检测呼出气中挥发性生物标志物的变化对疾病早期筛查具有巨大的潜力。然而，呼出气成分复杂，疾病相关生物标志物含量低，气态分子扩散速度快，更难捕获等特点使其临床应用受限。

在科技部、国家自然科学基金委、中科院等支持下，王铁教授团队近年来围绕自组装技术制备了多种纳米材料自组装复合结构，针对人体呼出物中气态分子流动性大，难以捕获的特点，开展了系列呼出气疾病检测研究工作，实现了特异性、高灵敏的呼出气疾病检测分析。（Acc. Chem. Res. 2021, 54, 35; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15953; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16523）

图1.（a）GSPs@ZIF-8和（b）GSPs@H-ZIF-8结构气体分子吸附机制

最近，中科院化学与天津理工大学生命健康智能检测研究院合作，针对MOF等多孔材料降低气体的扩散速率，富集气体分子时，受复杂环境的影响，MOF吸附存在非针对性，一些非标记物也被MOF吸附固定在热点区域，干扰SERS信号的可靠性和准确性。针对上述问题，研究人员分析有两个因素限制了 SERS 在实际检测中的的应用：1）微量目标分子在 SERS 热点中的特异性富集；2) SERS 信号在多干扰环境中的稳定性和重现性。为了减小复杂呼出气中非特异性分子的干扰，研究人员制备了包裹在具有蛋黄壳结构的金超粒子上的空心ZIF-8传感芯片基底（GSPs@H-ZIF-8），用于气体分子的富集，如图1所示，与实心 ZIF-8层（GSPs@ZIF-8）相比，空心 ZIF-8 层能有效排除未与超粒子表面修饰分子结合的干扰分子，减少其他气体分子对拉曼光谱的干扰，产生较强的响应信号，检测限比实心核壳结构物质的检测限低一个数量级以上。

随后研究人员将传感芯片与口罩结合，用于临床患者的检测。如图2所示，为了降低假阳性概率，排除日常生活的影响，研究人员分析了健康人体在日常生活（起床、饮食、运动和睡觉）和不同时间段的呼出检测信号变化情况，发现在饭后 9:00、12:00 和 18:00 的测试结果稳定性较差，其中酒精对检测的准确性干扰最大，说明饮食对检验模型的干扰较大。在早上 7:00 开始实验，不要饮酒会获得更准确的测试结果。进一步通过PC-LDA方法对健康人和肺癌患者呼出气的检测结果进行区分判定，获得检测准确率为60%。该研究成果的传感装置在肺癌疾病的早期检测中具有巨大的潜力。相关成果近日发表于Advanced Functional Materials期刊上（https://doi.org/10.1002/adfm.202202805），文章第一作者为中科院化学所在读博士李艾琳。

图2.口罩传感装置呼出气检测分析。

论文信息：

Hollow Metal Organic Framework Improves the Sensitivity and Anti-Interference of the Detection of Exhaled Volatile Organic Compounds. Ailin Li, Xuezhi Qiao*, Keyan Liu, Wanqiao Bai, Tie Wang*. Advanced Functional Materials DOI: 10.1002/adfm.202202805

课题组网站：https://life.tjut.edu.cn/