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光学光谱法广泛用于呼出气分析，主要采用中红外或近红外吸收光谱，而拉曼光谱和紫外/可见光谱几乎没有任何与呼出气分析相关的应用。尽管属于化学发光而不是光谱，但依赖光学检测的一种常见方法是测量呼出气一氧化氮（fractional exhaled nitric oxide，FeNO），这是一种临床上在治疗哮喘时确定的支气管炎症标记物。
正常的单程吸收光谱没有足够的灵敏度，非分散红外（Non-Dispersive InfraRed，NDIR）光谱只能在特殊情况下使用。但是，窄带红外/近红外激光光谱（可调二极管激光器，量子级联激光器，光学频率梳）由于其出色的光谱分辨率特性而表现出色。为了增加灵敏度，经常使用多程吸收池，例如使用腔衰荡光谱法（cavity ring-down spectroscopy，CRDS），这将有效光程长度增加了10 000倍或更多。依据CRDS引申出的方法包括：集成腔输出光谱（integrated cavity output spectroscopy，ICOS）、腔泄漏光谱法（cavity leak-out spectroscopy，CALOS）、腔增强吸收光谱法（cavity enhanced absorption spectrum，CEAS）和离轴腔增强吸收光谱法（offaxis cavity-enhanced absorption spectroscopy，OA-CEAS），它们在本质上是相同的，但在文献中有不同的称呼。例如，使用波长为5μm的边带激光器和带有两个高反射镜的光学腔，通过CALOS方法测量了FeNO。
光声光谱法（photo acoustic spectroscopy，PAS）是一种无背景的方法，其中调制激光在包含气态（呼出气）样品的吸收池中产生声波，然后用麦克风对其进行检测。LOD在1ppm～1ppb之间，具体取决于激光功率和电池设计。通常，只有具有清晰、窄吸收线的小分子（2～5个原子）可以通过光学方法测量。较大的分子（＞6个原子）具有更宽、更复杂的吸收特征，无法通过扫描单个窄带激光器来覆盖和/或显示光谱拥塞。
丙酮（m/z=58）是光谱学检测到的最大分子，特别是CRDS，LOD为57ppb，接近传感器系统的最低LOD。这些LOD对于实际应用是足够的，因为呼出气中的丙酮浓度通常在0.2～1.4ppm之间。与光谱有关的一个普遍问题是呼出气中的水蒸气和空气中存在的其他小分子会被强烈吸收。因此，理想情况下，在8～14μm之间的红外大气窗口中以及在0.2～5.5μm之间的可见中红外区域中对空气的痕量化合物进行光谱测量。有时甚至在红外大气窗口之外也可以使用可调谐二极管激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）。光谱学的另一个缺点是不能进行化合物的鉴定。例如，在一项基于激光光谱的研究中，列出了24种可区分哮喘患儿与健康对照的不同化合物，以及12种可区分囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）的不同化合物。但是，这种鉴定仅基于在红外光谱数据库中发现的分子。
目前使用的评估呼出气NO的方法主要是基于与臭氧（ozone，O 3 ）或鲁米诺（luminol）的化学发光反应。仪器使用氧化剂三氧化铬将一氧化氮转化为二氧化氮（nitrogen dioxide，NO 2 ），即NO通过10%～30%湿度的三氧化铬涂层，然后检测NO 2 与碱性鲁米诺/过氧化氢（hydrogen peroxide，H 2 O 2 ）溶液反应中的化学发光。一束由多孔聚丙烯构成的中空纤维膜用于将气态样品与luminol溶液接触，该膜由包裹在聚合物外壳中的50根中空聚丙烯纤维束组成，多孔膜可以使气相NO 2 与溶液充分接触。luminol/H 2 O 2 溶液流过纤维内部，而气体则在纤维外部流动。气相分子通过膜的孔扩散并进入溶液，从而导致化学发光反应。纤维是半透明的，可以应用微型光电倍增管来检测半透明空心纤维内发生的化学发光。这些仪器的LOD可以达到2ppb量级，分辨率为1ppb。基于臭氧的化学发光检测仪已获得FDA的批准，可监测哮喘患者的炎症过程。但是，除了测量原理的复杂性外，这些检测器还有一些不足之处，例如需要频繁校准、技术维护、O 3 对环境的破坏以及使用高压，并且仪器相对较大且昂贵。接下来我们将对化学发光法的基本原理和应用进行详细介绍。
臭氧法即在O 3 存在时NO被氧化，放出波长为600～3 000nm的光（最大发射波长为3 000nm），变为稳定的NO 2 分子，通过对NO 2 发射光的检测即可对NO进行定量测定，该方法灵敏度非常高，NO的检出限为5pmol/L。但这一方法由于存在以下不足而使其操作比较复杂：①只能检测气相中的NO，所以当检测样品为溶液时，需对样品进行减压处理，使溶液中的NO释放至气相中后方能检测；②样品需经还原处理；③气相中极易混入一些杂质，对测定结果有干扰；④对光电倍增管的感光范围有特殊的要求。因此，该方法实用性不强。
luminol法被认为是测定NO最好的标准方法之一，应用最多。其原理是根据NO可被过氧化氢（H 2 O 2 ）氧化生成ONOO - ，而ONOO - 作为一种强氧化剂能够与化学发光剂luminol（2-氨基邻苯二甲酰肼）反应，使luminol呈激发态，当其返回基态时会发出很强的光。因为只有NO可以激发这一光化学反应，而NO 2- 和NO 3- 则不能，所以该方法能对溶液中的NO进行实时测定，且检测灵敏，是具有选择性的专属方法。
通过呼出气中NO的浓度来诊断和处理气道炎性疾病的方法已被大量报道。Gustafsson等首先报道了从人呼出气中检测到NO。化学发光法代表了用于气相NO分析的公认的“金标准”方法。气体样品中包含的NO分子是根据它们与O 3 反应产生的辐射进行检测的。O 3 是在仪器中真空生成的，可防止其他原子污染，并与气流样品中的NO反应。NO和O 3 之间的反应生成电子激发态的二氧化氮分子（NO 2 ）。这些分子随后还原为较低能量的基态会发射波长范围在600～3 000nm之间的电磁辐射（光子），可以通过光电倍增管对其进行放大和检测。结果显示，如果O 3 过量存在，则确定信号并线性对应于样品中的NO浓度。化学发光设备可能非常敏感，检测阈值水平为ppb，响应时间非常快，介于0.5～0.7s之间。另外，该技术能够对呼出气进行直接分析，或者通过对气袋采样的气体进行间接分析。但是，需要对仪器进行频繁的校准以确保可靠性，这可以通过使用浓度高达数百ppb的NO来实现。此外，这些分析仪需要外部无NO的空气在设备和真空泵系统中生成O 3 ，会增加制造成本。此外，化学发光分析仪相当大，重量在25～45kg之间，限制了其在常规临床应用或家庭监测中的使用，目前仅用于实验室分析。
最初使用化学发光分析仪进行的呼出气NO的研究表明，健康志愿者内部存在较大差异。这些差异可以通过仪器的检出限、响应时间、校准精度和采样方法来解释，但是在1997年，Silkoff等指出呼出气中NO的检测受呼气流量的影响，这成为NO变化的主要原因。欧洲呼吸学会（European Respiratory Society，ERS）和美国胸科学会（American Association for Thoracic Surgery，ATS）已建立了一致的下呼吸道呼出气标准化检测程序，并进行了更新。即在受试者无NO吸入的情况下，以50mL/s的呼气流速检测NO。为达到这一要求，采取了相应的措施，例如限流器的应用有助于呼气流速达到并保持50mL/s；需要至少5cm H 2 O的气道压力以阻止鼻NO污染；两个采样结果之间的差异不超过NO平均值的10%。根据ERS/ATS指南，Aerocrine公司的NO监测仪NIOX®旨在实现恒定流速的FeNO在线测量。其传感器是基于化学发光原理，呼出气样品中的NO被吸入反应室并与O 3 发生反应，用光电倍增管检测反应释放的光子，该光电倍增管产生与样品中NO含量成线性比例的电压。NIOX®分析仪的检测下限为2ppb，这是用于人类呼出气分析的合适范围。促进恒定流量的呼气对于可重现的FeNO值至关重要，尽管气道有压力变化，但仍可调节流量并监控呼气参数，以确保符合指导原则。呼气流速通过气动描记器进行监控以确保其保持在ATS建议的45～55mL/s范围内。
（王东春）