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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相關的信息，例如，呼吸頻率，呼吸聲音等物理信息。從化學分子層面上說，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致的；近年來高發的呼吸道類傳染病，如COVID-19，也可以通過呼出的氣溶膠進行傳播。然而，具有流動性的氣態呼吸的采樣與檢測非常具有挑戰性，從而限制了呼吸分子監測的應用。

  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生的液體基質，其蘊藏著豐富的化學分子信息，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病（如哮喘、慢性阻塞性肺病 (COPD)、COVID-19、肺癌、肺結核、糖尿病、慢性腎病等）的早期診斷、監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用。檢測方面使用質譜法或熒光測定法進行實驗室分析，以評估氣道炎癥。然而，將這些技術面臨著與人力、時間、金錢和能源成本相關的巨大挑戰。此外，樣品處理和儲存過程中活性物質的降解、口腔成分的干擾以及缺乏連續動態信息等問題也嚴重阻礙了EBC檢測的實際和廣泛應用。同時，以往的 EBC 研究過于關注有限的氣道炎癥氧化應激分析物，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，在數字健康時代，解決高保真、實時、長期和原位監測各種呼氣冷凝物生物標記物的新挑戰勢在必行。

  加州理工學院醫學工程系高偉（Wei Gao）教授團隊介紹了一種用于可穿戴式監測呼氣冷凝物的智能口罩創新概念，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）。該系統設計用于持續冷凝呼出的濕氣、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在應對上述挑戰方面具有巨大潛力，并為探索呼吸中生物標志物的動態組成和生理意義建立了一個通用的研究平臺和范例。該項目的成功實現對EBC中生物標志物的日常和臨床可穿戴監測，為代謝和呼吸健康評估提供一種無創的個人精準醫學方法。相關成果以（A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis）為題發表在《Science》上。加州理工學院博士生衡文正為第一作者。

圖1. 智能口罩EBCare，可高效采集和連續分析呼出氣冷凝物

  該系統可以分為呼吸冷凝，液體傳輸，電化學檢測，穿戴實驗四個主要部分。

圖2. EBCare 器件用于呼吸冷凝的串聯冷卻設計的特性。

圖3. 用于 EBC 采樣、傳輸和刷新的 EBCare 設備的微流體設計。

圖4 用于原位多路復用 EBC 分析的無線電化學生物傳感器陣列的設計與表征

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