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，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，經過實際測試訓練，可以發(fā)現患者鼻道內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?！斑@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。”
科學家在新冠檢測期間使用了經過 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。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整，使其適用于場外應用。為了實現這一目標，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。
結果數據通過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打印技術生產了新型冠狀病毒實驗性檢測試劑盒?？▋然仿〈髮W(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，研究團隊能夠將膠囊轉化為微型“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實驗室，使其能夠生產大量棉簽供紐約市使用。
研究人員的發(fā)現詳細發(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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