Tým Penn State vytvořil dechový senzor, který identifikuje diabetes detekcí acetonu. Zařízení je rychlé, neinvazivní a postaveno s laserem indukovaným grafen pro přesnost.
Ve Spojených státech si téměř jeden z pěti z 37 milionů dospělých žijících s diabetem neuvědomuje jejich stav. Standardní metody pro diagnostiku diabetu a prediabetes často zahrnují návštěvy klinických a laboratorních testů, které mohou být nákladné i časově náročné. Vědci nyní naznačují, že detekce může být brzy stejně jednoduchá jako analýza dechu člověka.
Tým vedený Huannyu „Larry“ Chengem, James L. Henderson, MEMORIAL Associate profesor inženýrské vědy a mechaniky ve státě Penn, vytvořil senzor schopný diagnostikovat diabetes a prediabetes během několika minut pomocí pouze dechového vzorku. Jejich zjištění byla nedávno hlášena v Časopis chemického inženýrství.
Aceton jako biomarker pro cukrovku
Tradiční diagnostické přístupy se obvykle spoléhaly na měření hladin glukózy v krvi nebo potu. Tento nový senzor se však zaměřuje na aceton v vydechovaném dechu. Ačkoli je aceton přirozeně přítomen jako vedlejší produkt metabolismu tuku, hladiny vyšší než přibližně 1,8 dílů na milion jsou silným ukazatelem diabetu.
„I když máme senzory, které dokážou detekovat glukózu v potu, vyžadují to, abychom vyvolali pot skrz cvičení, chemikálie nebo saunu, které nejsou vždy praktické nebo pohodlné,“ řekl Cheng. „Tento senzor vyžaduje pouze vydechnutí do sáčku, ponořte senzor dovnitř a počkejte několik minut na výsledky.“
Cheng poznamenal, že předchozí dechová analýza často zacílená biomarkery, která stále vyžadovala laboratorní potvrzení. Naproti tomu tento nový design umožňuje detekci acetonu na místě, takže je praktický i cenově dostupný.
Navrhování selektivního a efektivního senzoru
Kromě identifikace acetonu jako cílového biomarkeru Cheng zdůraznil, že inovace leží také v konstrukci a materiálech senzoru-zejména použití laserově indukovaného grafenu. Tento materiál se vyrábí, když je substrát na bázi uhlíku, jako je polyimidový film, vystaven Co₂ laseru, který jej transformuje na vzorovaný porézní grafen s defekty, díky nimž je vysoce efektivní pro snímání aplikací.
„Je to podobné toastingovému chleba až uhlíkově černé, pokud je příliš dlouho opékaný,“ řekl Cheng. „Naladěním laserových parametrů, jako je napájení a rychlost, můžeme toast polyimid na několik vrstvených porézních grafenových formy.“
Vědci použili laserem indukovaný grafen, protože je vysoce porézní, což znamená, že umožňuje plyn. Tato kvalita vede k větší šanci na zachycení molekuly plynu, protože výdech dechu obsahuje relativně vysokou koncentraci vlhkosti. Samotný grafen indukovaný laserem však nebyl dostatečně selektivní acetonem nad jinými plyny a je třeba jej kombinovat s oxidem zinečnatého.
„Mezi těmito dvěma materiály, které umožňovaly větší selektivní detekci acetonu, se vytvořila křižovatka na rozdíl od jiných molekul,“ řekl Cheng.
Překonávání výzev a budoucích směrů
Cheng řekl, že další výzvou bylo, že povrch senzoru může také absorbovat molekuly vody, a protože dech je vlhký, molekuly vody by mohly konkurovat cílové acetonové molekule. Aby to bylo řešeno, vědci zavedli selektivní membránu nebo vrstvu vlhkosti, která by mohla blokovat vodu, ale umožnit acetonu pronikat vrstvu.
Cheng řekl, že právě teď tato metoda vyžaduje, aby osoba vdechovala přímo do tašky, aby se zabránilo zásahu z faktorů, jako je proudění vzduchu v prostředí okolí. Dalším krokem je vylepšení senzoru tak, aby byl použit přímo pod nosem nebo připevněn ke vnitřku masky, protože plyn může být detekován při kondenzaci vydechovaného dechu. Řekl, že také plánuje prozkoumat, jak by mohl být dechový senzor detekující aceton použit k optimalizaci zdravotních iniciativ pro jednotlivce.
„Pokud bychom lépe pochopili, jak se hladiny acetonu v dechu mění s stravou a cvičením, stejně jako vidíme kolísání hladin glukózy v závislosti na tom, kdy a co člověk jí, byla by velmi vzrušující příležitost použít to pro zdravotní aplikace nad rámec diagnostiky cukrovky,“ řekl Cheng.
Reference: “ZnO/LIG nanocomposites to detect acetone gas at room temperature with high sensitivity and low detection limit” by Li Yang, Wenyuan Fu, Ya Wang, Zhida Wang, Longbiao Mao, Luxiang Xu, Chengpeng Yao, Hongyu Zhang, Sisi Chen, Hui Zhang and Huanyu Cheng, 13 June 2025, Časopis chemického inženýrství.
Doi: 10.1016/j.cece.2025.164857
Financování z USA Národní zdravotní ústavy A americká národní vědecká nadace podporovala příspěvky Penn State k této práci.
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
