研究人員通過利用商用VOC氣體傳感器開發(fā)電子鼻裝置

據(jù)麥姆斯咨詢報道，格但斯克理工大學(xué)（Gdańsk University of Technology）聯(lián)合格丁尼亞海洋和熱帶醫(yī)學(xué)大學(xué)中心（University Center of Maritime and Tropical Medicine，UCMTM）的研究人員通過利用商用VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）氣體傳感器開發(fā)的電子鼻裝置，展示了當(dāng)?shù)蒯t(yī)院的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的檢測結(jié)果。研究人員考慮了研究中發(fā)現(xiàn)的影響檢測結(jié)果的技術(shù)問題。他們相信，此次研究有助于推進(jìn)新技術(shù)的開發(fā)，以限制COVID-19和類似病毒感染的傳播。

2021年3月至7月，波蘭爆發(fā)了第3次COVID-19，此次主要是阿爾法（Alpha）和德爾塔（Delta）變異毒株。在此期間，研究人員在當(dāng)?shù)蒯t(yī)院專門治療COVID-19感染者的病房進(jìn)行了實(shí)驗。呼吸樣本是在一個住院患者組和一個對照組中采集的。研究人員調(diào)查了56份呼吸樣本（33份COVID-19重癥患者呼吸樣本、17份健康對照組呼吸樣本和6份環(huán)境空氣樣本）。研究人員調(diào)查了不同年齡、性別和有基礎(chǔ)疾病的患者。

所有樣本均在被采集對象晨起進(jìn)食或飲水之前收集，除了飲用淡水或刷牙以減少食物或飲料氣味的不利影響外。呼出氣最后一波的潮氣末部分由BioVOC呼吸采樣器（約130mL）收集，該采樣器由特氟龍（Teflon）制成，并包含一個保護(hù)性單向流量閥，見下圖。每次使用后，將BioVOC呼吸采樣器拆卸，放入溶解了20 mL消毒劑（法國的米爾頓牌子）的1L蒸餾水溶液中清潔。該呼吸采樣器在消毒液中靜置15分鐘后自然風(fēng)干。然后在低壓條件下，將BioVOC連接到氣腔入口并自動打開電動閥門，將收集的呼吸樣本導(dǎo)入電子鼻的氣腔（下圖a）。

（a）新開發(fā)的電子鼻利用呼出氣最后一波的潮氣末部分以分析氣體樣本；（b）使用BioVOC收集呼氣樣本的圖示

研究人員通過仔細(xì)檢查氣體傳感器的評估參數(shù)（如下，依次圖1），對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)分析。并統(tǒng)計比較MiCS-6814（NO2）傳感器對3個研究組不同樣本的響應(yīng)（如下，依次圖2）。他們探索了兩組（COVID-19感染者和對照組）的分類算法，以評估環(huán)境條件和年齡對檢測結(jié)果的影響。同時確定了50個樣本（33名COVID-19感染者，17名健康志愿者，如下，依次圖3）的ROC（受試者工作特征）曲線。他們指出，重要的是要注意環(huán)境空氣（過濾和循環(huán)）對檢測結(jié)果的影響，同時也可能對醫(yī)療效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，重點(diǎn)是要考慮電子鼻對醫(yī)院病房內(nèi)COVID-19檢測甚至持續(xù)監(jiān)測的影響，以提高醫(yī)療效率。

在呼吸樣本分析過程中，記錄的氣體傳感器直流電阻RS的相對變化示意圖

MiCS-6814（NO2）氣體傳感器在33名COVID-19感染者、17名健康志愿者和6份環(huán)境空氣樣本這3組選定參數(shù)之間響應(yīng)的主要差異

觀察到的50個樣本（33名COVID-19感染者、17名健康志愿者）的ROC曲線

COVID-19感染尤其威脅到老年患者的健康，因此研究人員預(yù)測，統(tǒng)計學(xué)上，他們的呼氣比年輕患者的檢測變化更為明顯。研究人員分別利用COVID-19感染者（55歲）和健康志愿者（45歲）的中位年齡作為閾值，將其分為2個小組。對年齡較大（等于或大于中位年齡，下圖a）和相對年輕（低于中位年齡，下圖b）小組的ROC曲線的評估證實(shí)，老年組的檢測結(jié)果更準(zhǔn)確，所有算法的分類準(zhǔn)確率均達(dá)到91%以上。在最不理想的情況下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中，年輕患者組的檢測準(zhǔn)確度下降到80%。這些結(jié)果有力的支持了新開發(fā)的電子鼻的檢測準(zhǔn)確性，該方法在統(tǒng)計上能更有效地檢測出健康受威脅最嚴(yán)重的老年患者。

觀察到的各樣本組的ROC曲線

研究人員強(qiáng)調(diào)，研究結(jié)果顯示老年人群的檢出率更高。此外，他們注意到所分析的呼吸樣本的濕度存在差異。COVID-19感染者呼吸樣本的平均濕度高于健康志愿者。在研究人員的探索性研究中，他們專注于可能的修正，以提高檢測精度和針對波動環(huán)境因素的抗干擾力。研究人員確定了最可靠的氣體傳感器參數(shù)，這些參數(shù)可以應(yīng)用于測試過程，大大縮短檢測時間。進(jìn)一步加強(qiáng)了對選擇性好、靈敏度高的傳感器的需求。COVID-19感染的單獨(dú)VOC標(biāo)志物的濃度為幾十ppb水平。盡管如此，呼出氣中大量VOC的混合物對應(yīng)用商業(yè)氣體傳感器檢測COVID-19感染者有很大影響。

該電子鼻應(yīng)用于COVID-19檢測之前，仍有一些懸而未決的問題。首先，研究人員無法確定電阻式氣體傳感器不可避免的時間漂移如何影響電子鼻的檢測率，以及在密集操作期間是否需要對其反復(fù)校準(zhǔn)。他們認(rèn)為應(yīng)引入更有效、更快速的氣體傳感器清潔程序（例如采用紫外線（UV）照射或脈沖加熱）。其次，在露天條件下或被檢測者患有感冒、季節(jié)性流感等肺部疾病時的檢測效率。最后，采用預(yù)濃縮器技術(shù)來增加VOC濃度并降低對氣體傳感器的要求。該技術(shù)會增加電子鼻的成本并使其更笨重。他們認(rèn)為，上述問題是在引入大規(guī)模COVID-19篩查和監(jiān)測其醫(yī)療效率方面邁出的一大步。該方法出結(jié)果更快、成本更低，但并不會像金標(biāo)準(zhǔn)PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）測試那樣準(zhǔn)確。