Onderzoekers hebben een fundamenteel obstakel overwonnen bij het ontwikkelen van ademanalysetechnologie om patiënten snel te diagnosticeren door in realtime chemische verbindingen genaamd "biomarkers" in de ademhaling van een persoon te detecteren.

De onderzoekers toonden aan dat hun aanpak in staat is om snel biomarkers te detecteren in het bereik van delen per miljard tot delen per miljoen, minstens 100 keer beter dan eerdere ademanalysetechnologieën, zei Carlos Martínez, een assistent-professor materiaalkunde aan Purdue die samenwerkt met onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology.

"Mensen werken al zo'n 30 jaar in dit gebied, maar zijn niet in staat geweest om in realtime laag genoeg concentraties te detecteren, " zei hij. "We hebben dat probleem opgelost met de materialen die we ontwikkelden, en we concentreren ons nu op hoe we heel specifiek kunnen zijn, hoe bepaalde biomarkers te onderscheiden."

De technologie werkt door veranderingen in elektrische weerstand of geleiding te detecteren wanneer gassen over sensoren gaan die bovenop "microkookplaten, " kleine verwarmingsapparaten op elektronische chips. Detectie van biomarkers levert een record op van het gezondheidsprofiel van een patiënt, wijst op de mogelijke aanwezigheid van kanker en andere ziekten.

"We hebben het over het creëren van een goedkope, snelle manier om diagnostische informatie over een patiënt te verzamelen, "Zei Martinez. "Het zou kunnen zeggen, 'er is een bepaald percentage dat u een specifieke verbinding metaboliseert die indicatief is voor dit type kanker, ' en dan nog, meer complexe tests kunnen worden uitgevoerd om de diagnose te bevestigen."

De onderzoekers gebruikten de technologie om aceton te detecteren, een biomarker voor diabetes, met een gevoeligheid in het bereik van deeltjes per miljard in een gas dat de adem van een persoon nabootst.

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die eerder dit jaar verscheen in de IEEE Sensors Journal , gepubliceerd door de IEEE Sensors Council van het Institute of Electrical and Electronics Engineers. Het artikel was co-auteur van Martinez en NIST-onderzoekers Steve Semancik, hoofdauteur Kurt D. Benkstein, Baranidharan Raman en Christopher B. Montgomery.

De onderzoekers gebruikten een sjabloon gemaakt van polymeerdeeltjes ter grootte van een micron en bedekten ze met veel kleinere metaaloxide-nanodeeltjes. Door met nanodeeltjes gecoate microdeeltjes in plaats van een plat oppervlak te gebruiken, kunnen onderzoekers de porositeit van de sensorfilms vergroten, het "actieve detectieoppervlak" vergroten om de gevoeligheid te verbeteren.

Een druppel van de met nanodeeltjes gecoate polymeermicrodeeltjes werd op elke microwarmplaat afgezet, die ongeveer 100 micron in het vierkant zijn en elektroden bevatten in de vorm van in elkaar grijpende vingers. De druppel droogt en vervolgens worden de elektroden opgewarmd, het polymeer afbranden en een poreuze metaaloxidefilm achterlaten, het maken van een sensor.

"Het is erg poreus en erg gevoelig, Martinez zei. "We hebben laten zien dat dit in realtime kan werken, met behulp van een gesimuleerde ademhaling in het apparaat."

Gassen die over het apparaat gaan, doordringen de film en veranderen de elektrische eigenschappen ervan afhankelijk van de specifieke biomarkers in het gas.

Dergelijke breathalyzers zijn waarschijnlijk een decennium of langer verwijderd van worden gerealiseerd, deels omdat er nog geen nauwkeurige normen zijn ontwikkeld om apparaten op basis van de aanpak te vervaardigen, zei Martínez.

"Echter, het feit dat we dit in realtime hebben kunnen doen, is een grote stap in de goede richting, " hij zei.