研究背景

冠心病(coronary heart disease，CHD)是全球最重要的死亡原因之一，每年导致数百万人直接死亡，并导致残疾、心脏扩大和心律失常等众多后遗症，因此CHD的早期诊断和预防具有重要意义。CHD 的诊断方式，如心脏负荷试验、动态心电图和冠状动脉计算机断层扫描(CT)血管造影，虽然在临床上发挥着重要作用，但往往需要使用大型器械或复杂的操作，这阻碍了CHD的及时发现和治疗。因此，迫切需要一种简单、快速和准确的检测方式。人类呼吸有可能成为一种新的诊断来源，因为它包含特定的疾病标志物。例如，一些研究人员探讨了呼吸氨浓度与血尿素之间的相关性，以及研究了呼出的异戊二烯与血液胆固醇之间的相关性。关于CHD，缺血性损伤的心肌细胞会产生独特的生物标志物，这些生物标志物将通过呼吸释放。这表明呼出气体是进行CHD无创诊断的非常有前途的候选者。

Light-Activated Virtual Sensor Array with Machine Learning for Non-Invasive Diagnosis of Coronary Heart Disease

Jiawang Hu, Hao Qian, Sanyang Han, Ping Zhang* & Yuan Lu*

Nano-Micro Letters (2024)16: 274

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01481-7

本文亮点

1. 通过自组装策略合成光响应性BP/Ti₃C₂Tₓ复合材料。

2. 通过可见光调制实现了气体传感性能增强。

3. 基于BP/Ti₃C₂Tₓ复合物构建了光激活虚拟传感器阵列。

4. 在机器学习的帮助下通过呼气样本实现了冠心病的无创诊断。

内容简介

冠心病(CHD)的早期无创诊断至关重要。然而，通过检测人体呼吸来实现准确的CHD诊断是一项挑战。在这项工作中，清华大学卢元、张萍等人使用自组装策略制备了具有高气体敏感性和光响应性的黑磷(BP)和二维碳化物(MXene)的异质结构复合物。在光调制下制备了基于 BP/Ti₃C₂Tₓ的光激活虚拟传感器阵列 (LAVSA)并进一步组装成即时气体传感平台(IGSP)。此外，还引入了机器学习(ML)算法来帮助 IGSP 检测和识别呼吸样本的信号以诊断 CHD。除了光激发效应，由于 BP 和 Ti₃C₂Tₓ的协同作用，合成的异质结构复合物表现出比纯Ti₃C₂Tₓ更高的性能，响应值比纯Ti₃C₂Tₓ高26%。此外，在模式识别算法的帮助下，LAVSA 成功检测并识别了 15 种醇、酮、醛、酯和酸类的气味分子。同时，在 ML 的协助下，IGSP 对 45 名来自健康人和CHD志愿者的呼吸气味检测准确率达到 69.2%。综上所述，此工作为冠心病的无创诊断设计和制造了一种即时、低成本、准确的原型机，为诊断其他疾病和其他更复杂的应用场景提供了通用的解决方案。

图文导读

I BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器的制备和表征

为了研究材料的表面形貌，使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察样品。Ti₃C₂Tₓ的纳米片显示在 TEM 图像中，作为均匀的薄层，体现典型的二维结构。Ti₃C₂Tₓ 的厚度纳米片在 AFM 图像中显示约为3 nm，这与TEM结果一致。BP的TEM图像也显示了堆叠的片状结构，表示 BP 的二维材料特性。在AFM图像中，BP纳米片的厚度约为30 nm，并且厚度均匀。BP/Ti₃C₂Tₓ 异质结构的TEM图像显示了BP纳米片在Ti₃C₂Tₓ表面的自组装形态。进一步研究BP/Ti₃C₂Tₓ异质结构，采用高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM)观察晶体特性。HRTEM图像表明，存在两个明显不同的晶格间距宽度，分别为0.27 和0.34 nm，对应于Ti₃C₂Tₓ的(002)平面和BP的(020)平面。相应的选定区域电子衍射(SAED)图谱显示与晶格间距一致的亮点，表明 BP/Ti₃C₂Tₓ异质结构表现出典型的晶体特性。通过SEM和能量色散光谱(EDS)检查样品的元素分布和成膜形态。纯Ti₃C₂Tₓ的SEM图像显示形成均匀的薄膜，表明成功制备Ti₃C₂Tₓ纳米片，以及Ti、O和C元素的均匀分布可以通过EDS元素映射看到。BP的SEM图像显示BP纳米片的制备成功，通过EDS元素映射可以看到P的均匀分布。复合材料的SEM图像显示堆叠膜状结构，证明 BP 在Ti₃C₂Tₓ上自组装形成纳米复合结构。EDS元素映射证实了BP/Ti₃C₂Tₓ中元素C、O、P和Ti的分布。综上所述，基于BP、Ti₃C₂Tₓ的表面形貌和元素分布表明已成功自组装形成异质结构。

通过XRD分析以确定晶体结构和物相组成。BP的特征衍射峰位于2θ = 17.5° 和34.9°处，分别对应于(020)和(040)晶面。Ti₃C₂Tₓ在约7.1°处有一个明显的尖峰，对应于(002)晶面。BP/Ti₃C₂Tₓ的异质结构主要通过观察BP和Ti₃C₂Tₓ的衍射峰是否同时存在。由于BP自组装到Ti₃C₂Tₓ表面，Ti₃C₂Tₓ的峰值强度逐渐减少。这是因为X射线需要穿透BP纳米片才能到达Ti₃C₂Tₓ层，导致Ti₃C₂Tₓ的峰值强度降低。BP和Ti₃C₂Tₓ特征峰同时出现在XRD光谱中证明了BP/Ti₃C₂Tₓ具有良好的晶体结构。

进行XPS分析以研究BP/Ti₃C₂Tₓ的表面化学成分和键合状态。宽谱显示 BP/Ti₃C₂Tₓ中存在 Ti、C、P、O、F和 N元素。高分辨率C 1s 光谱分别在281.21、284.53和286.47 eV处显示3个峰，分别对应于C-Ti-O、C-C和C-O。高分辨率O 1s 光谱在529.95和532.27 eV处显示两个强峰，分别对应于C-Ti-O和Ti-O-P。高分辨率P 2p光谱在129.72和130.83 eV观察到的强峰值对应于P 2p3/2和P 2p1/2，以及对应于PxOy的134.12 eV。高分辨率Ti 2p光谱显示两个面积比为1：2的双峰，即Ti 2p1/2和Ti 2p3/2。Ti 2p3/2 的两个强峰在455.32和456.51 eV处观察到，对应于Ti-C 和 Ti-Tₓ。它表明在Ti₃C₂Tₓ、Ti-C和Ti-Tₓ键是Ti的主要化学状态，没有材料氧化。总之，XPS分析揭示了有关BP/Ti₃C₂Tₓ化学成分和键合态的重要信息异质结构，为复合物的成功制备提供了证据。 

图1. BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器的物理、微观和晶体结构 

图2. BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器晶体和化学性质的表征

II BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器传感特性

首先探究BP和Ti₃C₂Tₓ之间的最优比例，以及最佳光波长和强度，使用丙酮进行探索和测试。根据以前的报道，由于A和B的光吸收范围介于可见光和近红外之间，因此选择了420和800 nm的代表性波长进行研究。可以看出，在420 nm 和800 nm光的波长下，传感器响应是不同的，并且传感器在420 nm处具有更高的响应。此外，随着BP含量的增加，传感器响应具有凸函数性质，在质量分数为1：1时响应最高。此外，随着光强度的逐渐增加，传感器响应也具有凸函数性质，在5 mW/cm² 的光强度下具有最高响应。总之，当光照为420 nm、强度为5 mW/cm² 以及BP和Ti₃C₂Tₓ的质量分数比时，传感器具有最佳响应是1：1。

为了比较光对响应的影响，通过BP/Ti₃C₂Tₓ分别在有光和无光下测试了 50 ppb至5 ppm 的气体。BP/Ti₃C₂Tₓ电阻的变化在有光的情况下比在没有光的情况下高，因为光促进了BP/Ti₃C₂Tₓ表面气体分子的电子交换。在有光或无光的目标气体环境中，传感器的电阻都会增加。这可能归因于BP/Ti₃C₂Tₓ表面基团吸附气体分子引起的电子转移，导致BP/Ti₃C₂Tₓ内部空穴载流子的浓度降低。值得注意的是，在5 ppm时，BP/Ti₃C₂Tₓ的响应值在光照下，基于丙酮、氨、乙醚和乙醇的传感器分别为7.21%、3.67%、9.32%和7.55%，分别是无光响应的1.19、1.22、1.26 和1.07倍。这可能是由于BP/Ti₃C₂Tₓ的光子激发表面电子，促进气体分子吸附到材料表面，从而降低Ti₃C₂Tₓ中的载流子密度以及提高灵敏度。当气体浓度增加时，载流子数量减少，通道电阻增加，从而增加传感器电阻。

与报道的光激活气体传感器相比，BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器对目标气体反应显著，并表现出优异的气体敏感性能。此外，为了可视化目标气体浓度与传感器响应之间的关系，在有光和无光的情况下，BP/Ti₃C₂Tₓ响应值的自然对数，与气体浓度的自然对数线性拟合。对于丙酮和乙醚，随着气体浓度的增加，有光时的斜率大于无光时的斜率。而氨和乙醇在有光时的斜率小于无光时的斜率。结果表明，BP/Ti₃C₂Tₓ传感器在光照下对丙酮和乙醚气体更敏感，这可能是由于在光的存在下BP/Ti₃C₂Tₓ的吸附能力更强。值得注意的是，BP/Ti₃C₂Tₓ基于传感器的传感器在 50 ppb至5 ppm范围内对这些气体显示出良好的线性度，这表明该传感器可以进一步实际应用于浓度范围为100倍的实时监测和浓度测量。

为比较BP/Ti₃C₂Tₓ的选择性在有光和无光条件下，上述四种气体中的每一种都以 5 ppm 的浓度进行了测试。在有光的情况下，不同气体的响应差异变大，表明气体的选择性得到提高。此外，为了比较光对Ti₃C₂Tₓ的气敏性能的影响、BP 和BP/Ti₃C₂Tₓ复合材料，四种气体分别在5 ppm的光照条件下进行了测试。其中三种材料在没有光的情况下具有1.13%、-4.03%和6.06%的响应。在有光的情况下，相应的响应分别高出1.07、1.76和1.19倍，这表明光使传感器之间的响应差异更大，因此具有更大的选择性。 

图3. IGSP结构和BP/Ti₃C₂Tₓ气体传感器传感的传感性能

III LAVSA的传感特性

以前对气体传感器阵列(SA)的研究通常需要测试大量不同的材料，以获得具有独特性能的单个传感器，并且随着传感器数量的增加，边际效益会降低。Ti₃C₂Tₓ、BP 和 BP/Ti₃C₂Tₓ它们本身对气体有很大的差异，光调制可以增加这种差异。在这项工作中，受光调制策略的启发，如果由这三种材料制成的SA在有光和无光的情况下检测到气体，这允许两倍的气体传感数据，并且传感器的维度相当于翻倍。最初的SA由三个单个传感器组成，在光调制下，相当于引入三个虚拟传感器来准备LAVSA。这不仅简化了SA的制备过程，而且保持了良好的性能。这项工作中制造的 LAVSA 由六个传感器组成，包括传感器 1：(无光)BP/Ti₃C₂Tₓ、传感器 2：(光照下)BP/Ti₃C₂Tₓ、传感器 3：(无光)Ti₃C₂Tₓ、传感器 4：(光照下)Ti₃C₂Tₓ、传感器 5：(无光)BP 和传感器 6：(光照下)BP。

首先，对上述四种典型气体进行检测，以测试LAVSA的灵敏度性能。通过将LAVSA暴露在50 ppb至5 ppm的目标气体环境中来测试LAVSA的灵敏度。收集数据后，使用模式识别算法来区分和识别不同的气体。每个传感器的响应随着目标气体浓度的增加而增强。由于传感器的成分不同，它们对气体的响应程度不同。例如，对于5 ppm的氨，传感器(光照下)BP/Ti₃C₂Tₓ的响应为3.67%，而传感器(带光)BP为-11.03%。这种差异可用于证明LAVSA的选择性。对上述四种气体中的每一种在5 ppm的浓度下进行了多次实验，并使用主成分分析(PCA)分析数据。各种气体聚集在相应的区域，表明LAVSA能够区分浓度为 5 ppm的这些气体，因此对这些气体具有出色的选择性。这主要归因于LAVSA 中六个传感器的选择性积累，它通过在六个维度上表征各种气体来最大限度地区分它们。这表明LAVSA的成功制造，并证明它是由用不同比例的BP与Ti₃C₂Tₓ 制备的单个传感器构成的，它在光调制下选择性识别目标气体方面取得了显著效果。

为了测试LAVSA的实际性能，引入了15种气味分子并进行了相应的测试，总共选择了五类物质，即醇、酮、醛、酯和酸。这些分子在自然界中广泛存在，因此是典型的。LAVSA暴露于15种不同的气体中，从50 ppb到5 ppm以监测其性能。每个传感器对每种气体都有不同的平均性能值，该研究证明了 LAVSA 的选择性性能。然后对浓度为5 ppm的这些气体中的每一种进行了多次实验，并在PCA的帮助下分析获得的数据。由于这五类气味分子的官能团存在明显差异，可以看出每类气体分子都聚集在相应的区域，表现出良好的聚集特征，表明 LAVSA能够借助PCA对这五类气体分子进行分类。

此外，还引入了一种新的算法 t 分布随机邻域嵌入(t-SNE)方法来区分这 15 种气体分子。从传感器数据中提取特征和降维后，t-SNE图轴的值代表不同气体特性的差异。这15种气体被单独聚集，可以清楚地区分。结果表明，在 t-SNE算法和PCA算法的辅助下，LAVSA具有优异的灵敏度和选择性，能够准确识别5种气味分子和15种特定气体。总之，对15个气味分子的测试表明，由 BP和Ti₃C₂Tₓ组成的LAVS具有出色的灵敏度和选择性，并具有进一步实际应用的能力。 

图4. LAVSA的气体传感性能

IV 基于LAVAS制备的IGSP对CHD患者的识别

冠心病的诊断标准通常是冠状动脉狭窄(CAS)的程度，其中0-25%被认为是轻度，25-50%被认为是中度，大于50%被认为是严重的，当CAS的程度大于50%时，可以判断患有CHD。实验设计共有45名参与者，包括10名健康个体(H)，11 名轻度(CAS-1)患者，9名中度(CAS-2)患者和15名重度的患者(CAS-3)。

不同程度CAS患者与健康人群呼出气体气味成分的复杂程度以及呼出气体气味成分的差异是鉴定和分类的基础。对H、CAS-1、CAS-2和CAS-3样品进行气相色谱-质谱(GC-MS)测定不同群体中呼出气体气味成分的差异。GC-MS结果显示不同类别人群呼出的气味存在一些差异。分析和进一步总结，H样品含有乙酸乙酯、丙酮和2-乙基-1-己醇等成分。CAS-1样品含有2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯、丙酮、乙酸乙酯等成分。CAS-2样品含有2-乙基-1-己醇、丙酮、乙酸乙酯等成分。CAS-3样品含有丙酮、乙酸乙酯、乙醇等成分。成分的多样性表明，不同类型样品中包含的生物标志物是清晰可识别的。

为了通过IGSP检测和识别气体样品，使用了机器学习(ML)算法来帮助实现这一目标。首先，必须将数据组织成20 × 45的大小，然后根据四个类别进一步分类为四个标签。然后将这些数据用于算法训练和优化。直方图和箱线图显示了 LAVSA中各个传感器的气体传感性能分布，显示了对各种类型气体样品的响应多样性。传感器之间的数学关系显示在散点矩阵图中表明信号之间存在显著差异。采用6种ML算法进行数据处理，分别是逻辑回归(LR)、线性判别分析(LDA)、K最近邻算法(KNN)、分类与回归树(CART)、朴素贝叶斯模型(NB)和支持向量机(SVM)。从混淆矩阵可以看出，对于来自不同人群的四类参与者，H的预测准确率为77%，CAS-1的预测准确率为71%，CAS-2的预测准确率为58%，CAS-3的预测准确率为84%。6种算法通过10次交叉验证测试的预测结果显示CART的性能最好，准确率为0.692，这意味着它在识别呼吸气味方面表现良好。相比之下，LR的准确率为 0.403，这证明它不适合样本间鉴定。然而，IGSP 存在一些局限性，例如它需要已知的校准样品进行比较以实现准确检测，这需要大量的校准样品库，并且未记录气体类别的检测仍然是一个悬而未决的问题。此外，通过 IGSP 确定呼出气体的成分和相应浓度仍然具有挑战性。 

图5. 通过呼吸气味识别CHD的结果

V IGSP 传感机制

BP/Ti₃C₂Tₓ的气体敏化特性与纯Ti₃C₂Tₓ相比，纳米复合物在可见光照射下得到增强。这主要是由于BP和Ti₃C₂Tₓ之间的协同效应，以及由于光子激活而增加的电子交换。一方面，BP纳米片的自生长可以导致更高的比表面积和活性位点，从而增强气体吸附和解吸过程。另一方面，由BP和Ti₃C₂Tₓ形成的异质结构，以及通过光子激发调节载流子密度，是提高传感器气体敏感性能的重要因素。根据文献，BP 的导带(CB)电位和价带(VB)电位分别为0.83和1.17 eV。在可见光照射下，光激发电子从VB转移到BP的CB。由于Ti₃C₂Tₓ的较低的费米能级(EF)为- 0.17 eV，电子将进一步转移到Ti₃C₂Tₓ. 由于Ti₃C₂Tₓ的EF比O₂/·O₂⁻ 0.046 eV的电位更负以及Ti₃C₂Tₓ具有优异的导电性(4600 ± 1100 S cm⁻¹)，获得的光生电子迅速转移到Ti₃C₂Tₓ表面并最终被O₂捕获 。VOC等气体分子在Ti₃C₂Tₓ表面吸收·O₂⁻的电子生成CO₂和H₂O。因此，目标气体与BP/Ti₃C₂Tₓ表面之间的电子交换通过上述过程得到了增强。总而言之，气体灵敏度性能增强归因于异质结构的形成、活性位点的增加和光调制载流子密度。 

图6. IGSP传感性能增强的机制

VI 总结

总之，该研究的目标是建立LAVSA和IGSP，用于通过人类气味识别不同人群和无创诊断CHD。在这项工作中，从光调制的角度，从光吸收范围与MXene重叠的材料中筛选出BP，BP/Ti₃C₂Tₓ复合物是使用MXene自组装策略合成的。作为概念验证，传感器是使用BP/Ti₃C₂Tₓ制造的并针对氨、丙酮、乙醇和乙醚气体进行了测试，以确定光波长和强度的最佳值以及材料比例。由于BP和MXene的协同作用以及光激发，复合物表现出更高的气体敏感性能，在光下的响应比无光时高 26%，选择性也有所提高。在此基础上，使用三种不同比例的BP/Ti₃C₂Tₓ制备了 LAVSA材料，并分别在光照和无光照条件下测试了15种气味分子。借助PCA和t-SNE模式识别算法，成功实现了对不同气体的识别和分类，证明了其选择性。最后，将基于LAVSA和Arduino平台制备的IGSP投入实际使用，并选取45名志愿者进行检测，包括健康人和3种不同程度的CAS患者。在机器学习算法的帮助下，IGSP通过人类呼吸分别识别H、CAS-1、CAS-2和CAS-3四个不同人群的准确率达到了77%、71%、58%和84%，在CAS患者和健康人群中均表现出良好的识别性能。

作者简介

卢元

本文通讯作者

清华大学 副教授

▍主要研究领域

人工生命、集群智能、合成生物学、分子智造、神经传感。

▍个人简介

近五年发表学术文章80多篇、申请/授权发明专利20多项、著作或参编中英文科技书籍7部。担任1本国际学术期刊主编、3本国际学术期刊副主编、多个期刊编委等。近来科研项目受到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金等支持；入选国家级青年人才支持计划、荣获“侯德榜化工科技青年奖”等。详细信息请浏览课题组网站：www.LuGroup.net。

▍Email：yuanlu@tsinghua.edu.cn

张萍

本文通讯作者

清华大学 教授

▍主要研究领域

心律失常及疑难心血管疾病诊治，特别在心脏性猝死防治及遗传性心律失常的精准治疗、心血管疾病人工智能研究。

▍个人简介

清华大学长聘教授，博士生导师、北京清华长庚医院副院长，心血管中心主任，清华大学智慧医疗研究院副院长。近5年发表学术文章50余篇，中华医学会心血管病学分会委员兼信息学组组长、中国生物工程学会心律学分会副主任委员、中国医师协会心力衰竭工作委员会副主任委员、海峡两岸医药技术交流协会心血管病分会副主任委员、中国医促会心律心电分会副主任委员、北京医学会心血管病分会副主任委员、中国老年保健医学研究会数智健康分会主任委员等。《ESC cardiovascular》副主编、《中华心血管病杂志》《中华心律失常杂志》《中国起搏与电生理杂志》《中华心力衰竭与心肌病杂志(电子版)》《临床心电学杂志》《PACE》《Cardiology Discovery》编委。曾获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、“十二五”科技支撑项目、973子课题等基金资助。先后获得教育部自然科学奖、北京市科技进步奖、中华医学科技奖、华夏医学奖等，曾获“人民好医生”“白求恩式好医生”“中国杰出起搏贡献奖”“21世纪中国心电贡献奖”等。

▍Email：zpa00593@btch.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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