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。

　　3 肺癌細胞代謝VOCs檢測

　　對于選定的11種肺癌特征VOCs氣體來說，實驗證實了這些VOCs氣體跟肺癌的相關性很大。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，進行了細胞水平的對比實驗，用該電子鼻對肺癌細胞培養液中VOCs進行了檢測。將肺癌組織和同體的正常肺部組織標本，分別進行細胞培養。獲取細胞培養后的培養液，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已經發生了癌變。實驗對培養的細胞進行了電鏡觀察，發現醫生判斷的正常肺部細胞圖像，已經出現了細胞重疊現象，這是正常細胞所不會出現的。可見肉眼無法正確判斷的已經發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

　　本文提出了一具有高靈敏性、低成本以及易操作等優點的電子鼻。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方面進行了的研究。同時，使用這個電子鼻系統對肺癌細胞代謝產物中揮發性氣體進行了研究，取得了早期肺癌檢測的初步依