[論文レビュー] Human breath analysis via cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy

Michael J. Thorpe, David Balslev-Clausen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2007

Advanced Chemical Sensor Technologies参考文献 23被引用数 206

ひとこと要約

本稿では、高感度で選択性が高く、迅速な人間の呼気分析が可能なキャビティ強化型光周波数コンブスペクトロスコピー系を提案する。最小検出吸収率は8×10⁻¹⁰ cm⁻¹、スペクトル分解能は800 MHz、1.5–1.7 µmの範囲で200 nmのカバー範囲を実現し、呼気中の微量バイオマーカー（CO、NH₃、CO₂の同素体比など）を高精度に検出可能であり、医療診断における非侵襲的応用の可能性を秘めている。

ABSTRACT

To date, researchers have identified over 1000 different compounds contained in human breath. These molecules have both endogenous and exogenous origins and provide information about physiological processes occurring in the body as well as environment-related ingestion or absorption of contaminants1,2. While the presence and concentration of many of these molecules are poorly understood, many 'biomarker' molecules have been correlated to specific diseases and metabolic processes. Such correlations can result in non-invasive methods of health screening for a wide variety of medical conditions. In this article we present human breath analysis using an optical-frequency-comb-based trace detection system with excellent performance in all criteria: detection sensitivity, ability to identify and distinguish a large number of biomarkers, and measurement time. We demonstrate a minimum detectable absorption of 8 x 10-10 cm-1, a spectral resolution of 800 MHz, and 200 nm of spectral coverage from 1.5 to 1.7 micron where strong and unique molecular fingerprints exist for many biomarkers. We present a series of breath measurements including stable isotope ratios of CO2, breath concentrations of CO, and the presence of trace concentrations of NH3 in high concentrations of H2O.

研究の動機と目的

• 人間の呼気中の微量バイオマーカーを非侵襲的かつ高感度で検出する手法の開発。
• 従来の呼気分析技術が抱える感度、選択性、速度の制限を克服すること。
• 高いスペクトル分解能と低い検出限界を実現し、複数のバイオ分子を同時に検出すること。
• 呼気中のCO₂、CO、NH₃の安定同素体比を測定する実用的応用を示すこと。
• 臨床的関連性のある文脈において、リアルタイムで定量的な呼気分析が可能なシステムの性能を検証すること。

提案手法

• 1.5–1.7 µmの範囲で、広帯域かつ位相ロックされた周波数基準を備えた光周波数コンブを用いる。
• 高ファインネスの光学キャビティを用いて光-物質相互作用を強化し、有効なパス長を延長する。
• 微小な吸収係数を測定するためにキャビティリングダウンスペクトロスコピー（CRDS）の原理を適用する。
• 周波数コンブスペクトロスコピーとキャビティ強化検出を組み合わせ、高いスペクトル分解能（800 MHz）と広帯域スペクトルカバー範囲（200 nm）を達成する。
• 迅速かつ高分解能の分子吸収特徴のスキャンを可能にするために、デュアルコンブ構成または安定化コンブを用いる。
• 基準スペクトルと制御されたガス基準を用いてキャリブレーションおよびバックグラウンド補正を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光周波数コンブスペクトロスコピーは、高感度および高分解能で、人間の呼気中に存在する複数の微量バイオマーカーを同時に検出可能か？
• RQ2 キャビティ強化型周波数コンブスペクトロスコピーを呼気分析の文脈で用いる場合、達成可能な最小検出吸収係数はどの程度か？
• RQ3 このシステムを用いて、呼気中のCO₂の安定同素体比をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ4 高湿度の環境下でも、水蒸気濃度が非常に高い中で、低濃度のNH₃を識別し、定量できるか？
• RQ5 リアルタイムで非侵襲的な呼気分析を実現するには、測定時間とダイナミックレンジはどの程度必要か？

主な発見

• システムは最小検出吸収率8×10⁻¹⁰ cm⁻¹を達成し、微量ガス検出において優れた感度を示した。
• 800 MHzのスペクトル分解能により、1.5–1.7 µm範囲の分子遷移を明確に識別可能である。
• 指紋領域で連続して200 nmのスペクトルカバー範囲を提供し、複数のバイオマーカーを同時に検出可能である。
• CO₂の安定同素体比（例：¹³CO₂/¹²CO₂）は高精度に測定され、代謝研究への応用が可能である。
• 高湿度環境下でも、H₂O蒸気濃度が高くてもNH₃の微量濃度が成功裏に検出され、耐環境性の高さが裏付けられた。
• 迅速かつ非侵襲的な呼気分析が可能であり、代謝疾患や肺疾患のリアルタイム臨床スクリーニングへの応用が期待できる。