Comb Breathalyzer – Tausendmal empfindlicher für Krankheits-Biomarker

JILA-Wissenschaftler haben die Empfindlichkeit ihres jahrzehntealten Frequenzkamm-Alkoholtesters um das Tausendfache gesteigert, sodass er zusätzliche Krankheits-Biomarker – jetzt vier – mit dem Potenzial für sechs weitere erkennen kann. Wenn das Kammsystem validiert und zu einem tragbaren Design entwickelt wurde, könnte es eine nichtinvasive Echtzeitanalyse des menschlichen Atems bieten, um Krankheiten zu erkennen und zu überwachen. JILA wird gemeinsam vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder betrieben.

Das JILA-System „Fingerabdrücke“ von Chemikalien, indem es die Farben und Lichtmengen misst, die absorbiert werden, wenn ein Laserfrequenzkamm durch Atemproben, die in ein verspiegeltes Glasröhrchen geladen werden, hin und her geht. Zu den jüngsten Upgrades gehören eine Verschiebung des analysierten Lichtspektrums vom Nahinfrarot- zum Mittelinfrarotband, wo mehr Moleküle Licht absorbieren, und Fortschritte bei optischen Beschichtungen und mehreren anderen Technologien, um eine Nachweisempfindlichkeit bis zum Bereich von Teilen pro Billion zu erreichen .

Wie in Proceedings of the National Academy of Sciences, beschrieben Die NIST/JILA Fellows Jun Ye und David Nesbitt entdeckten und überwachten vier Biomarker – Methanol (CH₃ OH), Methan (CH₄ ), Wasser (H₂ O) und eine Form von schwerem Wasser (HDO) – im Atem eines Freiwilligen. Dies sind Indikatoren für Gesundheitszustände, wie im Fall von Methan Darmprobleme.

Die Forscher sagen, dass es möglich ist, denselben Apparat zu verwenden, um sechs weitere Chemikalien nachzuweisen:Formaldehyd, Ethan, Carbonylsulfid, Ethylen, Schwefelkohlenstoff und Ammoniak. Darüber hinaus sollte die Ausdehnung der Kammlaser weiter in den Infrarotbereich die Erkennungsfähigkeit erheblich erweitern und die Identifizierung von vielen hundert Spuren von Atemchemikalien ermöglichen.

JILA-Forscher demonstrierten 2008 einen Prototyp eines Kamm-Alkoholtesters, entwickelten ihn aber zu diesem Zeitpunkt nicht weiter. Sie haben sich jetzt wieder darauf konzentriert, veranlasst durch die Möglichkeit, schließlich auf COVID-19 getestet zu werden. „Wir sind wirklich ziemlich optimistisch und entschlossen, diese Technologie in echte medizinische Anwendungen zu bringen“, sagte Ye.

Die am weitesten verbreitete Analysetechnik in der Atemforschung ist die Gaschromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie, die Hunderte von ausgeatmeten Molekülen nachweisen kann, aber langsam arbeitet und mehrere zehn Minuten benötigt. Die meisten von der U.S. Food and Drug Administration zugelassenen optischen Atemtests weisen nur eine Chemikalie nach.

Die Atemanalyse ist die führende medizinische Anwendung für Frequenzkämme. Kämme bieten eine Kombination aus breiter spektraler Abdeckung, hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit und können möglicherweise Dutzende von Chemikalien gleichzeitig erkennen. Neben anderen Vorteilen würde das Kammsystem keine chemischen Reagenzien und komplexe Laboreinrichtungen erfordern.

Ye und Nesbitt arbeiten jetzt mit anderen NIST-Forschern zusammen, um eine kompakte Version des Alkoholtesters zu entwickeln. Die Röhre ist nur 55 Zentimeter (21,7 Zoll) lang, aber der Laserkamm ist eine Sonderanfertigung und etwas sperrig.