近日，华东师范大学张闽教授团队和以色列理工学院Hossam Haick教授合作，采用人工嗅觉实现了尿液中挥发性有机物(VOC)的快速检测，为无创疾病诊断提供了新途径。相关成果以题为“Modular Assembly of MXene Frameworks for Noninvasive Disease Diagnosis via Urinary Volatiles”在线发表在国际著名学术期刊ACS Nano。
尿液中含有的多种生化物质是机体代谢后经过肾脏过滤排出体外的最终代谢产物。因此，尿液代谢物可以直接反应机体的病理及生理状况，是疾病诊断标志物的理想来源。最重要的是，与血液相比，尿液取样更加方便且对生物体无损害，可大量获取。同时，尿液由于不受体内稳态机制的控制，从而可以汇集大量的疾病相关代谢物。当前对尿液代谢物的研究主要聚焦于尿液中可溶性代谢物（例如：蛋白质）和挥发性有机物VOC的检测上，采用的大多数是离线测试技术，如气质联用（GC-MS）、液质联用（LC-MS）等。虽然这些技术已经取得显著的进展，但这些方法还崩完全适应即时检测（POCT）的要求。因此，研制能够实时监测尿液代谢物（特别是VOC）的便携式传感器件并发展非入侵式POCT体系，对疾病诊断等领域具有重要意义和应用价值。
图1：基于配位驱动组装分层多孔MXene框架（MFs）气敏材料构建尿液VOC即时检测平台示意图
在本项研究工作中，张闽教授团队构建了一个集成电子鼻的POCT平台。如图1所示，该平台将化学调控合成的分层多孔MXene框架（MFs）气敏传感材料，通过配位驱动模块组装到紧凑型激光雕刻的微型腔体芯片中，用于无线和实时监测尿液中的VOC，从而实现了非入侵式疾病诊断。作为一个概念性的设计，课题组成员将MXene纳米片与Zn2+桥接聚多巴胺（PDZn）纳米结构结合在一起，采用配位驱动组装法制备了MF（PDZn@MXene）。实验证明，通过改变金属离子种类、化学配体修饰或调控反应顺序，可以构建一系列具有不同组成、结构和功能的MFs气敏传感材料。利用激光直写方法，课题组在聚酰亚胺薄膜上制备了石墨烯叉指电极（LIGIE）。组装的2×4 LIGIE阵列，负载8种不同的MFs，构建了VOC传感阵列（如图2所示）。为了节省空间和提高效益，传感阵列被固定在一个激光雕刻的微型腔体芯片中（尺寸为长5.44 cm × 宽4.50 cm × 高0.42 cm），形成负载MFs的微腔芯片式电子鼻（MHMF）（如图3所示）。MHMF电子鼻作为一个交叉反应传感装置，可以实现复杂VOC的即时感知和模式识别。以MHMF电子鼻作为传感模块，课题组进一步通过模块化组装，制备了便携式POCT系统。结合智能手机，该POCT平台可以成功实现无线、实时方式的信号读取，通过对120例尿样本中VOC的人工嗅觉感知及机器学习辅助，该POCT平台成功实现了无创疾病诊断，准确率高达91.7%（如图4所示）。
图4. (a，b，c）尿液样本收集、鼓泡、配置智能手机的便携式POCT平台；(d) MHMF电子鼻（标准化）热图；(e) 健康和患者分类的SVM算法示意图；(f) 训练组和测试组中患者与H比较的支持向量机的距离值的箱型图；(g) 支持向量机分类结果H、DCD、D、LI的混淆矩阵；(h) 支持向量机分析得出的H、DCD、D、LI在检验队列中比较的距离值的箱线图；(i) 支持向量机算法分类H和DCD、D和LI的ROC曲线。注：健康组（H）、糖尿病组（D）、糖尿病共病抑郁（DCD）、肝损伤（LI）。
总之，本项研究工作通过集成化模块化组装MHMF电子鼻，构建了尿液VOC实时、无线监测POCT平台，结合机器学习算法辅助，成功实现了多种疾病的快速、无创、准确诊断，为无创检测提供了新的解决方案。该项成果的第一完成单位为华东师范大学化学与分子工程学院，硕士研究生丁绪银为论文第一作者，张闽及Hossam Haick教授为论文的共同通讯作者。该项成果得到了国家自然科学基金等科研项目的资助。
来源：华东师范大学
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08266