空氣汙染是當代社會面臨的重大環境問題之一。以PM_2.5、O₃🤸🏽‍♀️、生物氣溶膠等為特征的空氣汙染對人類健康影響巨大🍐，如引發炎症👨🏽‍🍳、氧化應激、呼吸系統疾病💲、心血管疾病等𓀚，甚至是死亡。近日國務院出臺了《空氣質量持續改善行動計劃》👇，強調以改善空氣質量為核心，以減少重汙染天氣和解決人民群眾身邊的突出大氣環境問題為重點☎，以降低細顆粒物（PM_2.5）濃度為主線，大力推動氮氧化物和揮發性有機物（VOCs）減排。減排的最終目標是保護人群健康，但目前還是以顆粒物的質量濃度來評估空氣質量和控製效率，而缺失了實際健康效應的考量。

大氣中除了顆粒物，還有氣體汙染物以及生物成分如過敏原💅🏻🦹🏽、毒素等❇️㊗️。人體呼吸暴露的健康效應需要考慮所有這些物質的效應以及它們可能存在的協同作用。此外🙆，目前研究空氣汙染健康效應的方法通常采用離線技術，如PM鼻腔灌註、血液註射或富集後再氣溶膠化，並需要進行繁瑣⬜️🧑🏽‍⚕️、有創的組織或血液取樣分析🦹🏿‍♂️🔖。這些缺點限製了對真實環境中空氣汙染健康危害的精準的、具有時效性的評估和預警⁉️。實時在線監測大氣汙染綜合健康效應的實現能夠更精準地、更時效地評估空氣汙染的健康危害，為大氣汙染控製的最佳健康收益提供技術支撐🧾。

針對以上問題，意昂3体育官网環境科學與工程學院要茂盛教授團隊在過去的幾年裏一直致力於新一代空氣毒性監測方法和技術的創新⛓📸，專註於利用早期健康效應生物標誌物的無創分析🪖🕓，實現空氣汙染健康效應的實時在線監測與預警。最近研發了基於大鼠活體傳感實時在線監測空氣汙染健康效應的系統。該系統通過集成活體大鼠♙、大鼠呼出氣標誌物實時監測陣列、網絡數據傳輸與顯示系統，實現了大氣汙染健康效應的實時探測與顯示，開啟了新模式的空氣汙染監測思路（圖1）。該系統已經在全國12個重要城市部署示範監測空氣汙染健康效應。

圖1. 基於大鼠呼出氣標誌物實時監測空氣汙染健康效應實物圖

該監測系統經過了實驗室可控研究以及室外環境大氣監測示範🟫👨🏻，系統包括活體大鼠、大鼠呼出氣標誌物監測裝置以及網絡顯示系統𓀂。研究團隊首次開發了一種集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS）🉑，該傳感器由8個低成本氣體傳感器組成，用於同步實時監測活體動物呼出氣中的TVOC、CO₂🦸🏽🤦🏿‍♂️、CO、NO、H₂S🧑🏿‍💻、H₂O₂🤽🏻‍♀️🕵️‍♂️、NH₃和O₂🚵🏿‍♂️。在實驗室可控研究中，將27只Wistar大鼠暴露於9個不同汙染時段的室外汙染空氣中，並將24只大鼠暴露於實驗室控製的臭氧中（0 μg/m³, 150 μg/m³, 300 μg/m³, 1000 μg/m³）🚠，暴露時間均為2小時。使用IEBAS監測大鼠呼出氣中8種氣體標誌物在汙染空氣暴露前後的變化，並使用氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）分析呼出氣體中具體VOCs的變化。在實驗室臭氧暴露後🧖🏿‍♂️，同時對大鼠進行靜脈采血以檢測傳統的炎症及氧化應激血液生物標誌物，從而對比不同方法在反映空氣毒性上的效果和靈敏度🙆🏼‍♂️。研究發現，在將大鼠暴露於真實室外汙染空氣後，使用集成式呼出氣陣列傳感器和GC-IMS實時監測到大鼠呼出氣中的多種氣體標誌物發生顯著改變（圖2）。其中🐡，PM_2.5汙染水平顯著影響了CO、NO🧑🏻‍🎓、H₂S、H₂O₂、O₂、NH₃和正丙醇的相對水平，O₃汙染水平顯著影響了NO🦶、H₂S、O₂、NH₃💬、庚醛和2-庚酮的相對水平；多種氣體標誌物與PM_2.5和O₃的濃度之間存在顯著相關性。這些證據表明👩🏽‍🦳，在2 h的暴露窗口中，PM_2.5和O₃的暴露顯著改變了大鼠呼出氣中多種氣體標誌物的釋放模式⤴️，並能通過本研究構建的方法實時在線監測到🖍。研究進一步在實驗室條件下驗證了該方法的可靠性，並發現合成空氣暴露2 h不會顯著改變大鼠呼出氣中的氣體標誌物🏌🏻‍♀️；而不同濃度的臭氧（150 μg/m³、300 μg/m³🧗、1000 μg/m³）暴露2 h顯著改變了大鼠呼出氣中的多種氣體生物標誌物，其中TVOC🏃🏻、CO、H₂S、O₂和庚醛與臭氧濃度之間具有明顯的劑量-反應關系（圖3）。這些證據表明，大鼠呼吸潔凈空氣時所研究的呼出氣標誌物改變不顯著，而呼吸毒性空氣時多種標誌物會發生重要變化，且與汙染物濃度存在劑量-反應關系🎽。相比較蛋白標誌物👨🏻‍✈️，呼出氣氣體生物標誌物對毒性空氣暴露的響應更為迅速和靈敏🤴🏽。

圖2. 真實室外汙染空氣暴露導致大鼠多種呼出氣標誌物改變

圖3. 臭氧模擬暴露驗證劑量-反應關系

這項研究通過利用活體大鼠開創了一種實時在線感知空氣汙染健康效應的新研究範式🙆🏿‍♂️，首次揭示了大鼠呼出氣中的多種無機和有機氣體生物標誌物在暴露於真實環境汙染空氣後快速發生顯著改變，同時獲得了PM_2.5和O₃暴露的重要候選生物標誌物信息🤦🏽。通過使用本研究發明的集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS）🧑‍🧑‍🧒，可實現基於活體傳感的空氣汙染健康效應的實時在線監測。相比於傳統的基於血液和組織的毒理學分析方法🕉，本方法的優勢在於呼出氣的在線🤒、簡便、無創、低成本檢測分析🤽🏻，並且能夠提供多維度、高分辨率的健康效應信息🙍🏿。除城市空氣汙染監測外，該方案也可應用於醫院、學校、地鐵、海關等高風險場所以及生化反恐事件中的空氣生物安全預警保障。同樣的呼出氣生物標誌物監測方案也可用於臨床患者的健康狀況監測。

目前，課題組已經與國內12所大學建立合作🎖🖖，並通過與北京工匠生物科技有限公司合作分別在北京👩🏼‍🍳、太原⏸、呼和浩特🤝🐑、西安、蘭州、鄭州🤷🏼‍♀️、南京、杭州🚴🏽‍♀️、長沙、成都🤹‍♀️、昆明🧗🏼、貴陽部署了相關監測系統（圖4）。通過大鼠原位暴露🦹🏻‍♀️、呼出氣自動采集、傳感陣列分析和網絡傳輸顯示，該系統可以實時、同步、在線觀測到不同城市24小時的大氣汙染健康效應，實現對汙染事件的快速預警和不同地區空氣毒性差異的有效區分👰‍♂️，為大氣汙染的精準防控提供了重要的技術支撐🧛🏼。

圖4. 實時在線監測全國不同城市空氣汙染健康效應

該項研究在大氣汙染健康效應方面屬於全新的研究範式，研究成果以“Real-time Monitoring of Air Pollution Health Impacts Using Breath-Borne Gaseous Biomarkers from Rats”為題發表在Environ.Sci. Technol.刊物上。論文的第一作者為意昂3体育環境學院博士生朱晨宇，要茂盛為通訊作者。該項目主要得到了國家重點研發計劃（SQ2022YFC3700094）、NSFC創新研究群體基金（22221004）✤、廣州實驗室（SRPG22-007）以及國家重點研發計劃COVID-19專項基金（2023YFC3041200）的資助。相關技術系統已申報國家專利🧑🏻‍✈️。