挥发性有机化合物，按照世界卫生组织（WHO，1989）的定义，指沸点在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物，可分为烷类、芳香烃类、烯类、卤烃类、酯类、酮类和其他化合物。近几十年来，越来越多的研究开始探讨通过检测人体VOC水平进行疾病诊断的可行性，并取得了一些进展。
1 人体呼气中VOC来源
VOC广泛存在于外界大气中。各种人类的生活生产过程，如食品、钢铁、石油化工等生产过程，机动车排放尾气，室内装潢家具以及自然界一切动植物的生命活动都是大气中VOC的重要来源。
人体呼气中的VOC有两个主要来源：外源性和内源性VOC。外源性VOC可产生于人类生产活动、自然植物释放等多种过程，它们通过人体呼吸进入人体或直接通过皮肤吸收。内源性VOC可产生于人体内多种不同的生化反应过程中，如维持细胞膜完整性、能量代谢、氧化应激等各种基本细胞功能均与VOC产生有关。目前认为，氧化应激可能是内源性VOC产生的主要过程。
2 人体内VOC的代谢
2.1通过细胞色素P450氧化酶系统代谢
在人体某些生理或病理状态下细胞色素P450氧化酶系统可有不同程度的增强或抑制，此时人呼气中VOC也出现变化，如有研究显示在部分肺癌患者体内细胞色素P450系统激活，引起VOC的降解加速，可导致呼气中成分的改变。
2.2通过肺呼出
VOC可以在全身各种细胞中产生，由于其在水中溶解度极低，可以通过血流到达肺泡，并通过呼气排出体外。因此，呼气中内源性VOC认为主要来源于肺泡。
3 VOC的检测方法
由于VOC在呼气中的浓度极低，需要应用特殊的样本前处理技术及敏感性极高的仪器对其进行检测。目前比较常用的仪器有气相色谱，质谱联用仪（gas chromatography/mass spectrometry，GC-MS）、质子转移反应质谱仪（proton transfer reaction mass-mass spectrometry，PTR-MS）及电子鼻传感器等。
GC-MS是一种将气相色谱仪经接口与质谱计结合而构成的气相色谱一质谱法的分析仪器。VOC通过GC时会有各自的保留时间，通过MS时会形成特征性的碎片离子，两者数据结合再与数据库中已知物质进行比对，就可以确定VOC的种类。GC-MS在VOC分析中应用存在不少不足之处，如分析周期长、精确定量较难等。除此以外，检测样品需要预浓缩处理，常用的方法有固相微萃取（solid phase microex-traction，SPME）等。
PTR-MS采用“软”电离方法——质子传递反应，利用被测物质子亲和能高于水而低于高聚水的性质使物质电离，使多种VOC能与H3O+进行反应VOC+H3O+→[VOCs+H]++H2O，产生分子离子，之后通过获得分子量信息，对混合物成分定性定量。它具有无需预处理过程、测量时不形成碎片离子、检测速度快、灵敏度高等优点，而且是绝对量测定，不需要标定。但PTR-MS无法明确VOC种类，制约了在VOC检测中的应用。
电子鼻是一种利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，它通过传感器阵列与不同气味分子（包括VOC）发生作用，产生不同的响应谱来对气体进行分析。电子鼻具有高敏感、便携及易操作等诸多优点。然而，高湿度及某单一物质极高浓度均会影响到电子鼻的敏感性，无法提供绝对校准，一些传感器原件相对低寿命，无法提供计量资料，这些都影响到电子鼻在实际临床工作中的应用。
4 人呼气中VOC检测与肺癌
早在20世纪70年代，Pauling等便在人呼气中检测到200多种VOC成分，接着，逐渐发现其中的一些成分与不同的病理状态有关。之后不少研究者用改进的方法对人呼气中的VOC进行检测，结果都显示呼气中的烷烃等VOC与肺癌相关。他们筛选出多种VOC构建出不同的肺癌诊断模型，可达到较好的敏感度和特异度。
近几年，人们对呼气VOC的研究从单纯的临床研究转移到组织甚至细胞水平，不断尝试新的方法对呼气VOC进行检测，并对可能影响到肺癌诊断的其他因素（如炎症或其他肿瘤等）进行探讨，也开始对肺癌患者癌肿切除术后呼气VOC变化进行长期的随访研究。
Chen等从多位肺癌患者体内取得的肺癌细胞进行培养，并应用SPME-GC方法对其培养瓶顶空气体进行VOC检测，同时对这些肺癌患者呼气中VOC进行检测，得到11种肺癌特征性的VOC，其中有一部分与肿瘤细胞培养时顶空气体所测的VOC相同。Poli等应用SPME-GC-MS方法，发现非小细胞肺癌患者手术切除3年后，呼气中异戊二烯及苯的浓度下降，戊烷、甲苯及乙苯的浓度上升。在肺癌组织VOC分析中发现，除了二甲苯以外，癌组织散发出的其他所有芳香烃浓度皆高于正常组织。最终研究者认为呼气VOC分析不仅可用于肺癌患者诊断，在其术后随访中也具有一定意义。Dragonieri等研究发现肺癌患者“呼气指纹”可与慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的相区别。Barash等应用基于金纳米颗粒传感器阵列的电子鼻对非小细胞肺癌患者呼气进行检测，与正常对照比较准确率达到了100%。2010年D'Amico等应用电子鼻对肺癌、其他肺部疾病（包括COPD、间质肺疾病、胸膜炎、支气管炎）、正常对照的呼气VOC进行检测并综合分析，总体诊断肺癌的敏感性大于80%，其中与正常对照比较敏感性为85%，与其他肺部疾病比较敏感性为92.8%，而3组综合比较敏感性为89.3%。
近些年来，人们也开始尝试应用PTR-MS方法对肺癌患者进行检测。Wehinger等发现质荷比为31（考虑为甲醛）和43（考虑为质子化后异丙醇的一个片段）的VOC在肺癌患者呼气VOC中显著升高。2009年Bajtarevic等用PTR-MS及SPME-GC-MS两种不同的方法，分别对肺癌、正常成人呼气中VOC水平进行检测。PTR-MS检测结果显示与正常对照比较，异戊二烯、丙酮、甲醇的含量有轻度减少。SPME-GC-MS则在两组之间发现50多种不同VOC，从中选取特定4种、15种、21种VOC建立肺癌诊断模型，敏感性分别为52%、71%、80%，特异性皆为100%。Bajtarevic等还就吸烟对呼气中VOC影响进行研究，发现吸烟的确会影响呼气中VOC的种类和水平，如乙腈几乎存在于所有吸烟患者中，而在非吸烟患者中含量极低，可以作为一种吸烟相关的VOC。
5 呼气VOC检测与其他肿瘤
Phillips等将GC-MS技术用于乳腺癌的诊断，敏感性和特异性分别为93.8%和84.6%。Qin等又应用SPME-GC-MS检测肝癌患者呼气，发现3-羟基-2-丁酮、苯乙烯、癸烷可以作为肝癌潜在的标志物，其中3-羟基-2-丁酮被认为最有诊断价值。这些标志物诊断肝癌的敏感性和特异性可分别达到86.7%和91.7%。de Gennaro等实验证明GC-MS呼气分析可用于恶性间皮瘤患者和长期石棉暴露、正常对照两组人群的鉴别，并认为环戊烷可能是进行鉴别的重要化合物。Silvano Dragonieri等用电子鼻也得出了相似结果。
更值得注意的是，当Peng等将金纳米颗粒传感器阵列电子鼻应用到肺癌、乳腺癌、结肠癌、前列腺癌及正常对照组在呼气的鉴别中时，发现这种电子鼻不仅可以区分癌与非癌，还可以将不同癌症很好的区分开来。他们还应用SPME-GC-MS进行相同实验，发现虽然与正常对照比较时，各种癌症都具有各自独特的VOC谱，但在综合分析时，SPME-GC-MS却无法将各种癌症区分开来。接着同一研究团队又应用同一电子鼻鉴别良性乳腺疾病与乳腺癌，也获得了较为满意的结果。研究成果使人们看到了呼气分析，特别是电子鼻，在全身多种癌症诊断方面的巨大潜力和广阔前景。
6 呼气分析中存在的问题
6.1肿瘤患者呼气中VOC成分变化的机制不明
目前，人们对于各种内源性VOC的产生机制仍不甚清楚，因此对于在某些疾病或应激状态下人体呼气中VOC成分变化的机制也一直存在争论。
Poli等对非小细胞肺癌患者手术后的随访发现，癌肿切除短期内对呼气中VOC影响不大，故Poli提出肺癌患者呼气中VOC可能并不来自或仅仅小部分来自肿瘤组织，不能作为肺癌的标志物，而其变化也仅仅是肺癌的伴随症状。而之前Di Natale等应用基于石英微天平传感器系统的电子鼻对肺癌患者、肺癌术后患者及正常对照的呼气进行检测，发现56%的肺癌术后患者被划分为正常对照组，而另外44%也不与肺癌组重叠，被单独划为肺癌术后组，故认为应用电子鼻所测得的呼气中VOC的变化直接来源于肺癌细胞本身。Chen等用SPME-GC方法对肺癌患者呼气进行检测，得到11种肺癌特征性的VOC，其中有一部分与相应肺癌细胞株顶空气体所测的VOC相同。故研究者认为肺癌患者呼气VOC的改变一部分源自肺癌细胞本身，而另一部分可能源自肿瘤微环境的巨大变化，如氧化应激造成。之后人们又发现，虽然肺癌呵导致局部氧化应激反应加强，但与COPD等其他引起氧化应激的肺部疾病比较，呼气中VOC的改变并不相同。对于各种引起氧化应激的非肿瘤疾病，其所测得的呼气中VOC改变也不尽相同。
因此，呼气中VOC成分的改变机制目前仍不清楚，很可能是一个多因素影响的复杂过程，仍需要进一步的探索。
6.2各种呼气分析仪器的局限性
GC-MS可对呼气中VOC进行定性定量，在呼气分析中较为常用。但由于GC-MS本身仅能对ppm级的化合物进行检测，这远远不能达到对呼气中VOC检测的要求（常为ppb级），因此需对呼气中VOC进行预浓缩处理。SPME是一种常用的预浓缩方法，但它对不同VOC的浓缩程度不同，能够选择性加强一些VOC信号，同时减弱另外一些VOC信号，最终对分析结果产生影响。而PTR-MS和电子鼻虽然无需进行预浓缩处理，检测方便、高效，但PTR-MS不能对所检测VOC定性，电子鼻只能得到特定“呼气指纹”，无法对VOC定性定量，且人们对电子鼻鉴别呼气的明确机制仍有争议。
6.3呼气采集方法对实验结果的影响
呼吸道死腔可对呼气VOC检测产生影响。人体内源性VOC通过肺泡毛细血管膜进入肺泡气体中，因此直接测定肺泡气体中的VOC可能更具有价值。而呼吸道死腔气体会影响肺泡气体的采集，因此通过呼气采集器将死腔气体排除，直接采集肺泡气体，应可增加结果的准确性。Miekisch等研究较好揭示了混入呼吸道死腔气体对呼气分析最终结果产生的影响。除此以外，呼气采集前呼吸的深度、是否剧烈运动以及呼气采集时呼气流速均可能对呼气中VOC的检测结果产生影响。
7 结语
呼气分析无创、价格相对低廉，若采用电子鼻为检测手段具有便携、快速、敏感、高效等诸多优点。它能够用于多种疾病的鉴别，特别是在肿瘤性疾病的早期筛查和诊断中具有其他传统方法无法比拟的优势。当然，呼气分析最终用于临床仍有很长的路要走，如需多中心、大样本的研究对现有结果进行验证，进一步研究呼气中VOC产生和与不同疾病相关的机制，确立标准的呼气采集标准和流程、标准的检测和分析方法，研究在各种复杂临床情况下确保呼气分析敏感性和特异性等诸多问题。但呼气分析作为一种全新的诊断方法，必将具有广阔的临床应用前景。
