種虛擬氣體傳感器陣列的無創(chuàng)電子鼻設(shè)計方案

1 引 言

肺癌為當(dāng)前世界各地最為常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率在多數(shù)國家都有明顯增高的趨勢，設(shè)計能夠檢測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，國際上還沒有研發(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，肺癌呼吸檢測病理解釋為：人體的異常狀況會導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生過多的反應(yīng)性氧化物，包括氧自由基和過氧化氫等，這樣就破壞了強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)過氧化，就會產(chǎn)生烷烴類、醛類氣體，通過呼吸排出體外。但是，具體的特征標(biāo)志性氣體國際上還沒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創(chuàng)的用于檢測肺癌的電子鼻。該電子鼻包含一個由固相微萃取(solid phase microextracTIon，SPME)和毛細(xì)管柱(gas chromatography，GC)組成的前處理裝置來實現(xiàn)病人呼吸氣體中VOCs的濃縮吸附、脫附和分離，隨后通過一個表面涂覆聚異丁稀薄膜差動結(jié)構(gòu)的SAW傳感器對分離后的有機氣體成分進行定量檢測(圖1)。

2 呼吸檢測電子鼻系統(tǒng)的設(shè)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)，實驗采用惰性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，最后采用改進的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合圖像技術(shù)來識別肺癌病人。

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。一對傳感器中的一個表面涂覆PIB薄膜作為工作傳感器，而另一個表面沒有涂覆薄膜的傳感器作為基準(zhǔn)傳感器。

實驗用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別方法，對肺癌病人、正常人和老慢支病人的呼出氣體進行了檢測，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SAW傳感器在檢測肺癌患者呼吸氣體時的頻譜響應(yīng)。它對苯乙烯響應(yīng)的靈敏度為3.24 ng／Hz。

3 肺癌細(xì)胞代謝VOCs檢測

對于選定的11種肺癌特征VOCs氣體來說，實驗證實了這些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，進行了細(xì)胞水平的對比實驗，用該電子鼻對肺癌細(xì)胞培養(yǎng)液中VOCs進行了檢測。將肺癌組織和同體的正常肺部組織標(biāo)本，分別進行細(xì)胞培養(yǎng)。獲取細(xì)胞培養(yǎng)后的培養(yǎng)液，進行SPME萃取，用 GC 進行分析。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已經(jīng)發(fā)生了癌變。實驗對培養(yǎng)的細(xì)胞進行了電鏡觀察，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)胞所不會出現(xiàn)的?？梢娙庋蹮o法正確判斷的已經(jīng)發(fā)生癌變的肺部組織通過我們的實驗方法也能被識別出來，所以該實驗的結(jié)果對于呼吸氣體進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)點的電子鼻。使用該電子鼻系統(tǒng)，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)方面進行了的研究。同時，使用這個電子鼻系統(tǒng)對肺癌細(xì)胞代謝產(chǎn)物中揮發(fā)性氣體進行了研究，取得了早期肺癌檢測的初步依據(jù)。

對于這個肺癌呼吸氣體診斷來說，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)用這個新型的電子鼻系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來能夠診斷肺癌病人或者盡可能的對早期肺癌病人進行診斷或初篩。