Ученые преодолели основное препятствие на пути развития метода дыхательного анализа, позволяющего быстро диагностировать пациентов путем выявления химических веществ, так называемых биомаркеров, в дыхании человека в режиме реального времени.

Исследователи показали, что их метод позволяет мгновенно обнаруживать биомаркеры в диапазоне от частей на миллиард к частям на миллион, что по меньшей мере в 100 раз превышает показатели предыдущих методик дыхательного анализа, сказал Карлос Мартинез (Carlos Martinez) – доцент технологии материалов Университета Пэрдью (США).

«Ученые работают в этой области уже около 30 лет, но еще не могут выявлять достаточно низкие концентрации в реальном времени, – сказал он. – Мы решили эту проблему, разработав новый материал, теперь мы хотим сосредоточиться на том, чтобы выявлять строго определенные биомаркеры».

Суть метода в том, что, по мере того, как газ проходит сквозь сенсоры, расположенные на верхней части «микроплиток» (крошечных нагревателей с интегральной схемой, отслеживаются изменения в электрическом сопротивлении или проводимости. Обнаружение биомаркеров фиксируется в карте пациента, отражающей возможное присутствие рака или других болезней.

«Мы говорим о создании недорогого и быстрого способа сбора диагностической информации о пациенте, – сказал Мартинез. – Существует определенный процент того, что в процессе обмена веществ вы вырабатываете специфическое вещество, свидетельствующее о конкретном виде рака. После его выявления можно проводить дополнительные, более сложные тесты, чтобы подтвердить диагноз».

Исследователи использовали технологию выявления ацетона – биомаркера диабета с чувствительностью уровня частей на миллиард в газе, имитирующем человеческое дыхание.

Они взяли шаблон, сделанный из микроразмерных полимерных частиц, и покрыли их более мелкими наночастицами оксида металла. Использование микрочастиц с покрытием из наночастиц вместо плоской поверхности позволило исследователям увеличить пористость сенсорных пленок, что, в свою очередь, увеличило площадь поверхности динамического восприятия, улучшив чувствительность.

Вкрапления полимерных микрочастиц с нанопокрытием были сделаны на каждой микроплитке площадью примерно 100 микрон, которая содержит электроды, по форме напоминающие переплетенные пальцы. Капля высыхает, потом электроды нагреваются, сжигают полимер и оставляют отверстие в пленке оксида металла, образуя сенсор.

«Материал очень пористый и очень чувствительный, – сказал Мартинез. – Симулируя дыхание в устройстве, мы продемонстрировали, что оно может работать в режиме реального времени».

Газы, проходящие через устройство, преодолевают пленку и меняют ее электрические свойства в зависимости от определенных биомаркеров, содержащихся в газе.

По мнению Мартинеза, подобные анализаторы появятся, вероятно, не ранее чем через десять и более лет, потому что еще не разработаны точные стандарты для производства устройств, основанных на таком подходе.

«Однако тот факт, что мы смогли сделать это в реальном времени – уже большой шаг в правильном направлении», – резюмировал он.

Детали работы можно найти в статье, появившейся в начале этого года в журнале IEEE Sensors Journal, издателем которого является Совет по измерительной аппаратуре Института инженеров по электротехнике и электронике Совета (IEEE Sensors Council). Авторами статьи выступили Карлос Мартинез и Стив Семанчик (Steve Semancik) из Национального института стандартов и технологий (NIST), ведущий автор Курт Д.Бенкштейн (Kurt D. Benkstein), Баранидаран Раман (Baranidharan Raman) и Кристофер Б.Монтгомери (Christopher B. Montgomery).