Purdue, NIST arbejder på alkometer til medicinsk diagnostik

Forskere har overvundet en grundlæggende hindring i udviklingen af ​​åndedrætsanalyseteknologi til hurtigt at diagnosticere patienter ved at detektere kemiske forbindelser kaldet "biomarkører" i en persons respiration i realtid.

Forskerne viste, at deres tilgang er i stand til hurtigt at detektere biomarkører i intervallet dele pr. milliard til ppm, mindst 100 gange bedre end tidligere åndedrætsanalyseteknologier, sagde Carlos Martinez, en assisterende professor i materialeteknik ved Purdue, der arbejder med forskere ved National Institute of Standards and Technology.

"Folk har arbejdet i dette område i omkring 30 år, men har ikke været i stand til at opdage lave nok koncentrationer i realtid, " sagde han. "Vi løste det problem med de materialer, vi udviklede, og vi fokuserer nu på, hvordan vi kan være meget specifikke, hvordan man skelner bestemte biomarkører."

Teknologien fungerer ved at detektere ændringer i elektrisk modstand eller konduktans, når gasser passerer over sensorer bygget oven på "mikrovarmeplader, " bittesmå varmeenheder på elektroniske chips. Detektering af biomarkører giver en registrering af en patients sundhedsprofil, indikerer mulig tilstedeværelse af kræft og andre sygdomme.

"Vi taler om at skabe en billig, hurtig måde at indsamle diagnostiske oplysninger om en patient, " sagde Martinez. "Det kan sige, 'der er en vis procentdel, at du metaboliserer en specifik forbindelse, der indikerer denne type kræft, ' og derefter yderligere, mere komplekse tests kunne udføres for at bekræfte diagnosen."

Forskerne brugte teknologien til at påvise acetone, en biomarkør for diabetes, med en følsomhed i dele pr. milliard-området i en gas, der efterligner en persons åndedræt.

Resultaterne blev beskrevet detaljeret i et forskningspapir, der udkom tidligere på året i IEEE Sensors Journal , udgivet af Institute of Electrical and Electronics Engineers' IEEE Sensors Council. Artiklen var medforfatter af Martinez og NIST-forskere Steve Semancik, hovedforfatter Kurt D. Benkstein, Baranidharan Raman og Christopher B. Montgomery.

Forskerne brugte en skabelon lavet af mikron-størrelse polymerpartikler og coated dem med langt mindre metaloxid nanopartikler. Brug af nanopartikelbelagte mikropartikler i stedet for en flad overflade giver forskere mulighed for at øge porøsiteten af ​​sensorfilmene, at øge det "aktive føleoverfladeareal" for at forbedre følsomheden.

En dråbe af de nanopartikelovertrukne polymermikropartikler blev aflejret på hver mikrokogeplade, som er omkring 100 mikron kvadratisk og indeholder elektroder formet som fingre, der griber ind. Dråben tørrer og derefter varmes elektroderne op, afbrænde polymeren og efterlade en porøs metaloxidfilm, skabe en sensor.

"Det er meget porøst og meget følsomt, " sagde Martinez. "Vi viste, at dette kan fungere i realtid, ved at bruge et simuleret åndedræt ind i enheden."

Gasser, der passerer over enheden, gennemtrænger filmen og ændrer dens elektriske egenskaber afhængigt af de særlige biomarkører, der er indeholdt i gassen.

Sådanne alkometere er sandsynligvis et årti eller længere væk fra at blive realiseret, dels fordi der endnu ikke er udviklet præcise standarder til fremstilling af enheder baseret på tilgangen, sagde Martinez.

"Imidlertid, det faktum, at vi var i stand til at gøre dette i realtid, er et stort skridt i den rigtige retning, " han sagde.