呼吸是生物生存的最基本的生命活动，起着氧气摄入与代谢气体排出的作用。此外，呼吸中包含了很多与生物体状态相关的信息，例如，呼吸频率，呼吸声音等物理信息。从化学分子层面上说，呼吸是具有丰富生物标记物的一种载体。例如，糖尿病患者的呼吸常有“坏苹果”味，这正是呼出丙酮较高导致的；近年来高发的呼吸道类传染病，如COVID-19，也可以通过呼出的气溶胶进行传播。然而，具有流动性的气态呼吸的采样与检测非常具有挑战性，从而限制了呼吸分子监测的应用。

  类似于冬天呼出的哈气，呼气冷凝物（exhaled breath condensate，EBC）是呼吸遇到冷凝界面产生的液体基质，其蕴藏着丰富的化学分子信息，例如以可溶性气体、气溶胶或液滴形式呼出的小分子生物标志物（如丙酮、氨、白三烯等）、细胞因子和病原体（如 SARS-CoV-2、 结核杆菌特征物）。它可以揭示人体健康的各种状况，并为各种呼吸和代谢疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺病 (COPD)、COVID-19、肺癌、肺结核、糖尿病、慢性肾病等）的早期诊断、监测和管理提供有价值的信息。

  目前，临床上常用的两种采集方法包括使用冰桶产生的临时低温或利用热电冷却装置。然而，前者的冷却时间短，温度变化大，后者则受到耗电量大、重量和尺寸的限制，从而限制了其可穿戴式应用。检测方面使用质谱法或荧光测定法进行实验室分析，以评估气道炎症。然而，将这些技术面临着与人力、时间、金钱和能源成本相关的巨大挑战。此外，样品处理和储存过程中活性物质的降解、口腔成分的干扰以及缺乏连续动态信息等问题也严重阻碍了EBC检测的实际和广泛应用。同时，以往的 EBC 研究过于关注有限的气道炎症氧化应激分析物，而相对忽视了其他具有生理意义的生物标记物，如代谢产物、微生物生物标记物和肿瘤生物标记物等。为了更准确、深入和全面地了解呼气冷凝物所蕴含的人体生理信息，在数字健康时代，解决高保真、实时、长期和原位监测各种呼气冷凝物生物标记物的新挑战势在必行。

  加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授团队介绍了一种用于可穿戴式监测呼气冷凝物的智能口罩创新概念，重点是集成在日常口罩上的柔性微流体装置（Exhaled Breath Condensate Analysis and Respiratory Evaluation System，EBCare）。该系统设计用于持续冷凝呼出的湿气、自动捕捉和刷新呼气冷凝液（EBC）以及实时、原位多重分析生物标记物。鉴于目前在了解和检测EBC生理方面存在的差距，这种可穿戴的呼气冷凝物分析技术在应对上述挑战方面具有巨大潜力，并为探索呼吸中生物标志物的动态组成和生理意义建立了一个通用的研究平台和范例。该项目的成功实现对EBC中生物标志物的日常和临床可穿戴监测，为代谢和呼吸健康评估提供一种无创的个人精准医学方法。相关成果以（A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis）为题发表在《Science》上。加州理工学院博士生衡文正为第一作者。

图1. 智能口罩EBCare，可高效采集和连续分析呼出气冷凝物

  该系统可以分为呼吸冷凝，液体传输，电化学检测，穿戴实验四个主要部分。

图2. EBCare 器件用于呼吸冷凝的串联冷却设计的特性。

图3. 用于 EBC 采样、传输和刷新的 EBCare 设备的微流体设计。

图4 用于原位多路复用 EBC 分析的无线电化学生物传感器阵列的设计与表征

图5. EBCare智能口罩用于健康人群和呼吸道疾病患者人群 EBC 分析的人体评估。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6471