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集成式电子鼻能识别人类肺病

来源:环球科学

带八个传感器的电子鼻矩阵。 图片来源:Sonia Freddi等/Advanced Healthcare Materials

来自意大利和俄罗斯的研究人员提出一种集成传感系统,可实现电子鼻功能,并为其生产开发出一套可再生技术。这个设备是一个灵活的电子平台,能分析呼出的气体,并能识别呼吸道和器官的病变。

在实验中,该设备在识别慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者时,展示出高准确性,COPD是一种呼吸道炎症性疾病,能增高COVID-19感染期间并发症发生的概率。

COPD在支气管粘膜因外界致病因素的作用下发生,导致呼吸道功能的负性改变。COPD患者由于吸入的气流量受限,不能获取必要的氧气。COPD一般由气体或者挥发性颗粒引起,比如尘埃、烟草、镉和硅颗粒等。这种疾病的检测方法十分复杂且耗费时间,有可能威胁到病人的健康。

传统的呼吸分析方法,如气相色谱法和质谱法,成本高、耗时长,因此需要足够廉价和迅速的新方法。COPD是迫在眉睫的问题,它可能会导致患者身体机能受限和残疾。需要注意的是,如果COPD患者感染了COVID-19,会有更高的并发症发生风险。

俄罗斯科学基金会(the Russian Science Foundation)资助项目负责人、俄罗斯国家电子技术研究大学(the National Research University of Electronic Technology)首席研究助理Ivan Bobrinetskiy博士说:“功能受损的人体器官会对许多代谢过程发生变化,影响呼出的气体成分。对呼出气体的分析可用于诊断呼吸系统和其他脏器的疾病,比如胃病。我们提出的电子鼻概念,可在几分钟内实现对疾病的运行监测和初步检测。与此同时,传感器可重复使用,利用统计学数据分析的方法,包括人工智能,将基础数据和器官的潜在病理识别从设备转至数字模式。”

该系统基于改性碳纳米管(modified carbon nanotubes,CNTs),可使电子鼻包含多种特性。比如,可用碳纳米管制成柔性导电薄膜。为了给系统提供负责设备运作的电子结构层,需要这样的薄膜。斯科尔科沃科学技术研究院(the Skolkovo Institute of Science and Technology)和俄罗斯科学院(the Russian Academy of Sciences)教授Albert Nasibulin说:“CNTs通过气溶胶化学气相沉积法合成,然后以透明导电薄膜的形式沉积。这项技术具有高度可重复性和易扩展性,并能将纳米管导电膜应用到任何表面。”

根据临床试验规则,对12例COPD患者和9例健康个体进行新系统的有效性研究。呼吸样本使用一次性聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)塑料袋采集,它由惰性材料制成,并包含传感器矩阵。受试者通过一根塑料吸管,尽可能地吸气和充气。移去导管后,塑料袋被密封。塑料袋中的传感器矩阵与呼出的气体接触约3分钟,这样,所有的传感器都能充分工作,与具有病理学特征的气体分子相作用。然后,整个系统会被干燥的空气清洗干净,以便进行下一项研究。每名受试者每隔一小时采集样本。

由于该系统识别出所有COPD患者,可以认为该装置是有效的。在呼出的空气中,检测到二氧化氮浓度增加。值得注意的是,二氧化氮的浓度仅占呼出气体的不足百万分之一,表明所研制的传感器具有高灵敏度。

研究人员还成功地在能够表征其他疾病的气体上测试了他们的系统。研究所选的挥发性物质(氨、二氧化氮、次氯酸钠、水、苯、硫化氢、丙酮、乙醇和2-丙醇)与特定疾病有关,可作为疾病的潜在生物标志物。因此,肺癌患者呼出的气体中,2-丙醇、苯、乙醇和丙酮的含量会上升,而糖尿病患者呼出的气体中则能发现丙酮。人体呼气中高浓度的氨与肾脏疾病有关,而硫化氢则被认为是哮喘的生物标记物。对于支气管哮喘和囊性纤维化患儿,呼出气体中的次氯酸钠浓度会上升。

翻译:陈振翀

审校:巢栩嘉

引进来源:斯科尔科沃科学技术研究院

引进链接:https://medicalxpress.com/news/2020-05-compact-electronic-nose-human-lung.html

 

本文来自:环球科学
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