导读

最近,美国罗格斯大学的科学家们设计出一种基于石墨烯的传感器,它能够对于哮喘发作进行早期检测和预警,从而改善哮喘等呼吸系统疾病的治疗。

关键字

哮喘、石墨烯生物传感器呼吸

背景

今天要介绍的创新技术,又和人体健康相关,它关系到一种常见的呼吸道疾病:哮喘


哮喘患者发病时,如果对其进行肺部检查,可听到口哨似的声响,即“哮鸣音”。患者会出现呼吸困难、胸闷、气促、咳嗽等症状,如果不及时服药或者治疗进行缓解,严重时会危及患者生命。


下面,我们更深入地了解一下哮喘发病时人体呼吸道的情况:


  • A:身体中肺和呼吸道的位置图

  • B:正常时的呼吸道横截面图

  • C:哮喘症状时的呼吸道横截面图



(图片来源于:维基百科)

从上图中可见:哮喘发作时,气管壁肌肉收缩,呼吸道管径缩小,变得狭窄,人体呼吸会发生困难。


吸烟、大气污染、呼吸道病毒感染、环境因素、剧烈运动、气候转变、多种非特异性刺激如:吸入冷空气,以及精神因素都会可诱发哮喘。据估计,全球约有3亿哮喘患者,而我国大约有3000万哮喘患者,发病率和死亡率仍在不断上升。


然而,对于哮喘等呼吸系统疾病来说,早期诊断具有非常重要的意义,不仅可以改善治疗效果,而且能防止患者病情加重甚至死亡。


所以,医学界也研制出一些诊断哮喘的非创伤性方法,例如呼吸量测定法,它用于肺活量和呼出气一氧化氮的测定。对于利用呼出气检测疾病的方法,这里已经不是第一次介绍了,笔者在之前的气体传感器:能通过呼出的气来检查疾病?》、《以色列新科技:呼一口气,就能检验出癌症!》、《美国最新科技:呼一口气,便可检测流感病毒!这几篇文章中都有介绍过类似的方法。


但是,利用呼吸量测定等方法检测哮喘,不仅灵敏度较低,而且需要昂贵、笨重的设备,患者无法随时随身携带。另外,更重要的是,它对于呼吸道炎症的性质和程度的描述有限。


创新


最近,美国罗格斯大学新布朗斯维克分校的科学家们设计出了一种基于石墨烯的传感器,它可以早期检测哮喘的发作,改善哮喘和其他呼吸系统疾病的治疗,防止患者病情恶化和死亡。


该校电子和计算机工程学系的助理教授 Mehdi Javanmard 和该校多元化团队的专家们,在一篇论文中描述了这项创新发明。论文于今日在线发表在《微系统和纳米工程》杂志上。

技术

  • EBC

说起技术方面,我们首先要介绍一个新概念,就是呼出气冷凝液(EBC)。对于EBC,我们可以简单地理解为:


人体呼吸时,呼吸道中的生物标记物分子可随呼出气体呼出体外,在外界温度降低时,可随水蒸气的凝结而变成EBC。


EBC 中含有非易失性化合物,包括过氧化氢、亚硝酸盐和硝酸盐,以及像类二十烷酸、蛋白质、甚至核酸等更大的分子。所以,对于EBC中的生物标记物进行测量,有利于在分子水平进一步理解哮喘,更精准、更有效地进行疾病治疗和预防。


为了更加细致地理解,使用EBC中的亚硝酸盐作为生物标志物,测定哮喘时的氧化应激和炎症的过程。我们可以参考以下的这张图:


(图片来源于:参考资料【2】)


  • 电化学法


从中我们可以看出,生物标记物从肺中,随着呼吸呼出体外,然后在冷凝器中凝结为EBC液体样本,接下来就是对于样本中的亚硝酸盐进行检测。对于亚硝酸盐的检测有几种可选方案,研究人员最终选择了电化学法


科研人员之所以选用电化学法是因为:


电化学方案无需预处理步骤,可小型化,能进行即时检测,甚至可集成进可穿戴设备中。


  • 石墨烯


那么,接下来还有一个十分重要的问题,即选用什么电极材料做成传感器,对亚硝酸盐进行电化学检测呢?


研究人员选用了石墨烯然而,对于石墨烯原理和应用,笔者之前在多篇文章中有过介绍。它是一种性能极佳的新材料。由碳原子构成蜂窝状结构,并且只单层原子的厚度。由于它具有不同寻常的结构,所以在强度、导电、导热性能方面都十分优秀



据研究人员的论文介绍,基于石墨烯的电极材料具有超电势低、抗腐蚀、电子迁移电阻低、剩余电流小、电势窗口宽,化学稳定性好,化学功能化潜力大的等优势。最重要的是,这种基于还原石墨烯的电化学传感器,可以精准测量出呼出气冷凝液中的亚硝酸盐。


  • 制造工艺

接下来,我们再简单看看,在电化学微流单元中形成的还原氧化石墨烯生物传感器的制造工艺,为了简单的说明,我们简单看一下研究人员论文中的一张图:



 (a) 丝网印刷电极方法制成的电极。 (b)
金电极之上,滴两滴微型石墨烯氧化物溶液,在(c) 图中形成一层薄的石墨烯氧化物层,(d)显示出我们是如何在PDMS膜上占据小体积的区域。(e) 用于检测亚硝酸盐的传感器图片。

(图片来源于:参考资料【2】)


价值


对于这项研究的价值,最重要的是实用性和及时性方面。未来,该传感器很可能集成到像 Fitbit 手环这样的可穿戴设备中,用于检测哮喘患者的健康状况,提醒他们相关的健康风险,例如什么时候应该用药,以及用药的剂量。


这将进一步促进哮喘防治的精准化和个性化,能够随时随地的进行检测,早期诊断哮喘发病征兆,并且提醒患者即时进行治疗。例如,在环境因素,空气污染等条件有可能诱发哮喘的情况下,及时控制患者的发病风险,更好地管理用药。同时,它也可以帮助医院用于检测哮喘治疗的效果。

未来


下一步,研究人员将开发便携式、可穿戴的系统,在五年之内进行商用。另外,研究人员还将进一步扩大该设备能够检测的炎症生物标记物的数量。

参考资料


【1】http://news.rutgers.edu/research-news/graphene-based-sensor-could-improve-evaluation-diagnosis-and-treatment-asthma/20170522#.WR3wUesrK71

【2】http://dx.doi.org/10.1038/micronano.2017.2



如果您想了解更多的前沿技术文章,直接点击“阅读原文”。需要进行深入咨询和交流的朋友,请联系微信:JohnZh1984

新型石墨烯传感器:可及时检测哮喘!
Tagged on: