以色列魏茨曼科學(xué)研究所的科學(xué)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(xué)物質(zhì)，從而識別人們是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。

該團(tuán)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(xùn)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(xué)家們認(rèn)為，隨著進(jìn)一步的研發(fā)，他們的設(shè)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(fù)責(zé)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?！?/p>

“我們的實驗室里有一種被稱為‘電子鼻’的設(shè)備，”他補充說?！斑@是一種敏感設(shè)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?！?/p>

“我們獲得的信息可能會為快速診斷開辟一條道路。”

科學(xué)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(dǎo)致受感染的人體細(xì)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(xùn)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(xué)范圍的信號，并進(jìn)行訓(xùn)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(tuán)隊在疫情爆發(fā)時開始調(diào)整“鼻子”以檢測新冠病毒，當(dāng)時時間非常緊迫。

更重要的是，科學(xué)家們的設(shè)備當(dāng)時是基于實驗室的，這意味著他們需要對其進(jìn)行調(diào)整，使其適用于場外應(yīng)用。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，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(zhǔn)，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(xué)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(chǔ)，科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)，使其能夠“感知”新冠病毒。后來，為了防止回流，以及在反復(fù)測試后人們意外感染，該團(tuán)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(shè)備使用CAD軟件設(shè)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(hù)，以防止設(shè)備故障。在實踐中，在MADA位于特拉維夫的測試診所，該團(tuán)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(jìn)行正常的核酸檢測。

結(jié)果數(shù)據(jù)通過Mathworks的Matlab軟件反復(fù)運行，使用深度學(xué)習(xí)算法“訓(xùn)練”科學(xué)家的設(shè)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(jié)果為57%。

盡管以色列團(tuán)隊承認(rèn)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(shè)備返回了非常高水平的誤報，但他們堅持認(rèn)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(shè)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(shù)生產(chǎn)了新型冠狀病毒實驗性檢測試劑盒?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)的科學(xué)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(xué)(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(tuán)隊能夠?qū)⒛z囊轉(zhuǎn)化為微型“化學(xué)反應(yīng)器”，通過加熱來判斷患者是否感染。

在其他領(lǐng)域，3D打印服務(wù)提供商PrintParts通過擴大供應(yīng)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(yán)重的時候，該公司在曼哈頓開設(shè)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(xì)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。