日本健康新科技：利用光纖分析呼吸！

導讀

最近，日本東北大學團隊開發出了一種低成本的「氣體感測器裝置」，它可以監測與健康相關的痕量級化學物質，從而為未來進行非侵入式健康研究開闢了一條新的道路。

技術關鍵字

氣體感測器、光纖、紫外線

創新背景

健康，與我們每個人都息息相關，現代人更加重視身體檢查。然而，說起體檢，我們自然會聯想到如下的場景：

去醫院排一個長長的隊，接受各種醫療設備例如：核磁共振，CT，抽血化驗，內窺鏡，B超，X光的「折磨」，不僅花費大量的金錢和時間，而且也給我們身體帶來了痛苦和創傷。

所以，醫學界一直都在探索非侵入式、便捷、廉價的檢查方式。「呼吸」檢查就是其中之一，John 之前在《以色列新科技：呼一口氣，就能檢驗出癌症！》和《氣體感測器：能通過呼出的氣來檢查疾病？》兩篇文章中，都提到過通過呼吸檢測疾病的方式。

（圖片來源於：以色列理工學院）

然而，呼吸檢查的方式從技術上講，需要使用氣體感測器來實現。

創新探索

最近，日本東北大學的科研人員在這個背景下，進行了創新探索。他們的論文《利用具有空心光纖氣體小室的紫外光吸收光譜學實時分析呼吸中的異戊二烯》「Real-Time Analysis of Isoprene in Breath by Using Ultraviolet-Absorption Spectroscopy with a Hollow Optical Fiber Gas Cell」 發表於《感測器》雜誌。

（圖片來源於：東北大學）

他們設計出了一種相對簡單、低成本的感測器，它利用「空心光纖」傳導敏感氣體，從而監測人體呼吸中「低濃度」的生物標記物。

科學家在論文中闡述了他們的設備的工作原理，並且使用揮發性有機化合物「異戊二烯」作為例子。異戊二烯是關於膽固醇合成的一種指標，並且對於深入了解患者的新陳代謝很有價值。科研人員通過對於志願者進行一整天的呼吸測量，追蹤其運動或者飲食後，異戊二烯發生的變化。

核心技術

這個設備的關鍵技術成功點在於：

內部塗有鋁反射膜的、3米長，空心的光纖和紫外線吸收光譜法

（圖片來源於：東北大學）

氣體紫外線吸收光譜法的實驗室裝置示意圖

（圖片來源於：東北大學）

氣體檢測分析的過程簡單描述如下：

參與測試者向連接管裡面吹氣，然後管子將呼出的氣體導入光纖內部的空心部分。在空心光纖內部，這些氣體暴露於激光發射的紫外線下，位於光路一端的檢測器會接收紫外線通過氣體樣本後的全部光信號。這個稱為「吸收峰」的系列形成了化學簽名，從而揭示出有哪些分子出現。

「長光線路徑和高強度輻射」改善了測量效果，即使極其微量的化學物質都能被檢測到，這也是該技術重要的成功之處。

創新價值

呼吸分析，近些年來倍受關注，因為它是一種非侵入式的健康分析方式。但是，監測低濃度的生物標記物，往往需要「笨重和昂貴」的實驗室系統。

這種氣體感測器的設備的創新價值，就在於：「便攜和廉價」。同時，它也能夠檢測到「極低濃度」的生物標記物，可見它有很高的精密度。

另外，必須要提及的一個重要創新價值就是，在傳導和分析氣體時，利用了空心的光纖，從而進一步挖掘了光纖在常規的通信用途以外的創新價值。

應用價值

未來，這個系統不僅可以作為大型的實驗室氣體分析裝置的替代品，用於臨床，而且還會有利於科學家進一步理解人體的新陳代謝機制。

參考資料

【1】http://www.tohoku.ac.jp/en/press/compact_fibre_optic.html

【2】Real-Time
Analysis of Isoprene in Breath by Using Ultraviolet-Absorption
Spectroscopy with a Hollow Optical Fiber Gas Cell. Authors: Takuro
Iwata, Takashi Katagiri and Yuji MatsuuraJournal: Sensors 2016, 16, 2058
DOI: 10.3390/s16122058