研究人员开发一种紧凑型传感器可实现电子鼻功能用于疾病诊断

俄罗斯和意大利的研究人员开发一种紧凑型传感器系统,可以实现电子鼻的功能,并为其制造开发了一种可重复的技术。这种传感器设备被设计成柔性电子鼻,可以分析呼出的空气,并能识别呼吸道和器官病变。这种新型传感器对于快速检测人的健康状况至关重要。

研究人员开发一种紧凑型传感器可实现电子鼻功能用于疾病诊断
具有八个传感器的电子鼻矩阵板

实验中,该设备在确定慢性阻塞性肺病(COPD)患者时表现出了较高的准确性,慢性阻塞性肺病是一种呼吸道炎症性疾病,当感染COVID-19时,会增加并发症的风险。这种疾病的检测方法比较复杂,耗时长,对患者的健康造成威胁。传统的呼气分析方法,如气相色谱法、质谱法等,成本高、耗时长,因此需要有新的方法,这些方法要成本低、检测速度快。慢性阻塞性肺病是一个亟待解决的问题,因为该病可能会导致患者的身体机能受到限制,导致残疾。值得注意的是,COPD患者如果感染了COVID-19,是最容易发生并发症的。

该研究提出的传感器电子鼻概念可以在短短几分钟内实现对疾病监测和初步检测。同时,传感器是可重复使用的,利用包括人工智能在内的统计数据分析方法,将基础数据和可能的病变器官的识别从设备上传输到数字模式。

该系统基于改性碳纳米管(CNT),可使电子鼻结合各种所需的特性。例如,可以用碳纳米管制成柔性导电薄膜。为了给系统提供具有特定电子结构层,需要这样的薄膜,该层将负责器件运行。CNTs通过气溶胶化学气相沉积法合成,并以透明导电薄膜的形式沉积。这种技术具有高度的可重复性,易于扩展性,可以将纳米管薄膜应用到任何表面。

按照临床试验的规则,新系统的有效性研究涉及12名COPD患者和9名健康人,呼吸取样是在一次性的聚四氟乙烯(PTFE)塑料袋中进行的,该袋由非常惰性的材料制成,并装有传感器矩阵。受试者通过一根塑料吸管将袋子尽可能吸气充气。当吸管被移除后,包装袋被密封起来。袋内的传感器矩阵与呼出的空气接触约三分钟,因此所有传感器都可以充分发挥作用并与表征病理的气体分子相互作用。然后用干燥的空气清洗系统,以便下一步研究。从每个参与者身上采集样品,间隔一小时。

由于该传感器系统检测到了所有COPD患者,可以说该设备是有效的。在呼出的空气中,检测到了二氧化氮的浓度增加。值得注意的是,呼出空气中的气体含量小于百万分之一,这表明研发的传感器灵敏度很高。

研究人员还成功地将他们传感器系统测试了可以表征其他疾病的气体。本研究中选择的挥发物(氨、二氧化氮、次氯酸钠、水、苯、硫化氢、丙酮、乙醇和2-丙醇)与特定的疾病有关,有可能被视为其生物标志物。因此,肺癌患者呼出的空气中2-丙醇、苯、乙醇和丙酮的含量会增加。而在糖尿病患者中丙酮的含量则较高。人体呼气中氨的浓度高与肝脏或肾脏疾病有关,有人提出硫化氢是哮喘的生物标志物。研究表明,次氯酸钠浓度在支气管哮喘和囊性纤维化患儿呼出的空气中含量增加。

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