天文學家和物理學家長期以來一直使用一種名為“光學頻率梳”的雷射感測器來研究宇宙的物質構成，並使計時更加精確。但是新冠疫情已將這種多功能工具從太空和物理學領域推向醫療保健領域。
光學頻率梳是同時發射多種頻率光脈衝的雷射器。由於這些超快脈衝沿光譜精確間隔排列——從紅外線到可見光顏色再到紫外線——它們在頻率圖上形成一系列峰值，看起來像梳子的齒。“梳子”可以以多種方式使用。例如，不同型別的分子吸收不同顏色的光；透過檢測特定頻率附近吸收哪些顏色的光，梳子可以識別空氣樣本中的特定分子。在最近的一項研究中，科學家證明了這種工具可以透過呼吸分析儀型別的測試檢測新冠病毒，受試者只需對著管子吹氣——這可能為多種疾病的快速、無創診斷測試鋪平道路。
每次人類呼氣時，我們都會排出 1,000 多種痕量分子，稱為揮發性有機化合物或 VOC。“VOC 譜的變化可能與特定的健康狀況有關，”加州大學戴維斯分校跨學科研究和戰略計劃副校長 Cristina Davis 說。學者們在幾千年前就已知道某些呼吸氣味與臨床疾病或失調有關。Davis 說，古代希臘和中國醫學文獻中的參考文獻表明，醫生使用鼻子作為診斷工具。最近，狗已經過訓練可以識別人類的某些疾病——物理學家 Jun Ye 說，雷射梳探測器也需要訓練，他是這項新研究的合著者。“我們正在使用機器學習訓練我們的頻率梳鼻子，一旦訓練完成，它就會變成一隻電子狗——靈敏度更高，”Ye 說。
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這項強大的“人工鼻”的優勢在於能夠以快速且無創的方式嗅探疾病，該研究的主要作者、科羅拉多大學博爾德分校的研究生梁啟中說。梁補充說，為了獲得最大的準確性，新技術新冠檢測的陽性結果應隨後進行更可靠的 PCR 檢測。但對於機場、音樂會場地或醫院的快速篩查，它可以勝過其他方法，例如用於評估潛在新冠感染的體溫掃描，而無需進行侵入性鼻拭子。
頻率梳的功能不僅僅是識別分子。它們最初在 20 世紀 90 年代被開發出來，用於製造更精確的光學原子鐘，為此，發明者獲得了2005 年諾貝爾物理學獎。梳子可以非常精確地測量原子的自然振盪，以至於它們已成為原子鐘不可或缺的組成部分，原子鐘透過計數這些振盪來非常準確地計時。在天文學中，研究人員使用光學頻率梳來測量來自遙遠恆星的光的頻率；擾動可能表明恆星有系外行星。在大氣科學中，它們已被用於研究溫室氣體。2008 年，Ye 和他在 JILA（國家標準與技術研究院和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所）的同事首次證明，該技術可以用作疾病生物標誌物的呼吸測試。他們擱置了這一發現，但全球事件突然給了他們一個非常充分的理由在 2020 年 4 月重啟這項工作。“將呼吸作為一種診斷工具已經存在一段時間了，”Davis 說，“但我認為正是疫情推動了研究興趣真正向前發展。”
新冠疫情開始後不久，Ye 接到了來自國家科學、工程和醫學院以及空軍科學研究辦公室同事的電話。他們想知道他早期的頻率梳“呼吸分析儀”研究是否可能有助於開發一種無創的新冠檢測方法。
Ye 和他的團隊首先更新了他們 2008 年的技術。研究人員將雷射梳的頻率範圍從光譜的近紅外區域擴充套件到中紅外區域——分子在中紅外區域吸收光的強度是原來的兩到三倍。訊號增強使研究人員能夠將該工具的檢測靈敏度提高 1000 倍，從而使他們能夠在萬億分之幾百的極低濃度下識別分子。
接下來，Ye 的團隊從 2021 年 5 月到 2022 年 1 月收集了 170 名科羅拉多大學博爾德分校學生和教職員工的呼吸樣本。每位參與者都接受了傳統的 PCR 鼻拭子新冠檢測，其中約一半呈陽性。然後，研究人員使用頻率梳分析參與者呼吸中分子的光吸收模式。將機器學習應用於頻率梳資料，並結合已知的關於誰呈陽性或陰性的 PCR 資料，他們發現了六種“區分分子”，表明存在新冠感染。這項工作在一篇論文中進行了描述，該論文於 4 月份發表在《呼吸研究雜誌》上。
梁說，人工智慧是該專案成功的關鍵，因為頻率梳在分析呼吸時會收集大量資訊。“機器學習可以同時分析所有這些資料，並且可以自動找出利用所有這些區分資訊來構建預測模型的最佳方法，”他說。
頻率梳並不是檢測人類呼吸中新冠病毒或其他疾病的唯一方法。其他方法包括氣體色譜/質譜系統，例如 InspectIR 測試，該測試於 2022 年 4 月獲得了美國食品和藥物管理局的緊急使用授權。在這些基於化學的技術中，要分析的氣體分子透過惰性氣體分離，分解成碎片，然後進行測量。Davis 稱這些型別的測試為“金標準”，但它們需要時間、專門的培訓和笨重的裝置，這限制了它們在實驗室中的使用。Davis 一直在研究一種更小、行動式的測試型別，即離子遷移譜儀，它根據分子在電場中的遷移率來識別物質。其他選擇使用與 VOC 結合的化學物質來分離和測試它們。“有 15 多家公司正在研究各種此類測試，”Davis 說。
梁說，頻率梳技術是不同的，因為它使用雷射光譜技術，因此“以非破壞性的方式檢測呼吸中的分子”。他的意思是，梳子不會導致樣品降解或產生任何不需要的副產品，而依賴化學反應的呼吸測試可能會產生這些問題。頻率梳技術還具有真正快速的潛力：它最終可能會在幾秒鐘內提供結果，而其他呼吸測試則需要幾分鐘。
也就是說，您下次乘坐飛機時可能不會看到雷射梳。“總的來說，呼吸測試尚未達到黃金時期，”埃默裡大學和佐治亞理工學院的新冠測試專家、兒科醫生和生物醫學工程師 Wilbur Lam 說。他說，使用頻率梳方法，“你會得到一個光學訊號，而這個光學訊號是否真正表明存在新冠感染還有待證明。目前，他們展示了一些相關性。但它與其他可能影響呼吸的疾病型別有何關聯呢？”
如果頻率梳“呼吸分析儀”在進一步的研究中確實證明了自己，那麼它們可能會在許多臨床環境中發揮巨大作用，而不僅僅是新冠病毒的快速檢測。該研究的合著者、BioFrontiers 研究所跨學科研究主任 Kristen Bjorkman 認為，這項技術有一天可能會用於檢測慢性阻塞性肺病、腎功能衰竭、肺癌和胰腺癌，甚至阿爾茨海默病。多項早期研究已提供初步證據，表明撥出氣體的成分可用於這些診斷。
呼吸分析儀式測試也可能是診斷兒童的理想選擇，Ye 說，一些兒科醫生已經與他聯絡，詢問兒童哮喘的頻率梳測試。Ye 解釋說，當孩子生病來到急診室時，需要進行許多侵入性檢查才能確定症狀是由細菌性或病毒性疾病還是哮喘引起的。他說，丹佛的一位兒科醫生告訴他，“‘想象一下，你可以對兒童進行呼吸分析，這完全是非侵入性的。如果孩子們只需要捐獻一口氣，他們就不會哭鬧了。’”