导读


最近,日本东北大学团队开发出了一种低成本的气体传感器装置,它可以监测与健康相关的痕量级化学物质,从而为未来进行非侵入式健康研究开辟了一条新的道路。

技术关键字

气体传感器、光纤、紫外线

创新背景


健康,与我们每个人都息息相关,现代人更加重视身体检查。然而,说起体检,我们自然会联想到如下的场景:


去医院排一个长长的队,接受各种医疗设备例如:核磁共振,CT,抽血化验,内窥镜,B超,X光的“折磨”,不仅花费大量的金钱和时间,而且也给我们身体带来了痛苦和创伤。


所以,医学界一直都在探索非侵入式、便捷、廉价的检查方式。“呼吸”检查就是其中之一,John 之前在《以色列新科技:呼一口气,就能检验出癌症!》和《气体传感器:能通过呼出的气来检查疾病?》两篇文章中,都提到过通过呼吸检测疾病的方式。


(图片来源于:以色列理工学院)


然而,呼吸检查的方式从技术上讲,需要使用气体传感器来实现。


创新探索


最近,日本东北大学的科研人员在这个背景下,进行了创新探索。他们的论文《利用具有空心光纤气体小室的紫外光吸收光谱学实时分析呼吸中的异戊二烯》“Real-Time Analysis of Isoprene in Breath by Using Ultraviolet-Absorption Spectroscopy with a Hollow Optical Fiber Gas Cell” 发表于《传感器》杂志。


(图片来源于:东北大学)


他们设计出了一种相对简单、低成本的传感器,它利用空心光纤传导敏感气体,从而监测人体呼吸中低浓度的生物标记物。

科学家在论文中阐述了他们的设备的工作原理,并且使用挥发性有机化合物异戊二烯作为例子。异戊二烯是关于胆固醇合成的一种指标,并且对于深入了解患者的新陈代谢很有价值。科研人员通过对于志愿者进行一整天的呼吸测量,追踪其运动或者饮食后,异戊二烯发生的变化。


核心技术


这个设备的关键技术成功点在于


内部涂有铝反射膜的、3米长,空心的光纤和紫外线吸收光谱法


(图片来源于:东北大学)



气体紫外线吸收光谱法的实验室装置示意图

(图片来源于:东北大学)


气体检测分析的过程简单描述如下:


参与测试者向连接管里面吹气,然后管子将呼出的气体导入光纤内部的空心部分。在空心光纤内部,这些气体暴露于激光发射的紫外线下,位于光路一端的检测器会接收紫外线通过气体样本后的全部光信号。这个称为“吸收峰”的系列形成了化学签名,从而揭示出有哪些分子出现。


长光线路径和高强度辐射改善了测量效果,即使极其微量的化学物质都能被检测到,这也是该技术重要的成功之处。


创新价值


呼吸分析,近些年来倍受关注,因为它是一种非侵入式的健康分析方式。但是,监测低浓度的生物标记物,往往需要笨重和昂贵的实验室系统。


这种气体传感器的设备的创新价值,就在于:便携和廉价。同时,它也能够检测到极低浓度的生物标记物,可见它有很高的精密度。


另外,必须要提及的一个重要创新价值就是,在传导和分析气体时,利用了空心的光纤,从而进一步挖掘了光纤在常规的通信用途以外的创新价值。


应用价值

未来,这个系统不仅可以作为大型的实验室气体分析装置的替代品,用于临床,而且还会有利于科学家进一步理解人体的新陈代谢机制。

参考资料


【1】http://www.tohoku.ac.jp/en/press/compact_fibre_optic.html

【2】Real-Time Analysis of Isoprene in Breath by Using Ultraviolet-Absorption Spectroscopy with a Hollow Optical Fiber Gas Cell. Authors: Takuro Iwata, Takashi Katagiri and Yuji MatsuuraJournal: Sensors 2016, 16, 2058 DOI: 10.3390/s16122058



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日本健康新科技:利用光纤分析呼吸!
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