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，可以發現患者鼻道內的新冠病毒和其他揮發性有機化合物(VOCs)。科學家們認為，隨著進一步的研發，他們的設備可以幫助擴大新冠檢測的規模，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。“這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。“這是一種敏感設備，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，開發能夠針對特定揮發性有機物的多傳感器模式非常耗時，該團隊在疫情爆發時開始調整“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。卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的科學家使用Optomec公司的氣溶膠噴射打印(AJP)工藝，創造了一種新型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。
研究人員的發現詳細發表在他們的論文《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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