Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hebben nanosensoren ontwikkeld die snel de componenten van de uitgeademde adem analyseren om sporenmoleculen te detecteren die verband houden met bepaalde ziekten. Hun prestaties en nauwkeurigheid werden verbeterd door in eiwit ingekapselde nanokatalysatoren te ontwerpen.

"Dit nieuwe ademgasanalyseplatform zal zeer nuttig zijn voor het verminderen van medische uitgaven en de continue monitoring van fysieke omstandigheden, ", zegt Il-Doo Kim van KAIST's Department of Materials Science and Engineering.

Diverse componenten zijn te vinden in de menselijke adem, inclusief waterdamp, waterstof, aceton, tolueen, ammoniak, waterstofsulfide en koolmonoxide. Sommige van deze componenten houden nauw verband met aandoeningen zoals astma, longkanker, type I diabetes en chronische slechte adem.

Het was een uitdaging om ademsensoren te ontwerpen die alleen op specifieke biomarkers reageren, omdat er duizenden gassen in de uitgeademde adem zitten die de resultaten kunnen verstoren. Verder, hetzelfde onderdeel kan aan meerdere voorwaarden worden gekoppeld.

De onderzoekers ontwikkelden een nieuw detectieplatform om de sensorgevoeligheid en selectiviteit te verbeteren. Ze gebruikten apoferritines, dat zijn eiwitten met holle nanokooistructuren, om kleine nanokatalysatordeeltjes in te kapselen. De ingekapselde katalysatoren werden toegevoegd aan de primaire sensing nanovezel, die is gemaakt van een halfgeleider metaaloxide.

Het team gebruikte een methode genaamd 'electrospinning', waarin een oplossing die de katalysator nanodeeltjes bevat, metaalzouten en matrixpolymeer worden onder elektrische hoogspanningsvelden op een oppervlak geïnjecteerd om eendimensionale nanovezels te maken. Vervolgens, een proces bij hoge temperatuur resulteert in consistente nanovezels met grote oppervlakken en poriën, en katalysatoren gelijkmatig verdeeld over de halfgeleider metaaloxide nanovezels.

Sensoren die de met katalysator beladen metaaloxide-nanovezels bevatten, waren erg gevoelig, het detecteren van biomarkers met een concentratie van één deel per miljoen in een uitgeademde adem binnen tien tot 50 seconden. De onderzoekers schrijven deze verhoogde gevoeligheid toe aan het grotere oppervlak dat beschikbaar is voor reacties tussen het doelmolecuul en de sensor. De sensoren waren ook zeer selectief. De nanovezels reageerden voornamelijk met de doelbiomarker dankzij de legeringskatalysatoren die twee soorten metalen bevatten in plaats van slechts één type. Deze katalysatoren met unieke metaalcombinaties kunnen helpen bij het opzetten van 'sensing libraries' voor verschillende biomarkers.

Het team creëerde een mobiel sensorplatform dat uitgeademde ademmoleculen kan analyseren die zijn verzameld in een gasmonsterzak en de resultaten vervolgens naar een smartphone kan sturen. Er zijn nog enkele problemen voordat op adem gebaseerde diagnoseplatforms volledig kunnen worden ingezet, zoals onderscheid maken tussen twee aandoeningen die een biomarker delen.

De resultaten van dit onderzoek werden geselecteerd als het hoofdartikel op de voorpagina van het juli 2017 nummer van: Rekeningen van chemisch onderzoek en het septembernummer van 2017 Geavanceerde materialen .