種虛擬氣體傳感器陣列的無(wú)創(chuàng)電子鼻設(shè)計(jì)方案

1 引 言

肺癌為當(dāng)前世界各地最為常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，發(fā)病率在多數(shù)國(guó)家都有明顯增高的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)肺癌病人呼吸氣體的電子鼻具有重大意義。目前肺癌呼吸氣體診斷的病理學(xué)依據(jù)還不是非常清楚，國(guó)際上還沒(méi)有研發(fā)出能夠用于早期肺癌精確診斷的方法。1999年Michael Phillips等人采用氣相色譜大型儀器研究了呼吸氣味與肺癌之間關(guān)系，第一次指出了22種VOCs氣體可以被看作肺癌的特征氣體。

目前，肺癌呼吸檢測(cè)病理解釋為：人體的異常狀況會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)多的反應(yīng)性氧化物，包括氧自由基和過(guò)氧化氫等，這樣就破壞了強(qiáng)氧化劑和抗氧化劑的平衡，導(dǎo)致一種潛在傷害——氧化應(yīng)激，是細(xì)胞損傷的主要原因。在這種情況下細(xì)胞膜多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化，就會(huì)產(chǎn)生烷烴類、醛類氣體，通過(guò)呼吸排出體外。但是，具體的特征標(biāo)志性氣體國(guó)際上還沒(méi)有從病理上獲得解釋。

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(cè)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(xì)管柱(gas chromatography，GC)組成的前處理裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的SAW傳感器對(duì)分離后的有機(jī)氣體成分進(jìn)行定量檢測(cè)(圖1)。

2 呼吸檢測(cè)電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(yàn)采用惰性Tedlar集氣袋和SPME采集、預(yù)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(jié)合圖像技術(shù)來(lái)識(shí)別肺癌病人。

SAW傳感器是由廣泛應(yīng)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(duì)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(zhǔn)傳感器。

實(shí)驗(yàn)用GC- SAW電子鼻系統(tǒng)結(jié)合了虛擬SAW傳感器陣列的概念和圖像識(shí)別方法，對(duì)肺癌病人、正常人和老慢支病人的呼出氣體進(jìn)行了檢測(cè)，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(cè)肺癌患者呼吸氣體時(shí)的頻譜響應(yīng)。它對(duì)苯乙烯響應(yīng)的靈敏度為3.24 ng／Hz。

3 肺癌細(xì)胞代謝VOCs檢測(cè)

對(duì)于選定的11種肺癌特征VOCs氣體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些VOCs氣體跟肺癌的相關(guān)性很大。結(jié)果表明，該電子鼻能夠很好地檢測(cè)出肺癌病人呼吸氣體內(nèi)的這些VOCs氣體種類和含量，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，進(jìn)行了細(xì)胞水平的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用該電子鼻對(duì)肺癌細(xì)胞培養(yǎng)液中VOCs進(jìn)行了檢測(cè)。將肺癌組織和同體的正常肺部組織標(biāo)本，分別進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。獲取細(xì)胞培養(yǎng)后的培養(yǎng)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(xì)胞培養(yǎng)液和正常肺部細(xì)胞培養(yǎng)液的譜圖，與正常細(xì)胞相比，確定肺癌細(xì)胞的新陳代謝氣體中有特異性氣體存在。其中一例肺癌細(xì)胞和同體癌旁正常肺部細(xì)胞培養(yǎng)液分析結(jié)果如圖4所示。對(duì)比二者的峰形圖，可以發(fā)現(xiàn)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(jié)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(yàn)對(duì)培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行了電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)醫(yī)生判斷的正常肺部細(xì)胞圖像，已經(jīng)出現(xiàn)了細(xì)胞重疊現(xiàn)象，這是正常細(xì)胞所不會(huì)出現(xiàn)的。可見(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(yàn)方法也能被識(shí)別出來(lái)，所以該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)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(jié)

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(tǒng)，對(duì)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(tǒng)對(duì)肺癌細(xì)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(cè)的初步依據(jù)。

對(duì)于這個(gè)肺癌呼吸氣體診斷來(lái)說(shuō)，在醫(yī)學(xué)生理學(xué)方面還不是非常清楚，能夠應(yīng)用于早期肺癌精確臨床診斷的技術(shù)還不存在，研究目標(biāo)是應(yīng)用這個(gè)新型的電子鼻系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠診斷肺癌病人或者盡可能的對(duì)早期肺癌病人進(jìn)行診斷或初篩。