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電子加工新聞

經(jīng)3D打印強(qiáng)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(lái)源:百度2021-06-08 我要評(píng)論(0 )   

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(shí)別人們是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。該團(tuán)隊(duì)的儀器配...

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(shí)別人們是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。



該團(tuán)隊(duì)的儀器配有一個(gè)氣體裝置、傳感器陣列和3D打印采樣閥,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)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(jī)化合物(VOCs)。科學(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(kuò)大新冠檢測(cè)的規(guī)模,并隨著機(jī)場(chǎng)和線下活動(dòng)開始重新開放而加快這一過(guò)程。



“每種疾病都有一種氣味,”該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人諾姆·索貝爾(Noam Sobel)在去年的早期測(cè)試中解釋說(shuō)?!斑@是因?yàn)榧膊?huì)改變具有代謝物的代謝過(guò)程,而這些代謝物具有氣味。”



“我們的實(shí)驗(yàn)室里有一種被稱為‘電子鼻’的設(shè)備,”他補(bǔ)充說(shuō)。“這是一種敏感設(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(lái)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(huì)為快速診斷開辟一條道路?!?/strong>




科學(xué)家在新冠檢測(cè)期間使用了經(jīng)過(guò) 3D 打印優(yōu)化的電子鼻。圖片來(lái)自Plos One雜志。



“嗅出”新冠的跡象



雖然病毒本身不會(huì)釋放揮發(fā)性有機(jī)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(shí)際上可以通過(guò)氣味來(lái)檢測(cè)。因此,目前可以用訓(xùn)練有素的動(dòng)物(如狗)來(lái)識(shí)別看似健康的個(gè)體的疾病跡象,但到目前為止,要大規(guī)模實(shí)施這一方法還存在問(wèn)題。



與此同時(shí),電子鼻包含多個(gè)傳感器,它們可以被優(yōu)化來(lái)檢測(cè)不同化學(xué)范圍的信號(hào),并進(jìn)行訓(xùn)練以模仿動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)。然而,開發(fā)能夠針對(duì)特定揮發(fā)性有機(jī)物的多傳感器模式非常耗時(shí),該團(tuán)隊(duì)在疫情爆發(fā)時(shí)開始調(diào)整“鼻子”以檢測(cè)新冠病毒,當(dāng)時(shí)時(shí)間非常緊迫。



更重要的是,科學(xué)家們的設(shè)備當(dāng)時(shí)是基于實(shí)驗(yàn)室的,這意味著他們需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,使其適用于場(chǎng)外應(yīng)用。為了實(shí)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(gè)免下車式檢測(cè)中心實(shí)地測(cè)試他們的強(qiáng)化電子鼻。




以色列科學(xué)家的3D打印采樣閥。圖片來(lái)自Plos One雜志。



現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試強(qiáng)化后的“電子鼻”



作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),科學(xué)家們使用了AIRSENSE PEN3電子鼻,其中包括10個(gè)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(lái),為了防止回流,以及在反復(fù)測(cè)試后人們意外感染,該團(tuán)隊(duì)選擇為他們的PEN3配備一個(gè)3D打印的單向流動(dòng)閥。



研究人員的采樣設(shè)備使用CAD軟件設(shè)計(jì)而成,可緊貼用來(lái)吸氣的“鼻孔”,為檢測(cè)對(duì)象提供了額外的一層保護(hù),以防止設(shè)備故障。在實(shí)踐中,在MADA位于特拉維夫的測(cè)試診所,該團(tuán)隊(duì)的電子鼻在22天的過(guò)程中被不同的患者使用,每個(gè)人使用80秒,然后進(jìn)行正常的核酸檢測(cè)。



結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)Mathworks的Matlab軟件反復(fù)運(yùn)行,使用深度學(xué)習(xí)算法“訓(xùn)練”科學(xué)家的設(shè)備識(shí)別陽(yáng)性和陰性測(cè)試之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物差異,最終實(shí)現(xiàn)平均“真陽(yáng)性”率約為66.7%,“假陽(yáng)性”結(jié)果為57%。



盡管以色列團(tuán)隊(duì)承認(rèn)他們尚未確定新冠病毒信號(hào)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(bào),但他們堅(jiān)持認(rèn)為這些錯(cuò)誤是由“嗅覺(jué)噪音”引起的,一個(gè)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(cè)設(shè)備



自去年疫情在全球爆發(fā)以來(lái),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(shí)驗(yàn)性檢測(cè)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(cè)新冠抗體。



與此同時(shí),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(cè)儀,可以在家里組裝,成本不到20便士。通過(guò)在膠囊中安裝3D打印的小藥瓶支架,研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒛z囊轉(zhuǎn)化為微型“化學(xué)反應(yīng)器”,通過(guò)加熱來(lái)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(guò)擴(kuò)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(cè)需求。在去年疫情最嚴(yán)重的時(shí)候,該公司在曼哈頓開設(shè)了一個(gè)新的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)檢測(cè)SARS CoV-2感染概念的證明》中。這項(xiàng)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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