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(fā)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(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(fā)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(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(tǒng)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(tǒng)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(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。它對苯乙烯響應的靈敏度為3.24 ng／Hz。