Выдыхаемый воздух содержит химические подсказки о том, что происходит внутри организма, включая такие заболевания, как рак легких. Разработка способов определения этих соединений Американского химического общества может помочь врачам ставить ранние диагнозы и улучшать перспективы пациентов. В исследовании, опубликованном в журнале ACS Sensors, ученые сообщают о создании сверхчувствительных наноразмерных датчиков, которые в ходе небольших тестов распознают ключевые изменения в химическом составе дыхания людей с раком легких.
Люди выдыхают множество газов, таких как водяной пар и углекислый газ, а также другие соединения, содержащиеся в воздухе. Исследователи установили, что снижение содержания одного из химических веществ в выдыхаемом воздухе — изопрена — может указывать на наличие рака легких. Однако, чтобы обнаружить такие небольшие изменения, датчик должен быть очень чувствительным, способным определять уровень изопрена в диапазоне частей на миллиард (ppb). Кроме того, он должен отличать изопрен от других летучих химических веществ и выдерживать естественную влажность дыхания. Предыдущие попытки создать сенсоры с подобными характеристиками были сосредоточены на оксидах металлов, в том числе на одном особенно перспективном соединении, созданном на основе оксида индия. Команда под руководством Пингвея Лю и Цинъюэ Ванга поставила перед собой задачу усовершенствовать сенсоры на основе оксида индия, чтобы обнаружить изопрен на том уровне, на котором он естественно присутствует в дыхании.
Исследователи разработали серию сенсоров на основе наночастиц оксида индия(III) (In2O3). В ходе экспериментов они обнаружили, что один тип, который они назвали Pt@InNiOx за содержащиеся в нем платину (Pt), индий (In) и никель (Ni), показал наилучшие результаты. Эти датчики Pt@InNiOx:
- обнаруживали изопрен на уровне 2 ppb, что значительно превосходило чувствительность более ранних изобретений;
- реагировали на изопрен сильнее, чем на другие летучие соединения, обычно присутствующие в дыхании;
- работали стабильно в течение 9 смоделированных применений.
Что еще более важно, проведенный авторами анализ структуры и электрохимических свойств наночастиц в режиме реального времени показал, что нанокластеры платины, равномерно закрепленные на наночастицах, катализируют активацию чувствительности к изопрену, что и привело к сверхчувствительности.
Наконец, чтобы продемонстрировать потенциальное медицинское применение этих сенсоров, исследователи включили наночастицы Pt@InNiOx в портативное сенсорное устройство. В этот прибор ученые поместили «дыхание», собранное ранее у 13 человек, 5 из которых страдали раком легких. Прибор обнаружил уровень изопрена ниже 40 ppb в образцах больных раком и более 60 ppb у здоровых участников. По словам исследователей, эта технология может стать прорывом в неинвазивном скрининге рака легких, она способна улучшить результаты и даже спасти жизнь.
[Фото: Adapted from ACS Sensors 2024, DOI: 10.1021/acssensors.4c01298]
