基于气体传感器阵列的电子鼻：分析人体挥发物指纹，助力疾病筛查及健康评估
2025-07-05 09:59:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
基于气体传感器阵列的SPYROX电子鼻可对呼气、生物流体等多种基质进行挥发物指纹检测，适用于疾病筛查及人群健康风险评估。
人体代谢过程中产生的数百种挥发性有机化合物（VOCs）通过血液运输，经呼气或体液排泄释放到体外。这些挥发物构成的化学指纹不仅能反映个体健康状态，更可作为疾病早期预警的生物标志物。基于气体传感器阵列的电子鼻（e-Nose）技术，通过将生物样本的挥发性化学特征转化为数字信号，为临床诊断提供了低成本、易操作的辅助手段，成为传统诊疗技术的重要补充。
据麦姆斯咨询报道，意大利萨伦托大学（University of Salento）、国家研究委员会微电子与微系统研究所（CNR IMM）的研究团队联合提出一种专门用于人体挥发物指纹分析的便携式电子鼻，代号为SPYROX。该电子鼻可对呼气、生物流体等多种基质进行挥发物指纹检测，适用于疾病筛查及人群健康风险评估。相关研究成果以“A Multimatrix E-Nose With Optimal Multiranged AFE Circuit for Human Volatilome Fingerprinting”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
SPYROX电子鼻采用模块化设计，集成了气流和VOC采样自动化/控制系统、电源模块、气体传感器阵列以及电子主板，整体封装在透明有机玻璃外壳中。其核心传感单元搭载8个商用金属氧化物（MOx）气体传感器，支持呼气样本直接分析与生物流体顶空采样两种模式，可覆盖人体挥发物检测的主要应用场景。
模拟前端（AFE）部分是微控制器（MCU）与传感器模块之间的接口。传感器模块搭载基于MOx的化学电阻式气体传感器阵列，其工作原理基于传感层在接触气体和挥发物时的电阻变化。由于传感器电阻可能在数个数量级范围内变化，因此研究团队设计了一种优化的多量程AFE电路，以在宽电阻范围内实现正确读取。
图1 SPYROX电子鼻架构
图2 SPYROX电子鼻实物图
研究团队通过对单一化学标准品和复杂混合物的分类测试，验证了SPYROX电子鼻在人体挥发物指纹分析中的适用性。测试首先针对12种人体挥发物分析中的关键化学标准品，随后制备了3种二元混合物和1种三元混合物，以验证其对更接近真实样本的分类能力。两种测试中，线性判别模型均实现了100%的分类准确率，证明了SPYROX电子鼻在复杂挥发物指纹分析中的有效性。
图3 单一化学标准品的前两个线性判别元分布图
图4 挥发性混合物的前两个线性判别元分布图
综上所述，这项研究工作成功开发出一种适用于多基质人体挥发物指纹分析的SPYROX电子鼻，其采用8个MOx气体传感器组成阵列，可用于人体呼出气体检测与分析。与以往研究不同，这项研究提出了一种优化设计的多量程AFE电路，通过优化读取灵敏度，生成准确训练数据集，进而实现了高分类精度。通过对化学标准品和混合物的分类测试实验，验证了该电子鼻在复杂气体混合物（典型人体挥发物）指纹分析中的有效性。
论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2023.3343762
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