新型石墨烯感測器：可及時檢測哮喘！

導讀

最近，美國羅格斯大學的科學家們設計出一種基於石墨烯的感測器，它能夠對於哮喘發作進行早期檢測和預警，從而改善哮喘等呼吸系統疾病的治療。

關鍵字

哮喘、石墨烯、生物感測器、呼吸

背景

今天要介紹的創新技術，又和人體健康相關，它關係到一種常見的呼吸道疾病：哮喘。

哮喘患者發病時，如果對其進行肺部檢查，可聽到口哨似的聲響，即「哮鳴音」。患者會出現呼吸困難、胸悶、氣促、咳嗽等癥狀，如果不及時服藥或者治療進行緩解，嚴重時會危及患者生命。

下面，我們更深入地了解一下哮喘發病時人體呼吸道的情況：

• A：身體中肺和呼吸道的位置圖

• B：正常時的呼吸道橫截面圖

• C：哮喘癥狀時的呼吸道橫截面圖

（圖片來源於：維基百科）

從上圖中可見：哮喘發作時，氣管壁肌肉收縮，呼吸道管徑縮小，變得狹窄，人體呼吸會發生困難。

吸煙、大氣污染、呼吸道病毒感染、環境因素、劇烈運動、氣候轉變、多種非特異性刺激如：吸入冷空氣，以及精神因素都會可誘發哮喘。據估計，全球約有3億哮喘患者，而大約有3000萬哮喘患者，發病率和死亡率仍在不斷上升。

然而，對於哮喘等呼吸系統疾病來說，早期診斷具有非常重要的意義，不僅可以改善治療效果，而且能防止患者病情加重甚至死亡。

所以，醫學界也研製出一些診斷哮喘的非創傷性方法，例如呼吸量測定法，它用於肺活量和呼出氣一氧化氮的測定。對於利用呼出氣檢測疾病的方法，這裡已經不是第一次介紹了，筆者在之前的《氣體感測器：能通過呼出的氣來檢查疾病？》、《以色列新科技：呼一口氣，就能檢驗出癌症！》、《美國最新科技：呼一口氣，便可檢測流感病毒！》這幾篇文章中都有介紹過類似的方法。

但是，利用呼吸量測定等方法檢測哮喘，不僅靈敏度較低，而且需要昂貴、笨重的設備，患者無法隨時隨身攜帶。另外，更重要的是，它對於呼吸道炎症的性質和程度的描述有限。

創新

最近，美國羅格斯大學新布朗斯維克分校的科學家們設計出了一種基於石墨烯的感測器，它可以早期檢測哮喘的發作，改善哮喘和其他呼吸系統疾病的治療，防止患者病情惡化和死亡。

該校電子和計算機工程學系的助理教授 Mehdi Javanmard 和該校多元化團隊的專家們，在一篇論文中描述了這項創新發明。論文於今日在線發表在《微系統和納米工程》雜誌上。

技術

• EBC

說起技術方面，我們首先要介紹一個新概念，就是呼出氣冷凝液（EBC）。對於EBC，我們可以簡單地理解為：

人體呼吸時，呼吸道中的生物標記物分子可隨呼出氣體呼出體外，在外界溫度降低時，可隨水蒸氣的凝結而變成EBC。

EBC 中含有非易失性化合物，包括過氧化氫、亞硝酸鹽和硝酸鹽，以及像類二十烷酸、蛋白質、甚至核酸等更大的分子。所以，對於EBC中的生物標記物進行測量，有利於在分子水平進一步理解哮喘，更精準、更有效地進行疾病治療和預防。

為了更加細緻地理解，使用EBC中的亞硝酸鹽作為生物標誌物，測定哮喘時的氧化應激和炎症的過程。我們可以參考以下的這張圖：

（圖片來源於：參考資料【2】）

• 電化學法

從中我們可以看出，生物標記物從肺中，隨著呼吸呼出體外，然後在冷凝器中凝結為EBC液體樣本，接下來就是對於樣本中的亞硝酸鹽進行檢測。對於亞硝酸鹽的檢測有幾種可選方案，研究人員最終選擇了電化學法。

科研人員之所以選用電化學法是因為：

電化學方案無需預處理步驟，可小型化，能進行即時檢測，甚至可集成進可穿戴設備中。

• 石墨烯

那麼，接下來還有一個十分重要的問題，即選用什麼電極材料做成感測器，對亞硝酸鹽進行電化學檢測呢？

研究人員選用了石墨烯。然而，對於石墨烯原理和應用，筆者之前在多篇文章中有過介紹。它是一種性能極佳的新材料。由碳原子構成蜂窩狀結構，並且只單層原子的厚度。由於它具有不同尋常的結構，所以在強度、導電、導熱性能方面都十分優秀。

據研究人員的論文介紹，基於石墨烯的電極材料具有超電勢低、抗腐蝕、電子遷移電阻低、剩餘電流小、電勢窗口寬，化學穩定性好，化學功能化潛力大的等優勢。最重要的是，這種基於還原石墨烯的電化學感測器，可以精準測量出呼出氣冷凝液中的亞硝酸鹽。

• 製造工藝

接下來，我們再簡單看看，在電化學微流單元中形成的還原氧化石墨烯生物感測器的製造工藝，為了簡單的說明，我們簡單看一下研究人員論文中的一張圖：

(a) 絲網印刷電極方法製成的電極。 (b) 在金電極之上，滴兩滴微型石墨烯氧化物溶液，在(c) 圖中形成一層薄的石墨烯氧化物層，(d)顯示出我們是如何在PDMS膜上佔據小體積的區域。(e) 用於檢測亞硝酸鹽的感測器圖片。

（圖片來源於：參考資料【2】）

價值

對於這項研究的價值，最重要的是實用性和及時性方面。未來，該感測器很可能集成到像 Fitbit 手環這樣的可穿戴設備中，用於檢測哮喘患者的健康狀況，提醒他們相關的健康風險，例如什麼時候應該用藥，以及用藥的劑量。

這將進一步促進哮喘防治的精準化和個性化，能夠隨時隨地的進行檢測，早期診斷哮喘發病徵兆，並且提醒患者即時進行治療。例如，在環境因素，空氣污染等條件有可能誘發哮喘的情況下，該感測器有助於及時控制患者的發病風險，更好地管理用藥。同時，它也可以幫助醫院用於檢測哮喘治療的效果。

未來

下一步，研究人員將開發攜帶型、可穿戴的系統，在五年之內進行商用。另外，研究人員還將進一步擴大該設備能夠檢測的炎症生物標記物的數量。

參考資料

【1】http://news.rutgers.edu/research-news/graphene-based-sensor-could-improve-evaluation-diagnosis-and-treatment-asthma/20170522#.WR3wUesrK71

【2】http://dx.doi.org/10.1038/micronano.2017.2

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