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呼出气分析用于临床诊断从方法学上大致可以分为两大类：测定呼出气成分和测定呼出气流速、流量等理化性质。其中，测定呼出气成分的呼出气诊断又可分为两种类型，包括直接检测呼出气成分的诊断方法以及检测呼出气中标志物含量的标记呼出气诊断方法。直接呼出气诊断是指对各种呼出气成分的含量变化直接进行检测，可反映机体的生理和病理改变，如O 2 /CO 2 呼出气分析可以评价体内氧和二氧化碳代谢状态；CH 4 /H 2 呼出气分析可以诊断小肠细菌过生长、碳水化合物吸收不良症和胃肠动力消化道生理病理状态等；CO呼出气检测可以测定红细胞寿命；NO呼出气分析可以诊断哮喘病等。标记呼出气诊断是指通过口服、吸入或注射等途径摄入标记过的底物，底物经过体内可从呼出气中呼出，然后测定呼出气中标志物的含量及变化，从而研究机体的生理、病理变化。常见如 13/14 CO 2 呼出气诊断（诊断幽门螺杆菌感染）、H 2 18 O呼出气诊断（用于总体水量测量）等。在过去20年中进行的大量研究表明，呼出气在医疗领域具有应用的潜力，其中癌症诊断是最具吸引力的研究之一，此外，在人体的系统性疾病、感染性疾病等中均具有很高的应用潜力和前景。
人体的呼出气可以含有成千上万的VOCs和半挥发性化合物，与新陈代谢等生化过程有关。VOCs由各种代谢过程产生，并由人类通过呼出气、肾脏和皮肤释放出来。癌细胞的生长可以直接产生VOCs，也可以影响宿主的生化途径。肿瘤细胞产生独特的癌症VOCs谱，其可以反映疾病状况。检测和分析呼出气中的VOCs生物标志物已被认为是癌症诊断和健康检查的新领域，因为它有可能开发出简单、无创和廉价的癌症筛查工具。目前，一些与癌症相关的代谢紊乱可以通过分析VOCs的化学成分和丰度来监测。与癌症相关的VOCs可以在细胞培养物的顶部空间以及人类受试者的尿液、皮肤、血液和呼出气样本中检测到。与健康对照受试者相比，癌细胞的存在会影响呼出气中化学物质的成分和丰度，这可用于指示患者患癌症的可能性。通过使用各种统计学方法，多种类型的癌症如肺癌、食管癌、结直肠癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、头颈癌、前列腺癌和喉癌，均可以通过呼出气分析的方法进行识别。
肺癌的发病率较高，且预后不佳，主要是由于缺乏早期的诊断及治疗。虽然采用了计算机断层扫描（CT）进行筛查，但其诊断肺癌仍然具有较高的假阳性率。由于呼出气诊断的无创性，通过呼出气诊断的能力可能会对临床产生重大影响，大大减少了CT检查带来的辐射暴露。呼出气冷凝液作为一种新型检测肺癌的方法，因其收集简单、非侵入性等优点，越来越成为研究的焦点。对肺癌患者呼出气冷凝液中生物标志物进行研究，有助于辅助肺癌早期诊断，且在病情评估、疗效评价、预后估计等方面也起到重要作用。多年来，这已被探索为肺癌早期检测和诊断的潜在途径。Gordon等人早期开展了肺癌呼出气VOCs的研究，他们应用气相色谱-质谱分析了肺癌患者和健康对照组的呼出气样本，发现呼出气中的VOCs几乎可以将两组完全区分。在肺癌患者中，呼出气中出现的三种主要化合物（异戊二烯、丙酮和甲醇）的浓度略低。近年来，研究者认为，与肺癌有关的一个生物标志物是2-丁酮，它在肺癌患者的呼出气中浓度明显高于健康志愿者，在肺癌组织顶空中的浓度高于健康组织。有趣的是，几乎所有的醛类物质都被癌细胞消耗（例如CALU-1、NCI-H2087、NCI-H1666、A549），然而与健康志愿者相比，一些醛类物质（戊醛、己醛、辛醛、壬醛）在肺癌患者的呼出气中浓度增加。肺癌患者呼出气中的异戊二烯浓度比健康志愿者低，并与免疫激活成负相关。
对胃癌细胞的体外研究表明，3-辛酮和2-丁酮可潜在地成为胃癌的生物标志物，因为这些分子存在于胃癌细胞的顶空而不存在于正常胃黏膜细胞的顶空中。此外，4-异丙氧基丁醇、壬醇和4-丁氧基丁醇在胃癌细胞和正常胃黏膜细胞之间的相对峰面积比分别为4-异丙氧基丁醇≤0.3，壬醇≤0.36，4-丁氧基丁醇≤0.40，提示这三种物质也可能是胃癌的潜在生物标志物。然而，鉴于癌细胞周围的环境会显著影响呼出气中的VOCs，需要进一步的体内研究来验证这些生物标志物。对21名疑似晚期上皮性卵巢癌患者在治疗干预前的呼出气样本以及38名良性结节患者的呼出气样本进行检测，结果表明，妇科恶性肿瘤患者的肟-甲氧基-苯基、苯酚和1-己醇-2-乙基的丰度是良性结节患者的两倍。
前列腺活检是诊断前列腺癌的“金标准”，然而其是一种侵入性检查，需要一种新型的非侵入性诊断工具，既能够实现前列腺癌极高的预检概率，又能减少不必要的活检次数。最近的研究表明，呼出气中的VOCs可通过训练人工神经网络（artificial neural network，ANN）来检测不同类型的癌症。在未来可以通过大样本研究，建立与前列腺癌相关的高特异性和敏感性的呼出气诊断模型，将模型预测结合血清PSA或MRI共同指导前列腺癌的早期诊断。只有具有较高风险的患者才建议进行活检，从而减少了不必要的活检和感染并发症的风险。除此之外，呼出气谱图模型预测不仅在早期诊断上发挥作用，还可以帮助已被确诊前列腺癌的患者在接受治疗后判断治疗效果，如果经过治疗后模型预测由阳性变为阴性，是治疗成功的客观反映。
呼出气分析技术有可能成为早期癌症患者的分流或转诊工具，而这些患者没有症状或表现出非特异性症状。患者可以从初级保健转到专科保健，专家可以随后实施更高级的测试、组织活检，以进一步调查他们的疾病。此外，VOCs的测量和分析有可能成为一种有效的癌症复发监测工具，马卡尔和他的同事进行的一项研究表明，呼出气中VOCs的结果是手术后结直肠癌复发的生物标志物。
在临床实践中更广泛地实施呼出气分析需要仔细考虑。第一种选择是中央或区域实验室模式，在全科或医院收集呼出气样本，并将其送往实验室进行分析，方法与血液检查类似。呼出气采集装置的设计和呼出气样本的运输方法对这种方法的成功至关重要。这个基于实验室的模型需要应用质量控制方法来保证仪器的可靠性，从而确保稳定的结果。第二个选择是开发医疗设备，以便医生在面对患者时可以实时检测。这对呼出气分析仪的设计具有很高的要求，使这些设备能够应用不同的VOCs诊断模型来检测各种癌症。这两种选择都需要进行成本效益研究，综合考虑检测的准确性和经济性。尽管在引入临床实践之前，呼出气分析的准确性需要在目标人群中的大规模多中心临床试验中得到确认，但在早期阶段应该考虑实施模式，以指导未来和临床的研究。
呼吸道疾病患者和健康人呼出的气体含有多种不同浓度的VOCs，这些化合物包括但不限于烃类、酮类、醛类和醇类。VOCs的含量和浓度因健康和疾病状态下潜在的代谢途径以及环境干扰而不同。直到20世纪90年代引入先进的分析技术，才首次展现了一套完整的人类呼出气概况。碳氢化合物是最早发现的人类呼出气中的化合物之一。经过数十年的快速发展，呼出气分析目前已广泛用于测试肺部疾病。例如哮喘、囊性纤维化和慢性阻塞性肺疾病患者的一氧化氮浓度升高，慢性阻塞性肺疾病患者的碳氢化合物水平升高，哮喘、阻塞性睡眠呼吸暂停肺炎呼出气中的一氧化碳浓度升高。
哮喘和慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmoriary disease，COPD）是两种最常见的呼吸系统疾病。VOCs在气道疾病中的应用前景广阔，许多研究评估了呼出气VOCs在气道疾病诊断中的用途，其中最常见的化合物属于含羰基的基团（如醛、酯和酮）和碳氢化合物（如烷烃、烯烃和单芳香化合物）。对COPD呼出气中VOCs的分析，可通过非侵入性方法提供有关疾病的代谢过程、组织损伤程度和性质的信息。与COPD有关的挥发物的完整描述尚待开发。尽管如此，研究已经确定了COPD患者中的挥发物和其他生物标志物组，它们与细胞降解过程具有潜在的关系。呼吸道感染中，病原体的早期和准确识别具有挑战性，呼出气VOCs分析在识别呼吸道感染微生物和指导治疗效果方面具有巨大应用前景，特别是在严重感染的肺炎患者中，存在不同的VOCs特征。
急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是多种危重疾病的并发症，其病理特征为急性起病、大量蛋白聚集、弥漫性肺水肿。目前，为了避免机械通气带来的肺损伤，通常无创通气方式是ARDS治疗的首选策略。早期识别是预防ARDS发生和发展的关键，可大大降低发病率和病死率。呼出气中含有多种VOCs，包含数百种与病理生理相关的小分子物质。在一些研究中，通过GS-MS分析呼出气，可以对ARDS进行预测和早期诊断，许多呼出气标志物与脂质过氧化反应有关，其中辛烷在ARDS期间含量增加，已被确定为ARDS的典型标志物。目前，没有一种可行的呼出气检测方法可直接应用于临床，因为在允许呼出气检测技术应用于ICU前必须要完成两个关键步骤。第一，任何呼出气标志物必须在体外多个研究中心得到确认，且呼出气测试结果应超过临床预测评分；第二，呼出气测试技术应在ICU内分散实验室进行，检测时间应尽量缩短，且需经过培训的护士操作。大多数呼出气标志物与脂质过氧化反应有关，辛烷作为ARDS的典型标志物在体外多中心研究中得到证实。通过不断的实验研究及探索，呼出气分析技术应用于ARDS的预测和早期诊断在未来可望实现。
糖尿病时发生的代谢变化是葡萄糖和脂肪分解水平增加，导致呼出气中丙酮水平增加。正常人呼出气中含有0.8ppm的丙酮，而糖尿病患者高达1.7～3.7ppm，因此丙酮被认为与糖尿病有关，但由于饥饿等原因也可以引起丙酮升高，因此糖尿病的呼出气诊断还应联合其他生物标志物。
恶性血液病细胞能够以细胞类型特异性模式改变细胞培养瓶中VOCs的组成。2，4-二甲基-庚烷、甲苯、邻二甲苯、十二烷和1，3-二叔丁基苯在JEKO细胞中的浓度相对较高，而乙醇、己醛和苯甲醛的浓度较低。在恶性血液病细胞SHI-1细胞中，2，4-二甲基-庚烷、苯、4-甲基癸烷、氯仿、3，7-二甲基十二烷和十六烷的水平显著升高，但己醇和环己醇的水平明显降低。所以呼出气VOCs检测为恶性血液病的追踪提供了新的策略，并可作为恶性血液病诊断的潜在生物标志物。
常规的微生物学过程耗时长，并且需要侵入性的操作来获得临床标本。因此需要开发快速、便宜、方便和准确的测试方法来诊断传染病，以启动快速的病原体检测和随后的特异性治疗。尤其是新冠肺炎的暴发，进一步促进了研究者们寻找感染相关VOCs生物标志物的临床研究兴趣。
在呼出气以及粪便或尿液的顶空气中测得的与感染有关的VOCs是疾病检测的主要方法。临床样本中散发的VOCs，一方面可能代表感染病原体的代谢产物，另一方面可能反映病原体诱导的免疫反应，或者实际上是两者的组合。
霍乱弧菌感染（霍乱）患者粪便样本中的VOCs含量明显低于健康捐献者的样本。已发现2-（4-甲基环己-3-烯-1-基）丙-2-醇对源自霍乱患者的粪便样本具有特异性，因此该VOCs被认为是检测霍乱弧菌感染的潜在生物标志物。溃疡性结肠炎是一种以结肠黏膜非感染性炎性病变为特征的疾病，该病患者的粪便样本释放的挥发物通过质谱可鉴定出多种挥发物。在所有样品中至少可以检测到40种VOCs，尽管与潜在的临床疾病无关，但与健康供体粪便产生的VOCs标记相比，不同的VOCs标记与特定的临床疾病相关。
使用呼出气分析可以诊断胃肠道疾病，如幽门螺杆菌感染、胆汁盐吸收不良、肝功能障碍、胰腺功能不全、乳糖和果糖不耐受、小肠转运异常、细菌过度生长。这项测试取决于幽门螺杆菌分解尿素的能力，尿素是由体内过量的氮产生的。在呼出气中也检测到氢，这是由于碳水化合物吸收不良而产生的，并导致乳酸缺乏、淀粉吸收不良和细菌过度生长等疾病。
人类呼出气中的高氨含量是肾脏疾病如终末期肾病的特征。在胃肠道中，脲酶将过量的尿素转化为氨，氨在呼出的气中释放出来。尿路感染通常是由细菌病原体引起的，例如大肠杆菌、变形杆菌、肠球菌、克雷伯菌和腐生葡萄球菌。已经使用许多尿液采样程序和分析方法来确定尿路感染的特定致病细菌物种的潜在挥发性标志物。尿液中含有大量VOCs的复杂混合物，预计在感染后会显示出明显的变化，并可能充当潜在的疾病标志物。
呼出气分析不仅在疾病诊断和指导治疗方面有卓越的表现，在公共卫生领域也发挥着重要的作用，包括酒精检测及特殊环境下的疾病检测方面的应用。
最广为人知的就是为防止酒驾、醉驾事故的出现而设计制造的乙醇气体传感器呼出气酒精测试仪。其原理就是乙醇气体传感器是一个阻值随接触到的乙醇气体浓度变化而变化的电阻，现在国际公认0.2mg/mL≤乙醇气体浓度≤0.8mg/mL为酒驾，小于0.2mg/mL为正常驾驶，大于0.8mg/mL为醉酒驾车。呼出气乙醇含量技术起始于1927年美国Bogen发表的一篇论文，该论文介绍了呼出气乙醇检测与血液乙醇检测浓度之间存在的关系，标志着呼出气酒精检测的重要里程碑出现。
在军事潜水中，纯氧通常用于闭路换气系统，暴露于高于正常的氧分压会导致肺氧中毒。肺氧中毒可分为早期渗出期和晚期增生期，早期渗出期是由毛细血管和内皮水肿引起的局部炎症，导致气管支气管刺激、咳嗽和胸骨后疼痛。这种炎症过程是可逆的，而不可逆的增殖期是在持续暴露于氧气时发生的。这种疾病的最终状态是成纤维细胞和Ⅱ型肺泡细胞的增殖，最终导致纤维化。暴露在高氧条件下可导致肺氧中毒，虽然肺活量下降长期以来一直是“金标准”，但敏感性不高、早期变化不显著，肺氧中毒的早期识别和诊断方法是有待解决的医疗难题。在呼吸系统医学中，许多研究都集中在与呼出气炎症相关的VOCs上。研究显示，在高压氧暴露后发现了几种甲基烷烃，这些VOCs标志着肺氧中毒的发展。目前暴露在氧气中的安全极限是由克拉克和兰伯特森确定的，巴丁和兰伯特森建立了肺毒性剂量单位的概念，其基础是在静止的干燥舱中高压高氧暴露后，肺毒性剂量单位和肺活量下降之间的相关性。他们认为，2%的肺活量下降被标记为每日暴露的安全阈值，尽管这种方法是合理的，但将其作为确诊的唯一参数具有局限性，因为在肺毒性剂量单位模型中没有考虑潜水时浸泡、低温或体育锻炼对人体生理心血管的影响。但过时的肺毒性剂量单位模型（概念提出近50年后）仍然被用作量化肺氧中毒的“金标准”。虽然肺功能测试中较新的诊断模式，如一氧化氮的扩散能力和一氧化碳的扩散能力，可以区分空气潜水和氧气潜水，但将它们用于对肺氧中毒进行量化的希望很小。研究越来越集中在VOCs的检测上，VOCs是生理和病理过程的代谢产物。一些小规模的研究证实，甲基烷烃通常与炎症相关，它们可以出现在高氧浓度暴露以后，但其出现高峰与暴露时间的关系仍然未知。在较高的氧分压（PO 2 ）下可能出现更快，但通过鼻导管以2L/min的速度吸入＜27.5kPa的氧气同样会引起氧化应激而出现，因此还需对高压氧暴露后的VOCs的发展进行纵向分析。
当个体在高海拔暴露于低压缺氧时，表现也有相当大的差异，并且没有可靠的方法来识别那些患有急性高原反应（acute mountain sickness，AMS）的人。呼出气分析不仅在急性呼吸窘迫综合征诊断中有作用，而且在评估严重程度中也有作用。电子鼻区分析呼出气中的VOCs可能有助于我们更好地理解导致缺氧适应不良的生理机制。研究表明，缺氧和炎症之间存在密切关系，主要由缺氧诱导因子介导。一氧化氮的产生是炎症的标志，似乎在缺氧信号和缺氧诱导因子的诱导中起着重要作用。一氧化氮合成增加与缺氧反应的改善有关，这种炎症反应调节的差异可能解释了急性呼吸窘迫综合征对抗性个体和急性呼吸窘迫综合征易感个体之间VOCs的不同特征。呼出气VOCs的分析不仅有可能成为急性呼吸窘迫综合征的客观预测和诊断工具，也有可能成为其他临床疾病的客观预测和诊断工具。如果呼出气分析可以识别对低压缺氧反应差的患者，那么它也可以用于识别那些不适应常压缺氧的患者，例如危重患者。此外，如果我们能够确定哪些挥发物主导了个体之间的差异，就可能会提供一种对所涉及的细胞过程机制上的解释，从而有助于解释缺氧适应的发病机制。高海拔环境中使用电子鼻进行呼出气VOCs分析的可行性为其在急性心肌梗死预测和诊断中的潜在应用提供了一种新方法。这种工具的发展可能会对高原医学以及其他临床领域产生重大影响，呼出气分析可能会为我们提供一条更好地理解缺氧适应机制的途径。探索危重病患者呼出气生物标志物的转化研究有助于为病情最严重的患者开发改进的、表型特异性的管理策略。
在结构性火灾发生后，消防员的集体会释放出各种VOCs。当消防员脱下个人防护设备、在用过的个人防护设备附近进行康复、在打包设备时穿戴部分个人防护设备，或者在返回车站的途中将个人防护设备存放在设备舱中时，这些释放气体的化合物可能会被吸入，而这所有情况下都是在移除呼吸保护之后。呼出气监测是一种简单、无创的工具，用于评估化学品暴露的程度并提供一种方法来评估防护设备提供的保护，确定改善整体化学品保护的方法。呼出气测量能够反映最近的VOCs暴露，特别是那些有吸入经历的人。肺部有很大的表面积，VOCs通过薄薄的肺泡膜迅速吸收。除吸入接触外，透皮吸收被认为是VOCs和多环芳烃以及其他有害化合物的一个重要接触途径，特别是通过颈部周围的皮肤，消防员戴的头罩相对多孔，且带有消防个人防护设备附加部件的热保护接口。透皮吸收是通过蒸气与皮肤接触时被动扩散进行的，比吸入吸收慢。测量呼出气中的VOCs和多环芳烃已被用于评估消防员通过皮肤和吸入途径全身接触化学物质的情况。VOCs和多环芳烃通过皮肤被吸入、摄入和吸收，进入血液，并分布在全身，通过肺泡从血液中交换到肺部，以化合物的形式被呼出。没有经肺呼出的VOCs和多环芳烃通过代谢在尿液和粪便中从体内消除。皮肤途径（主动灭火期间）和吸入途径（脱下装备期间）都可能导致消防员烧伤后呼出气中多环芳烃的浓度升高。与其他职业相比，这些呼出气浓度似乎并不高，然而考虑到在整个工作班次中反复暴露于多种化合物，消防员应采取措施最大限度地减少暴露。
国际社会正在目睹一场复杂、多层面和迅速演变的国际安全危机，这涉及使用化学手段（化学武器、生物威胁等）的恐怖活动、爆炸袭击、非法贩毒、非法贩卖人口。对与安全和恐怖袭击相关的化合物进行现场化学感应是全世界都感兴趣的问题，相关的生物监测主要包括识别非法药物、爆炸物制造、搜寻人口贩运和搜寻倒塌建筑物的受害者。这些领域生物的监测实验主要依赖于现场分析技术，该技术是针对现场环境气体和VOCs的检测和识别，有些VOCs与呼出的气体有关。现场和实时感测（检测和监控）化学分析物，以指示受限空间中的人员存在，或者在安全和法医操作期间识别可疑的人员活动，是一个具有高度科学、政治和公共利益的新兴领域。检测与人体气味（呼出气和皮肤）有关的特征性化学标记物，可用于医学诊断、心理、刑事、执法和其他应用的分子信息的无创提取。呼出气分析中的VOCs包括：与暴露于外界环境有关的呼出气VOCs和人体本身气味（如呼出气、汗液）特征相关的VOCs。人类VOCs物质包含非常复杂和丰富的化学物质，其检测范围包括呼出气、皮肤、尿液、唾液、母乳、血液和粪便，主要应用的焦点包括人体检测和跟踪，以及检测异常的呼出气。研究重点正从个体呼出气测试（挥发体）转向细胞呼出气（微生物体），最近又转向群体的呼出气代谢物（环境暴露）。
国家安全局致力于及时、准确地发现和识别非法旅行的隐藏人员、意图实施恶意行为、携带危险和非法物质的乘客。受毒品轻度或重度影响的人也在执法人员的监测范围之内，人体化学特别是人体气味可能揭示了这种活动。人体气味的组成是源于呼出的气体和人体皮肤分泌的汗液的VOCs的组合。人的呼吸是一个动态过程，需要无机气体、VOCs与周围环境（如家庭或工作场所环境）不断交换。人呼出的VOCs取决于内源性来源和外部因素如环境暴露。人体汗液的气味是由VOCs产生的，它们在人体的不同区域分布不均匀、有时重叠，具有不同的微生物群。人类汗液的主要形式是无味的液体，根据分泌腺体的类型可分为三种类型，即小汗腺、皮脂腺和大汗腺。小汗腺分泌的主要是水，还有微量的蛋白质、氨、尿素和乳酸，皮脂腺产生由脂类组成的皮脂，大汗腺产生脂类和蛋白质。由于人体表面的细菌代谢过程，它们被转化为有气味的基质。人体皮肤中的挥发性排放物可根据其来源进行分类，包括烯烃、醇和酚、醛、酯、短链和长链羧酸、芳香化合物、酮和类固醇等化合物。在正常条件下，人体气味中发现的大多数VOCs（不包括用于医疗诊断的VOCs）都可以通过大量研究和市场上现有的技术轻易发现。然而，在具有复杂化学背景的封闭区域，人类存在的总体化学特征尚需要进一步研究。此类研究应涉及所有可能的环境暴露和复杂的环境因素，以及它们如何与人类化学特征相互作用并影响人类化学特征，如机场、陆港、海港、货运服务等安检点人体VOCs现场的化学检测。与传统的实验室分析相比，此类化合物的痕量水平和持续动态的复杂背景环境，使其具有挑战性。例如，要在集装箱、海运货物、卡车、棺材或箱子中检查非法人口贩运，但被贩卖的人通常缺乏个人卫生，多天没有洗澡，衣服上有排尿或排便的残留物，此外，他们的进食机会往往有限并且经历更多的恐惧、压力和艰难。上述因素通过生物分泌物引入VOCs或通过改变内源性VOCs的浓度和比例，进而影响人体气味的化学组成。例如，禁食后呼出气丙酮的浓度大大增加。
目前，人们逐渐认识到疾病的发生发展在很大程度上是与环境暴露密不可分的，随即开始研究环境暴露与疾病的关联，旨在通过外源化合物研究人体代谢途径以及疾病发生发展的过程。人类暴露的概念最早是在2005年由国际癌症研究机构主任Christopher Wild提出，广泛实施始于2008年，并在加利福尼亚大学建立了暴露生物学中心。2013年在欧洲启动了赫拉克勒斯暴露研究中心，将炎症标志物与暴露量和心肺参数联系起来，在一系列暴露研究活动中重点关注“早期生命暴露”，以调查环境暴露和社区暴露为研究目标。暴露科学被定义为“人类与环境发生化学、物理或生物制剂的接触（累积）导致或防止不良健康事件的机制和动态的研究”。目前暴露科学的主要研究内容是指整个环境对人类代谢和健康状态的累积效应，包括外部环境对人体的作用以及人体中有害代谢物质的累积。该学科不同于现存的任何学科，正在成为一个新兴的学科专业，为人类代谢和疾病发生发展研究提供新的途径。人体暴露作为一种暴露评估工具，在暴露和生物健康领域，已经用于寻找目标环境化学品。暴露体是指人类系统生物学中“非基因组”的一切物质，包含体内代表个体生命周期内环境暴露的所有化学物质以及化学代谢物和反应产物、微生物群的副产物以及全身反应分子。暴露体研究是通过检测血液和尿液样本以测量环境代谢产物，在早期研究中，基本上所有不属于基因组范畴的基于生命的分子都被广泛地包括在暴露体中。与基因表型相反，暴露体在整个人类生命周期中由于环境变化、人类活动以及个体在分子、细胞和组织器官水平上的代谢和健康状态的持续影响，始终处在波动状态。就目前针对人体暴露的研究表明，很多疾病，如癌症、自身免疫性、心血管、肺部等慢性疾病的发病率不仅是概率问题，而且在很大程度上与环境因素相关，通过基因组-环境相互作用和表观基因组进行最终表达。而在此之前公认的人类疾病发病率是由人类基因组测序以及随后的功能与特定基因的关联决定的。针对基因和环境对于疾病发生发展的关系有一项十分有趣的研究，具有50%相同遗传特征的父子，如果他们长期生活在不同环境或很短暂的共同生活，他们的健康状况和疾病的发生发展存在很大的不同。这可能是由于他们受到的环境暴露不同，吸收和处理不同的外源性化学物质，干扰了基因组表达。相比之下，同一环境中成长并长时间生活的社区居住者，健康状况和疾病发生发展的相似性似乎更高。
研究表明，一个人如果没有事先接触过一种外源性化合物，就不能呼出这种化合物。这种暴露筛选方法在识别化合物、制定靶向方法列表以及了解此类暴露如何影响正常代谢途径方面具有价值。这也使得呼出气分析在人体暴露领域可能具有深远的应用前景和意义。非侵入性的、不需要医务人员且通常不会产生潜在的传染性废物的呼出气采样和分析的方法已成为优于血液和尿液采集的首选方法。现有研究中，测量甲基叔丁基醚（methyl tertbutyl ether，MTBE）是暴露筛选的典型呼出气应用案例之一。MTBE及其主要人体代谢产物叔丁醇都具有足够的挥发性，可在人体呼出气中排泄，因此可以对暴露量进行相对简单的确认和定量。随着呼吸暴露体已知成分谱图的扩大、干扰因素的排除，在非靶向分析外源性化合物与代谢产物时，极有可能发现新的环境化学品。呼出气研究目前以公共卫生领域居多，如评估环境中目标VOCs的吸收、药代动力学、评估排放及环境暴露。20世纪80年代以来，对呼出气中的VOCs进行定性定量分析已被广泛应用于不符合环保要求的有害物接触评估的研究。最常见的环境污染物是芳烃类，过去大量的研究是通过检测苯、甲苯、乙苯和二甲苯暴露于血液、尿液和呼出气样本中的量来进行评估。很多化合物可以同时在呼出气和尿液样本中检测到，而苯除了最常见的吸入外，还可以迅速渗透皮肤，污染水和食物，导致额外的皮肤和人体暴露。还有很多情况，如印刷厂、石油仓库、钢铁厂、污水处理厂、汽车喷漆车间等工作场所中可检测到高水平VOCs，烟草烟雾也是外源性VOCs的重要来源。此外，由于较低的通风率使得室内VOCs水平高于室外，加之人们大部分时间都待在室内，导致人体通过室内空气暴露于污染物产生的VOCs是十分常见的，例如室内空气背景的水平较高，环境中来自汽油和柴油发动机、焚化炉和木材燃烧释放的苯甲醛，以及增塑剂或油酸类的氧化降解过程中产生的丙烯醛和甲基丙烯醛等醛类物质。
人类呼出气暴露量分析为评估环境暴露量、推断暴露量对个体的系统生物学影响提供了一种极具价值的信息。目前研究的方向是更精确地描述VOCs吸收、分布、代谢和排泄的过程，并且利用EBC和EBA的新方法探索蛋白质、细胞因子、趋化因子、脂肪酸和其他半挥发性和非挥发性化合物的呼出气暴露量。在此过程中，研究者可以应用呼出气分析来获取与药代动力学和毒代动力学相关的VOCs及相关动力学检测。由于人类内部的可变性通常大于环境暴露的影响，暴露分析的应用仍处于初级阶段。测定人体呼出气中VOCs对于识别人体暴露的重要途径和人体负担相关的暴露具有重要意义。目前人体暴露量研究的一个主要挑战是呼出气的不同部分（气体、冷凝物、气溶胶）需要不同的采样和分析方法，这些不同的方法侧重于暴露量的不同子集。此外，随着技术的进步，以及不同实验室采用新的仪器，所鉴别的化合物的清单出现了分歧。最后，呼出气中化合物的模式可能因化合物分析的各自敏感性和特异性而异。因此，呼出气暴露量不是一个固定的化学品列表，而是一个化学品和/或统计学概念，可用于梳理或纵向比较信息，以筛选暴露量或临床前的疾病状态。
苯、甲苯、乙苯和二甲苯被认为是主要的有害性VOCs，结构式见图1-2-1，许多研究人员提出了其可能对人体造成危害和暴露风险的问题。2014年国际癌症研究机构将苯分类为第1组（“对人类致癌”），将乙苯分类为第2B组（“对人类可能致癌”），将甲苯和二甲苯分类为第3组（“对人类的致癌性证据不充分”）。研究者普遍认为，接触苯会增加患白血病和造血系统癌症的风险；二甲苯会刺激皮肤、眼睛和呼吸道。二甲苯的常见不良反应还包括嗜睡、头痛、震颤、昏迷和头晕。一些研究还表明，甲苯则会对生殖系统产生不利影响。1994年国家毒理学计划报告称，消费产品中所残留的苯及其衍生物不会导致显著的接触暴露，尽管如此，一些法规仍要求在含有高苯及其衍生物含量的产品标签上强制性地贴出预防声明，包括化妆品、湿纸巾、玩具和标记笔等。
图1-2-1 苯及其衍生物的结构式
采用顶空-气相色谱-质谱联法对207种日常消费品中苯及其衍生物进行分析，检出限为1ppm，在59种日常消费品中能检测到苯及其衍生物。将0.1～1g产品转移到顶空取样瓶中，采用顶空-气相色谱-质谱（HS-GC-MS）分析消费品顶空的VOCs含量，采用DB-624B柱（长60m，外径0.32mm，膜厚度8µm）分离样品化合物。顶空自动进样器在150℃进样30min，进样后柱箱在50℃下保持3min，后以15℃/min的速度升温至250℃。质谱仪探测器在电子冲击模式下工作，电离能70eV，源温度230℃。在被测试的产品中，苯在漂白剂（0～3 170ppm）和胶水（0～1 486ppm）中检测到特别高的水平。在皮革清洁剂（0～6 071ppm）、胶水（0～5 078ppm）、鞋油（0～806ppm）、墙纸（2～1 012ppm）和假发胶（0～372ppm）中检测到高水平的甲苯。在中性笔（0～34 065ppm）、鞋油（0～277 928ppm）、皮革清洁剂（42～223ppm）、漂白剂（0～2 770ppm）和胶水（0～792ppm）中检测到高水平的乙苯。在中性笔（0～285 132ppm）、鞋油（0～87 298ppm）、皮革清洁剂（12 266ppm）、胶水（0～3 124ppm）和白涂液（0～1 400ppm）中检测到高浓度的二甲苯。
吸入的慢性每日暴露量（inhalation chronic daily intake，CDI）的计算方法如下：
其中C为污染物浓度（µg/m
3
）、CF为转换因子（mg/µg）、IR为吸入率（m
3
/d）、EF为暴露频率（d/yr）、ED为暴露持续时间（yr）、BW为体重（kg）、AT或LT为平均时间或寿命（d）。研究发现，男性和女性在日常生活中苯及其衍生物暴露量是存在显示差异的，女性普遍高于男性，以女性为例，来自漂白剂的苯暴露量为0～5.9×10
-4
mg/（kg·d）、油性标记笔的苯暴露量为0～9.28×10
-7
mg/（kg·d）、圆珠笔苯暴露量为0～7.55×10
-10
mg/（kg·d）、鞋油的甲苯暴露量为0～5.53×10
-5
mg/（kg·d）、鞋中甲苯暴露量为0～2.4×10
-4
mg/（kg·d）、皮革的甲苯暴露量为0～1.0×10
-4
mg/（kg·d）、机械铅笔铅甲苯暴露量为0～8.39×10
-7
mg/（kg·d）、铅笔甲苯暴露量为0～2.76×10
-6
mg/（kg·d）、漂白剂甲苯暴露量为0～3.1×10
-4
mg/（kg·d）、荧光笔甲苯暴露量为0～3.8×10
-6
mg/（kg·d）、油性笔甲苯暴露量为0～0.005 5mg/（kg·d）、圆珠笔甲苯暴露量为0～4.27×10
-9
mg/（kg·d）、彩色铅笔甲苯暴露量为0～1.16×10
-5
mg/（kg·d）、胶带甲苯暴露量为0～0.005 2mg/（kg·d）、胶水甲苯暴露量为0～0.000 73mg/（kg·d）、杀虫剂甲苯暴露量为0～1.24×10
-9
mg/（kg·d）、清新剂甲苯暴露量为0～3.44×10
-7
mg/（kg·d）、油毡甲苯暴露量为0～0.74×10
-6
mg/（kg·d）、双相墙纸甲苯暴露量为0～0.000 1mg/（kg·d）、乙烯基墙纸甲苯暴露量为0～1.07×10
-5
mg/（kg·d）、假发胶甲苯暴露量为0～0.000 23mg/（kg·d）、鞋油乙苯暴露量为0～0.023mg/（kg·d）、皮革清洁剂乙苯暴露量为0～0.000 86mg/（kg·d）、机械铅笔芯乙苯暴露量为0～5.03×10
-7
mg/（kg·d）、铅笔乙苯暴露量为0～1.73×10
-6
mg/（kg·d）、涂改液乙苯暴露量为0～0.000 9mg/（kg·d）、荧光笔乙苯暴露量为0～1.52×10
-6
mg/（kg·d）、油性标记笔乙苯暴露量为0～3.75mg/（kg·d）、圆珠笔乙苯暴露量为0～1.53×10
-10
mg/（kg·d）、胶带中乙苯暴露量为0～0.000 18mg/（kg·d）、胶水乙苯暴露量为0～0.000 14mg/（kg·d）、空气清新剂乙苯暴露量为0～1.77×10
-9
mg/（kg·d）。二甲苯暴露的评估表明，鞋油二甲苯暴露量为0～0.007 2mg/（kg·d）、皮革清洁剂二甲苯暴露量为0～0.000 25mg/（kg·d）、铅笔二甲苯暴露量为0～1.14×10
-5
mg/（kg·d）、白粉二甲苯暴露量为0～0.000 46mg/（kg·d）、荧光笔和油性笔二甲苯暴露量为0～1.52×10
-6
mg/（kg·d）、磁带二甲苯暴露量为0～5.88×10
-5
mg/（kg·d）、胶水二甲苯暴露量为0～0.000 55mg/（kg·d）、自粘的墙纸二甲苯暴露量为0～2.95×10
-6
mg/（kg·d）。此外，对不同年龄组的暴露分析显示，18岁以下和65岁以上的个体比18～64岁的成年人暴露更高。在18岁以下的受试者中，二甲苯暴露随着年龄的增长而减少。
苯的癌症风险的计算公式为：癌症风险=CDI×CPF，其中CDI为慢性每日摄入量［mg/（kg·d）］，CPF为癌症潜能因子。而非致癌物风险用危害指数（hazard index，HI）来描述，甲苯、乙苯和二甲苯的HI计算公式如下：HI=
，其中RfD是特定物质的参考剂量。许多消费品中都检测到了苯、二甲苯，其中的两种产品超过了可接受的癌症风险（＞1.0×10
-6
）。在非癌症风险方面，被研究的消费品中检测到甲苯、乙苯和二甲苯，其中一种产品（油性标记笔）被发现会增加风险（HI＞1）。在玩具和洗涤剂中没有检测到二甲苯。此外，同一项目类型的所有产品中都没有检测到二甲苯，这表明从消费品中去除二甲苯是可行的。尽管禁止在标记笔中使用二甲苯，但在一些被研究的标记笔中仍检测到二甲苯，其他产品未超过二甲苯的规定限制。使用漂白剂导致的苯致癌风险也超过1×10
-6
。一些产品含有过高水平的二甲苯，这些值是根据最坏情况计算的，作为一种保守的风险估计方法。许多室内暴露和风险评估模型模型已经被开发用来估计消费者暴露，包括ConsExpo（消费者暴露模型）、E-FAST（暴露和命运评估）、MCCEM（多室浓度和暴露模型）。然而，一个全面的消费者暴露模型还有待推广。
许多研究表明VOCs暴露主要是通过吸入发生的，与吸入相比，通过皮肤接触VOCs相对较低。研究发现，皮肤接触低于吸入总量的1%，使用消费产品的总接触量几乎与吸入相似。在吸入非密封产品暴露的情况下，产品的总二甲苯浓度代表其在空气中的浓度，随后用于计算暴露。这种方法假设从消费品中释放的二甲苯会迅速扩散到整个房间。然而，如果人们经常待在室内，人体接触到的二甲苯水平将与产品不断释放的二甲苯水平相对应。
换气率影响室内空气质量，房间通风率通常在0.5～2.5之间变化，冬季换气率降低可能增加室内VOCs水平。许多其他因素影响室内空气质量，包括温度、湿度、VOCs来源的数量、VOCs释放率、原材料的表面积，以及许多其他因素。最近，通过调整这些因素，越来越多的研究致力于减少VOCs暴露。当空气温度高于23～26℃范围时，VOCs的释放速率可能会升高。许多研究检查了VOCs的风险，包括二甲苯存在于不同环境的室内空气中。调查七间影印中心的苯、甲苯、乙苯、二甲苯及苯乙烯浓度，并对工人进行风险评估。数据显示，二甲苯的癌症风险值为1.8～26.2，而接触苯的终生癌症风险值为8.5×10 -5 ～2.5×10 -3 。
需要指出的是，在室内空气中接触的化学品通常是混合的，应进一步评估混合接触的风险。在未来，需要更多关于化学品之间的相互作用和化合物混合物的毒性数据，以便对消费品进行全面的风险评估。
甲苯、二甲苯和乙苯是汽油中重要的VOCs，已被证明对人体健康有害。长期暴露于甲苯会导致呕吐、肾和肾衰竭。据报道，工人平均暴露于21ppm二甲苯7年可增加主观中枢神经系统（central nervous system，CNS）症状。长期暴露于乙苯环境中还会导致神经系统功能紊乱、刺激上呼吸道、引起血液学改变、诱发肝胆道疾病。通过空气和生物监测来识别和量化VOCs已经花费了大量的努力，以更好地了解人类在其工作环境中的暴露情况。特别是在考虑多种接触途径，后者用于估计吸收剂量是工业卫生工作者非常有用的工具。美国政府工业卫生学家会议提出了生物暴露指数（biological exposure indices，BEIs）：用尿中邻甲酚或马尿酸或血液中的甲苯作为甲苯、用尿中甲基马尿酸作为二甲苯、用尿中苯乙酸或终呼空气中的乙苯作为乙苯。血液样本的收集是一个侵入性的过程，其优点是结果可用于特定接触化学物质。尿液收集的侵入性较小，但尿液中化学物质的浓度受代谢半衰期、在体内的分布和清除时间的影响。呼出气采样也是无创的，可以在1～2min内完成，并且呼出气浓度直接与血液水平有关。因此直接测量包括所有暴露途径在内的身体负担浓度、进行对照暴露实验、研究吸收和消除动力学。整个混合呼出气或肺泡呼出气样本可以收集分析，肺泡浓度代表血液中原始物质的水平。在样品采集过程中，肺泡气不应被环境空气或死空间空气稀释，否则会影响定量，一些报道已经注意到肺泡气取样的方法学影响。
一些研究已经对汽油服务人员接触VOCs的水平进行了研究，报告了油罐车司机接触汽油蒸气的情况。佩里亚戈等对加油站服务员的芳烃蒸气水平进行了评价，加油站空气中的苯和甲苯含量分别在0.16～1.63ppm和0.2～2.72ppm。汽车油漆车间中苯含量为0.4～53.1ppb，甲苯含量为1.9～93.8ppb，乙苯含量为0.4～23.8ppb，二甲苯含量为1.2～75.0ppb。住宅中使用金属部件脱脂剂、喷漆和抛光喷雾产品所产生的甲苯和二甲苯浓度，在打开窗户的情况下，8小时时间加权平均（time weighted average，TWA）甲苯水平为金属部件脱脂场景0.4ppm、喷涂场景4.7ppm（1小时使用时间）、鞋油喷涂场景0.41ppm。在金属部件脱脂方案中，8小时二甲苯的水平为0.42ppm，在喷涂方案中为0.91ppm。
Muttamara等人评估了曼谷汽车尾气中苯和甲苯的排放，通过分析25种尿液中的VOCs、26种血液中的VOCs和呼出气VOCs来调查工人接触VOCs的情况。他们报告了交警、停车场服务员和加油站服务员工作后呼出气VOCs的浓度与他们接触的环境空气浓度显著相关。他们测量了整个呼吸过程的呼出气VOCs，发现个人暴露于甲苯和二甲苯的水平与呼出气VOCs浓度之间存在正相关关系。一次完整的呼吸包括气管、支气管的死腔容积以及肺泡中的气体，整个呼吸过程的VOCs与肺泡气中的VOCs不同，一些研究已经证实了肺泡气VOCs浓度高于整个呼吸的VOCs浓度。此外，应控制吸入空气中VOCs的污染，有研究通过活性炭床为受试者提供过滤的空气，以防止环境VOCs的混合效应。
Wallace和Pellizzari认为，对于不吸烟的人，呼出气VOCs与空气VOCs的比值，二甲苯为0.08、乙苯为0.10。Raymer等报告了在受控暴露条件下呼出气VOCs与空气VOCs的比值，甲苯约为0.055、乙苯为0.025、间二甲苯和对二甲苯为0.04、邻二甲苯为0.023。这些调查收集了肺泡气进行分析，他们还比较了整个呼吸的VOCs浓度和肺泡气的VOCs浓度，发现后者的浓度更高。Lapare等人描述了一项ppm水平的暴露试验，其中呼出气与空气的比值为甲苯约为0.2、间二甲苯约为0.15，这些VOCs的浓度明显超过了ppb水平。近期的研究发现，加油站工人的甲苯和二甲苯的比值为0.1、乙苯为0.12。值得注意的是，这项研究使用的是整个呼吸，显示出比以前的报告更高的呼出气VOCs与空气VOCs的比值。甲苯的呼出气与空气的比值与个人汽油销售量成正相关，在可比的环境空气暴露水平下，加油工人的体内剂量相对较高，这可能与额外的接触途径，如皮肤吸收来促进化学物质的接触有关。因此，个体呼出气剂量比环境空气采样能更准确地反映暴露情况。Lapare等人还测量了静脉血浓度，并计算出血液与呼出气VOCs含量的比值，甲苯约为0.106，间二甲苯约为0.095。此外，呼出气二甲苯的水平还取决于风速，风速对呼出气二甲苯水平有负向影响。同样，风速对呼出气乙苯水平也有类似的影响，并且乙苯水平与环境温度成反比。对甲苯的逐步多元回归分析排除了风速的影响，因为该变量与个人暴露水平高度相关。其他可能影响呼出气VOCs浓度的因素还包括：暴露时间、呼吸频率、手或衣服上的溢出物、交通密度、风向等。此外，在国外私营加油站向公共加油站出售的枪支和汽油数量较多，这可能是私营工人接触VOCs较多的原因。Jo和Song报告说，5名加油站工作人员下班后呼出气的苯、甲苯、二甲苯和乙苯的平均浓度分别为4.6ppb、26.3ppb、3.3ppb和1.2ppb。将他们的研究结果与目前的研究结果相比较，他们的呼出气VOCs水平是相似的。另一项研究测定了某交通繁忙的高速公路收费站外的VOCs，苯和甲苯分别为17.4ppb和21.6ppb。
一些早期的研究使用吸附剂来收集呼出气中的VOCs，吸附剂具有较高的重现性和灵敏度。在瑞典，它已被用来监测接触有毒VOCs的工人群体，将其流行率调查结果与对照群体的流行率结果进行比较，以确定可能的过度接触，也被用于筛查接触有机溶剂的工人是否患有慢性中毒性脑病。
与吸烟有关的多元不饱和碳氢化合物，包括烯烃、炔烃和二烯烃。应用单一化合物分类吸烟的人，特异性可超过90%。此外，在不吸烟者呼出气中发现有30种化合物（包括19种二烯）（特异性=100%），能够排除所有非吸烟者。
虽然许多不饱和碳氢化合物是香烟烟雾的组成部分（主要是在烟草燃烧过程中产生的），但其他的可能来源于香烟烟雾中反应性化学物质引起膜磷脂的氧化。除不饱和烃外，芳香族化合物也与吸烟习惯有关。在吸烟者呼出气中出现的最重要的芳香物质是苯及其衍生物。由于这些化合物的毒性和致癌性，它们的分析仍然是值得研究的课题。由于上述芳香烃也存在于香烟的烟雾中，被动吸烟者也暴露于这些化合物。吸烟者的尿液顶空中也发现了苯及其衍生物，这可以证明从覆盖肺部的焦油中释放出的物质进入血液，并通过尿道进一步从机体中排泄。
在呼出气和尿液样本中发现了一些呋喃类物质，特别是在点燃的香烟烟雾、吸烟者的呼出气以及吸烟者尿液的顶空中检测到乙腈。有86种有机化合物与吸烟密切相关，其中最大的基团为不饱和烃（29种二烯、26种烯烃、3种炔烃）。呼出气的成分在很大程度上受到吸烟、接触室内空气污染和饮食等外源性因素的影响。就呼出气分析的诊断目的而言，诸如碳氢化合物、特别是醛类化合物等化合物必须谨慎考虑，因为它们呼出的浓度升高可能分别揭示与吸烟、暴露于空气污染物的关系，而不是肺癌的关系。同样，某些VOCs的存在可能是由于特定的饮食而不是细菌性肺部感染或肝脏功能障碍。因此，寻找某些疾病的呼出气标志物，仔细研究分析物的潜在生物学来源是绝对必要的。为此，测定不同体液、人体标本（如肺组织或分离细胞系和细菌培养物）中选定的VOCs，必将有助于更好地理解从呼出气分析中获得的信息。
精神毒品（如大麻、可卡因）的使用增加会导致公共场所的异常和危险行为。传统的药物检测技术利用实验室中的血液、唾液或尿液进行检测。然而，许多滥用药物可以从人体中快速代谢，使得它们的检测变得困难，甚至有时是不可能的。手持式呼出气测醉仪可以即时检测可疑患者呼出气体中的滥用药物。最近，Cannabix Technologies公司和约斯特集团（佛罗里达大学）合作开发了一种基于场不对称离子迁移谱（field asymmetric ion mobility spectrometry，FAIMS）的轻型手持设备（类似于酒精呼出气检测仪），用于检测人体呼出气中的四氢大麻酚。除滥用药物外，一些患者的个体化治疗将需要工具来监测所用药物的剂量和效果，质谱法分析呼出气中的药物有望实现无创监测血药浓度。Berchtold等人综述了通过质谱法实时监测呼出气中的药物，他们回顾了当前可用于实时分析呼出气药物的质谱工具，还详细讨论了质谱现场测量的技术需求和现有技术。他们介绍了一些已在呼出气中成功检测到的药物示例，包括丙泊酚、芬太尼、美沙酮、尼古丁和丙戊酸，我们在后续的章节还会继续介绍。监测呼出气药物是一个相对较新的领域，仍处于早期发展阶段，它对于未来患者用药的监测和个体化治疗具有广阔的应用前景。
（李恩有 陈广民）