Forskare vid Bath har introducerat en banbrytande kolbaserad sensor för att upptäcka mjölksyranivåer i saliv – vilket undviker behovet av en elektrisk kraftkälla.
Forskarna, i samarbete med industriell partner, Integrated Graphene, har skapat en ny typ av kemosensor (demonstrerad för mjölksyraavkänning) som fungerar med elektricitet men utan behov av referenselektroder eller batterikraft. Den nya designen erbjuder potentiellt lägre kostnad, bättre hållbarhet och enkel miniatyrisering jämfört med enzymbaserade sensorer.
Sensorn visade sig kunna upptäcka mjölksyra, en biprodukt som genereras av kroppen när den metaboliserar kolhydrater eller glukos som bränsle, till exempel under träning. Höga nivåer av mjölksyra är kopplade till högre risker att falla medvetslös eller in i koma och större organsvikt.
Detta öppnar för möjligheten för en lättanvänd sensor som kan användas på avlägsna platser, till exempel en friidrottsbana, utan behov av eldriven avkänningsutrustning.
För närvarande mäts mjölksyra ofta med ett enzymtest, som har en begränsad hållbarhet och kräver batteridriven avkänningsutrustning. Den nya typen av kemosensor, detaljerad i en artikel publicerad i ACS Sensors , mäter istället mjölksyra med en kemisk metod med en elektrodyta av grafenskum.
Omnämnt som "Graphene Foam" i tidningen, Gii-Sens, tekniken som ligger till grund för kemosensorn, är en elektrod som produceras av Integrated Graphene. Gii-Sens innehåller Gii, en ren, porös 3D-kolnanostruktur som ger låg kostnad och undviker användningen av ohållbara ädelmetaller som guld.
När laktat binder till sensorn, orsakar det en förändring i den elektriska signalen – eller kvantkapacitansen – hos kolskummet. Skummet upptäcker därför låga nivåer av mjölksyra utan att förbruka den genom att mäta förändringar i den elektriska laddningen av Gii, vilket möjliggör övervakning av förändringar i nivåer. Eftersom det är en kemikalie snarare än en enzymbaserad sensor, har den en potentiellt lägre kostnad, bättre hållbarhet och enkel miniatyrisering.
Professor Frank Marken, huvudförfattare till studien vid University of Bath, sa:"Precis som ditt kontaktlösa kreditkort inte behöver en extern strömkälla för att fungera eftersom närheten till kortläsaren är tillräckligt för att driva det - i en liknande sätt kan den här sensorn skapa en liten, mätbar elektrisk ström när laktat binder till den."
"Den här sensorn, med hjälp av Gii-Sens-teknik, adresserar några av de huvudsakliga begränsningarna med icke-trådlösa nuvarande mjölksyraenzymtester," sa professor Marken, "Den kommer att möjliggöra en enklare manövrerad sensor - vilket öppnar upp möjligheten för mer regelbundna, mindre invasiv och mer tillförlitlig spårning av mjölksyra, även under idrottares prestation."
Mjölksyratester har ett antal viktiga tillämpningar. Inom professionell idrott testas mjölksyra för att bedöma idrottarens svar på olika intensiteter och träningsregimer. Genom att trådlöst spåra och därefter förbättra kroppens förmåga att transportera och använda laktat, strävar idrottare efter att förbättra sin uthållighet och återhämtning.
Det används också inom medicinsk vård för att spåra hjärtsjukdomar som hjärtinfarkter, förmaksflimmer och åderförkalkning. Detta är användbart eftersom förhöjda mjölksyranivåer kan minska hjärtats och blodkärlens förmåga att dra ihop sig, vilket påverkar hemodynamiken för regelbunden funktion.
Jean-Christophe Granier, verkställande direktör för Integrated Graphene, kommenterade, "Denna utveckling är ytterligare ett tydligt användningsfall av att Gii-Sens integreras i avkänningsprodukter och erbjuder mångsidig tillämpning.
"Forskarens testresultat med hjälp av vår Gii-Sens-elektrod öppnar upp möjligheten till mer tillgänglig och pålitlig hälsoövervakning i avlägsna miljöer och vi ser fram emot att sätta vår mycket känsliga Gii-Sens-elektrod i hjärtat av mer banbrytande innovationer inom vården. diagnostikmarknaden."
Mer information: Simon M. Wikeley et al, Pyrentillförda borsyror på grafenskumelektroder tillhandahåller kvantkapacitansbaserade molekylära sensorer för laktat, ACS-sensorer (2024). DOI:10.1021/acssensors.4c00027
Journalinformation: ACS-sensorer
Tillhandahålls av University of Bath
