高靈敏度氣體傳感器問(wèn)世，醫療檢測迎新突破

一、引言

在醫療檢測領(lǐng)域，傳統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(lái)痛苦和不便，還可能存在一定的感染風(fēng)險。高靈敏度氣體傳感器的問(wèn)世為醫療檢測帶來(lái)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測提供了關(guān)鍵數據支持，開(kāi)啟了醫療檢測的新篇章。

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構組成。敏感材料是傳感器的核心，它能夠對特定的氣體分子產(chǎn)生響應，并將氣體分子的存在和濃度變化轉化為電信號。常見(jiàn)的敏感材料包括金屬氧化物半導體（MOS）、導電聚合物、碳基材料等。

金屬氧化物半導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(shí)，會(huì )發(fā)生電荷轉移，從而改變材料的電阻。例如，氧化錫（SnO?）、氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物半導體材料被廣泛應用于氣體傳感器中。導電聚合物則通過(guò)目標氣體與聚合物分子間的弱分子間力相互作用，改變聚合物的導電性。常見(jiàn)的導電聚合物有聚苯胺（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。

傳感結構的設計也對傳感器的性能起著(zhù)重要作用。合理的結構設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效率。例如，采用納米結構、多孔結構等可以增大傳感器的比表面積，從而增強其對氣體的響應能力。

三、高靈敏度氣體傳感器在醫療檢測中的應用

（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，傳統的血糖測量方法具有侵入性，會(huì )給患者帶來(lái)額外的心理壓力和疼痛。研究發(fā)現，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(guò)1.8ppm的丙酮濃度通常意味著(zhù)糖尿病風(fēng)險較高。因此，準確檢測呼吸中的丙酮濃度可以作為一種無(wú)創(chuàng )的糖尿病診斷方法。

近年來(lái)，科研人員開(kāi)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(xiàn)和分子篩的復合結構，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(guò)使用分子篩作為潮濕過(guò)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(jiǎn)單、廉價(jià)和無(wú)創(chuàng )診斷糖尿病提供了新的機會(huì )。

（二）肺癌早期篩查

肺癌是一種嚴重威脅人類(lèi)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(xué)物質(zhì)可能預示著(zhù)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(lái)診斷肺癌。

浙江大學(xué)團隊開(kāi)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(shí)，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備中，成功地區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(wú)創(chuàng )篩查提供了新的手段。

（三）幽門(mén)螺桿菌感染檢測

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

高靈敏度氣體傳感器可以進(jìn)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(guò)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(mén)螺桿菌。

（四）麻醉氣體監測

在手術(shù)室中，麻醉氣體的濃度需要精確控制，以確?；颊叩陌踩褪中g(shù)的順利進(jìn)行。過(guò)高的麻醉氣體濃度可能會(huì )導致患者呼吸抑制、心血管抑制等不良反應，而過(guò)低的濃度則可能無(wú)法達到理想的麻醉效果。

紅外傳感器可以實(shí)時(shí)監測麻醉氣體（如異氟烷）的濃度，并將數據反饋給麻醉機，使麻醉師能夠及時(shí)調整麻醉氣體的輸送量，確保麻醉劑濃度精準，避免過(guò)量風(fēng)險。

四、高靈敏度氣體傳感器醫療檢測技術(shù)的優(yōu)勢

（一）無(wú)創(chuàng )檢測

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

（二）實(shí)時(shí)監測

傳感器可以實(shí)時(shí)、連續地檢測人體呼出氣體中的氣體成分和濃度變化，為醫生提供動(dòng)態(tài)的生理信息。例如，在重癥監護病房中，通過(guò)實(shí)時(shí)監測患者的呼吸氣體成分，可以及時(shí)發(fā)現患者的病情變化，為治療方案的調整提供依據。

（三）早期診斷

許多疾病在早期階段可能沒(méi)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(shí)現疾病的早期診斷，為患者的治療爭取寶貴的時(shí)間。

五、挑戰與展望

（一）挑戰

盡管高靈敏度氣體傳感器在醫療檢測領(lǐng)域取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰。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(shí)，可能會(huì )受到其他氣體的干擾，導致檢測結果不準確。此外，傳感器的穩定性和可靠性也需要進(jìn)一步增強，以確保其在長(cháng)期使用過(guò)程中的性能穩定。

（二）展望

隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，高靈敏度氣體傳感器在醫療檢測領(lǐng)域的應用前景十分廣闊。未來(lái)，傳感器技術(shù)將朝著(zhù)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(shí)，結合人工智能、大數據等技術(shù)，對傳感器檢測到的數據進(jìn)行分析和處理，將進(jìn)一步提高疾病診斷的準確性和個(gè)性化水平。此外，傳感器還將與其他醫療設備進(jìn)行集成，實(shí)現醫療檢測的智能化和自動(dòng)化。

六、結論

高靈敏度氣體傳感器的問(wèn)世為醫療檢測帶來(lái)了新的突破，在糖尿病、肺癌、幽門(mén)螺桿菌感染、麻醉氣體監測等多個(gè)醫療場(chǎng)景中發(fā)揮著(zhù)重要作用。其無(wú)創(chuàng )檢測、實(shí)時(shí)監測、早期診斷等優(yōu)勢為醫療領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的變革。盡管目前該技術(shù)還面臨一些挑戰，但隨著(zhù)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療檢測領(lǐng)域得到更廣泛的應用，為人類(lèi)的健康事業(yè)做出更大的貢獻。