I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hanno sviluppato nanosensori che analizzano rapidamente i componenti del respiro esalato per rilevare tracce di molecole associate a determinate malattie. Le loro prestazioni e precisione sono state migliorate progettando nanocatalizzatori incapsulati con proteine.

"Questa nuova piattaforma di analisi dei gas respiratori sarà molto utile per ridurre le spese mediche e il monitoraggio continuo delle condizioni fisiche, " dice Il-Doo Kim del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di KAIST.

Diversi componenti possono essere trovati nel respiro umano, compreso il vapore acqueo, idrogeno, acetone, toluene, ammoniaca, acido solfidrico e monossido di carbonio. Alcuni di questi componenti sono strettamente correlati a condizioni come l'asma, cancro ai polmoni, diabete di tipo I e alitosi cronica.

È stato difficile progettare sensori del respiro che reagiscono solo a specifici biomarcatori perché ci sono migliaia di gas nel respiro espirato che possono interferire con i risultati. Per di più, lo stesso componente può essere legato a più condizioni.

I ricercatori hanno sviluppato una nuova piattaforma di rilevamento per migliorare la sensibilità e la selettività del sensore. Hanno usato apoferritine, che sono proteine ​​con strutture a nanogabbia cava, per incapsulare minuscole particelle di nanocatalizzatore. I catalizzatori incapsulati sono stati aggiunti alla nanofibra di rilevamento primaria, che è fatto di un ossido di metallo semiconduttore.

Il team ha utilizzato un metodo chiamato "elettrofilatura", in cui una soluzione contenente le nanoparticelle del catalizzatore, sali metallici e polimeri a matrice vengono iniettati su una superficie sotto campi elettrici ad alta tensione per realizzare nanofibre unidimensionali. Quindi, un processo ad alta temperatura si traduce in nanofibre coerenti con ampie aree superficiali e pori, e catalizzatori distribuiti uniformemente lungo le nanofibre di ossido di metallo semiconduttore.

I sensori contenenti le nanofibre di ossido di metallo caricate con catalizzatore erano molto sensibili, rilevamento di biomarcatori con una concentrazione di una parte per milione in un respiro espirato entro 10-50 secondi. I ricercatori attribuiscono questa maggiore sensibilità alla maggiore superficie disponibile per le reazioni che hanno luogo tra la molecola bersaglio e il sensore. I sensori erano anche altamente selettivi. Le nanofibre hanno reagito principalmente con il biomarcatore bersaglio grazie ai catalizzatori in lega contenenti due tipi di metalli anziché un solo tipo. Questi catalizzatori con combinazioni di metalli uniche possono aiutare a creare "biblioteche di rilevamento" per vari biomarcatori.

Il team ha creato una piattaforma di sensori mobili in grado di analizzare le molecole del respiro esalato raccolte in una sacca per il campionamento del gas e quindi inviare i risultati a uno smartphone. Rimangono alcuni problemi prima che le piattaforme di diagnosi basate sul respiro possano essere completamente implementate, come la differenziazione tra due disturbi che condividono un biomarcatore.

I risultati di questo studio sono stati selezionati come articolo di copertina del numero di luglio 2017 di Conti di ricerca chimica e il numero di settembre 2017 di Materiale avanzato .