背景介绍

人体呼出气体中的微量气体包含着与人体代谢或体内菌群代谢紧密相关的挥发性物质。呼吸气体中与代谢相关的无机气体主要包括NH₃、NO和CO，而挥发性有机气体主要包括饱和与非饱和碳氢化合物。其中烯烃类和醛类物质主要来自于活性氧自由基引发的脂肪酸脂质过氧化，也可能来自于蛋白质氧化或寄生微生物的代谢。另外，一些不饱和碳氢化合物如异戊二烯则是胆固醇合成过程中的产物。学术界通常把这种呼出气体成分的特征分布称之为“呼出气体指纹图谱”。

科学研究表明，癌症也是一种代谢异常疾病，肿瘤的发生往往会伴随代谢通路中关键基因和蛋白表达的变化，从而导致代谢产物相对浓度及分布的变化。因此，相比于健康人群，肿瘤患者的呼出气体指纹图谱也会表现出不同的特征。例如，正常人群中部分挥发性有机物（VOCs）含量大约在1-20 ppb之间，而肺癌患者呼出气体中这些VOC气体的含量会上升到10-100 ppb。而某些VOCs的浓度在肺癌患者的呼出气中会出现下调。通过对这些特征VOC气体的分析可区分肺癌患者和正常人。

色谱和质谱技术是获取呼出气体指纹图谱的重要手段，但是这些技术依赖大型设备，操作复杂。而且呼出气体样本保存困难，一般无法通过送样方式进行集中检测。因此，研发用于快速采集呼出气体指纹图谱的便携式传感器对于个人健康诊断与筛查具有重要意义。

    技术解析   

最近，浙江大学化学系邬建敏教授课题组研制了一种高灵敏度、高识别能力的石墨烯电子鼻，该电子鼻包含8个位点的石墨烯传感材料，可对不同性质的痕量气体产生选择性交叉响应。借助于线性判别分析和人工神经网络分析，可实现对呼出气体中常见标志物（氨气、硫化氢、丙酮、异戊二烯等）的高选择性判别。石墨烯具有较高的电子迁移率、可调控的禁带宽度和极高的比表面积，因而是一种理想的气体传感材料。

此前，邬教授课题组提出了石墨烯的气体传感机理由电荷转移和层间电子跨越两种机制共同贡献（Chem. Commun., 2016, 52,3042）。然而，单一的石墨烯材料无法实现对气体种类进行判别，而构筑包含多个导电性近似但敏感位点丰富的石墨烯传感阵列仍然面临诸多挑战。课题组的陈巧芬博士巧妙地提出了用金属离子诱导石墨烯自组装的方法，该技术成功地解决了石墨烯对气体吸附位点的多样化调控，赋予传感器阵列高选择性的交叉识别响应（图1）。此外，用金属离子诱导自组装的石墨烯材料具有丰富的多孔网络结构，避免了少层石墨烯聚集时比表面积的损失，因而有利于气体分子的传质和高效吸附。从器件层面上，传感材料与电极接触的均一性也会显著影响传感器的灵敏度和噪音水平。课题组发现这种自组装石墨烯材料可均匀地涂覆于柔性电极阵列表面，表现出较高的信噪比。

在临床试验阶段，邬教授课题组与浙江大学邵逸夫医院胸外科何正富团队合作，测试了这种石墨烯电子鼻对肺癌患者的判别能力。106例临床样本的检测结果显示该电子鼻的判别敏感性为95.8%，特异性为96.0%。通过对部分石墨烯位点的响应图谱对比，研究团队还准确地发现有1例肺癌住院患者同时伴随肾功能衰竭，这是因为肾功能衰竭患者呼出气体中的氨气含量会显著升高。这种电子鼻诊断系统分析速度快，每次测试只需数分钟就能完成。近日，该项研究成果发表在美国化学会期刊ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.0c00720）。该项研究工作得到了国家自然科学基金和汇健科技的经费支持。

图1.石墨烯电子鼻器件的构建及对肺癌患者诊断的示意图