Forskare från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) har utvecklat nanosensorer som snabbt analyserar komponenterna i utandningsandningen för att upptäcka spårmolekyler associerade med vissa sjukdomar. Deras prestanda och noggrannhet förbättrades genom att designa proteininkapslade nanokatalysatorer.

"Denna nya analysplattform för andningsgas kommer att vara till stor hjälp för att minska medicinska utgifter och kontinuerlig övervakning av fysiska tillstånd, " säger Il-Doo Kim från KAISTs institution för materialvetenskap och teknik.

Olika komponenter kan hittas i mänsklig andetag, inklusive vattenånga, väte, aceton, toluen, ammoniak, vätesulfid och kolmonoxid. Vissa av dessa komponenter är nära besläktade med tillstånd som astma, lungcancer, typ I-diabetes och kronisk dålig andedräkt.

Det har varit utmanande att designa andningssensorer som bara reagerar på specifika biomarkörer eftersom det finns tusentals gaser i utandningsandningen som kan störa resultaten. Vidare, samma komponent kan kopplas till flera villkor.

Forskarna utvecklade en ny avkänningsplattform för att förbättra sensorernas känslighet och selektivitet. De använde apoferritiner, som är proteiner med ihåliga nanocage-strukturer, för att kapsla in små nanokatalysatorpartiklar. De inkapslade katalysatorerna sattes till den primära avkännande nanofibern, som är gjord av en halvledarmetalloxid.

Teamet använde en metod som kallas "elektrospinning", i vilken en lösning som innehåller katalysatornanopartiklar, metallsalter och matrispolymer injiceras på en yta under elektriska högspänningsfält för att göra endimensionella nanofibrer. Sedan, en högtemperaturprocess resulterar i konsekventa nanofibrer med stora ytor och porer, och katalysatorer jämnt fördelade längs nanofibrerna av halvledarmetalloxid.

Sensorer som innehöll de katalysatorbelastade nanofibrerna av metalloxid var mycket känsliga, upptäcka biomarkörer med en koncentration av en miljondel i ett utandningsande inom tio till 50 sekunder. Forskarna tillskriver denna ökade känslighet den ökade ytan som är tillgänglig för reaktioner mellan målmolekylen och sensorn. Sensorerna var också mycket selektiva. Nanofibrerna reagerade främst med målbiomarkören tack vare att legeringskatalysatorerna innehöll två typer av metaller snarare än bara en typ. Dessa katalysatorer med unika metallkombinationer kan hjälpa till att etablera "avkänningsbibliotek" för olika biomarkörer.

Teamet skapade en mobil sensorplattform som kan analysera utandningsmolekyler som samlats i en gasprovtagningspåse och sedan skicka resultaten till en smartphone. Några problem kvarstår innan andningsbaserade diagnosplattformar kan distribueras fullt ut, som att skilja mellan två sjukdomar som delar en biomarkör.

Resultaten av denna studie valdes ut som omslagsartikeln i julinumret 2017 av Redovisningar för kemisk forskning och septembernumret 2017 av Avancerade material .