Adempatroonherkenning is een futuristisch diagnostisch platform. Het eenvoudig karakteriseren van doelgasconcentraties van de uitgeademde adem van de mens zal leiden tot de diagnose van zowel de ziekte als de fysieke conditie.

Een onderzoeksgroep onder Prof. Il-Doo Kim van de afdeling Materiaalkunde van KAIST heeft diagnostische sensoren ontwikkeld met behulp van in eiwit ingekapselde nanokatalysatoren, die bepaalde ziekten kan diagnosticeren door de menselijke uitgeademde adem te analyseren. Deze technologie maakt vroege monitoring van verschillende ziekten mogelijk door middel van patroonherkenning van biomarkergassen die verband houden met ziekten bij de uitademing van de mens.

De syntheseroute voor katalysatoren met eiwit als matrijs is zeer eenvoudig en veelzijdig voor het produceren van niet alleen een enkele component van katalytische nanodeeltjes, maar ook diverse heterogene intermetallische katalysatoren met afmetingen kleiner dan 3 nm. Het onderzoeksteam heeft steeds gevoeligere en selectievere chemieresistente sensoren ontwikkeld die mogelijk specifieke ziekten kunnen diagnosticeren door uitgeademde ademgassen te analyseren.

De resultaten van deze studie, die werden bijgedragen door Dr. Sang-Joon Kim en Dr. Seon-Jin Choi als eerste auteurs werden geselecteerd als het omslagartikel in het julinummer van Rekeningen van chemisch onderzoek , een internationaal tijdschrift van de American Chemical Society.

In menselijke adem, diverse componenten worden gevonden, waaronder waterdamp, waterstof, aceton, tolueen, ammoniak, waterstofsulfide, en koolmonoxide, die meer overmatig worden uitgeademd door patiënten. Sommige van deze componenten zijn nauw verwant aan ziekten zoals astma, longkanker, type 1 diabetes mellitus, en halitose.

Ademanalyse voor ziektediagnose begon met het vastleggen van uitgeademde adem in een Tedlar-zak en vervolgens werden de opgevangen ademgassen geïnjecteerd in een geminiaturiseerd sensorsysteem, vergelijkbaar met een alcoholdetector. Het is mogelijk om de uitgeademde adem zeer snel te analyseren met een eenvoudig analyseproces. De ademanalyse kan sporenveranderingen in uitgeademde ademcomponenten detecteren, die bijdragen aan een vroege diagnose van ziekten.

Echter, technologische vooruitgang is nodig om gassen in de adem nauwkeurig te analyseren, die op zeer lage niveaus voorkomen, van 1 ppb tot 1 ppm. Vooral, het was een cruciale uitdaging voor chemische sensoren van het chemiresieve type om selectief specifieke biomarkers te detecteren in duizenden storende gassen, waaronder vochtige damp.

conventioneel, edele metallische katalysatoren zoals platina en palladium zijn gefunctionaliseerd op metaaloxide-detectielagen. Echter, de gasgevoeligheid was niet voldoende om ppb-niveaus van biomarkersoorten in uitgeademde adem te detecteren.

Om de huidige beperkingen te overwinnen, het onderzoeksteam gebruikte eiwit op nanoschaal (apoferritine) bij dieren als offersjablonen. De eiwitsjablonen hebben holle nanokooien op de kernlocatie en verschillende katalytische nanodeeltjes van legeringen kunnen worden ingekapseld in de eiwitnanokooien.

De eiwit nanokooien zijn voordelig omdat een bijna onbeperkt aantal materiaalsamenstellingen in het periodiek systeem kan worden samengesteld voor de synthese van heterogene katalytische nanodeeltjes. In aanvulling, intermetallische nanokatalysatoren met een gecontroleerde atomaire verhouding van twee verschillende elementen kunnen worden bereikt met behulp van de eiwitnanokooien, dat is een innovatieve strategie voor het vinden van nieuwe soorten katalysatoren. Bijvoorbeeld, zeer efficiënte op platina gebaseerde katalysatoren kunnen worden gesynthetiseerd, zoals platina-palladium (PtPd), platina-nikkel (PtNi), platina-ruthenium (PtRu), en platina-yttrium (PtY).

Het onderzoeksteam ontwikkelde uitstekende detectielagen bestaande uit metaaloxide-nanovezels gefunctionaliseerd door de heterogene katalysatoren met grote en zeer poreuze oppervlakken, die speciaal zijn geoptimaliseerd voor selectieve detectie van specifieke biomarkers. De detectieprestaties van biomarkers waren ongeveer 3 tot 4 keer verbeterd in vergelijking met de conventionele enkele component van met platina en palladiumkatalysatoren beladen nanovezelsensoren. Vooral, 100-voudige weerstandsovergangen naar aceton (1 ppm) en waterstofsulfide (1 ppm) werden waargenomen in uitgeademde ademsensoren met behulp van de heterogene nanokatalysatoren, wat de beste prestatie is die ooit in de literatuur is vermeld.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een ziektediagnoseplatform dat individuele ademhalingspatronen herkent door gebruik te maken van een multisensorarraysysteem met diverse detectielagen en heterogene katalysatoren, zodat de mensen gezondheidsafwijkingen gemakkelijk kunnen identificeren. Met behulp van een array-systeem met 16 sensoren, fysieke omstandigheden kunnen continu worden gecontroleerd door concentratieveranderingen van biomarkers in uitgeademde ademgassen te analyseren.

Prof. Kim zei, "Nieuwe soorten heterogene nanokatalysatoren werden gesynthetiseerd met behulp van eiwitsjablonen met een grootte van ongeveer 2 nm en gefunctionaliseerd op verschillende metaaloxide-nanovezel-detectielagen. De gevestigde detectiebibliotheken kunnen biomarkersoorten detecteren met een hoge gevoeligheid en selectiviteit." Hij voegde toe, "het nieuwe en innovatieve ademgasanalyseplatform zal zeer nuttig zijn voor het verminderen van medische uitgaven en continue monitoring van fysieke omstandigheden"

Octrooien met betrekking tot deze technologie werden in maart en juni van dit jaar in licentie gegeven aan twee bedrijven.