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經(jīng)3D打印強化的“電子鼻”,可在短短80秒內(nèi)“嗅出”新冠病毒

星之球科技 來源:百度2021-06-08 我要評論(0 )   

以色列魏茨曼科學研究所的科學家們用3D打印出了一種“電子鼻”配件,使其能夠安全地“嗅出”化學物質(zhì),從而識別人們是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。該團隊的儀器配...

以色列魏茨曼科學研究所的科學家們用3D打印出了一種“電子鼻”配件,使其能夠安全地“嗅出”化學物質(zhì),從而識別人們是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。



該團隊的儀器配有一個氣體裝置、傳感器陣列和3D打印采樣閥,經(jīng)過實際測試訓練,可以發(fā)現(xiàn)患者鼻道內(nèi)的新冠病毒和其他揮發(fā)性有機化合物(VOCs)??茖W家們認為,隨著進一步的研發(fā),他們的設備可以幫助擴大新冠檢測的規(guī)模,并隨著機場和線下活動開始重新開放而加快這一過程。



“每種疾病都有一種氣味,”該項目負責人諾姆·索貝爾(Noam Sobel)在去年的早期測試中解釋說。“這是因為疾病會改變具有代謝物的代謝過程,而這些代謝物具有氣味。”



“我們的實驗室里有一種被稱為‘電子鼻’的設備,”他補充說?!斑@是一種敏感設備,它能產(chǎn)生一種模式,反映它聞到的每一種氣味,所以我們決定使用它來看看我們是否能確定新冠病毒的氣味特征。”



“我們獲得的信息可能會為快速診斷開辟一條道路?!?/strong>




科學家在新冠檢測期間使用了經(jīng)過 3D 打印優(yōu)化的電子鼻。圖片來自Plos One雜志。



“嗅出”新冠的跡象



雖然病毒本身不會釋放揮發(fā)性有機化合物,但它們可以導致受感染的人體細胞這樣做,因此許多疾病實際上可以通過氣味來檢測。因此,目前可以用訓練有素的動物(如狗)來識別看似健康的個體的疾病跡象,但到目前為止,要大規(guī)模實施這一方法還存在問題。



與此同時,電子鼻包含多個傳感器,它們可以被優(yōu)化來檢測不同化學范圍的信號,并進行訓練以模仿動物的嗅覺系統(tǒng)。然而,開發(fā)能夠針對特定揮發(fā)性有機物的多傳感器模式非常耗時,該團隊在疫情爆發(fā)時開始調(diào)整“鼻子”以檢測新冠病毒,當時時間非常緊迫。



更重要的是,科學家們的設備當時是基于實驗室的,這意味著他們需要對其進行調(diào)整,使其適用于場外應用。為了實現(xiàn)這一目標,研究人員決定3D打印一種新型的采樣裝置,然后迅速獲得以色列衛(wèi)生部的批準,并與Magen David Adom (MADA)合作,在一個免下車式檢測中心實地測試他們的強化電子鼻。




以色列科學家的3D打印采樣閥。圖片來自Plos One雜志。



現(xiàn)場測試強化后的“電子鼻”



作為實驗的基礎,科學家們使用了AIRSENSE PEN3電子鼻,其中包括10個不同的溫度調(diào)節(jié)金屬氧化物傳感器作為標準,使其能夠“感知”新冠病毒。后來,為了防止回流,以及在反復測試后人們意外感染,該團隊選擇為他們的PEN3配備一個3D打印的單向流動閥。



研究人員的采樣設備使用CAD軟件設計而成,可緊貼用來吸氣的“鼻孔”,為檢測對象提供了額外的一層保護,以防止設備故障。在實踐中,在MADA位于特拉維夫的測試診所,該團隊的電子鼻在22天的過程中被不同的患者使用,每個人使用80秒,然后進行正常的核酸檢測。



結果數(shù)據(jù)通過Mathworks的Matlab軟件反復運行,使用深度學習算法“訓練”科學家的設備識別陽性和陰性測試之間的揮發(fā)性有機化合物差異,最終實現(xiàn)平均“真陽性”率約為66.7%,“假陽性”結果為57%。



盡管以色列團隊承認他們尚未確定新冠病毒信號的精確“分子身份”,而且他們的設備返回了非常高水平的誤報,但他們堅持認為這些錯誤是由“嗅覺噪音”引起的,一個完全優(yōu)化的電子鼻仍然可以用于幫助世界在大流行病并后重新開放。



3D打印新冠檢測設備



自去年疫情在全球爆發(fā)以來,研究人員利用多種3D打印技術生產(chǎn)了新型冠狀病毒實驗性檢測試劑盒。卡內(nèi)基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的科學家使用Optomec公司的氣溶膠噴射打印(AJP)工藝,創(chuàng)造了一種新型3D打印傳感器,能夠快速檢測新冠抗體。



與此同時,瓦赫寧根大學(Wageningen University)的研究人員采取了一種超低成本的方法,將回收的咖啡膠囊制成新冠檢測儀,可以在家里組裝,成本不到20便士。通過在膠囊中安裝3D打印的小藥瓶支架,研究團隊能夠?qū)⒛z囊轉(zhuǎn)化為微型“化學反應器”,通過加熱來判斷患者是否感染。



在其他領域,3D打印服務提供商PrintParts通過擴大供應鏈,大規(guī)模生產(chǎn)鼻咽拭子,幫助滿足了新冠檢測需求。在去年疫情最嚴重的時候,該公司在曼哈頓開設了一個新的生產(chǎn)實驗室,使其能夠生產(chǎn)大量棉簽供紐約市使用。



研究人員的發(fā)現(xiàn)詳細發(fā)表在他們的論文《電子鼻實時檢測SARS CoV-2感染概念的證明》中。這項研究由Kobi Snitz, Michal Andelman-Gur, Liron Pinchover, Reut Weissgross, Aharon Weissbrod, Eva Mishor, Roni Zoller, Vera Linetsky, Abebe Medhanie, Sagit Shushan, Eli Jaffe和Noam Sobel共同完成。


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