospheric-pressure glow discharge,APGD）[121-122]、流動(dòng)大氣壓余輝電離（flowing atmospheric-pressure afterglow, FAPA）[121,123-124]、介質(zhì)阻擋放電電離（dielectric-barrier discharge ionization, DBDI）[125]、低溫等離子體電離（low temperature plasma ionization, LTPI）[124,126]等。

2.2.6 光致電離質(zhì)譜

光致電離（photoionization, PI）是指光子與原子或分子相互作用形成離子的物理過(guò)程，其主要優(yōu)點(diǎn)包括離子化效率高，生成的質(zhì)譜圖碎片離子峰少，易于解釋。目前基于PI 也已開(kāi)發(fā)出許多質(zhì)譜技術(shù)用于呼出氣分析，如大氣壓光離子化（atmospheric pressure photoionization, APPI）[127]、大氣壓或中壓激光離子化（atmospheric/medium pressure-laser ionization, APLI/MPLI）[128-129]等。此外，PI 也是離子遷移譜檢測(cè)呼出氣常用的離子化方法[130]。

2.3 光譜分析

光譜分析方法是通過(guò)測(cè)量物質(zhì)與輻射能作用時(shí)其內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)鑒別物質(zhì)，以及確定其化學(xué)組成和相對(duì)含量的方法。目前光譜分析應(yīng)用于臨床呼出氣檢測(cè)主要使用近紅外和中紅外光源，主要優(yōu)勢(shì)在于可在非接觸且無(wú)損傷條件下對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，且操作簡(jiǎn)便，易對(duì)非專業(yè)人員推廣普及[131]。

常見(jiàn)的呼出氣光譜分析手段包括傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）[132-137]、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）[131,138-139]、光腔衰蕩光譜（cavity ringdown spectroscopy, CRDS）[140-142]、光聲光譜（photo acoustic spectroscopy, PAS）[143]等。光譜法分析呼出氣樣品的檢測(cè)目標(biāo)物通常是呼出氣中的無(wú)機(jī)氣體分子，其中FTIR 是目前光譜法分析呼出氣樣品的主流技術(shù)，它利用不同物質(zhì)在紅外區(qū)不同波長(zhǎng)下的吸收特征實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的鑒別，具有快速穩(wěn)定、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，已有相應(yīng)的市售產(chǎn)品[144-146]。

2.4 電子鼻

電子鼻也稱人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)靈感源于對(duì)生物嗅覺(jué)系統(tǒng)的模仿[147]。生物嗅覺(jué)系統(tǒng)包含嗅上皮組織、嗅球和大腦皮層三部分，分別起到氣味感知、氣味信號(hào)處理傳輸和形成嗅覺(jué)的作用。因此，典型的電子鼻包括氣敏傳感器陣列、信號(hào)處理電路和模式識(shí)別單元三個(gè)組成部分。傳感器是電子鼻最核心的組件單元，目前常見(jiàn)的傳感器類型主要包括金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和石英晶體微天平等，對(duì)這些結(jié)構(gòu)和材料的不斷優(yōu)化提高了分析復(fù)雜氣體混合物的能力。近年來(lái)，人工智能徹底改變了電子鼻領(lǐng)域，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。目前電子鼻已被廣泛應(yīng)用于哮喘[148]、感染[149-151]、肺癌[152]、胃腸道疾病[153]等多種疾病的診斷與監(jiān)測(cè)。研究人員通常描述電子鼻能提供樣品中揮發(fā)性成分的整體信息，即獲得模擬嗅覺(jué)“指紋”數(shù)據(jù)的原因是將數(shù)據(jù)處理并入了電子鼻分析的定義之內(nèi)。然而，可能由于歷史習(xí)慣等，在描述色質(zhì)聯(lián)用、質(zhì)譜或光譜分析時(shí)，往往用“分析”代表定性、定量檢測(cè)樣品中某（幾）種成分的過(guò)程，但實(shí)際這些分析也必然是需要數(shù)據(jù)處理和算法支持的，依據(jù)測(cè)得的定性、定量結(jié)果，最終同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分類判別等。近年來(lái)隨著電子鼻微型化的發(fā)展，也出現(xiàn)了微型化的傳感器，如微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical systems, MEMS）[154]。MEMS 是自主的、毫米或微米級(jí)的獨(dú)立智能系統(tǒng)，由傳感器、執(zhí)行器和微能源組成，通過(guò)芯片上的微電路和微機(jī)械技術(shù)集成。基于微機(jī)電系統(tǒng)的電子鼻（MEMS-based enose）也已被應(yīng)用于分析呼出氣輔助診斷疾病，如糖尿病[155]等。

3 數(shù)智中醫(yī)嗅診的臨床應(yīng)用與潛力

目前VOCs 分析已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床樣品的檢測(cè)，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括對(duì)呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的區(qū)分與辨識(shí)等。用于VOCs 分析的臨床樣品來(lái)源多數(shù)為呼出氣，也有血液和糞便樣品等。本文對(duì)目前已經(jīng)進(jìn)行到臨床試驗(yàn)階段的VOCs 分析進(jìn)行了歸納，見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)行VOCs分析的臨床試驗(yàn)Table 1. Clinical trials involving VOCs analysis

在上述臨床試驗(yàn)中，絕大多數(shù)試驗(yàn)均表明VOCs 指紋譜可以表征人體代謝變化，特征VOCs的定性、定量分析已被明確可以輔助多種疾病的診斷，這些結(jié)論為中醫(yī)嗅診的客觀化、數(shù)智化發(fā)展奠定了良好的先行基礎(chǔ)。當(dāng)然，上述臨床研究也提出了亟待解決的問(wèn)題，如呼出氣濕度大、呼出氣中VOCs 含量低，需提高檢測(cè)靈敏度等。在這些方向上進(jìn)行技術(shù)提升將有助于大幅提高VOCs 分析的準(zhǔn)確性，可能的方法包括發(fā)展VOCs富集技術(shù)，以及提升檢測(cè)儀器的性能等。

4 結(jié)語(yǔ)

中醫(yī)診斷學(xué)的基本原理可以概括為“由表及里”。中醫(yī)病證與人體氣味變化密切相關(guān)，嗅診正是基于這些相關(guān)性來(lái)“司外揣內(nèi)”，用于辨別病證性質(zhì)。本文系統(tǒng)梳理了中醫(yī)嗅診的歷史淵源與發(fā)展、可用于嗅診的樣品來(lái)源、可服務(wù)于中醫(yī)嗅診的現(xiàn)代分析技術(shù)，并歸納總結(jié)了目前與嗅診相關(guān)的臨床試驗(yàn)實(shí)例。隨著新技術(shù)方法的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)與人工智能的日臻成熟，基于國(guó)產(chǎn)精密儀器制造業(yè)與中醫(yī)嗅診理論深度融合的數(shù)智中醫(yī)嗅診即將迎來(lái)實(shí)現(xiàn)客觀化、智能化、智慧化的時(shí)代，這不僅有利于中醫(yī)診斷技術(shù)的傳承，也必將促進(jìn)中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展。