Andningsmönsterigenkänning är en futuristisk diagnostisk plattform. Enkel karakterisering av målgaskoncentrationer av mänsklig utandning kommer att leda till diagnos av sjukdomen såväl som fysiskt tillstånd.

En forskargrupp under prof. Il-Doo Kim vid institutionen för materialvetenskap vid KAIST har utvecklat diagnostiska sensorer med hjälp av proteininkapslade nanokatalysatorer, som kan diagnostisera vissa sjukdomar genom att analysera mänsklig utandningsandning. Denna teknik möjliggör tidig övervakning av olika sjukdomar genom mönsterigenkänning av biomarkörgaser relaterade till sjukdomar i mänsklig utandning.

Den proteinbaserade katalysatorsyntesvägen är mycket enkel och mångsidig för att producera inte bara en enda komponent av katalytiska nanopartiklar, men också olika heterogena intermetalliska katalysatorer med storlekar mindre än 3 nm. Forskargruppen har utvecklat allt mer känsliga och selektiva kemiresistiva sensorer som potentiellt kan diagnostisera specifika sjukdomar genom att analysera utandningsgaser.

Resultaten av denna studie, som bidrogs av Dr. Sang-Joon Kim och Dr. Seon-Jin Choi som första författare valdes ut som omslagsartikel i julinumret av Redovisningar för kemisk forskning , en internationell tidskrift från American Chemical Society.

I mänsklig andetag, olika komponenter finns inklusive vattenånga, väte, aceton, toluen, ammoniak, vätesulfid, och kolmonoxid, som är mer överdrivet utandningsbar från patienter. Vissa av dessa komponenter är nära besläktade med sjukdomar som astma, lungcancer, typ 1 diabetes mellitus, och halitosis.

Andningsanalys för sjukdomsdiagnos startade från att fånga utandningsluften i en Tedlar-påse och därefter injicerades de infångade andningsgaserna i ett miniatyriserat sensorsystem, liknar en alkoholdetektor. Det är möjligt att analysera utandning mycket snabbt med en enkel analysprocess. Andningsanalysen kan upptäcka spårförändringar i utandningskomponenter, som bidrar till tidig diagnos av sjukdomar.

Dock, tekniska framsteg behövs för att noggrant analysera gaser i andningen, som förekommer på mycket låga nivåer, från 1 ppb till 1 ppm. Särskilt, det har varit en kritisk utmaning för kemiska sensorer av kemiresistiv typ att selektivt detektera specifika biomarkörer i tusentals störande gaser inklusive fuktig ånga.

Konventionellt, ädla metalliska katalysatorer såsom platina och palladium har funktionaliserats på metalloxidavkännande skikt. Dock, gaskänsligheten var inte tillräcklig för att upptäcka ppb-nivåer av biomarkörarter i utandningsluft.

För att övervinna de nuvarande begränsningarna, forskargruppen använde nanoskalaprotein (apoferritin) i djur som offermallar. Proteinmallarna har ihåliga nanocages vid kärnplatsen och olika legerade katalytiska nanopartiklar kan kapslas in i proteinnanocages.

Proteinnanocages är fördelaktiga eftersom ett nästan obegränsat antal materialsammansättningar i det periodiska systemet kan sättas samman för syntes av heterogena katalytiska nanopartiklar. Dessutom, intermetalliska nanokatalysatorer med ett kontrollerat atomförhållande av två olika grundämnen kan uppnås med hjälp av proteinnanocages, vilket är en innovativ strategi för att hitta nya typer av katalysatorer. Till exempel, högeffektiva platinabaserade katalysatorer kan syntetiseras, såsom platina-palladium (PtPd), platina-nickel (PtNi), platina-rutenium (PtRu), och platina-yttrium (PtY).

Forskargruppen utvecklade enastående avkänningsskikt bestående av nanofibrer av metalloxid funktionaliserade av de heterogena katalysatorerna med stora och mycket porösa ytor, som är speciellt optimerade för selektiv detektering av specifika biomarkörer. Biomarköravkänningsprestandan förbättrades ungefär 3~4 gånger jämfört med den konventionella enkelkomponenten av platina- och palladiumkatalysatorer laddade nanofibersensorer. Särskilt, 100-faldiga motståndsövergångar mot aceton (1 ppm) och vätesulfid (1 ppm) observerades i utandningssensorer med användning av de heterogena nanokatalysatorerna, vilket är den bästa prestation som någonsin rapporterats i litteraturen.

Forskargruppen utvecklade en sjukdomsdiagnosplattform som känner igen individuella andningsmönster genom att använda ett system med flera sensorer med olika avkänningslager och heterogena katalysatorer, så att människor lätt kan identifiera hälsoavvikelser. Med hjälp av ett 16-sensorsystem, fysiska förhållanden kan kontinuerligt övervakas genom att analysera koncentrationsförändringar av biomarkörer i utandningsgaser.

Prof. Kim sa, "Nya typer av heterogena nanokatalysatorer syntetiserades med hjälp av proteinmallar med storlekar runt 2 nm och funktionaliserades på olika metalloxidnanofiberavkänningslager. De etablerade avkänningsbiblioteken kan detektera biomarkörarter med hög känslighet och selektivitet." Han lade till, "den nya och innovativa analysplattformen för andningsgas kommer att vara till stor hjälp för att minska medicinska utgifter och kontinuerlig övervakning av fysiska tillstånd"

Patent relaterade till denna teknik licensierades till två företag i mars och juni i år.