Forskare har övervunnit ett grundläggande hinder för att utveckla andningsanalysteknik för att snabbt diagnostisera patienter genom att upptäcka kemiska föreningar som kallas "biomarkörer" i en persons andning i realtid.

Forskarna visade att deras tillvägagångssätt är kapabelt att snabbt detektera biomarkörer i delar per miljard till miljondelar, minst 100 gånger bättre än tidigare teknik för utandningsanalys, sa Carlos Martinez, en biträdande professor i materialteknik vid Purdue som arbetar med forskare vid National Institute of Standards and Technology.

"Människor har arbetat i det här området i cirka 30 år men har inte kunnat upptäcka tillräckligt låga koncentrationer i realtid, " sa han. "Vi löste det problemet med materialen vi utvecklade, och vi fokuserar nu på hur vi ska vara mycket specifika, hur man särskiljer specifika biomarkörer."

Tekniken fungerar genom att detektera förändringar i elektriskt motstånd eller konduktans när gaser passerar över sensorer som är byggda ovanpå "mikrovärmeplattor, " små uppvärmningsanordningar på elektroniska chips. Detektering av biomarkörer ger en registrering av en patients hälsoprofil, indikerar eventuell förekomst av cancer och andra sjukdomar.

"Vi pratar om att skapa en billig, snabbt sätt att samla in diagnostisk information om en patient, " sa Martinez. "Det kan sägas, "det finns en viss procentandel av att du metaboliserar en specifik förening som tyder på denna typ av cancer, ' och sedan ytterligare, mer komplexa tester skulle kunna utföras för att bekräfta diagnosen."

Forskarna använde tekniken för att detektera aceton, en biomarkör för diabetes, med en känslighet inom delar per miljard i en gas som efterliknar en persons andetag.

Resultaten var detaljerade i en forskningsartikel som dök upp tidigare i år i IEEE Sensors Journal , publicerad av Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Sensors Council. Uppsatsen var medförfattare av Martinez och NIST-forskarna Steve Semancik, huvudförfattare Kurt D. Benkstein, Baranidharan Raman och Christopher B. Montgomery.

Forskarna använde en mall gjord av polymerpartiklar i mikronstorlek och belade dem med mycket mindre metalloxidnanopartiklar. Genom att använda nanopartikelbelagda mikropartiklar istället för en plan yta kan forskare öka porositeten hos sensorfilmerna, öka den "aktiva avkänningsytan" för att förbättra känsligheten.

En droppe av de nanopartikelbelagda polymermikropartiklarna avsattes på varje mikrovärmeplatta, som är cirka 100 mikrometer i kvadrat och innehåller elektroder formade som ingripande fingrar. Droppen torkar och sedan värms elektroderna upp, bränna bort polymeren och lämna en porös metalloxidfilm, skapa en sensor.

"Det är väldigt poröst och väldigt känsligt, " sa Martinez. "Vi visade att det här kan fungera i realtid, med hjälp av ett simulerat andetag in i enheten."

Gaser som passerar över enheten tränger igenom filmen och ändrar dess elektriska egenskaper beroende på de speciella biomarkörer som finns i gasen.

Sådana alkomätare är sannolikt ett decennium eller längre bort från att förverkligas, delvis för att exakta standarder ännu inte har utvecklats för att tillverka enheter baserade på metoden, sa Martinez.

"Dock, det faktum att vi kunde göra detta i realtid är ett stort steg i rätt riktning, " han sa.