Máy đo nồng độ cồn trong khí thở hoạt động như thế nào để đo nồng độ cồn trong máu,
nhiều giờ sau khi một người uống rượu, mà chỉ dựa vào hơi thở của người đó?
Hơi thở ra chứa hàm lượng của hàng trăm, thậm chí hàng ngàn
hợp chất dễ bay hơi hữu cơ:
những phân tử nhỏ và nhẹ đủ để lơ lửng như chất khí.
Một trong số đó là ethanol, chất chúng ta dùng trong đồ uống có cồn.
Nó đi xuyên qua dòng máu đến những túi khí nhỏ trong phổi,
và tồn tại trong hơi thở ra với nồng độ trung bình thấp hơn 2,000 lần
so với trong máu.
Khi một người thổi vào cồn kế,
ethanol trong hơi thở của họ đi vào khoang phản ứng.
Ở đó, nó được chuyển thành phân tử khác, gọi là acetic acid,
trong một lò phản ứng đặc biệt có khả năng tạo ra dòng điện suốt phản ứng.
Độ mạnh của dòng điện chỉ ra lượng ethanol trong mẫu khí,
và từ đó suy ra nồng độ trong máu.
Ngoài những chất hữu cơ dễ bay hơi như ethanol
mà chúng ta dùng trong đồ ăn và thức uống,
những phản ứng sinh hóa của cơ thể người cũng sản sinh nhiều chất như vậy.
Và khi có điều gì đó làm gián đoạn những phản ứng này, bệnh tật chẳng hạn,
lượng chất hữu cơ dễ bay hơi tích tụ trong hơi thở
cũng sẽ thay đổi.
Vậy liệu chúng ta có thể phát hiện bệnh bằng cách phân tích hơi thở bệnh nhân,
mà không cần tới những phương pháp chẩn đoán xâm lấn khác
như sinh thiết, lấy máu và phóng xạ không?
Theo lý thuyết là có,
nhưng xét nghiệm bệnh phức tạp hơn nhiều so với thử nồng độ cồn.
Để phát hiện bệnh,
những nhà nghiên cứu phải xem một bộ mười chất trong hơi thở.
Một bệnh nào đó có thể làm nồng độ vài chất trong số đó tăng hoặc giảm,
trong khi những chất khác không thay đổi.
Kết quả mô tả có thể sẽ khác nhau trong mỗi bệnh,
hoặc thậm chí khác nhau trong từng giai đoạn của một bệnh.
Ví dụ, ung thư là bệnh được nghiên cứu nhiều nhất
trong việc chẩn đoán bằng phân tích hơi thở.
Một trong những thay đổi sinh hóa mà các khối u gây ra
là làm tăng một lượng lớn các phản ứng tạo năng lượng
gọi là đường phân.
Được biết tới như hiệu ứng Warburg,
sự tăng các phản ứng đường phân làm tăng các chất chuyển hóa như lactate
sau đó sẽ ảnh hưởng đến cả một chuỗi những quá trình chuyển hóa khác
và cuối cùng dẫn đến thay đổi thành phần khí thở ra,
có thể bao gồm cả tăng nồng độ các chất dễ bay hơi
ví dụ như dimethyl sulfide.
Nhưng hiệu ứng Warburg chỉ là một dấu hiệu tiềm năng của ung thư,
chứ không thể tiết lộ gì thêm về loại ung thư cụ thể.
Phải cần rất nhiều các dấu hiệu khác để đưa ra chẩn đoán.
Để tìm những khác biệt nhỏ ấy,
các nhà nghiên cứu so sánh hơi thở của người bình thường
với người bị một bệnh nhất định
bằng việc sử dụng những mô tả dựa trên hàng trăm mẫu hơi thở.
Phân tích phức tạp này cần một loại cảm biến khác biệt,
và đa năng hơn máy đo nồng độ cồn trong khí thở.
Một số loại cảm biến đã được phát triển.
Một vài trong số đó phân biệt các chất riêng biệt
bằng việc quan sát cách chúng di chuyển qua một bộ điện trường.
Số khác sử dụng một dãy điện trở làm từ những vật liệu khác nhau
mà mỗi loại thay đổi giá trị điện trở khi tiếp xúc với một hỗn hợp nhất định
của các chất hữu cơ dễ bay hơi.
Nhưng vẫn còn những thách thức khác.
Những chất này xuất hiện với nồng độ rất thấp,
thường chỉ vài phần tỷ,
thấp hơn nhiều so với ethanol trong hơi thở.
Nồng độ của các chất có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác ngoài bệnh,
bao gồm tuổi tác, giới tính, dinh dưỡng và lối sống.
Cuối cùng, vấn đề là phân biệt
chất nào trong mẫu hơi là được sản sinh từ cơ thể bệnh nhân
và chất nào là do hít vào từ môi trường bên ngoài
ngay trước khi làm thử nghiệm.
Vì những thách thức này mà phân tích hơi thở vẫn chưa hoàn chỉnh.
Nhưng những thử nghiệm lâm sàng sơ bộ trên ung thư phổi, đại tràng,
và các cơ quan khác đã cho những kết quả đáng khích lệ.
Ngày nào đó, phát hiện ung thư sớm sẽ dễ dàng như hít vào và thở ra.