根據(jù)《柳葉刀》雜志發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，目前全球糖尿病成年患者人數(shù)已超過8億，這是1990年的四倍多。低收入和中等收入國家的患病率上升速度，高于高收入國家。對于糖尿病患者，“早發(fā)現(xiàn)、早治療”是關鍵。但是，當前對于糖尿病的檢測，仍然依賴專業(yè)人員和專業(yè)儀器，檢測方法既昂貴又耗時。

 

近日，據(jù)美國賓夕法尼亞州立大學發(fā)布消息，該校工程科學與力學系副教授程寰宇領導的研究團隊開發(fā)出一種通過呼吸樣本，可以在數(shù)分鐘內(nèi)現(xiàn)場診斷糖尿病和前驅(qū)糖尿病的傳感器。

 

賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系副教授程寰宇

 

糖尿病的相關背景
糖尿病是一種慢性病。當胰腺產(chǎn)生不了足夠胰島素或者人體無法有效地利用所產(chǎn)生的胰島素時，就會出現(xiàn)糖尿病。胰島素是一種調(diào)節(jié)血糖的荷爾蒙。高血糖或血糖升高是糖尿病失控的常見后果，隨著時間的推移會對人體的許多系統(tǒng)（特別是神經(jīng)和血管）帶來嚴重損害。

 

按照世衛(wèi)組織的認定標準，主要將糖尿病分為Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病和妊娠期糖尿病為主。Ⅰ型糖尿?。ㄒ郧胺Q為胰島素依賴型，青少年或兒童期發(fā)病型糖尿病）的特征是胰島素分泌不足，需要每日輸入胰島素。Ⅱ型糖尿病（以前稱為非胰島素依賴型或成人期發(fā)病型糖尿?。┦且驗槿梭w不能有效利用胰島素引起的。

 

 

Ⅱ型糖尿病通常是可以預防的。導致發(fā)展為Ⅱ型糖尿病的因素包括超重、運動不足和遺傳。其中，早期診斷對于預防Ⅱ型糖尿病的最壞影響，非常重要。早期發(fā)現(xiàn)糖尿病的最佳方法，還是需要患者定期到醫(yī)療機構體檢和驗血。

 

目前，超過95%的糖尿病患者患有Ⅱ型糖尿病。糖尿病患者的主要癥狀包括，感覺很渴、需要比平時更頻繁地排尿、視力模糊、感到疲倦。隨著時間的推移，糖尿病還可能損害心臟、眼睛、腎臟和神經(jīng)的血管。糖尿病患者出現(xiàn)心臟病發(fā)作、中風和腎衰竭等健康問題的風險，也更高。

 

過去三十年來，由于肥胖癥人數(shù)增加，加上不健康食品的營銷，缺乏身體活動，以及經(jīng)濟困難等，糖尿病患者人數(shù)驚人增長。世衛(wèi)組織總干事譚德塞博士指出，為控制全球糖尿病流行問題，各國必須緊急采取行動。首先提倡健康飲食和身體活動的政策，最重要的是，衛(wèi)生系統(tǒng)必須提供預防、早期發(fā)現(xiàn)和治療服務。

 

 

新型傳感器檢測方法
對于糖尿病患者的診斷方法，以往都是通過檢測血液或汗液中的葡萄糖，而新型傳感器則通過檢測呼氣中的丙酮濃度進行診斷。雖然每個人的呼吸中都含有脂肪燃燒產(chǎn)生的丙酮副產(chǎn)物，但當丙酮濃度超過約1.8ppm的臨界值時，則表明患有糖尿病。

 

現(xiàn)在對糖尿病患者的檢測還主要依賴專業(yè)人員和醫(yī)療儀器，耗時費力

 

程教授表示：雖然現(xiàn)有傳感器可通過汗液檢測葡萄糖，但這需要通過運動、化學物質(zhì)或桑拿等方式誘導人體出汗，這些方法既不實用又不便捷。新研制的傳感器只需受試者向采集袋呼氣，隨后將傳感器浸入袋中，幾分鐘內(nèi)即可獲得結果。

 

程教授指出，此前雖已有其他呼吸分析傳感器，但其檢測的生物標志物仍需實驗室分析。新傳感器能夠現(xiàn)場檢測并讀取丙酮濃度，兼具成本效益與便捷性。

 

丙酮是肝臟代謝的三種酮體之一。當機體糖類供能不足時，脂肪會被分解為脂肪酸，并在肝臟中代謝生成酮體。對于無法控制的糖尿病患者，脂肪代謝會加速，導致血液中酮體過度積累。丙酮主要來源是乙酰乙酸鹽脫羧反應，而丙酮的揮發(fā)性很強，在人體進行氣體交換或者血液循環(huán)中，過量的丙酮會出現(xiàn)于人體呼出氣體中。

 

但值得注意的是，丙酮并非糖尿病呼出氣體的唯一生物標志物，研究發(fā)現(xiàn)，丙酮也會存在于肺癌、食管癌等疾病中。此外，健康人呼出的丙酮含量通常不到0.8ppm，而糖尿病患者的丙酮濃度則超過1.8ppm。 

 

 

激光誘導石墨烯技術
程教授談到，除使用丙酮作為生物標志物外，該傳感器的另一創(chuàng)新之處在于設計與材料——核心是激光誘導石墨烯技術。團隊采用二氧化碳激光灼燒含碳材料（本研究使用聚酰亞胺薄膜），并通過調(diào)控激光參數(shù)形成具有大量多孔圖案化石墨烯結構，這種特殊結構對傳感檢測極為有利。

 

激光誘導，是利用激光作為能量源或工具引發(fā)或“誘導”某種特定的物理變化或化學反應，從而創(chuàng)造出新的材料、結構或現(xiàn)象。激光誘導過程，涉及將高能量的激光束聚焦到一個非常小的點上。這個點上的材料會吸收激光能量，導致其溫度急劇升高或發(fā)生光化學反應，從而改變性質(zhì)。通過精確控制激光功率、掃描速度和模式，研究人員可以“誘導”出想要的結構。

 

研究團隊開發(fā)的新型傳感器，僅需采集呼吸樣本即可在數(shù)分鐘內(nèi)現(xiàn)場診斷糖尿病及前驅(qū)糖尿病

 

石墨烯是一種由碳原子組成、呈蜂窩狀晶格的二維納米材料，具有極高的導電性、導熱性、強度，幾乎完全透明。當前，這種材料被業(yè)界視為一種潛在的革命性材料，應用前景廣闊，包括制造更快的電子器件、透明觸控熒幕、太陽能電池、儲能設備，以及在生物醫(yī)學和輕量化材料領域的應用。

 

“這類似于烘烤面包時過度烘烤會產(chǎn)生碳黑現(xiàn)象，”程教授解釋道，“通過精確調(diào)節(jié)激光功率和速度等參數(shù)，可以將聚酰亞胺‘烘烤’成少數(shù)層多孔石墨烯。”

 

研究團隊選擇激光誘導石墨烯，是因為其高度多孔的特性允許氣體通過。由于呼出氣體中含有較高濃度水分，多孔結構能顯著提升氣體分子捕獲效率。但單純使用激光誘導石墨烯對丙酮的選擇性不足，需要與氧化鋅結合使用。兩種材料形成的結構能夠增強對丙酮分子的選擇性識別，有效區(qū)分其他氣體分子。

 

另一項挑戰(zhàn)在于傳感器表面會吸附水分子，而潮濕的呼出氣體中水分子會與目標丙酮分子產(chǎn)生競爭吸附。為解決該問題，研究人員引入了一種選擇性膜，可阻隔水分子同時允許丙酮分子滲透。

 

目前，該方法需要受試者直接向采集袋呼氣以避免環(huán)境氣流干擾。下一步將優(yōu)化傳感器性能，使其能直接置于鼻下或集成至口罩內(nèi)側(cè)使用。另外，研究團隊還計劃探索這種丙酮檢測呼吸傳感器在個體健康管理方面的應用潛力。

 

“若能深入理解飲食和運動如何影響呼吸中丙酮濃度變化——就像我們觀察血糖水平隨進食時間和食物種類波動那樣——這將為健康應用開辟超越糖尿病診斷的廣闊前景。”他補充道。

 

 

其他應用場景的探索
早在2023年，程寰宇教授團隊和中國電子科技大學的研究人員改進了過去的滴鑄法（使用移液器將材料逐個滴注到襯底上），利用原位激光輔助制造方案，開發(fā)了一種柔性石墨烯氣體傳感器制造工藝。

 

研究團隊開發(fā)的柔性氣體傳感器可以用作醫(yī)療診斷工具，通過檢測呼吸或汗液中的氧氣或二氧化碳水平來診斷人體健康狀況，它們還可以通過檢測氣體、生物分子和化學物質(zhì)來監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境中的空氣質(zhì)量。

 

激光誘導制造石墨烯泡沫氣體傳感器的圖形化示意圖。光線代表激光，將氣敏納米材料刻寫在石墨烯泡沫襯底上，用于檢測空氣和汗液中的氣體

 

使用滴鑄法，氣體傳感器的各個氣敏納米材料部分必須單獨合成，然后將它們整合，需要很長時間且成本高昂。原位法可以一次直接合成氣敏納米材料，而激光加速了這一過程。激光將氣敏納米材料直接刻寫到多孔石墨烯泡沫襯底的頂部。襯底材料使氣體傳感器在應用于皮膚或其它物體時具有彈性和柔韌性。

 

通過新的傳感器設計，研究團隊不再需要為氣體傳感器設計單獨的熱源，進一步降低了器件制造的復雜性。新設計將氣敏納米材料集成在單線多孔石墨烯泡沫上，而舊設計是將納米材料填充電極之間的間隙。單線多孔石墨烯泡沫中的電阻產(chǎn)生焦耳熱以進行自加熱。

 

這項研究結果是產(chǎn)生具有多種應用的復雜氣體傳感器，包括監(jiān)測并警告用戶，比如在工業(yè)現(xiàn)場，工廠氣體組分的快速上升；或是氣體隨時間的累積，例如環(huán)境污染監(jiān)測。