综述：基于MOS气体传感器的电子鼻及其医学诊断应用
2025-04-13 15:39:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文探讨了用于VOC检测的MOS气体传感器，介绍了二元及三元金属氧化物传感材料的检测原理和修饰方法，评述了MOS电子鼻在癌症与呼吸系统疾病检测中的最新应用进展，并对其性能提升提出了前瞻性见解。
恶性肿瘤与呼吸系统疾病具有较高的致死率，传统的诊疗技术由于存在侵入性操作、实时监测能力不足以及设备成本较高等局限，难以满足临床需求，亟需开发新型医学诊断技术。呼气分析技术因其独特优势在过去二十年备受关注。人体呼出气体中的挥发性有机化合物（VOC）能够准确反映机体的代谢状态和病理变化。电子鼻（E-nose）技术通过集成气体传感器阵列、信号采集模块、预处理单元和模式识别算法，能够成功模拟人类嗅觉机制，实现通过呼气“指纹”进行疾病诊断，展现出非侵入性、实时监测、快速诊断和低成本等优势。其中，基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器因其响应快速、经济高效和高灵敏度等特点，进一步强化了MOS电子鼻的技术优势。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，扬州大学张超教授团队在Progress in Natural Science: Materials International期刊上发表了一篇题为“Electronic nose based on metal oxide semiconductor sensors for medical diagnosis”的综述文章，探讨了用于VOC检测的MOS气体传感器，介绍了二元及三元金属氧化物传感材料的检测原理和修饰方法，评述了MOS电子鼻在癌症与呼吸系统疾病检测中的最新应用进展，并对其性能提升提出了前瞻性见解。
电子鼻技术
电子鼻能够识别和区分多种气态物质。标准电子鼻系统由气体传感器阵列、信号处理系统和模式识别算法组成，其工作原理与人类嗅觉系统高度相似。电子鼻采用的传感器类型多样，其中MOS气体传感器因其成本低廉、可靠性高、响应快速且易于集成等优势，成为最常用的传感器类型。MOS气体传感器的原理是气体分子吸附在半导体表面，通过氧化还原反应改变材料的电阻值。目标气体的氧化行为与主体基质材料的结构构型、形态特征、孔隙率特性以及工作温度密切相关。
提升单一气体传感器的选择性和特异性具有挑战性，而将多个传感器集成为交叉响应阵列并结合模式识别技术处理信号，可有效解决这一问题。电子鼻能够同时检测多种气体，其中每个传感器对特定气体呈现独特的响应特征。获取这些响应信号后，通过特征提取技术和数据降维处理，再结合先进的数据分析方法计算相关信息，从而显著提升对特定气体的选择性。
图1 电子鼻系统的典型信号采集、处理与判别方法图示
金属氧化物传感材料
作为电子鼻的核心组件，MOS气体传感器的性能提升是提高检测精度的关键。用于MOS气体传感器制备的传感材料主要包括二元金属氧化物和三元金属氧化物。对这些材料进行修饰可提高其传感性能，主要修饰方法包括形貌构建、贵金属掺杂和异质结建构等。
在二元金属氧化物中，二氧化锡（SnO₂）作为带隙3.6 eV的n型金属氧化物半导体，对呼气中的VOC表现出优异的反应活性，是理想的电子鼻传感材料；氧化锌（ZnO）作为典型的n型半导体，具有3.37 eV的宽带隙，已在MOS传感器中获得广泛应用；二氧化钛（TiO₂）作为n型半导体，通常采用水热法、静电纺丝和阳极氧化等方法制备管状、棒状及纤维结构，可获得高灵敏度传感器；此外，氧化镍（NiO）、氧化铟（In₂O₃）、三氧化钨（WO₃）等材料也广泛应用于呼气检测。
图2 SnO₂和SnO₂-0.25%多壁碳纳米管（MWCNT）纳米复合材料传感器对丙酮的响应实验
图3 未掺杂及Co、Cu、Al掺杂的ZnO纳米颗粒对丙酮的响应实验
图4 MoS₂、Co-In₂O₃、Co-In₂O₃/MoS₂薄膜的性能表征
三元金属氧化物是由两种金属元素与氧组成的材料，目前已成为气体传感器领域的新研究热点，其传感性能的提升主要依赖于形貌控制和化学成分修饰的协同优化。
图5 FZFO-4对正丁醇的气敏响应实验
MOS电子鼻的疾病诊断应用
21世纪以来，恶性肿瘤呈现高发病率和高死亡率特征。早期发现和适当治疗可显著提高癌症患者的治愈率。MOS电子鼻能够满足大规模早期癌症筛查的迫切需求，帮助医生及早发现和治疗患者，从而提高患者生存率。
此外，电子鼻在肺部疾病诊断中展现出较高的准确性。通过提供稳定的基线、校准电子鼻系统和增加传感器数量，可以获得更好的诊断效果。
图6 MOS气体传感器阵列对慢性阻塞性肺疾病（COPD）的响应情况
总结与展望
当前，基于MOS气体传感器的电子鼻已成功应用于癌症和呼吸系统疾病的检测。现有研究表明，即使在患者无明显症状时，MOS电子鼻也能提供快速准确的筛查结果，并保持良好的医学敏感性和特异性。未来，该领域的重点研究方向包括：
（1）虽然MOS传感器对呼气VOC的灵敏度已显著提高，但对特定气体的选择性仍需深入研究。通过纳米技术调控颗粒特性、构建复合材料和异质结以产生协同效应，可显著提升MOS气体传感器的选择性。深入研究气体与传感材料之间的反应机理，也有助于探索提升传感器选择性的新途径。
（2）通过优化特征提取方法和分类模型算法，可显著增强电子鼻的分类能力。除了常用的手动特征提取（时域或频域特征提取）外，神经网络（例如自动编码器和深度置信网络）提取的特征相较于传统方法更具区分度。
（3）电子鼻实验需要建立标准化的测试方法，包括气体采集、患者禁食或禁烟要求等，以确保研究结果的可重复性和可比性。在临床大规模应用前，必须进行更大样本量的测试验证。在临床使用中，电子鼻还需要克服湿度、温度和环境VOC等因素的干扰。
论文信息：https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.01.018
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