基于虛擬氣體傳感器陣列的肺癌檢測電子鼻設計

1 引 言

　　肺癌為當前世界各地最為常見的惡性腫瘤之一，發病率在多數國家都有明顯增高的趨勢，設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依據還不是非常清楚，國際上還沒有研發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致體內產生過多的反應性氧化物，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，導致一種潛在傷害——氧化應激，是細胞損傷的主要原因。在這種情況下細胞膜多不飽和脂肪酸發生脂質過氧化，就會產生烷烴類、醛類氣體，通過呼吸排出體外。但是，具體的特征標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)和毛細管柱(gas chromatography，GC)組成的前處理裝置來實現病人呼吸氣體中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構的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，利用薄膜技術提高SAW傳感器的靈敏度，最后采用改進的人工神經網絡算法結合圖像技術來識別肺癌病人。

　　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傳感器。

　　實驗用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。它對苯乙烯響應的靈敏度為3.24 ng／Hz。