Forskere udvikler ny batterifri mælkesyresensor

Forskere ved Bath har introduceret en banebrydende kulstofbaseret sensor til at detektere mælkesyreniveauer i spyt – så man undgår behovet for en elektrisk strømkilde.

Forskerne har i samarbejde med en industriel partner, Integrated Graphene, skabt en ny type kemosensor (demonstreret til mælkesyreføling), som fungerer med elektricitet, men uden behov for referenceelektroder eller batteristrøm. Det nye design giver potentielt lavere omkostninger, bedre holdbarhed og nem miniaturisering sammenlignet med enzymbaserede sensorer.

Det er bevist, at sensoren registrerer mælkesyre, et biprodukt, der genereres af kroppen, når den metaboliserer kulhydrater eller glukose til brændstof, for eksempel under træning. Høje niveauer af mælkesyre er forbundet med højere risiko for at falde bevidstløs eller i koma og større organsvigt.

Dette åbner mulighed for, at en letanvendelig sensor kan bruges på fjerntliggende steder, såsom en atletikbane, uden behov for el-drevet sensorudstyr.

I øjeblikket måles mælkesyre ofte med en enzymtest, som har en begrænset holdbarhed og kræver batteridrevet sensorudstyr. Den nye type kemosensor, beskrevet i en artikel offentliggjort i ACS Sensors , måler i stedet mælkesyre med en kemisk metode ved hjælp af en grafenskumelektrodeoverflade.

Benævnt "Graphene Foam" i papiret, Gii-Sens, teknologien, der understøtter kemosensoren, er en elektrode produceret af Integrated Graphene. Gii-Sens inkorporerer Gii, en ren, porøs 3D-carbon nanostruktur, der giver lave omkostninger og undgår brugen af ​​uholdbare ædelmetaller som guld.

Når lactat binder sig til sensoren, forårsager det en ændring i det elektriske signal - eller kvantekapacitans - af kulstofskummet. Skummet registrerer derfor lave niveauer af mælkesyre uden at forbruge det ved at måle ændringer i den elektriske opladning af Gii, hvilket muliggør overvågning af ændringer i niveauer. Da det er en kemikalie snarere end en enzymbaseret sensor, har den en potentielt lavere pris, bedre holdbarhed og nem miniaturisering.

Professor Frank Marken, hovedforfatter af undersøgelsen ved University of Bath, sagde:"Ligesom dit kontaktløse kreditkort ikke behøver en ekstern strømkilde for at fungere, fordi kortlæserens nærhed er nok til at forsyne det - i en lignende måde, denne sensor kunne skabe en lille, målbar elektrisk strøm, når laktat binder sig til den."

"Denne sensor, ved hjælp af Gii-Sens teknologi, adresserer nogle af de vigtigste begrænsninger med ikke-trådløse nuværende mælkesyreenzymtest," sagde professor Marken, "Den vil give mulighed for en mere enkelt betjent sensor - hvilket åbner muligheden for mere regelmæssig, mindre invasiv og mere pålidelig sporing af mælkesyre, selv under atletens præstation."

Mælkesyretests har en række vigtige anvendelser. I professionel sport testes mælkesyre for at vurdere atletens reaktion på forskellige intensiteter og træningsregimer. Ved trådløst at spore og efterfølgende forbedre kroppens evne til at transportere og udnytte laktat, sigter atleter på at forbedre deres udholdenhed og restitution.

Det bruges også i medicinsk behandling til at spore hjertesygdomme som myokardieinfarkter, atrieflimren og åreforkalkning. Dette er nyttigt, da forhøjede mælkesyreniveauer kan reducere hjertets og blodkarrets evne til at trække sig sammen, hvilket påvirker hæmodynamikken for regelmæssig funktion.

Jean-Christophe Granier, administrerende direktør for Integrated Graphene, kommenterede:"Denne udvikling er endnu et tydeligt eksempel på, hvor Gii-Sens er integreret i sensing-produkter og tilbyder alsidig anvendelighed.

"Forskerens testresultater ved hjælp af vores Gii-Sens-elektrode åbner muligheden for mere tilgængelig og pålidelig sundhedsovervågning i fjerntliggende miljøer, og vi ser frem til at sætte vores meget følsomme Gii-Sens-elektrode i hjertet af mere banebrydende innovationer inden for plejeområdet diagnostikmarkedet."

Flere oplysninger: Simon M. Wikeley et al., Pyrentilførte borsyrer på grafenskumelektroder giver kvantekapacitansbaserede molekylære sensorer til laktat, ACS-sensorer (2024). DOI:10.1021/acssensors.4c00027

Journaloplysninger: ACS-sensorer

Leveret af University of Bath