基于虛擬氣體傳感器陣列的電子鼻設計

1 引 言

　　本文提出一種基于虛擬氣體傳感器陣列的新型無(wú)創(chuàng )的用于檢測肺癌的電子鼻。該電子鼻包含一個(gè)由固相微萃取(solid phase microextracTIon，SPME)和毛細管柱(gas chromatography，GC)組成的前處理裝置來(lái)實(shí)現病人呼吸氣體中VOCs的濃縮吸附、脫附和分離，隨后通過(guò)一個(gè)表面涂覆聚異丁稀薄膜差動(dòng)結構的SAW傳感器對分離后的有機氣體成分進(jìn)行定量檢測(圖1)。

　　2 呼吸檢測電子鼻系統的設計

　　肺癌病人的呼吸氣體中含有的大部分VOCs的濃度非常低(10-9～10-12mol/L)，實(shí)驗采用惰性Tedlar集氣袋和SPME采集、預富集呼吸氣體，利用薄膜技術(shù)提高SAW傳感器的靈敏度，最后采用改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法結合圖像技術(shù)來(lái)識別肺癌病人。

　　SAW傳感器是由廣泛應用的ST切型LiNbO3晶體制成的。傳感器的中心頻率為51.92 MHz，帶寬2.131 MHz，較好的Q值為24.36，衰減為7.85 dB。一對傳感器中的一個(gè)表面涂覆PIB薄膜作為工作傳感器，而另一個(gè)表面沒(méi)有涂覆薄膜的傳感器作為基準傳感器。

　　實(shí)驗用GC- SAW電子鼻系統結合了虛擬SAW傳感器陣列的概念和圖像識別方法，對肺癌病人、正常人和老慢支病人的呼出氣體進(jìn)行了檢測，確定了11種VOCs為肺癌特征氣體，即苯乙烯(styrene)、癸烷(decane)、異戊二烯(isoprene)、苯(benzene)、十一烷(undecane)、1-己烯(1-hexene)、己醛(hex-anal)、丙基苯(propyl benzene)、1，2，4-三甲基苯(1，2，4-trimethyl benzene)、庚醛(heptanal)、甲基環(huán)戊烷(methyl cyclopentane)。

　　圖2為一個(gè)SAW傳感器在檢測肺癌患者呼吸氣體時(shí)的頻譜響應。它對苯乙烯響應的靈敏度為3.24 ng/Hz。

　　3 肺癌細胞代謝VOCs檢測

　　對于選定的11種肺癌特征VOCs氣體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗證實(shí)了這些VOCs氣體跟肺癌的相關(guān)性很大。結果表明，該電子鼻能夠很好地檢測出肺癌病人呼吸氣體內的這些VOCs氣體種類(lèi)和含量，肺癌病人的診斷率在75%以上。為了能更精確地確定肺癌患者的特征性氣體，參考病理解釋?zhuān)M(jìn)行了細胞水平的對比實(shí)驗，用該電子鼻對肺癌細胞培養液中VOCs進(jìn)行了檢測。將肺癌組織和同體的正常肺部組織標本，分別進(jìn)行細胞培養。獲取細胞培養后的培養液，進(jìn)行SPME萃取，用GC 進(jìn)行分析。如圖3所示的是用GC所得的肺癌細胞培養液和正常肺部細胞培養液的譜圖，與正常細胞相比，確定肺癌細胞的新陳代謝氣體中有特異性氣體存在。其中一例肺癌細胞和同體癌旁正常肺部細胞培養液分析結果如圖4所示。對比二者的峰形圖，可以發(fā)現雖然在峰高上存在差異，但出峰位置幾乎全都相同，相似的分析結果讓人懷疑該例癌旁正常肺部組織其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了癌變。實(shí)驗對培養的細胞進(jìn)行了電鏡觀(guān)察，發(fā)現醫生判斷的正常肺部細胞圖像，已經(jīng)出現了細胞重疊現象，這是正常細胞所不會(huì )出現的?？梢?jiàn)肉眼無(wú)法正確判斷的已經(jīng)發(fā)生癌變的肺部組織通過(guò)我們的實(shí)驗方法也能被識別出來(lái)，所以該實(shí)驗的結果對于呼吸氣體進(jìn)行肺癌的早期初篩有非常重要的意義。

　　4 總 結

　　本文提出了一具有高靈敏性、低成本以及易操作等優(yōu)點(diǎn)的電子鼻。使用該電子鼻系統，對肺癌病人、慢性支氣管炎病人、健康人等的呼吸氣體在病理學(xué)方面進(jìn)行了的研究。同時(shí)，使用這個(gè)電子鼻系統對肺癌細胞代謝產(chǎn)物中揮發(fā)性氣體進(jìn)行了研究，取得了早期肺癌檢測的初步依