激光制造呼气式传感器，开创糖尿病筛查诊断新范式

根据《柳叶刀》杂志发布的数据显示，目前全球糖尿病成年患者人数已超过8亿，这是1990年的四倍多。低收入和中等收入国家的患病率上升速度，高于高收入国家。对于糖尿病患者，“早发现、早治疗”是关键。但是，当前对于糖尿病的检测，仍然依赖专业人员和专业仪器，检测方法既昂贵又耗时。

 

近日，据美国宾夕法尼亚州立大学发布消息，该校工程科学与力学系副教授程寰宇领导的研究团队开发出一种通过呼吸样本，可以在数分钟内现场诊断糖尿病和前驱糖尿病的传感器。

 

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系副教授程寰宇

 

糖尿病的相关背景
糖尿病是一种慢性病。当胰腺产生不了足够胰岛素或者人体无法有效地利用所产生的胰岛素时，就会出现糖尿病。胰岛素是一种调节血糖的荷尔蒙。高血糖或血糖升高是糖尿病失控的常见后果，随着时间的推移会对人体的许多系统（特别是神经和血管）带来严重损害。

 

按照世卫组织的认定标准，主要将糖尿病分为Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病和妊娠期糖尿病为主。Ⅰ型糖尿病（以前称为胰岛素依赖型，青少年或儿童期发病型糖尿病）的特征是胰岛素分泌不足，需要每日输入胰岛素。Ⅱ型糖尿病（以前称为非胰岛素依赖型或成人期发病型糖尿病）是因为人体不能有效利用胰岛素引起的。

 

 

Ⅱ型糖尿病通常是可以预防的。导致发展为Ⅱ型糖尿病的因素包括超重、运动不足和遗传。其中，早期诊断对于预防Ⅱ型糖尿病的最坏影响，非常重要。早期发现糖尿病的最佳方法，还是需要患者定期到医疗机构体检和验血。

 

目前，超过95%的糖尿病患者患有Ⅱ型糖尿病。糖尿病患者的主要症状包括，感觉很渴、需要比平时更频繁地排尿、视力模糊、感到疲倦。随着时间的推移，糖尿病还可能损害心脏、眼睛、肾脏和神经的血管。糖尿病患者出现心脏病发作、中风和肾衰竭等健康问题的风险，也更高。

 

过去三十年来，由于肥胖症人数增加，加上不健康食品的营销，缺乏身体活动，以及经济困难等，糖尿病患者人数惊人增长。世卫组织总干事谭德塞博士指出，为控制全球糖尿病流行问题，各国必须紧急采取行动。首先提倡健康饮食和身体活动的政策，最重要的是，卫生系统必须提供预防、早期发现和治疗服务。

 

 

新型传感器检测方法
对于糖尿病患者的诊断方法，以往都是通过检测血液或汗液中的葡萄糖，而新型传感器则通过检测呼气中的丙酮浓度进行诊断。虽然每个人的呼吸中都含有脂肪燃烧产生的丙酮副产物，但当丙酮浓度超过约1.8ppm的临界值时，则表明患有糖尿病。

 

现在对糖尿病患者的检测还主要依赖专业人员和医疗仪器，耗时费力

 

程教授表示：虽然现有传感器可通过汗液检测葡萄糖，但这需要通过运动、化学物质或桑拿等方式诱导人体出汗，这些方法既不实用又不便捷。新研制的传感器只需受试者向采集袋呼气，随后将传感器浸入袋中，几分钟内即可获得结果。

 

程教授指出，此前虽已有其他呼吸分析传感器，但其检测的生物标志物仍需实验室分析。新传感器能够现场检测并读取丙酮浓度，兼具成本效益与便捷性。

 

丙酮是肝脏代谢的三种酮体之一。当机体糖类供能不足时，脂肪会被分解为脂肪酸，并在肝脏中代谢生成酮体。对于无法控制的糖尿病患者，脂肪代谢会加速，导致血液中酮体过度积累。丙酮主要来源是乙酰乙酸盐脱羧反应，而丙酮的挥发性很强，在人体进行气体交换或者血液循环中，过量的丙酮会出现于人体呼出气体中。

 

但值得注意的是，丙酮并非糖尿病呼出气体的唯一生物标志物，研究发现，丙酮也会存在于肺癌、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浓度则超过1.8ppm。 

 

 

激光诱导石墨烯技术
程教授谈到，除使用丙酮作为生物标志物外，该传感器的另一创新之处在于设计与材料——核心是激光诱导石墨烯技术。团队采用二氧化碳激光灼烧含碳材料（本研究使用聚酰亚胺薄膜），并通过调控激光参数形成具有大量多孔图案化石墨烯结构，这种特殊结构对传感检测极为有利。

 

激光诱导，是利用激光作为能量源或工具引发或“诱导”某种特定的物理变化或化学反应，从而创造出新的材料、结构或现象。激光诱导过程，涉及将高能量的激光束聚焦到一个非常小的点上。这个点上的材料会吸收激光能量，导致其温度急剧升高或发生光化学反应，从而改变性质。通过精确控制激光功率、扫描速度和模式，研究人员可以“诱导”出想要的结构。

 

研究团队开发的新型传感器，仅需采集呼吸样本即可在数分钟内现场诊断糖尿病及前驱糖尿病

 

石墨烯是一种由碳原子组成、呈蜂窝状晶格的二维纳米材料，具有极高的导电性、导热性、强度，几乎完全透明。当前，这种材料被业界视为一种潜在的革命性材料，应用前景广阔，包括制造更快的电子器件、透明触控荧幕、太阳能电池、储能设备，以及在生物医学和轻量化材料领域的应用。

 

“这类似于烘烤面包时过度烘烤会产生碳黑现象，”程教授解释道，“通过精确调节激光功率和速度等参数，可以将聚酰亚胺‘烘烤’成少数层多孔石墨烯。”

 

研究团队选择激光诱导石墨烯，是因为其高度多孔的特性允许气体通过。由于呼出气体中含有较高浓度水分，多孔结构能显著提升气体分子捕获效率。但单纯使用激光诱导石墨烯对丙酮的选择性不足，需要与氧化锌结合使用。两种材料形成的结构能够增强对丙酮分子的选择性识别，有效区分其他气体分子。

 

另一项挑战在于传感器表面会吸附水分子，而潮湿的呼出气体中水分子会与目标丙酮分子产生竞争吸附。为解决该问题，研究人员引入了一种选择性膜，可阻隔水分子同时允许丙酮分子渗透。

 

目前，该方法需要受试者直接向采集袋呼气以避免环境气流干扰。下一步将优化传感器性能，使其能直接置于鼻下或集成至口罩内侧使用。另外，研究团队还计划探索这种丙酮检测呼吸传感器在个体健康管理方面的应用潜力。

 

“若能深入理解饮食和运动如何影响呼吸中丙酮浓度变化——就像我们观察血糖水平随进食时间和食物种类波动那样——这将为健康应用开辟超越糖尿病诊断的广阔前景。”他补充道。

 

 

其他应用场景的探索
早在2023年，程寰宇教授团队和中国电子科技大学的研究人员改进了过去的滴铸法（使用移液器将材料逐个滴注到衬底上），利用原位激光辅助制造方案，开发了一种柔性石墨烯气体传感器制造工艺。

 

研究团队开发的柔性气体传感器可以用作医疗诊断工具，通过检测呼吸或汗液中的氧气或二氧化碳水平来诊断人体健康状况，它们还可以通过检测气体、生物分子和化学物质来监测室内外环境中的空气质量。

 

激光诱导制造石墨烯泡沫气体传感器的图形化示意图。光线代表激光，将气敏纳米材料刻写在石墨烯泡沫衬底上，用于检测空气和汗液中的气体

 

使用滴铸法，气体传感器的各个气敏纳米材料部分必须单独合成，然后将它们整合，需要很长时间且成本高昂。原位法可以一次直接合成气敏纳米材料，而激光加速了这一过程。激光将气敏纳米材料直接刻写到多孔石墨烯泡沫衬底的顶部。衬底材料使气体传感器在应用于皮肤或其它物体时具有弹性和柔韧性。

 

通过新的传感器设计，研究团队不再需要为气体传感器设计单独的热源，进一步降低了器件制造的复杂性。新设计将气敏纳米材料集成在单线多孔石墨烯泡沫上，而旧设计是将纳米材料填充电极之间的间隙。单线多孔石墨烯泡沫中的电阻产生焦耳热以进行自加热。

 

这项研究结果是产生具有多种应用的复杂气体传感器，包括监测并警告用户，比如在工业现场，工厂气体组分的快速上升；或是气体随时间的累积，例如环境污染监测。