天文学家和物理学家长期以来一直使用一种名为“光学频率梳”的激光传感器来研究宇宙的物质构成，并使计时更加精确。但是新冠疫情已将这种多功能工具从太空和物理学领域推向医疗保健领域。
光学频率梳是同时发射多种频率光脉冲的激光器。由于这些超快脉冲沿光谱精确间隔排列——从红外线到可见光颜色再到紫外线——它们在频率图上形成一系列峰值，看起来像梳子的齿。“梳子”可以以多种方式使用。例如，不同类型的分子吸收不同颜色的光；通过检测特定频率附近吸收哪些颜色的光，梳子可以识别空气样本中的特定分子。在最近的一项研究中，科学家证明了这种工具可以通过呼吸分析仪类型的测试检测新冠病毒，受试者只需对着管子吹气——这可能为多种疾病的快速、无创诊断测试铺平道路。
每次人类呼气时，我们都会排出 1,000 多种痕量分子，称为挥发性有机化合物或 VOC。“VOC 谱的变化可能与特定的健康状况有关，”加州大学戴维斯分校跨学科研究和战略计划副校长 Cristina Davis 说。学者们在几千年前就已知道某些呼吸气味与临床疾病或失调有关。Davis 说，古代希腊和中国医学文献中的参考文献表明，医生使用鼻子作为诊断工具。最近，狗已经过训练可以识别人类的某些疾病——物理学家 Jun Ye 说，激光梳探测器也需要训练，他是这项新研究的合著者。“我们正在使用机器学习训练我们的频率梳鼻子，一旦训练完成，它就会变成一只电子狗——灵敏度更高，”Ye 说。
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这项强大的“人工鼻”的优势在于能够以快速且无创的方式嗅探疾病，该研究的主要作者、科罗拉多大学博尔德分校的研究生梁启中说。梁补充说，为了获得最大的准确性，新技术新冠检测的阳性结果应随后进行更可靠的 PCR 检测。但对于机场、音乐会场地或医院的快速筛查，它可以胜过其他方法，例如用于评估潜在新冠感染的体温扫描，而无需进行侵入性鼻拭子。
频率梳的功能不仅仅是识别分子。它们最初在 20 世纪 90 年代被开发出来，用于制造更精确的光学原子钟，为此，发明者获得了2005 年诺贝尔物理学奖。梳子可以非常精确地测量原子的自然振荡，以至于它们已成为原子钟不可或缺的组成部分，原子钟通过计数这些振荡来非常准确地计时。在天文学中，研究人员使用光学频率梳来测量来自遥远恒星的光的频率；扰动可能表明恒星有系外行星。在大气科学中，它们已被用于研究温室气体。2008 年，Ye 和他在 JILA（国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所）的同事首次证明，该技术可以用作疾病生物标志物的呼吸测试。他们搁置了这一发现，但全球事件突然给了他们一个非常充分的理由在 2020 年 4 月重启这项工作。“将呼吸作为一种诊断工具已经存在一段时间了，”Davis 说，“但我认为正是疫情推动了研究兴趣真正向前发展。”
新冠疫情开始后不久，Ye 接到了来自国家科学、工程和医学院以及空军科学研究办公室同事的电话。他们想知道他早期的频率梳“呼吸分析仪”研究是否可能有助于开发一种无创的新冠检测方法。
Ye 和他的团队首先更新了他们 2008 年的技术。研究人员将激光梳的频率范围从光谱的近红外区域扩展到中红外区域——分子在中红外区域吸收光的强度是原来的两到三倍。信号增强使研究人员能够将该工具的检测灵敏度提高 1000 倍，从而使他们能够在万亿分之几百的极低浓度下识别分子。
接下来，Ye 的团队从 2021 年 5 月到 2022 年 1 月收集了 170 名科罗拉多大学博尔德分校学生和教职员工的呼吸样本。每位参与者都接受了传统的 PCR 鼻拭子新冠检测，其中约一半呈阳性。然后，研究人员使用频率梳分析参与者呼吸中分子的光吸收模式。将机器学习应用于频率梳数据，并结合已知的关于谁呈阳性或阴性的 PCR 数据，他们发现了六种“区分分子”，表明存在新冠感染。这项工作在一篇论文中进行了描述，该论文于 4 月份发表在《呼吸研究杂志》上。
梁说，人工智能是该项目成功的关键，因为频率梳在分析呼吸时会收集大量信息。“机器学习可以同时分析所有这些数据，并且可以自动找出利用所有这些区分信息来构建预测模型的最佳方法，”他说。
频率梳并不是检测人类呼吸中新冠病毒或其他疾病的唯一方法。其他方法包括气体色谱/质谱系统，例如 InspectIR 测试，该测试于 2022 年 4 月获得了美国食品和药物管理局的紧急使用授权。在这些基于化学的技术中，要分析的气体分子通过惰性气体分离，分解成碎片，然后进行测量。Davis 称这些类型的测试为“金标准”，但它们需要时间、专门的培训和笨重的设备，这限制了它们在实验室中的使用。Davis 一直在研究一种更小、便携式的测试类型，即离子迁移谱仪，它根据分子在电场中的迁移率来识别物质。其他选择使用与 VOC 结合的化学物质来分离和测试它们。“有 15 多家公司正在研究各种此类测试，”Davis 说。
梁说，频率梳技术是不同的，因为它使用激光光谱技术，因此“以非破坏性的方式检测呼吸中的分子”。他的意思是，梳子不会导致样品降解或产生任何不需要的副产品，而依赖化学反应的呼吸测试可能会产生这些问题。频率梳技术还具有真正快速的潜力：它最终可能会在几秒钟内提供结果，而其他呼吸测试则需要几分钟。
也就是说，您下次乘坐飞机时可能不会看到激光梳。“总的来说，呼吸测试尚未达到黄金时期，”埃默里大学和佐治亚理工学院的新冠测试专家、儿科医生和生物医学工程师 Wilbur Lam 说。他说，使用频率梳方法，“你会得到一个光学信号，而这个光学信号是否真正表明存在新冠感染还有待证明。目前，他们展示了一些相关性。但它与其他可能影响呼吸的疾病类型有何关联呢？”
如果频率梳“呼吸分析仪”在进一步的研究中确实证明了自己，那么它们可能会在许多临床环境中发挥巨大作用，而不仅仅是新冠病毒的快速检测。该研究的合著者、BioFrontiers 研究所跨学科研究主任 Kristen Bjorkman 认为，这项技术有一天可能会用于检测慢性阻塞性肺病、肾功能衰竭、肺癌和胰腺癌，甚至阿尔茨海默病。多项早期研究已提供初步证据，表明呼出气体的成分可用于这些诊断。
呼吸分析仪式测试也可能是诊断儿童的理想选择，Ye 说，一些儿科医生已经与他联系，询问儿童哮喘的频率梳测试。Ye 解释说，当孩子生病来到急诊室时，需要进行许多侵入性检查才能确定症状是由细菌性或病毒性疾病还是哮喘引起的。他说，丹佛的一位儿科医生告诉他，“‘想象一下，你可以对儿童进行呼吸分析，这完全是非侵入性的。如果孩子们只需要捐献一口气，他们就不会哭闹了。’”