高靈敏度氣體傳感器問世，醫(yī)療檢測迎新突破

一、引言

在醫(yī)療檢測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的檢測方法往往需要采集患者的血液、組織等樣本，不僅給患者帶來痛苦和不便，還可能存在一定的感染風險。高靈敏度氣體傳感器的問世為醫(yī)療檢測帶來了新的突破。這種傳感器能夠快速、精確地檢測人體呼出氣體中的微量成分，為疾病的早期診斷和健康監(jiān)測提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，開啟了醫(yī)療檢測的新篇章。

二、高靈敏度氣體傳感器的技術(shù)原理

高靈敏度氣體傳感器主要由敏感材料和傳感結(jié)構(gòu)組成。敏感材料是傳感器的核心，它能夠?qū)μ囟ǖ臍怏w分子產(chǎn)生響應(yīng)，并將氣體分子的存在和濃度變化轉(zhuǎn)化為電信號。常見的敏感材料包括金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）、導(dǎo)電聚合物、碳基材料等。

金屬氧化物半導(dǎo)體材料具有寬帶隙和全光譜的電子特性，當其表面吸附氣體分子時，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而改變材料的電阻。例如，氧化錫（SnO?）、氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于氣體傳感器中。導(dǎo)電聚合物則通過目標氣體與聚合物分子間的弱分子間力相互作用，改變聚合物的導(dǎo)電性。常見的導(dǎo)電聚合物有聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）等。碳基材料如碳納米管、石墨烯等具有高比表面積和優(yōu)異的電性能，能夠提高傳感器的靈敏度和選擇性。

傳感結(jié)構(gòu)的設(shè)計也對傳感器的性能起著重要作用。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以增加敏感材料與氣體分子的接觸面積，提高氣體的吸附和反應(yīng)效率。例如，采用納米結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等可以增大傳感器的比表面積，從而增強其對氣體的響應(yīng)能力。

三、高靈敏度氣體傳感器在醫(yī)療檢測中的應(yīng)用

（一）糖尿病診斷

糖尿病是一種由代謝紊亂引起的全球性慢性疾病，傳統(tǒng)的血糖測量方法具有侵入性，會給患者帶來額外的心理壓力和疼痛。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者的呼出氣中含有較高濃度的丙酮，呼出氣中超過1.8ppm的丙酮濃度通常意味著糖尿病風險較高。因此，準確檢測呼吸中的丙酮濃度可以作為一種無創(chuàng)的糖尿病診斷方法。

近年來，科研人員開發(fā)出了高靈敏度和抗潮氣氛的氣體傳感器用于糖尿病診斷。例如，采用Pt@In?O?納米線和分子篩的復(fù)合結(jié)構(gòu)，傳感器能夠檢測低至10ppb的丙酮濃度，遠低于糖尿病患者呼出氣中的1.8ppm濃度水平。通過使用分子篩作為潮濕過濾層，大大減弱了水分對傳感器的影響，在健康和糖尿病患者的臨床樣本檢測中獲得了大大改善的敏感性。這種傳感器為簡單、廉價和無創(chuàng)診斷糖尿病提供了新的機會。

（二）肺癌早期篩查

肺癌是一種嚴重威脅人類健康的疾病，早期診斷對于提高患者的生存率至關(guān)重要。呼出的氣體中含有的化學物質(zhì)可能預(yù)示著癌癥等疾病，其中異戊二烯是膽固醇代謝異常的典型生物標志物，其在呼出氣體中的濃度可以用來診斷肺癌。

浙江大學團隊開發(fā)了一種基于氧化銦（In?O?）的Pt@InNiOx納米片超靈敏納米級傳感器，當用于檢測呼吸異戊二烯時，達到了2ppb的極低檢測限（LOD），這是迄今為止報道的異戊二烯傳感器的最低檢測限。研究人員將這種傳感器集成到便攜式傳感設(shè)備中，成功地區(qū)分了呼氣中異戊二烯含量低于40ppb的肺癌患者和高于60ppb的健康人群，為肺癌的無創(chuàng)篩查提供了新的手段。

（三）幽門螺桿菌感染檢測

幽門螺桿菌感染是一種常見的胃腸道疾病，傳統(tǒng)的檢測方法包括胃鏡檢查和呼氣試驗等。呼氣試驗中，通過檢測呼出氣體中13C或1?C標記的二氧化碳濃度變化來診斷幽門螺桿菌感染。

高靈敏度氣體傳感器可以進一步提高呼氣試驗的準確性和便捷性。例如，利用紅外傳感器可以高精度地檢測呼出氣體中的二氧化碳濃度，通過分析二氧化碳濃度的變化，快速、準確地判斷患者是否感染幽門螺桿菌。

（四）麻醉氣體監(jiān)測

在手術(shù)室中，麻醉氣體的濃度需要精確控制，以確保患者的安全和手術(shù)的順利進行。過高的麻醉氣體濃度可能會導(dǎo)致患者呼吸抑制、心血管抑制等不良反應(yīng)，而過低的濃度則可能無法達到理想的麻醉效果。

紅外傳感器可以實時監(jiān)測麻醉氣體（如異氟烷）的濃度，并將數(shù)據(jù)反饋給麻醉機，使麻醉師能夠及時調(diào)整麻醉氣體的輸送量，確保麻醉劑濃度精準，避免過量風險。

四、高靈敏度氣體傳感器醫(yī)療檢測技術(shù)的優(yōu)勢

（一）無創(chuàng)檢測

高靈敏度氣體傳感器通過對人體呼出氣體的檢測來進行疾病診斷和健康監(jiān)測，無需采集患者的血液、組織等樣本，避免了傳統(tǒng)檢測方法給患者帶來的痛苦和創(chuàng)傷，提高了患者的依從性。

（二）實時監(jiān)測

傳感器可以實時、連續(xù)地檢測人體呼出氣體中的氣體成分和濃度變化，為醫(yī)生提供動態(tài)的生理信息。例如，在重癥監(jiān)護病房中，通過實時監(jiān)測患者的呼吸氣體成分，可以及時發(fā)現(xiàn)患者的病情變化，為治療方案的調(diào)整提供依據(jù)。

（三）早期診斷

許多疾病在早期階段可能沒有明顯的臨床癥狀，但呼出氣體中已經(jīng)存在特定的生物標志物。高靈敏度氣體傳感器能夠檢測到這些微量的生物標志物，實現(xiàn)疾病的早期診斷，為患者的治療爭取寶貴的時間。

五、挑戰(zhàn)與展望

（一）挑戰(zhàn)

盡管高靈敏度氣體傳感器在醫(yī)療檢測領(lǐng)域取得了顯著的進展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，傳感器的選擇性有待提高，目前的一些傳感器在檢測特定氣體時，可能會受到其他氣體的干擾，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準確。此外，傳感器的穩(wěn)定性和可靠性也需要進一步增強，以確保其在長期使用過程中的性能穩(wěn)定。

（二）展望

隨著科技的不斷進步，高靈敏度氣體傳感器在醫(yī)療檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。未來，傳感器技術(shù)將朝著更高靈敏度、更高選擇性、更低功耗、更小型化的方向發(fā)展。同時，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，將進一步提高疾病診斷的準確性和個性化水平。此外，傳感器還將與其他醫(yī)療設(shè)備進行集成，實現(xiàn)醫(yī)療檢測的智能化和自動化。

六、結(jié)論

高靈敏度氣體傳感器的問世為醫(yī)療檢測帶來了新的突破，在糖尿病、肺癌、幽門螺桿菌感染、麻醉氣體監(jiān)測等多個醫(yī)療場景中發(fā)揮著重要作用。其無創(chuàng)檢測、實時監(jiān)測、早期診斷等優(yōu)勢為醫(yī)療領(lǐng)域帶來了巨大的變革。盡管目前該技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信高靈敏度氣體傳感器將在醫(yī)療檢測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為人類的健康事業(yè)做出更大的貢獻。