De technologische innovatie van vandaag stelt smartphonegebruikers in staat om ernstige ziekten zoals diabetes of longkanker snel en effectief te diagnosticeren door simpelweg in een kleine gadget te ademen, een nanovezel-ademhalingssensor, op de telefoons gemonteerd.

Il Doo Kim, Associate Professor of Materials Science and Engineering Department aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), en zijn onderzoeksteam hebben onlangs een voorblad gepubliceerd met de titel "Thin-Wall Assembled SnO2 Fibers Functionalized by Catalytic Pt Nanoparticles and their Superior Exhaled Breath-Sensing Properties for the Diagnosis of Diabetes, " in een wetenschappelijk tijdschrift, Geavanceerde functionele materialen (uitgave van 20 mei), over de ontwikkeling van een zeer gevoelige uitgeademde ademsensor met behulp van hiërarchische SnO ₂ vezels die zijn samengesteld uit gerimpeld dun SnO ₂ nanobuisjes.

In de krant, het onderzoeksteam presenteerde een morfologische evolutie van SnO2-vezels, microfasescheidingen genoemd, die plaatsvindt tussen polymeren en andere opgeloste opgeloste stoffen bij het variëren van de stroomsnelheid van een elektrospinoplossingtoevoer en het daarna toepassen van een daaropvolgende warmtebehandeling.

De morfologische verandering resulteert in nanovezels die de vorm hebben van een open cilinder waarin dunne-film SnO2-nanobuisjes zijn gelaagd en vervolgens opgerold. Een aantal langwerpige poriën met een lengte van 10 nanometer (nm) tot 500 nm in lengte langs de vezelrichting werden gevormd op het oppervlak van de SnO2-vezels, waardoor uitgeademde gasmoleculen gemakkelijk de vezels kunnen doordringen. De binnen- en buitenwand van SnO2-buizen is gelijkmatig bedekt met katalytische platina (Pt) nanodeeltjes. Volgens het onderzoeksteam zeer poreuze SnO2-vezels, gesynthetiseerd door eletrospinning met een hoge stroomsnelheid, vertoonden vijf keer hogere acetonreacties dan die van de dichte SnO2-nanovezels die werden gecreëerd bij een lage stroomsnelheid. De katalytische Pt-coating verkortte ook de gasresponstijd van de vezels aanzienlijk.

De ademanalyse voor diabetes is grotendeels gebaseerd op een aceton-ademtest, omdat aceton een van de specifieke vluchtige organische stoffen (VOS) is die in het menselijk lichaam worden geproduceerd om het begin van bepaalde ziekten te signaleren. Met andere woorden, het zijn biomarkers om bepaalde ziekten te voorspellen, zoals aceton voor diabetes, tolueen voor longkanker, en ammoniak voor nierfalen. Ademanalyse voor medische evaluatie heeft veel aandacht getrokken omdat het minder ingrijpend is dan conventioneel medisch onderzoek, maar ook snel en handig, en milieuvriendelijk, waardoor er bijna geen biologisch gevaarlijk afval achterblijft.

Er zijn verschillende gasdetectietechnieken toegepast om VOS te analyseren, waaronder gaschromatografie-massaspectroscopie (GC-MS), maar deze technieken zijn moeilijk te integreren in draagbare realtime gassensoren omdat de testapparatuur omvangrijk en duur is, en hun werking is complexer. Chemisch resistieve gassensoren op basis van metaaloxide, echter, bieden meer bruikbaarheid voor draagbare realtime ademsensoren.

Il-Doo Kim zei:"Met katalysator geladen metaaloxide-nanovezels gesynthetiseerd door elektrospinning hebben een groot potentieel voor toekomstige toepassingen van uitgeademde ademsensoren. Uit ons onderzoek blijkt dat we verkregen de resultaten dat Pt-gecoate SnO ₂ vezels zijn in staat om snel en nauwkeurig aceton of tolueen te identificeren, zelfs bij een zeer lage concentratie van minder dan 100 delen per miljard (ppb)."

Het uitgeademde acetonniveau van diabetespatiënten overschrijdt 1,8 delen per miljoen (ppm), which is two to six-fold higher than that (0.3-0.9 ppm) of healthy people. Daarom, a highly sensitive detection that responds to acetone below 1 ppm, in the presence of other exhaled gases as well as under the humid environment of human breath, is important for an accurate diagnosis of diabetes. In aanvulling, Professor Kim said, "a trace concentration of toluene (30 ppb) in exhaled breath is regarded to be a distinctive early symptom of lung cancer, which we were able to detect with our prototype breath tester."

The research team has now been developing an array of breathing sensors using various catalysts and a number of semiconducting metal oxide fibers, which will offer patients a real-time easy diagnosis of diseases.