以色列魏茨曼科學研究所的科學家們(men) 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(cong) 而識別人們(men) 是否感染了COVID-19(新型冠狀病毒)。

該團隊的儀(yi) 器配有一個(ge) 氣體(ti) 裝置、傳(chuan) 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(nei) 的新冠病毒和其他揮發性有機化合物(VOCs)。科學家們(men) 認為(wei) ，隨著進一步的研發，他們(men) 的設備可以幫助擴大新冠檢測的規模，並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(wei) 疾病會(hui) 改變具有代謝物的代謝過程，而這些代謝物具有氣味。”

“我們(men) 的實驗室裏有一種被稱為(wei) ‘電子鼻’的設備，”他補充說。“這是一種敏感設備，它能產(chan) 生一種模式，反映它聞到的每一種氣味，所以我們(men) 決(jue) 定使用它來看看我們(men) 是否能確定新冠病毒的氣味特征。”

“我們(men) 獲得的信息可能會(hui) 為(wei) 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(you) 化的電子鼻。圖片來自Plos One雜誌。

“嗅出”新冠的跡象

雖然病毒本身不會(hui) 釋放揮發性有機化合物，但它們(men) 可以導致受感染的人體(ti) 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(ge) 體(ti) 的疾病跡象，但到目前為(wei) 止，要大規模實施這一方法還存在問題。

與(yu) 此同時，電子鼻包含多個(ge) 傳(chuan) 感器，它們(men) 可以被優(you) 化來檢測不同化學範圍的信號，並進行訓練以模仿動物的嗅覺係統。然而，開發能夠針對特定揮發性有機物的多傳(chuan) 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(men) 的設備當時是基於(yu) 實驗室的，這意味著他們(men) 需要對其進行調整，使其適用於(yu) 場外應用。為(wei) 了實現這一目標，研究人員決(jue) 定3D打印一種新型的采樣裝置，然後迅速獲得以色列衛生部的批準，並與(yu) Magen David Adom (MADA)合作，在一個(ge) 免下車式檢測中心實地測試他們(men) 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雜誌。

現場測試強化後的“電子鼻”

作為(wei) 實驗的基礎，科學家們(men) 使用了AIRSENSE PEN3電子鼻，其中包括10個(ge) 不同的溫度調節金屬氧化物傳(chuan) 感器作為(wei) 標準，使其能夠“感知”新冠病毒。後來，為(wei) 了防止回流，以及在反複測試後人們(men) 意外感染，該團隊選擇為(wei) 他們(men) 的PEN3配備一個(ge) 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(wei) 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位於(yu) 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(ge) 人使用80秒，然後進行正常的核酸檢測。

結果數據通過Mathworks的Matlab軟件反複運行，使用深度學習(xi) 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(wei) 66.7%，“假陽性”結果為(wei) 57%。

盡管以色列團隊承認他們(men) 尚未確定新冠病毒信號的精確“分子身份”，而且他們(men) 的設備返回了非常高水平的誤報，但他們(men) 堅持認為(wei) 這些錯誤是由“嗅覺噪音”引起的，一個(ge) 完全優(you) 化的電子鼻仍然可以用於(yu) 幫助世界在大流行病並後重新開放。

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(chan) 了新型冠狀病毒實驗性檢測試劑盒。卡內(nei) 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(chuan) 感器，能夠快速檢測新冠抗體(ti) 。

與(yu) 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，將回收的咖啡膠囊製成新冠檢測儀(yi) ，可以在家裏組裝，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(wei) 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(chan) 鼻咽拭子，幫助滿足了新冠檢測需求。在去年疫情最嚴(yan) 重的時候，該公司在曼哈頓開設了一個(ge) 新的生產(chan) 實驗室，使其能夠生產(chan) 大量棉簽供紐約市使用。

研究人員的發現詳細發表在他們(men) 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。