Современные методы диагностики диабета и преддиабета обычно требуют посещения кабинета врача или лабораторной работы, что может быть дорогостоящим и отнимать много времени. В настоящее время диагностировать диабет и преддиабет может быть так же просто, как дышать.
Исследовательская группа под руководством Хуанью «Ларри» Ченга (Huanyu «Larry» Cheng), Джеймса Л. Хендерсона-младшего (James L. Henderson), адъюнкт-профессора кафедры инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания, University Park, Пенсильвания, разработала датчик, который может помочь диагностировать диабет и преддиабет на месте за несколько минут, используя всего лишь образец дыхания.
Предыдущие методы диагностики часто использовали глюкозу, обнаруживаемую в крови или поте, но новый датчик определяет уровень ацетона в выдыхаемом воздухе. Хотя ацетон содержится в дыхании каждого человека как побочный продукт сжигания жира, уровень ацетона, превышающий порог в 1,8 частей на миллион, указывает на диабет.
«Хотя у нас есть датчики, которые могут определять содержание глюкозы в поте, они требуют, чтобы мы вызывали потоотделение с помощью физических упражнений, химических препаратов или посещения сауны, что не всегда практично или удобно», — сказал Ченг. «Этот датчик требует, чтобы испытуемый выдохнул в пакет, затем опустил датчик в него и подождал несколько минут для получения результатов».
Ченг сказал, что были и другие датчики для анализа дыхания, но они выявляли биомаркеры, которые требовали лабораторного анализа. Ацетон может быть обнаружен и считан непосредственно на месте, что делает новые датчики экономичными и удобными.
По словам Ченга, помимо использования ацетона в качестве биомаркера, еще одно новшество датчика заключается в дизайне и материалах — в первую очередь в графене, полученном с помощью лазерной индукции. Для создания этого материала используется CO2-лазер для сжигания углеродсодержащих материалов, таких как полиимидная пленка в данной работе, для создания пористого графена с рисунком и большими дефектами, которые желательно распознавать.
«Это похоже на обжаривание хлеба до состояния сажи, если поджаривать его слишком долго», — сказал Ченг. «Настраивая параметры лазера, такие как мощность и скорость, мы можем обжаривать полиимид в виде многослойного пористого графена».
Исследователи использовали графен, созданный с помощью лазерной обработки, поскольку он обладает высокой пористостью, что означает, что он пропускает газ. Это качество увеличивает вероятность улавливания молекул газа, поскольку выдыхаемый воздух содержит относительно высокую концентрацию влаги. Однако сам по себе графен, созданный с помощью лазера, не был достаточно избирательным по отношению к ацетону по сравнению с другими газами, и его необходимо было комбинировать с оксидом цинка.
«Между этими двумя материалами образовалось соединение, которое позволило более избирательно обнаруживать ацетон по сравнению с другими молекулами», — сказал Ченг.
Другая проблема заключалась в том, что поверхность сенсора также могла поглощать молекулы воды, а поскольку дыхание влажное, молекулы воды могли конкурировать с молекулами ацетона-мишени. Чтобы решить эту проблему, исследователи внедрили селективную мембрану, которая могла блокировать воду, но пропускать ацетон.
Ченг сказал, что в настоящее время этот метод требует, чтобы испытуемый дышал непосредственно в мешок, чтобы избежать воздействия таких факторов, как поток воздуха в окружающей среде. Следующим шагом является усовершенствование датчика, чтобы его можно было использовать непосредственно под носом или прикрепить к внутренней стороне маски. Он также планирует исследовать, как можно использовать датчик дыхания, обнаруживающий ацетон, для оптимизации медицинских мероприятий для отдельных людей.
«Если бы мы могли лучше понять, как уровень ацетона в выдыхаемом воздухе меняется в зависимости от диеты и физических упражнений, точно так же, как мы наблюдаем колебания уровня глюкозы в крови в зависимости от того, когда и что ест человек, это была бы очень интересная возможность использовать это для медицинских целей, помимо диагностики диабета», — сказал он.
