每次我们呼气时，都会释放出1000多种独特的分子，形成特定的"呼吸印记"，这种化学特征为了解我们身体的内部状况提供了宝贵的ぷ线索。多年来，研究人员一直试图利用这一信息财富，利用狗、老鼠甚至蜜蜂的敏锐嗅觉来检测癌症、糖尿病和肺结核等疾病。

来自科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们在利用呼出的气体诊断疾病的探索中取得了重要的飞跃，他们报告说，一种由人◤工智能（AI）驱动的新的基于激光的呼吸分析器可以实时★检测COVID-19，而且准确度极高。

该结果最近发表在《呼吸◣研究杂志》上。

第一作者、JILA和中大博尔德分校物理系的博士生Qizhong Liang说："我们的结果证明了呼吸分析作为COVID-19的替代性、快速、非侵入性测试的前景，并强调了其在诊断不同条件和疾病状态的显著潜力。"JILA是中大博尔德分校和NIST之间的一个合作项目。

这个由物理学家、生物化学家和生物学家组成△的多学科团队现在正将重点转向广泛的其他疾病，希望"频率梳理呼吸分析器"--诞生于中大的诺贝尔奖技术--可以彻底改●变医疗诊断。

资深作者、JILA研究员、中大博尔德分校物理学●副教授Ye Jun说："在一个真实的、可预见的未来，你可以去看医生，让医生把你的呼吸和你的身高、体重一起测量......或者你可以向一个集成在你手机里的口罩吹气，并◥实时获得有关你的健康信息。这一潜力是无穷的"。

诞生于COVID-19的合作

早在2008年，Ye的实验室就报告说，一种叫做频率梳理光谱的技术--基本上是利用激光来区分一个分子和另一个分子--有可能识别人类呼吸中的疾病生物标志物。

该技术缺乏灵敏度，更重要的是缺乏将特定分子与疾病状态联系起来的能力，因此他们从未对其进行诊断疾病的测试。但是团队后来将灵敏度提高了一千倍，能够检测到万亿分之一水平的微量分子。他们还利用了人工智能的力量。

随着SARS-CoV-2在全球范围内肆虐，人们对现有测试的反应时间越来越长感到失望，是时候在№人身上测试这个系统了。作为一名物理学家，Ye从未与人打过交道，因此他从CU的BioFrontiers研究所寻求帮助，这是一个跨学科的生物医学研究中心，正在领导校园COVID测试项目。

国家科学ξ基金会和国家卫生研究院资助了这项研究。

非侵入性、快速、无化学成分

在2021年5月至2022年1月期间，研究小组收集了170名中大博尔德分校学生的呼吸样本，这些学生在过去ζ　48小时内通过提交唾液或鼻腔样本进行了聚合酶链反应（PCR）测试。

一半测试结果为阳性，一半为阴性。(为了安全起见，志愿者们来到一个室外的校园停车场，吹了一个样本收集袋，然后把它留给了在安全距离等待的实验室技︽术人员。）

这个过程从收集到结果花了不到一个小时。当与PCR（COVID测试的黄金标准）相比，呼吸测醉器的结果有85%的时间是吻合的。对于医疗诊断来说，80%或更高的准确性被认为是"优秀"。

研究人员怀疑，如果在同一时间收集呼吸和唾液/鼻拭子样本，准确性可能会更高。与鼻拭子不同，呼气式酒精检测仪是非侵╲入性的。而且与唾液样本不同的是，使用者在使用前不会被要求不进食、不喝酒、不吸烟。它不需要昂贵的化学品来分解样本。而且，可以想象，这种新的测试可〒以用于没有意识的人。

"通过一次呼→吸，我们可以从你身上收集这么多的数据点，但是然后呢？我们只了解少数分子与特定条件的相关性，"Ye说。

建立更小的卐呼吸分析器

今天，"呼吸分析器"由一个复杂的激光器和镜子阵列组成，其大※小与一张宴会桌差不多。

当激光器以数千种不同的频率向它发射不可见↙的中红外光时，呼吸样本通过管道被送入。几十个微小的镜子将光在分子中来回反射，以至于最后，光∏走了大约1.5英里。

由于每种分子吸收光线的方式不同，具有不同分子构成的呼吸样本会投下明显的阴影。机器可以区分这些不同的阴影或吸收模式，在几秒钟内将数以百万计◤的数据点归结为--就COVID而言--简单的阳性或阴性。

目前已经在努力将这种系统微型化，使其达到芯片的规模，从而实现梁氏所↓想象的"实时的、随身的自我健康监测"。潜力还不止于此。

"如果你能在∞呼吸中找到一种特征，在你出现症状之前就能检测出胰腺癌，那该①怎么办？"分子生物学家和共同作者Leslie Leinwand说，他是BioFrontiers的首席科学官，也是该【研究的共同作者。

在其他地方，科学家们正在努力开发人类呼吸图谱，该图谱描绘了人类呼出的每个分子，并将它们与健康结果联系起◇来。梁希望通过更大规模的呼吸样本收集为这种努力作出贡献↑。

同时，该团队正在与加州大学安舒茨医学校区的儿科和呼吸系统专家合作，探索呼吸分析器如何不〖仅能诊断疾病，还能使科学家更好地了解它们，提供有关免疫反应、营养缺乏和其他可能导致或加剧疾病的因素∩的提示。

"如果你想想狗，它们经过几千年的进化，以非凡的敏感性闻到许多不同的东西，"Ye说。"我们只是在训练我们基于激光的鼻子的☆最开始。我们教得越多，它就会变得越聪明。"