Medurs från vänster till höger:vänster övre visar en förstorad SEM-bild av en trasig tunnväggig sammansatt SnO2-fiber. Till vänster nedan finns en rad andningssensorer (infällt är en verklig storlek på en andningssensor). Höger är omslaget till Avancerade funktionella material (20 maj -nummer) där en forskningsartikel om utveckling av en mycket känslig utandad andningssensor publiceras med hjälp av SnO2 -fibrer publiceras. Upphovsman:KAIST
Dagens tekniska innovation gör det möjligt för smartphoneanvändare att snabbt och effektivt diagnostisera allvarliga sjukdomar som diabetes eller lungcancer genom att helt enkelt andas in i en liten pryl, en nanofiber andningssensor, monterad på telefonerna.
Il-Doo Kim, Docent i avdelningen för materialvetenskap och teknik vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), och hans forskargrupp har nyligen publicerat ett omslag med titeln "Thin-Wall Assembled SnO2 Fibers Functionalized by Catalytic Pt Nanoparticles and their Superior Exhaled Breath-Sensing Properties for the Diagnosis of Diabetes, "i en akademisk tidskrift, Avancerade funktionella material (20 maj nummer), om utvecklingen av en mycket känslig utandad andningssensor med hierarkisk SnO 2 fibrer som är sammansatta av skrynkligt tunt SnO 2 nanorör.
I tidningen, forskargruppen presenterade en morfologisk utveckling av SnO2 -fibrer, kallas mikrofasseparationer, som äger rum mellan polymerer och andra lösta ämnen när man varierar flödeshastigheten för en elektrospinningslösning och applicerar en efterföljande värmebehandling efteråt.
Den morfologiska förändringen resulterar i nanofibrer som är formade som en öppen cylinder inuti vilken tunnfilms SnO2 nanorör läggs i lager och sedan rullas upp. Ett antal långsträckta porer som sträcker sig från 10 nanometer (nm) till 500 nm i längd längs fiberriktningen bildades på ytan av SnO2 -fibrerna, tillåter utandade gasmolekyler att lätt genomsyra fibrerna. Den inre och yttre väggen hos SnO2 -rör är jämnt belagda med katalytiska platina (Pt) nanopartiklar. Enligt forskargruppen, mycket porösa SnO2 -fibrer, syntetiseras genom elektrospinning vid hög flödeshastighet, visade fem gånger högre acetonsvar än den för de täta SnO2-nanofibrerna som skapades under en låg flödeshastighet. Den katalytiska Pt-beläggningen förkortade också fibrernas gassvarstid dramatiskt.
Detta är den mikrostrukturella utvecklingen av SnO2 nanofibrer som en funktion av flödeshastigheten under elektrospinning. Upphovsman:KAIST
Andningsanalysen för diabetes är till stor del baserad på ett acetonandningstest eftersom aceton är en av de specifika flyktiga organiska föreningarna (VOC) som produceras i människokroppen för att signalera uppkomsten av särskilda sjukdomar. Med andra ord, de är biomarkörer för att förutsäga vissa sjukdomar som aceton för diabetes, toluen mot lungcancer, och ammoniak för njurfel. Andningsanalys för medicinsk utvärdering har väckt stor uppmärksamhet eftersom den är mindre påträngande än konventionell medicinsk undersökning, samt snabbt och bekvämt, och miljövänlig, lämnar nästan inget biologiskt farligt avfall.
Olika gasavkännande tekniker har antagits för att analysera VOC inklusive gastromatografi-masspektroskopi (GC-MS), men dessa tekniker är svåra att införliva i bärbara gassensorer i realtid eftersom testutrustningen är skrymmande och dyr, och deras funktion är mer komplex. Metalloxidbaserade kemiresistiva gassensorer, dock, erbjuder större användbarhet för bärbara andningssensorer i realtid.
Il-Doo Kim sa:"Katalysatorbelastade metalloxid-nanofibrer syntetiserade av elektrospinning har en stor potential för framtida utandningsapplikationer. Från vår forskning, we obtained the results that Pt-coated SnO 2 fibers are able to identify promptly and accurately acetone or toluene even at very low concentration less than 100 parts per billion (ppb)."
The exhaled acetone level of diabetes patients exceeds 1.8 parts per million (ppm), which is two to six-fold higher than that (0.3-0.9 ppm) of healthy people. Därför, a highly sensitive detection that responds to acetone below 1 ppm, in the presence of other exhaled gases as well as under the humid environment of human breath, is important for an accurate diagnosis of diabetes. Dessutom, Professor Kim said, "a trace concentration of toluene (30 ppb) in exhaled breath is regarded to be a distinctive early symptom of lung cancer, which we were able to detect with our prototype breath tester."
The research team has now been developing an array of breathing sensors using various catalysts and a number of semiconducting metal oxide fibers, which will offer patients a real-time easy diagnosis of diseases.
