高效肺癌诊断式电化学呼吸传感阵列的研发

Recently, introducing of gas sensors into detecting volatile organic compounds (VOCs) exhaled from human breath for monitoring the human conditions, e.g. lung cancer identification, has been received more attentions. In the great demand of accurately diagnoise lung cancer, it is necessary to develop a high-performance gas sensor with sensitive and selective response toward VOCs exhaled from human breath for lung cancer identification. In this research, strategies of developing electrochemical VOCs sensor array were proposed with these following steps:(1) several so far developed electrochemical VOCs sensing-electrodes (SEs) will be screened to find a series of SEs suitable for accurately detecting VOCs exhaled from human breath, in the meantime the VOCs sensing mechanism will also be studied in order to improve the sensing characteristics of these SEs;(2) a gas sensor array will be fabricated by integrating all these high-performance VOCs SEs obtained from step (1); (3) the sensing performance of the fabricated electrochemical VOCs sensor array will be examined to justify whether the proposed sensor array can be utilizied for lung cancer identification in real conditions, additionally, issues may exist in this research will be discussed. In general, this work will provide theoretical and experimental data to develop new generation miniaturized, low-cost, high-performance VOCs sensing devices for lung cancer identification.

近年来，应用气敏传感器检测人们呼吸成分中有机挥发物(VOCs)特性变化来诊断肺癌的方法受到了越来越多的关注。鉴于当前人们对肺癌诊断方式高效化的需要，因此极为有必要研发出一种新型高效VOCs传感器以达到快速、精确诊断肺癌的目的。本研究中，基于阵列式结构的VOCs电化学气敏传感器概念被得以提出，同时将开展：(1)对当前已报道的各种电化学VOCs敏感电极加以筛选，获得一系列能够被用来高分辨检测人们呼吸气氛中不同VOCs种类与含量的敏感电极，同时将对VOCs响应机理做出相应的研究以优化电极的工作性能；(2)将筛选出的针对各种VOCs成分高选择、高灵敏度响应的敏感电极进行阵列化组装，从而构建传感器阵列；(3)验证所研发出的阵列式VOCs传感器在肺癌诊断中的应用效果，并对其中可能存在的问题加以探讨解决。通过本项研究，力争为研发高效、快速、精确诊断肺癌的小型化气敏传感器提供技术和理论支持。

应用气敏传感器检测人们呼吸成分中有机挥发物(VOCs)特性变化来判别被检测对象是否患有肺癌是近年来无创诊断的研究热点。然而，当前所报到的传感器多存在灵敏度相对偏低、选择性较差以及制备成本较高的问题，因而无法达到监测人体健康的技术指标。本项目在国内外研究基础上，针对当前肺癌无创诊断存在的突出问题，以电化学传感器尤其是基于固态电解质的电化学传感器为研究对象，利用该类传感器固有的良好选择性以及相对较好灵敏度的特点，通过构建电化学传感器阵列解决对上述瓶颈问题。主要研究内容包括：（1）利用安培工作模式深入探讨了利用电化学传感器检测ppb级人体呼吸成分的可能性。研究表明，与传统的电位工作模式相比，安培工作模式有效地调节了传感器的电催化活性，使得器件的检测范围在检测ppb级呼吸模拟物时表现出了较好的响应性能；（2）通过合成不同形貌的敏感电极材料，研究了形貌对器件选择性的调制作用。结果显示特定形貌的敏感电极显著增强了器件的灵敏度，极大的改善了器件对特定气体的选择性。此外，利用XRD，STEM以及极化曲线和阻抗谱多重表征手段分析了形貌对器件灵敏度及其选择性的调制机理。研究结果证实，不同形貌的敏感材料所暴露的活性晶面比例不同，间接影响了器件的工作性能；（3）首次提出了适用于混合电位的光电耦合增强技术 。基于光催化耦合电催化的思想，构建了光电耦合传感器件，在不改变器件选择性的前提下降低了器件的工作温度，提升和改善了器件对VOCs响应灵敏度和检测限；（4）采用金纳米颗粒制备敏感元件并利用自修复材料作为衬底构建了自修复传感器阵列。该器件具备良好的自修复能力，并对11种VOCs表现出了较好的识别能力。