人體代謝過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)百種揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）通過(guò)血液運(yùn)輸，經(jīng)呼氣或體液排泄釋放到體外。這些揮發(fā)物構(gòu)成的化學(xué)指紋不僅能反映個(gè)體健康狀態(tài)，更可作為疾病早期預(yù)警的生物標(biāo)志物。基于氣體傳感器陣列的電子鼻（e-Nose）技術(shù)，通過(guò)將生物樣本的揮發(fā)性化學(xué)特征轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，為臨床診斷提供了低成本、易操作的輔助手段，成為傳統(tǒng)診療技術(shù)的重要補(bǔ)充。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，意大利薩倫托大學(xué)（University of Salento）、國(guó)家研究委員會(huì)微電子與微系統(tǒng)研究所（CNR IMM）的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出一種專門用于人體揮發(fā)物指紋分析的便攜式電子鼻，代號(hào)為SPYROX。該電子鼻可對(duì)呼氣、生物流體等多種基質(zhì)進(jìn)行揮發(fā)物指紋檢測(cè)，適用于疾病篩查及人群健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。相關(guān)研究成果以“A Multimatrix E-Nose With Optimal Multiranged AFE Circuit for Human Volatilome Fingerprinting”為題發(fā)表在IEEE Sensors Journal期刊上。
SPYROX電子鼻采用模塊化設(shè)計(jì)，集成了氣流和VOC采樣自動(dòng)化/控制系統(tǒng)、電源模塊、氣體傳感器陣列以及電子主板，整體封裝在透明有機(jī)玻璃外殼中。其核心傳感單元搭載8個(gè)商用金屬氧化物（MOx）氣體傳感器，支持呼氣樣本直接分析與生物流體頂空采樣兩種模式，可覆蓋人體揮發(fā)物檢測(cè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。
模擬前端（AFE）部分是微控制器（MCU）與傳感器模塊之間的接口。傳感器模塊搭載基于MOx的化學(xué)電阻式氣體傳感器陣列，其工作原理基于傳感層在接觸氣體和揮發(fā)物時(shí)的電阻變化。由于傳感器電阻可能在數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)變化，因此研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的多量程AFE電路，以在寬電阻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)正確讀取。
圖1 SPYROX電子鼻架構(gòu)
圖2 SPYROX電子鼻實(shí)物圖
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)單一化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品和復(fù)雜混合物的分類測(cè)試，驗(yàn)證了SPYROX電子鼻在人體揮發(fā)物指紋分析中的適用性。測(cè)試首先針對(duì)12種人體揮發(fā)物分析中的關(guān)鍵化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品，隨后制備了3種二元混合物和1種三元混合物，以驗(yàn)證其對(duì)更接近真實(shí)樣本的分類能力。兩種測(cè)試中，線性判別模型均實(shí)現(xiàn)了100%的分類準(zhǔn)確率，證明了SPYROX電子鼻在復(fù)雜揮發(fā)物指紋分析中的有效性。
圖3 單一化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的前兩個(gè)線性判別元分布圖
圖4 揮發(fā)性混合物的前兩個(gè)線性判別元分布圖
綜上所述，這項(xiàng)研究工作成功開發(fā)出一種適用于多基質(zhì)人體揮發(fā)物指紋分析的SPYROX電子鼻，其采用8個(gè)MOx氣體傳感器組成陣列，可用于人體呼出氣體檢測(cè)與分析。與以往研究不同，這項(xiàng)研究提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的多量程AFE電路，通過(guò)優(yōu)化讀取靈敏度，生成準(zhǔn)確訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高分類精度。通過(guò)對(duì)化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品和混合物的分類測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該電子鼻在復(fù)雜氣體混合物（典型人體揮發(fā)物）指紋分析中的有效性。
論文信息：
DOI: 10.1109/JSEN.2023.3343762
