JILAs verbesserter Kamm-Atemanalysator detektiert 4 Biomarker mit 1000-facher Sensitivität

JILA-Wissenschaftler haben die Empfindlichkeit ihres seit einem Jahrzehnt bestehenden Frequenzkamm-Atemanalysators tausendfach gesteigert, was es ermöglicht, zusätzliche Krankheits-Biomarker – jetzt vier – zu detektieren, mit dem Potenzial für sechs weitere. Wenn validiert und in ein tragbares Design integriert, könnte das Kammsystem Echtzeit-, nicht-invasive Analyse von menschlichem Atem zur Erkennung und Überwachung von Krankheiten bieten. JILA wird gemeinsam vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder betrieben.

Das JILA-System „fingerprintet“ Chemikalien, indem es die Farben und Mengen des absorbierten Lichts misst, während ein Laser-Frequenzkamm hin und her durch Atemproben in einem gespiegelten Glasrohr läuft. Jüngste Upgrades umfassen eine Verschiebung des analysierten Lichtspektrums vom Nahinfrarot in das Mittelinfrarotband, wo mehr Moleküle Licht absorbieren, und Fortschritte bei optischen Beschichtungen und mehreren anderen Technologien, um Detektionsempfindlichkeit bis in den Parts-per-Trillion-Bereich zu erreichen.

Wie in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschrieben, detektierten und überwachten NIST/JILA-Fellows Jun Ye und David Nesbitt vier Biomarker – Methanol (CH₃OH), Methan (CH₄), Wasser (H₂O) 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, es sei machbar, mit demselben Apparat sechs weitere Chemikalien zu detektieren: Formaldehyd, Ethan, Carbonylsulfid, Ethylen, Kohlenstoffdisulfid und Ammoniak. Zusätzlich sollte die Erweiterung der Kamm-Laser weiter in den Infrarotbereich die Detektionsfähigkeit stark erweitern und die Identifizierung vieler hunderter Spurenatemchemikalien ermöglichen.

JILA-Forscher demonstrierten 2008 einen Prototyp-Kamm-Atemanalysator, entwickelten ihn aber zu diesem Zeitpunkt nicht weiter. Sie haben sich nun wieder darauf fokussiert, angeregt durch die Möglichkeit, eventualmente auf COVID-19 zu testen. „Wir sind wirklich ziemlich optimistisch und engagiert, diese Technologie zu echten medizinischen Anwendungen voranzutreiben“, sagte Ye.

Die am weitesten verbreitete Analysetechnik in der Atemforschung ist Gaschromatographie kombiniert mit Massenspektrometrie, die hunderte ausgeatmeter Moleküle detektieren kann, aber langsam arbeitet und Zehner von Minuten benötigt. Die meisten optischen Atemtests, die von der US Food and Drug Administration zugelassen sind, detektieren nur eine Chemikalie.

Atemanalyse ist die führende medizinische Anwendung für Frequenzkämme. Kämme bieten eine Kombination aus breiter spektraler Abdeckung, hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit, potenziell detektieren sie dutzende Chemikalien gleichzeitig. Unter anderen Vorteilen würde das Kammsystem keine chemischen Reagenzien und komplexen Laboreinrichtungen benötigen.

Ye und Nesbitt arbeiten nun mit anderen NIST-Forschern daran, eine kompakte Version des Atemanalysators zu konstruieren. Das Rohr ist nur 55 Zentimeter (21,7 Zoll) lang, aber der Laserkamm ist maßgefertigt und etwas sperrig.