Nanosensorer forbedrer påvisning af sygdomsbiomarkører i udåndet ånde

Forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) har udviklet nanosensorer, der hurtigt analyserer komponenterne i udåndet ånde for at detektere spormolekyler forbundet med visse sygdomme. Deres ydeevne og nøjagtighed blev forbedret ved at designe proteinindkapslede nanokatalysatorer.

"Denne nye åndegasanalyseplatform vil være meget nyttig til at reducere medicinske udgifter og den kontinuerlige overvågning af fysiske forhold, " siger Il-Doo Kim fra KAISTs afdeling for materialevidenskab og teknik.

Forskellige komponenter kan findes i menneskelig ånde, inklusive vanddamp, brint, acetone, toluen, ammoniak, svovlbrinte og kulilte. Nogle af disse komponenter er tæt forbundet med tilstande som astma, lungekræft, type I diabetes og kronisk dårlig ånde.

Det har været udfordrende at designe åndedrætssensorer, der kun reagerer på specifikke biomarkører, fordi der er tusindvis af gasser i udåndet ånde, som kan forstyrre resultaterne. Desuden, den samme komponent kan knyttes til flere forhold.

Forskerne udviklede en ny sensorplatform til at forbedre sensorfølsomheden og selektiviteten. De brugte apoferritiner, som er proteiner med hule nanocage-strukturer, at indkapsle små nanokatalysatorpartikler. De indkapslede katalysatorer blev tilføjet til den primære sensing nanofiber, som er lavet af et halvledermetaloxid.

Holdet brugte en metode kaldet 'elektrospinning', hvori en opløsning indeholdende katalysatornanopartiklerne, metalsalte og matrixpolymer sprøjtes ind på en overflade under højspændingselektriske felter for at lave endimensionelle nanofibre. Derefter, en højtemperaturproces resulterer i konsistente nanofibre med store overfladearealer og porer, og katalysatorer jævnt fordelt langs halvledermetaloxidnanofibrene.

Sensorer, der indeholdt de katalysatorfyldte metaloxidnanofibre var meget følsomme, påvisning af biomarkører med en koncentration på én del per million i et udåndet åndedræt inden for ti til 50 sekunder. Forskerne tilskriver denne øgede følsomhed det øgede overfladeareal, der er tilgængeligt for reaktioner, der kan finde sted mellem målmolekylet og sensoren. Sensorerne var også meget selektive. Nanofibrene reagerede primært med målbiomarkøren takket være legeringskatalysatorerne indeholdende to typer metaller frem for kun én type. Disse katalysatorer med unikke metalkombinationer kan hjælpe med at etablere 'sansebiblioteker' for forskellige biomarkører.

Holdet skabte en mobil sensorplatform, der kan analysere udåndede åndedrætsmolekyler opsamlet i en gasprøvepose og derefter sende resultaterne til en smartphone. Der er nogle få problemer tilbage, før åndedrætsbaserede diagnoseplatforme kan implementeres fuldt ud, såsom at skelne mellem to lidelser, der deler en biomarkør.

Resultaterne af denne undersøgelse blev valgt som forsideartikel i juli 2017-udgaven af Beretninger om kemisk forskning og september 2017-udgaven af Avancerede materialer .