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
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