1绪论
1.1呼吸检测发展概述
1.1.1呼吸检测发展历史
几个世纪前，人们已经意识到呼出气体分析可以用于疾病诊断，最早有关呼出气体医学诊断的研究出现在古希腊"医药之父"一 Hippocrates的著作中。中国的中医诊断在公元前五世纪就开始以"望、闻、问、切"为病人诊病，其中"闻"就是指通过听觉和嗅觉了解病人的语言、呼吸、咳嗽等声音信息和呼出气、分泌物、排泄物等方面的气味变化来判断和辨识疾病，人体内发出的各种声音和气味均是在脏腑生理和病理活动中产生的，因此他们的变化能够反映出人体内脏器官的生理和病理变化，从而可用于临床上推断正气盛衰和判断疾病种类。但一直以来由于缺乏病理学研究支持和客观的理论分析，采用呼出气诊断疾病仅限于经验层面。直到1784年，法国化学家Lavoisier和Laplace检测到呼出气中二氧化碳，并首次科学地证明了人体消耗氧气呼出二氧化碳的呼吸模式，此后才有了人体呼出气体的定量分析研究。此后的十年成为医学诊断的"复兴"期，随着19世纪中期肺活量计的出现，定量分析呼吸活动的能力得以实现，此后呼吸仪器在医学诊断中得到了广泛应用。在Lavoisier工作的基础上，人们开展了一系列关于呼气成分的研究，但相对于呼出气中含量在5%以上的二氧化碳，呼出气中其他成分含量极低，不易检测。直到19世纪中期，随着比色测定法的发明，呼出气中其他微量成分的检测才得以实现。德国医生A. Nebelthau通过色度分析法检测糖尿病患者的呼出气，发现了病人呼出气中含有丙酮成分。1874年英国医生F.E.Anstie采用色度分析法检测人体呼出气中的酒精，首次实现了呼出酒精的定量分析，之后出现了大量关于呼出酒精方面的呼吸分析研究，酒精呼气测试也成为一直以来呼气分析最为成功和行之有效的应用手段。到了 20世纪初期，用于呼吸生理学的呼吸分析技术，已经能够确定呼吸和肺泡气成分。 20世纪50年代，随着分析技术的发展，尤其是气相色谱分析的出现，单一气体分子的分离得以实现，有关呼出代谢物检测的试验也随之展幵。人们发现呼出气中很多成分与人体生理状况相关，呼气分析可以用于代谢紊乱及某些疾病的诊断。其中，呼出氢气是最早用于疾病检测的生物标记物，20世纪60年代，Calloway和Levitt等人分别提出通过检测呼出氢气可以诊断由于缺乏乳糖酶所引起的乳糖吸收不良症，近年来氢呼气试验（Breath hydrogen test, BHT)作为一种非侵入性胃肠功能检査方法被广泛采用。
1.1.2呼吸气体检测技术分析
呼出气体检测作为一种无损诊断技术，能够提供一个观测身体的窗口，在疾病检测、医药测试和医疗器械领域有很大的应用前景。作为一个研究热点，呼吸气体诊断技术不断发展成熟，目前常用检测技术主要包括四大类：色谱法（Gas chromatography, GO ，质谱法（Mass spectrometry, MS)，气敏传感器及基于光谱学的检测技术。在呼出气检测中，应用最早的是气相色谱技术（Gas chromatography, GO ，由于气相色谱分析技术的出现，使得单种气体分子的分离得以实现，呼出气体分析才有了初歩发展。美国科学家Limis Pauling正是利用气相色谱法定量分析了呼出气中的250种成分和尿液蒸汽中的280种物质，成为呼出气检测发展历史中的里程碑。色谱法检测涉及样品的采集、保存问题，以及对样品的预处理（包括除去干扰物及对VOCs进行富集），样品的采集和预处理方法会对测定结果产生很大影响，且该方法定性检测能力较差，具有一定的应用局限性。随着气体分析技术的发展，很多气体检测技术开始与气相色谱技术联合应用于呼出气检测，比如，气相色谱-质谱联用分析技术(Gas chromatography-massspectrometry, GC-MS)、气相色谱-火焰离子化检测（Gas chromatography-flame ionizationdetection, GC-FID)和气相色谱-离子迁移谱(Gas chromatography-ion mobilityspectrometry ， GC-IMS)等。其中GC-MS最早应用于呼出气体检测，为呼出气分析提供了大量有用数据，检测和识别出多种微量气体，为呼出气的研究发展做出了巨大贡献。Pleil和Lindstrom[i8l采用GC-MS方法进行暴露在卤化VOCs中呼出气体检测。Giardina和01esik[i9l采用GC-MS技术分析了呼出气中与肺癌相关的五种V0Cs(2-甲基庚焼、苯乙稀、丙基苯、癸院、碳垸)。GC-MS技术检测灵敏度高，可以有选择性地同时分析多种成分，但该技术需要复杂的样品收集和预处理过程，无法实现实时、连续测量，且检测系统结构复杂，操作繁琐，测试周期长，这些缺陷在很大程度上限制了它的应用。FID技术具有高灵敏度、低噪声和大的响应范围，主要用于有机化合物检测，常与GC技术联合用于呼吸检测。作为一种定量检测工具，GC-FID具有灵敏度高、线性、准确和可重复等优点。Sanchez等人采用GC-FID进行呼出气分析，检测灵敏度达到ppb量级。IMS兴起于20世纪60年代末期，是一种具有高选择性的探测器，起初被用于污染气体检测，能够定量分析复杂混合物中的目标成分，具有较高的灵敏度和高速数据采集功能，且体积小价格便宜，在便携式呼出气检测设备中具有良好的应用前景。但该技术不能进行未知成分检测，这在很大程度上限制了它的应用。GC-IMS结合了气相色谱和离子迁移质谱两种技术的优点，能够进行多种气体同时检测，且具有较高的检测灵敏度，是一种优秀的气体分析工具，适用于多组分气体检测。
1.1.3呼出氨气研究现状
早在几个世纪前，人们已经意识到呼出气的气味与人体生理状况有关。临床上，血液中的氮和氨气含量的变化与肝脏、大脑、肾脏、胃、十二指肠、口腔以及肺功能障碍有关。当血液中氨气水平高于空气中氨气浓度时，会从血液中扩散进入肺从而出现在呼出气中。因此，呼出氨气可以作为多种疾病和代谢过程的生物标记物，从而代替血液检测，为临床提供一种无创诊断手段。近年来，通过检测呼出气中氨气含量诊断疾病的研究主要集中在肝性脑病、血液透析、溃疡、肺部机能障碍等。针对呼出氨气的临床应用，国内外开展了一系列的理论与实验研究。
1.2光声光谱气体检测技术发展概述
光声光谱检测技术诞生至今已有一百多年的历史，最早可以追溯到1880年，美国科学家A.G.Bell首先发现薄膜片在阳光的间断照射下能够发出声波，并将这种光声转换现象称为光声效应、此后由于光源功率较小、声波探测灵敏度较低等因素限制，气体光声光谱技术并没有实质性进展。直到1938年，第一台检测气体浓度的光声光谱装置的出现，实现了混合气体中C02和CH4的定量分析。 1943年Luft利用光声光谱差分检测技术对气体进行浓度检测，对C02的极限检测灵敏度达到ppm量级。 1946年，Gordik提出测量光声信号的相位能够用来研究气体分子振动态到平动态的驰豫过程。此后各国学者开始关注气体光声效应的理论研究，光声光谱技术有了初歩的发展。20世纪60年代末，功率密度高、单色性好的激光光源的出现，极大地促进了光声光谱技术的发展。1968年，Kerr和Atwood首次报道了基于脉冲红i石激光器的光声光谱微量气体检测方法。 1971年，Kreuzer等人[741以He-Ne激光器为光源检测N2中CH4实现了 lOppb的极限检测灵敏度。1973年，Patel等人使用拉曼激光器在28km高空实现了 NO和H2O浓度的测量。20世纪80年代以来，光声光谱气体检测技术理论研究已闩臻完善，新型激光光源的应用，高灵敏度声波探测器的研究以及信号处理能力的提高都极大地促进了气体光声光谱技术的发展，真正实现了高灵敏度光声光谱检测。之后光声光谱气体检测技术被广泛应用在大气污染检测、环境安全监测、工农业生产、石油化工、生物医学等各个领域。
1. 3呼出氨气检测的研究背景和意义
近30多年来慢性肾脏病（CKD)巳经成为威胁全世界公共健康的主要疾病之一。从近几年的统计来看，发达国家普通人群中约有6.5%~10%患有不同程度的肾脏疾病，其中美国肾脏病患者人数已经超过2000万，医院每年收治的病人人数高达100多万。
我国慢性肾脏病患病率约在10%~13%，慢性肾脏病人总数多达1亿人。据统计，全球由慢性肾脏病所引起的终末期肾衰患者数量正以每年8%的速度增长气对于这些患者，每周3次每次时间长达4小时的血液透析（HD)治疗已成为维持其生命最重要的手段。国外资料显示普通人群中ESRD患病率为0.2%?0.4%，目前闩本人口 1亿3000万，正在血液净化治疗的患者有28万余人;估计我国ESRD患者大概在100?200万。另一方面，慢性肾病的医疗费用十分高昂，尤其是终末期肾脏病（ESRD)需要透析和肾脏移植的费用就更为惊人，在美国CKD患者虽只占医疗人群的7%，但其治疗费用却占美国医疗总预算的24%; ESRD患者每人每年的透析费用需65,000美元[1191。根据美国肾脏病数据系统(USRDS)2011年度报告， 2009年美国进行透析和肾脏移植的ESRD患者有57.14万例，其中进行血液透析治疗的有37.0274万人，共花费了美国医疗保险(Medicare)超过426亿美金。在我国血液透析的人均年医疗费用约10万元；2005年我国透析费用为70多亿元，随着我国医疗保障制度改革的深入，接受血液净化治疗的患者将迅速增多，届时医疗费用将超过1000亿元。面对庞大的患病人群和高昂的医疗费用，一种便捷、廉价的肾病检测和血液透析效果评价方法成为解决这个问题的关键所在。现代医学诊
