一種基于深度學(xué)習(xí)的無透鏡全息顯微鏡裝置

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Aydogan Ozcan教授研究團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports上報(bào)道了通過現(xiàn)場便攜式設(shè)備（稱為c-Air）實(shí)現(xiàn)了對(duì)呼出的電子煙（electronic cigarettes，e-cigs）氣溶膠直接進(jìn)行揮發(fā)性測量，該便攜式設(shè)備是一種基于深度學(xué)習(xí)的無透鏡全息顯微鏡裝置。

c-Air設(shè)備和電子煙商店中進(jìn)行氣溶膠揮發(fā)性測量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

電子煙在最近幾年得到了廣泛使用，從不吸煙的青少年和年輕人成為主要的消費(fèi)群體。這些小型手持設(shè)備通常會(huì)蒸發(fā)電子煙液（e-liquids），其中含有溶解在丙二醇（PG）和植物甘油（VG）（PG和VG的體積比不同）中的尼古丁和調(diào)味劑。使用電子煙會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)快速蒸發(fā)的顆粒。吸入這些顆粒可能對(duì)健康產(chǎn)生不利影響，基于此引發(fā)了大量研究。實(shí)驗(yàn)室研究表明，釋放的氣溶膠顆粒濃度、大小和質(zhì)量分布以及化學(xué)成分與電子煙液的類型、蒸發(fā)器的額定功率以及環(huán)境因素（如室溫和濕度）有關(guān)。早期的研究還通過使用不同的方法測量顆粒的揮發(fā)性來量化電子煙排放的動(dòng)態(tài)變化。先前基于c-Air的研究是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的（非人體直接“吸”電子煙），結(jié)果表明電子煙顆粒的揮發(fā)性隨著電子煙液的化學(xué)成分而變化，例如PG和VG的體積比以及電子煙液中的尼古丁含量。

除了這些基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)之外，還有幾項(xiàng)其他的研究集中于電子煙商店內(nèi)呼出的電子煙氣溶膠。電子煙商店是銷售和消費(fèi)電子煙的零售場所。與專注于從電子煙設(shè)備直接排放的氣溶膠的實(shí)驗(yàn)室研究不同，在電子煙商店中研究的電子煙氣溶膠是通過人體肺部呼出的顆粒（也稱為二手電子煙氣溶膠）。與實(shí)驗(yàn)室研究相比，由于受到人體本身吸電子煙、吸的電子煙種類不同，以及室內(nèi)存在不均勻的空氣等因素的影響，導(dǎo)致電子煙氣溶膠在電子煙商店中的動(dòng)力學(xué)研究要復(fù)雜得多。此外，控制較少的環(huán)境變量，如室溫和濕度，會(huì)給這些氣溶膠的動(dòng)力學(xué)研究增加其他復(fù)雜因素。為了更好地了解電子煙的動(dòng)力學(xué)行為，這些實(shí)驗(yàn)可以在定期監(jiān)測這些環(huán)境變量的情況下進(jìn)行。

為了對(duì)電子煙氣溶膠進(jìn)行分析，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在一家電子煙商店進(jìn)行了一系列現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。在四天的實(shí)驗(yàn)中，他們定期對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行采樣，采樣間隔約為16分鐘，并用c-Air收集呼出的顆粒。除了電子煙商店內(nèi)使用的c-Air設(shè)備外，還配置了一臺(tái)空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀（Aerodynamic Particle Sizer，APS），每2分鐘取樣一次，以對(duì)電子煙商店內(nèi)的粒度分布進(jìn)行單獨(dú)測量。通過c-Air記錄收集到的顆粒的延時(shí)在線全息圖，并使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建，從而生成顆粒的相位恢復(fù)顯微圖像。

檢測到的每種氣溶膠揮發(fā)性的計(jì)算：從原始全息圖到體積衰減率

在電子煙商店為期四天的c-Air實(shí)驗(yàn)中，研究人員總共進(jìn)行了115次不同的測量，同時(shí)APS以每2分鐘采樣一次的速度對(duì)空氣進(jìn)行采樣。為了揭示所有收集到的顆粒的動(dòng)態(tài)變化（每次c-Air測量的顆粒通常有數(shù)百到數(shù)千個(gè)），研究人員計(jì)算了每次測量的平均體積衰減率。體積衰減率量化了顆粒的蒸發(fā)速度，因此，體積衰減率越高，表明蒸發(fā)速度越快，揮發(fā)性越高。通過c-Air實(shí)驗(yàn)量化的揮發(fā)性動(dòng)力學(xué)研究表明，在室內(nèi)吸電子煙增加了空氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒的百分比。

在不同的實(shí)驗(yàn)日，平均體積衰減率和揮發(fā)性氣溶膠百分比的變化

在電子煙商店內(nèi)采樣的揮發(fā)性、半揮發(fā)性和非揮發(fā)性顆粒的體積變化

這項(xiàng)研究的一些局限性可能會(huì)影響其普遍應(yīng)用。首先，在現(xiàn)場測試過程中，二手電子煙氣溶膠的化學(xué)成分仍然未知（包括未知、隨機(jī)的消費(fèi)者/蒸汽），并且沒有測量/控制室溫和濕度等環(huán)境變量。其次，研究人員使用的設(shè)備（APS和c-Air）被放置在不同的空間位置。如果沒有足夠的通風(fēng)，這兩個(gè)設(shè)備的測量結(jié)果可能無法完全比較。第三，由于使用c-Air設(shè)備的采樣是手動(dòng)控制的，所以電子煙和測量之間的時(shí)間間隔是可變的。最后，液滴和采樣基板之間的相互作用仍然不受控制。采樣墊內(nèi)的液體擴(kuò)散可能會(huì)對(duì)揮發(fā)性的判斷產(chǎn)生一些不確定性。c-Air設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)和更多受控實(shí)驗(yàn)（不影響測量系統(tǒng)的成本效益和現(xiàn)場便攜性）可用于提供有關(guān)室內(nèi)使用電子煙的更有價(jià)值的信息。研究人員報(bào)道的方法和結(jié)果可以進(jìn)一步指導(dǎo)關(guān)于室內(nèi)電子煙氣溶膠揮發(fā)性特征的研究。

論文信息：
?etinta?, E., Luo, Y., Nguyen, C. et al. Characterization of exhaled e-cigarette aerosols in a vape shop using a field-portable holographic on-chip microscope. Sci Rep 12, 3175 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41598-022-07150-2